thiết kế hệ thống giám sát bằng phần mềm wicc

1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN
1. GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI
Đề tài của nhóm thực hiện là về một nhà kho tự động. Nhà kho
sẽ gồm các thiết bị phần cứng phù hợp để giúp cho việc nhập hàng
từ bên ngoài vào và xuất hàng từ bên trong ra. Trong đồ án chúng em
sẽ thực hiện phân biệt độ cao của sản phẩm để đánh dấu mã hàng
của sản phẩm. Hệ thống phần cứng sẽ bao gồm các cảm biến, cơ
cấu chấp hành khí nén.
Ngoài ra nhóm cũng trang bị thêm một hệ thống HMI hoàn
chỉnh để phục vụ việc quản lý kho hàng một cách tốt nhất. Các vấn
đề xuất nhập sẽ được quản lý hoàn toàn bằng HMI và dữ liệu thu
thập từ nhà kho sẽ được ghi nhận, sau đó lưu trữ vào các máy tính
trạm để phục vụ cho việc theo dõi, quản lý trong thời gian sau. Các
giá trị cảm biến, các sự kiện của kho hàng và tổng hợp về hoạt động
của kho hàng có thể được xem trực tiếp từ HMI.
2. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Nhóm chọn đề tài về việc quản lý kho bởi vì hoạt động của một kho
hàng là một trong các hoạt động thiết yếu của một hệ thống sản xuất.
Việc sản xuất ra các sản phẩm phải được đảm bảo về vấn đề bảo
quản và bảo vệ để tránh dẫn đến việc sai sót của sản phẩm hoặc mất
mát sản phẩm.Ngày nay,việc sử dụng các hệ thống SCADA trở nên
rất phổ biến và cần thiết trong tất cả các hệ thống tự động.Việc giám
sát và thu thập dữ liệu giúp người quản lý thực hiện công việc dễ
dàng hơn và hệ thông được kiểm soát tốt hơn qua đó tránh khỏi một
số sự cố khi hoạt động và ngăn chặn kịp thời các sự cố bất ngờ.
Và nhóm thấy được sự thiết yếu cần phải đảm bảo được sự hoạt
động ổn định cho một kho hàng để đảm bảo sự trơn chu của cả một
dây chuyền sản xuất. Nếu một kho hàng hoạt động tốt thì việc sản

xuất sẽ được đảm bảo hơn.
3. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU
Đối tượng nghiên cứu mà nhóm muốn hướng tới là:
• Hoạt động thực tế của một kho hàng.
• Cách sử dụng các cơ cấu chấp hành khí nén.
2

• Cách sử dụng và xử lý tín hiệu từ các cảm biến được sử dụng trong hệ thống.
• Hệ thống SCADA của một nhà kho.
• Điểu khiển động cơ bước.
• Cách cài đặt và sử dụng các phần mềm chuyên dụng cho các HMI và hệ thống
SCADA và các ứng dụng Alarm, để phục vụ việc quản lý và điều hành trong
thực tế.
4. GIỚI HẠN ĐỀ TÀI
Đối với phần cứng thì đề tài không thể đáp ứng được sự hoạt động
chính xác hoàn toàn như với thực tế do kinh nghiệm của nhóm còn ít
và chưa được tiếp xúc nhiều với việc nhập xuất hàng của các nhà
kho. Nên mô hình sẽ có hạn chế về số lượng sản phẩm có thể chứa
được.
Đối với hệ thống SCADA thì nhóm không thực hiện được một hệ
thông SCADA đầy đủ cho nhà kho mà chỉ thực hiện hoạt động xuất
nhập kho của hệ thống.
Phần mềm là một rào cản khá lớn trong việc thực hiện đề tài lần này
bởi vì các phần mềm công nghiệp đòi hỏi các chi phí rất cao và các
phần mềm này không phục vụ cho việc nghiên cứu của sinh viên nên
việc tiếp cận các phần mềm này là một thử thách lớn với nhóm. Nên
trong đề tài sẽ có những hạn chế về phiên bản, độ bảo mật, sự hoàn
chỉnh của HMI.
5. MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI
Mục tiêu của đề tài này mà nhóm muốn hướng đến:

• Xây dựng mô hình nhà kho tự động hoạt động tố,độ chính xác cao,có
phân loại sản phẩm.
• Thiết kế hệ thống giám sát bằng phần mền wicc.
6. DÀN BÀI NGHIÊN CỨU
• Nghiên cứu về hoạt động thực tế của kho hàng dựa vào Internet và kết
hợp với việc thực tập tại nhà máy.
• Tìm hiểu các mô hình đã thực hiện trước kế thừa và thực hiện cải tiến
mô hình.
• Nghiên cứu PLC và viết giải thuật, viết chương trình cho PLC để điều
khiển mô hình.
• Nghiên cứu các phần mềm giám sát SCADA, chọn và cài đặt phần mềm.
3

