Cấu hình hệ thống S7-1500 với I/O phân tán ET 200

Cấu hình hệ thống S7-1500 với I/O phân tán ET 200

Hệ thống trung tâm sử dụng CPU S7-1500 có hai cổng Ethernet tích hợp (PROFINET), kết nối đến các tủ phụ qua mạng công nghiệp. Ví dụ có thể chọn CPU 1515-2 PN (mã 6ES7515-2AN03-0AB0, RAM 4.5 MB). Ổ đĩa nhớ SIMATIC và nguồn 24 V SITOP phù hợp cũng cần trang bị. Để kết nối nhiều tủ phụ (5 tủ) nên dùng thêm Switch công nghiệp 10/100 Mbit. Ví dụ có thể dùng Siemens SCALANCE XC108 (8 cổng RJ45, mã 6GK5 108-0BA00-2AC2) làm hub Ethernet.

Thiết bị đề xuất

• CPU trung tâm: SIMATIC S7-1500 CPU 1515-2 PN (mã 6ES7 515-2AN03-0AB0) – CPU trung tâm, tích hợp 2 cổng PROFINET.
• Nguồn cấp 24 V: PSU SITOP 24 V phù hợp (Ví dụ: 6EP1 334-… hoặc tương đương), cung cấp cho CPU và các module I/O.
• Switch mạng PROFINET: Siemens SCALANCE XC108, 8 cổng RJ45 (mã 6GK5 108-0BA00-2AC2) – chuyển mạch Ethernet công nghiệp, cấp tín hiệu tới 5 tủ phụ.
• Tủ phụ (mỗi tủ): Sử dụng hệ thống phân tán SIMATIC ET 200SP (tủ trong tủ), bao gồm:
  • Bus Adapter (BusAdapter): ET200SP BusAdapter BA 2xRJ45 (mã 6ES7 193-6AR00-0AA0) – module giao tiếp PROFINET gắn đầu tủ, có 2 cổng RJ45.
  • BaseUnits: ET200SP BaseUnit BU15 (15 slot, mã 6ES7 193-6BP00-0BA0) dùng gắn tối đa 15 module DI. Có thể dùng thêm BaseUnit nhỏ hơn để gắn phần module còn lại.
  • Module đầu vào số (DI): Ví dụ SIMATIC ET200SP, DI 16×24 V (mã 6ES7 131-6BH01-0BA0). Mỗi module có 16 ngõ vào, tương ứng 16 tín hiệu DI.
  • Nguồn 24 V: Nguồn riêng cấp 24 V cho module ET200SP (ví dụ SITOP) trong mỗi tủ phụ.

Bảng dưới đây tóm tắt thiết bị cho trung tâm và mỗi tủ phụ (mỗi tủ ET200SP):

Trong đó, mỗi tủ phụ có ~300 tín hiệu DI. Nếu dùng module 16 DI 6ES7 131-6BH01-0BA0 (16 kênh), cần khoảng 19 module (304 DI) cho mỗi tủ. Như vậy tổng cộng hệ thống dùng khoảng 95 module DI cho 5 tủ. Nếu dùng module 32 DI (nếu chọn ET200MP thay vì SP) thì mỗi tủ cần ~10 module. Ví dụ module 32 DI (ET200MP) có mã tham khảo như 6ES7 521-1BL00-0AB0 (chi tiết xem tài liệu SIMATIC).

Chuẩn truyền thông

Với khoảng cách 20 m giữa các tủ và yêu cầu cập nhật dữ liệu ~5 phút/lần (không cần real-time cực nhanh), giải pháp PROFINET (Ethernet công nghiệp) là phù hợp. PROFINET cho phép kết nối nhiều tủ I/O phân tán, cập nhật nhanh và chẩn đoán mạng tốt. SIMATIC ET200SP/MP có thể hoạt động cả trên PROFINET và PROFIBUS, nhưng PROFINET tiện lợi hơn với mạng Ethernet; S7-1500 tích hợp sẵn giao diện PROFINET. Theo tài liệu SIMATIC, hệ thống ET200MP/IP cho phép cấu hình tập trung hoặc phân tán qua PROFINET/PROFIBUS.

Sơ đồ kết nối hệ thống (mô tả): CPU S7-1500 trung tâm nối vào Switch PROFINET (cáp Ethernet CAT5e). Switch này phân tán tín hiệu đến 5 tủ phụ (có thể bố trí hình sao hoặc vòng khép kín). Mỗi tủ phụ có BusAdapter ET200SP cắm vào mạng PROFINET. Từ BusAdapter, nối dây nội bộ đến các BaseUnit treo module DI. Ví dụ: CPU→Switch→BusAdapter của tủ 1→(các BaseUnit+module DI), tương tự cho tủ 2…5. Các module DI thu tín hiệu 24 V từ cảm biến ngoại vi vào ET200SP. Tốc độ truyền trên PROFINET (RT/IRT) sẽ đáp ứng yêu cầu quét 5 phút/tần suất.

