Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong các hệ thống sản xuất và điều khiển quá trình hiện đại, phương thức kết nối điểm - điểm truyền thống bộc lộ nhiều hạn chế về chi phí đi dây, tính phức tạp trong bảo trì và khả năng chống nhiễu suy giảm khi khoảng cách truyền tăng. Sự phát triển của kỹ thuật vi điện tử và công nghệ máy tính đã thúc đẩy quá trình chuyển dịch sang mạng truyền thông công nghiệp (mạng truyền bit nối tiếp), cho phép ghép nối đa tầng từ cấp trường (cảm biến, cơ cấu chấp hành) đến cấp điều khiển phân tán và cấp giám sát xí nghiệp.

Đề tài "Nghiên cứu, xây dựng mạng truyền thông công nghiệp cho hệ PLC Siemens tại bộ môn" do sinh viên Vũ Trí Thành thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Danh Huy (Bộ môn Tự động hóa công nghiệp, Viện Điện, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, bảo vệ tháng 7/2020) được xây dựng nhằm giải quyết bài toán điều khiển, giám sát và tích hợp dữ liệu giữa các thiết bị phần cứng sẵn có tại phòng thí nghiệm.

Các mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể bao gồm:

  1. Nghiên cứu tổng quan về cấu trúc phân tầng mạng truyền thông công nghiệp và các chuẩn mạng truyền thông đặc trưng của Siemens (Modbus RTU, Profibus, Profinet).
  2. Tìm hiểu phần cứng, đặc tính kỹ thuật và các giao thức truyền thông tích hợp trên dòng PLC Siemens S7-1200 (CPU 1214C) và S7-300 (CPU 315-2PN/DP).
  3. Thiết kế, ghép nối và cấu hình mạng truyền thông cấp trường: kết nối PLC S7-1200 với biến tần Siemens Sinamics V20, biến tần Yaskawa V1000, đồng hồ đo đa năng Autonics MT4W qua Modbus RTU; kết nối S7-1200 với biến tần Sinamics G120 qua Profinet; kết nối PLC S7-300 với trạm vào/ra phân tán Remote I/O ET200S qua Profibus DP.
  4. Thiết kế, ghép nối mạng cấp phân xưởng: truyền thông liên PLC giữa S7-300 và S7-1200 qua Profinet, giữa S7-315 2PN/DP và S7-414 3DP qua Profibus.
  5. Xây dựng hệ thống giao diện điều khiển và giám sát thu thập dữ liệu trên phần mềm WinCC (SCADA) và màn hình cảm ứng HMI KTP600.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống mạng truyền thông công nghiệp tích hợp đa giao thức (Modbus RTU, Profibus-DP, Profinet) và hệ PLC Siemens cùng các thiết bị trường.
  • Phạm vi không gian: Phòng thí nghiệm Bộ môn Tự động hóa công nghiệp, Viện Điện, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội.
  • Phạm vi thời gian: Đồ án hoàn thành vào tháng 7 năm 2020.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khóa luận dựa trên các khung lý thuyết, chuẩn công nghiệp và mô hình truyền thông sau:

  • Mô hình quy chiếu tương quan OSI 7 tầng và kiến trúc bộ giao thức TCP/IP ứng dụng trong môi trường công nghiệp.
  • Chuẩn giao tiếp vật lý đường truyền nối tiếp EIA/TIA RS-232 và RS-485 (chế độ 2 dây half-duplex, 4 dây full-duplex, kỹ thuật cân bằng trở đầu cuối chống phản xạ sóng và kỹ thuật tiếp địa chống nhiễu đồng pha).
  • Giao thức Modbus RTU thuộc lớp ứng dụng theo mô hình Master-Slave, cấu trúc khung tin và thuật toán kiểm tra mã dư tuần hoàn CRC 16-bit (với đa thức phát $G = 1010\ 0000\ 0000\ 0001$).
  • Hệ thống chuẩn truyền thông Profibus theo chuẩn DIN 19245, EN 50170 và IEC 61158 (bao gồm các biến thể Profibus-DP, Profibus-PA và Profibus-FMS; kỹ thuật truyền dẫn RS-485, RS-485IS và MBP - Manchester Coded, Bus-Powered theo IEC 1158-2; phương pháp truy nhập bus lai kết hợp Token-Passing và Master/Slave trong cấu hình Multi-Master).
  • Hệ thống chuẩn Ethernet công nghiệp Profinet theo IEEE 802.3, phương thức truy nhập bus ngẫu nhiên CSMA/CD kết hợp thuật toán tính thời gian chờ Binary Exponential Backoff (BEB), các lớp mạng 100BASE-TX (cáp xoắn đôi Cat 5, mã hóa 4B5B) và 100BASE-FX (cáp quang).

