- Trang Chủ
- Điện - Điện tử
- Thiết kế hệ thống giám sát dây chuyền sản xuất công nghiệp thời gian thực sử dụng công nghệ PLC tích hợp trên nền giao thức IP
Xem mẫu
- HộiHội
Thảo Quốc
Thảo GiaGia
Quốc 2015
2015vềvềĐiện
ĐiệnTử,
Tử,Truyền
TruyềnThông CôngNghệ
Thông và Công NghệThông
ThôngTinTin (ECIT
(ECIT 2015)
2015)
Thiết Kế Hệ Thống Giám Sát Dây Chuyền Sản Xuất
Công Nghiệp Thời Gian Thực Sử Dụng Công Nghệ
PLC Tích Hợp Trên Nền Giao Thức IP
Đỗ Trọng Tuấn1†, Phạm Gia Điềm2†, Phạm Hoàng Anh1, Đào Văn Toàn1,
Nguyễn Việt Đức1, Phạm Tiến Đạt1, Lê Bảo Sơn1, Lê Anh Tuấn Dương1
1
Viện Điện tử Viễn thông, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
2
Viện Cơ khí Động lực, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
†
Emails: {tuan.dotrong, diem.phamgia}@hust.edu.vn
Abstract— Trong bài báo này, chúng tôi đề xuất giải pháp thực - Hệ thống phần cứng trên nền công nghệ PLC tích hợp
thi một mô hình hệ thống giám sát dây chuyền sản xuất công với các IC số nhằm cập nhật sản phẩm, hiển thị các số liệu liên
nghiệp EMS (Electronic Monitoring System) theo thời gian thực quan của mỗi dây truyền sản xuất lên bảng điện tử, đồng thời
sử dụng công nghệ PLC (Programable Logic Control) tích hợp cung cấp toàn bộ các số liệu về hệ thống quản lý cơ sở dữ liệu
trên nền giao thức IP. Các kết quả kiểm thử hệ thống lắp đặt và
thông qua qua mạng LAN.
thực nghiệm tại nhà máy cho thấy giải pháp đề xuất là khả thi và
đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật khi hoạt động trong môi - Hệ thống quản lý cơ sở dữ liệu: Giám sát, quản lý
trường thực tế của các dây chuyền sản xuất công nghiệp. toàn bộ hệ thống bằng cơ sở dữ liệu SQL, giao tiếp với hệ
thống phần cứng qua mạng LAN sử dụng giao thức Modbus
Keywords- PLC, hệ thống thời gian thực, giao thức IP TCP/IP [8][9][10].
- Giao diện người dùng trên nền Web: Kết nối tới cơ sở
I. GIỚI THIỆU dữ liệu, cho phép người dùng nhập kế hoạch sản xuất, theo dõi
Trong những năm gần đây, công nghệ PLC [1][2][3] được các số liệu trong thời gian thực và xuất số liệu ra định dạng
áp dụng rất phổ biến trong các hệ thống công nghiệp do tính ổn Excel thuận tiện cho việc theo dõi quản lý theo chu kỳ.
định, đồng bộ, dễ sửa chữa, độ tin cậy cao. PLC thông thường
được sử dụng để giải quyết các bài toán điều khiển tự động.
Trong bài báo này, chúng tôi đề xuất và thực thi một mô hình
hệ thống giám sát dây chuyền sản xuất công nghiệp theo thời
gian thực EMS sử dụng công nghệ PLC tích hợp trên nền giao
Hình 1. Kiến trúc hệ thống EMS
thức IP. Ưu điểm của giải pháp PLC tích hợp trên nền giao
thức IP so với các phương thức truyền thống sử dụng MCU B. Các thành phần chức năng
(Micro Controller Unit) là tốc độ truyền thông cao, các thông Trong phần này, chúng tôi mô tả các thành phần chức năng
số cập nhật tức thời; hoạt động tốt trong môi trường độ ẩm chi tiết trong đã được triển khai thực tế tại nhà máy như thể
nhiệt độ cao, nhiều nhiễu điện từ trường [4][5][6][7]. Hệ thống hiện hình 2. Hệ thống gồm có 4 khối chức năng: khối cập nhật
thiết kế thực hiện các chức năng: theo dõi số lượng sản phẩm số liệu tại mỗi dây chuyền sản xuất, khối hiển thị số liệu, khối
sản xuất được tại các dây chuyền sản xuất trong nhà máy công xử lý phân tán theo cụm, và khối quản lý theo dõi thông tin.
nghiệp, hiển thị trực quan các thông số lên bảng điện tử, đồng
thời lưu và quản lý tất cả thông số thu được trên cơ sở dữ liệu
đặt tại máy chủ theo thời gian thực.
