Nghiên cứu thành phần nhện hại,biện pháp phòng trừ nhện hại chủ yếu hoa hồng vụ xuân hè 2006 tại hà nội và vùng phụ cận

Luận văn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO

TRƯỜNG ðẠI HỌC NÔNG NGHIỆP I

-
-

ðỖ TUẤN KHANH

Nghiªn cøu thiÕt kÕ hÖ thèng ®iÒu khiÓn gi¸m s¸t cho 2 tr¹m Tay m¸y vµ Gia c«ng trong hÖ thèng s¶n xuÊt linh ho¹t (FMS) t¹i trung t©m FACT tr−êng §H SP KT H−ng

Yªn øng dông WinCC vµ S7-300

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUÂT

Chuyên ngành: ðiện nông nghiệp

Mã số:60.52.54

Người hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Văn Hoà

HÀ NỘI - 2007

Lời cam đoan

- Tôi xin cam đoan rằng, kết quả nghiên cứu và thiết kế trong luận văn này là trung thực và ch−a hề đ−ợc sử dụng để bảo vệ một học vị nào

- Tôi xin cam đoan rằng, mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn này đ1

đ−ợc cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong luận văn đều đ−ợc chỉ rõ nguồn gốc

Tác giả

Đỗ Tuấn Khanh

Lời cảm ơn

Qua một thời gian thực hiện, đến nay đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế hệ thống điều khiển giám sát cho 2 trạm Tay máy và Gia công trong hệ thống sản xuất linh hoạt (FMS), tại trung tâm FACT trường ĐHSP KT Hưng Yên” đ1 được hoàn thành Trong thời gian thực hiện, tôi đ1 nhận được rất nhiều sự giúp đỡ quý báu của các cá nhân, tập thể trong và ngoài trường

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Ts Nguyễn Văn Hoà về sự quan tâm, giúp đỡ tôi rất tận tình trong phương pháp và các nội dung nghiên cứu

Tôi xin chân thành cảm ơn tới các thầy, cô giáo trong khoa Cơ Điện, Khoa sau đại học – Trường Đại Học Nông Nghiệp I Hà Nội, các thầy cô giáo Khoa Điện trường Đại học Bách Khoa Hà nội cùng tập thể cán bộ, giáo viên Khoa Điện - Điện

Tử, Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Hưng Yên đ1 giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập, công tác, nghiên cứu và hoàn thành luận văn

Cuối cùng tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình, đ1 động viên và giúp

đỡ tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành nội dung luận văn

Tác giả

Môc lôc

4.3 Ch¹y thö ch−¬ng tr×nh, kh¶o nghiÖm 92

Phô lôc

Danh mục biểu bảng

Bảng 4.3 Hệ thống các Tags tương ứng với các địa chỉ vào/ra 83

H×nh 1.6 M¹ch ®iÒu khiÓn ®iÖn- khÝ nÐn cña tr¹m cÊp ph«i 9

H×nh 1.11 M¹ch ®iÒu khiÓn ®iÖn khÝ nÐn tr¹m kiÓm tra 13

H×nh 1.15 M¹ch ®iÒu khiÓn ®iÖn –khÝ nÐn tr¹m tay m¸y 17

H×nh 1.23 M¹ch ®iÒu khiÓn ®iÖn – khÝ nÐn tr¹m ph©n lo¹i 25 H×nh 2.1 M« h×nh ph©n cÊp chøc n¨ng c«ng ty s¶n xuÊt c«ng

nghiÖp

27

H×nh 2.5 Kho¶ng c¸ch gi÷a hai tr¹m khi dïng chuÈn truyÒn

Hình 2.11 Thủ tục truy nhập đường dẫn 44 Hình 2.12 Nhiều phần tử cùng gửi dữ liệu lên mạng Multiple 44 Hình 2.13 Xung đột trên mạng khi nhiều phần tử gửi dữ liệu 45 Hình 2.14 Cấu trúc bức điện mạng Industial Ethernet 45

Hình 2.16 Cấu trúc mạng khi sử dụng Hub và Repeater 47

Hình 4 3 Thiết lập phần cứng cho trạm Process-Slave 65 Hình 4.4 Thiết lập các Slot cho trạm Process_Slave 65

Hình 4.7 Thiết lập vùng dữ liệu truyền và nhận dữ liệu với trạm chủ 67 Hình 4.8 Thiết lập các byte dữ liệu truyền và nhận dữ liệu với trạm

Hình 4.10 Thiết lập lại các Byte cho Retentive Memory 69 Hình 4.11 Ghi lại cấu hình cứng đf được thiết lập 70

Hình 4.15 Đặt địa chỉ truyền dữ liệu giữa hai trạm 74 Hình 4.16 Đặt địa chỉ truyền dữ liệu giữa hai trạm 76 Hình 4.17 Đặt địa chỉ các byte truyền dữ liệu giữa hai trạm 79

Hình 4.24 Cài đặt thuộc tính và đặt tên cho thuộc tính cần kết nối 81

Hình 4.27 Ví dụ minh hoạ cho việc thiết lập các Tags 82 Hình 4.28 Thiết lập một Picture mới trong Graphic Designer 83

