Điều khiển tọa độ sử dụng mạng PROFIBUS giám sát bằng wincc

Đề tài: Điều khiển tọa độ sử dụng mạng PROFIBUS

- 1 -

MỤC LỤC
CHƯƠNG 1: MẠNG TRUYỀN THÔNG CÔNG NGHIỆP PROFIBUS - 3 -
1.1 Giới thiệu chung về mạng Profibus. - 4 -
1.2 Profibus –FMS. - 6 -
1.3 Profibus –DP. - 7 -
CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU VỀ PLC S7 – 300 - 11 -
2.1 Cấu trúc phần cứng PLC S7-300. - 11 -
2.2 Các thông báo lỗi bằng đèn LED. - 14 -
2.2.1 Thông báo lỗi của CPU bằng đèn LED hiển thị. - 14 -
2.2.2 Thông báo lỗi của CPU 31x-2 khi là DP Master bằng đèn BUSF. - 14 -
2.2.3 Thông báo lỗi của CPU 31x-2 khi là DP Slave bằng đèn BUSF. - 15 -
CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG MẠNG PROFIBUS VÀO MÔ HÌNH - 16 -
ĐIỀU KHIỂN TỌA ĐỘ - 16 -
3.1 Mô tả hệ thống và yêu cầu công nghệ: - 16 -
3.2 Lựa chọn phương án điều khiển. - 19 -
3.3 Các phần tử trong hệ thống. - 21 -
3.3.1 CPU 313 C2-DP - 21 -
3.3.2Biến tần Micromaster 440(MM440). - 23 -
3.3.3 Động cơ không đồng bộ ba pha. - 31 -
3.3.4 Encoder. - 34 -
3.3.5 Hộp giảm tốc - 35 -
3.3.6 Vít me bi: - 36 -
3.3.7 Cảm biến từ tiệm cận (Inductive proximity sensor). - 37 -
CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG LIÊN KẾT MẠNG VÀ - 38 -
CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN - 38 -
4.1 Các phần tử liên kết mạng. - 38 -
4.1.1 Bus truyền Profibus. - 38 -

4.1.2 Cáp truyền thông PLC và PC (MPI). - 38 -
4.1.3 Module Profibus. - 40 -
4.2 Cài đặt các thông số phần cứng. - 42 -
4.2.1 Cài đặt phần cứng trong PLC S7-300.(CPU 313C-2DP). - 42 -
Đề tài: Điều khiển tọa độ sử dụng mạng PROFIBUS

- 2 -

4.2.2 Module Profibus. - 45 -
4.2.3 Cài đặt thông số trên biến tần. - 45 -
4.3 Chương trình điều khiển. - 47 -
4.3.1 Các tín hiệu điều khiển. - 47 -
4.3.2 Cách thức truyền nhận dữ liệu giữa PLC S7-300 và biến tần MM440. - 47
-
4.4 Chương trình điều khiển. - 53 -
4.4.1 Lưu đồ thuật toán. - 53 -
4.4.2 Bảng ký hiệu. - 54 -
4.4.3 Khối liên kết truyền thông giữa PLC và biến tần để điều khiển DC . - 55 -
4.4.4 Khối giám sát tốc độ của động cơ sử dụng encoder. - 62 -
4.4.5 Khối chương trình chính OB1. - 74 -
4.5 Chương trình giám sát trên Win CC. - 79 -
CÁC KẾT QUẢ ĐO KHẢO SÁT ĐƯỢC - 81 -
KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ - 88 -

Đề tài: Điều khiển tọa độ sử dụng mạng PROFIBUS

- 3 -

CHƯƠNG 1
MẠNG TRUYỀN THÔNG CÔNG NGHIỆP PROFIBUS
Một nhà máy hay một phân xưởng được trang bị rất nhiều những thiết bị tự
động hóa chúng thường được liên kết thông qua một mạng truyền thông công
nghiệp nào đó. Vậy mạng truyền thông công nghiệp là gì? Và vì sao người ta hay sử
dụng mạng Profibus, Ethernet, Asi, MPI,PPI ?
Bởi vì chúng:
 Dễ dàng đồng bộ hóa các hoạt động trong một dây chuyền sản xuất.
 Điều khiển, giám sát và quản lý một cách dễ dàng. Điều này cũng giống
như việc phân cấp quản lý trong các công ty, xí nghiệp.
 Điều khiển các thiết bị từ khoảng cách rất xa qua các cáp nối kết mạng.
Nếu chúng ta chỉ sử dụng PLC đơn thì chúng ta sẽ gặp phải nhiều khó khăn như
thiếu các port, đường dây tín hiệu đi ra từ các port không thể đi xa và tín hiệu dễ bị
nhiễu (đối với các tín hiệu tương tự) cũng như không kinh tế (đối với các qui trình
sản xuất lớn).

Ngoài ra, còn có các ưu điểm như :
 Thích hợp cho mọi ứng dụng.
 Là một hệ thống mở có thể sử dụng các thiết bị khác nhau.
 Luôn đổi mới để thích hợp với mọi nhu cầu.
Một mạng truyền thông thì bao gồm các thành phần:
 Các giao thức phục vụ cho việc truyền dữ liệu giữa các thiết bị.
 Các phương tiện truyền tải, các thành phần truyền tải và nối kết, cũng
như các kỹ thuật truyền tải thích hợp. Để thực hiện các chức năng trong các dây
chuyền sản xuất tự động, mạng có các dạng truyền thông cũng như các thành phần
mạng khác nhau thích hợp với từng trường hợp cụ thể.