Phương pháp nghiên cứu thực tế bao gồm:

  • Phương pháp phân tích - tổng hợp tài liệu kỹ thuật: Khảo sát thông số điện học, tập lệnh, thanh ghi dữ liệu và đặc tính truyền thông từ tài liệu kỹ thuật của các hãng Siemens, Yaskawa, Autonics.
  • Phương pháp thiết kế kỹ thuật: Tính toán cấu trúc mạng phân tầng, thiết kế sơ đồ đấu nối phần cứng, sơ đồ chân tín hiệu và phân bổ dải địa chỉ truyền thông.
  • Phương pháp thực nghiệm ghép nối và kiểm thử: Cấu hình phần cứng, lập trình khối hàm xử lý truyền thông trên phần mềm TIA Portal V15 (sử dụng ngôn ngữ LAD, FBD), nạp chương trình xuống PLC thật, đo kiểm và ghi nhận đáp ứng truyền thông thực tế giữa các trạm.

Nguồn dữ liệu của đồ án xuất phát từ tài liệu kỹ thuật gốc của thiết bị (manuals), tài liệu chuẩn hóa quốc tế (IEC, IEEE, EIA/TIA) và dữ liệu tham số thực tế thu thập trực tiếp từ các bộ điều khiển, đồng hồ đo và biến tần tại phòng thí nghiệm.

Thiết kế và triển khai hệ thống

Hệ thống mạng truyền thông công nghiệp trong đồ án được thiết kế theo cấu trúc phân tầng kết hợp 3 chuẩn giao thức chính:

+-------------------------------------------------------------------+
|                     CẤP ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT                       |
|         - Trạm kỹ thuật / SCADA: Phần mềm WinCC trên PC           |
|         - Trạm vận hành tại chỗ: Màn hình cảm ứng HMI KTP600     |
+---------------------------------+---------------------------------+
                                  | (Ethernet / Profinet)
+---------------------------------v---------------------------------+
|                     CẤP PHÂN XƯỞNG (CELL LEVEL)                   |
|   - PLC Trung tâm: S7-300 (CPU 315-2PN/DP)                        |
|   - Các trạm PLC nhánh: S7-1200 (CPU 1214C AC/DC/Rly & DC/DC/DC)  |
|   - Phương thức trao đổi dữ liệu: Lệnh PUT / GET qua Profinet     |
|   - Kết nối liên trạm PLC S7-315 2PN/DP và S7-414 3DP qua Profibus|
+-------------------+-----------------------------+-----------------+
                    |                             |
      (Modbus RTU / RS-485)                 (Profibus-DP)
                    |                             |
+-------------------v-------------+  +------------v-----------------+
|      CẤP TRƯỜNG: TRẠM S7-1200   |  |   CẤP TRƯỜNG: TRẠM S7-300    |
| - Biến tần Sinamics V20 (Cn11)  |  | - Remote I/O ET200S (IM151HF)|
| - Biến tần Yaskawa V1000        |  +------------------------------+
| - Đồng hồ đo đa năng MT4W       |
| - Biến tần Sinamics G120        |
|   (kết nối qua Profinet)        |
+---------------------------------+