Hình 4.32 Thiết lập một Picture mới trong Graphic Designer 85

Hình 4.33 Đặt tên cho Picture 85

Hình 4.35 Thiết lập đèn báo hiển thị các đầu vào/ra 86

Hình 4.38 Gán địa chỉ các Tags tương ứng với các giá trị vào/ra 88

Hình 4.50 Màn hình giao diện điều khiển trạm Handling 93 Hình 4.51 Màn hình giao diện điều khiển trạm gia công 94

Mở Đầu

1 Cơ sở lựa chọn đề tài

Tốc độ phát triển mạnh mẽ của công nghệ vi điện tử, kỹ thuật truyền thông và công nghệ phần mềm trong những năm gần đây đf tạo sự chuyển biến cơ bản trong hướng đi cho giải pháp tự động hoá công nghiệp Các hệ thống tự động hoá ngày nay không còn chỉ dừng lại ở việc tự động hoá cho một máy, một module trong quá trình sản xuất, mà nó đf phát triển đến việc tự động hoá hoàn toàn cho một hệ thống Gần đây các chức năng của hệ tự động hoá được phát triển rất nhanh và đf có nhiều dây truyền tự động, phân xưởng tự động

và nhà máy tự động ra đời Các hệ thống tự động hoá hoàn toàn cho phép

điều khiển, giám sát hoạt động của hệ thống trên màn hình máy tính và điều khiển nhiều chức năng khác nhau bên ngoài hoặc quá trình Như vậy một dây truyền sản xuất không còn là các module riêng rẽ mà các module đó phải

được liên kết với nhau qua một hệ thống mạng truyền thông công nghiệp Trong luận văn này, để làm rõ được giải pháp tự động hoá cho một hệ thống sản xuất tự động, tác giả đf lựa chọn đề tài: Nghiên cứu thiết kế hệ thống

điều khiển giám cho 2 trạm Tay máy và trạm Gia công trong hệ thống sản xuất linh hoạt FMS tại trung tâm FACT trường ĐHSP KT Hưng Yên, ứng dụng WinCC và PLC S7-300

2 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu đối tượng ( hệ thống sản xuất linh hoạt)

- Nguyên cứu lý thuyết để viết chương trình và thiết kế giao diện điều khiển

- Dùng thực nghiệm để khẳng định kết quả nghiên cứu

3 ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Về khoa học:

- Luận án đf góp phần làm sáng tỏ giải pháp thiết kế cho một hệ thống

điều khiển giám sát

Về thực tiễn: Với kết quả thu được của đề tài đf góp phần

- Đưa ra được giải pháp thiết kế cho một hệ thống điều khiển giám sát

- Khai thác được phần mềm WinCC của hfng Siemens để thiết kế giao diện điều khiển cho hệ thống

- Liên kết được các trạm trong hệ thống sản xuất linh hoạt thông qua mạng truyền thông PROFIBUS

4 Phạm vi và nội dung nghiên cứu

Nội dung nghiên cứu chính của đề tài đề cập đến những vấn đề sau:

- Nghiên cứu hệ thống sản xuất linh hoạt (FMS) tại trường Sư Phạm Kỹ Thuật Hưng Yên

- Nghiên cứu về mạng truyền thông công nghiệp ( Mạng Profibus và Ethernet)

- Nghiên cứu phần mềm WinCC và PLC S7-300

- Thiết kế hệ thống điều khiển giám sát trên đối tượng là hai trạm Tay máy (Handling Station) và trạm Gia công (Processing Station)

5 Tóm tắt nội dung luận văn

Chương I: có tiêu đề “ Nghiên cứu hệ thống sản suất linh hoạt FMS”

Chương này trình bày tổng quan về hệ thống sản xuất linh hoạt (FMS)

và trình bày cụ thể về hệ thông sản xuất linh hoạt tại trung tâm FACT trường

ĐHSP KT Hưng Yên trong đó bao gồm: Chức năng các trạm, sơ đồ điện và sơ đồ khí nén của các trạm

Chương II: có tiêu đề “Mạng truyền thông công nghiệp”

Trong chương này trình bày về tổng quan về mạng truyền thông công nghiệp và trình bày cụ thể về mạng Profibus và mạng Ethernet Giới thiệu chung về hệ điều khiển giám sát SCADA, các thành phần chức năng cơ bản, công nghệ phần mềm, giao diện người máy, nguyên tắc thiết kế một hệ SCADA

Chương III: có tiêu đề “ Tổng quan về WinCC”

Trong chương này tác giả trình bày về những vấn đề chung của WinCC các công cụ chính trong WinCC, các bước thực hiện một đề án ứng dụng WinCC đề xây dựng một hệ SCADA

Chương IV: có tiêu đề “Thiết kế hệ điều khiển giám sát cho hệ thống FMS ứng dụng WinCC và S7-300”

Trong chương này trình bày về thiết kế giao diện vận hành cho hệ thống bao gồm: Sơ đồ công nghệ và màn hình giao diện cho từng trạm Kết nối và chạy thử trên đối tượng là trạm Tay máy và trạm Gia công trong hệ thống sản xuất linh hoạt