Đề tài: Điều khiển tọa độ sử dụng mạng PROFIBUS

- 4 -

1.1 Giới thiệu chung về mạng Profibus.
Là hệ thống bus trường được phát triển tại Đức năm 1987. Hệ thống bus này
được ứng dụng để kết nối các thiết bị trường với các thiết bị điều khiển giám sát.
Đây là hệ thống bus nhiều chủ cho các thiết bị vào/ra phân tán, các thiết bị đo thông
minh, thiết bị điều khiển… nối vào cùng một đường bus.
Các trạm chủ thường là các PC, PLC được quyền kiểm soát truyền thông trên
bus. Các trạm tớ thường là các module vào/ra phân tán, các thiết bị đo thông
minh…không được phép truy nhập bus, mà chỉ xác nhận hoặc trả lời các yêu cầu từ
trạm chủ.
Profibus gồm 3 loại tương thích với nhau: Profibus – FMS, Profibus – DP,
Profibus – PA. Profibus – FMS được dùng chủ yếu trong việc nối mạng các máy
tính điều khiển và điều khiển cấp giám sát. Profibus – DP được dùng để kết nối các

thiết bị trường với các máy tính điều khiển còn Profibus – PA được sử dụng trong
các lĩnh vực tự động hoá các quá trình có môi trường dễ cháy nổ.

Hình 1.1: Cấu trúc điển hình về hệ thống mạng Profibus.
[1]
 Cấu trúc bức điện.
Có 3 loại khung có khoảng cách Hamminh 4 và một loại khung đặc biệt đánh
dấu Token được quy định như sau:




Đề tài: Điều khiển tọa độ sử dụng mạng PROFIBUS

- 5 -

Khung có chiều dài thông tin cố định, không mang dữ liệu.
SD1
DA
SA
FC
FSC
ED

Khung có chiều dài thông tin cố định, mang 8byte dữ liệu.
SD3
DA
SA
FC
DU

FSC
ED

Khung có chiều dài thông tin khác nhau, mang 1 – 246 byte dữ liệu.
SD2
LE
LEr
SD2
DA
SA
FC
DU
FCS
ED

Token.
SD4
DA
SA
DA, SA, FC và DU được coi là phần mang thông tin, mỗi ô có chiều dài 8bit
(trừ DU). Ý nghĩa của các trường trong khung:
 SD1 SD4 (Start Delimiter): Byte khởi đầu để phân biệt các loại
khung:SD1=10H, SD2=68H, SD3=A2H; SD4=DCH
 LE( Length): Chiều dμi dữ liệu (4- 249 byte).
 LER( Length Repeated): Chiều dμi truyền lại.
 DA (Destination Address): Địa chỉ trạm nhận, từ 0 – 127.
 SA (Source Address): Địa chỉ trạm gửi, từ 0 – 127.
 DU (Data Unit): Đơn vị dữ liệu.
 FC (Frame Control): Kiểm tra khung.
 FCS (Frame Check Sequence): Kiểm soát lỗi.

 ED (End Delimiter Byte): Kết thúc, ED=16H.




Đề tài: Điều khiển tọa độ sử dụng mạng PROFIBUS

- 6 -

1.2 Profibus –FMS.
Đây là Bus hệ thống dùng để kết nối các thiết bị ở cấp điều khiển giám sát với
nhau và với các thiết bị ở cấp điều khiển, do đặc điểm của giao tiếp giữa các cấp
này mà dữ liệu được trao đổi chủ yếu với tính chất không định kỳ.

Hình 1.2: Cấu hình FMS tiêu biểu
[1]
 Các lớp mạng.
Bao gồm 2 lớp con là FMS và LLI.
Lớp LLI (Lower Layer Interface) có vai trò thích ứng, chuyển các dịch vụ giữa
lớp FMS và lớp FDL. Giao diện giữa lớp FMS với các quá trình ứng dụng được
thực hiện bởi lớp ALI (Application Layer Interface).
Lớp FMS (Fieldbus Message Specification) thực chất là một tập con của MMS
(Munufacturing Message Specification), đây là một chuẩn giao thức và dịch vụ
thuộc lớp 7 của mô hình OSI có giao tiếp hướng thông báo (Message-oriented
communication) được áp dụng rộng rãi trong công nghiệp.
 Phương pháp truy nhập đường truyền.
Ngoài hình thức gửi đồng loạt và gửi tới nhiều đích, việc trao đổi thông tin trong
Profibus-FMS luôn được thực hiện giữa hai đối tác truyền thông dưới hình thức có
nối theo cơ chế Client/Server. Một Client được hiểu là một chương trình ứng dụng
gửi yêu cầu để truy nhập đối tượng. Còn Server chính là một chương trình cung cấp

các dịch vụ truyền thông thông qua các đối tượng. Về nguyên tắc chương trình ứng
dụng có thể đóng vai trò của cả Client vàServer
[1]
.


