Đưa vào vận hành và giám sát hệ thống biến tần qua mạng Profibus DP

- NGUYỄN THANH BèNH ĐƯA VÀO VẬN HÀNH VÀ GIÁM SÁT HỆ THỐNG BIẾN TẦN QUA MẠNG PROFIBUS DP LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG Hà Nội – 2005 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI.
- NGUYỄN THANH BèNH ĐƯA VÀO VẬN HÀNH VÀ GIÁM SÁT HỆ THỐNG BIẾN TẦN QUA MẠNG PROFIBUS DP LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS.
- HOÀNG MINH SƠN Hà Nội - 2005 Mục lục Lời cảm ơn Lời nói đầu 1 Ch-ơng 1 Đặt vấn đề 3 1.1 Bài toán 3 1.2 Mục đích và nhiệm vụ của luận văn 6 1.3 Xây dựng cấu hình hệ thống nghiên cứu 7 1.3.1 Yêu cầu kỹ thuật 7 1.3.2 Lựa chọn các thiết bị trong mạng 7 1.3.3 Cấu hình hệ thống nghiên cứu 7 Ch-ơng 2 Giới thiệu về profibus và profidrive 9 2.1 PROFIBUS 9 2.1.1 Tổng quan về mạng Profibus 9 2.1.1.1 Phạm vi ứng dụng và -u điểm của mạng PROFIBUS Yêu cầu sử dụng Các loại PROFIBUS 12 2.1.2 Kiến trúc giao thức của PROFIBUS 13 2.1.3 Truy nhập bus 15 2.2 PROFIBUS DP 16 2.2.1 Các đặc tính cơ bản của PROFIBUS DP 17 2.2.2 Kỹ thuật truyền dẫn của PROFIBUS DP 17 2.2.3 Kiến trúc mạng 18 2.2.4 Kiểu thiết bị 19 2.2.5 Đặc tính vận hành hệ thống 20 2.2.6 Truyền thông giữa các trạm trong PROFIBUS DP 21 2.2.7 Trao đổi dữ liệu tuần hoàn 22 2.2.8 Đồng bộ hóa dữ liệu vào/ra 22 2.2.9 Cấu trúc bức điện của PROFIBUS DP 24 2.3 PROFIdrive 26 2.3.1 Định dạng khung bức điện trong PROFIdrive Vùng nhận dạng thông số Vùng dữ liệu quá trình 30 2.3.2 Các loại khung bức điện trong PROFIdrive 31 2.3.3 Từ điều khiển và từ trạng thái trong PROFIdrive 32 2.3.4 L-u đồ trạng thái hoạt động thông qua từ điều khiển và từ trạng thái 35 Ch-ơng 3 Cấu trúc và các Hàm DP của ứng dụng dp 37 3.1 Cấu trúc của ứng dụng DP chạy trong môi tr-ờng Windows 37 3.1.1 Chức năng của các kiểu trạm chủ DP 37 3.1.2 Các cấu trúc vận hành của ứng dụng DP 38 3.1.3 Cấu trúc của một ứng dụng DP với kiểu DP MCL1 41 3.1.4 Cấu trúc của một ứng dụng DP với kiểu DP MCL2 42 3.2 Mô tả một số hàm DP trong th- viện SOFTNET DP 44 3.2.1 Hàm khởi tạo dpn_init Cỏc tham biến Kết quả Cấu trỳc thành phần reference 46 3.2.2 Hàm gửi dữ liệu ra dpn_out_slv Cỏc tham biến Kết quả 47 3.2.3 Hàm đọc dữ liệu cổng vào dpn_in_slv Cỏc tham biến Kết quả 48 3.2.4 Hàm đặt chế độ hoạt động dpn_set_mode Cỏc tham biến 49 3.2.4 Kết quả 49 3.2.5 Hàm xác định chế độ hoạt động dpn_get_mode Cỏc tham biến Kết quả 50 3.2.6 Hàm thoát dpn_reset Cỏc tham biến Kết quả 51 Ch-ơng 4 các thông số kỹ thuật của các thiết bị trong mạng 52 4.1 CP 5611 với SOFTNET DP 