Chương 6: Thiết kế hệ thống mạng PLC (Simatic)

Tổng quan Mạng AS-I là hệ thống kết nối ở cấp thấp nhất trong hệ thống tự động hóa hình 6.1, ở đây các đường nối kết thiết bị rườm rà, đồ xộ được thay thế bằng tuyến cáp đơn giản gọi

Mục đích:

Nắm rõ cấu trúc các loại mạng PLC

Cơ sở dữ liệu và truyền thông Kết nối các thành phần trên mạng

6.1 MẠNG ASI

6.1.1 GIAO TIẾP AS

6.1.1.1 Tổng quan

Mạng AS-I là hệ thống kết nối ở cấp thấp nhất trong hệ thống tự động hóa (hình

6.1), ở đây các đường nối kết thiết bị rườm rà, đồ xộ được thay thế bằng tuyến cáp đơn

giản gọi là cáp AS-i Sử dụng cáp và điều khiển AS-I, thì các cảm biến và các cơ cấu chấp hành kiểu nhị phân đơn giản nhất sẽ được kết nối tới thiết bị điều khiển ở cấp trường qua các module AS-I

Mạng AS được phân

biệt bằng những đặc tính chủ

yếu sau:

Giao tiếp AS được tối ưu

để nối kết các cảm biến

và cơ cấu chấp hành Cáp

AS được sử dụng cho cả

hai việc : trao đổi dữ liệu

giữa các cảm biến và cơ

cấu với thiết bị điều

khiển; cung cấp nguồn cho

các cảm biến

Hình 6.1 – Phân cấp mạng

Nối kết đơn giản và giá

phải chăng: lắp đặt đơn

giản, tính linh hoạt cao với

nối kết kiểu hình cây

Thời gian đáp ứng nhanh: Chủ AS-I chỉ cần tối đa 5 ms cho chu kỳ trao đổi dữ liệu lên tới 31 trạm

Các trạm trên cáp AS-I có thể là các cảm biến, cơ cấu chấp hành với đầu nối hoặc module AS-I tích hợp có thể được nối vào tới 4 sensor/actuator nhị phân thông thường Với các module AS-I có thể lên đến 124 cảm biến được hoạt động trêncáp AS-i

6.1.1.2 Giao tiếp AS và các thành phần hệ thống AS

Các thành phần dưới sẽ tạo thành hệ thống mạng AS

AS-i master

AS-i module

AS-i cable

AS-i power supply unit

Sensors/actuators with an integrated AS-i chip

Addressing unit

SCOPE AS-Interface

Sơ đồ sau mô tả các thành phần được nối kết, hình 6.2

Hình 6.2 – Sơ đồ kết nối các thành phần AS-i

6.1.2 CÁC AS-I MASTER

6.1.2.1 ASI master cho simatic s7-200

CP 242-2

Module CP 242-2 cho phép kết nối chuỗi ASI tới bộ điều khiển lập trình S7-200 CP 242-2

có thể xử lý các chức năng hoàn chỉnh của các điểm ASI master, hình 6.3

Hình 6.3 – ASI master CP 242-2

Hình 6.4 – ASI master CP 242-8

6.1.2.2 ASI master cho simatic s7-300

CP 342-2

module ASI

master cho các

bộ điều khiển

S7-300 và cho hệ

thống phân phối

I/O ET 200M

CP 342-2

chiếm 16 byte

input và 16 byte

output trong vùng

analog của bộ

điều khiển mà

qua đó các dữ

liệu nhập của

slave có thể được

đọc và các dữ

liệu xuất của

slave có thể được

DP/ASI Link 20 module (được thiết kế bằng công nghệ IP 20 để nối kết ASI với Profibus)

CP 242-8

CP 142-2 trong ET200X

CP 342-2 trong ET200M

AS 300/CPU315-2DP với CP 2433

DP/AS Link ( link sủ dụng công nghệ IP 65 để nối kết ASI với Profibus)

6.1.2.4 ASI master cho ET200X

CP 142-2

Module CP 142-2 có thể hoạt động trong hệ thống I/O phân bố ET200X, nó cho phép kết nối chuỗi ASI với hệ thống I/O Đặc điểm chính của hệ thống I/O ET 200X là xây dựng thích nghi với các kiểu bảo vệ IP 65, IP 66 và IP 67