Đề tài: Điều khiển tọa độ sử dụng mạng PROFIBUS

- 7 -

 Giao tiếp hướng đối tượng.
Profibus - FMS cho phép thực hiện giao tiếp hớng đối tượng theo cơ chế
Client/Server. Ý nghĩa của giao tiếp hướng đối tượng là quan điểm thống nhất trong
giao tiếp dữ liệu, không phụ thuộc vào các đặc điểm của nhà sản xuất thiết bị hay
các lĩnh vực ứng dụng cụ thể. Các phần tử có thể truy cập được từ một trạm trong
mạng, đai diện cho các đối tượng thực hay các biến quá trình đợc gọi là đối tượng.
Việc truy nhập vào đối tượng có thể thực hiện theo nhiều cách khác nhau,
một phương pháp hiệu quả là truy cập đối tượng thông qua tên hình thức (nhãn) hay
còn gọi là các Tag. Mỗi đối tượng có một tên hình thức phân biệt thống nhất.
Phương pháp này thể hiện tính trực quan, dễ theo dõi trong quá trình thực hiện dự
án.
1.3 Profibus –DP.
Được phát triển nhằm đáp ứng các yêu cầu về trao đổi dữ liệu giữa các thiết
bị cấp trường với các thiết bị cấp điều khiển.
Việc trao đổi dữ liệu chủ yếu thực hiện theo cơ chế Master/ Slave, ngoài ra
Profibus – DP còn hỗ trợ các dịch vụ truyền thông không tuần hoàn, phục vụ tham
số hoá, vận hành và chuẩn đoán các thiết bị trường thông minh.
Các hàm DP cơ sở (trong User Interface Layer) chủ yếu phục vụ trao đổi dữ
liệu tuần hoàn, thời gian thực thì các hàm DP mở rộng lại cung cấp các dịch vụ
truyền số liệu không tuần hoàn như tham số thiết bị, thông tin chuẩn đoán

Hình 1.3: Cấu hình DP tiêu biểu
[1]
.


Đề tài: Điều khiển tọa độ sử dụng mạng PROFIBUS

- 8 -

 Các lớp mạng.
Lớp DP Master 1: Lớp mạng này bao gồm ccs phần tử điều khiển trung tâm trao
đổi thông tin với các trạm phân tán theo phương pháp hỏi vòng. 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 cả 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 nhiều hoặc 1 DP Slave.

 Hiệu chỉnh hoạt động DP Master lớp 1.
Với DP Slave, các DP Master lớp 2 có các chức năng sau:
 Đọc thông tin cấu hình các DP Slave.
 Đọc các thông tin vào ra.
 Đặt địa chỉ các DP Slave.
Lớp DP Slave: Các trạm DP Slave có thể là các bộ điều khiển, phần tử đọc mã,
các cơ cấu chấp hành cảm biến gọi là các trạm ngoại vi. Các trạm này trao đổi dữ
liệu với các trạm chủ với độ dài dữ liệu lớn nhất 246 bytes, điển hình thường sử
dụng các thiết bị có độ dài dữ liệu sử dụng max 32 bytes.


Đề tài: Điều khiển tọa độ sử dụng mạng PROFIBUS

- 9 -

 Phương pháp truy nhập.
Là hệ thống mạng Master/Slave. Tuy nhiên ta cũng có thể xây dựng mạng
Profibus có nhiều trạm chủ bằng phương thức truy nhập thẻ bài(Token - passing),
khi đó một thẻ bài sẽ được đưa lên mạng và chỉ những phần tử nào trong mạng có
thẻ bài mới được phép điều khiển mạng, mỗi trạm được giữ thẻ bài trong một
khoảng thời gian nhất định, hết khoảng thời gian này thẻ bài sẽ được chuyển qua
trạm khác và quá trình chuyển này được thực hiện theo vòng tròn
[1]
.
Đặc điểm: chỉ những trạm chủ mới có quyền nhận thẻ bài và điều khiển mạng.
Khi có thẻ bài trạm chủ đó sẽ thực hiện việc truyền dữ liệu với các trạm chủ khác và
các trạm tớ.
 Thiết lập mạng.
Có thể thiết lập số trạm tối đa trong mạng là 126, DP cho phép sử dụng cấu hình
1 trạm chủ (Mono Master) hoặc nhiều chủ (Multi Master). Trong cấu hình nhiều

chủ, các trạm chủ có thể cùng được dữ liệu từ các trạm tớ, nhưng chỉ có 1 trạm chủ
duy nhất được đưa yêu cầu tới các trạm tớ.
Chuẩn DP quy định các quy tắc hoạt động nhằm đảm bảo tính tương thích và
khả năng thay thế lẫn nhau của thiết bị. Chúng được xác định thông qua trạng thái
hoạt động của các thiết bị chủ.
CLEAR: Trạm chủ lấy thông tin từ các trạm tớ và giữ các đầu ra ở vị trí
an toàn.
OPERATE: Trạm chủ ở chế độ trao đổi dữ liệu đầu vào và đầu ra tuần hoàn với
các trạm tớ. Đồng thời trạm chủ cũng thường xuyên gửi thông tin trạng thái của nó
tới các trạm tớ sử dụng lệnh gửi đồng loạt với các khoảng thời gian đặt trước.
STOP: Không truyền số liệu sử dụng giữa trạm chủ và trạm tớ, chỉ để chuẩn
đoán.
Sử dụng chuẩn truyền RS – 485. Có thể truyền tín hiệu sử dụng cable quang
hoặc cable xoắn 2 dây(0.22mm
2
) có vỏ bọc chống nhiễu. Sử dụng các trở kết thúc ở
hai đầu cable.
Có thể thiết lập và mở rộng mạng với các phần tử ngoại vi ngay cả khi mạng
đang hoạt động.