Phần nội dung của bài báo được tổ chức như sau: phần II
trình bày mô hình hệ thống EMS và phân tích các thành phần
chức năng của hệ thống. Phần III đưa ra thiết kế chi tiết dựa
trên kiến trúc mô hình đề xuất. Mô hình thực nghiệm và kết
quả đã triển khai được trình bày trong mục IV. Cuối cùng, kết
luận về giải pháp thiết kế được thể hiện trong phần V.
II. MÔ HÌNH HỆ THỐNG EMS
A. Kiến trúc hệ thống EMS
Mô hình thiết kế kiến trúc hệ thống EMS bao gồm 3 thành
phần chính theo như hình 1:
Hình 2. Các thành phần chức năng của hệ thống
425
ISBN: 978-604-67-0635-9 425
- HộiHội
Thảo Quốc
Thảo Gia
Quốc 2015
Gia 2015về
vềĐiện
Điện Tử,
Tử,Truyền
Truyền Thông vàCông
Thông và CôngNghệ
Nghệ Thông
Thông TinTin (ECIT
(ECIT 2015)
2015)
- Khối cập nhật số liệu tại các dây chuyền sản xuất: Tại bộ phận nhập kho, một thiết bị nhập liệu chuyên dụng
khi hoàn thành một sản phẩm (đáp ứng đúng và đủ các tiêu chí cho phép nhập số lượng sản phẩm, thiết bị này cũng không trực
do mỗi nhà máy đưa ra) thì tại mỗi dây chuyền sản xuất hệ tiếp thực hiện xử lý dữ liệu. Bộ xử lý được sử dụng là PLC của
thống sẽ cập nhật thông số lên bảng hiển thị. hãng Siemens [11], là thiết bị duy nhất xử lý số liệu, mỗi bộ xử
- Khối hiển thị các số liệu: sau khi các thông số được lý cho phép quản lý và điều khiển nhiều dây chuyền sản xuất
truyền từ dưới các dây chuyền lên thì sẽ được hiển thị ngay tại cùng lúc. Các bộ xử lý được nối với nhau và nối vào cùng
đầu mỗi dây chuyền sản xuất (Production Line). Đồng thời mạng LAN với máy chủ “Server” thông qua các bộ chia mạng
các số liệu này sẽ được truyền về “cụm xử lý phân tán”. hợp chuẩn công nghiệp.
- Khối xử lý phân tán theo cụm: do một nhà máy có rất
nhiều dây chuyền sản xuất, nên việc chia các dây chuyền về
từng cụm để đảm bảo khả năng đáp ứng và khoanh vùng xử lý
lỗi khi có phát sinh. Trong hệ thống triển khai thực tế tại nhà
máy có 35 dây chuyền sản xuất và được chia thành “5 cụm xử
lý phân tán”
- Khối quản lý theo dõi thông tin: sau khi luồng dữ liệu
được xử lý tại các cụm phân tán thì sẽ được truyền về Server
để tiến hành quản lý theo dõi thông tin tại trung tâm điều hành
hoặc theo dõi từ xa qua giao diện web.