Kết luận và kiến nghị: Tóm tắt nội dung chính luận văn đf giải quyết và đề xuất các vấn đề cần nghiên cứu tiếp theo

Chương I : Nghiên cứu hệ thống sản xuất linh hoạt FMS

1.1. Tổng quan về hệ thống FMS (Flexible Manufacturing Systems)

Hệ thống gia công linh hoạt, gọi là FMS (Flexible Manufacturing Systems), dùng các máy hoặc trung tâm gia công CNC theo giải pháp tập trung nguyên công (nguyên công phức tạp), tự động hoá, tích hợp hoá và linh hoạt hoá ở mức

độ cao, có chất lượng gia công cao (sai số kích thước nhỏ hơn 0,001 mm, năng suất gia công bằng 3 lần máy công cụ thông thường, bởi vì gia công tổ hợp với tốc độ cao) Đây là phương án theo xu hướng phát triển hiện nay (tập trung nguyên công, tự động hoá CNC, tích hợp hoá và linh hoạt hoá) để nâng cao hiệu quả sản xuất cơ khí trong quy mô hàng loạt vừa và nhỏ khi gia công hoàn chỉnh các chi tiết cơ khí có kết cấu giống nhau hoặc tương tự nhau trên một dây truyền công nghệ có tính linh hoạt cao và tự động hoá cao

Hệ thống gia công linh hoạt FMS (Flexible Manufacturing Systems) là hệ thống gia công nối ghép mềm (linh hoạt = flexible) các máy công cụ đơn lẻ hoặc nhiều trung tâm CNC với dòng cung ứng phôi

H×nh 1.2 : HÖ thèng s¶n xuÊt linh ho¹t FMS 50 cña hfng FESTO DIDACTIC

1.2. Nghiªn cøu hÖ thèng FMS t¹i trung t©m FACT tr−êng §HSPKT H−ng

trạm có thể được truyền thông với nhau qua các mạng: I/O, Profibus DP, Ethernet

để cấu thành một hệ thống sản xuất linh hoạt FMS Hệ thống FMS tại trung tâm FACT trường ĐHSP KT Hưng Yên được thiết kế bao gồm các thành phần cơ bản sau:

- Máy gia công: Trạm gia công

- Hệ thống kiểm tra, phân phối: Trạm phân phối, trạm kiểm tra, phân loại

- Người máy: Tay máy

Tất cả các phần tử trong hệ thống đều được chế tạo theo nguyên tắc module Có rất nhiều cách bố trí, lắp ghép các module này tạo ra một quá trình sản xuất tự động

1.2.2. Nghiên cứu trạm phân phối (Distribution Station)

Trạm phân phối trong hệ thống FMS 50 với chức năng cấp phôi (chi tiết) cho các trạm tiếp theo, nó gồm có một ổ tích chứa phôi, một tay máy dùng để gắp phôi

từ vị trí của ổ trích chứa tới trạm sau nh− hình vẽ Điều khiển hoạt động cho toàn trạm, đ−ợc sử dụng hệ thống điều khiển Điện- khí nén, với một bộ điều khiển PLC S7 300, CPU 313 C2 – DP, việc đẩy phôi ra khỏi ổ chứa đ−ợc thực hiện bởi 1 xilanh tác động kép, để gắp phôi sang trạm sau đ−ợc thực hiện bởi một xi lanh quay kết hợp với rác hút chân không Muốn khởi động cho hệ thống làm việc ta ấn lần l−ợt các nút ấn Stop, sau đó ấn nút RESET và cuối cùng ấn Start để đảm bảo hệ thống

đf đ−ợc đ−a về vị trí sẵn sàng Nếu tất cả các trạm đf đ−ợc khởi động và trong ổ tích chứa phôi đf có phôi thì xilanh sẽ đi ra để đẩy phôi tới vị trí hút phôi, khi đi hết hành trình thì xi lanh tự lùi về, đồng thời động cơ khí nén truyền động cho tay máy quay sang thực hiện hút phôi, khi phôi đf đ−ợc hút thì xi lanh quay khí nén lại thực

hiện đảo chiều quay để truyền động cho tay máy chuyển phôi đến trạm sau Khi hết hành trình thì động cơ truyền động cho tay máy chuyển về vị trí giữa Các quá trình sau diễn ra tương tự

XM A2 : 1 4

XM A2 : 1 5

XM A2 : 1 6

XM A2 : 1 7

XM A2 : 1 8

XM A2 : 1 9

XM A2 : 2 0

H×nh 1.5: C¸c ®Çu ra tr¹m cÊp ph«i

b, M¹ch khÝ nÐn

H×nh 1.6: M¹ch ®iÒu khiÓn khÝ nÐn cña tr¹m cÊp ph«i

1.2.3. Nghiên cứu trạm kiểm tra ( Testing Station)

Trạm Handling với chức năng là kiểm tra phôi (chi tiết) Để điều khiển hoạt

động cho toàn trạm, ta sử dụng hệ thống điều khiển Điện-khí nén, với một bộ điều khiển PLC S7 300, CPU 313 C2 – DP cùng với các van điện từ khí nén và hệ thống cảm biến Nâng hạ phôi được truyền động bởi các xi lanh khí nén như hình vẽ Hoạt động của trạm được mô tả như sau: Khi phôi được đưa tới từ trạm phân phối (Distribution Station), xi lanh (1) sẽ thực nhiện truyền động nâng phôi tới vị trí kiểm tra Qua bộ so sánh nếu phôi chuẩn thì xi lanh (2) sẽ đẩy phôi qua máng trượt (4), kết hợp với bộ phân thổi khí sẽ đưa phôi tới trạm tay máy (Handling Station) Còn nếu phôi là phôi phế phẩm ( có thể phôi thấp hoặc phôi cao) thì xi lanh(1) lại truyền

