Hệ thống tự động hóa SIMATIC là dải sản phẩm tự động hóa của Siemens được xếp thành các lớp: cấp trường với I/O phân tán ET 200 và biến tần SINAMICS, cấp điều khiển với PLC S7-1200 và S7-1500, cấp giám sát với HMI Panel và máy tính công nghiệp SIMATIC IPC chạy WinCC, mạng PROFINET với switch SCALANCE nối các cấp, và phần mềm TIA Portal cấu hình toàn bộ trong một dự án. Máy tính công nghiệp không phải là toàn bộ hệ thống mà chỉ là một lớp trong đó, và giá trị của nó phụ thuộc vào việc được đặt đúng lớp. Bài này mô tả từng lớp, tên dòng sản phẩm Siemens ở mỗi lớp, yêu cầu kỹ thuật khi thiết kế và vị trí của IPC. Chi tiết các họ máy Rack, Box, Panel PC có ở bài giới thiệu máy tính SIMATIC IPC Siemens, bài này không nhắc lại.
1. Hệ thống tự động hóa SIMATIC gồm những lớp nào
Siemens sắp xếp SIMATIC theo mô hình kim tự tháp tự động hóa quen thuộc: dưới cùng là cảm biến và cơ cấu chấp hành, trên đó là điều khiển, giám sát, quản lý sản xuất và quản lý doanh nghiệp. Khác với hệ thống ghép từ nhiều hãng, toàn bộ các lớp SIMATIC được cấu hình trong một dự án TIA Portal và giao tiếp trên cùng mạng PROFINET, nên chẩn đoán đi xuyên suốt từ một kênh I/O lỗi tới màn hình vận hành. Khái niệm chung về các cấp điều khiển được giải thích ở bài hệ thống điều khiển công nghiệp là gì.
| Lớp | Dòng sản phẩm Siemens | Nhiệm vụ | Vai trò của SIMATIC IPC |
|---|---|---|---|
| Cấp trường | I/O phân tán ET 200SP, ET 200MP; biến tần SINAMICS G, SINAMICS S; cảm biến, cơ cấu chấp hành nối PROFINET hoặc IO-Link | Đọc tín hiệu, đóng cắt, điều khiển động cơ | Không trực tiếp; IPC nhận dữ liệu qua PLC hoặc đọc thẳng thiết bị PROFINET khi chạy bộ điều khiển mềm |
| Cấp điều khiển | PLC S7-1200, S7-1500, S7-1500 F cho an toàn; S7-1500 Software Controller | Logic, chuyển động, an toàn chức năng, thời gian thực | Chạy S7-1500 Software Controller thay PLC phần cứng trên model được hỗ trợ |
| Cấp giám sát | HMI Comfort Panel, Unified Panel; SIMATIC IPC chạy WinCC Runtime Advanced, Professional, Unified; thin client ITC | Vận hành tại máy, SCADA, lưu dữ liệu, cảnh báo | Panel PC làm HMI tại máy; Rack IPC làm máy chủ WinCC; ITC hiển thị từ xa |
| Cấp quản lý | OPC UA từ PLC và WinCC; Industrial Edge; kết nối MES, ERP, đám mây | Gom dữ liệu sản xuất, phân tích, báo cáo | Box IPC làm cổng dữ liệu, chạy MES client, phân tích tại biên |
| Mạng | PROFINET, PROFIBUS; switch SCALANCE X, bộ định tuyến bảo mật SCALANCE S, không dây SCALANCE W | Nối mọi lớp, dự phòng, phân vùng bảo mật | Cổng Gigabit IE/PN trên IPC tham gia mạng PROFINET; PROFIBUS qua card CP |
| Phần mềm kỹ thuật | TIA Portal gồm STEP 7, WinCC, Startdrive; SIMATIC IPC DiagBase, DiagMonitor | Cấu hình, lập trình, chẩn đoán toàn hệ | IPC là trạm kỹ thuật chạy TIA Portal và là đối tượng được cấu hình trong dự án |
Hai lớp cần nói kỹ hơn. PLC là bộ não của cấp điều khiển và được giải thích ở bài PLC là gì; trong hệ SIMATIC, S7-1200 dùng cho máy đơn và S7-1500 cho dây chuyền, có bản F tích hợp an toàn chức năng. SCADA là phần mềm của cấp giám sát và được giải thích ở bài hệ thống SCADA là gì; trong hệ SIMATIC, SCADA là WinCC chạy trên IPC.
2. Yêu cầu kỹ thuật khi thiết kế hệ thống tự động hóa SIMATIC
Bảng dưới liệt kê tiêu chí cần chốt ở giai đoạn thiết kế, vì thay đổi sau khi đặt hàng thường kéo theo đổi mã sản phẩm. Số liệu IPC theo model IPC247 đang phân phối.
| Tiêu chí | Yêu cầu | Thiết bị SIMATIC liên quan |
|---|---|---|
| Mạng | PROFINET cho cấp máy; vòng dự phòng MRP cho dây chuyền không được dừng; tách mạng điều khiển khỏi mạng nhà máy | SCALANCE X có quản lý; IPC677E có 3 cổng Gigabit, IPC347E và IPC377E có 2 cổng |
| Nguồn | 24 V DC ổn định cho PLC, HMI, Box IPC; dự phòng nguồn cho máy chủ | Nguồn SITOP; IPC327E, IPC377E, IPC427E dùng 24 V DC; IPC347E 100–240 V AC; IPC627E có cả hai |
| Dải nhiệt | Tủ điện kín tới 50–55 °C; phòng điều khiển có điều hoà | IPC327E 0–50 °C, IPC427E 0–55 °C không quạt; IPC677E tới 45 °C |
| Rung, sốc | Lắp DIN rail hoặc tường trong tủ máy; khoá đầu cắm | Box IPC không bộ phận quay, lưu trữ CFast hoặc SSD |
| Bụi, ẩm | IP20 trong tủ; mặt trước IP65 cho thiết bị gắn ngoài tủ | Panel PC IPC377E, IPC677E mặt trước IP65, phía sau IP40 |
| An toàn chức năng | Dừng khẩn, cửa bảo vệ, vùng robot theo PROFIsafe | PLC S7-1500 F, ET 200SP F; IPC không thay thế phần an toàn |
| Bảo mật | Phân vùng mạng, tài khoản người dùng trong TIA Portal, cập nhật hệ điều hành có kiểm soát | SCALANCE S; hệ điều hành Windows LTSC bản Siemens trên IPC |
| Vận hành 24/7 | Watchdog, RAID 1 cho máy chủ, cảnh báo phần cứng trước khi hỏng | DiagBase, DiagMonitor; IPC677E RAID 1 tích hợp; IPC627E, IPC677E có Intel AMT |
| Chứng chỉ | CE, UL; ATEX cho vùng nguy hiểm; hàng hải nếu có | ITC1500 có phiên bản vùng nguy hiểm; model khác tra tài liệu Siemens |
3. Cách chọn thành phần và đặt IPC đúng lớp
Thiết kế hệ thống SIMATIC đi từ dưới lên, còn máy tính công nghiệp được quyết định gần cuối, sau khi đã rõ phần mềm nào phải chạy ở đâu.
- Đếm tín hiệu và trục: số I/O số, tương tự, số động cơ cần biến tần. Từ đó ra số trạm ET 200 và số SINAMICS.
- Chọn PLC: S7-1200 cho máy đơn ít trục; S7-1500 cho dây chuyền, nhiều trục, có an toàn chức năng; S7-1500 Software Controller trên IPC khi muốn gộp điều khiển và ứng dụng PC vào một thiết bị.
- Chọn giao diện vận hành: HMI Panel khi chỉ hiển thị và thao tác; Panel PC khi cần hệ điều hành đầy đủ tại máy; thin client ITC khi cần thêm điểm hiển thị cho IPC đã có.
- Chọn máy chủ giám sát: Rack IPC chạy WinCC Professional khi cần lưu dữ liệu lâu, nhiều màn hình, card mở rộng; bỏ qua nếu hệ chỉ có vài máy đơn.
- Chọn cổng dữ liệu: Box IPC hoặc Industrial Edge khi cần đẩy dữ liệu lên MES, ERP, đám mây mà không chạm vào PLC.
- Thiết kế mạng: số cổng switch SCALANCE, vòng dự phòng, phân vùng bảo mật, rồi đối chiếu số cổng mạng trên từng IPC.
Bảng dưới tóm tắt ranh giới giữa ba loại thiết bị hay bị chọn nhầm.
| Nhiệm vụ | Thiết bị SIMATIC phù hợp | Không nên dùng |
|---|---|---|
| Điều khiển logic, chuyển động, an toàn | PLC S7-1200, S7-1500; Software Controller trên IPC427E, IPC627E cho máy đơn không có yêu cầu an toàn đặc biệt | Máy tính chạy Windows thuần cho vòng điều khiển thời gian thực |
| Vận hành tại máy, vài trăm tag | HMI Comfort hoặc Unified Panel | Panel PC chỉ để hiển thị vài màn hình đơn giản |
| Vận hành tại máy kèm lưu dữ liệu, thị giác, MES client | Panel PC IPC377E, IPC677E | HMI Panel không cài được phần mềm thứ ba |
| SCADA, lưu dữ liệu nhiều năm, nhiều màn hình | Rack IPC347E chạy WinCC Professional | Box IPC không có khe mở rộng và ổ dự phòng |
| Thêm điểm hiển thị cho máy chủ đã có | Thin client ITC1500 | Thêm một IPC đầy đủ chỉ để hiển thị |
4. Ví dụ triển khai hệ thống tự động hóa SIMATIC
Dây chuyền lắp ráp mới, toàn bộ Siemens. Bài toán: mười hai trạm, hai robot, băng tải nhiều trục, yêu cầu an toàn vùng robot, một phòng điều khiển. Thiết bị: S7-1500 F cho toàn dây chuyền, ET 200SP tại mỗi trạm, SINAMICS cho băng tải, HMI Comfort Panel tại trạm thường và Panel PC IPC677E tại trạm có hướng dẫn thao tác, Rack IPC SIMATIC IPC347E chạy WinCC Professional ở phòng điều khiển, switch SCALANCE X nối vòng. Kết quả kỳ vọng: một dự án TIA Portal cho toàn dây chuyền, lỗi kênh I/O hiển thị tới tận màn hình vận hành.
Nâng cấp nhà máy cũ, thêm lớp giám sát. Bài toán: các máy đang chạy PLC S7 thế hệ cũ, không muốn thay chương trình, chỉ cần thu dữ liệu và hiển thị tập trung. Thiết bị: Box IPC SIMATIC IPC427E đặt tủ điện tổng, đọc PLC qua PROFINET hoặc PROFIBUS bằng card CP, chạy WinCC RT Advanced hiển thị tại chỗ và đẩy dữ liệu qua OPC UA lên MES. Kết quả kỳ vọng: có lớp giám sát mà không dừng máy để sửa chương trình PLC.
Trạm xử lý nước phân tán. Bài toán: nhiều trạm nhỏ cách xa nhau, mỗi trạm cần điều khiển tại chỗ và báo về trung tâm, không có kỹ thuật viên thường trực. Thiết bị: mỗi trạm một IPC427E không quạt chạy S7-1500 Software Controller và WinCC RT Advanced, ET 200SP đọc cảm biến, DiagMonitor báo tình trạng máy; trung tâm dùng IPC347E chạy WinCC Professional. Kết quả kỳ vọng: mỗi trạm một thiết bị điều khiển kiêm HMI, trung tâm biết máy nào sắp lỗi để bố trí bảo trì.
Chọn thiết bị cho hệ thống tự động hóa SIMATIC
IPC247 cung cấp lớp máy tính công nghiệp của hệ SIMATIC trong danh mục máy tính công nghiệp Siemens: IPC347E cho máy chủ WinCC và trạm kỹ thuật, IPC327E, IPC427E, IPC627E cho tủ điện, cổng dữ liệu và bộ điều khiển mềm, IPC377E, IPC677E cho vận hành tại máy, ITC1500 cho điểm hiển thị. Khi gửi yêu cầu, nêu sơ đồ các lớp đã có: PLC dòng nào, HMI gì, mạng PROFINET hay PROFIBUS, phần mềm sẽ chạy trên máy tính; kỹ sư IPC247 sẽ chỉ ra IPC cần đứng ở lớp nào và model, mã đặt hàng tương ứng.
Với vị trí lắp không thuộc hệ SIMATIC, ví dụ cổng gom dữ liệu Modbus hay trạm cân, dùng công cụ chọn máy theo điều kiện lắp đặt để so với máy tính công nghiệp hãng khác. Cách IPC giao tiếp với TIA Portal, PROFINET và bộ điều khiển mềm được giải thích kỹ ở bài SIMATIC IPC là gì. Trang chuyên về Siemens cùng hệ thống IPC247 là maytinhsiemens.com.
Câu hỏi thường gặp về hệ thống tự động hóa SIMATIC
Hệ thống tự động hóa SIMATIC gồm những thành phần nào?
Gồm I/O phân tán ET 200 và biến tần SINAMICS ở cấp trường; PLC S7-1200, S7-1500 hoặc S7-1500 Software Controller ở cấp điều khiển; HMI Panel, SIMATIC IPC và WinCC ở cấp giám sát; mạng PROFINET với switch SCALANCE nối các cấp; phần mềm TIA Portal cấu hình toàn bộ trong một dự án. Thành phần ở cấp quản lý là kết nối OPC UA lên MES, ERP hoặc đám mây.
SIMATIC IPC đứng ở lớp nào trong hệ thống?
Ở cấp giám sát khi chạy WinCC làm HMI tại máy hoặc máy chủ SCADA, ở cấp điều khiển khi chạy S7-1500 Software Controller thay PLC phần cứng, và ở cấp quản lý khi làm cổng dữ liệu, chạy MES client hoặc phân tích tại biên. Một IPC có thể đảm nhận hai lớp cùng lúc, ví dụ vừa điều khiển bằng bộ điều khiển mềm vừa chạy HMI.
Khi nào dùng HMI Panel, khi nào dùng SIMATIC IPC?
HMI Panel dùng khi giao diện chỉ hiển thị và thao tác, số tag vừa phải, không cần cài phần mềm khác. SIMATIC IPC dùng khi cần hệ điều hành đầy đủ: lưu dữ liệu lâu dài, chạy thị giác máy, MES client, bộ điều khiển mềm, hoặc màn hình lớn với đồ hoạ nặng. Thin client ITC là lựa chọn giữa hai loại khi chỉ cần thêm điểm hiển thị cho một IPC đã có.
Có bắt buộc dùng toàn bộ thiết bị Siemens trong hệ thống SIMATIC không?
Không. PROFINET và OPC UA là chuẩn mở, thiết bị hãng khác có chứng nhận PROFINET vẫn nối vào được, và máy tính công nghiệp Advantech, Cincoze vẫn đọc dữ liệu PLC S7 qua OPC UA. Lợi ích của việc dùng đồng bộ Siemens là một dự án TIA Portal quản lý mọi thứ, chẩn đoán xuyên suốt và một đầu mối hỗ trợ; mất dần khi trộn nhiều hãng.