• Nghiên cứu và thực hiện xây dựng, lập trình giám sát hệ thống trên phần
mềm.
• Thực hiện kết nối mô hình và phần mềm giám sát.
• Kiểm nghiệm mô hình và phần mềm giám sát từ đó kêt luận và nhận xét.
7. Ý NGHĨA CỦA ĐỀ TÀI
Qua đề tài này đã giúp chúng em được trang bị nhiều kiến thức như sau:
• Nguyên lý và cách sử dụng cảm biến ,động cơ và hệ thống khí nén,PLC
S7-1200 và Những kiến thức về lập trình PLC bằng phần mềm TIA
PORTAL
• Thiết kế hệ SCADA bằng wincc
8. NỘI DUNG ĐỀ TÀI
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Nội dung:
• Giới thiệu về các kho hàng thực tế sử dụng và giới thiệu mục đích và hướng
đi của đồ án. Từ đó nhóm sẽ bám theo yêu cầu đó để thực hiện một cách thật
sát đảm bảo đúng với nhiệm vụ cần thực hiện.
• Giới thiệu về phần cứng, các nguyên lý cũng như các hoạt động của các cơ

cấu chấp hành, cảm biến và PLC. Trong chương cũng có giới thiệu về khí
nén cũng như các hoạt động phần cứng có liên quan. .
CHƯƠNG 3: THI CÔNG PHẦN CỨNG
Nội dung:
• Đưa ra các mục tiêu để hoàn thành phần cứng để đạt được các nhiệm vụ của
một kho hàng và hình ảnh về mô hình đã thực hiện theo các mục tiêu đã đề
ra.
• Lựa chọn thiết bị cho mô hình .
• Sơ đồ kết nối phần cứng giúp con người vận hành hiểu rõ về cấu trúc của
toàn hệ thống .

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ CHƯƠNG TRÌNH ĐIỂU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT
Nội dung:
• Yêu cầu điểu khiển của hệ thống
• Trình bày lưu đồ và giải thuật điểu khiển và chương trình giám sát hệ thống
CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC
Nội dung :
• Các kết quả thu được từ phần cứng và phần mền.
• Quá trình chạy kiểm tra hệ thống
CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
4

Nội dung:
• Tổng kết những kết quả đạt và chưa đạt được trong đề tài. Đưa ra hướng phát
triển đề tài sau này.
5

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1GIỚI THIỆU VỀ KHO HÀNG
2.1.1Mục đích quản lí kho hàng thực tế

Trong những thập niên gần đây, thế giới chứng kiến sự thay đổi
mạnh mẽ của các nền đại công nghiệp. Cùng với đó là một khối
lượng lớn các sản phẩm, hàng hóa được tạo ra mỗi ngày, phục vụ
nhu cầu con người. Nhưng các sản phẩm xuất ra không phải lúc nào
cũng được đưa đến nơi tiêu thụ, điều đó đòi hỏi một nơi cất giữ hàng
hóa tiện ích và đủ lớn. Đáp ứng xu thế đó, ngày nay có rất nhiều các
doanh nghiệp coi việc xây dựng “quản lí kho hàng” là cốt lõi chiến
lược trong sự phát triển kinh doanh của doanh nghiệp.
Sự ra đời của các kho hàng không chỉ đem lại diện mạo mới
cho các công ty, tổ chức, cá nhân sản xuất hàng hóa. Mà nó đem lại
sự tiên lợi cho các đối tác kinh doanh, trong việc xuất nhập khẩu các
sản phẩm. Mặt khác nó còn tăng năng suất laođộng, đảm bảo chất
lượng sản phẩm…
2.1.2Giới thiệu một số kho hàng
Dưới đây là một số kho hàng thực tiện được áp dụng trong công nghiệp:
6

Hình 2.1 Mô hình kho hàng tự động tại Việt Nam
Hàng được đưa vào kho để bảo quản chờ được xuất ra.
2.1.3Các loại PLC đang dùng cho các kho hàng
Các loại PLC đang dùng cho các kho hàng tự động hiện nay hầu hết
là các PLC của các hãng lớn như Siemens, Mitsubishi, Omron,
Rockwell, Schneider. Trong đó dường như dòng PLC của Siemens là
được sử dụng nhiều nhất bởi vì tính đơn giản, khả năng hoạt động tốt
ở môi trường công nghiệp và dễ bảo trì sữa chửa.
Các dòng PLC S7-300, S7-400 được sử dụng nhiều hơn cả và được
các nhà kho tin dùng bởi tính tương thích cao với các cảm biến và
thiết bị ở nhà kho. Dòng S7-300 và S7-400 là dòng PLC hiện đang
được rất thịnh hành với việc khai tử dòng S7-1200 của Siemens.
Không chỉ các nhà kho mà tại các nhà máy các loại PLC này cũng

chiếm ưu thế.
2.1.4 Các phần mềm giám sát tại các kho hàng
Các phần mềm giám sát tại các kho hàng đa phần là các phần mềm
giám sát và điều khiển của chính hãng của PLC đang sử dụng trong
7

