PCS7 Siemens: Nghiên cứu mạng công nghiệp

Phần này giới thiệu tổng quan về hệ thống điều khiển quá trình PCS7 của Siemens, nhấn mạnh sự phổ biến và tính năng đáp ứng đầy đủ yêu cầu của một hệ thống điều khiển hiện đại. PCS7 được miêu tả là một hệ thống có tính năng mở, cấu trúc mềm dẻo, dễ dàng thay đổi, thiết lập cấu hình, mở rộng và kết nối. Hệ thống phù hợp với hầu hết các quy mô sản xuất, từ nhỏ đến lớn, với đầy đủ các cấp điều khiển: quản lý, giám sát, quá trình và hiện trường. Khả năng đồng bộ cao và dự phòng ở mọi cấp đảm bảo hoạt động thuận tiện, dễ dàng và an toàn. PCS7 được xây dựng trên phần cứng và phần mềm của Siemens, tạo nên sự xuyên suốt và thống nhất cho toàn bộ hệ thống, góp phần vào sự phổ biến rộng rãi của nó trong nhiều ngành công nghiệp. Hệ thống này được đánh giá cao về tính hiện đại và khả năng đáp ứng các yêu cầu ngày càng cao về chất lượng sản phẩm, giá thành và sự đồng đều của sản phẩm trong bối cảnh công nghiệp phát triển mạnh mẽ.

Phần này tập trung vào khía cạnh lập trình và giao diện người dùng của hệ thống PCS7. Thông qua trạm ES, các phần tử hệ thống (động cơ, van, bộ điều khiển) được mô phỏng trực quan như các khối hàm trong phần mềm, giúp kỹ sư dễ dàng nắm bắt hoạt động hệ thống mà không cần nhiều kinh nghiệm lập trình. Hệ thống sử dụng ngôn ngữ lập trình Sequential Function Chart (SFC) để thiết lập các quá trình tuần tự, hiển thị trực quan các thao tác điều khiển. Ngôn ngữ Graph cung cấp các khối chức năng thiết kế mạch điều khiển trình tự, bao gồm trạng thái, chuyển tiếp và điều kiện. Các tính năng như truy cập trực tiếp chương trình, mô phỏng, giám sát, cài đặt và giám sát thông tin của các trạm PLC được nêu rõ. Giao diện người dùng được thiết kế để hiển thị thông số giống nhau cho mọi loại thiết bị, không phụ thuộc vào giao diện truyền thông PROFIBUS DP/PA, giúp việc vận hành và giám sát trở nên đơn giản và hiệu quả hơn.

Phần này mô tả cấu hình trung tâm điều khiển của hệ thống PCS7. Trạm điều khiển trung tâm được cấu hình sử dụng các PLC S7-400, với các trạm S7-400H dự phòng tự động là phổ biến. Điều này nhấn mạnh vào khả năng dự phòng và độ tin cậy cao của hệ thống. Thiết kế này đảm bảo tính liên tục trong hoạt động sản xuất, giảm thiểu rủi ro gián đoạn do sự cố phần cứng. Việc sử dụng PLC S7-400, một loại PLC mạnh mẽ và tin cậy của Siemens, là một yếu tố quan trọng góp phần vào hiệu quả và độ bền của hệ thống điều khiển quá trình PCS7. Sự lựa chọn này dựa trên sự tích hợp tốt với phần mềm và các thiết bị khác trong hệ thống, tạo nên một giải pháp toàn diện và hiệu quả.

Tài liệu trình bày mô hình phân cấp truyền thông trong hệ thống tự động hóa gồm ba cấp chính: Mạng công ty, mạng xí nghiệp và bus hệ thống (hay bus quá trình). Mạng công ty đóng vai trò đường cao tốc, kết nối các máy tính văn phòng, phục vụ trao đổi thông tin nội bộ và với khách hàng, đòi hỏi tốc độ, độ an toàn và độ tin cậy cao (Fast-Ethernet, FDDI, ATM). Mạng xí nghiệp kết nối cấp điều hành với cấp điều khiển giám sát, xử lý lượng thông tin lớn từ trạng thái làm việc của các quá trình kỹ thuật, số liệu tính toán, thống kê sản xuất và chất lượng sản phẩm. Bus hệ thống, thường là Ethernet công nghiệp, kết nối các máy tính điều khiển và máy tính cấp điều khiển giám sát, ưu tiên phạm vi chức năng và dịch vụ hơn thời gian phản hồi (Ethernet, PROFIBUS-FMS, Modbus). Mô hình này cho thấy sự phân cấp chức năng và yêu cầu khác nhau về tốc độ phản hồi và lượng thông tin ở từng cấp.

