Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ điện tử toàn quốc lần thứ 6 567 Mã bài: 130 Ứng dụng mạng truyền thông PROFIBUS trong giám sát và điều khiển mô hình dây chuyền sản xuất linh hoạt Applying PROFIBUS network for monitoring and controlling model of flexible manufacturing system Nguyễn Văn Mướt, Lý Thanh Phương, Nguyễn Văn Chương, Phó Hoàng Linh Trường Đại học Cần Thơ e-Mail: nvmuot@ctu.edu.vn; ltphuong@ctu.edu.vn nvchuong233@student.ctu.edu.vn, phlinh268@student.ctu.edu.vn, Tóm tắt Ngày nay, cùng với sự tiến bộ không ngừng về khoa học và công nghệ, việc ứng dụng những kỹ thuật tiên tiến góp phần phục vụ công nghiệp hóa - hiện đại hóa đất nước là nhiệm vụ không thể thiếu. Trong bài báo này, nhóm tác giả giới thiệu ứng dụng mạng truyền thông Profibus trong việc giám sát và điều khiển hệ thống cơ điện tử, với mô hình hệ thống sản xuất linh hoạt dùng PLC S7-300 (CPU 315-2DP) của Siemens. Sự kết hợp giữa phần mềm SCADA chuyên dụng WinCC và mạng truyền thông Profibus giúp kết nối nhiều PLC để điều khiển và giám sát cả hệ thống bao gồm nhiều trạm tự động khác nhau. Điều này không chỉ giúp cho công ty, nhà máy nâng cao chất lượng điều hành và giám sát cả hệ thống mà còn tiết kiệm được chi phí sản xuất cũng như thời gian vận hành. Abstract Nowadays, with the ever-growing development of science and technology, the application of advanced techniques to impulse the industrialization and modernization of our country is the most essential thing to do. In this paper, we would like to introduce to readers an application of communication network - Profibus to controlling a flexible manufacturing system using PLC S7-300 (CPU 315-2DP), product of Siemens. The combination of SCADA, software WinCC and Profibus DP network helps monitoring and controlling the whole system which includes many automation stations. This will help companies, factories not only improve the quality of supervising and controlling the whole system but also save production cost as well as operation time. Ký hiệu Ký hi ệu Đơn v ị Ý ngh ĩa DI Ngõ vào s ố DO Ngõ ra s ố FESTO Hãng cung c ấp thiết bị I/O C ổng v ào /ra OB1 Kh ối lập tr ình chính PS B ộ cung cấp nguồn SFC14 Hàm đ ọc dữ liệu SFC15 Hàm truy ền dữ liệu Chữ viết tắt CPU Central Processing Unit DP D ecentraliz ed Per ipheral s MPS Modular Production System MPI Multi Point Interface PLC Programmable Logic Contr o ller WinCC Window s Control Center SCAD A Supervisory Control And Data Acquisition 1. Phần mở đầu PROFIBUS là chữ viết tắt của Process Field Bus, là một tiêu chuẩn mạng cấp trường được phát triển lần đầu tiên tại Đức vào năm 1987, sau này trở thành tiêu chuẩn của châu Âu EN 50170 vào năm 1996 và trở thành tiêu chuẩn quốc tế IEC 61158 vào đầu năm 2000 [2]. Một dạng của PROFIBUS là PROFIBUS DP (Decentralized