Tài liệu ôn thi tự động hóa quá trình sản xuất

Tổng hợp các tài liệu, bài tập, đề thi khoa cơ khí, bộ môn tự động hóa quá trình sản xuất

Mục lục

Câu 1: Khái niệm hệ thống sản xuất tự động 2

Câu 2: Cấu trúc của hệ thống SXTĐ 3

Câu 3: Mức độ tự động hoá của một hệ thống SXTĐ 4

Câu 4: Vai trò và chức năng của hệ thống sản xuất tự động 5

Câu 5: Yêu cầu đối với hệ thống sản xuất tự động 6

1 Bảo đảm kỹ thuật của hệ thống sản xuất tự động 6

2 Cấu trúc truyền tin trong các hệ thống SXTĐ 7

Câu 6: Mô hình SCADA 8

Câu 7: Mô hình DCS 9

Câu 8: Mạng truyền thông của SIEMENS 12

Câu 9: Mạng truyền thông của OMRON 13

Câu 10: Lớp mạng SYSMAC BUS, SYSMAC WAY, SYSMAC NET 14

Câu 11: Đặc điểm của mạng ASI 15

Câu 12: Thông số kỹ thuật mạng AS-I 16

Câu 13: Nguyên lý làm việc của mạng ASI 17

Câu 14: Phương pháp điều khiển mạng ASI 18

Câu 15: Xây dựng mạng AS-I với module truyền thông CP 342-2 18

Câu 16: Bảng địa chỉ slave 21

Câu 1: Khái niệm hệ thống sản xuất tự động.

Hệ thống sản xuất tự động (HTSXTĐ): Là hệ thống tự động các quátrình xử lý thông tin trong quá trình công nghệ hoặc quá trình sản xuất.Trong hệ này con người là một khâu quan trọng, thường xuyên có sự traođổi thông tin giữa người và máy Con người làm việc trong hệ thống đểhoạch định mục tiêu và đưa ra các quyết định để hệ đi đúng hướng

Chúng ta cần phân biệt giữa một hệ thống sản xuất tự động và hệ thốngđiều khiển tự động (HTĐKTĐ) Hệ thống điều khiển tự động là hệ thựchiện các thao tác một cách tự động theo logic chương trình đặt trước (docon người đặt trước), không có sự can thiệp của con người, con người chỉđóng vai trò khởi động hệ (trên thực tế đó là các bộ PID, PLC.MicroProccesor, các mạch điều khiển rơle-contắctơ ) Như vậy hệ thốngsản xuất tự động bao gồm các hệ thống điều khiển tự động, con người, hệthống kho bãi, nguyên liệu

Quá trình trao đổi thông tin giữa người và máy thực hiện theo mô hìnhsau:

Câu 2: Cấu trúc của hệ thống SXTĐ

Một hệ thống sản xuất tự động được cấu thành từ một hay nhiều hệ con trong đó bao gồm cả con người Cấu trúc của hệ thống sản xuất tự động

được trình bày như hình 4

Tất cả các hệ thống tự động hoá quá trình sản xuất đều được xây dựng trên hai cơ sở:

- Có người phục vụ, thao tác, điều phối (vận hành, điều phối)

- Bảo đảm thông tin, bảo đảm kỹ thuật, bảo đảm chương trình

Hệ thống này có thể là bằng tay, bán tự động, hoặc tự động hoàn toàn

Hệ thống sản xuất tự động sẽ được thực hiện nhờ quá trình truyền tin Với những hệ thống càng lớn, lượng thông tin trao đổi giữa người và máy càng nhiều, nếu không dùng máy móc hỗ trợ, sẽ cần một lực lượng đông đảonhân lực để ghi nhận Cách làm này tốn thời gian và cũng rất dễ gây ra nhầmlẫn Ngày nay người ta thường dùng máy tính điện tử để ghi nhận và xử lý

và truyền thông tin (Máy tính đặt tại văn phòng để lập kế hoạch, báo cáo, xử

lý và truyền tin thông thường Máy tính đặt tại các phân xưởng để truyền và

xử lý thông tin, máy tính đặt tại dây truyền để điều khiển cục bộ) Nhờ sự hỗtrợ của máy tính và các thiết bị điều khiển Các hệ thống sản xuất tự động hiện nay đã được xây dựng ở mức độ tự động hóa rất cao, giảm nhẹ sức lao động trí óc và chân tay của con người

Câu 3: Mức độ tự động hoá của một hệ thống SXTĐ.