nhà kho. Ngoài ra còn có các phần mềm giám sát của các hãng khác
có hỗ trợ loại PLC đang sử dụng.
Có thể các phần mềm là do công ty yêu cầu hoặc do công ty thiết kế
và thi công tự lựa chọn. Việc lựa chọn các phần mềm phụ thuộc rất
nhiều vào tính năng của phần mềm có phù hợp với nhà kho hay
không.
Điển hình các phần mềm thường dùng ở nhà kho là WinCC cho các
dòng S7-300, S7-400, S7-200 hoặc Citech cho các dòng PLC của
Schneider.
2.2 PHƯƠNG ÁN NHÀ KHO NHÓM THỰC HIỆN
Phương án thực hiện mô hình nhà kho mà nhóm thực hiện là muốn
đảm bảo một nhà kho có thể hoạt động như một nhà kho dịch vụ
hoặc nhà kho tại nhà máy.
Nhà kho dịch vụ là các nhà kho dành cho các công ty chỉ chuyên thực
hiện việc làm kho cho các công ty khác. Các công ty này sẽ bảo đảm
việc hoạt động kho cho các công ty họ hợp tác.
Nhà kho tại nhà máy là nhà kho mà các nhà máy tự thành lập
và họ tự sử dụng nhân lực của mình để đảm bảo việc hoạt động của
kho.
Và mô hình nhà kho của nhóm luôn hướng tới việc thực tiễn hóa các
quá trình hoạt động của một nhà kho tự động:
Sản phẩm được đưa lên băng tải. Băng tải phân biệt sản phẩm
bằng độ cao nhờ 3 cảm biến quang gắn trên đầu băng tải. Hệ thống
gắp bằng xi lanh,vitme di chuyển đến băng tải để gắp sản phẩm vào

kho.
Khi xuất kho có thể xuất tất cả hoặc xuất theo (có thể là mã sản
phẩm): theo độ cao .Hệ thống gắp bằng xi lanh di chuyển đến vị trí
gắp hàng ra băng tải và băng tải đưa sản phẩm ra kho.
Và vấn đề giám sát và điều khiển tự động sẽ được đặt lên hàng
đầu để giải quyết kho hàng này. Phương án phải đảm bảo thực hiện
hoàn chỉnh về phần xuất nhập và quản lý kho hàng một cách chặt chẽ
nhất.
8

Để thực hiện được những ý tưởng của mình thì nhóm cần đến
sự hỗ trợ của các loại phần cứng cũng như phần mềm tự động của
các công ty có uy tín.
2.2.1Vấn đề về phần cứng
Phần cứng là một phần cốt lõi của nhà kho vì vậy nhóm quyết định
chọn các loại phần cứng của các hãng có uy tín để đảm bảo việc hoạt
động chính xác của toàn nhà kho đang thực hiện.
Cảm biến: Cảm biến trong nhà kho là các cảm biến của các hãng
sản xuất lớn có uy tín điển hình là Omron.
Cơ cấu chấp hành: là các loại van khí nén và xi lanh của nhà sản
xuất Airtac và động cơ kéo băng tải là động cơ hộp số của Nhật Bản.
Hệ thống khí nén: được đảm bảo bởi bình khí nén hoạt động tự
động bom khi áp suất không đảm bảo giúp mô hình nhà kho hoạt
động luôn ổn định.
PLC: PLC nhóm sử dụng là loại PLC S7-1200 của Siemens. Loại
PLC này là PLC có thể hoạt động khá ổn định. Nó là tiền thân của
PLC S7-200 mà Siemens đã khai tử. Nhóm chọn PLC S7-1200 bởi vì
S7-1200 là một PLC mới mà nhóm mong muốn được tiếp cận.
2.3 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ SCADA
Dưới đây là sơ đồ một hệ thống SCADA:

Hình 2.2Sơ đồ hệ thống SCADA
SCADA hiểu theo nghĩa truyền thống là một hệ thống điều
khiển giám sát và thu thập dữ liệu. Nhằm hỗ trợ con người trong quá
trình giám sát và điều khiển từ xa.
2.3.1Các thành phần của hệ thống
Cấu trúc một hệ Scada có các thành phần cơ bản sau:
9

1 Trạm điều khiển giám sát trung tâm: Là một hay nhiều máy chủ trung tâm
(central host computer server).
2 Trạm thu thập dữ liệu trung gian: Là các khối thiết bị vào ra đầu cuối từ xa RTU
(Remota Terminal Units) hoặc là các khối điều khiển logic khả trình PLC
(Programmale Logic Controllers) có chức năng giao tiếp với các thiết bị chấp hành
(cảm biến cấp trường, các hộp điều khiển đóng cắt và các van chấp hành…).
3 Hệ thống truyền thông: Bao gồm các mạng truyền thông công nghiệp, các thiết bị
viễn thông và các thiết bị chuyển đổi dồn kênh có chức năng truyền dữ liệu cấp
trường đến các khối điều khiển và máy chủ
4 Giao diện người - máy HMI (Human - Machine Interface): Là các thiết bị hiển thị
quá trình xử lí dữ liệu để người vận hành điều khiển các quá trình hoạt động của hệ
thống.
2.3.2Cơ chế thu thập dữ liệu
1 Trong hệ Scada, quá trình thu thập dữ liệu được thực hiện trước tiên
ở quá trình các RTU quét thông tin có được từ các thiết bị chấp hành
nối với chúng. Thời gian để thực thi nhiệm vụ này được gọi là thời
gian quét bên trong. Các máy chủ quét các RTU (với tốc độ chậm
hơn) để thu thập dữ liệu từ các RTU này.
2 Để điều khiển, các máy chủ sẽ gửi tín hiệu yêu cầu xuống các RTU,
từ đó cho phép các RTU gửi tín hiệu điều khiển trực tiếp xuống các
thiết bị chấp hành thực thi nhiệm vụ.
2.3.2.1Xử lí dữ liệu