động đưa phôi xuống vị trí dưới, khi hết hành trình xuống của xi lanh (1) thi xi lanh (2) đẩy phôi vào vị trí phôi phế phẩm(9) Khi có một phôi mới được chuyển tới từ trạm trước quá trình diễn ra tương tự

1.2.3.1. Sơ đồ nguyên lý của trạm

a, Sơ đồ điện

XM A2 : 1 3

XM A2 : 1 4

XM A2 : 1 5

XM A2 : 1 6

XM A2 : 1 7

XM A2 : 1 8

XM A2 : 1 9

XM A2 : 2 0

CO MP -/5 5

CO MP -/5 6

Hình 1.8: Mạch điện đầu vào trạm kiểm tra

b, Sơ đồ khí nén

Hình 1.11: Mạch điện – khí nén trạm kiểm tra

1.2.4 Nghiên cứu trạm tay máy (Handling 1 Station)

Trạm Handling với chức năng là vận chuyển phôi (chi tiết) từ trạm này tới trạm khác Để điều khiển hoạt động cho toàn trạm, ta sử dụng hệ thống

điều khiển Điện-khí nén, với một bộ điều khiển PLC S7 300, CPU 313 C2 –

DP cùng với các van điện từ khí nén và hệ thống cảm biến Tay máy được truyền động bởi các xilanh khí nén như hình vẽ

Hoạt động của trạm được miêu tả như sau: Muốn khởi động cho hệ thống làm việc ta ấn lần lượt các nút ấn Stop, sau đó ấn nút Reset và cuối cùng ấn Start, nếu có phôi ở vị trí (1), thì xi lanh 2 truyền động mở tay kẹp,

đồng thời xi lanh 3 truyền động đưa tay máy đi xuống thực hiện kẹp phôi Sau khi phôi đf được kẹp chặt thì xi lanh 3 đưa tay máy về vị trí ban đầu Khi tay máy đf nâng hết hành trình thì xi lanh 4 truyền động đưa tay máy chuyền

động về vị trí của trạm sau, sau khi tay may đf được đưa đến vị trí trạm sau thì xi lanh 3 lại thực hiện truyền động cho tay máy đi xuống, khi đi hết hành trình xuống , xi lanh 2 thực hiện mở tay kẹp để nhả phôi, đồng tời xilanh 3 truyền động đưa tay máy đi lên, khi đi hết hành trình lên thì xi lanh 4 lai thực hiện truyền động cho tay máy trở về trạm trước kết thúc một chu trình làm việc Nếu tại vị trí 1 có phôi thì quá trình hoạt động diễn ra tương tự

1.2.4.1 Sơ đồ nguyên lý của trạm

a, Sơ đồ điện

Hình 1.13: Mạch điện đầu vào trạm tay máy

b, Sơ đồ khí nén

1.2.5 Nghiên cứu trạm gia công ( Prosessing Station)

Trạm Processing với chức năng gia công các loại phôi đ−ợc đ−a từ trạm Handling 1 tới Để điều khiển hoạt động cho toàn trạm, ta sử dụng hệ thống điều khiển Điện- khí nén, với một bộ điều khiển PLC S7 300, CPU 313 C2 – DP cùng với các động cơ truyền động cho các máy gia công kim loại, các thiết bị gá kẹp phối, kiểm tra phôi nh− hình vẽ: Hoạt động của trạm đ−ợc miêu tả nh− sau: Muốn khởi

động cho hệ thống làm việc ta ấn lần l−ợt các nut ấn Stop, sau đó ấn nút Reset và cuối cùng ấn Start để đảm bảo hệ thống đf đ−ợc đ−a về vị trí sẵn sàng, nếu phôi

đ−ợc đ−a tới vị trí (0) từ trạm Handling 1 thì động cơ 2 sẽ truyền động cho bàn quay quay đi một góc 600, lúc này phôi đ−ợc đ−a tới vị trí kiểm tra phối đúng chiều, khi

kết thúc quá trình kiểm tra phôi Nếu lại xuất hiện 1 phôi nữa đến vị trí 0 thì động cơ