52 4.1.1 Chức năng của CP Thông số kỹ thuật của CP PLC SIMATIC S7-300 CPU 315-2DP 54 4.3 Biến tần ACS 800 và module PROFIBUS DP RPBA-01 của hãng ABB 62 4.3.1 Tổng quan về biến tần ACS Giới thiệu một số ứng dụng sử dụng biến tần ACS Các thông số của biến tần phục vụ cho truyền thông PROFIBUS DP 64 4.3.4 Module truyền thông PROFIBUS DP RPBA Chức năng của RPBA-01 Adapter Module Thông số kỹ thuật của RPBA-01 Adapter Module 68 Ch-ơng 5 Kết quả và giới thiệu một số cấu hình thực tế 69 5.1 Kết quả của luận văn 69 5.2 Giới thiệu một số cấu hình thực tế 71 5.2.1 Hệ thống điều khiển tự động cho dây chuyền cán nóng liên tục Tổng quan hệ thống Cấu hình điều khiển 73 5.2.2 Hệ thống điều khiển giám sát tổng kho tồn trữ và đóng bình Gas Tổng quan và nhiệm vụ của hệ thống Cấu hình điều khiển 75 Mục lục Lời cảm ơn Lời nói đầu 1 Ch-ơng 1 Đặt vấn đề 3 1.1 Bài toán 3 1.2 Mục đích và nhiệm vụ của luận văn 6 1.3 Xây dựng cấu hình hệ thống nghiên cứu 7 1.3.1 Yêu cầu kỹ thuật 7 1.3.2 Lựa chọn các thiết bị trong mạng 7 1.3.3 Cấu hình hệ thống nghiên cứu 7 Ch-ơng 2 Giới thiệu về profibus và profidrive 9 2.1 PROFIBUS 9 2.1.1 Tổng quan về mạng Profibus 9 2.1.1.1 Phạm vi ứng dụng và -u điểm của mạng PROFIBUS Yêu cầu sử dụng Các loại PROFIBUS 12 2.1.2 Kiến trúc giao thức của PROFIBUS 13 2.1.3 Truy nhập bus 15 2.2 PROFIBUS DP 16 2.2.1 Các đặc tính cơ bản của PROFIBUS DP 17 2.2.2 Kỹ thuật truyền dẫn của PROFIBUS DP 17 2.2.3 Kiến trúc mạng 18 2.2.4 Kiểu thiết bị 19 2.2.5 Đặc tính vận hành hệ thống 20 2.2.6 Truyền thông giữa các trạm trong PROFIBUS DP 21 2.2.7 Trao đổi dữ liệu tuần hoàn 22 2.2.8 Đồng bộ hóa dữ liệu vào/ra 22 2.2.9 Cấu trúc bức điện của PROFIBUS DP 24 2.3 PROFIdrive 26 2.3.1 Định dạng khung bức điện trong PROFIdrive Vùng nhận dạng thông số Vùng dữ liệu quá trình 30 2.3.2 Các loại khung bức điện trong PROFIdrive 31 2.3.3 Từ điều khiển và từ trạng thái trong PROFIdrive 32 2.3.4 L-u đồ trạng thái hoạt động thông qua từ điều khiển và từ trạng thái 35 Ch-ơng 3 Cấu trúc và các Hàm DP của ứng dụng dp 37 3.1 Cấu trúc của ứng dụng DP chạy trong môi tr-ờng Windows 37 3.1.1 Chức năng của các kiểu trạm chủ DP 37 3.1.2 Các cấu trúc vận hành của ứng dụng DP 38 3.1.3 Cấu trúc của một ứng dụng DP với kiểu DP MCL1 41 3.1.4 Cấu trúc của một ứng dụng DP với kiểu DP MCL2 42 3.2 Mô tả một số hàm DP trong th- viện SOFTNET DP 44 3.2.1 Hàm khởi tạo dpn_init Cỏc tham biến Kết quả Cấu trỳc thành phần reference 46 3.2.2 Hàm gửi dữ liệu ra dpn_out_slv Cỏc tham biến Kết quả 47 3.2.3 Hàm đọc dữ liệu cổng