Chơng 1: Tổng quan về hệ thống sản xuất tự động
1. Khái niệm
Hệ thống sản xuất tự động (HTSXTĐ): Là hệ thống tự động các quá trình xử lý thông tin
trong quá trình công nghệ hoặc quá trình sản xuất. Trong hệ này con ngời là một khâu
quan trọng, thờng xuyên có sự trao đổi thông tin giữa ngời và máy. Con ngời làm việc
trong hệ thống để hoạch định mục tiêu và đa ra các quyết định để hệ đi đúng hớng
Chúng ta cần phân biệt giữa một hệ thống sản xuất tự động và hệ thống điều khiển tự
động (HTĐKTĐ). Hệ thống điều khiển tự động là hệ thực hiện các thao tác một cách tự
động theo logic chơng trình đặt trớc (do con ngời đặt trớc), không có sự can thiệp của con
ngời, con ngời chỉ đóng vai trò khởi động hệ (trên thực tế đó là các bộ PID, PLC.
MicroProccesor, các mạch điều khiển rơle-contắctơ ...). Nh vậy hệ thống sản xuất tự động
bao gồm các hệ thống điều khiển tự động, con ngời, hệ thống kho bãi, nguyên liệu...
Quá trình trao đổi thông tin giữa ngời và máy thực hiện theo mô hình sau:
MT
QTCN
QTCN
Hình1: Quá trình xử lý thông
tin thông thờng
2. Cấu trúc sơ bộ hệ thống sản xuất tự động:
Hình 2: Quá trình xử lý thông tin có
tích hợp máy tính
Một hệ thống sản xuất tự động đợc cấu thành từ một hay nhiều hệ con trong đó bao gồm
cả con ngời. Cấu trúc của hệ thống sản xuất tự động đợc trình bày nh hình 4.
Tất cả các hệ thống tự động hoá quá trình sản xuất đều đợc xây dựng trên hai cơ sở:
chức
Hệ thống này có thể là bằng tay, bán tự động, hoặc tự động hoàn toàn
Hệ thống sản xuất tự động sẽ đợc thực hiện nhờ quá trình truyền tin. Với những hệ thống
càng lớn, lợng thông tin trao đổi giữa ngời và máy càng nhiều, nếu không dùng máy móc
hỗ trợ, sẽ cần một lực lợng đông đảo nhân lực để ghi nhận. Cách làm này tốn thời gian và
cũng rất dễ gây ra nhầm lẫn. Ngày nay ngời ta thờng 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 thờng. Máy tính đặt tại các phân xởng để truyền và xử lý thông tin,
máy tính đặt tại dây truyền để điều khiển cục bộ). Nhờ sự hỗ trợ của máy tính và các thiết
bị điều khiển. Các hệ thống sản xuất tự động hiện nay đã đợc xây dựng ở mức độ tự động
hóa rất cao, giảm nhẹ sức lao động trí óc và chân tay của con ngời.
Trên thực tế, một hệ thống sản xuất tự động thờng rất phức tạp, để nghiên cứu nó, ngời ta
phải phân nhỏ thành từng phần để xem xét rồi sau đó tổng hợp lại.
Mức độ tự động hoá của một hệ thống SXTĐ thờng đợc chia thành 4 cấp nh sau:
Central Computer
Supervision
Hệ ĐK TĐH QTSX
4
Hệ ĐK TĐH QTCN
3
Hệ ĐKTĐ
2
Controler: PID, PLC,
tự động theo chơng trình của con ngời đã cài đặt sẵn. Một số thông tin về QTCN và kết
quả của công việc điều khiển sẽ đợc chuyển lên cấp 3. Cấp này thờng đặt các bộ điều
khiển tơng 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 hoặc ngời điều khiển thông qua giao diện NgờiMáy
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 t, nguyên liệu, tài chính, lực lợng lao động, tình hình cung cầu trên thị trờng...Máy
tính trung tâm xử lý một khối lợng thông tin lớn, đa ra các giải pháp tối u để ngời điều
khiển lựa chọn. Ngời điều khiển có thể can thiệp sâu vào quá trình sản xuất, thậm chí có
thể thay đổi mục tiêu sản xuất. Cũng nh ở cấp 2, cấp này sử dụng giao diện Ngời-Máy nhng ở mức độ cao hơn với phạm vi điều khiển rộng hơn.
Các hệ thống sản xuất tự động hiện nay mang lại hiệu quả kinh tế rõ rệt: Nâng cao chất l ợng sản phẩm, tăng năng suất lao động, giảm sức lao động của con ngời, hạ giá thành sản
phẩm. Các thông tin luôn đợc xử lý kịp thời với độ chính xác cao.