Mức độ tự động hoá của một hệ thống SXTĐ thường được chia thành 4cấp như sau:

Cấp 1: Là cấp tiếp xúc giữa hệ thống điều khiển và QTCN, ở cấp này

sử dụng các cảm biến, các thiết bị đo dùng để thu nhận các tin tức từ QTCN

và các cơ cấu chấp hành như rơle, động cơ, van dùng để nhận thông tin điều khiển và thực hiện các lệnh điều khiển

Cấp 2: Là cấp điều khiển cục bộ, ở đây thực hiện việc điều khiển từng máy, từng bộ phận QTCN Các thiết bị điều khiển nhận thông tin của QTCN

ở cấp 1 và thực hiện các thao tác tự động theo chương trình của con người

đã cài đặt sẵn Một số thông tin về QTCN và kết quả của công việc điều khiển sẽ được chuyển lên cấp 3 Cấp này thường đặt các bộ điều khiển tương

tự (P,I,D) và các bộ điều khiển số Hiện nay sử dụng phổ biến là các bộ điều khiển khả trình PLC

Cấp 3: Là cấp điều khiển tự động hoá quá trình công nghệ Ở cấp này

có máy tính hoặc các phần tử nối mạng để thu nhận thông tin về QTCN (từ cấp 1 gửi lên), xử lý các thông tin và trao đổi thông tin với cấp cao hơn hoặcngười điều khiển thông qua giao diện Người-Máy

Cấp 4: Là cấp tự động hoá quá trình sản xuất, ở cấp này có máy tính trung tâm để không những xử lý các thông tin về quá sản xuất mà còn là các thông tin về tình hình cung ứng vật tư, nguyên liệu, tài chính, lực lượng lao động, tình hình cung cầu trên thị trường Máy tính trung tâm xử lý một khốilượng thông tin lớn, đưa ra các giải pháp tối ưu để người điều khiển lựa

chọn Người điều khiển có thể can thiệp sâu vào quá trình sản xuất, thậm chí

có thể thay đổi mục tiêu sản xuất Cũng như ở cấp 2, cấp này sử dụng giao diện Người-Máy nhưng ở mức độ cao hơn với phạm vi điều khiển rộng hơn

Câu 4: Vai trò và chức năng của hệ thống sản xuất tự động.

- Chức năng thông tin: Chức năng thông tin của HTSXTĐ nhằm chọn, soạn thảo và thu nhận thông tin (ví dụ: đo lường các thông số của quá trình, tính chỉ tiêu thông số, các tín hiệu về trạng thái của hệ thống…) Kiểm tra ghi các sai số của các thông số, trạng thái kỹ thuật thiết bị so với ban đầu Phân tích hoạt động bảo vệ thiết bị, ghi nhận trạng thái không an toàn, thôngbáo trước về khả năng giảm chất lượng sản phẩm, xuất hiện sự cố Ghi lại quá trình công nghệ (đồ thị, ảnh)

- Chức năng điều khiển: Chức năng điều khiển của hệ thống SXTĐ để đảm bảo hệ thống có khả năng chống lại các nhiễu loạn trong quá trình SX, chọn chế độ hoạt động tối ưu cho các máy, tối ưu cho toàn bộ quá trình

- Chức năng bổ trợ: Ngoài các chức năng trên HTSXTĐ còn có các chức năng bổ trợ đảm bảo an toàn lao động như bảo vệ sức khoẻ người vận hành, bảo vệ chống cháy, bảo vệ an toàn chung, bảo vệ môi trường

Mức độ của các chức năng trên phụ thuôc vào mức độ phát triển của hệ thống SXTĐ

Câu 5: Yêu cầu đối với hệ thống sản xuất tự động.