Dữ liệu truyền tải trong hệ Scada có thể là dạng liên tục (anlog), dạng số
(digital) hay dạng xung (pulse). Giao diện cơ sở để vận hành tại các thiết bị đầu
cuối là một màn hình giao diện đồ họa GUI (Graphical User Interface) dùng để
hiển thị toàn bộ hệ thống điều khiển giám sát hoặc các thiết bị trong hệ thống. Tại
một thời điểm, dữ liệu được hiện thị dưới dạng hình ảnh tĩnh, khi dữ liệu thay đổi
thì hình ảnh này cũng thay đổi theo.
Trong trường hợp dữ liệu của hệ thống biến đổi liên tục theo thời gian, hệ Scada
thường hiện thị quá trình thay đổi dữ liệu này trên màn hình giao diện đồ họa (GUI)
dưới dạng đồ thị.
Một ưu điểm lớn của hệ Scada là khả năng xử lí lỗi rất thành công khi hệ
thống xảy ra sự cố. Nhìn chung khi có sự cố hệ SCADA có thể lựa chọn một trong
các cách xử lí sau:
1 Sử dụng dữ liệu cất giữ trong các RTU: Trong các hệ Scada có các
RTU có dung lượng bộ nhớ lớn, khi hệ thống hoạt động ổn định dữ
10

liệu sẽ được sao lưu vào trong bộ nhớ của RTU. Do đó, khi hệ thống
xảy ra lỗi thì các RTU sẽ sử dụng tạm dữ liệu này cho đến khi hệ
thống hoạt động trở lại bình thường.
2 Sử dụng các phần cứng dự phòng của hệ thống: Hầu hết các hệ
Scada đều được thiết kế thêm các bộ phận dự phòng, ví dụ như hệ
thống truyền thông hai đường truyền, các RTU đôi hoặc hai máy
chủ…do vậy, các bộ phận dự phòng này sẽ được đưa vào sử dụng
khi hệ Scada có sự cố hoặc hoạt động offline (có thể cho mục đích
bảo dưỡng, sửa chữa, kiểm tra…).
2.4CÁC ĐIỂM MỚI CỦA HMI
2.4.1Alarm
Alarm cũng là một phương thức cảnh báo không thể thiếu trong
các hệ thống tự động hiện đại. Việc trang bị Alarm cho hệ thống tự
động của nhà máy sẽ giúp người vận hành và người giám sát biết

được các thông tin hoạt động của toàn nhà máy gồm các cảnh báo
trước về mức điện áp quá thấp hay quá cao, tải nặng hay báo động
báo tải ngừng hoàn toàn hệ thống và các thông báo về việc xuất hàng
và nhập hàng, .v.v.
Hình 2.3 Bốn loại Alarm
Alarm cũng được chia thành nhiều loại và hình thái khác nhau tùy vào
cách sử dụng của người thiết kế. Nhưng cơ bản vẫn có 4 loại Alarm
là:
Đồ thị biểu thị mức :
11

Hình 2.4 Đồ thị biểu thị mức
Các cảnh báo sẽ được kích hoạt theo từng mức giá trị nằm trong khoảng
nào hoặc nằm ra ngoài mức ngưỡng đặt trước
2.5 MẠNG PROFINET
Với hơn ba triệu các điểm lắp đặt, PROFINET từ lâu đã trở
thành một tính năng quen thuộc của tự động hóa sản xuất và xu
hướng của các ứng dụng kỹ thuật. Thế còn lĩnh vực tự động hóa quá
trình? Mặc dù vĩnh vực này phản ứng khá thận trọng với công nghệ
mới, người dùng đã bày tỏ sự quan tâm đặc biệt đến PROFINET. Cụ
thể, PROFONET thu hút sự quan tâm của ngành công nghiệp thực
phẩm và nước giải khát vì số lượng lớn các quy trình thượng nguồn
và hạ nguồn. Các ngành công nghiệp hóa chất, dầu khí và dược
phẩm cũng bày tỏ sự quan tâm đến công nghệ PROFINET.
12

Hình 2.5 Mạng profinet
PROFIBUS PA đã được sử dụng rộng rãi ở các nhà máy trong
các lĩnh vực công nghiệp khác nhau. Tuy nhiên, một hệ thống giao
tiếp tích hợp như PROFINET thực sự cần thiết để kích hoạt tính năng