Hình 6.6 – Cấu hình hệ thống với DP/ASI Link 20

Hình 6.7 – ASI master CP 142-2

6.1.2.5 ASI master cho PC-AT

CP 2413

CP 2413 cho phép kết nối giao tiếp ASI tới máy tính

Phần cứng của ASI master được thực hiện như một card PC Cho phép đến 4 ASI master CP có thể hoạt động cùng một lúc trong một PC Điều này nói rằng ASI PC master cũng thích hợp cho các tác vụ phúc tạp

Một chương trình hoạt động và mô phỏng sẵn sàng cung cấp các trạng thái hiện hành của các slave trên cáp và cho phép các điều hành đơn giản các slave Chương trình này cũng có thể sử dụng để những mục đích chẩn đoán, nó cũng cho phép lập trình các địa chỉ của các slave ASI

Từ đó không những card ASI master có thể được hoạt động trong PC mà còn cho PC giao tiếp với Industrial Ethernet và Profibus cùng một lúc, dữ liệu cung cấp bởi ASI slave cũng có thể khả dụng với các trạm khác trong mạng

Hình 6.8 – Cấu hình hệ thống với PC-AT và CP2413

6.1.3 CÁC THÀNH PHẦN KHÁC CỦA ASI

Như đã đề cập ở ASI ngoài các ASI master với vai trò là chủ trong hệ thống, còn có các thành phần khác được nối kết vào để tạo nên một hệ thống mạng ASI chuẩn

6.1.3.1 Cáp ASI

Cáp ASI được tiếp xúc bằng kỹ thuật thẩm thấu Các lưỡi tiếp xúc (contact blade) thâm nhập vào áo nhựa bọc bên ngoài và tạo tiếp xúc với 2 dây dẫn Điều này đảm bảo

cho điện tở tiếp xúc thấp và kết nối dữ liệu tin cậy Với liểu kết nối này, có những module kết nối được thiết kế cho kỹ thuật thẩm thấu

6.1.3.2 Repeater/Extender

Các ASI repeater/Extender được thiết kế để dùng cho môi trường giao tiếp AS Thiết

bị này có nhiệm vụ mở rộng chiều dài 100 m tối đa của ASI Một đoạn một 100m có sẵn có thể được mở rộng thêm tối đa 2 đoạn 100m nữa

Sử dụng Repeater

ASI Repeater được sử dụng khi các slave được hoạt động trên tất cả các đoạn cáp Mỗi đoạn ASI được đòi hỏi một đơn vị nguồn cung cấp riêng biệt (trước và phía sau của repeater) Repeater có các đặc điểm sau:

Mở rộng chiều dài cáp

tối đa là 300 m

Các slave có thể được

sử dụng ở cả hai bên

của ASI

Nguồn cung cấp đòi

hỏi phải có ở cả hai

bên ASI

Cách ly điện giữa hai

cáp

Mỗi bên giao tiếp AS

cần có một nguồn điện

Lắp đặt trong dạng đóng vỏ module ứng dụng chuẩn

Sử dụng Extender

ASI Extender được sử

dụng trong các ứng dụng mà

master được lắp đặt ở khoảng

cách xa hơn với chỗ lắp đặt

ASI

Hình 6.10 – Sử dụng Extender

Các master có thể được

được đặt cách xa đoạn

ASI 100m

Các slave chỉ được sử

dụng ở bên của extender

không có master

Nguồn điện chỉ được yêu cầu cho bên không có master

Không cần cách ly điện giữa hai cáp

Chỉ thị điện áp đúng

Được lắp đặt trong dạng đóng vỏ module ứng dụng Extender được gắn trên module kết nối FK-E

6.1.3.3 Đơn vị định địa chỉ

Mỗi slave trên ASI đều mang một địa chỉ Địa chỉ này được lưu trữ trên các slave Ta có thể lập trình địa chỉ của các slave sử dụng đơn vị định địa chỉ

6.1.3.4 SCOPE ASI

Phần mềm SCOPE ASI là một chương trình giám sát có khả năng ghi lại và đánh giá trao đổi dữ liệu trong các mạng ASI trong suốt quá trình lắp đặt và hoạt động Phần mềm SCOPE ASI có thể chạy trong PC liên kết vớ CP 2413 dưới môi trường Windows