1 Bảo đảm kỹ thuật của hệ thống sản xuất tự động

Bảo đảm kỹ thuật của hệ thống sản xuất tự động là toàn bộ tổ hợp các thiết bị kỹ thuật cần thiết cho hoạt động của hệ thống đảm bảo thực hiện được các chức năng của hệ thống cần thiết kế

Đảm bảo toán kỹ thuật của hệ thống SXTĐ cần đảm bảo toán học và đảm bảo chương trình:

- Đảm bảo toán học: Tuỳ theo công nghệ mà xác định được mô hình

toán học mô tả hệ thống Dựa vào các mô hình này áp dụng các tính toán của kỹ thuật điều chỉnh để đảm bảo hệ thống được thiết kế thoả mãn một số chỉ tiêu chất lượng nào đó đã đề ra

- Đảm bảo chương trình: HT SXTĐ luôn có một algorith điều khiển, đó

là tập hợp lệnh xác định cần thiết cho việc điều khiển Algorith điềukhiển có thể là tổ hợp của các algorith điều khiển con có quan hệ vớinhau, yêu cầu phải đảm bảo Algorith điều khiển này

2 Cấu trúc truyền tin trong các hệ thống SXTĐ

- Truyền tin đóng vai trò quan trọng khi xây dựng các hệ thống SXTĐ,

truyền tin phải đảm bảo các yêu cầu sau:

- Đảm bảo thông tin đầy đủ để hiện thực tất cả các mục tiêu đặt ra.

- Các tín hiệu và mã phải tuân theo tiêu chuẩn.

- Mã thông tin phải là đơn giản nhất và thích hợp với nơi sản xuất.

- Có khả năng trao đổi thông tin với nhiều thiết bị.

- Thông tin phải đảm bảo tính bảo mật theo yêu cầu.

- Các cấu trúc hệ thống thông tin có thể là hình tia, tuyến tính hoặc hình

cây:

Câu 6: Mô hình SCADA

SCADA (Supervisory Control And Data Aquisition) nghĩa là hệ thống điềukhiển và thu thập số liệu hay còn gọi là hệ thống điều khiển giám sát Nócho phép điều khiển, giám sát hoạt động hệ thống trong quyền hạn nào đótrên màn hình và điều khiển nhiều chức năng khác nhau bên ngoài hoặc quátrình Hệ thống SCADA sẽ bao gồm một trạm chủ cho việc thu thập thôngtin từ những thiết bị đầu cuối thông qua thủ tục thu thập số liệu từ cácphương tiện truyền thông khác nhau Lấy lại thông tin và kết hợp với cảnhbáo để người điều khiển đưa ra những quyết định chính xác hoàn thành việcđiều khiển hệ thống và quá trình SCADA là một hệ kết hợp phần cứng vàphần mềm để tự động hoá việc quản lý giám sát điều khiển một hay nhiềuđối tượng SCADA thực hiện một số nhiệm vụ chính sau:

-Thu thập thông tin và giám sát từ xa lên đối tượng

- Điều khiển, điều chỉnh tự động từ xa lên đối tượng

- Thông tin từ xa với các đối tượng và các cấp quản lý

Các giải pháp về một hệ SCADA rất đa dạng về cấu trúc (có nhiều biến thểtrong thực tế do yêu cầu về sự phân bố chức năng điều khiển cũng như sựphân bố máy tính, thiết bị) Tuy nhiên tựu trung lại có cấu trúc tổng quannhư h.v

Một máy tính được dùng để điều khiển toàn bộ các quá trình con Trí tuệ củatoàn bộ hệ tập trung tại một điểm Đây là cấu trúc tự động hoá thích hợp chocác loại máy móc thiết bị vừa và nhỏ, bởi sự đơn giản, đễ thực hiện và giáthành một lần cho máy tính điều khiển Tuy nhiên cấu trúc này có các nhượcđiểm sau:

- Công việc nối dây phức tạp, giá thành cao

- Việc mở rộng hệ thống gặp khó khăn

- Độ tin cậy của hệ thống điều khiển phụ thuộc vào một thiết bị duy nhất

Để nâng cao độ tin cậy cho hệ thống người ta thường dùng máy tính dựphòng, tuy nhiên sẽ nâng cao giá thành Nhược điểm thứ nhất và một phầnnhược điểm thứ hai sẽ được khắc phục bằng cách dùng một mạng dây dẫnchung gọi là BUS TRƯỜNG (field bus)

Câu 7: Mô hình DCS

DCS (Distributed Control System) là hệ thống điều khiển phân tán, thựchiện ý tưởng giải pháp tích hợp điều khiển khi có nhiều phòng điều khiển

hoặc từng khu vực có những khối điều khiển chéo nhau Phân tán là việc bốtrí Trí tuệ và chức năng theo bề rộng cũng như chiều sâu, kết hợp mạngtruyền thông thay cho phương pháp dùng dây nối và bảng cổ điển Bên cạnhcách sử dụng phương pháp các cụm vào ra tại chỗ và các thiết bị chấp hànhthông minh, người ta còn đưa vào các máy điều khiển nhỏ (Các bộ điềuchỉnh chuyên dụng, vi điều khiển) xuống các vị trí gần kề quá trình kỹ thuật(hình 9).