vào dpn_in_slv Cỏc tham biến Kết quả 48 3.2.4 Hàm đặt chế độ hoạt động dpn_set_mode Cỏc tham biến 49 3.2.4 Kết quả 49 3.2.5 Hàm xác định chế độ hoạt động dpn_get_mode Cỏc tham biến Kết quả 50 3.2.6 Hàm thoát dpn_reset Cỏc tham biến Kết quả 51 Ch-ơng 4 các thông số kỹ thuật của các thiết bị trong mạng 52 4.1 CP 5611 với SOFTNET DP 52 4.1.1 Chức năng của CP Thông số kỹ thuật của CP PLC SIMATIC S7-300 CPU 315-2DP 54 4.3 Biến tần ACS 800 và module PROFIBUS DP RPBA-01 của hãng ABB 62 4.3.1 Tổng quan về biến tần ACS Giới thiệu một số ứng dụng sử dụng biến tần ACS Các thông số của biến tần phục vụ cho truyền thông PROFIBUS DP 64 4.3.4 Module truyền thông PROFIBUS DP RPBA Chức năng của RPBA-01 Adapter Module Thông số kỹ thuật của RPBA-01 Adapter Module 68 Ch-ơng 5 Kết quả và giới thiệu một số cấu hình thực tế 69 5.1 Kết quả của luận văn 69 5.2 Giới thiệu một số cấu hình thực tế 71 5.2.1 Hệ thống điều khiển tự động cho dây chuyền cán nóng liên tục Tổng quan hệ thống Cấu hình điều khiển 73 5.2.2 Hệ thống điều khiển giám sát tổng kho tồn trữ và đóng bình Gas Tổng quan và nhiệm vụ của hệ thống Cấu hình điều khiển 75 - 3 - Ch-ơng 1 Đặt vấn đề 1.1 Bài toán Cùng với sự phát triển của tự động hóa quá trình, l-ợng thông tin cần trao đổi không ngừng tăng lên.
- Để điều khiển một phân x-ởng hay một nhà máy hoạt động nhịp nhàng thì cần phải thu thập và xử lý thông tin về các vấn đề kỹ thuật, nguyên vật liệu và nhu cầu của các đơn đặt hàng.
- Việc nối mạng và thực hiện các giải pháp tự động hóa sử dụng truyền thông số giúp cho việc xử lý thông tin trở nên chính xác, nhanh chóng và kịp thời, tối -u hóa đ-ợc các quá trình sản xuất.
- Vấn đề đặt ra tr-ớc tiên khi xây dựng một giải pháp tự động hóa không còn là nên hay không nên, mà là lựa chọn hệ thống mạng truyền thông và các thiết bị tr-ờng nào cho phù hợp với yêu cầu và nhiệm vụ của ứng dụng thực tế.
- Ví dụ, giải pháp bus tr-ờng nào có thể thỏa mãn về yêu cầu cấu trúc hệ thống và tính năng thời gian thực của ứng dụng.
- Tiếp theo là bài toán đặt cấu hình, tham số và đ-a hệ thống đi vào vận hành.
- Với lý do đó, bài toán đ-ợc đặt ra là nghiên cứu mạng PROFIBUS DP và chuẩn PROFIdrive, nhằm xây dựng một hệ thống mạng hoàn thiện, có khả năng đ-a các thiết bị tr-ờng nói chung và biến tần nói riêng vào vận hành một cách nhanh chóng trong các ứng dụng công nghiệp.
- Với các hệ thống truyền thống sử dụng cấu trúc điều khiển tập trung (Centralized Control System), một máy tính duy nhất đ-ợc dùng để điều khiển các - 4 - quá trình con.