6.1.4 CHẾ ĐỘ MASTER

6.1.4.1 Nguyên tắc của Master/Slave trong ASI

ASI hoạt động theo nguyên tắc master/slave Điều này có nghĩa là ASI master kết hợp với cáp ASI điều khiển trao đổi dữ liệu với 31 slave qua giao tiếp cáp ASI

Hình 6.11 minh họa

giao tiếp giữa hai khối

ASI master với ASI slave

qua cáp ASI Các lệnh

gán tham số và dữ liệu

quá trình được truyền qua

giao tiếp giữa “master

CPU” và “master CP”

Các chương trình

người dùng sử dụng các

gọi hàm thích hợp và cơ

chế khả dụng để đọc và ghi qua giao tiếp này

Hình 6.11 – Sơ đồ khối gia tiếp ASI master/slave

6.1.4.2 Truyền dữ liệu

6.1.4.2.1 Cấu trúc thông tin – dữ liệu

Hình 6.12 mô tả các trường và danh sách dữ liệu của hệ thống đã được định nghĩa Các cấu trúc sau đây được tìm thấy trên CP:

Các ảnh dữ liệu

Chúng chứa các

thông tin được lưu trữ tạm

thời:

Các tham số thật

là ảnh của các

tham số hiện thời

trên slave

Dữ liệu cấu hình

thật: trường này

chứa các cấu hình

I/O và mã ID của

tất cả các slave

được nối kết ngay

khi dữ liệu này

được đọc từ các Hình 6.12 – Sơ đồ cấu trúc ASI master CP và ASI slave

slave

Danh sách các slave được phát hiện (LDS)

Danh sách các slave bị kích hoạt (LAS)

LAS cho thấy những slave nào được kích hoạt bởi ASI master Dữ liệu I/O chỉ trao đổi được với các slave bị kích hoạt

đợi trên cáp

ASI bởi ASI

master ASI

master kiểm

tra liên tục

xem có phải

tất cả các

6.1.4.2.2 Các cấu trúc ASI slave

6.1.4.2.3.Các giai đoạn hoạt động

Sơ đồ hình 6.13 cho thấy các giai đoạn hoạt động của quá trình truyền dữ liệu Chúng có 3 giai đoạn chính:

Giai đoạn khởi tạo ban đầu (Initialization phase)

Giai đoạn khởi động (Startup Phase)

Giai đoạn trao đổi dữ liệu (Data Exchange Phase)

Chế độ khởi tạo ban đầu

Giai đoạn này gọi là giai đoạn offline, thiết lập trạng thái cơ bản của master Module này được khởi tạo trị sau khi chuyển mạch

Giai đoạn khởi động

Giai đoạn này bao gồm:

• Giai đoạn phát hiện

Phát hiện các slave trong giai đoạn khởi động

• Giai đoạn kích hoạt

Sau khi phát hiện các trạm, chúng được kích hoạt do master gửi lệnh gọi đặc biệt Khi kích hoạt các trạm riêng, có sự khác biệt giữa hai chế độ trên ASI master:

− Master ở chế độ cấu hình:

Tất cả các trạm được phát hiện được kích hoạt Ở chế độ này các giá trị thật được đọc và lưu chúng cho cấu hình

− Master ở chế độ được bảo vệ:

Chỉ có các trạm tương ứng với cấu hình mong đợi được lưu trên ASI master mới được kích hoạt Nếu cấu hình thật được tìm thấy trên ASI slave khác với cấu hình mong đợi này Master đưa các trạm được kích hoạt vào danh sách các trạm được kích hoạt

Chế độ bình thường (giai đoạn trao đổi dữ liệu)

Khi kết thúc giai đoạn khởi động, ASI master chuyển sang chế độ bình thường:

− Giai đoạn trao đổi dữ liệu:

Master gửi dữ liệu tuần hoàn ra các trạm và nhận các thông điệp ghi nhận

− Giai đoạn quản lý:

Giai đoạn này, tất cả các công việc hiện có của các ứng dụng điều khiển được xử lý và gửi đi

− Giai đoạn bao hàm:

Giai đoạn này, các slave mới thêm vào được đưa vào danh sách các slave được phát hiện và cung cấp chế độ cấu hình và chúng cũng được kích hoạt Nếu master ở chế độ bảo

vệ thì chỉ có các slave được lưu trữ trong cấu hình mong đợi của ASI master mới được kích hoạt Với cơ chế này các slave đã hết phục vụ tạm thời cũng được bao hàm lần nữa

6.1.4.2.4 Chức năng giao tiếp

Để kiểm soát hoạt động của master/slave từ chương trình người dùng, có nhiều chức năng

khả dụng ở giao tiếp được minh họa hình 6.14

Các hoạt động bao gồm:

Read/Write (đọc/ghi)

Khi ghi các tham số được chuyển đến slave và các ảnh tham số trên CP Khi đọc, các tham số được chuyển từ slave hoặc các ảnh tham số từ CP vào CPU

Read/Write configuration data (đọc/ghi dữ liệu cấu hình)

Các tham số đặt cấu hình hay các dữ liệu cấu hình được đọc từ bộ nhớ không bốc hơi của CP

Configure actual (Đặt cấu hình thật)

Khi đọc các tham số và dữ liệu cấu hình được đọc vào và lưu trữ thường xuyên trên

CP Khi ghi, các tham số và dữ liệu cấu hình được lưu trữ thường xuyên trên CP

Supply slaves with configured parameters (Cung cấp các tham số đặt cấu hình cho các slave)

Các tham số cấu hình được chuyển từ vùng nhớ không bốc hơi của CP đến các slave

Hình 6.14 – Các chức năng giao tiếp

field cách ly nhau như các bộ điều khiển, các bộ chuyển đổi tín hiệu, các cảm biến và các

cơ cấu chấp hành

Mỗi thiết bị field có khả năng tính toán được cài đặt trong nó và làm cho mỗi thiết bị thành thiết bị thông minh Mội thiết bị field sẽ thực hành những chức năng đơn giản trên chính nó như các chức năng chuẩn đoán, điều khiển và bảo trì như cung cấp khả năng truyền thông hai chiều Ngoài ra nó còn cho phép liên lạc với các thiết bị filed khác Cốt lỏi là fieldbus sẽ thay thế các mạng điều khiển tập trung thành các mạng điều khiển phân tán

Do đó fieldbus có nhiều chức năng và ưu việt hơn so với việc thay thế chuẩn analog 20mA

4-6.2.1.2 Các thuận lợi của fieldbus

• Giảm giá thành

• Tiết kiệm chi phí ban đầu cho dự án công nghệ

• Tiết kiệm trong bảo hành, bảo trì và thay thế

• Nâng cao hiệu quả sản xuất, chất lượng sản phẩm

• Bảo đảm tính an toàn sản xuất và vệ sinh môi trường

• Quản lý chặt chẽ và hiệu quả

6.2.1.3 Truyền thông công nghiệp

Sự phát triển như vũ bão của IT đã góp phần thúc đẩy phát triển công nghệ tự động hóa Nó đã thay đổi các hệ phân cấp, các cấu trúc và quá trình trao đổi thông tin giữa các cấp trong hệ thống Truyền thông đã tăng theo chiều ngang ở cấp field cũng như theo chiều dọc qua các mức phân cấp

Ở cấp Actuator/Sensor các tín hiệu của các sensor và actuator nhị phân được truyền qua ASI bus Đây là kỹ thuật lắp đặt chi phí thấp, đơn giản, qua đó dữ liệu và nguồn điện 24V cho các thiết bị cuối được truyền qua môi trường chung Dữ liệu được truyền xoay vòng

Ở cấp field các thiết bị ngoại vi phân bố như I/O module, cảm biến đó, các cơ cấu truyền động, các slave và các operation terminal truyền thông với các hệ thống tự động qua hệ thống truyền thông thời gian thực Việc truyền dữ liệu quá trình là theo vòng tuần hoàn, trong khi đó các cảnh báo, tham số và dữ liệu chẩn đoán phải được truyền không đồng bộ nếu cần Profibus là giải pháp nhằm thoả mãn các yêu cầu này đồng thời là giải pháp thông suốt cho sản xuất cũng như tự động hoá quá trình

Ở cấp cell, các bộ đềiu khiển lập trình được như PLC và IPC truyền thông với nhau Luồng thông tin cần những gói dữ liệu lớn và một số lớn các chức truyền thông mạnh Tích hợp vào hệ thống truyền thông toàn công ty như Intranet và Internet qua các TCP/IP và Ethernet là các yêu cầu quan trọng

6.2.1.4 PROFIBUS (PROcess Field Bus)

PROFIBUS là mạng cho cấp cell và cấp field trong hệ thống truyền thông simatic mở Nó được ứng dụng để truyền dữ liệu từ nhỏ đến trung bình Về mặt vật lý, PROFIBUS là mạng điện dựa trên cáp 2 dây hoặc mạng quang dựa trên cáp sợi quang hoặc mạng vô tuyến với truyền hồng ngoại (IR)

6.2.2 CÔNG NGHỆ PROFIBUS

PROFIBUS là chuẩn fieldbus cho một giải rộng các ứng dụng trong sản xuất và tự động hóa quá trình PROFIBUS cho phép truyền thông giữa các thiết bị của các nhà sản xuất khác nhau không cần thêm bất cứ điều chỉnh giao tiếp nào PROFIBUS có thể sử dụng cho hai ứng dụng: ứng dụng đò hỏi thời gian đáp ứng với tốc độ cao và những công việc truyền thông phức tạp

PROFIBUS cho các giao thức truyền thông (Communication Profiles): DP và FMS Tùy theo ứng dụng cụ thể mà ta có thể sử dụng các công nghệ truyền dẫn sau (Physical Profiles): RS485, IEC 1158-2 hoặc sợ quang

6.2.2.1 Giao thức truyền thông

Giao thức truyền thông profibus được định nghĩa làm sao các người dùng truyền nối tiếp dữ liệu của chúng qua môi trường chung

• DP (Distributed Periphery)

DP là giao thức thông dụng được sử dụng nhiều nhất Nó được tối ưu về tốc độ, hiệu suất và giá kết nối thấp và được thiết kế cho truyền thông giữa các hệ thống tự động và ngoại vi phân bố

• FMS (Field Message Specification)

Đây là giao thức truyền thông vạn năng cho nhiều chức năng ứng dụng để truyền thông

giữa các thiết bị có tính thông minh

6.2.2.2 Công nghệ truyền dẫn

Do yêu cầu của bus truyền thông đòi hỏi độ tin cậy truyền cao, khoảng cách xa, tốc độ truyền cao và mặc khác trong quá trình tự động hóa sản xuất còn thêm các yêu cầu như hoạt động trong vùng nguy hiểm và năng lượng trên cùng đường truyền chung Hiện tại có

3 phương pháp truyền dẫn profibus khả dụng nhất:

• Truyền RS-485 cho các ứng dụng trong tự động hóa sản xuất

• Truyền IEC 1158-2 cho ứng dụng tự động hóa quá trình

• Sợi quang cải thiện tính nhiễu điện và những khoảng cách mạng lớn

6.2.3 ĐẶC TÍNH CỦA PROFIBUS

PROFIBUS là cho phép nối các thiết bị điều khiển theo truyền nối tiếp từ cấp cell đến cấp field Trong đó có nhiều master và nhiều slave, do đó có thể ghép nối nhiều hệ thống tự động hóa, hệ thống kỹ thuật và các trạm hiển thị với các ngoại vi phân bố của chúng trên cùng một bus PROFIBUS phân biệt các kiểu thiết bị sau:

• Thiết bị master xác định truềyn dữ liệu trên bus Một master có thể gửi các thông điệp không cần có yêu cầu bên ngoài khi nó giữ quyền truy cập Các master cũng có thể gọi là các trạm tích cực hoặc các nút tích cực

• Thiết bị slave là các ngoại vi như các thiết bị I/O, các slave, các bộ truyền động và các cảm biến đo lường Chúng không có quyền truy cập bus và chúng chỉ có thể báo cho biết đã nhận thông điệp hoặc gửi các htông điệp đến master khi có yêu cầu

6.2.3.1 Công nghệ truyền RS-485

Truyền dẫn RS-485 thường được sử dụng rất nhiều bởi PROFIBUS Những ứng dụng mà trong đó lắp đặt không cần đắt tiền, đơn giản và truyền tốc độ cao

Tốc độ truyền có thể từ 9.6 Kbps tới 12 Mbps Một tốc độ truyền duy nhất được chọn cho tất cả các thiết bị trên một bus khi hệ thống sẵn sàng