Thiết bị mạng phụ trợ: Ngoài Switch XC108 đã nêu, có thể sử dụng Switch nhỏ hơn 5–8 cổng (ví dụ dòng SCALANCE X-100) tùy nhu cầu. Nếu cần dự phòng hoặc mở rộng tương lai, các switch hỗ trợ vòng hoặc MRP cũng có thể xem xét.

Tóm lại, cấu hình đề xuất gồm CPU S7-1500 (vd. 6ES7 515-2AN03-0AB0) làm bộ điều khiển trung tâm, kết hợp với các BusAdapter và BaseUnit ET200SP để lắp các module DI 16-ch (6ES7 131-6BH01-0BA0) cho từng tủ phụ. Chuẩn giao tiếp PROFINET được dùng giữa các tủ, kèm switch công nghiệp SCALANCE để nối mạng. Tổng cộng mỗi tủ phụ cần ~19 module 16DI và hệ thống cần ~95 module DI để phục vụ 1500 tín hiệu.

Tối ưu hoá cấu hình hệ thống S7-1500 với I/O phân tán ET 200 với chi phí thấp

Tủ trung tâm

• CPU SIMATIC S7-1500 1513-1 PN – mã: 6ES7513-1AM03-0AB0 (600 KB chương trình, 2.5 MB dữ liệu, 2 cổng PROFINET tích hợp).
• Nguồn SIMATIC PM 1507 (24 V/3 A) – mã: 6EP1332-4BA00 (cấp 24 V DC cho CPU và bus I/O.
• Chuyển mạch Ethernet công nghiệp (PROFINET switch) – ví dụ: Siemens SCALANCE XB108-2FB (8 cổng M12, unmanaged) để kết nối CPU với các tủ phụ qua mạng Ethernet công nghiệp.
• Bộ nhớ lập trình: Thẻ nhớ SIMATIC 8 MB (mã 6ES7972-0CB20-0XA0) cho CPU S7-1500.
• Cáp mạng công nghiệp: Cáp CAT5e/CAT6 STP (hoặc M12 RJ45) dùng cho liên kết PROFINET.

Tủ phụ (mỗi tủ ET200SP)

Mỗi tủ phụ bao gồm cụm I/O ET200SP để thu nhận 300 tín hiệu DI (tổng 1500 DI cho 5 tủ). Danh mục thiết bị chi tiết cho mỗi tủ phụ:

• Tổng modul DI: Mỗi tủ phụ cần 19 modul DI 16 kênh (tổng 304 kênh, dư 4 kênh so với yêu cầu 300). Với 5 tủ, tổng cộng 95 modul 16DI (tương ứng 1520 kênh DI).
• Chọn loại modul DI: Dùng modul 16 DI (6ES7131-6BH01-0BA0) vì có mật độ thích hợp; ET200SP không có modul 32 DI tiêu chuẩn.
• Căn chỉnh Bus: Các BaseUnit gắn liền và “cầu nối sang trái” (2B) để chia sẻ nguồn bus.

Giao thức truyền thông

• PROFINET được dùng để kết nối giữa CPU và các cụm I/O ET200SP. CPU 1513-1 PN có sẵn 2 cổng PROFINET (Ethernet), phù hợp cho việc kết nối nhiều thiết bị từ xa. Giao thức Ethernet (PROFINET) cho phép truyền dữ liệu nhanh và linh hoạt; tốc độ cập nhật 5 phút/lần yêu cầu không cao (không yêu cầu real-time khắt khe).
• Mạng vật lý: Dây cáp CAT5e/CAT6 STP (một sợi đôi) nối từ CPU đến switch PROFINET công nghiệp (SCALANCE) và từ switch đến từng Interface IM155-6 ở các tủ phụ. Cũng có thể daisy-chain trực tiếp nếu không dùng switch, nhưng dùng switch giúp mở rộng mạng đơn giản.
• Đề xuất thiết bị mạng: Ví dụ Siemens SCALANCE XB108-2FB (8-port M12, unmanaged) hoặc tương đương, phù hợp tiêu chuẩn PROFINET.

Sơ đồ kết nối tổng quan

Tóm tắt kết nối: CPU 1513-1 PN (tủ trung tâm) nối qua mạng Ethernet (cổng RJ45/M12) tới switch PROFINET. Từ switch, từng đường cáp Ethernet kết nối đến Interface IM 155-6 PN ST ở mỗi tủ phụ. Tại mỗi tủ phụ, IM 155-6 PN ST nối vào Server module ET200SP, kèm theo Bus Adapter. Các BaseUnit và module DI được gắn phía sau Server module này. Ví dụ (theo mô hình star hoặc cascade):

Trong đó mỗi IM155-6 PN ST chịu trách nhiệm giao tiếp PROFINET với CPU. Các BaseUnit BU15–A0 cung cấp khe lắp cho các modul DI 16 kênh.

Hệ thống sử dụng CPU S7-1500 CPU 1513-1 PN (6ES7513-1AM03-0AB0) làm trung tâm, giao tiếp với 5 tủ ET200SP qua PROFINET. Mỗi tủ phụ có cấu hình bao gồm Interface IM155-6 PN ST, Server module, BusAdapter, 19 BaseUnit loại A0 và 19 modul DI 16 kênh (6ES7131-6BH01-0BA0), cùng một bộ nguồn ET200SP 24V/5A (6EP7133-6AB00-0BN0). Tổng số thiết bị DI là 95 modul 16DI, tương đương 1520 kênh có thể đáp ứng 1500 kênh yêu cầu. Giao thức PROFINET được khuyến nghị để truyền dữ liệu giữa các tủ, đảm bảo tốc độ cập nhật phù hợp (≤5 phút) và khả năng mở rộng linh hoạt.

Tóm lại, cấu hình đề xuất gồm:

• Trung tâm: CPU 6ES7513-1AM03-0AB0, nguồn PM 6EP1332-4BA00, switch PROFINET.
• Tủ phụ: Mỗi tủ có IM155-6 (6ES7155-6AU02-0BN0), Server (6ES7193-6PA00-0AA0), BusAdapter (6ES7193-6AR00-0AA0), 19× BaseUnit (6ES7193-6BP00-0BA0) và 19× Modul DI 16 (6ES7131-6BH01-0BA0), nguồn ET200SP 6EP7133-6AB00-0BN0.
  Cấu hình trên đáp ứng 1500 tín hiệu DI, cập nhật nhanh (<5 phút), sử dụng hạ tầng PROFINET ổn định.

Nguồn tham khảo: Thông tin từ catalogue SIMATIC và tài liệu Siemens (S7-1500, ET200SP). Download Siemens S7-1500 , ET200SP Manual

So sánh CPU Siemens SIMATIC S7-1500: 6ES7515-2AN03-0AB0 (CPU 1515-2 PN) và 6ES7513-1AM03-0AB0 (CPU 1513-1 PN)

Cả hai CPU thuộc dòng SIMATIC S7-1500, dùng cho các ứng dụng tự động hóa từ trung bình đến cao cấp. Chúng có nhiều điểm giống nhau như cần thẻ nhớ SIMATIC, hỗ trợ PROFINET IRT, và tốc độ xử lý bit giống nhau (với firmware V4.0). Tuy nhiên, CPU 1515-2 PN có bộ nhớ lớn hơn, thêm một cổng PROFINET, và phù hợp với các hệ thống lớn hơn. CPU 1515-2 PN cũng có các chứng nhận đặc biệt (như Lloyds Register cho ứng dụng hàng hải) theo mục 109817466 trên support.industry.siemens.com, trong khi CPU 1513-1 PN có thể có chứng nhận tương tự nhưng không được đề cập rõ.

Dưới đây là bảng so sánh dễ hiểu:

Điểm khác biệt chính và gợi ý chọn mua

• Hiệu suất và khả năng mở rộng: Cả hai có tốc độ xử lý giống nhau, nhưng CPU 1515-2 PN hỗ trợ nhiều phần tử chương trình hơn (8,000 so với 4,000) và bộ nhớ lớn hơn, phù hợp cho các chương trình phức tạp hoặc cần nhiều dữ liệu.
• Kết nối mạng: CPU 1515-2 PN có thêm cổng PROFINET, tiện cho việc tách biệt mạng (ví dụ: một cổng cho I/O, một cổng cho giao tiếp cấp cao), phù hợp với hệ thống mạng phức tạp.
• Kích thước và tiêu thụ điện: CPU 1513-1 PN nhỏ gọn hơn (rộng 35 mm so với 70 mm) và tiêu thụ ít điện hơn, thích hợp cho hệ thống nhỏ hoặc tiết kiệm năng lượng.
• Ứng dụng phù hợp:
  • Chọn CPU 1513-1 PN cho các hệ thống vừa và nhỏ, không cần bộ nhớ quá lớn hoặc nhiều cổng mạng.
  • Chọn CPU 1515-2 PN cho các hệ thống lớn, cần mở rộng trong tương lai, hoặc yêu cầu nhiều kết nối mạng.