- Các bộ cảm biến, cơ cấu chấp hành đ-ợc nối trực tiếp điểm điểm với máy tính trung tâm qua các cổng vào/ra của nó.
- Toàn bộ chức năng xử lý thông tin tập trung trong một thiết bị điều khiển duy nhất.
- Ngày nay cấu trúc điều khiển tập trung nh- thế này th-ờng chỉ đ-ợc áp dụng với những hệ thống nhỏ với các máy móc vận hành đơn giản bởi giá thành thấp.
- Tuy nhiên cấu trúc này còn nhiều hạn chế nh.
- Việc mở rộng hệ thống gặp nhiều khó khăn.
- Ph-ơng pháp truyền dẫn tín hiệu giữa các thiết bị tr-ờng và thiết bị điều khiển dễ chịu ảnh h-ởng của nhiễu gây ra sai số lớn.
- Trong các ứng dụng có quy mô vừa và lớn, dây truyền sản xuất đ-ợc phân chia thành nhiều phân đoạn, có thể đ-ợc bố trí tại nhiều vị trí cách xa nhau.
- Để khắc phục sự phụ thuộc vào một máy tính trung tâm trong điều khiển tập trung và tăng tính linh hoạt của hệ thống, mỗi phân đoạn có thể đ-ợc điều khiển bằng một máy tính cục bộ.
- Các máy tính cục bộ nằm rải rác tại phòng điều khiển của từng phân đoạn, các phân đoạn này lại có liên hệ t-ơng tác với nhau, vì vậy quá trình điều Máy tính điều khiển I/O Quá trình 1 Quá trình 2 Chấp hành Cảm biến Cảm biến Chấp hành Hình 1.1: Điều khiển tập trung với vào/ra tập trung - 5 - khiển tổng hợp cần có sự điều khiển phối hợp giữa các máy tính điều khiển.
- Việc phân bố trí tuệ và chức năng theo cả chiều rộng lẫn chiều sâu, kết hợp với việc sử dụng mạng truyền thông, đồng thời bên trong hệ thống sử dụng các thiết bị vào/ra tại chỗ làm tăng độ tin cậy, tính năng mở và độ linh hoạt của hệ thống.
- Một hệ điều khiển phân tán th-ờng bao gồm.
- Trung tâm điều hành quá trình.
- Trung tâm điều khiển là các máy tính điều khiển, máy tính công nghiệp, máy tính phối hợp đ-ợc nối với nhau và nối với trung tâm điều hành qua các bus.
- Các bộ điều khiển tại chỗ nh- thiết bị vào/ra, cơ cấu chấp hành, cảm biến đ-ợc nối với trung tâm điều khiển qua bus tr-ờng (Fieldbus).
- Ưu điểm của điều khiển phân tán: Trung tâm điều hành quá trình Máy tính điều khiển Máy tính công ngiệp Máy tính phối hợp Cảm biến Cơ cấu chấp hành I/O Cảm biến Cơ cấu chấp hành Bus tr-ờng Bus hệ thống, bus quá trình Hình 1.2: Cấu trúc hệ điều khiển phân tán - 6.
- Cấu trúc đơn giản dễ dàng chẩn đoán, bảo trì, bảo d-ỡng hệ thống.
- Việc sử dụng các giao diện chuẩn quốc tế nâng cao khả năng t-ơng tác giữa các thành phần.
- Có thể tích hợp các hệ thống mới và cũ, dễ dàng mở rộng hệ thống và kết nối với hệ thống thông tin ở cấp trên.
- Ưu thế của cấu trúc điều khiển phân tán không chỉ dừng lại ở độ linh hoạt cao hơn so với điều khiển tập trung.
- Hiệu năng cũng nh- độ tin cậy tổng thể của hệ thống đ-ợc nâng cao nhờ sự phân tán chức năng xuống các cấp d-ới.
- Hệ có cấu trúc mở thể hiện ở khả năng t-ơng tác và thay thế lẫn nhau của các sản phẩm thuộc các hãng khác nhau.