Đề tài: Điều khiển tọa độ sử dụng mạng PROFIBUS

- 10 -

1.4 Profibus – DP.
Đây là loại Bus trường thích hợp cho các hệ thống điều khiển dùng trong các
ngành công nghiệp dễ cháy nổ. Thực chất nó là hệ thống Bus mở rộng của Profibus-
DP với kỹ thuật truyền dẫn tín hiệu cùng nguồn nuôi (IEC 1158-2) đồng thời cũng
đưa thêm ra một số quy định đặc biệt về thông số và đặc tính cho thiết bị trường.

Hình 1.4: Cấu trúc PA tiêu biểu
[1].
 Các yêu cầu cho môt Profibus – PA an toàn:
 Một đoạn mạng chỉ được phép có một nguồn nuôi tích cực.
 Mỗi trạm tiêu thụ một dòng cơ sở cố định (≥10mA) ở trạng thái xác lập.
 Mỗi trạm được coi như một tải tiêu thụ dòng thụ động.
 Mỗi trạm khi phát tín hiệu đi không được nạp thêm nguồn vào đường
Bus.
Kết luận:
Để phù hợp với thực tế cũng như yêu cầu của đề tài qua phân tích đặc điểm
và tính chất của các mạng đã đề cập ở trên chúng em đã chọn mạng Profibus DP
cho hệ truyền động.


Đề tài: Điều khiển tọa độ sử dụng mạng PROFIBUS

- 11 -

CHƯƠNG 2
GIỚI THIỆU VỀ PLC S7 – 300
2.1 Cấu trúc phần cứng PLC S7-300.
Để tăng tính linh hoạt trong ứng dụng thực tế nên các PLC được thiết kế
không bị cứng hóa về cấu hình. Chúng được chia nhỏ thành các module. Số các
module được sử dụng nhiều hay ít tùy thuộc vào từng trường hợp cụ thể. Tuy nhiên,
luôn luôn phải có một module chính, đó chính là module CPU. Các module còn lại
được gọi là module mở rộng (được gá trên những thanh Rack).


Thanh RackCác module mở rộng
Module CPU

Hình 2.1: Cấu trúc PLC S7 -300
[2]
.
 Module CPU
Module CPU là loại module có chứa bộ vi xử lý, hệ điều hành, bộ nhớ, các bộ
định thời, bộ đếm, cổng truyền thông và một vài cổng khác. Ngoài ra, còn có thể có
một số cổng vào/ra số trên module CPU gọi là cổng vào/ra onboard
[2]
.
Trong họ PLC S7-300 có nhiều loại module CPU khác nhau. Chúng được lấy
tên theo bộ vi xử lý có trong nó như module CPU 312, module CPU 314, module
CPU 315. . .Đối với các PLC S7-300 có các cổng vào/ra onboard được tích hợp sẵn
thì có thêm cụm chữ cái IFM (Intergrated Function Module) như CPU 312 IFM,
CPU 314 IFM . . .
Đề tài: Điều khiển tọa độ sử dụng mạng PROFIBUS

- 12 -

Ngoài ra còn có các loại module CPU với 2 cổng truyền thông. Các loại CPU
này phân biệt với những module CPU khác bằng cách thêm cụm từ DP(distributed
peripheral) trong phần gọi tên. Ví dụ như : module CPU 315-DP, module CPU 318-
DP
 Module mở rộng :
Gồm có 5 loại module mở rộng chính:
 Module nguồn điện (PS - Power supply):là nguồn điện cung cấp cho PLC .
Module này chính là bộ chuyển đổi từ điện áp 120V-230V tần số công nghiệp
thành điện áp 24 DC. Có 3 loại được phân loại theo cường độ dòng điện là 2A,
5A và 10 A.
 Module mở rộng cổng vào/ra (SM – Signal module): gồm có 6 loại module
Module mở rộng cổng vào số (DI – Digital input). Số các cổng vào tín hiệu dạng số

mở rộng có thể là 8, 16 hay 32 tùy thuộc vào từng loại module.
 Module mở rộng cổng ra số (DO – Digital output). Số các cổng ra tín hiẽu
dạng sốá mở rộng có thể là 8, 16 hay 32 tùy thuộc vào từng loại module.
 Module mở rộng cổng vào/ra số (DI/DO). Số các cổng vào/ra tín hiệu dạng
số mở rộng có thể là 8 vào/8 ra, hay 16 vào/16 ra tùy thuộc vào từng loại module.
 Module mở rộng cổng vào tương tự (AI – Analog input). Đây chính là bộ
chuyển đổi tương tự – số 12 bit. Số các cổng vào tương tự có thể là 2, 4 hay 8.
 Module mở rộng cổng ra tương tự (AO – Analog output). Đây cũng chính là
bộ chuyển đổi số - tương tự 12 bit. Số các cổng ra tương tự có thể là 2, 4.
 Module mở rộng cổng vào/ra tương tự (AI/AO). Số các cổng vào, ra tương tự
có thể là 2 vào/ 2 ra hay 4 vào/4 ra.
 Module ghép nối (IM – Interface module) : đây là module có nhiệm vụ nối
kết từng nhóm các module mở rộng lại với nhau thành một khối và được quản lý
chung bởi module CPU. Các module mở rộng được gá lên rack. Trên mỗi rack chỉ
cho phép gá tối đa 8 module mở rộng (không kể module CPU và module nguồn
điện).
 Module chức năng (FM – Function module): là các module có chức năng
điều khiển riêng như module điều khiển động cơ bước, module PID,
Đề tài: Điều khiển tọa độ sử dụng mạng PROFIBUS