tích hợp tập trung các thông số quá trình của nhà máy với các ứng
dụng hạ nguồn kết hợp các quá trình riêng lẻ như điền đầy và đóng
gói.
Vì lý do này mà PI (PROFIBUS & PROFINET International)
thiết lập một nhóm làm việc bao gồm các công ty sản xuất (ABB,
Emerson, Endress+Hauser, Pepperl+Fuchs, Siemens, Softing, Stahl,
và Yokogawa) với nhiệm vụ ban đầu là xác định đặc điểm cụ thể của
các các ngành công nghiệp quá trình. Ngoài ra, cũng là để đáp ứng
đề xuất của NAMUR (một hiệp hội người sử dụng toàn cầu về công
nghiệp quá trình). Bên cạnh việc mở rộng chu kỳ sản xuất, vận hành
nhà máy liên tục, các cơ cấu chấp hành và cảm biến phức hợp một
thử thách chính là số lượng của các thiết bị (lên đến 100000 tín hiệu
I/O). Hơn thế nữa, thời gian sử dụng của công nghiệp quá trình
thường rất dài. Chúng ta có thể dễ dàng tìm thấy các hệ thống điều
khiển được sử dụng hai mươi năm và ở các nhà máy khác thậm chí
còn cũ hơn.
Những đặc tính trên luôn là trở ngại trong việc giới thiệu các
công nghệ mới trong thời gian trước. Mặc dù vậy, PROFINET vẫn có
triển vọng trong lĩnh vực này với các ứng dụng liên quan đến quá
trình lĩnh vực công nghiệp quá trình nhờ vào khả năng linh hoạt của
nó. Tuy nhiên, để thiết lập PROFINET trên diện rộng cần có những
yêu cầu đặc biệt phải được thi hành. Nỗ lực này tập trung vào bốn
khu vực chính:
Bảo tồn vốn đầu tư
Để bảo tồn vốn đầu tư, việc tích hợp liên tục vào hệ thống
fieldbus phải được thực hiện. Nhiều nhà máy công nghiệp quá trình
đã được vận hành trong vài thập kỷ và đã được lắp đặt một lượng lớn
các thiết bị mạng, các bộ điều khiển và hệ thống giao tiếp. Tiếp tục sử
dụng cơ sở lắp đặt này là mục tiêu hướng đến. Làm thế nào để đảm
bảo điều này? Bằng phương pháp khái niệm proxy, ba hệ thống

truyền thông trong một các ngành công nghiệp quá trình –
13

PROFIBUS PA, Hart và Foundation Fieldbus – có thể được tích hợp
vào một mạng PROFINET cao cấp hơn. Proxy đảm nhận trách nhiệm
việc thực thi vật lý và các giao thức và đảm bảo việc trao đổi mọi I/O,
chẩn đoán và phân phối thông số dữ liệu cũng như cảnh báo với các
thiết bị mạng.
2.5.1Cấu hình trong vận hành
Những nhà máy hóa chất vận hành liên tục trong hầu hết các
trường hợp, khả năng sẵn sàng của nhà máy luôn được đặt ưu tiên
hàng đầu. Thật sự không thể tưởng tượng được mức độ thiệt hại khi
phải dừng một cột trước khi thay đổi thông số hoặc thay thế một thiết
bị. Trong quá trình vận hành Các thiết bị và mạng phải có khả năng
cấu hình lại và phải có khả năng thêm vào, gỡ bỏ và thay thế các
thiết bị hoặc các đơn vị độc lập. Nhờ các tính năng tự động phát hiện
và dò tìm các kiểu mạng (topology), các thiết bị được phát hiện một
cách tự động và định vị chính xác. Điều này cho phép phát triển các
giải pháp tiện lợi, tin cậy cho việc thay thế các thiết bị, thay đổi các
thông số được bộ điều khiển chỉ định tự động. Mọi điều chỉnh “Cấu
hình trong vận hành” (CiR) được thực hiện với PROFINET mà không
gây ra bất kỳ sự gián đoạn và hoàn toàn không gây ảnh hưởng đến
mạng giao tiếp. Điều này đảm bảo việc sửa chữa, thay đổi hoặc mở
rộng nhà máy có thể được tiến hành mà không cần phải dừng nhà
máy cũng như vẫn có thể tiến hành các quá trình sản xuất.
2.5.2Thời gian đồng bộ hóa và thời gian hệ thống
Trong tự động hóa nhà máy điện, một giá trị được đặt ra đặc
biệt cao là việc theo dõi đúng các các tín hiệu quá trình độc lập kịp
thời. Điều này đặc biệt quan trọng khi các khu vực tự động hóa độc
lập có vấn đề. Sau này, người vận hành nhà máy muốn chính xác

thông tin nào được gửi đi và vào thời điểm nào. Sau đó anh còn có
thể thực hiện các phân tích để tìm ra nguyên nhân thực sự gây ra lỗi.
Độ chính xác 1ms rất quan trọng cho mục đích này.
Điều này đòi hỏi một thời gian hệ thống để đo lường các giá trị
số và tương tự và cảnh báo các giá trị ở mức chính xác đến mili giây.
Một điều kiện tiên quyết để thực hiện điều đó là một sự đồng bộ hóa
thời gian chính xác của các linh kiện liên quan: sử dụng đồng hồ tổng
thể hệ thống trung tâm (ví dụ: GPS hoặc DCF77), một tổng thể đặc
14