- Trung tâm điều hành bao gồm: Trạm kỹ thuật (Engineering Station), trạmthao tác (Operator Station), và trạm phục vụ (Sevice Station)

- Trung tâm điều khiển bao gồm các máy tính điều khiển như các bộ logickhả trình (PLC), máy tính công nghiệp (IPC) và các máy tính phối hợp đượcnối với nhau và nối lên trung tâm điều hànhquá trình qua BUS xử lý

- Khu vực gần với khu vực kỹ thuật bao gồm các bộ điều khiển tại chỗ như

bộ vi điều khiển (Micro Controler), các bộ điều khiển thu gọn (CompactControler) và các cụm vào ra tại chỗ, các thiết bị cảm biến chấp hành đượcnối lên trung tâm thông qua BUS trường Trong thực tế tuỳ theo tính chấtứng dụng và thể loại quá trình kỹ thuật mà cấu trúc trên có thể được đơngiản hoá hoặc mở rộng thêm

Câu 8: Mạng truyền thông của SIEMENS.

Mô hình mạng truyền thông để xây dựng các hệ thống SXTĐ của SIEMENS

có cấu trúc mạng như sau:

Có ba phương pháp nối mạng các thiết bị điều khiển trong một hệ thống sảnxuất tự động của SIEMENS, đó là: Industrial Ethernet, Profibus va AS-Interface

Câu 9: Mạng truyền thông của OMRON.

Cũng như mạng truyền thông của SIEMENS, mạng truyền thông giữa cácthiết bị điều khiển của OMRON phụ thuộc vào yêu cầu người sử dụng Tuynhiên chúng được phân cấp ở các cấp thực hiện xử lý thông tin và điềukhiển OMRON đưa ra cấu trúc mạng theo hai chiều ngang và dọc như trênhình vẽ:

Cấp 0: Là cấp cơ bản của các bộ phận thiết bị như Sensor, cơ cấu chấp hành,Module cơ khí, trực tiếp tham gia vào quá trình sản xuất

Cấp 1: Cấp này bao quanh các thiết bị như máy điều khiển số, PLC, Robotcông nghiệp, thực hiện chức năng điều khiển

Cấp 2: Điều khiển và phối hợp cùng với các thiết bị ở mức 1 Thực hiện việcthích nghi với các chức năng điều khiển và sự thay đổi của các thiết bị mức1

Cấp 3: Điều khiển, giám sát các hoạt động của các thiết bị ở mức 2 Quản lýgiới hạn không quá một vùng riêng biệt của nhà máy hoặc một văn phòng.Cấp 4: Hợp nhất các hoạt động phân tầng với chức năng chính là tính toán

dự báo trước và đặt kế hoạch

Các cấp này được ghép nối hệ thống mạng: SYSMAC BUS, SYSMACWAY, SYSMAC NET và ETHERNET

Câu 10: Lớp mạng SYSMAC BUS, SYSMAC WAY, SYSMAC NET

1 Lớp mạng SYSMAC BUS

Mạng này được truyền theo kiểu BUS, có thể kết nối với các thiết bị thay đổinhư Sensor, Actuator hay các thiết bị I/O Sử dụng các thiết bị CVM1,C200HW (Master), CV-series, C200HC, C200HS (Slave) Mạng này có cácđặc điểm sau:

- Phương thức truyền thông kiểu Master-Slave

- Kết nối từ 31-63 nút (phụ thuộc từng thiết bị sử dụng)

- Dộ dài mạng 100, 500m

- Có khả năng chuẩn đoán và thể hiện lỗi trên trạm chủ.