Đoạn này giới thiệu các mạng truyền thông cụ thể được sử dụng trong công nghiệp: Ethernet công nghiệp, DeviceNet và Profibus. Ethernet công nghiệp, dựa trên chuẩn công nghiệp, mang lại nhiều ưu thế về chi phí, bảo mật, hiệu năng và khả năng sẵn sàng cao. DeviceNet, với phương thức giao tiếp chủ/tớ và cấu hình mạng đường trục/đường nhánh, kết nối tối đa 64 trạm thiết bị cấp chấp hành, hoạt động dựa trên mô hình nhà sản xuất/người tiêu dùng. Profibus, một hệ thống bus trường phát triển tại Đức, được chuẩn hóa trong DIN 19245, kết nối thiết bị trường với thiết bị điều khiển và giám sát. Là hệ thống nhiều chủ, nó cho phép các thiết bị điều khiển tự động, trạm kỹ thuật và hiển thị cùng hoạt động trên mạng bus. AS-I, với trạm chủ duy nhất và cơ chế giao tiếp chủ/tớ, được nhắc đến như một ví dụ khác về mạng truyền thông trong công nghiệp.

Phần này đi sâu vào hai loại Profibus: Profibus-FMS và Profibus-DP. Profibus-FMS, là bus hệ thống với cấu hình nhiều chủ, cho phép các thiết bị điều khiển khả trình giao tiếp với nhau và với thiết bị trường thông minh bằng cách gửi thông báo. Dữ liệu trao đổi mang tính chất không định kỳ. Profibus-DP là hệ thống truyền thông nối tiếp tốc độ cao, đáp ứng yêu cầu thời gian thực trong trao đổi dữ liệu dưới cấp trường (giữa thiết bị khả trình, máy tính công nghiệp với thiết bị chấp hành, cảm biến). Nó hoạt động như hệ thống vào/ra phân tán, sử dụng chuẩn RS485, trao đổi dữ liệu tuần hoàn theo cơ chế chủ/tớ, bên cạnh các dịch vụ không tuần hoàn cho tham số hóa, vận hành và chuẩn đoán. Các khía cạnh kỹ thuật như cổng truyền dẫn (RS485), môi trường truyền dẫn (đôi dây xoắn), thiết bị liên kết mạng và chế độ truyền tải (hai chiều gián đoạn) được giải thích chi tiết, bao gồm cả phương pháp truy nhập bus chủ/tớ và sự kết hợp với Token-Passing để nâng cao hiệu suất.

Phần này làm rõ vai trò thiết yếu của thiết bị trường thông minh trong hệ thống tự động hóa công nghiệp hiện đại. Sự phát triển của các hệ thống tự động điều khiển quá trình đi kèm với sự ra đời và phát triển của các thiết bị đo, cảm biến, bộ khởi động… gắn liền với từng quy trình công nghệ cụ thể. Các thiết bị trường thông minh ngày càng đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao năng suất và tạo sự thống nhất cao trong toàn bộ hệ thống điều khiển. Chúng không chỉ thực hiện các chức năng đo đạc, điều khiển cơ bản mà còn tích hợp khả năng tính toán, xử lý thông tin và kết nối truyền thông. Sự đa dạng về chủng loại và tính dễ sử dụng của các thiết bị trường thông minh, đặc biệt là của hãng Siemens, được nhấn mạnh trong phần này, thể hiện xu hướng phát triển không ngừng của công nghệ trong ngành công nghiệp hiện đại.