III. THIẾT KẾ CHI TIẾT
A. Hệ thống phần cứng
Hình 4: Các lớp chương trình lập trình cho PLC
Trong phần này sẽ trình bày mô hình thiết kế chi tiết phần
cứng của hệ thống phần cứng và khối PLC. Hệ thống phần Theo Hình 4, PLC điều khiển hệ thống được lập trình để
cứng gồm có bảng điện tử hiển thị, bộ phận ghép nối với dây thực hiện nhiều công việc song song, do đó đáp ứng được việc
chuyền sản xuất, bộ xử lý được thể hiện Hình 3. Bảng điện tử giám sát nhiều dây chuyền cùng lúc, đồng thời cũng điều khiển
có chức năng nhận dữ liệu từ bộ xử lý để hiển thị số liệu, ghép số bảng hiển thị tương ứng và giao tiếp với server qua mạng.
nối với dây chuyền để đếm sản phẩm. Bảng điện tử được thiết Việc điều khiển hiển thị và đếm sản phẩm hay giao tiếp được
kế sử dụng các IC số thực hiện giải mã dữ liệu, không thực thực hiện song song, cũng có nghĩa là việc cập nhật giá trị qua
hiện chức năng xử lý nào, do đó giảm nguy cơ lỗi do nhiễu tác mạng hay điều khiển hiển thị không làm ảnh hưởng đến quá
động đến linh kiện điện tử. Bộ phận ghép nối được ghép với trình đếm sản phẩm tại dây chuyền.
dây chuyền tại vị trí máy kiểm tra ở cuối dây chuyền, cho phép
B. Phần mềm
đếm khi sản phẩm đạt chất lượng.
Phần mềm của hệ thống gồm có 2 phần chính: phần mềm
điều khiển và phần giao diện người dùng trên nền website,
được đồng bộ với nhau bằng cơ sở dữ liệu SQL được trình bày
như Hình 5.
Hình 5. Sơ đồ kiến trúc phần mềm
- Phần mềm điều khiển (phần mềm Server) có chức
năng giao tiếp với các PLC qua giao thức Modbus TCP/IP.
Cập nhật và kiểm tra các thông số trên PLC ghi vào cơ sở dữ
liệu SQL [12][13][14]. Cũng như kiểm tra các yêu cầu thiết
lập từ Website đã được lưu trong database để đưa lên PLC.
Phần mềm Server thực thi chức năng kết nối phía người giám
sát thông qua website và hệ thống giám sát phần cứng (PLC).
- Phần giao diện người dùng trên nền website có chức
năng nhập/sửa kế hoạch, theo dõi số liệu dây chuyền trong
thời gian thực trên giao diện web, xuất dữ liệu ra dạng file
Excel.
- SQL database được sử dụng để lưu trữ các thông số
sản xuất của mỗi dây chuyền. SQL có khả năng lưu trữ an toàn
và tương thích với phần mềm Server cũng như Website. Có
Hình 3. Sơ đồ kiến trúc phần cứng
426
426
- HộiHội Thảo
Thảo QuốcGia
Quốc Gia2015
2015về
vềĐiện
Điện Tử,
Tử,Truyền
Truyền Thông
Thông và
vàCông
CôngNghệ
NghệThông TinTin
Thông (ECIT 2015)
(ECIT 2015)
khả năng chia sẻ khi cần thiết. Mô hình được minh họa theo điểm là có thể dễ dàng để người dùng hiểu được dữ liệu đang
Hình 5. Theo tính toán toàn bộ hệ thống hoạt động sẽ đáp ứng truyền (Bảng 3).
các ràng buộc về thời gian như Bảng 1.
Bảng 3. Định dạng Modbus ASCII [18]
Bảng 1. Chỉ tiêu đáp ứng của hệ thống
Tên Độ dài (byte) Chức năng
STT Chỉ tiêu kỹ thuật Thông số Start 1 Bắt đầu bằng 0x3a
1 Thời gian trễ đáp ứng đối với 1 dây 100 ms Address 2 Địa chỉ node cần tác động
chuyền Function 2 Mã chức năng
2 Thời gian trễ đáp ứng đối với 7 dây 500 ms
Data nx2 Dữ liệu phụ thuộc loại bản tin.
chuyền (tương ứng với 1 PLC)
3 Thời gian trễ đáp ứng đối với 35 dây 2000 ms LRC 2 Checksum
chuyền (tương ứng với 7 PLC) End 2 Kết thúc là 0x0d và 0x0a
4 Khoảng cách truyền thông sử dụng dây 100 m
CAT5
Modbus TCP [9]: Định dạng được thiết kế để sử dụng trên
mạng Ethernet. Dữ liệu truyền được định dạng dưới dạng mã
B.1. Giao thức Modbus hexadecimal (Bảng 4).