3. Các giai đoạn phát triển cơ bản của tự động hoá quá trình sản xuất.
Các giai
đoạn
Cơ khí hoá
Điểm đặc trng
Thay thế lao động cơ bắp của con ngời
Ví dụ
Thời điểm
xuất hiện
- Cho phép đáp ứng cờng độ sản suất cao,có thể sản xuất ra các sản phẩm với số lợng
lớn.
- Cho phép thực hiện chuyên môn hoá và hoán đổi sản xuất.
4.2. Chức năng:
Hệ thống sản xất tự động có các chức năng sau
- Chức năng thông tin: Chức năng thông tin của HTSXTĐ nhằm chọn, soạn thảo và thu
nhận thông tin (ví dụ: đo lờng 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, thông báo trớc về khả năng giảm chất lợng 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 u
cho các máy, tối u 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 nh bảo vệ sức khoẻ ngời vận hành, bảo vệ chống cháy, bảo
vệ an toàn chung, bảo vệ môi trờng.
Mức độ của các chức năng trên phụ thuôc vào mức độ phát triển của hệ thống SXTĐ
5. Xây dựng hệ thống sản xuất tự động
5.1. 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 đợc các chức năng của hệ
thống cần thiết kế. Nó đợc hiện thực hoá từ kỹ thuật tính, kỹ thuật điều khiển
logic và kỹ thuật điều chỉnh. Với các thiết bị nh máy tính, thiết bị công suất, bộ
điều chỉnh, điều khiển logic.
Algorith điều khiển hệ thống
Đảm bảo toán kỹ thuật của hệ thống SXTĐ cần đảm bảo toán học và đảm bảo chơng trình:
nhiệmđể
vụđảm
điềubảo
khiển
vụthoả
điều mãn
khiểnmột số chỉ tiêu
đó đã đề ra. (Trên thực tế, nó đợc mô tả bằng một phiếm hàm J phụ thuộc vào
các thông số, cấu trúc hệ thống. Phiếm hàm này phải thoả mãn các chỉ tiêu tối C2. Phân tích số liệu các
A2. Xác định các thiết bị
B2. Xác định các thiết bị
u:
quá
trình
quá
độ
ngắn
nhất
(thòi
gian
t),
Độ
quá
điều
chỉnh
nhỏ nhất
quy(OS%
trình),
sử dụng trong hệ thống
sử dụng trong hệ thống
ơng khiển conB4.
chơng
của
điều
có Xây
quandựng
hệ với
nhau, yêu cầu
đảm
bổ trợ điều khiển
trình điều khiển
trình điều khiển
Algorith điều khiển này
Ví dụ:
A5. Ghép nối hệ thống
B5. Ghép nối hệ thống
A6. Biên soạn tài liệu
B6. Biên soạn tài liệu
Công nghệ 1
Công nghệ 2
Hình 5: Ví dụ về một Algorith điều khiển hệ thống
C5. Biên soạn tài liệu
HT-TT
CN1
Hình tia
Tuyến tính
Sử dụng
TT
CN3
CN1
CN2
CN2
CN3
HT-TT
Hình cây
Hình 6: Các loại cấu trúc truyền tin
5.3. Một số mô hình xây dựng thống sản xuất tự động hiện nay
5.3.1 Mô hình SCADA
SCADA (Supervisory Control And Data Aquisition) nghĩa là hệ thống điều khiển và
thu thập số liệu hay còn gọi là hệ thống điều khiển giám sát. Nó cho phép điều khiển,
giám sát hoạt động hệ thống trong quyền hạn nào đó trên màn hình và điều khiển
nhiều chức năng khác nhau bên ngoài hoặc quá trình. Hệ thống SCADA sẽ bao gồm
một trạm chủ cho việc thu thập thông tin từ những thiết bị đầu cuối thông qua thủ tục
S
Quá trình con 3
Hình 7: Mô hình SCADA đơn giản
Một máy tính đợc dùng để điều khiển toàn bộ các quá trình con. Trí tuệ của toàn bộ
hệ tập trung tại một điểm. Đây là cấu trúc tự động hoá thích hợp cho các loại máy móc
thiết bị vừa và nhỏ, bởi sự đơn giản, đễ thực hiện và giá thành một lần cho máy tính
điều khiển. Tuy nhiên cấu trúc này có các nhợc điểm 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 ngời ta thờng dùng máy tính dự phòng, tuy
nhiên sẽ nâng cao giá thành. Nhợc điểm thứ nhất và một phần nhợc điểm thứ hai
sẽ đợc khắc phục bằng cách dùng một mạng dây dẫn chung gọi là BUS
TRƯờNG (field bus)
Ví dụ: Một hệ thống điều khiển SCADA cải tiến trong dây chuyền sản suất ô tô
theo giải pháp của Siemens (Một máy tính điều khiển trung tâm với giao diện NgờiMáy)
5.3.2 Mô hình DCS
Hình 8: Mô
SCADAControl
của SIEMENS
DCShình
(Distributed
System) là hệ thống điều khiển phân tán, thực hiện ý
khiển (Micro Controler), các bộ điều khiển thu gọn (Compact Controler) và các cụm
vào ra tại chỗ, các thiết bị cảm biến chấp hành đợc nối lên trung tâm thông qua BUS
trờng. Trong thực tế tuỳ theo tính chất
BUSứng
hệ dụng
thốngvà thể loại quá trình kỹ thuật mà
cấu trúc trên có thể đợc đơn giản hoá hoặc mở rộng thêm.