Peripherals) được ứng dụng phổ biến trong mạng công nghiệp và truyền thông dành cho các ứng dụng có các thiết bị ngoại vi phân tán. PROFIBUS DP có thể sử dụng chuẩn truyền thông RS-485, không dây hoặc dùng cáp quang. Trong đó chuẩn RS-485 được sử dụng phổ biến nhất. PROFIBUS DP được phát triển nhằm phục vụ cho việc trao đổi thông tin đòi hỏi tốc độ truyền dữ liệu nhanh, đáp ứng yêu cầu cao về thời gian trong trao đổi dữ liệu giữa các bộ PLC hoặc các máy tính công nghiệp với các ngoại vi phân tán ở cấp 568 Nguyễn Văn Mướt, Lý Thanh Phương, Nguyễn Văn Chương, Phó Hoàng Linh VCM2012 trường, như: cảm biến, thiết bị đo, bộ truyền động, thiết bị chấp hành, các module mở rộng … Đặc điểm của mạng PROFIBUS DP: Dữ liệu truyền được xác định trong cấu hình (tối ưu hóa trao đổi dữ liệu). Chỉ một DP chủ có thể xuất dữ liệu về trạm máy tính. Hệ thống fieldbus nhanh, có thể lên đến 12 Mbits/s. Tốc độ truyền tùy vào độ dài cáp nối truyền thông [5]: 187,5 kBit/s: Chiều dài cáp có thể đến 1000 mét 500 kBit/s: Chiều dài cáp có thể đến 400 mét 1,5 MBit/s: Chiều dài cáp có thể đến 200 mét 3 MBit/s: Chiều dài cáp có thể đến 150 mét 6 MBit/s: Chiều dài cáp nhỏ hơn 150 mét 12 MBit/s: Chiều dài cáp có thể đến 100 mét Dữ liệu lên đến 244 byte vào/244 byte ra mỗi trạm. Thời gian đáp ứng nhanh, thời gian truyền thông đo được thực tế khi có 5 trạm mở rộng I/O phân tán ET200, với mỗi trạm có 32 I/O là 0.25 ms. Multi Point Interface (MPI) là một mạng con (subnet) trong hệ thống SIMATIC NET của hãng Siemens. Mạng MPI được sử dụng cho cấp điều khiển, giám sát với yêu cầu khoảng cách giữa các trạm không lớn. Với mạng này, số lượng ghép nối trạm hạn chế (tối đa 32 trạm); dung lượng truyền thông nhỏ, tốc độ truyền tối đa là 187,5 Kbps [3]. Trong bài báo này, tác giả đưa ra phương pháp thiết lập cấu hình phần cứng và lập trình phần mềm để các PLC trao đổi được dữ liệu với nhau, bao gồm một DP chủ và các DP tớ. DP chủ quản lý được toàn bộ dữ liệu của các DP tớ qua giao tiếp PROFIBUS và đưa dữ liệu trực tiếp lên máy tính bằng giao tiếp MPI. Qua đó, ta giám sát được cả hệ thống thông qua giao diện được xây dựng bằng phần mềm WinCC trên máy tính. 2. Nội dung 2.1 Cấu hình phần cứng 2.1.1 Cấu hình phần cứng cho các trạm PLC Mạng được chọn gồm 5 PLC S7-300 sẽ được lập cấu hình phần cứng và truyền thông bằng phần mềm SIMATIC Manager. Việc giám sát, điều khiển dữ liệu của hệ thống được thực hiện bằng phần mềm WinCC như hình H.1. H. 1 Cấu trúc của mạng truyền thông PLC điển hình Trên phần mềm SIMATIC Manager, ta có thể tạo một dự án (project) gồm nhiều trạm PLC, trong đó PLC của trạm 1 làm trạm chủ (master) quản lý dữ liệu của các trạm PLC tớ (slave) còn lại (trạm 2, 3, 5 và 6). Để tạo 5 trạm PLC S7-300 trong dự án, từ cửa sổ SIMATIC Manager, ta chọn mục “Insert > Station> SIMATIC 