Được phát triển từ 1979, Modbus là một giao thức truyền Bảng 4. Định dạng Modbus TCP [9]
thông nối tiếp được phát triển và ứng dụng nhiều trên PLC
Độ dài
[16]. Với lợi thế về sự đơn giản, linh hoạt và độ tin cậy, Tên Chức năng
(Byte)
Modbus hiện nay được xem như là một trong các phương tiện
kết nối phổ biến trên các thiết bị điện tử công nghiệp. Modbus Transaction Đồng bộ bản tin giữa
2
identifier server và client
hoạt động theo cơ chế “Master/Slave”. Mỗi node mạng được
gán một địa chỉ duy nhất. Trong đường truyền nối tiếp và Protocol identifier 2 0 đối với Modbus/TCP
Modbus+, chỉ “node master” có thể ra lệnh. Với mạng Số byte còn lại trên
Length field 2
Ethernet, bất kỳ thiết bị nào cũng có thể gửi lệnh Modbus. Tuy khung
nhiên, thường sẽ có một thiết bị được gán là master. Một lệnh Dữ liệu phụ thuộc loại
Unit identifier 1
Modbus sẽ chứa địa chỉ của node được chỉ định (từ 1 - 247). bản tin.
Chỉ thiết bị ở node đó hoạt động theo lệnh, mặc dù các node Function code 1 Mã chức năng
khác cũng có thể nhận được lệnh. Tất cả các lệnh Modbus chứa Data bytes n Dữ liệu phản hồi/lệnh
thông tin checksum cho phép phía nhận phát hiện lỗi truyền.
Dữ liệu được truyền trên giao thức Modbus tuân theo một định
dạng được chuẩn hóa, bao gồm một đơn vị dữ liệu giao thức
(PDU), gán trên một đơn vị dữ liệu ứng dụng (ADU):
PDU = Mã chức năng (Function code) + dữ liệu
ADU = Địa chỉ + PDU + Mã sửa sai
Tất cả các biến thể Modbus đều sử dụng một trong 3 loại
định dạng bản tin sau:
Modbus RTU [17]: Dữ liệu được truyền đi theo bus nối
tiếp, sử dụng chủ yếu trên các đường truyền 8 bit không đồng
bộ như RS-485 (Bảng 2).
Bảng 2. Định dạng Modbus RTU [17]
Tên Độ dài (bit) Chức năng
Start 28
Address 8 Địa chỉ node cần tác động
Function 8 Mã chức năng
Data nx8 Dữ liệu phụ thuộc loại bản tin
CRC 16 Mã CRC Hình 6. Sự khác biệt giữa định dạng Modbus TCP với Mobbus truyền
End 28 thống [16] [17] [18]
Mã CRC của định dạng Modbus RTU có đa thức sinh là
x16 + x15 + x2 + 1
Modbus ASCII [18]: Dữ liệu được truyền đi theo bus nối
tiếp, sử dụng chủ yếu trên các đường truyền 7 hoặc 8 bit không
đồng bộ. Dữ liệu truyền được định dạng dưới dạng mã
hexadecimal (theo bảng mã ASCII). Modbus ASCII có ưu
427
427
- HộiHội
Thảo Quốc
Thảo Gia
Quốc 2015
Gia 2015vềvềĐiện
ĐiệnTử,
Tử,Truyền
TruyềnThông và Công
Thông và CôngNghệ
NghệThông
ThôngTinTin (ECIT
(ECIT 2015)
2015)
Application
server
PLCs
SQL database
manager
Website
Hình 7. Đóng gói dữ liệu trên mô hình TCP/IP [9]
Hình 9: Sơ đồ tổng quan hệ thống phần mềm
B.3. Phần mềm Server
Phần mềm Server sử dụng giao tiếp với các PLC bằng giao
thức Modbus TCP/IP. Các PLC được đánh địa chỉ nằm trong
dải địa chỉ cho phép của mạng LAN trong nhà máy. Phần mềm
Server nằm trên máy chủ cùng mạng do đó có thể giao tiếp
đồng thời với nhiều PLC với độ chính xác và tốc độ theo chuẩn
Ethernet. Phần mềm hoạt động tốn ít tài nguyên hệ thống của
máy tính, quản lý tài nguyên tốt giúp nó có thể hoạt động lâu
dài trên máy chủ. Phần mềm Server thực hiện các chức năng
hoạt động sau:
Hình 8. Cấu trúc gói tin TCP. ADU đóng vai trò là phần dữ liệu của Gửi các thông báo trạng thái Run hay Stop cho từng dây
gói tin này [9] chuyền dựa trên thời gian sản xuất được thiết lập trước.