biệt được lựa chọn cho mục đích truyền tín hiệu đồng hồ tuần hoàn ở
khoảng cách bằng nhau đến mọi điểm truyền dẫn, nên đã đồng bộ
hóa chúng. Điều này đảm bảo các thiết bị I/O có thể cung cấp thông
tin thời gian thực, các cảnh báo và các sự kiện quan trọng khác với
thời gian hệ thống được dựa vào thời gian tiêu chuẩn đã được chuẩn
hóa. Bằng cách thu nhận các sự kiện tại một thời điểm so sánh, một
bản mô tả và phân tích chính xác các lỗi có thể xảy ra. Bởi vì không
phải các thiết bị mạng nào cũng có thời gian hệ thống, một hệ thống
lại có thể được sử dụng. Điều này đã được đảm bảo.
2.5.3Khả năng mở rộng dự phòng
Để tránh các lỗi tự động gây ra bởi các điều kiện như dây bị
đứt, ngắn mạch, các khái niệm dự phòng được phát triển cho
PROFINET, có thể được cấu trúc khác dựa vào ứng dung cụ thể
(“mở rộng dự phòng”). Cơ sở của những khái niệm này là tự động
chuyển đường truyền thông thường đến đường truyền nguyên vẹn
khi có lỗi xảy ra, kèm theo thông tin trạng thái đường truyền liên quan
đến nguyên nhân gây ra gián đoạn. Người dùng có thể quyết định
dùng bộ điều khiển dự phòng, mạng dự phòng, thiết bị dự phòng
hoặc thiết bị giao tiếp dự phòng. Hơn nữa, thời gian phục hồi của hệ
thống giao tiếp phải đủ nhanh để tránh làm xáo trộn quá trình. Tất cả

các thành phần dự phòng phải có khả năng chẩn đoán để có thể
chẩn đoán được các lỗi và thay thế các thành phần bị lỗi.
2.5.4Khái niệm thống nhất
Nhiều người dùng thể hiện mong muốn một hệ thống giao tiếp
tích hợp trở thành cấp độ trường. PROFINET kích hoạt một đường
trực tiếp đến các hệ thống MES và ERP, trong khi đồng thời tạo điều
kiện sử dụng các dịch vụ Internet có các mục đích như bảo trì từ xa,
tích hợp truyền thông không dây hoặc quản lý mạng thông minh.
PROFINETcó thể nhận ra các cấu trúc mới. Sự phân phối các tín hiệu
linh hoạt cho phép các tín hiệu được chỉ định đến các bộ điều khiển
trong mạng PROFINET mà không cần đi dây lại. Điều nay hỗ trợ
trong tương lai nhà máy mở rộng, ngay cả khi thêm vào các quá trình
liên tục. Trong thời gian dài nó cũng giúp cho việc lên kế hoạch các
hệ thống tự động hóa dễ dàng hơn vì các dây chuyền độc lập vẫn có
thể được mở rộng. Hiện nay, so với các cấu trúc dựa vào mô hình lớp
của kim tự tháp tự động hóa quy ước bằng phẳng hơn và do đó các
15

cấu trúc đem lại hiệu quả kinh tế cao hơn có thể hình dung ra được,
đặc biệt là cho các ứng dụng nhỏ hơn.
2.5.5 Triển vọng
Với việc hoàn thành ứng dụng “PROFINET trong Tự động hóa
quá trình”, PI (PROFIBUS & PROFINET International) đã tiến một
bước đến khái niệm truyền thông đồng nhất trong các ngành công
nghiệp sản xuất và quá trình. Các điều kiện tiên quyết cho việc này
chính là phải thực hiện các yêu cầu cụ thể quá trình. Phần còn lại
hiện nay chỉ là thực hiện một số công việc liên quan như xem xét các
nguyên tắc bảo mật, phối hợp với FDI, phát triển các thông số kiểm
tra thiết bị và chứng nhận các thiết bị đạt tiêu chuẩn PROFINET. Từ
đầu năm 2011 có thế thi hành các sản phẩm PROFINET trong tự

động hóa quá trình, mở ra một triển vọng hoàn toàn mới cho các
ngành công nghiệp này.
2.6 CẢM BIẾN
2.6.1 Giới thiệu cảm biến quang
Cấu tạo và ứng dụng:
Cảm biến quang là tổ hợp các linh kiện quang điện. Khi tiếp
xúc với ánh sáng chúng thay đổi trạng thái.
1 Cảm biến quang sử dụng ánh sáng phát ra từ bộ phận phát để phát
hiện sự hiện diện của vật thể. Khi có sự thay đổi ở bộ phận thu mạch
điều khiển của cảm biến quang sẽ cho ra tín hiệu ở ngõ ra OUT.
2 Cảm biến quang có những ứng dụng hết sức mạnh mẽ và linh hoạt
trong ngành công nghiệp nói riêng và điện tử nói chung.
Cảm biến quang gồm các loại:
Hình 2.6Các loại cảm biến quang
• Cảm biến quang thu phát riêng.
• Cảm biến quang phản xạ qua gương.
• Cảm biến quang thu phát chung.
16

Ưu và nhược điểm của từng loại cảm biến quang
• Cảm biến quang nhìn chung luôn có nhiều ưu điểm hơn so với các loại cảm
biến khác (cảm biến từ, cảm biến điện dung….).
• Cảm biến quang không tiếp xúc trực tiếp với vật cần phát hiện cho nên tuổi
thọ, độ bền sẽ cao hơn.
• Khoảng cách phát hiện vật của cảm biến quang khá xa, việc này giúp cho
việc thiết kế cũng như lắp đặt đễ dàng hơn.
• Một ưu thế không thể bỏ qua của cảm biến quang đó là phát hiện hầu hết các
loại vật thể, vật chất.
2.6.2 Cảm biến quang thu phát riêng
Cảm biến dạng thu phát có bộ phát và thu sáng tách riêng. Bộ