300 Station” như hình H.2. Thiết lập các module của PLC S7-300 CPU 315- 2DP cho các trạm bằng cách: chọn từng trạm, sau đó ở mục “Hardware” thực hiện việc thiết lập cấu hình phần cứng như: tạo rail, module CPU, I/O, nguồn. Tạo rail: Chọn SIMATIC 300 > RACK-300 > rail. Chèn CPU 315-2DP: Chọn SIMATIC300 > CPU- 300 > CPU 315-2DP > 6ES7315-2AG10-0AB0 > V2.0 > chọn và kéo thả vào rail (Slot 2). Chèn module nguồn: SIMATIC 300 > PS-300 > PS 307 2A > chọn và kéo thả vào rail. Chèn module I/O: SIMATIC 300 > SM-300 > DI/DO-300 >SM 232 DI16/DO16x24V/0.5A > chọn và kéo thả vào “rail”. Cấu hình các module của một trạm hoàn tất như ở hình H.3. Các thiết lập phần cứng cần được biên dịch và cập nhật kết nối: chọn Station > Save and compile. H. 2 Cửa sổ khởi tạo dự án quản lý các trạm PLC S7-300 Mạng PROFIBUS hỗ trợ 4 kỹ thuật truyền dữ liệu [1]: gửi dữ liệu không có nhận biết (Send Data Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ điện tử toàn quốc lần thứ 6 569 Mã bài: 130 with No acknowledge - SDN); gửi dữ liệu có nhận biết (Send Data with Acknowledge - SDA); yêu cầu dữ liệu có phản hồi (Request Data with Reply - RDR); gửi và yêu cầu dữ liệu (Send and Request Data - SRD). Kỹ thuật truyền dữ liệu không nhận biết SDN được dùng cho trạm chủ khi phát dữ liệu đến cho tất cả các trạm tớ trên bus truyền thông. Ba kỹ thuật còn lại dành cho các trạm đầu cuối với tín hiệu đáp ứng tức thời. Điều này giúp cho mạng PROFIBUS giải quyết được vấn đề liên quan đến thời gian thực. 2.1.2 Cấu hình PROFIBUS cho các trạm tớ Việc thiết lập cấu hình PROFIBUS cho từng trạm tớ được thực hiện tại cửa sổ “Hardware Configuration”. Trên rail của “trạm 2”, nhấp chuột phải ô “DP > Object Properties”, hộp thoại “Properties-DP-(R0/S2.1)” xuất hiện. Thực hiện cấu hình như sau: Mục “General”: Từ khung “Interface” nhấp chọn “PROFIBUS” sẽ xuất hiện hộp thoại “Properties– PROFIBUS interface DP (R0/S2.1)”.  Mục “Adrdress” chọn là “2”, đây là địa chỉ của CPU khi kết nối vào mạng PROFIBUS (có thể tuỳ chọn nhưng không được trùng với các địa chỉ đã lập rồi trên mạng PROFIBUS).  Trong mục “Subnet” chọn “New” thì hộp thoại “Properties – New subnet PROFIBUS” xuất hiện. Trên hộp thoại này, tại mục “Network settings”, ta chọn “1.5 Mbps” ở vùng “Transmission Rate”, chọn “DP” ở vùng “Profile”. Mục “Operating Mode”: Chọn “DP slave”. Mục “Configuration”: Thiết lập vùng trao đổi dữ liệu trên trạm 2 với trạm 1. Thiết lập vùng nhớ trao đổi ngõ vào: Trên hộp thoại “Properties – DP – (R0/S2.1) Configuration - row1” khi chọn “New”, ta chọn “Input” tại mục “Address type”. Mục “Address” chọn “40” (đây là địa chỉ tùy chọn của vùng nhớ trao dổi dữ liệu), mục “Length” chọn “4” (số dữ liệu trao đổi), mục “Consistency” chọn “all”, mục “Unit” chọn “Byte” (đơn vị dữ liệu). Thiết lập vùng nhớ trao đổi