- 13 -

 Module xử lý truyền thông (CP – Communication Processor): phục vụ cho
việc truyền thông trong mạng giữa các PLC với nhau hay giữa PLC với máy tính
PC.
Chú ý rằng phải lắp đặt module CPU và module nguồn điện ở bên tay trái
như hình dưới đây:
Nguồn

CPU

IM SM SM SM SM SM CP FM FM


Hình 2.2: Cấu hình một thanh rack của trạm PLC S7 – 300
[2]
.
Một module CPU S7-300 có thể làm việc trực tiếp với nhiều nhất là 4 rack
và các rack này phải được nối với nhau bằng module IM. Sau đây là hình nối kết 4
rack.

Hình 2.3: Cấu trúc kết nối 4 thanh rack lại với nhau
[2].


Đề tài: Điều khiển tọa độ sử dụng mạng PROFIBUS

- 14 -

2.2 Các thông báo lỗi bằng đèn LED.
2.2.1 Thông báo lỗi của CPU bằng đèn LED hiển thị.
Các thông báo lỗi của CPU bằng đèn LED.
LED
Các miêu tả về lỗi
SF
Sự cố phần cứng

Các lỗi trong chương trình

Lỗi về các thông số

Các lỗi về tính toán

Lỗi về thời gian

Sự số về card bộ nhớ

Sự cố về pin hay không có nguồn điện dự phòng

Lỗi truyền thông
BATF
Thiếu pin dự trữ hay pin không được nạp điện
STOP
CPU không sử lý chương trình( khi đèn LED

nhấp nháy: CPU cần reset bộ nhớ)

2.2.2 Thông báo lỗi của CPU 31x-2 khi là DP Master bằng đèn BUSF.
BUSF
Miêu tả các lỗi
LED off
 Cấu hình đã được cài đặt đúng

 Tất cả các Slave đã có địa chỉ
LED on
 Lỗi Bus

 Lỗi về tương thích trong mạng DP

 Tốc độ truyền trong các thiết bị DP master
LED

 Bị sự cố ở trạm
nhấp
 Có ít nhất một hay một vài thiết bị Slave
nháy
không được khai báo địa chỉ


Đề tài: Điều khiển tọa độ sử dụng mạng PROFIBUS

- 15 -

2.2.3 Thông báo lỗi của CPU 31x-2 khi là DP Slave bằng đèn BUSF.

Chi tiết tham khảo tài liệu [1]

Kết luận:
Để thực hiện được nhiệm vụ, truyền thông giữa PLC với biến tần ta cần phải
lựa chọn CPU sao cho phù hợp.
CPU được lựa chọn cần phải có cổng truyền thông Profibus, ngoài ra cần
phải có một vài chức năng tích hợp bên trong như module như: Số lượng các đầu
vào ra số, bộ đếm xung cao tần Do đó để thực hiện được nhiệm vụ của đồ án cần
phải cần tối thiểu CPU 313C-2DP.




BUSF
Miêu tả các lỗi
LED off
Cấu hình đã được cài đặt đúng

LED
CPU 31x-2 bị sai về các thông số.
nhấp
Không có trao đổi dữ liệu giữa DP Master
nháy
và DP Slave.

Lý do:

 Lỗi quá về thời gian

 Các Bus truyền thông PROFIBUS bị đứt

 Địa chỉ của PROFIBUS bị sai
LED on
Ngắn mạch trên BUS
Đề tài: Điều khiển tọa độ sử dụng mạng PROFIBUS

- 16 -

CHƯƠNG 3
ỨNG DỤNG MẠNG PROFIBUS VÀO MÔ HÌNH
ĐIỀU KHIỂN TỌA ĐỘ
3.1 Mô tả hệ thống và yêu cầu công nghệ:
 Mô tả hệ thống:
 Hệ thống điều khiển.
 PLC S7-300 với module CPU 313 C2-DP.
 Biến tần Micromaster 440(của Siemens).
 Động cơ không đồng bộ ba pha công suất 0.37kW.
PLC và Biến tần được truyền thông qua mạng PROFIBUS-DP để điều khiển

động cơ không đồng bộ ba pha. Trong đó PLC đóng vai trò là master còn Biến tần
đóng vai trò là slave.
Cách thức giao tiếp: Chương trình được lập trình trên PC sau đó được load
xuống PLC thông qua PC Adapter(MPI). Sau khi PLC được load chương trình sẽ
gửi lệnh xuống Biến tần, sau đó Biến tần sẽ xử lý thông tin để thực hiện yêu cầu
công nghệ đã lập trình đồng thời gửi các thông số hoạt động về PLC.
Động cơ là đối tượng điều khiển đóng vai trò là cơ cấu chấp hành nhận lệnh điều
khiển từ Biến tần.
 Hệ truyền động.
 Hệ vít me bi với tải dịch chuyển là bàn dao của máy CNC.
 Hộp giảm tốc với hệ số 27:1.
 Hệ thống phanh.
 Encoder: E40-S-6 – 2000 – 3 – N – 24
 Cảm biến từ tiệm cận.
Khi động cơ quay với một tần số xác định qua hộp số sẽ làm giảm số vòng
quay 27 lần và đây là tốc độ để quay vít me bi. Khi vít me quay sẽ làm bàn gá dao
tịnh tiến, tùy theo chiều quay của động cơ mà bàn dao sẽ được tịnh tiến sang trái
hoặc sang phải.
Đề tài: Điều khiển tọa độ sử dụng mạng PROFIBUS

- 17 -

Ba cảm biến từ tiệm cận để cảm nhận vị trí giữa hành trình, đầu hành trình và
cuối hành trình. Gốc tọa độ được lấy ở giữa, từ đó bàn dao có thể dịch chuyển sang
trái hoặc sang phải.
Encoder được gắn ở trục tốc độ cao của động cơ nhằm giám sát, số vòng
quay của động cơ. Khi ta muốn dịch chuyển bàn dao một khoảng cách bất kỳ, dựa
vào hệ số giảm tốc của hộp số và bước vít của vít me bi ta sẽ biết được động cơ cần
phải quay bao nhiêu vòng, từ đó encoder sẽ giám sát số vòng quay đó và đưa tín
hiệu về PLC để dừng động cơ.

Hệ thống phanh đĩa sẽ hỗ trợ để dừng động cơ. Động cơ được điều khiển
dừng thông qua Biến tần. Biến tần có thể dừng chính xác động cơ thông qua việc
cài đặt thời gian giảm tốc qua tham số P1120. Nếu ta đặt thời giam giảm tốc là 0s
thì khi Biến tần nhận lệnh dừng động cơ sẽ dừng ngay lập tức đảm bảo độ chính
xác. Phanh chỉ đóng vai trò hoạt động trong trường hợp khẩn cấp như cuối hành
trình hay đầu hành trình của vít me hệ thống cảm biến bị lỗi hay ngắt truyển thông
thì ta cần dùng phanh để đảm bảo an toàn cho thiết bị.
Để kết nối PC với PLC được thông qua cáp MPI. PLC và Biến tần được kết
nối qua cáp Profibus.

Đề tài: Điều khiển tọa độ sử dụng mạng PROFIBUS

- 18 -

CPU 313 C-2DP
6ES7 313 – 6CF03-0AB0
Cảm biến từ tiệm cận
Biến tần
Vít me
Bàn gá
Nguồn điện
Thiết bị an
toàn
Trạm nguồn
Encoder
Cáp Profibus
Cáp MPI
Hộp giảm tốc

Hình 3.1: Mô hình hệ thống điều khiển vị trí

Đề tài: Điều khiển tọa độ sử dụng mạng PROFIBUS

- 19 -

 Các yêu cầu của hệ thống.
Hành trình của vít me được giới hạn bởi các cảm biến là cảm biến đầu, cảm
biến giữa và cảm biến cuối. Nhiệm vụ của cảm biến đầu và cảm biến giữa là dừng
động cơ để đảm bảo tính an toàn của vítme. Cảm biến giữa như là gốc để bàn gá bắt
đầu hành trình.
Yêu cầu công nghệ:
- Lần đầu khởi động bàn gá ở gốc tọa độ sau đó theo yêu cầu điều khiển
mà bàn gá sẽ được dịch chuyển sang trái hay sang phải bao nhiêu mm.
- Encoder có nhiệm vụ giám sát số vòng quay của động cơ ba pha . Thông
qua số xung đếm được trên một vòng quay ta có thể tính được số vòng
quay của động cơ ba pha từ đó tính được quãng đường di chuyển của vít
me.
- Với một bài toán xác định vị trí thì yêu cầu về độ chính xác luôn được đặt
lên hàng đầu. Do phần tử truyền động là động cơ không đồng bộ ba pha
với thuộc tính điều khiển phức tạp vì vậy việc dừng chính xác động cơ là
rất quan trọng.
- Yêu cầu về đồng trục và độ chính xác của các phần tử cơ khí. Encoder kết
nối với động cơ là loại Encoder trục do đó ta cần có trục mềm để kết nối
Encoder với động cơ ba pha. Trục này cho phép đồng trục hai phần tử với
nhau để giảm sai số. Động cơ được giảm tốc thông qua hộp số lắp ngoài
do đó hai phần tử này cũng được kết nối đồng trục thông qua khớp nối
POWER GRIP. Hộp số kết nối với vítme cũng được đồng trục bằng khớp
đồng trục của vítme. Với hệ thống điều khiển vị trí tất cả các yếu tố như:
độ rung, độ rơ, việc ghép nối các bộ phận không chính xác đều ảnh
hưởng tới hệ thống và dẫn tới sai số. Vì vậy tất cả đều phải được đòi hỏi
chính xác trong tất cả các khâu.