- Việc mở rộng hệ thống do ng-ời sử dụng xây dựng theo các giải pháp tiêu chuẩn quốc tế.
- Giải pháp sử dụng các hệ điều khiển phân tán và các thiết bị tr-ờng thông minh là xu h-ớng chính trong việc xây dựng các hệ thống điều khiển và giám sát hiện đại.
- 1.2 Mục đích và nhiệm vụ của luận văn ❖ Nghiên cứu về mạng PROFIBUS DP ❖ Nghiên cứu chuẩn PROFIdrive, một profile của PROFIBUS DP cho riêng các hệ truyền động ❖ Tìm hiểu về biến tần của ABB ❖ Xây dựng cấu hình hệ thống nghiên cứu thực tế ❖ Xây dựng phần mềm đ-a biến tần vào vận hành (đặt cấu hình, tham số) và giám sát, chẩn đoán hệ thống trên cơ sở thiết bị của Siemens và ABB ❖ Đề xuất ứng dụng thực tế - 7 - 1.3 Xây dựng cấu hình hệ thống nghiên cứu 1.3.1 Yêu cầu kỹ thuật Một trong những mục đích của luận văn là tìm hiểu đầy đủ các chức năng và các chế độ vận hành của mạng PROFIBUS DP.
- Với mục đích đó, luận văn xây dựng một cấu hình mạng gồm có hai Master, hoạt động ở chế độ DP Master Class 1 (DP MCL1) và DP Master Class 2 (DP MCL2), và một Slave là bộ biến tần.
- Mạng PROFIBUS DP đ-ợc thiết kế phải thực hiện đ-ợc những nhiệm vụ sau.
- Liên kết các thiết bị ở cấp chấp hành (biến tần) với cấp điều khiển (PC, PLC) thành một mạng.
- Cài đặt thông số vận hành, điều khiển hoạt động biến tần, đ-a thông số khởi động, dừng, thay đổi tốc độ và đảo chiều động cơ thông qua mạng.
- Giám sát và chẩn đoán hoạt động của hệ thống bằng chế độ DP MCL2.
- 1.3.2 Lựa chọn các thiết bị trong mạng CP 5611PROFIBUS DPSDPR OSIEMENSSIEMENSSIEMENSMPIPLC S7-300Operator StationEngineer Station Hình 1.3: Sơ đồ cấu hình hệ thống - 8 - Mạng bao gồm hai trạm chủ (Master), trạm chủ thứ nhất là một hệ PLC S7-300 hoạt động ở chế độ DP MCL1 và trạm chủ thứ hai là một PC cắm card truyền thông CP5611 hỗ trợ hoạt động ở chế độ DP MCL2.
- Trạm tớ (Slave) là biến tần ACS 800 của hãng ABB.
- Bộ PLC có chức năng điều khiển toàn bộ các trạm tớ hoạt động theo chu trình công nghệ.
- Còn bộ PC có khả năng cấu hình, cài đặt thông số cho bộ biến tần, đ-a biến tần vào hoạt động.
- Khi hệ thống đã đi vào hoạt động thì bộ PC thực hiện chức năng giám sát và chẩn đoán toàn bộ hệ thống, giúp nhanh chóng xác định các sự cố của hệ thống.
- Hệ thống bao gồm các thiết bị của các hãng SIEMENS và ABB, một lần nữa cho thấy -u điểm của mạng PROFIBUS DP, đó là khả năng linh hoạt khi tích hợp hệ thống và khả năng mở rộng hệ thống khi có nhu cầu mới.
- 1.3.3 Cấu hình hệ thống nghiên cứu Hệ thống bao gồm một PC cắm card truyền thông CP 5611, một PLC S7-300 của SIEMENS với CPU 315-2DP tích hợp cổng truyền thông DP.
- Trạm tớ là biến tần ACS 800 của hãng ABB (biến tần ACS 800 là loại biến tần có hỗ trợ truyền thông) đ-ợc kết nối vào mạng thông qua module truyền thông RPBA-01.