ngõ ra: thực hiện tương tự như thiết lập vùng nhớ trao đổi ngõ vào, nhưng “Address type” chọn “Output”. Hoàn tất thiết lập vùng nhớ trao đổi ngõ ra, ngõ vào cho trạm 2 như hình H.4. H. 3 Cấu hình phần cứng cho các trạm PLC S7-300 CPU 315-2DP 570 Nguyễn Văn Mướt, Lý Thanh Phương, Nguyễn Văn Chương, Phó Hoàng Linh VCM2012 H. 4 Thiết lập vùng trao đổi dữ liệu trên trạm2 Khi thiết lập hoàn tất ta cần biên dịch lại để cập nhật cấu hình vừa thiết lập. Thực hiện tương tự để thiết lập cấu hình PROFIBUS cho các trạm tớ khác. 2.1.3 Thiết lập cấu hình PROFIBUS cho trạm chủ Để thiết lập cấu hình PROFIBUS cho trạm 1 làm trạm chủ, ta thực hiện tương tự cho các trạm tớ nhưng có một vài điểm khác biệt: Mục “Operating mode” chọn “DP Master” Trong mục “Subnet” chọn “PROFIBUS(1) 1.5 Mbps” kết nối mạng PROFIBUS đã thiết lập ở các trạm tớ. Khi thiết lập vùng nhớ trao đổi dữ liệu ở trạm 1, bên phải giao diện “Hardware Configuration”, trong mục “Profile” chọn “Standard”. Tại khung cấu hình “Standard” chọn “PROFIBUS DP” > “Configured Station” > chọn, kéo thả “CPU 31x” vào đường dây “PROFIBUS(1), DP master system” (hình H.5, H.6). Mục “Coupling” sẽ có 4 vùng trao đổi dữ liệu đã tạo từ các trạm tớ trước đó. Chọn vùng trao đổi với trạm 2 và chọn nút “Couple” như hình H.7. H. 5 Kết nối DP slave vào mạng PROFIBUS H. 6 Chọn loại CPU để trao đổi dữ liệu Chú ý: vùng nhớ trao đổi trên trạm chủ đối với từng trạm tớ phải khác nhau. Nếu giống nhau thì sẽ tự động tạo một vùng nhớ khác, nếu không thì dữ liệu của các trạm tớ sẽ bị chép chồng lên nhau. H. 7 Vùng nhớ trao đổi dữ liệu của các trạm tớ Chuyển qua mục “Configuration” để tạo vùng trao đổi dữ liệu ngõ vào/ra của trạm 1 với ngõ ra/vào với trạm 2 vừa kết nối (hình H.8). H. 8 Vùng nhớ trao đổi dữ liệu giữa trạm chủ và tớ Thực hiện tương tự thiết lập vùng trao đổi dữ liệu giữa trạm 1 với trạm 3, với trạm 5, và với trạm 6. Sau khi thiết lập xong thì trên cửa sổ “Hardware Configuration” của trạm 1 sẽ có 4 trạm PLC tớ như hình H.9. Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ điện tử toàn quốc lần thứ 6 571 Mã bài: 130 H. 9 Cấu hình phần cứng PROFIBUS được thiết lập Với tiêu chuẩn quốc tế IEC 61158 dành cho PROFIBUS DP vốn là tiêu chuẩn truyền dữ liệu số, giải quyết được các vấn đề về kỹ thuật, trong khi các mạng trường trong hệ thống được phân biệt thông qua việc định nghĩa các kiểu giao thức riêng [5]. 