3.2 Lựa chọn phương án điều khiển.
Với các yêu cầu truyền động của hệ thống các giải pháp có thể đáp ứng được:
- Sử dụng truyền thông mạng PLC S7-200 thông qua giao thức USS. Các đặc
điểm của giải pháp là:
+ Ưu điểm:
Đề tài: Điều khiển tọa độ sử dụng mạng PROFIBUS

- 20 -

Việc kết nối truyền thông là đơn giản, dễ thực hiện, phù hợp trong những yêu
cầu truyền thông ở các nhà máy nhỏ và vừa.
Các thiết bị sử dụng có giá thành thấp hơn so với sử dụng hệ thống mạng
PLC S7-300. Do đó có lợi thế hơn về kinh tế.
+ Nhược điểm:
Bị hạn chế về việc mở rộng kết nối với các thiết bị khác.
- Sử dụng hệ thống PLC S7-300 thông qua việc kết nối các modul tương tự và
modul số.
+ Ưu điểm:
Việc kết nối các modul số và tương tự được thực hiện đơn giản.
Giá thành thấp.
Vận hành đơn giản, không yêu cầu cao về mặt kỹ thuật của người vận hành.
Nên dễ bảo trì và sửa chữa.
+ Nhược điểm:
Phương pháp điều khiển không tối ưu, việc điều chỉnh gây ra sai số lớn.
Hạn chế về mặt mở rộng các thiết bị kết nối so với việc sử dụng các phương
pháp truyền thông mạng.
- Sử dụng hệ thống PLC S7-300 thông qua việc việc truyền thông mạng.
+ Ưu điểm:
Phương pháp điều khiển tối ưu.
Đáp ứng được các yêu cầu về truyền thông phức tạp. Khoảng cách truyền xa

nên rất phù hợp trong các nhà máy lớn và yêu cầu cao về kỹ thuât.
Khả năng mở rộng về mặt cấu hình lớn, ví dụ: với một Master có thể kết nối
được với 31 Slave(PLC, biến tần ), khi sử dụng các bộ Repeater thì số lượng tối đa
lên tới 127 trạm.
+ Nhược điểm:
Các thiết bị PLC sử dụng trong hệ thống có giá thành cao nên bị hạn chế về
mặt kinh tế. Chỉ phù hợp trong các nhà máy lớn.
Yêu cầu điều khiển phức tạp nên đòi hỏi người vận hành phải có trình độ
nhất định.
Đề tài: Điều khiển tọa độ sử dụng mạng PROFIBUS

- 21 -

Giải pháp lựa chọn mạng truyền thông để thực hiện yêu cầu hệ thống: Với
đề tài là “ ĐIỀU KHIỂN TỌA ĐỘ SỬ DỤNG MẠNG PROFIBUS”
Mạng truyền thông công nghiệp Profibus được ứng dụng khá rộng rãi ngoài
thực tiễn. Đây là hệ thống bus nhiều chủ cho các thiết bị vào/ra phân tán, các thiết
bị đo thông minh, thiết bị điều khiển… nối vào cùng một đường bus, nên có thể
truyền thông giữa nhiều thiết bị với nhau như: PLC với PLC hay PLC với biến tần,
đây là những đối tượng thiết bịcông nghiệp phổ biến, do đó đảm bảo tính thực tiễn
của giải pháp.
Mặt khác do tính chất của đồ án tốt nghiệp cũng như việc tham khảo các đề
tài tốt nghiệp của các khóa trước nên nhóm muốn tìm hiểu về một mảng mới trong
lĩnh vực truyền thông mạng.
Với những phân tích trên và qua nghiên cứu tìm hiểu về mạng Profibus thấy
rằng các đặc điểm kỹ thuật của mạng có thể đáp ứng được các yếu cầu kỹ thuật của
hệ thống.
3.3 Các phần tử trong hệ thống.
3.3.1 CPU 313 C2-DP.
CPU 313 C2-DP là CPU có tích hợp truyền thông mạng PROFIBUS-DP và khả

năng đếm xung tốc độ cao với ba kênh đếm tần số 30kHz đáp ứng khả năng đếm
xung từ encoder để giám sát số vòng quay của động cơ và phản hồi về PLC.
Tích hợp một module vào ra số DI16/DO16.
Đề tài: Điều khiển tọa độ sử dụng mạng PROFIBUS

- 22 -


Hình 3.2: Module CPU 313 C2 – DP.
Chế độ vận hành và theo dõi:







1: Khe cắm thẻ nhớ.
2: Cổng truyền thông PROFIBUS-DP.
3: Nguồn nuôi.
4: Cổng truyền thông MPI.
5: Các chế độ vận hành.
6: Hiển thị các trạng thái vận hành và lỗi

Hình 3.3: Cấu tạo của CPU 313 C2 – DP
[7]
.

Đề tài: Điều khiển tọa độ sử dụng mạng PROFIBUS

- 23 -

Hiển thị trạng thái và lỗi:
Led
Màu
Ý nghĩa
SF
Đỏ
Lỗi phần cứng hoặc phần mềm.
BF(chỉ dùng cho
giao diện DP).
Đỏ
Bus truyền bị lỗi.
5 V DC
Xanh
Nguồn cung cấp cho CPU và PLC là bình
thường.
FRCE
Vàng
Các công việc đang được thực hiện.
RUN
Xanh
CPU đang ở chế độ RUN.
Đèn LED nhấp nháy khi bắt đầu RUN tại
trong khoảng 2Hz, và ở chế độ dừng tại
0,5Hz.
STOP

Vàng
CPU đang ở chế độ dừng.
Đèn LED nhấp nháy tại khoảng 0.5Hz khi
đang yêu cầu reset thẻ nhớ, và trong suốt
quá trình reset tại 2Hz.