Phần này tập trung vào thiết bị đo nhiệt độ SITRANS TF của Siemens, một thiết bị được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp. SITRANS TF đo nhiệt độ thông qua các cảm biến nhiệt điện trở hoặc cặp nhiệt ngẫu, ngoài ra còn có thể đo các đại lượng khác như điện trở hoặc điện áp. Thiết bị gồm hai bộ phận chính: module hiển thị và bộ chuyển đổi (transmitter), có thể là SITRANS TK hoặc SITRANS TK-H. Bộ chuyển đổi thu thập giá trị đo từ cảm biến nhiệt, chuyển đổi thành tín hiệu tương ứng và đưa ra tín hiệu dòng 4-20mA. Tín hiệu này được hiển thị trên module hiển thị và truyền tải tới cấp điều khiển cao hơn. Bộ chuyển đổi có thể kết nối với máy tính PC hoặc thiết bị truyền thông HART thông qua cáp hai dây, tuân thủ chuẩn giao thức HART. Mô tả chi tiết cấu tạo và nguyên lý hoạt động của thiết bị cho thấy sự tinh vi và hiệu quả của thiết bị này trong đo lường chính xác nhiệt độ.

Phần này giới thiệu thiết bị đo lưu lượng SITRANS FM (Electromagnetic-Flowmeter) của Siemens, một lưu lượng kế điện từ dùng để đo lưu lượng chất lỏng dẫn điện. Ứng dụng của SITRANS FM trải rộng trong nhiều ngành công nghiệp, như xử lý nước thải, hóa chất, dược phẩm, thực phẩm, đồ uống, sản xuất xi măng, khai thác mỏ, sản xuất giấy và thép. Cảm biến lưu lượng SITRANS FM 711/E được đề cập chi tiết với các đặc điểm nổi bật như khả năng đo hai chiều, không bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ và áp suất, phù hợp với ống có đường kính đến 2000mm, có khả năng giám sát điện cực và tích hợp bộ tiền khuếch đại SmartPlug. Thiết bị SITRANS FM Intermag 2 cũng được giới thiệu với các đặc điểm như gia công tín hiệu bằng vi điều khiển 16 bit, tự động nhận biết sensor, tích hợp giao thức Profibus PA hoặc HART, màn hình LCD, chức năng giám sát và khả năng giả lập tín hiệu. Việc mô tả các đặc điểm kỹ thuật của các thiết bị này cho thấy tính ứng dụng đa dạng và hiệu quả của chúng trong đo lường chính xác lưu lượng.

Phần này trình bày về cấu trúc phân cấp trong hệ thống truyền thông tự động hóa, bao gồm 4 cấp: Mạng công ty, mạng xí nghiệp, bus hệ thống (bus quá trình) và cấp hiện trường. Mỗi cấp có chức năng và yêu cầu khác nhau. Mạng công ty, với các công nghệ như Fast-Ethernet, FDDI, ATM, đảm bảo tốc độ cao và độ tin cậy cho việc trao đổi thông tin nội bộ và với khách hàng. Mạng xí nghiệp kết nối cấp điều hành với cấp điều khiển giám sát, xử lý lượng thông tin lớn về trạng thái quá trình, số liệu thống kê. Bus hệ thống, thường là Ethernet công nghiệp, kết nối các máy tính điều khiển và giám sát, ưu tiên phạm vi chức năng hơn thời gian phản hồi. Cấp hiện trường là nơi các thiết bị trực tiếp tương tác với quá trình sản xuất. Sự phân cấp này cho thấy sự cần thiết của các giải pháp truyền thông khác nhau để đáp ứng các yêu cầu khác biệt về tốc độ, dung lượng và tính thời gian thực ở các cấp độ khác nhau trong hệ thống tự động hóa.

Mỗi cấp trong hệ thống truyền thông có chức năng riêng biệt. Ở cấp dưới, yêu cầu về thời gian thực rất cao, đòi hỏi độ nhanh nhạy và phản hồi tức thời. Lượng thông tin trao đổi ở cấp này tuy nhỏ nhưng thời gian phản hồi là yếu tố then chốt. Các cấp trên không cần tính thời gian thực cao như cấp dưới, nhưng lại phải xử lý lượng thông tin lớn hơn nhiều. Sự khác biệt này dẫn đến việc lựa chọn các công nghệ và giao thức truyền thông khác nhau cho từng cấp. Ví dụ, mạng công ty cần tốc độ cao, độ an toàn và tin cậy, trong khi bus hệ thống cần phạm vi chức năng rộng. Việc thiết kế một hệ thống truyền thông hiệu quả đòi hỏi sự hiểu biết sâu sắc về chức năng và yêu cầu của từng cấp, từ đó lựa chọn công nghệ phù hợp để tối ưu hóa hoạt động của toàn bộ hệ thống.