2.2 Lập trình trao đổi dữ liệu giữa trạm chủ với các trạm tớ Có hai cách để qui định truyền thông: lập trình bằng lệnh truyền thông hoặc sử dụng hàm thư viện. Việc sử dụng cách nào cho phù hợp thì phụ thuôc vào loại CPU, loại dữ liệu truyền, lượng dữ liệu truyền, tốc độ truyền. Đối với CPU 315 2-DP thì có thể sử dụng lệnh truyền thông hoặc hàm thư viện để lập trình. Bài báo này tác giả sử dụng hàm thư viện SFC14 để đọc dữ liệu và SFC15 để truyền dữ liệu. Mỗi trạm tớ muốn trao đổi được dữ liệu cần có một hàm SFC14 để đọc dữ liệu từ trạm 1 (trạm chủ), và một hàm SFC15 để truyền dữ liệu lên trạm 1. Trạm 1 quản lý 4 trạm tớ cần phải có 4 cặp hàm SFC14 và SFC15 để trao đổi dữ liệu với 4 trạm tớ. Việc lập trình trao đổi dữ liệu được thực hiện trên khối OB1 của từng trạm. Để lấy hai hàm thư viện SFC14 và SFC15, ta mở khối OB1. Từ giao diện lập trình của khối OB1, chọn “Library” > “Standard Library” > “System Funtion Block” > chọn hàm SFC14 (hàm đọc dữ liệu) và SFC15 (hàm truyền dữ liệu) vào vùng lập trình như hình H.10. H. 10 Hàm SFC 14 và SFC 15 Hàm SFC14 có các tham số sau: LADDR: Địa chỉ vùng nhớ trao đổi. RET_VAL : Trả về chuẩn đoán các lỗi. RECORD : Dữ liệu cần đọc chứa tại địa chỉ vùng nhớ trao đổi. Hàm SFC15 có các tham số sau: LADDR: Địa chỉ vùng nhớ trao đổi. RECORD : Dữ liệu cần truyền chứa tại địa chỉ vùng nhớ trao đổi. RET_VAL : Trả về chuẩn đoán các lỗi. Việc đọc và gửi dữ liệu phải phù hợp với vùng trao đổi dữ liệu giữa các trạm đã được khai báo khi cấu hình phần cứng. Lập trình trên trạm 1 để đọc và gửi dữ liệu đến trạm 2 được mô tả như trong hình H.11. Đồng thời, việc lập trình trên trạm 2 để đọc và gửi dữ liệu đến trạm 1 như hình H.12. Tương tự như vậy, thực hiện cho các cặp trao đổi dữ liệu giữa trạm 1 với các trạm tớ còn lại: trạm 3, trạm 5 và trạm 6. Sau khi hoàn tất lập trình, tiến hành download các cài đặt cấu hình truyền thông xuống từng trạm PLC thông qua kết nối MPI giữa máy tính với PLC chủ ở trạm 1. 572 Nguyễn Văn Mướt, Lý Thanh Phương, Nguyễn Văn Chương, Phó Hoàng Linh VCM2012 H. 11 Lập trình trao đổi dữ liệu trên trạm chủ với trạm tớ H. 12 Lập trình trao đổi dữ liệu trên trạm tớ với trạm chủ H. 13 Giao diện giám sát toàn bộ mô hình hệ thống Cơ điện tử H. 14 Mô hình thực tế hệ thống Cơ điện tử của hãng FESTO (dây chuyền sản xuất linh hoạt) Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ điện tử toàn quốc lần thứ 6 573 Mã bài: 130 3. Kết luận Qua bài báo này, chúng tôi đã trình bày cách thiết lập mạng truyền thông PROFIBUS DP ứng dụng cho các trạm PLC S7-300 (CPU 315-2DP) trong hệ MPS của hãng FESTO (Đức), đồng thời thực hiện việc giám sát và điều khiển toàn hệ thống trên máy tính bằng phần mềm WinCC như hình H.13. Tại giao diện chính trên máy tính, người điều khiển có thể quan sát trạng thái dữ liệu hiện tại của riêng từng trạm. Kết quả là các trạm PLC trong hệ thống trao đổi được dữ liệu với nhau, cũng như trao đổi dữ liệu giữa PLC chủ với máy tính. Với cấu hình đã thiết lập thì dữ liệu được thông suốt ở các cấp truyền thông, giúp hệ thống được quản lý dễ dàng, chuyên nghiệp phù hợp cho ứng dụng rộng rãi trong mạng truyền thông công nghiệp ở các nhà máy sản xuất, đặc biệt có sử dụng dây chuyền tự động hoặc cả hệ thống sản xuất linh hoạt dùng PLC. Tài liệu tham khảo [1] Eduardo Manuel de Médicis Tovar: Supporting Real-Time Communications with Standard Factory-Floor Networks. Universidade do Porto, 1999. [2] Josef Weigmann, Gerhard Kilian: Decentralization with PROFIBUS DP/DPV1. Publicis Coporate Publishing, Erlangen, 2003. [3] Hans Berger: Automating with simatic. Publicis Coporate Publishing, Erlangen, 2003. [4] Nguyễn Kim Ánh và Nguyễn Mạnh Hà: Giáo trình – Mạng truyền thông công nghiệp. Đại học Bách Khoa Đà Nẵng, 2007. [5] N.Dreilich: Product manual – Profibus DP 07-05-04-02-E-V0801. Eurotherm Drives Limited, 2001. Nguyễn Văn Mướt, sinh ngày 05/01/1975 tại tỉnh Đồng Tháp. Anh tốt nghiệp đại học ngành Điện tử tại trường Đại học Cần Thơ năm 1998; nhận bằng thạc sĩ ngành Tự Động Hóa tại trường Đại học Giao Thông Vận Tải Tp. Hồ Chí Minh năm 2009. Anh đã tham gia trợ giảng tại Khoa Công Nghệ Thông Tin, trường Đại học Cần Thơ từ năm 1998 đến 2007. Từ năm 2008 đến nay anh là giảng viên thuộc Bộ môn Tự Động Hóa, khoa Công Nghệ, Đại học Cần Thơ. Thạc sỹ Nguyễn Văn Mướt hiện là trưởng phòng thí nghiệm Cơ Điện Tử, phó trưởng Bộ môn Tự Động Hóa, khoa Công Nghệ, trường Đại học Cần Thơ. Lý Thanh Phương nhận bằng Kỹ sư Tự động hóa tại Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc Gia Tp. Hồ Chí Minh năm 2006, bằng Thạc sỹ Tự Động Hóa tại Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc Gia Tp. Hồ Chí Minh năm 2008. Thạc sỹ Lý Thanh Phương tham gia giảng dạy tại Trường Đại Học Cần Thơ từ năm 2009 đến nay. Hiện anh đang là Giảng Viên - Trưởng Phòng Thí Nghiệm PLC & Mạng Công Nghiệp, phó trưởng Bộ môn Tự Động Hóa, Khoa Công Nghệ, trường Đại học Cần Thơ. Nguyễn Văn Chương sinh năm 1991, tại Tiền Giang. Năm 2006 – 2009, học tại trường trung học phổ thông Phạm Thành Trung – Tiền Giang. Năm 2009 đến nay, Chương học tại trường Đại học Cần Thơ và hiện đang là sinh viên năm cuối chuyên ngành Kỹ thuật Cơ điện tử, Khoa Công Nghệ, trường Đại học Cần Thơ. Phó Hoàng Linh sinh năm 1991 tại Vĩnh Long. Năm 2006 – 2009 học tại trường trung học phổ thông Lưu Văn Liệt - Vĩnh Long. Năm 2009 đến nay, Linh học tại trường Đại học Cần Thơ chuyên ngành Kỹ thuật Cơ điện tử, và hiện là sinh viên năm cuối. . dạng của PROFIBUS là PROFIBUS DP (Decentralized Peripherals) được ứng dụng phổ biến trong mạng công nghiệp và truyền thông dành cho các ứng dụng có các thiết bị ngoại vi phân tán. PROFIBUS. toàn quốc lần thứ 6 567 Mã bài: 130 Ứng dụng mạng truyền thông PROFIBUS trong giám sát và điều khiển mô hình dây chuyền sản xuất linh hoạt Applying PROFIBUS network for monitoring and controlling. trình bày cách thiết lập mạng truyền thông PROFIBUS DP ứng dụng cho các trạm PLC S7-300 (CPU 315-2DP) trong hệ MPS của hãng FESTO (Đức), đồng thời thực hiện việc giám sát và điều khiển toàn