Bảng thông số phần cứng và cấu hình thiết bị

Thiết bị Vai trò trong hệ thống Giao tiếp mạng Thông số kỹ thuật chính trích xuất
PLC S7-1200 (CPU 1214C) Bộ điều khiển trạm cấp trường Profinet, RS-485 (Module CM 1241) RAM 75 KB, bộ nhớ nạp 4 MB, 10 KB retain, 14 DI / 10 DO, 2 AI, vùng ảnh I/O 1024 bytes, vùng nhớ M 8192 bytes, hỗ trợ 3 module truyền thông
PLC S7-300 (CPU 315-2PN/DP) Bộ điều khiển trung tâm Profinet (PN), Profibus-DP (DP Master) Tích hợp cổng Profinet và Profibus-DP, đóng vai trò Master mạng Profibus và điều phối dữ liệu PUT/GET qua Profinet
Trạm I/O ET200S Vào/ra phân tán cấp trường Profibus-DP (DP Slave) Module giao tiếp IM 151HF kết nối với rack I/O phân tán
Biến tần Sinamics V20 Điều khiển tốc độ động cơ khuấy Modbus RTU (RS-485) Cấu hình macro Cn11, kết nối 2 dây RS-485, điều khiển tần số và lệnh chạy/dừng qua thanh ghi
Biến tần Yaskawa V1000 Điều khiển truyền động Modbus RTU (RS-485) Truyền thông Master-Slave qua RS-485, điều khiển tần số quét và thanh ghi trạng thái
Đồng hồ Autonics MT4W Thiết bị đo lường hiển thị Modbus RTU (RS-485) Đọc dữ liệu dòng điện/điện áp đo được về PLC qua hàm Modbus Master
Biến tần Sinamics G120 Điều khiển truyền động nâng cao Profinet Giao tiếp truyền thông trực tiếp qua cáp mạng RJ45 chuẩn công nghiệp
HMI KTP600 / WinCC Giám sát và giao diện người - máy Profinet / Ethernet Màn hình cảm ứng 6 inch KTP600 kết hợp giao diện WinCC runtime trên PC

Quy trình lập trình và triển khai thuật toán truyền thông

  1. Khởi tạo Modbus RTU trên S7-1200:

    • Sử dụng khối hàm chuẩn MB_COMM_LOAD để thiết lập tham số cổng nối tiếp cho module CM 1241 (tốc độ baud, parity, cổng phần cứng PORT, con trỏ dữ liệu MB_DB).
    • Sử dụng khối hàm MB_MASTER để gửi yêu cầu đọc/ghi dữ liệu tuần tự xuống từng địa chỉ Slave (địa chỉ biến tần V20, Yaskawa V1000, đồng hồ MT4W) với mã hàm (MODE), địa chỉ bắt đầu (DATA_ADDR) và độ dài dữ liệu (DATA_LEN).

  2. Cấu hình Profinet giữa S7-300 và S7-1200:

    • Thiết lập cấu hình mạng trong Network View của TIA Portal V15, khai báo địa chỉ IP và tên thiết bị (Device Name) cho từng CPU trong cùng dải mạng.
    • Lập trình hàm PUT (ghi dữ liệu sang PLC đối tác) và GET (đọc dữ liệu từ PLC đối tác về) tại CPU 315-2PN/DP để thu thập trạng thái hoạt động, tần số thực của các biến tần từ hai trạm S7-1200.

  3. Cấu hình Profibus-DP giữa S7-300 và ET200S / S7-400:

    • Khai báo CPU 315-2PN/DP làm trạm chủ (DP Master), gán tốc độ truyền bus (từ 9,6 kbit/s đến 12 Mbit/s).
    • Tích hợp trạm phân tán ET200S (module IM 151HF) làm trạm tớ (DP Slave), khai báo địa chỉ trạm (Station Address) và ánh xạ vùng nhớ I/O trực tiếp.
    • Ghép nối truyền thông Master-Slave với trạm PLC S7-414 3DP.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Tìm hiểu chung về mạng truyền thông công nghiệp

Chương này hệ thống hóa tiến trình phát triển của kỹ thuật điều khiển từ cơ khí, khí nén - thủy lực, tín hiệu tương tự sang hệ thống mạng truyền thông số truyền bit nối tiếp. Tác giả phân tích các lợi ích kỹ thuật và kinh tế khi chuyển đổi từ kết nối điểm - điểm sang đường truyền chung (bus): giảm khối lượng cáp nối, nâng cao độ tin cậy và độ chính xác nhờ loại bỏ các khâu chuyển đổi A/D - D/A lặp lại, tăng tính mở của hệ thống đa hãng, hỗ trợ tham số hóa và tự chẩn đoán lỗi từ xa.