phát truyền ánh sáng đi và bộ thu nhận ánh sáng. Nếu có vật thể
chắn nguồn sáng giữa hai phần này thì sẽ có tín hiệu ra của cảm
biến.
Ưu điểm:
• Khoảng cách phát hiện xa nhất trong các loại cảm biến quang.
• Loại này có thể hoạt động trong những môi trường khắc nghiệt (như bụi, ẩm,
độ nhiễu cao,).
• Phát hiện chính xác vị trí vật thể, độ tin cậy cao, thích hợp cho các ứng dụng
có độ chính xác cao, môi trường làm việc khắc nhiệt và khoảng cách xa.
• Ứng dụng trong bãi giữ xe, rửa xe, làm các cảm biến an toàn cho máy kéo
sợi, máy dệt.
Nhược điểm:
• Mất nhiều thời gian để chỉnh vị trí lắp đặt.
• Mất nhiều thời gian nối dây vì có 2 dây riêng biệt.
• Giá thành sản phẩm cao.
2.6.3 Cảm biến quang phản xạ qua gương
Bộ phát truyền ánh sáng tới một gương phản chiếu lăng kính
đặc biệt, và phản xạ lại tới bộ thu sáng của cảm biến. Nếu vật thể xen
vào luồng sáng, cảm biến sẽ phát tín hiệu ra.
Ưu điểm:
• Giá thành thấp hơn loại thu phát.
• Lắp đặt dễ hơn loại thu phát.
• Chỉnh định dễ dàng.
• Với vật thể có bề mặt sáng bóng có thể làm cảm biến không phát hiện được,
có thể dùng kính lọc phân cực.
17

Nhược điểm:
• Khoảng cách phát hiện ngắn hơn loại thu phát (E3Z-R: chỉ được 4-5m).
• Vẫn cần 2 điểm lắp đặt cho cảm biến và gương.

• Cảm biến phản xạ gương loại 2 thấu kính thường không phát hiện được vật ở
một số khoảng cách ngắn nhất định.
2.6.4 Cảm biến quang thu phát chung
Cảm biến dạng này truyền ánh sáng từ bộ phát tới vật thể. Vật
này sẽ phản xạ lại một phần ánh sáng (phản xạ khuếch tán) ngược
trở lại bộ thu của cảm biến, kích hoạt tín hiệu ra.
Ưu điểm:
• Dễ dàng trong việc thiết kế và lắp đặt vì chỉ cần một vị trí.
• Do có một thiết bị nên việc đấu dây cho hệ thống dễ dàng hơn.
• Ứng dụng: Dụng phổ biến trong việc phát hiện vật thể trong các băng
chuyền.
Nhược điểm:
• Khoảng cách phát hiện ngắn (do chỉ phát hiện được một phần ánh sáng phản
xạ). Có khoảng cách phát hiện tối đa 1m.
• Tỉ lệ lỗi đen / trắng cao, khoảng cách phát hiện phụ thuộc nhiều vào màu sắc,
kích thước, tính chất bề mặt của vật thể.
• Bởi vậy việc phát hiện vật có thể khó khăn nếu có nền màu đen sau vật.
• Độ nhạy và độ tin cậy kém hơn loại Thu phát và Phản xạ gương.
• Thông thường, nếu không cần độ chính xác cao, hoặc khó khăn trong việc
lắp đặt gương, người ta sẽ dùng loại phản xạ khuếch tán.
2.6.5 Cảm biến siêu âm
2.6.5.1 Giới thiệu chung
Siêu âm là sóng cơ học có tần số lớn hơn tần số âm nghe thấy (trên
20kHz). Cảm biến siêu âm là thiết bị dùng để xác định vị trí của các
vật thông qua phát sóng siêu âm. Cảm biến tiệm cận siêu âm có thể
phát hiện ra hầu hết các đối tượng là kim loại hoặc không phải kim
loại, chất lỏng hoặc chất rắn, vật trong hoặc mờ đục.
Cấu tạo của cảm biến siêu âm gồm có 4 phần chính:
• Bộ phận phát và nhận sóng siêu âm
• Bộ phận so sánh

• Mạch phát hiện
18

Dưới đây là sơ đồ biểu diễn nguyên lý hoạt động của cảm biến siêu âm:
Hình 2.7Nguyên lý cảm biến siêu âm
Nguyên lý sóng siêu âm của cảm biến: khi cảm biến nhận được sóng
phản hồi, bộ phận so sánh sẽ tính toán khoảng cách bằng cách so
sánh thời gian phát, nhận và vận tốc âm thanh.
Dưới đây là biểu đồ biểu diễn thời gian truyền sóng của cảm biến siêu
âm:
Hình 2.8 Thời gian truyền sóng đi của cảm biến
Sóng siêu âm được truyền trong không khi với vận tốc là 343
m/s. Nếu một cảm biến phát ra sóng siêu âm và thu về các sóng phản
xạ đồng thời, đo được khoảng cách thời gian từ lúc phát đến lúc thu
về, thì có thể tín được quãng đường di chuyển trong không gian.
Quãng đường di chuyển của sóng sẽ gấp 2 lần khoảng cách từ cảm
19

biến tới vật, theo hương phát của sóng siêu âm. Hay ta có công
thức :
D= V * T / 2
D: là khoảng cách từ vật tới cảm biến
V=343 m/s vận tốc sóng siêu âm truyền trong không khí.
T: là thời gian lúc phát cảm biến tới khi nhận tín hiệu phản hồi
từ cảm biến
Trình bày về đặc tính kỹ thuật của cảm biến. Cảm biến có 2
loại ngõ ra là PNP/NPN ngõ ra của cảm biến là giá trị Analog 4 –
20mA, với mức điện áp 0 – 10V.
Hình 2.9 Một số hình ảnh cảm biến siêu âm .
-Mạch ngõ ra