3.3.2Biến tần Micromaster 440(MM440).
3.3.2.1 Giới thiệu chung về MM440.
MicroMaster 440 chính là một họ biến tần mạnh mẽ nhất trong dòng các biến
tần tiêu chuẩn của Siemen.
MM 440 là bộ biến đổi tần số dùng điều khiển tốc độ động cơ 3 pha xoay chiều.
Có nhiều loại khác nhau từ 120W nguồn vào 1 pha đến 200kW nguồn vào 3 pha.
Các biến tần dùng vi xử lý để điều khiển và dùng công nghệ transistor lưỡng cực
cửa cách ly. Điều này làm cho chúng đáng tin cậy và linh hoạt. Một phương pháp
điều chế độ rộng xung đặc biệt với tần số xung được chọn cho phép động cơ làm
việc êm. Biến tần có nhiều chức năng bảo vệ và bảo vệ động cơ.
Khả năng điều khiển Vector cho tốc độ và Mômen hay khả năng điều khiển
vòng kín bằng bộ PID có sẵn đem lại độ chính xác tuyệt vời cho các hệ thống truyền
động quan trọng như các hệ nâng chuyển, các hệ thống định vị. Không chỉ có vậy,
Đề tài: Điều khiển tọa độ sử dụng mạng PROFIBUS

- 24 -

một loạt khối logic có sẵn lập trình tự do cung cấp cho người dùng sự linh hoạt tối
đa trong việc điều khiển hàng loạt các thao tác một cách tự động.
Biến tần MICROMASTER 440 với các thông số đặt mặc định của nhà sản xuất,
có thể phù hợp với một số ứng dụng điều khiển động cơ đơn giản. Biến tần
MICROMASTER 440 cũng được dùng cho nhiều các ứng dụng điều khiển động cơ
cấp cao nhờ danh sách các thông số hỗn hợp của nó.
Biến tần MICROMASTER 440 có thể dùng trong hai ứng dụng “kết hợp và

riêng lẻ” khi tích hợp trong “hệ thống tự động hoá”.

Hình 3.4: Micromaster 440 của Siemen
[5]
.
3.3.2.2 Nguyên lý làm việc của biến tần MM440.
Nguyên lý cơ bản làm việc của bộ biến tần. Đầu tiên, nguồn điện xoay chiều
1pha hay 3 pha được chỉnh lưu và lọc thành nguồn 1 chiều bằng phẳng. Công đoạn
này được thực hiện bởi bộ chỉnh lưu cầu diode và tụ điện. Nhờ vậy, hệ số công suất
cosphi của hệ biến tần đều có giá trị không phụ thuộc vào tải và có giá trị ít nhất
0.96. Điện áp một chiều này được biến đổi (nghịch lưu) thành điện áp xoay chiều 3
pha đối xứng. Công đoạn này hiện nay được thực hiện thông qua hệ IGBT
(transistor lưỡng cực có cổng cách ly) bằng phương pháp điều chế độ rộng xung
(PWM). Nhờ tiến bộ của công nghệ vi xử lý và công nghệ bán dẫn lực hiện nay, tần
số chuyển mạch xung có thể lên tới dải tần số siêu âm nhằm giảm tiếng ồn cho động
cơ và giảm tổn thất trên lõi sắt động cơ.


Đề tài: Điều khiển tọa độ sử dụng mạng PROFIBUS

- 25 -

3.3.2.3 Các tính chất và đặc điểm.
 Các đặc diểm chính.
- Dễ dàng lắp đặt, đặt thông số và vận hành.
- Thời gian tác động lặp đến các tín hiệu điều khiển nhanh.
- Các thông số hỗn hợp cho phép thực hiện được nhiều ứng dụng.
- Đấu nối cáp đơn giản.
- Có các đầu ra rơ le.
- Có các đầu ra tương tự (0 ư 20mA)

- 6 cổng vào số cách ly NPN/PNP
- 2 cổng vào tương tự
- AIN1: 0-10V, 0-20mA và -10 - +10V
- AIN2: 0-10V, 0-20mA
- 2 đầu vào tương tự có thể dùng như cổng vào số 7 và 8
- Thiết kế các môdul với cấu hình cực kỳ linh hoạt.
- Tần số chuyển mạch cao làm giảm độ ồn của động cơ khi làm việc.
- Những chọn lựa ngoài cho truyền thông với PC, panel vận hành cơ bản
(BOP), panel điều khiển cấp cao (AOP) và module kết nối mạng
Profibus.
 Các đặc tính làm việc.
Điều khiển dòng từ thông (FCC) để cải thiện tác động và điều khiển động
cơ động.
Giới hạn dòng điện nhanh (FCL) để làm việc với phần cơ khí dừng tự do.
Kết hợp hãm dùng dòng điện DC.
Hãm kết hợp để cải thiện việc hãm động cơ.
Với chương trình điều khiển thời gian khởi động / dừng động cơ mềm.
Sử dụng chức năng điều khiển vòng kín PI
 Các đặc tính bảo vệ.
Bảo vệ cho cả biến tần và động cơ.
Bảo vệ quá áp và thấp áp.
Bảo vệ quá nhiệt biến tần.