Nội dung chương phân tích chi tiết mô hình cấu trúc phân cấp 4 tầng của mạng công nghiệp:

  • Bus trường / bus thiết bị (Fieldbus): Ghép nối các bộ điều khiển với cảm biến, cơ cấu chấp hành, trạm vào/ra phân tán (PROFIBUS, CAN, Modbus, Foundation Fieldbus, AS-i...).
  • Bus hệ thống / bus điều khiển (System bus/Process bus): Kết nối các máy tính điều khiển, trạm kỹ thuật, trạm vận hành trên nền tảng Ethernet công nghiệp.
  • Mạng xí nghiệp (Cell/Plant LAN): Kết nối cấp điều hành sản xuất với cấp giám sát, xử lý các luồng dữ liệu quản lý chất lượng và công thức sản xuất.
  • Mạng công ty (Corporate Network): Cấp quản trị cao nhất, thực hiện liên kết diện rộng (WAN), văn phòng và thương mại điện tử qua các công nghệ đường trục tốc độ cao.

Chương 2. Tìm hiểu các mạng truyền thông của Siemens

Chương 2 trình bày cơ sở kỹ thuật của ba họ mạng truyền thông công nghiệp cốt lõi:

  1. Truyền thông Modbus RTU:

    • Chuẩn vật lý RS-232: Phương thức truyền không đối xứng, dải điện áp logic (-15V đến -3V cho mức 1; 3V đến 15V cho mức 0), khoảng không định nghĩa từ -3V đến 3V; tốc độ tối đa thông dụng 19,2 kBd ở cự ly 30-50m; giao diện đầu nối DB-9, DB-25 và các tín hiệu điều khiển bắt tay (RxD, TxD, DTR, DSR, DCD, RTS, CTS, RI); chế độ truyền song công toàn phần (full-duplex).
    • Chuẩn vật lý RS-485: Phương thức truyền vi sai đối xứng hai dây (A và B), dải điện áp chung $V_{CM}$ từ -7V đến 12V; ngưỡng thu $\pm 200\text{ mV}$; cho phép ghép nối tối đa 32 tải đơn vị (Unit Load) trên một đoạn mạng không lặp; khoảng cách truyền tối đa 1200m; tốc độ tối đa lên đến 10-12 Mbit/s; điện trở kết thúc đường truyền chuẩn 100Ω - 120Ω tại hai đầu cáp chống sóng phản xạ; yêu cầu nối đất tạo thiên áp xả nhiễu.
    • Giao thức RTU: Khung thông báo gồm trường Địa chỉ (1 byte, 0-247), Mã hàm (1 byte, 1-127 cho yêu cầu), Dữ liệu ($n$ bytes), và trường kiểm tra lỗi CRC 16-bit. Khoảng lặng giữa các bức điện tối thiểu 3,5 thời gian ký tự.

  2. Truyền thông Profibus:

    • Chuẩn vật lý: RS-485 chuẩn (tốc độ 9,6 kbit/s đến 12 Mbit/s, cáp xoắn STP loại A, trở đầu cuối kiểu fail-safe biasing 390Ω - 220Ω - 390Ω, tối đa 32 trạm/đoạn, tối đa 9 bộ lặp, tổng 126 trạm); RS-485IS (an toàn nội sinh cho vùng cháy nổ); Cáp quang (sợi đa mode cự ly 2-3 km, đơn mode trên 15 km); Kỹ thuật MBP (IEC 1158-2 mã hóa Manchester, mang nguồn trên dây, tốc độ 31,25 kbit/s cho Profibus-PA, dòng ngắt lỗi FDE 9mA).
    • Cấu trúc giao thức và bức điện FDL (Lớp 2): Sử dụng 4 loại khung (SD1 không dữ liệu, SD2 dữ liệu biến đổi 1-246 bytes, SD3 dữ liệu cố định 8 bytes, SD4 chứa Token). Bốn dịch vụ truyền dữ liệu: SDN (không xác nhận), SDA (có xác nhận), SRD (gửi và yêu cầu trả lời), CSRD (gửi/yêu cầu tuần hoàn theo chu kỳ polling). Cơ chế phân chia quyền truy nhập bus kết hợp Token-Passing và Master/Slave (cấu hình Multi-Master).

  3. Truyền thông Profinet:

    • Dựa trên nền tảng Ethernet công nghiệp IEEE 802.3, mô hình TCP/IP, cấu trúc mạng đa dạng (Line, Star, Ring, Tree).
    • Sử dụng cáp đồng 100BASE-TX (đôi dây xoắn Cat 5 cự ly tối đa 100m, đầu nối RJ45 8 chân 4 cặp màu, mã hóa 4B5B) hoặc cáp quang 100BASE-FX (cự ly 2000m).
    • Phân tích cơ chế truy nhập ngẫu nhiên CSMA/CD, khe thời gian lan truyền (51,2 $\mu$s cho 2,5km qua 4 repeater) và thuật toán lùi thời gian nhị phân theo hàm mũ BEB khi xảy ra xung đột gói tin.