Tín hiệu ngõ ra của cảm biến có thể là tương tự hoặc số,tín hiệu cảm
biến tương tự báo có hay không sự xuất hiện của đối tượng trong
vùng cảm nhận của cảm biến .tín hiệu từ cảm biến số chứa đựng
thông tin khoảnh cách của đối tượng đến cảm biến .
Ưu điểm của cảm biến siêu âm:
• Khoảng cách của cảm biến có thể phát hiện được khoảng cách xa.
• Sóng phản hồi của cảm biến không phụ thuộc vào màu sắc bề mặt của vật
,hay tính chất phản xạ của ánh sáng của đối tượng .
Tín hiệu của cảm biến tiệm cận analog là tỷ lệ tuyến tính với khoảng
cách .điều này đặc biệt cho các ứng dụng theo dõi mức hoặc xách
định khoảng cách ,mức chuyển động của đối tượng .
20

Nhược điểm :
• Cảm biến siêu âm yêu cầu bề mặt của đối tượng có một bề mặt tối
thiểu .
• Sóng phản hồi cảm biến nhận được có thể chịu ảnh hưởng của song
âm thah tạp âm
• Cảm biến tiệm cận siêu âm yêu cầu một khoảng thời gian sau mỗi lần
phát song đi để sẵn sàng nhận sóng phản hồi ,cho nên kết quả nhận về
chậm hơn cảm biến khác .
• Nhiệt độ bề mặt của đối tượng làm ảnh hưởng đến sóng phản hồi
2.6.5.2 Quá trình xử lý tín hiệu analog in/out
Dưới đây là sơ đồ thể hiện quá trình xử lý tín hiệu anlog:
Hình 2.10 Xử lý tín hiệu analog
Các tín hiệu vật lý sẽ được cảm biến chuyển đổi thanh điện áp hay
dòng điện được chuyển vào bộ adc của plc để chuyển đổi tín hiệu
tương tự ra tín hiệu số để plc có thể đọc được .
Đối với cảm biến siêu âm lấy giá kích thước của vị trí vật chuyển đổi
thành điện áp,dòng điện .

Vd: Với cảm biến siêu âm đo khoảng cách có ngõ ra là 0-10V hoặc 4-
20mA sẽ được nối với đầu vào analog của plc s7-1200.
Việc chuyển đổi tín hiệu tương tự sang giá trị số được mô tả như hình
sau :
21

Hình 2.11 Chuyển đổi tín hiệu
Trong plc s7-1200 giá trị full scale là 27648, giá trị được chuyển đổi này
sẽ được lưu vào địa chỉ %IW64 hoặc %IW66,trường hợp ngõ ra sẽ
được lưu vào địa chỉ %OW80.
-Đối với cảm biến siêu âm thuộc hãng sản xuấtWarner Electricnhà sản
xuất là Mỹ với mã UT30UP-DCA4-1016-CSI.
Dưới đây là hình ảnh thực tế của một cảm biến siêu âm:
22

Hình 2.12 Cảm biến siêu âm
- Với ngõ ra áp là 0-10v,dòng là 4mA-20mA đối với sử dụng plc 1214c
DC/DC/DC,với ngõ vào analog mặc định của plc là điện áp trong cảm biến
này nhóm em sử dụng ngõ ra của cảm biến là điện áp với giá trị là 0-10V.
- Khoảng cách tầm đo của cảm biến đọc được thực tế ở ngoài là 4
-40inch dựa vào công thức tam suất ta có mối liên hệ .
Dưới đây là đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa khoảng cách đo được và
điện áp ngõ ra của cảm biến
23

Hình 2.13 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ khoảng cách đo được và điện áp
ngõ ra
cảm biến
Từ đồ thị hình 2.13 ta có thể biết được khoảng cách mà cảm biến
xác định được đố tượng nhờ điện áp ngõ ra của cảm biến.

-Giá trị adc đọc đươc có mối liên hệ với điện áp được biểu thị theo đồ thị .
Hình 2.14 Đồ thị biểu diễn mối liên hệ giữa điện áp ra của cảm biến và
giá trị số đọc vào plc
Từ hình 2.14 mình có thể xác định giá trị số mà plc đọc được tương
ứng với điện áp ngõ ra của cảm biến.
-Dựa vào hai đồ thị trên ta sẽ biểu diễn được mối liên hệ giữa khoảng
cách mà cảm biến đọc được và giá trị số mà plc hiểu được .
24

Hình 2.15 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa khoảng cách đo được của
cảm biến và giá trị số đọc vào plc
Từ đó dựa vào công thức tam suất tính được khoảng cách của đối
tượng cần di chuyển ,giá trị chuyển đổi này sẽ được lưu vào địa chỉ
plc là IW64,IW66.
Dưới đây là một số ứng dụng của cảm biến siêu âm trong công nghiệp :
Hình 2.16 Ứng dụng cảm biến siêu âm
25