2 Lớp mạng SYSMAC WAY.

Có thể thực hiện truyền thông với máy tính qua cổng truyền thông nối tiếpRS-322, truyền thông giữa các trạm chủ trên mạng theo phương thứcTokenring Sử dụng các thiết bị C200H-SLK21-V1, C200H-SLK11

Đặc điểm: - Tốc độ truyền 2Mbps Đường truyền là cáp đồng trục hoặc cápquang

- Số nút tối đa là 63

- Khoảng cách truyền: Tổng cộng 1km (hoặc 10km, 800m giữa các nút)

- Độ dài dữ liệu 512 byte

3 Lớp mạng SYSMAC NET.

Đây là lớp mạng liên kết trực tiếp các máy tính và các trạm chủ có độ tincậy cao với khả năng tự phản hồi và tự chẩn đoán lỗi của các thiết bị trênmạng Sử dụng các thiết bị như CV500/1000/2000, CVM1, C1000H,C2000H

Đặc điểm : - Tốc độ truyền 2Mbps Đường truyền là cáp quang

- Số nút tối đa là 126

- Khoảng cách truyền 1km (hoặc 3km khi dùng Repeater)

- Độ dài dữ liệu 2K byte

- Có khả năng gửi và nhận đệm các thông báo (nhận 15(30Kbyte) và gửi 1(2Kbyte) thông báo)

Câu 11: Đặc điểm của mạng ASI

AS-I (Actuator Sensor-Interface) là mạng ghép nối các phần tử ở cấp thấpnhất, dùng để ghép nối các thiết bị chấp hành, cảm biến Đây là cấu trúc mở

với mô hình mạng nhỏ, giá thành hạ, dễ cài đặt và sử dụng Mạng AS-I cócác tính đặc điểm sau:

- Đồng tải nguồn và dữ liệu, tức là nguồn nuôi cho các cảm biến, cơ cấuchấp hành và dữ liệu đều được truyền chung trên một đường cable hai dây

- Có khả năng truyền bền vững trong môi trường công nghiệp (đạt tiêuchuẩn IP 67) nhưng không đòi hỏi cao về chất lượng truyền

- Các bộ kết nối đơn giản và nhỏ gọn

- Chỉ sử dụng 1 CPU duy nhất, slave có thể đặt được địa chỉ, tốc độ đườngtruyền thấp

- quản lý được 32 slaver

Câu 12: Thông số kỹ thuật mạng AS-I

Là hệ thống mạng chủ-tớ (Master-Slave): Trạm chủ giao tiếp với trạm tớtheo phương pháp hỏi tuần tự (polling) Trạm chủ gửi bức điện có chiều dài

14 bit và chờ đợi trạm tớ trả lời (với một khoảng thời gian định trước), trạm

tớ trả lời với bức điện có chiều dài 7 bit:

- Có thể truyền dữ liệu trên cable 2 dây (2x1,5mm2), với điện áp vi sai lêntới 30V.

- Cho phép bổ xung nguồn phụ 24

- quản lý được 32 slave

- dung lượng địa chỉ là 16 byte- input, 16 byte- output

- số lượng max địa chỉ phần tử : input, output :128

- thông thường 1 slave có 4-input và 4-output

}

Câu 13: Nguyên lý làm việc của mạng ASI

- Hoạt động theo phương pháp hỏi đáp tuần tự

- Lệnh gửi của master dài 14 bít

- Lệnh trả của slave dài 7 bít

1 Lệnh gửi:

0 S A4 - A0 I4 - I0 P 1

- “0” Bít start (mức thấp)

- “P” Bít điều khiển : 1: mang hàm ý là thông số

0 : mang hàm ý là điều khiển

- “A4 - A0” là địa chỉ

- “I4 - I0” là thông tin

- “P” là bít kiểm tra

- “1” end

2 Lệnh trả về của slave

0 I4 - I0 P 1

Câu 14: Phương pháp điều khiển mạng ASI

- Modul CP giúp kết nối giữa master và slave

- Các địa chỉ của modul CP được xđ giống với địa chỉ vào ra của modul

Analog (vào: PIW ra PQW)

Câu 15: Xây dựng mạng AS-I với module truyền thông CP 342-2

- Như đã biết mạng AS-I là hệ thống mạng mở, rất nhiều nhà sản xuất

cung cấp thiết bị và chúng có thể tích hợp vào cùng một hệ thông

mạng Trong phần này sẽ hướng dẫn thiết lập mạng AS-I sử dụng module truyền thông CP342-2 của Siemens

- Cấu trúc mạng: