Tài liệu ôn thi tự động hóa quá trình sản xuất

Mục lục

1


Câu 1: Khái niệm hệ thống sản xuất tự động.
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 người là một khâu quan trọng, thường xuyên có sự trao
đổi thông tin giữa người và máy. Con người làm việc trong hệ thống để
hoạch định mục tiêu và đưa ra các quyết định để hệ đi đúng hướng
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 chương trình đặt trước (do
con người đặt trước), không có sự can thiệp của con người, con người chỉ
đóng vai trò khởi động hệ (trên thực tế đó là các bộ PID, PLC.
MicroProccesor, các mạch điều khiển rơle-contắctơ ...). Như vậy hệ thống
sản xuất tự động bao gồm các hệ thống điều khiển tự động, con người, hệ
thống kho bãi, nguyên liệu...
Quá trình trao đổi thông tin giữa người và máy thực hiện theo mô hình
sau:

2


3


Câu 2: Cấu trúc của hệ thống SXTĐ
Một hệ thống sản xuất tự động được cấu thành từ một hay nhiều hệ con
trong đó bao gồm cả con người. Cấu trúc của hệ thống sản xuất tự động

được trình bày như hình 4.
Tất cả các hệ thống tự động hoá quá trình sản xuất đều được xây dựng
trên hai cơ sở:
- Có người phục vụ, thao tác, điều phối (vận hành, điều phối)
- Bảo đảm thông tin, bảo đảm kỹ thuật, bảo đảm chương trình.

Hệ thống này có thể là bằng tay, bán tự động, hoặc tự động hoàn toàn
Hệ thống sản xuất tự động sẽ được thực hiện nhờ quá trình truyền tin.
Với những hệ thống càng lớn, lượng thông tin trao đổi giữa người và máy
càng nhiều, nếu không dùng máy móc hỗ trợ, sẽ cần một lực lượng đông đảo
nhân lực để ghi nhận. Cách làm này tốn thời gian và cũng rất dễ gây ra nhầm
lẫn. Ngày nay người ta thường 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
4


lý và truyền tin thông thường. Máy tính đặt tại các phân xưởng 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 được xây dựng ở mức độ tự động hóa rất cao, giảm nhẹ sức lao
động trí óc và chân tay của con người.
Câu 3: Mức độ tự động hoá của một hệ thống SXTĐ.
Mức độ tự động hoá của một hệ thống SXTĐ thường được chia thành 4
cấp như sau:

Cấp 1: Là cấp tiếp xúc giữa hệ thống điều khiển và QTCN, ở cấp này
sử dụng các cảm biến, các thiết bị đo dùng để thu nhận các tin tức từ QTCN
và các cơ cấu chấp hành như rơle, động cơ, van... dùng để nhận thông tin
điều khiển và thực hiện các lệnh điều khiển
Cấp 2: Là cấp điều khiển cục bộ, ở đây thực hiện việc điều khiển từng

máy, từng bộ phận QTCN. Các thiết bị điều khiển nhận thông tin của QTCN
ở cấp 1 và thực hiện các thao tác tự động theo chương trình của con người
đã cài đặt sẵn. Một số thông tin về QTCN và kết quả của công việc điều
khiển sẽ được chuyển lên cấp 3. Cấp này thường đặt các bộ điều khiển tương
5


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
người điều khiển thông qua giao diện Người-Máy
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 tư, nguyên liệu, tài chính, lực lượng lao
động, tình hình cung cầu trên thị trường...Máy tính trung tâm xử lý một khối
lượng thông tin lớn, đưa ra các giải pháp tối ưu để người điều khiển lựa
chọn. Người điều khiển có thể can thiệp sâu vào quá trình sản xuất, thậm chí
có thể thay đổi mục tiêu sản xuất. Cũng như ở cấp 2, cấp này sử dụng giao
diện Người-Máy nhưng ở mức độ cao hơn với phạm vi điều khiển rộng hơn.
Câu 4: Vai trò và chức năng của hệ thống sản xuất tự động.
Vai trò:
- Nâng cao năng suất lao động, giảm sự mất ổn định về giờ giấc và
giảm giá thành.
- Cải thiện điều kiện sản suất, người lao động tránh được những nơi lao
động độc hại, nặng nhọc, công việc có tính lặp đi lặp lại.
- Cho phép đáp ứng cường độ sản suất cao,có thể sản xuất ra các sản
phẩm với số lượng lớn.
- Cho phép thực hiện chuyên môn hoá và hoán đổi sản xuất.

Chức năng:
Hệ thống sản xất tự động có các chức năng sau
6


- Chức năng thông tin: Chức năng thông tin của HTSXTĐ nhằm chọn,
soạn thảo và thu nhận thông tin (ví dụ: đo lường 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 trước về khả năng giảm chất lượng 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 ưu cho các máy, tối ưu 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 như bảo vệ sức khoẻ người vận
hành, bảo vệ chống cháy, bảo vệ an toàn chung, bảo vệ môi trường.
Mức độ của các chức năng trên phụ thuôc vào mức độ phát triển của hệ
thống SXTĐ
Câu 5: Yêu cầu đối với hệ thống sản xuất tự động.
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
được các chức năng của hệ thống cần thiết kế
Đảm bảo toán kỹ thuật của hệ thống SXTĐ cần đảm bảo toán học và
đảm bảo chương trình:
-

Đảm bảo toán học: Tuỳ theo công nghệ mà xác định được mô hình toán

học mô tả hệ thống. Dựa vào các mô hình này áp dụng các tính toán của
kỹ thuật điều chỉnh để đảm bảo hệ thống được thiết kế thoả mãn một số
chỉ tiêu chất lượng nào đó đã đề ra.
7


-

2.
-

-

Đảm bảo chương trình: HT SXTĐ luôn có một algorith điều khiển, đó
là tập hợp lệnh xác định cần thiết cho việc điều khiển. Algorith điều
khiển có thể là tổ hợp của các algorith điều khiển con có quan hệ với
nhau, yêu cầu phải đảm bảo Algorith điều khiển này.
Cấu trúc truyền tin trong các hệ thống SXTĐ
Truyền tin đóng vai trò quan trọng khi xây dựng các hệ thống SXTĐ,
truyền tin phải đảm bảo các yêu cầu sau:
Đảm bảo thông tin đầy đủ để hiện thực tất cả các mục tiêu đặt ra.
Các tín hiệu và mã phải tuân theo tiêu chuẩn.
Mã thông tin phải là đơn giản nhất và thích hợp với nơi sản xuất.
Có khả năng trao đổi thông tin với nhiều thiết bị.
Thông tin phải đảm bảo tính bảo mật theo yêu cầu.
Các cấu trúc hệ thống thông tin có thể là hình tia, tuyến tính hoặc hình
cây:

8

Câu 6: 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 thu thập số liệu từ các
phương tiện truyền thông khác nhau. Lấy lại thông tin và kết hợp với cảnh
báo để người điều khiển đưa ra những quyết định chính xác hoàn thành việc
điều khiển hệ thống và quá trình. SCADA là một hệ kết hợp phần cứng và
phần mềm để tự động hoá việc quản lý giám sát điều khiển một hay nhiều
đối tượng. SCADA thực hiện một số nhiệm vụ chính sau:
-Thu thập thông tin và giám sát từ xa lên đối tượng.
- Điều khiển, điều chỉnh tự động từ xa lên đối tượng.
- Thông tin từ xa với các đối tượng và các cấp quản lý.
Các giải pháp về một hệ SCADA rất đa dạng về cấu trúc (có nhiều biến thể
trong thực tế do yêu cầu về sự phân bố chức năng điều khiển cũng như sự
phân bố máy tính, thiết bị). Tuy nhiên tựu trung lại có cấu trúc tổng quan
như h.v.

9


Một máy tính được 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 nhược
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 người ta thường dùng máy tính dự
phòng, tuy nhiên sẽ nâng cao giá thành. Nhược điểm thứ nhất và một phần
nhược điểm thứ hai sẽ được khắc phục bằng cách dùng một mạng dây dẫn
chung gọi là BUS TRƯỜNG (field bus)
Câu 7: Mô hình DCS
DCS (Distributed Control System) là hệ thống điều khiển phân tán, thực
hiện ý tưởng giải pháp tích hợp điều khiển khi có nhiều phòng điều khiển
10


hoặc từng khu vực có những khối điều khiển chéo nhau. Phân tán là việc bố
trí Trí tuệ và chức năng theo bề rộng cũng như chiều sâu, kết hợp mạng
truyền thông thay cho phương pháp dùng dây nối và bảng cổ điển. Bên cạnh
cách sử dụng phương pháp các cụm vào ra tại chỗ và các thiết bị chấp hành
thông minh, người ta còn đưa vào các máy điều khiển nhỏ (Các bộ điều
chỉnh chuyên dụng, vi điều khiển) xuống các vị trí gần kề quá trình kỹ thuật
(hình 9).
- Trung tâm điều hành bao gồm: Trạm kỹ thuật (Engineering Station), trạm
thao tác (Operator Station), và trạm phục vụ (Sevice Station)
- Trung tâm điều khiển bao gồm các máy tính điều khiển như các bộ logic
khả trình (PLC), máy tính công nghiệp (IPC) và các máy tính phối hợp được
nối với nhau và nối lên trung tâm điều hànhquá trình qua BUS xử lý.
- Khu vực gần với khu vực kỹ thuật bao gồm các bộ điều khiển tại chỗ như
bộ vi điều 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 được
nối lên trung tâm thông qua BUS trường. Trong thực tế tuỳ theo tính chất
ứng dụng và thể loại quá trình kỹ thuật mà cấu trúc trên có thể được đơn
giản hoá hoặc mở rộng thêm.

11


12


Câu 8: Mạng truyền thông của SIEMENS.
Mô hình mạng truyền thông để xây dựng các hệ thống SXTĐ của SIEMENS
có cấu trúc mạng như sau:

Có ba phương pháp nối mạng các thiết bị điều khiển trong một hệ thống sản
xuất tự động của SIEMENS, đó là: Industrial Ethernet, Profibus va ASInterface

13


Câu 9: Mạng truyền thông của OMRON.
Cũng như mạng truyền thông của SIEMENS, mạng truyền thông giữa các
thiết bị điều khiển của OMRON phụ thuộc vào yêu cầu người sử dụng. Tuy
nhiên chúng được phân cấp ở các cấp thực hiện xử lý thông tin và điều
khiển. OMRON đưa ra cấu trúc mạng theo hai chiều ngang và dọc như trên
hình vẽ:
Cấp 0: Là cấp cơ bản của các bộ phận thiết bị như 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 như 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 trước và đặt kế hoạch.
Các cấp này được ghép nối hệ thống mạng: SYSMAC BUS, SYSMAC
WAY, SYSMAC NET và ETHERNET.

14


Câu 10: Lớp mạng SYSMAC BUS, SYSMAC WAY, SYSMAC NET
1.

Lớp mạng SYSMAC BUS

Mạng này được truyền theo kiểu BUS, có thể kết nối với các thiết bị thay đổi
như Sensor, Actuator hay các thiết bị I/O. Sử dụng các thiết bị CVM1,
C200HW (Master), CV-series, C200HC, C200HS (Slave). Mạng này có các
đặc điểm sau:
- Phương thức truyền thông kiểu Master-Slave.
- Kết nối từ 31-63 nút (phụ thuộc từng thiết bị sử dụng).
- Dộ dài mạng 100, 500m.
15


- Có khả năng chuẩn đoán và thể hiện lỗi trên trạm chủ.
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 phương thức
Tokenring. Sử dụng các thiết bị C200H-SLK21-V1, C200H-SLK11.
Đặc điểm: - Tốc độ truyền 2Mbps. Đường 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.
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 khả năng tự phản hồi và tự chẩn đoán lỗi của các thiết bị trên
mạng. Sử dụng các thiết bị như CV500/1000/2000, CVM1, C1000H,
C2000H...
Đặc điểm :
- Tốc độ truyền 2Mbps. Đường truyền là cáp quang.
- Số nút tối đa là 126.
- Khoảng cách truyền 1km (hoặc 3km khi dùng Repeater).
- Độ dài dữ liệu 2K byte.
- Có khả năng gửi và nhận đệm các thông báo (nhận 15(30Kbyte) và gửi 1
(2Kbyte) thông báo).
Câu 11: Đặc điểm của mạng ASI
AS-I (Actuator Sensor-Interface) là mạng ghép nối các phần tử ở cấp thấp
nhất, dùng để ghép nối các thiết bị chấp hành, cảm biến. Đây là cấu trúc mở
16


với mô hình mạng nhỏ, giá thành hạ, dễ cài đặt và sử dụng. Mạng AS-I có

các tính đặc điểm sau:
- Đồng tải nguồn và dữ liệu, tức là nguồn nuôi cho các cảm biến, cơ cấu
chấp hành và dữ liệu đều được truyền chung trên một đường cable hai dây.
- Có khả năng truyền bền vững trong môi trường công nghiệp (đạt tiêu
chuẩn IP 67) nhưng không đòi hỏi cao về chất lượng truyền.
- Các bộ kết nối đơn giản và nhỏ gọn.
- Chỉ sử dụng 1 CPU duy nhất, slave có thể đặt được địa chỉ, tốc độ đường
truyền thấp.
- quản lý được 32 slaver
Câu 12: Thông số kỹ thuật mạng AS-I
Là hệ thống mạng chủ-tớ (Master-Slave): Trạm chủ giao tiếp với trạm tớ
theo phương pháp hỏi tuần tự (polling). Trạm chủ gửi bức điện có chiều dài
14 bit và chờ đợi trạm tớ trả lời (với một khoảng thời gian định trước), trạm
tớ trả lời với bức điện có chiều dài 7 bit:
Cấu trúc bức điện:

- Các phần tử AS-I slave tích hợp AS-I chip, không sử dụng vi sử lý và phần
mềm, làm cho việc lắp đặt rất dễ dàng.
- Khả năng mở rộng tối đa 31 điểm, 4bit dữ liệu, ghép nối được tối đa là 124
phần tử đầu vào và 124 phần tử đầu ra.
- Sử dụng chuẩn truyền RS-485.
17


- Có thể truyền dữ liệu trên cable 2 dây (2x1,5mm 2), với điện áp vi sai lên
tới 30V.
- Cho phép bổ xung nguồn phụ 24.
- Chu kỳ quét lớn nhất là 5ms.
- Khoảng cách truyền tối đa là 100m (nếu sử dụng Repeater sẽ lên tới
300m).

- Mạng có thể xây dựng theo cấu trúc hình sao, tuyến tính (daisy-chain,
trunk-line/drop-line) hoặc hình cây.
{
- quản lý được 32 slave
- dung lượng địa chỉ là 16 byte- input, 16 byte- output.
- số lượng max địa chỉ phần tử : input, output :128
- thông thường 1 slave có 4-input và 4-output
}

Câu 13: Nguyên lý làm việc của mạng ASI
- Hoạt động theo phương pháp hỏi đáp tuần tự
- Lệnh gửi của master dài 14 bít
- Lệnh trả của slave dài 7 bít
1. Lệnh gửi:
0
-

-

S
A4 - A 0 I 4 - I 0
P
1
“0” Bít start (mức thấp)
“P” Bít điều khiển : 1: mang hàm ý là thông số
0 : mang hàm ý là điều khiển.
“A4 - A0” là địa chỉ
“I4 - I0” là thông tin
“P” là bít kiểm tra
“1” end

18


2.

Lệnh trả về của slave
0

I4 - I 0

P 1

Câu 14: Phương pháp điều khiển mạng ASI
- Modul CP giúp kết nối giữa master và slave
- Các địa chỉ của modul CP được xđ giống với địa chỉ vào ra của modul
Analog (vào: PIW ra PQW)
Câu 15: Xây dựng mạng AS-I với module truyền thông CP 342-2
- Như đã biết mạng AS-I là hệ thống mạng mở, rất nhiều nhà sản xuất
cung cấp thiết bị và chúng có thể tích hợp vào cùng một hệ thông
mạng. Trong phần này sẽ hướng dẫn thiết lập mạng AS-I sử dụng
module truyền thông CP342-2 của Siemens.
- Cấu trúc mạng:

19


Hình 13: Mô hình mạng AS-I.

Trong mô hình trên bao gồm các phần tử:
- Nguồn cung cấp 30V: Nguồn cung cấp

này được ghép nối trực tiếp vào đường
truyền dữ liệu.
- Cable nối: Là cable hai dây có vỏ bọc cách điện (không cần có vỏ bọc
chống nhiễu) để nối tất cả các phần tử trên mạng
- Phần tử AS-I Master: Thiết bị điều khiển toàn bộ hệ thống mạng, cho phép
kết nối hệ thống này với hệ thống BUS cao hơn và cho phép người sử dụng
có thể truy nhập vào các I/O Slave (việc này có thể thực hiện trong chương
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 được 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
được ghép vào giữa hệ thống mạng trực tiếp trên các đường 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 được 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

20


Câu 16: Bảng địa chỉ slave
I
I.7 I.6
I.5 I.4 I.3
Q.7 Q.6 Q.5 Q.4 Q.3
64
Slave 0
65

Slave 2
66
Slave 4
67
Slave 6
68
Slave 8
69
Slave 10
70
Slave 12
71
Slave 14
72
Slave 16
73
Slave 18
74
Slave 20
75
Slave 22
76
Slave 24
77
Slave 26
78
Slave 28
79
Slave 30

21

I.2
I.1
Q.2 Q.1
Slave 1
Slave 3
Slave 5
Slave 7
Slave 9
Slave 11
Slave 13
Slave 15
Slave 17
Slave 19
Slave 21
Slave 23
Slave 25
Slave 27
Slave 29
Slave 31

I.0
Q.0

CP

Q

288

289
290
291
292
293
294
295
296
297
298
299
300
301
302
303

64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
75
76
77

78
79