2 lại truyền động cho bàn quay quay một góc 600 nữa, và như vậy có một phôi đến

vị trí gia công Nếu phôi đf đúng chiều thì cơ cấu kẹp phôi 6 sẽ thực hiện kẹp chặt phôi, sau khi phôi được kẹp chặt thì động cơ truyền 5 truyền động hạ máy mài đi xuống để thực hiện gia công, đồng thời động cơ 4 truyền động quay đá mài sẽ làm việc Nếu phôi không đúng chiều thì cơ cấu kẹp 6, động cơ truyền động nâng hạ 5

và động cơ truyền động quay đa mài không hoạt động Khi có phôi thứ 3 được đưa

đến vị trí 0 thì động cơ 2 lại truyền động cho bàn quay quay một góc 600 lúc này phôi đầu tiên se được đưa đến vị trí đưa phôi đến trạm sau và cơ cấu chuyển phôi

đến trạm sau sẽ thực hiện gạt phôi đến trạm tiếp theo( cơ cấu 7 này được tác động sau mỗi lần có phôi đến vị trí 0) Nếu có một phôi tiếp theo đến vị trí 0 thì quá trình diễn ra tương tự

1.2.5.1 Sơ đồ nguyên lý của trạm

a, Sơ đồ điện

Hình 1.17 : Mạch điện đầu vào trạm gia công

1.2.6 Nghiên cứu trạm phân loại (Shorting Station)

Mô tả:

Trạm này dùng để phân loại sản phẩm Sự phân loại chi tiết được thực hiện trên trạm này qua băng tải dẫn động bằng động cơ giảm tốc và ba rfnh trượt với hai cơ cấu gạt phôi được gắn trên đó Ba loại chi tiết phôi khác nhau (khác nhau về màu, vật liệu cho các chi tiết phôi tương trưng/ ba kiểu xi lanh khác nhau được dùng để lắp thành phẩm) có thể phân loại theo kết quả của chi tiết theo kết quả kiểm tra của chi tiết phôi trên trạm kiểm tra Một xi lanh tác động hai chiều dẫn động bộ chuyển động thẳng thành chuyển động quay để gạt chi tiết vào vị trí rfnh chứa Số chi tiết trong máng trượt được tính đến bằng một cảm biến phản xạ Một cảm biến phạn xạ khác

sẽ kiểm tra có hay không có phôi trên băng tải

1

2 3

3: Xy lanh gạt phôi đỏ; 4: Thanh chặn phôi để kiểm tra; 5: Xy lanh gạt phôi từ; 6: Các van điều khiển điện khí nén; 7: Bộ điều khiển PLC

1.2.6.1 Sơ đồ nguyên lý của trạm

a, Sơ đồ điện

H×nh 1.22 M¹ch ®iÖn ®Çu ra tr¹m ph©n lo¹i

b, Sơ đồ khí nén

Hình 1.23 Mạch điện-khí nén trạm phân loại

Chương II : Mạng truyền thông công nghiệp

Mạng truyền thông công nghiệp hay mạng công nghiệp (MCN) là một khái niệm chung chỉ các hệ thống mạng truyền thông số, truyền bit nối tiếp, được sử dụng để ghép nối các thiết bị công nghiệp Các hệ thống truyền thông công nghiệp phổ biến hiện nay cho phép liên kết mạng ở nhiều mức khác nhau, từ các bộ cảm biến, cơ cấu chấp hành dưới cấp trường cho đến các máy tính điều khiển, thiết bị quan sát, máy tính điều khiển giám sát và các máy tính trên cấp điều hành xí nghiệp, quản lý công ty Về cơ sở kỹ thuật, mạng công nghiệp và các hệ thống mạng viễn thông có nhiều điểm tương đồng, tuy nhiên cũng có nhiều điểm khác biệt sau:

• Mạng viễn thông có phạm vi địa lý và số lượng thành viên tham gia lớn hơn rất nhiều, nên các yêu cầu kỹ thuật (cấu trúc mạng, tốc độ truyền thông, tính năng thời gian thực, …) rất khác, cũng như các phương pháp truyền thông (truyền tải rộng rfi/ dải cơ sở, điều biến, dồn kênh, chuyển mạch, …) thường phức tạp hơn

so với mạng công nghiệp

• Đối với mạng viễn thông bao gồm cả con người và thiết bị kỹ thuật, trong

đó con người đóng vai trò chủ yếu Vì vậy các dạng thông tin cần trao đổi bao gồm cả tiếng nói , hình ảnh, văn bản và dữ liệu Đối tượng của mạng công nghiệp thuần tuý là các thiết bị công nghiệp, nên dạng thông tin duy nhất là dữ liệu Kỹ thuật truyền thông được dùng trong mạng viễn thông cũng rất phong phú, trong khi kỹ thuật truyền dữ liệu theo chế độ bit nối tiếp là đặc trưng của mạng công nghiệp Mạng truyền thông công nghiệp thực chất là một dạng đặc biệt của mạng máy tính,

có thể được so sánh với mạng máy tính thông thường ở những điểm gống nhau và khác nhau sau:

• Kỹ thuật truyền thông số hay truyền dữ liệu là đặc trưng chung

• Mạng máy tính sử dụng trong công nghiệp được coi là một phần (ở các cấp

điều khiển giám sát, điều hành sản xuất và quản lý công ty) trong mô hình phân cấp của mạn công nghiệp