Định dạng gói tin Modbus TCP không chứa phần mã sửa Gửi các tham số để PLC theo dõi và tính toán ứng với từng
lỗi (CRC hay checksum). Theo như mô hình TCP/IP (hoặc mô dây chuyền khi bắt đầu một phiên sản xuất mới.
hình OSI), gói tin Modbus TCP thuộc về lớp ứng dụng Ngược lại trong quá trình sản xuất phần mềm sẽ đọc các
(Application Layer). Phần mã sửa sai của gói tin được chuyển giá trị về sản lượng và một số thông tin phụ khác để đánh
xuống các lớp bên dưới đảm nhiệm. giá tốc độ/năng suất của dây chuyền.
Tính toán một số thông số sẽ được hiển thị trên website để
B.2. Sơ đồ hoạt động tổng quan hệ thống phần mềm
người giám sát có đánh giá trực quan về tiến độ sản xuất
Toàn bộ phần mềm của hệ thống được mô tả như trong hình của từng dây chuyền.
12. Gồm có các tầng: tầng ứng dụng Server, tầng SQL Tính năng khác còn cho phép người giám sát (được bảo
database, tầng giao diện người dùng. mật chỉ cho người giám sát) có thể điều khiển thay đổi một
Tầng ứng dụng Server: số thông số trên thiết bị hiển thị mà PLC điều khiển.
Thiết lập thông số cho PLC
Cập nhật giá trị từ PLC trong ca sản xuất
Cập nhật database
Tính toán các giá trị theo dõi trực quan…
Tầng SQL database
Lưu trữ dữ liệu thiết lập cho từng dây chuyền
Trung gian giữa website và phần mềm
Tầng giao diện người dùng
Nhập các thông số cho dây chuyền
Hiển thị thông số theo dõi
Xem và xuất báo cáo
Hình 10. Giao diện chương trình Server
428
428
- HộiHội
Thảo Quốc Gia 2015 về Điện Tử, Truyền Thông và Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015)
Thảo Quốc Gia 2015 về Điện Tử, Truyền Thông và Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015)
Giao diện phần mềm Server được thiết kế hoạt động đơn giản hay giám sát nhập trước thông số cho các dây chuyền trước
và giảm thiểu lỗi quy trình vận hành cho nhân viên kỹ thuật nhiều ngày. Ngoài việc nhập liệu trực tiếp từ giao diện
(Hình 10). Mặc định chương trình sẽ được chạy với chế độ tự Website quản lý thì có thể nhập bằng form mẫu cho trước
động (Auto mode), người vận hành chỉ cần bật phần mềm và bằng Excel. Điều này tạo thuận tiện cho người quản lý. Phần
cập nhật dữ liệu thông qua website mà không cần tác động mềm cũng hỗ trợ chức năng xem lại các thông số sản xuất của
thêm đến phần mềm ngoài một số lựa chọn về thời gian cho ca sản xuất trước đã được lưu trữ trong database hoặc xuất kết
các ứng dụng xuất file excel và thời gian khởi động ca làm việc quả giám sát của ngày trước hoặc thời điểm hiện tại ra file
mới nếu muốn thay đổi. Chế độ vận hành thủ công cho phép Excel cũng như khả năng tùy chỉnh một vài thông số trong quá
nhân viên kỹ thuật có thể vận hành từng khâu thiết lập trước ca trình sản xuất.
sản xuất và theo dõi phản hồi trực tiếp trên giao diện phần mềm
để biết được tình trạng hệ thống và có phương án khắc phục. IV. THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ
Sau khi đã tiến hành nghiên cứu và đưa ra mô hình phần
cứng và phần mềm chúng tôi đã tiến hành thực thi toàn bộ hệ
thống trên dây truyền thực. Bộ xử lý được sử dụng là PLC S7-
1200 1214C của hãng Siemens (Hình 13a), với thông số cơ
bản: Bộ xử lý PLC gồm có 14 đầu vào, 10 đầu ra (có thể mở
rộng lên tới 144 đầu vào, 140 đầu ra tùy vào các modun mở
rộng mà hãng Siemens hỗ trợ. Tốc độ thực hiện 40ns/lệnh.