Máy tính ĐK
Máy tính ĐK
Máy tính phối hợp
BUS trờng
Máy tính ĐK
A
S
I/O
A
I/O
S
A
Industrial
Ethernet
6.1. Mạng truyền thông của SIEMENS.
Mô hình mạng truyền thông để xây dựng các hệ thống SXTĐ của SIEMENS có cấu
SIMATIC
S5
trúc mạng nh sau: S7/M7 300
S5/S7
S7/M7 300
S7/M7 400
C7
S7 500
PG
PROFIBUS
SIMATIC
S5/S7
S7 200
OP
TD
Host
Computer
Cấp 3:
Nhà máy
Phân xởng
Cấp 2:
Trạm điều khiển
Factory
Computer
PLC
PLC
Robot
Controller
Cấp 0:
Thiết bị I/O
ETHERNET
Board
NBS
PLC
Area
Cấp 0: Là cấp cơ bản của các bộ phận thiết bị nh 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 nh máy điều khiển số, PLC, Robot công nghiệp,
thực hiện chức năng điều khiển.
Cấp 2: Điều khiển và phối hợp cùng với các thiết bị ở mức 1. Thực hiện việc thích nghi
với các chức năng điều khiển và sự thay đổi của các thiết bị mức 1
Cấp 3: Điều khiển, giám sát các hoạt động của các thiết bị ở mức 2. Quản lý giới 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 tr ớc và
đặt kế hoạch.
Các cấp này đợc ghép nối hệ thống mạng: SYSMAC BUS, SYSMAC WAY, SYSMAC
NET và ETHERNET.
6.2.1. Lớp mạng SYSMAC BUS.
Mạng này đợc truyền theo kiểu BUS, có thể kết nối với các thiết bị thay đổi nh Sensor,
Actuator hay các thiết bị I/O. Sử dụng các thiết bị CVM1, C200HW (Master), CVseries, C200HC, C200HS (Slave). Mạng này có các đặc điểm sau:
- Phơng 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.
6.2.2 Lớp mạng SYSMAC WAY.
Có thể thực hiện truyền thông với máy tính qua cổng truyền thông nối tiếp RS-322,
truyền thông giữa các trạm chủ trên mạng theo phơng thức Tokenring. Sử dụng các
thiết bị C200H-SLK21-V1, C200H-SLK11.
Đặc điểm: - Tốc độ truyền 2Mbps. Đờng truyền là cáp đồng trục hoặc cáp quang.
- Số nút tối đa là 63.
- Khoảng cách truyền: Tổng cộng 1km (hoặc 10km, 800m giữa các nút).
- Độ dài dữ liệu 512 byte.
2.3 Lớp mạng SYSMAC NET.
Đây là lớp mạng liên kết trực tiếp các máy tính và các trạm chủ có độ tin cậy cao với
Lời gọi trạm chủ
Nghe
0 CB A4 A3 A2 A1 A0 I4 I3 I2 I1 I0 P 1
Bit đầu
Địa chỉ trạm tớ
Bit điều khiển
Bit chẵn lẻ
Thông tin cho trạm tớ Bit cuối
Trạm tớ trả lời
0 S3 S2 S1 S0 P 1
Thông tin trả lời
Bit đầu
Bit cuối
Bit chẵn lẻ
12: Cấu
bứcsửđiện
- Các phần tử AS-I slave tíchHình
hợp AS-I
I/O Slave (việc này có thể thực hiện trong chơng trình của CPU S7-300 )
- Phần tử AS-I Slave: Có thể sử dụng nhiều phần tử AS-I Slave của các hãng khác nhau
trên cùng một mạng. Mỗi phần tử này đợc gán một địa chỉ riêng biệt, có thể dùng thiết
bị chuyên dụng để đặt địa chỉ cho các AS-I Slave hoặc thông qua phần tử Master (ghép
nối trực tiếp).
- Bộ lặp: Cho phép tăng khoảng cách truyền từ 100m lên tới 300m,
bộ lặp đợc ghép vào giữa hệ thống mạng trực tiếp trên các đờng
truyền tín hiệu
- Nguồn phụ trợ: Có thể sử dụng thêm nguồn nuôi phụ nếu dòng
yêu cầu của tất cả các phần tử Slave lớn hơn 2A. Nguồn nuôi
này sẽ đợc nối với các phần tử Slave bằng một dây riêng.
- Thiết bị đặt địa chỉ PSG: Dùng để gán đại chỉ cho các trạm
Slave
Cài đặt mạng:
Để lắp đặt hệ thống mạng AS-I, thực hiện theo những bớc sau:
- Gán địa chỉ cho tất cả các trạm tớ bằng thiết bị đặt địa chỉ PSG
Kết nối PSG với trạm ASI Slave
1.
Bật nguồn PSG
(START)
2.
Kích hoạt PSG
(ENTER)
3.
Chọn Master (F3)
VD: Trạm Slave có
4.
- Kết nối tất cả các cảm biến và cơ cấu chấp hành vào trạm AS-I Slave
- Nh vậy đờng truyền AS-I đã sẵn sàng, ta có thể cài đặt thông số cho trạm chủ
- Chuyển CPU về trạng thái STOP để cài đặt thông số cho module CP342
- Module CP342 ở trạng thái thiết lập (Configuration mode) sẽ nhận tất cả các trạm tớ kết
nối với nó (đèn báo sáng).
- Đặt module CP342 ở trạng thái đợc bảo vệ bằng cách nhấn nút SET trên module này, nó
sẽ lu tất cả địa chỉ các trạm tớ và có thể thực hiện truyền thông. Đèn LED CM sáng.
- Chuyển CPU sang trạng thái RUN-P. Việc cài đặt mạng đã hoàn thành.
Lập trình:
Sau khi cài đặt xong hệ thống mạng bạn có thể lập trình điều khiển cho toàn hệ thống
mạng vừa thiết lập, chơng trình điều khiển sẽ phụ thuộc vào quá trình công nghệ, ở đây
không tập trung vào hớng dẫn lập trình, do đó chỉ sử dụng một bài toán lập trình đơn giản
nh một ví dụ minh hoạ.
Bài tập:
Lập trình điều khiển xi lanh ép hoạt động nh sau: Nhấn nút S1 xi lanh đi xuống, nhấn nút
S2 xi lanh trở về vị trí ban đầu (xy lanh ép là loại tác động đơn).
Mở phần mềm lập trình SIMATIC Manager bằng cách kích đúp (Double click) vào biểu tợng
này.
Tạo một Project mới:
§Æt tªn cho Projcet võa t¹o ra (vÝ dô: ASI_CP342_2)
T¹o ra mét tr¹m PLC S7-300 ®Ó lËp tr×nh b»ng c¸ch chän:
B¹n cã thÓ nh×n thÊy m· thiÕt bÞ trong catalog ë bªn díi cöa sæ catalog.
§Æt vµo Slot 2 mét CPU 315-2DP.
-> SIMATIC 300 -> CPU-300 -> CPU 315-2DP -> 6ES7 315-2AF03-0AB0 -> V1.1
Đây là CPU có tích hợp khả năng truyền thông Profibus-DP, bởi vậy chúng ta có thể thay đổi
địa chỉ truyền thông ở giao diện xuất hiện tiếp theo
Tuy nhiên ở đây chúng ta sẽ không thực hiện truyền thông Profibus-DP, chọn OK
Slot thứ 3 bỏ trống (vì chúng ta không sử dụng module ghép nối IM ).
Bạn có thể chèn vào slot thứ 4 và thứ 5 các module vào/ra số.
-> SIMATIC 300 -> SM-300 -> DI-300 -> SM 321 DI16xDC24V
-> SIMATIC 300 -> SM-300 -> DO-300 -> SM 322 DO16xDC24V/0.5A
Cuèi cïng ta ®Æt vµo slot thø 6 mét module truyÒn th«ng AS-I CP342.
SIMATIC 300 -> CP-300 -> AS-Interface -> CP 342-2 AS-i
Copyright: Tài liệu đại học ©