1. Giao thức PROFINET và bộ điều khiển PLCNext của Phoenix Contact
PROFINET là một giao thức truyền thông công nghiệp dựa trên nền tảng Ethernet, được phát triển để đáp ứng các yêu cầu về tốc độ, độ tin cậy và khả năng tích hợp cao trong các hệ thống tự động hóa công nghiệp. Với kết nối dễ dàng qua mạng LAN, truyền dữ liệu theo thời gian thực, an toàn – tin cậy và được nhiều Nhà sản xuất thiết bị công nghiệp PLC, HMI, RTU tích hợp vào thiết bị, dẫn tới PROFINET trở thành lựa chọn lý tưởng cho các hệ thống điều khiển quan trọng.
2. Tầm quan trọng của hệ thống điều khiển có dự phòng trong tự động hóa
Trong các hệ thống tự động hóa quan trọng, chẳng hạn như nhà máy điện, trạm xử lý nước, hay dây chuyền sản xuất công nghiệp, việc đảm bảo hệ thống hoạt động liên tục và không bị gián đoạn là yếu tố then chốt. Sự cố trong hệ thống điều khiển có thể gây ra tổn thất lớn về kinh tế và ảnh hưởng đến an toàn của con người và thiết bị.
Hệ thống điều khiển có dự phòng (Redundant Control System) giúp giảm thiểu nguy cơ gián đoạn bằng cách hoạt động song song cả bộ điều khiển chính và bộ điều khiển phụ. Nếu bộ điều khiển chính gặp sự cố, hệ thống sẽ tự động chuyển sang bộ điều khiển dự phòng mà không làm gián đoạn hệ thống.
3. Thiết kế hệ thống điều khiển sử dụng PROFINET có dự phòng với PLCNext
3.1 PLCNext là gì ?
PLCNext là nền tảng điều khiển tự động hóa mở, được phát triển bởi Nhà sản xuất Phoenix Contact, kết hợp giữa công nghệ điều khiển truyền thống và các công nghệ IoT. Bộ điều khiển này hỗ trợ lập trình đa ngôn ngữ IEC61131-3, C/C++, C#, Matlab Simulink…, hỗ trợ nhiều giao thức truyền thông công nghiệp như PROFINET và cho phép thực hiện các ứng dụng tự động hóa phức tạp.
Gồm:
- Thiết bị phần cứng (PLCNext Control): dòng sản phẩm PLC hiệu suất cao, ngôn ngữ lập trình đa dạng: chuẩn IEC61131-3, ngôn ngữ lập trình C/C++, C#, Matlab Simulink. Tích hợp mã nguồn mở cho phép kết nối trực tiếp với các nền tảng điện toán đám mây.
- Thư viện lập trình (PLCNext Store): thư viện ứng dụng miễn phí do các chuyên gia Phoenix Contact cung cấp hoặc các cá nhân tạo ra. Giúp việc lập trình, tạo ứng dụng dễ dàng hơn. Tiết kiệm thời gian phát triển các dự án.
- Cộng đồng hỗ trợ (PLCNext Community): PLCNext Community được xây dựng với ý nghĩa tận dụng kiến thức đám đông. Kết nối giữa người dùng mới và các chuyên gia. Giúp tăng khả năng sáng tạo, tận dụng hết chức năng của các bộ PLCNext Control.
- Phần mềm lập trình (PLCNext Engineer): Phần mềm lập trình miễn phí duy nhất dùng để phát triển các dự án sử dụng PLCNext Control.
3.2 Cấu trúc hệ thống
Hệ thống điều khiển sẽ bao gồm:
- PLC chính (Primary PLC): Thực hiện điều khiển các thiết bị và quá trình.
- PLC dự phòng (Backup PLC): Sao lưu dữ liệu và sẵn sàng tiếp nhận quyền điều khiển khi cần thiết.
- Bộ Ethernet Switch có tính năng dự phòng MRP để cung cấp dự phòng bằng cách đảm bảo rằng chỉ một liên kết được kích hoạt để truyền dữ liệu tại một thời điểm, nhằm tránh các vòng lặp trong mạng. Trong trường hợp xảy ra sự cố (một liên kết hoặc thiết bị bị lỗi), MRP có thể khôi phục kết nối trong vòng < 200ms, tùy thuộc vào số lượng thiết bị trong vòng.
- Các thiết bị đầu cuối như cảm biến, bộ truyền động, cơ cấu chấp hành… sẽ được kết nối với các trạm IO. Cấu trúc mạng được thiết kế theo mô hình vòng (Ring Topology) để đảm bảo khả năng dự phòng mạng.
Hình 1: Mô hình cấu trúc hệ thống
3.3 Triển khai hệ thống
- Kích hoạt tính năng Redundancy và định địa chỉ IP cho các thiết bị trong mạng PROFINET.
- Cấu hình mạng dự phòng MRP cho các bộ Ethernet Switch, với bộ số 1 là Mode Manager, các bộ còn lại là Mode Client.
- Thiết lập thiết bị I/O phân tán (Distributed I/O): Các module I/O sẽ được kết nối với PLC qua mạng PROFINET để giảm thiểu việc đi dây. Cấu hình mạng dự phòng MRP và PROFINET System Redundancy hoạt động song song và độc lập với nhau.
Hình 2: Giao diện thiết lập chức năng Redundancy
3.4 Thiết bị đề xuất
Bộ PLC chính và PLC dự phòng:
- AXC F 2152 with firmware version ≥2021.0 LTS
Bộ Ethernet Switch MRP
- FL SWITCH 22xx with firmware version ≥3.00
Trạm IO Profinet:
- AXL F BK PN TPS with firmware version ≥1.31
- IL PN BK-PAC with firmware version ≥1.11
- AXC F 1152 with firmware version ≥2021.0 LTS
- AXC F 2152 with firmware version ≥2021.0 LTS
4. Kết luận
Việc thiết kế hệ thống điều khiển sử dụng giao thức PROFINET có dự phòng với bộ điều khiển PLCNext là giải pháp tối ưu cho các hệ thống tự động hóa quan trọng. Hệ thống này không chỉ giúp tăng độ tin cậy, giảm thiểu thời gian “downtime” mà còn mang lại tính linh hoạt cao trong việc lập trình và mở rộng. Nhờ đó, các doanh nghiệp có thể đảm bảo hoạt động sản xuất ổn định và nâng cao hiệu quả kinh tế.