Trong mô hình hệ thống, PLC là thiết bị chịu trách nhiệm xử lý
số liệu phân tán. Mỗi bộ xử lý hiện cho phép quản lý và điều
khiển tối đa 7 dây chuyền cùng lúc.
Hình 11. Giao diện trang nhập liệu
B.4. Phần mềm quản trị và theo dõi thông tin
Phần mềm quản trị và theo dõi thông tin thực hiện trên nền
(a) PLC Siemens S7-1200 [2] (b) Bộ chuyển mạch IP
Website có 2 chức năng chính là nhập liệu và xuất dữ liệu.
Khâu nhập liệu (Hình 11) nhằm thực thi chức năng nhập các Hình 13. PLC Siemens S7-1200 [2]
thông số sản xuất của từng dây chuyền trước mỗi ca sản xuất Các bộ xử lý được nối với nhau và nối vào cùng mạng LAN
cũng như hiệu chỉnh các thông số trong ca sản xuất. Các thông với máy chủ (server) thông qua các bộ chuyển mạch IP đạt
số này bao gồm: thời gian hoạt động của các kíp sản xuất trong chuẩn công nghiệp của hãng Siemens [3] (Hình 13b).
ca, sản lượng yêu cầu từng dây chuyển, số dây chuyền tham gia
vào quá trình sản xuất theo, các thông số về mục tiêu sản
lượng.
Hình 14. Thử nghiệm hệ thống tại phòng thí nghiệm
Hình 12. Giao diện trang theo dõi sản lượng
Khâu xuất dữ liệu (Hình 12) thể hiện chức năng hiển thị thông
số sản xuất được cập nhật từ phần mềm Server và lưu trên
database trong quá trình sản xuất từ các dây chuyền như: sản
lượng hiện thời, tốc độ sản xuất so với dự kiến (tính theo %),
sản lượng trong từng khung giờ và tiến độ làm việc của từng
dây chuyền, thông số này được thể hiện trực quan bằng màu Hình 15. Lắp đặt hệ thống tại nhà máy
sắc (xanh, vàng và đỏ). Phần mềm cho phép người vận hành
429
429
- Hội Thảo Quốc Gia 2015 về Điện Tử, Truyền Thông và Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015)
Hội Thảo Quốc Gia 2015 về Điện Tử, Truyền Thông và Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015)
Hệ thống được xây dựng kiểm thử tại phòng thí nghiệm (Hình V. KẾT LUẬN
14) và lắp đặt, thực nghiệm tại nhà máy (Hình 15) có môi PLC là giải pháp công nghệ có ưu điểm dễ tích hợp và hoạt
trường nhiệt độ cao, chịu ảnh hưởng của nhiễu điện từ trường động ổn định trong môi trường công nghiệp. Bài báo trình bày
do các máy biến tần, động cơ trong nhà máy gây ra trong kết quả nghiên cứu triển khai thiết kế hệ thống giám sát thời
khoảng thời gian 6 tháng (2/2015-8/2015). Kết quả hệ thống gian thực dây chuyền sản xuất công nghiệp sử dụng công nghệ
họat động ổn định (không bị mất kết nối trong thời gian chạy PLC tích hợp trên nền giao thức IP. Các kết quả kiểm thử cho
thử nghiệm), tính tự động hóa cao (chỉ cần nhập kế hoạch sản thấy giải pháp đề xuất là khả thi, đáp ứng được các chỉ tiêu kỹ
xuất 1 lần cho 1 tháng và lưu giữ bởi cơ sở dữ liệu trực tuyến), thuật khi hoạt động trong môi trường thực tế của các dây
sai số
nguon tai.lieu . vn