• Yêu cầu về tính năng thời gian thực, độ tin cậy và khả năng tương thích trong môi trường công nghiệp của mạng truyền thông công nghiệp cao hơn so với mạng máy tính thông thường, trong khi đó mạng máy tính thông thường đòi hỏi cao hơn

về độ bảo mật của thông tin

• Mạng máy tính có phạm vi trải rộng rất khác nhau, ví dụ có thể nhỏ như mạng LAN cho một nhóm vài máy tính hoặc rất lớn như mạng Internet Trong nhiều trường hợp , mạng máy tính gián tiếp sử dụng, dịch vụ truyền dữ liệu của mạng viễn thông Trong khi đó, cho đến nay các hệ thống mạng công nghiệp thường có tính chất độc lập, phạm vi hoạt động tương đối hẹp

Vậy mạng truyền thông công nghiệp có vai trò gì trong các lĩnh vực đo lường,

điều khiển và tự động hoá Ta thấy sử dụng truyền thông công nghiệp, đặc biệt là bus trường để thay thế cách nối điểm – tới - điểm (point to point) cổ điển

giữa các thiết bị công nghiệp Mạng truyền thông công nghiệp mang lại những lợi ích sau:

- Đơn giản hoá cấu trúc liên kết giữa các thiết bị công nghiệp

- Giảm đáng kể giá thành dây nối và công lắp đặt hệ thống

- Nâng cao độ tin cậy và độ chính xác của thông tin nhờ truyền thông số

- Nâng cao độ linh hoạt, tính năng mở của hệ thống

- Đơn giản hoá, tiện lợi hoá việc chuẩn đoán định vị lỗi, sự cố của các thiết bị

- Năng cao khả năng tương tác giữa các thành phần (phần cứng và phần mềm) nhờ các dao diện chuẩn

- Mở ra nhiều chức năng và khả năng ứng dụng mới của hệ thống, các ứng dụng điều khiển phân tán, điều khiển giám sát hoặc chẩn đoán lỗi từ xa qua Internet

Trong điều khiển quá trình, các hệ thông bus trường cũng đf dần thay thế các mạch dòng tương tự (current loop) 4-20mA Ưu thế của giải pháp dùng mạng công nghiệp không những nằm ở phương diện kỹ thuật, mà còn ở khía cạnh hiệu quả kinh

tế Chính vị vậy, ứng dụng của nó rộng rfi trong hầu hết các lĩnh vực công nghiệp như điều khiển quá trình, tự động hoá xí nghiệp, tự động hoá toà nhà, điều khiển giao thông,… Nói tóm lại sử dụng mạng truyền thông công nghiệp là không thể thiếu được trong việc tích hợp các hệ thống tự dộng hoá hiện đại

Để sắp xếp, phân loại và phân tích đặc trưng các hệ thống mạng truyền thông công nghiệp, ta dựa vào mô hình phân cấp quen thuộc cho các công ty, xí nghiệp sản xuất Với loại mô hình này, các chức năng được phân thành nhiều cấp khác nhau, như được minh hoa trên hình 3.1

Càng ở các cấp dưới thì các chức năng càng mang tính cơ bản hơn và đòi hỏi yêu cầu cao hơn về độ nhanh nhạy, thời gian phản ứng Một chức năng ở cấp trên

được thực hiện dựa trên các chức năng ở cấp dưới, tuy không đòi hỏi thời gian phản

Hình 2.1 : Mô hình phân cấp chức năng

công ty sản xuất công nghiệp

ứng nhanh như ở cấp dưới nhưng ngược lại lượng thông tin cần trao đổi và xử lý lại nhiều hơn Có thể coi đây là một mô hình phân cấp chức năng cho cả hệ thống tự

động hoá nói chung cũng như cho hệ thống truyền thông nói riêng của một công ty

Tương ứng với 5 cấp chức năng là 4 cấp của hệ thống truyền thông Từ cấp

điều khiển giảm sát xuống thuật ngữ “bus” thường được dùng thay cho “mạng”, với

lý do phần lớn các hệ thống mạng phía dưới đều có cấu trúc vật lý hoặc logic kiểu bus Như ta sẽ thấy, mô hình phân cấp chức năng sẽ tiện lợi cho việc thiết kế hệ thống và lựa chọn thiết bị Trong thực tế ứng dụng, sự phân cấp chức năng có thể khác một chút so với trình bày ở đây, tuỳ thuộc vào mức độ tự động hoá và cấu trúc

hệ thống cụ thể Trong những trường hợp ứng dụng đơn giản như điều khiển trang thiết bị thông dụng ( máy giặt, máy lạnh, điều hoà độ ẩm,…) sự phân chia nhiều cấp

có thể hoàn toàn không cần thiết Ngược lại, trong tự động hoá một nhà máy lớn hiện đại như điện nguyên tử, sản xuất xi măng, lọc dầu, ta có thể chia nhỏ hơn nữa các cấp chức năng để tiện theo dõi

2.2 Mạng truyền thông Profibus

PROFIBUS ( Process Field Bus) là một hệ thống bus trường được phát triển ở

Đức từ năm 1987, do 21 công ty và cơ quan tham gia nghiên cứu hợp tác Sauk hi

được chuẩn hoá quốc gia với DIN 19245, PROFIBUS đf trở thành chuẩn châu Âu

EN 50 170 và chuẩn quốc tế IEC 61158 vào cuối năm 1999 Bên cạnh đó, PROFIBUS còn được đưa vào trong chuẩn IEC 61784 cũng như với các phát triển mới gần đây, PROFIBUS không chỉ dừng lại là một hệ thống truyền thông, mà còn

điều khiển giám sát Bước tiếp theo là sự ra đời của DP vào năm 1993 – một giao thức đơn giản và nhanh hơn nhiều so với FMS PROFIBUS –DP được xây dựng tối

ưu cho việc kết nối các thiết bị vào/ ra phân tán và các thiết bị trường với các máy tính điều khiển PROFIBUS –FMS và PROFIBUS –DP lúc đầu được sử dụng rộng rfi trong các ngành công nghiệp chế tạo, lắp ráp Tuy nhiên gần đây, vai trò của PROFIBUS –FMS càng trở lên mờ nhạt bởi sự canh tranh của các hệ dực trên nền Ethernet ( Ethernet/IP, PROFINet, High-Speed Ethernet…) Trong khi đó PROFIBUS-DP ngày càng lan rộng sang nhiều lĩnh vực khác PROFIBUS –PA là kiểu đặc biệt được sử dụng ghép nối trực tiếp các thiết bị trường trong lĩnh vực tự

động hoá các quá trình có môi trường dễ cháy nổ, đặc biêt trong công nghiệp chế biến Thực chất PROFIBUS –PA chính là sự mở rộng của PROFIBUS –DP xuống cấp trường cho lĩnh vực công nghiệp chế biến Ngày nay PROFIBUS là hệ bus trường hàng đầu thế giới, có thể nói Profibus là giải pháp chuẩn, đáng tin cậy cho nhiều phạm vi ứng dụng khác nhau, đặc biết là ứng dụng có yêu cầu cao về tính năng thời gian

2.2.1 Kiến trúc giao thức

PROFIBUS chỉ thực hiện các lớp 1, lớp 2 và lớp 7 theo mô hình qui chiếu OSI, như minh hoạ trên hình 3.2: tuy nhiên, PROFIBUS –DP và PA bỏ qua cả lớp 7 nhằm tối ưu hoá việc trao đổi dữ liệu quá trình giữa cấp điều khiển và cấp chấp hành Một số chức năng còn thiếu được bổ sung qua lớp giao diện sử dụng nằm trên lớp 7 Bên cạnh các hàm dịch vụ DP cơ sở và mở rộng được quy định tại lớp giao diện sử dụng

Cả ba giao thức FMS, DP và PA đều có chung lớp liên kết dữ liệu ( lớp FDL) PROFIBUS –PA cũng có cùng giao diện sử dụng như DP, tuy nhiên tính năng của các thiết bị được quy định khác nhằm phù hợp với môi trường làm việc dễ cháy nổ Kỹ thuật truyền dẫn MBP (Manchester coded, Bus Powered) Theo IEC 1158-2 cũ được áp dụng ở đây đảm bảo vấn đề an toàn và cung cấp nguồn cho các thiết bị qua cùng dây dẫn Bus Để tích hợp các đoạn mạng DP và PA có thể dung bộ chuyển đổi (DP/PA-Link, DP/PA- Coupler) có sẵn trên thị trường

Lớp ứng dụng của FMS bao gồm hai lớp con là FMS (Fieldbus Message Spesification) và LLI (Lower Layer Interface), trong đó FMS chính là tập con của chuẩn MMS Lớp FMS đảm nhiệm việc xử lý giao thức sử dụng và cung cấp các dịch vụ truyền thông, Trong khi LLI có vai trò trung gian cho FMS kết nối với lớp 2

mà không phụ thuộc vào các thiết bị riêng biệt Lớp LLI còn có nhiệm vụ thực hiện các chức năng bình thường thuộc các lớp 3-6, ví dụ tạo ra ngắt nối, kiểm soát lưu thông PROFIBUS –FMS và PROFIBUS –DP sử dụng cùng một kỹ thuật truyền dẫn

và phương pháp truy nhập bus, vì vậy có thể cùng hoạt động trên một đường truyền vật lý duy nhất

Lớp vật lý của PROFIBUS qui định về kỹ thuật truyền dẫn tín hiệu, môi trường truyền dẫn, cấu trúc mạng và giao diện cơ học Các kỹ thuật truyền dẫn ở đây

là RS – 485, RS- 485 IS ( IS: Intrinsically Safe) được phát triển trên cơ sở RS – 585

để có thể sử dụng trong môi trường đòi hỏi an toàn cháy nổ

Lớp liên kết dữ liệu ở PROFIBUS được gọi là FDL (Fieldbus Data Link),

có chức năng kiểm soát truy nhập bus, cung cấp cung cấp các dịch vụ cơ bản (cấp thấp) cho việc trao đổi dữ liệu một cách tin cậy, không phụ thuộc vào phương pháp truyền dẫn ở lớp vật lý