Bảng so sánh các chuẩn truyền thông trong đồ án

Tiêu chí kỹ thuật Modbus RTU (RS-485) Profibus-DP (RS-485) Profinet (100BASE-TX)
Mô hình kiến trúc Master - Slave Multi-Master / Slave Provider - Consumer / Client - Server
Tốc độ truyền Thường dùng 9,6 - 115,2 kbit/s 9,6 kbit/s đến 12 Mbit/s 100 Mbit/s (Full-duplex)
Chiều dài đoạn mạng tối đa 1200 m (ở tốc độ thấp) 100 m (ở 12 Mbps) đến 1200 m (ở 9,6 kbps) 100 m (cáp đồng đôi xoắn Cat 5)
Số trạm tối đa 32 tải đơn vị/đoạn (tổng 247) 32 trạm/đoạn (tối đa 126 với bộ lặp) Hạn chế theo không gian địa chỉ IP
Phương pháp kiểm lỗi Mã dư tuần hoàn CRC 16-bit Khoảng cách Hamming HD=4, Byte FCS Khung kiểm tra chuỗi FCS (CRC 32-bit)
Giao diện kết nối vật lý Cổng bắt vít / Đầu nối DB9 Đầu nối Sub-D 9 chân, M12, Han-Brid Đầu nối chuẩn RJ45 công nghiệp

Chương 3. PLC Siemens và các giao thức truyền thông

Chương 3 đi sâu vào cấu hình chi tiết phần cứng và các giao thức truyền thông của thiết bị thực tế:

  • Cấu hình PLC S7-1200 (CPU 1214C): Khảo sát cấu trúc phần cứng (bộ nhớ làm việc 75KB, bộ nhớ nạp 4MB, vùng nhớ duy trì 10KB, tích hợp 14 DI/10 DO/2 AI), tính năng bảo mật Know-how protection, module truyền thông mở rộng RS-485 CM 1241.
  • Truyền thông Modbus RTU của S7-1200 với thiết bị trường:
    • Biến tần Sinamics V20: Đấu dây truyền thông RS-485, thiết lập cấu hình tham số theo Macro Cn11 (điều khiển qua Modbus RTU), sử dụng các khối lệnh MB_COMM_LOAD và MB_MASTER để điều khiển tần số và lệnh vận hành động cơ khuấy.
    • Biến tần Yaskawa V1000: Cài đặt tham số truyền thông nối tiếp, cấu hình các thanh ghi địa chỉ Modbus điều khiển chiều quay, tần số đặt và đọc trạng thái làm việc.
    • Đồng hồ đa năng Autonics MT4W: Đấu nối mạch đo tín hiệu và cổng truyền thông, thiết lập khung truyền Modbus để đọc giá trị đo dòng điện/điện áp về PLC.
  • Truyền thông Profinet với biến tần Sinamics G120: Cấu hình Commissioning cho biến tần G120, thiết lập tham số điều khiển và địa chỉ mạng Profinet.
  • Cấu hình PLC S7-300 (CPU 315-2PN/DP):
    • Thiết lập truyền thông Profinet giữa S7-315 2PN/DP và S7-1200 thông qua cặp hàm PUT (ghi dữ liệu) và GET (đọc dữ liệu) giữa Local PLC và Partner PLC.
    • Cấu hình truyền thông Profibus-DP: Chọn S7-315 2PN/DP làm DP Master, ghép nối với S7-414 3DP và ghép nối với trạm Remote I/O ET200S (module IM 151HF) ở vai trò DP Slave.