- Đ-ờng mạng có cấu trúc dạng bus sử dụng chuẩn truyền dẫn RS 485, môi tr-ờng truyền dẫn là cáp đôi dây xoắn có vỏ bảo vệ (STP).
- Ưu điểm của hệ thống là khả năng mở rộng hệ thống với những thiết bị của các hãng khác nhau.
- Số trạm tối đa trên một đ-ờng truyền không dùng bộ lặp là 32 trạm, nếu sử dụng bộ lặp có thể kết nối tới 126 trạm trong mạng.
- Cấu hình hệ thống đ-ợc mô tả trên Hình 1.3 - 9 - Ch-ơng 2 Giới thiệu về profibus và profidrive 2.1 PROFIBUS 2.1.1 Tổng quan về mạng Profibus Bus tr-ờng cho tự động hóa quá trình là ph-ơng thức truyền thông giữa thiết bị tr-ờng và hệ thống điều khiển quá trình.
- Công nghệ bus tr-ờng đang ngày càng đ-ợc hoàn thiện, cho phép thực hiện kết nối từ trung tâm điều khiển đến các ngoại vi phân tán.
- PROFIBUS là một hệ thống bus tr-ờng đ-ợc phát triển tại Đức từ năm 1987 và đã đ-ợc chuẩn hóa.
- PROFIBUS định nghĩa các đặc tr-ng của một hệ thống bus dùng kết nối các thiết bị tr-ờng với các thiết bị điều khiển và giám sát.
- PROFIBUS là một hệ thống nhiều chủ (Multi-Master), cho phép các thiết bị điều khiển tự động, các trạm kỹ thuật và hiển thị quá trình cũng nh- các phụ kiện phân tán cùng làm việc trên cùng mạng bus.
- Hai loại thiết bị đ-ợc phân biệt là.
- Các thiết bị chủ (Master) có khả năng kiểm soát truyền thông trên bus.
- Các thiết bị tớ (Slave) là các thiết bị tr-ờng nh- vào/ra phân tán, cảm biến và cơ cấu chấp hành.
- 2.1.1.1 Phạm vi ứng dụng và -u điểm của mạng PROFIBUS Giao thức mạng PROFIBUS đã đ-ợc tích hợp trong rất nhiều chủng loại thiết bị tr-ờng và ứng dụng thành công trong các hệ thống tự động hóa quá trình.
- PROFIBUS đã trở thành một chuẩn quốc tế đ-ợc tích hợp trong các thiết bị tr-ờng và các bộ điều khiển của nhiều hãng khác nhau, giúp ng-ời tích hợp hệ thống có khả năng lựa chọn thiết bị một cách linh hoạt và tạo ra một hệ thống hoàn thiện với nhiều thiết bị của nhiều hãng khác nhau mà vẫn vận hành thông suốt.
- Đây là một hệ thống mở, trong t-ơng lai có thể mở rộng hệ thống, thêm số đầu vào/ra hoặc số trạm một cách dễ dàng.
- PROFIBUS đã mở ra yêu cầu về truyền thông tốc độ cao giữa bộ điều khiển PLC và các vào/ra phân tán, đây là kết quả đạt đ-ợc trong phạm vi phát triển rộng của các thiết bị DP.
- Để đáp ứng cho môi tr-ờng tự động hóa, nó đã đ-ợc hoàn thiện với việc mở rộng thêm cho các thiết bị tr-ờng thông minh.
- Truyền thông số giữa bộ điều khiển và các thiết bị tr-ờng đáp ứng đ-ợc tính thời gian thực, trao đổi các thông tin chẩn đoán hệ thống, thiết lập cấu hình và các thông số.
- Với các hệ thống sử dụng mạng PROFIBUS giá thành lắp đặt giảm đ-ợc từ 25% đến 43% tùy thuộc vào từng ứng dụng cụ thể

Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn
hoặc xem Tóm tắt