Hình 2.2: Kiến trúc giao thức của Profibus

2.2.2 Cấu trúc mạng và kỹ thuật truyền dẫn

- Tốc độ truyền thông từ 9,6 kbit/s đến 12kbit/s

- Cấu trúc đường thẳng kiểu đường trục/ đường nhánh (trunk-line/drop-line) hoặc daisy-chain, trong đó có tốc độ truyền từ 1,5 Mbit/s trở lên theo cấu trúc daisy – chain

- Cáp truyền được sử dụng là đôi dây xoắn có bảo vệ Hiệp hội PI khuyến cáo dùng cáp loại A

- Trở kết thúc có dạng tin cậy (fail-safe biasing) với điện trở lần lượt là 390Ω - 220Ω- 390Ω

- Chiều dài tối đa của một đoạn mạng từ 100 đến 1200m, phụ thuộc vào tốc độ truyền được lựa chọn Quan hệ giữa tốc độ truyền và chiều dài tối đa của một đoạn mạng được tóm tắt trên bảng 3.3

- Số lượng tối đa các trạm trong mỗi đoạn mạng là 32 Có thể dùng tối đa 9 bộ lặp tức 10 đoạn mạng Tổng số trạm tối đa trong một mạng là 126

- Chế độ truyền tải không đồng bộ và 2 chiều không đồng thời

Về giao diện cơ học cho các bộ nối, loại D-Sub 9 chân được sử dụng phổ biến nhất với cấp bảo vệ IP20 Trong trường hợp yêu cầu cấp bảo vệ IP65/67, có thể sử một trong các loại sau đây:

- Bộ nối tròn M12 theo chuẩn IEC 947-5-2

- Bộ nối Han-Brid theo khuyến cáo của DESINA

- Bộ nối kiểu lai của Siemens

b, Truyền dẫn với RS – 485IS

Một trong những ưu điểm của RS-485 là cho phép truyền tốc độ cao, vì thế

nó được phát triển để phù hợp với môi trường đòi hỏi an toàn cháy nổ Với RS – 485IS tổ chức PNO đf đưa ra chỉ dẫn và quy định ngặt nghèo về mức điện áp và mức tiêu thụ của các thiết bị làm cơ sở cho các nhà cung cấp Khác với mô hình FISCO chỉ cho phép một nguồn tích cực an toàn riêng, ở đây mỗi trạm đều là một nguồn tích cực, dòng tổng cộng của tất cả các trạm không được phép vượt quá một giá trị

tối đa cho phép Các thử nghiệm cho thấy cũng có thể ghép nối tối đa 32 trạm trong một đoạn mạng RS – 485IS

c, Truyền dẫn với cáp quang

Cáp quang thích hợp đặc biết trong các lĩnh vực ứng dụng có môi trường làm việc nhiễu mạnh hoặc đòi hỏi phạm vi phủ mạng lớn Các loại cáp quang có thể sử dụng dưới đây là:

- Sợi thuỷ tinh đa chế độ với khoảng cách tối đa 2-3km và sợi thuỷ tinh đơn chế độ với khoảng cách truyền có thể trên 15km

- Sợi chất dẻo với chiều dài tối đa trên 80m và sợi HCS với chiều dài tối đa 500m

Do đặc điểm liên kết điểm - điểm ở cáp quang, cấu trúc mạng chỉ có thể là hình sao hoặc mạch vòng Trong thực tế, cáp quang thường được sử dụng kết hợp với RS –

485 nên cấu trúc mạng phức tạp hơn

PROFIBUS -DP

Như đf biết, mạng Profibus DP có thể xây dựng có nhiều trạm chủ tạo thành nhiều lớp với các chức năng khác nhau của từng lớp để dễ dàng cho việc điều khiển, chẩn đoán lỗi cũng như bảo trì và sửa chữa mạng

 Các lớp mạng

- Lớp DP Master 1: Lớp mạng này bao gồm các phần tử điều khiển trung tâm trao đổi thông tin với các trạm phân tán theo phương pháp hỏi vòng (polling) Các phần tử Master trong lớp mạng này có các chức năng sau:

- Thu thập các thông tin từ các trạm DP Slave

- Tạo chu trình trao đổi thông tin với các DP Slave

- Đặt thông số và thiết lập cấu hình cho các DP Slave

- Điều khiển các DP Slave với các câu lệnh điều khiển

Các chức năng này được đặt độc lập dựa trên giao diện người sử dụng của dịch vụ giao diện Các thiết bị điển hình cho lớp mạng này là các PLC, CNC, Robot Controler…

- Lớp DP Master 2: Đây là lớp các thiết bị lập trình, thiết lập cấu hình và chuẩn đoán Lớp này được thiết lập ngay khi cài đặt mạng DP Lớp mạng này

có thể giao tiếp với DP Master lớp 1 và DP Slave Với DP Master lớp 1 có các chức năng sau:

- Nhập các thông tin chuẩn đoán của các DP Slave với các DP Master lớp 1

- Upload và download mảng thông tin

- Đặt và kích hoạt thông số hệ thống BUS

- Kích hoạt hoặc một DP Slave