Chương 4. Thiết kế, ghép nối hệ thống mạng truyền thông công nghiệp cho hệ PLC Siemens

Chương 4 hoàn thiện việc tích hợp hệ thống phần cứng và phần mềm tại phòng thí nghiệm:

  • Trình bày sơ đồ tổng thể và cấu trúc liên kết mạng thực tế giữa các tủ thực hành.
  • Triển khai mạng cấp phân xưởng: Cấu hình dải mạng Profinet, lập trình khối hàm GET trên S7-300 để nhận dữ liệu biến tần V20 và V1000 từ PLC S7-1200 AC/DC/Rly, nhận dữ liệu biến tần G120 từ PLC S7-1200 DC/DC/DC.
  • Xử lý các giá trị điều khiển: Thiết lập biến Start, Stop, xử lý chuẩn hóa giá trị tần số đặt và quy đổi giá trị tần số thực tế phản hồi từ các biến tần.
  • Thiết kế giao diện giám sát (SCADA/HMI): Xây dựng giao diện đồ họa trên phần mềm WinCC và màn hình cảm ứng HMI KTP600, cho phép người vận hành quan sát trạng thái kết nối, điều khiển đóng/cắt, cài đặt tốc độ và giám sát thông số vận hành của toàn bộ hệ thống động cơ và đồng hồ đo.

Kết quả và đóng góp

Khóa luận đạt được các kết quả cụ thể trên hệ thống thực nghiệm:

  • Xây dựng thành công hệ thống mạng truyền thông công nghiệp tích hợp đồng thời 3 giao thức (Modbus RTU, Profibus-DP, Profinet) kết nối các thiết bị điều khiển và chấp hành sẵn có tại Bộ môn Tự động hóa công nghiệp.
  • Cấu hình và lập trình điều khiển hoàn chỉnh cho 3 loại biến tần (Sinamics V20, Sinamics G120, Yaskawa V1000) và 1 đồng hồ đo Autonics MT4W thông qua PLC S7-1200 bằng các khối hàm chuẩn trong TIA Portal V15.
  • Thực hiện thành công việc truyền nhận dữ liệu liên PLC giữa S7-300 (CPU 315-2PN/DP) và các trạm S7-1200 thông qua giao thức Profinet với tập lệnh PUT/GET, cũng như trao đổi dữ liệu qua Profibus DP với trạm Remote I/O ET200S (IM 151HF) và PLC S7-414 3DP.
  • Thiết kế giao diện điều khiển và giám sát trực quan, đồng bộ trên cả phần mềm máy tính WinCC và màn hình HMI KTP600.

Về mặt giải pháp và đóng góp:

  • Chuẩn hóa quy trình cài đặt tham số, cấu hình phần cứng và lập trình ghép nối truyền thông đa hãng (Siemens, Yaskawa, Autonics) trên nền tảng phần mềm TIA Portal.
  • Cung cấp mô hình mạng thực nghiệm chuẩn phục vụ trực tiếp cho công tác đào tạo, thực hành và nghiên cứu của sinh viên, giảng viên tại Bộ môn Tự động hóa công nghiệp, Viện Điện.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài (dựa trên phạm vi nghiên cứu và cấu trúc thực nghiệm):

  • Hệ thống mạng được triển khai và thử nghiệm trong môi trường phòng thí nghiệm với khoảng cách truyền ngắn, chưa thực hiện đo lường đánh giá định lượng về độ trễ truyền thông, tỷ lệ suy hao gói tin hay độ bền cơ học/nhiễu công nghiệp trong điều kiện tải nặng thực tế.
  • Khối lượng trao đổi dữ liệu giữa một số trạm PLC mới dừng lại ở các dữ liệu mẫu và thông số trạng thái cơ bản của biến tần.

Hướng phát triển trong tương lai (theo đề xuất của tác giả):

  • Mở rộng hệ thống mạng truyền thông lên các cấp cao hơn, kết nối giám sát và điều khiển từ xa thông qua Internet và các công nghệ truyền thông diện rộng.
  • Tích hợp thêm các dòng thiết bị trường sử dụng chuẩn Profibus-PA phục vụ điều khiển quá trình an toàn trong các môi trường công nghiệp chuyên biệt.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho:

  • Sinh viên, học viên ngành Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Kỹ thuật Điện - Điện tử khi thực hiện đồ án tốt nghiệp, đồ án môn học liên quan đến mạng truyền thông công nghiệp và hệ thống PLC Siemens.
  • Kỹ sư tích hợp hệ thống tự động hóa cần tài liệu hướng dẫn từng bước về việc:
    • Cấu hình khối lệnh MB_COMM_LOAD, MB_MASTER trong TIA Portal để giao tiếp Modbus RTU qua module CM 1241.
    • Cấu hình lệnh PUT/GET để trao đổi dữ liệu giữa các thế hệ PLC S7-300 và S7-1200 qua Profinet.
    • Thiết lập trạm DP Master / DP Slave cho PLC S7-300 với Remote I/O ET200S (IM 151HF) và biến tần công nghiệp.

Câu hỏi thường gặp

1. Trong PLC S7-1200, các khối lệnh nào được sử dụng để thực hiện truyền thông Modbus RTU qua module RS-485 CM 1241?

Tác giả sử dụng hai khối lệnh chuẩn trong thư viện Step 7 Basic trên TIA Portal V15:

  • Khối MB_COMM_LOAD: Thiết lập các tham số truyền thông cổng nối tiếp như tốc độ baud, chế độ parity, cổng phần cứng và vùng nhớ đệm dữ liệu.
  • Khối MB_MASTER: Thực hiện gửi yêu cầu truyền thông (đọc/ghi dữ liệu) đến các trạm Slave theo mã hàm, địa chỉ thanh ghi và độ dài dữ liệu chỉ định.

2. Hai PLC S7-300 (CPU 315-2PN/DP) và S7-1200 trao đổi dữ liệu với nhau qua giao thức và tập lệnh nào?

Hai PLC trao đổi dữ liệu với nhau thông qua mạng Profinet (sử dụng cổng tích hợp sẵn trên các CPU) và sử dụng tập lệnh truyền thông PUT (ghi dữ liệu sang PLC đối tác) và GET (đọc dữ liệu từ PLC đối tác về trạm chủ).

3. Cấu hình biến tần Sinamics V20 được thiết lập như thế nào để điều khiển qua mạng Modbus RTU trong đồ án?

Biến tần Sinamics V20 được cấu hình theo macro kết nối Cn11 (Modbus RTU), đấu nối tín hiệu điều khiển 2 dây RS-485 về module CM 1241 của PLC S7-1200, cho phép PLC ghi các giá trị thanh ghi điều khiển lệnh chạy/dừng (Start/Stop) và cài đặt tần số hoạt động của động cơ.

4. Thuật toán BEB (Binary Exponential Backoff) trong cơ chế truy nhập bus của Ethernet/Profinet hoạt động như thế nào khi xảy ra xung đột?

Khi xảy ra xung đột trên đường truyền, trạm truyền sẽ dừng và chờ một khoảng thời gian ngẫu nhiên tính theo bội số của khe thời gian lan truyền (51,2 $\mu$s cho cự ly 2,5km qua 4 bộ lặp). Sau lần xung đột thứ $i$, số khe thời gian chờ ngẫu nhiên nằm trong khoảng từ $0$ đến $2^i - 1$. Sau 10 lần xung đột, giá trị khe thời gian chờ tối đa được giữ cố định ở mức 1023; và sau 16 lần xung đột liên tiếp, hệ thống sẽ báo lỗi đường truyền lên các lớp giao thức phía trên.

5. Chuẩn truyền dẫn MBP (Manchester Coded, Bus-Powered) trong Profibus-PA có đặc tính kỹ thuật gì?

Chuẩn MBP (theo IEC 1158-2) sử dụng phương pháp mã hóa bit Manchester với tốc độ cố định 31,25 kbit/s, cho phép truyền tín hiệu dữ liệu và đồng thời cấp nguồn nuôi cho các thiết bị trường trên cùng một đôi dây xoắn STP. Mức tín hiệu điện áp thấp (0,75 - 1V) giúp hệ thống đáp ứng các tiêu chuẩn an toàn chống cháy nổ nghiêm ngặt trong công nghiệp hóa chất, dầu khí.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Vũ Trí Thành đã hoàn thành việc nghiên cứu toàn diện cơ sở lý thuyết và triển khai thành công mô hình mạng truyền thông công nghiệp đa tầng kết hợp Modbus RTU, Profibus và Profinet cho hệ PLC Siemens tại phòng thí nghiệm Bộ môn Tự động hóa công nghiệp. Hệ thống tích hợp đồng bộ các bộ điều khiển S7-1200, S7-300 với trạm I/O phân tán ET200S, các dòng biến tần Siemens, Yaskawa và đồng hồ đo Autonics, đi kèm giao diện giám sát WinCC và HMI KTP600. Đề tài có tính thực tiễn cao, đóng góp một mô hình thí nghiệm hoàn chỉnh, chuẩn hóa về mặt cấu hình và phương pháp lập trình truyền thông phục vụ đào tạo chuyên ngành.