THIẾT kế hệ SCADA và lập TRÌNH điều KHIỂN các THAM số điển HÌNH của NHÀ máy vàng Bồng Miêu

THIẾT kế hệ SCADA và lập TRÌNH điều KHIỂN các THAM số điển HÌNH của NHÀ máy vàng Bồng Miêu

I.2 Ảnh hưởng của nhà máy đối với tình hình kinh tế chính trị ở xã Tam Lãnh

Trước khi nhà máy xây dựng, tình hình chính trị ở đây rất phức tạp với nạnkhai thác vàng bừa bãi, nghiện hút, gái mại dâm, tình trạng sập hầm gây chết nhiềungười v v

Sau khi nhà máy đi vào hoạt động đã giải quyết được việc làm cho khôngnhững dân cư trong vùng mà nhiều người dân khác Hiện nay, ở đây đã trở thànhmột xã với đầy đủ điện, đường, trường trạm, cuộc sống dân cư khá giả lên Nhà máy

đã đóng thuế cho tỉnh Quảng Nam với mức 50% số lượng vàng khai thác được Vớinguồn thu từ nhà máy này tỉnh Quảng Nam đã đóng góp vào ngân sách nhà nướcmột khoản rất lớn, và tỉnh cũng đã xây dựng được nhiều công trình phúc lợi

Bên cạnh đó, việc sử dụng hóa chất độc hại như xianua, dioxil cũng ảnhhưởng không nhỏ tới sức khỏe công nhân, nguồn nước, động thực vật xung quanhnhà máy Tuy nhiên ảnh hưởng này là dưới mức có thể kiểm soát được sau nhiềulần đánh giá của sở tài nguyên môi trường

I.3 Tình hình hoạt động của nhà máy:

Nhà máy vàng Bồng Miêu trước đây do công ty Gekko thiết kế và hệ thống

có tính tự động không cao Việc điều khiển còn mang tính rời rạc ở từng cụm Khi

có lỗi xãy ra thì thường một thời gian sau mới phát hiện và khắc phục nên ảnhhưởng lớn đến năng suất sản xuất Cuối tháng 10/2006 nhà máy đã ký hợp đồng vớicông ty Novas nhằm đưa các cụm điều khiển rời rạc đó về điều khiển giám sát tạiphòng điều khiển trung tâm Dự án đã thành công

Hiện nay mỗi năm nhà máy khai thác được khoảng 600kg vàng đạt tiêuchuẩn Với giá vàng đang tăng cao như hiện nay thì nhà máy đang phát triển khátốt

CHƯƠNG II:

TỔNG QUAN QUY TRÌNH KHAI THÁC VÀNG

Xem xét một cách tổng thể, nhà máy vàng Bồng Miêu có các cụm sau:

Đi vào chi tiết hơn, các cụm có cấu trúc cơ bản như sau:

DETOX

GOLD ROOM

BALL MILLWEIGHING

Sau khi khai thác đất, đá trong núi bằng mìn và con người đất được chở về

đổ trên một bãi đất rộng trước khi đổ lên các băng tải Đất theo băng tải đổ vào các

bộ nghiền côn Đất rơi xuống, các hạt nhỏ sẽ lọt qua sang rung để rơi xuống băngtải đi qua cụm WEIGHING Các hạt lớn sẽ theo độ dốc của sàn rung tới băng tảimang về nghiền lại Thực tế quá trình này qua rất nhiều công đoạn với kích cỡ hạtkhác nhau để khi đất tới cụm WEIGHING là tương đối nhỏ

Như vậy vấn đề điều khiển ở đây là việc cho chạy/dừng các băng tải và bộnghiền bi

II.2 Cụm WEIGHING:

Mô tả:

Nguyên liệu từ cụm FEED sẽ tới cụm WEIGHING và đổ vào ba băng tảicon, trước khi tới băng tải tổng Thực chất đây là hệ thống cân băng định lượng với

3 băng tải thành phần có nguyên liệu giống nhau Thường thì băng tải tổng có tốc

độ không đổi Phía dưới băng tải tổng có đặt một encoder dựa trên nguyên tắc đếmxung để đo tốc độ băng tải, và một loadcell để cân khối lượng nguyên liệu chạy trênbăng tải tổng

Băng tải tổngBăng tải con

BALL MILLFEED

Hình 2.3: Cụm WEIGHING

Như vậy việc điều khiển ở đây là làm sau phối hợp được tốc độ cũng nhưthời điểm đóng mở của ba băng tải nhỏ sao cho đạt được lưu lượng yêu cầu.

II.3 Cụm BALL MILL:

Hình 2.4: Cụm BallMill

Mô tả:

Từ cụm WEIGHING nguyên liệu cùng với nước sẽ được đổ vào một tronghai (hoặc cả hai tùy theo công suất) bộ nghiền bi Các viên bi sẽ làm cho nguyênliệu nát mịn hơn trước khi đổ vào máng và bơm lên cụm GRAVITY Ở hai đầu gốitrục của mỗi bộ nghiền bi có các cảm biến nhiệt độ để đo nhiệt độ của các gối trục

Có cảm biến mức ở máng

Như vậy vấn đề cần điều khiển ở đây là điều khiển lưu lượng nước bơm vàothông qua tín hiệu của cảm biến mức, điều khiển thời gian hoạt động của các bộnghiền bi để hai gối trục không bị quá nóng

Trang: 4

Như vậy việc điều khiển ở đây là các valve khí nén và các bơm.

Như vậy việc điều khiển ở đây là ba động cơ khuấy và các valve mở hóa chấtcho đúng lưu lượng và các bơm sao cho thõa mãn mức nước trong bể vừa đủ trànbọt ra hai bên.

Trang: 6

Vấn đề điều khiển ở đây là các valve làm sao cho đúng lưu lượng chất

dioxile và động cơ quay bánh răng dưới đế Thêm nữa là bơm nguyên liệu trước và sau khi trộn

II.7 Cụm RESIN COLUMN:

Hình 2.8: Cụm RESIN COLUMN

Mô tả:

Đây có thể nói là cụm phức tạp và quan trọng hơn cả Người ta sẽ cho cáchóa chất để làm cho chì bám vào bọt và tràn ra hai bên trong bể THICHNER Phầncòn lại được đổ vào tầng thấp nhất trong bốn tầng của cột RESIN COLUMN Cáchạt nhựa được đưa từ trên xuống trong khi nguyên liệu được bơm từ dưới lên sẽbám vàng vào trên nó Nguyên liệu lấy ra từ tầng trên cùng sẽ được rữa bằng hóachất để tách hạt nhựa dùng lại còn lượng có nhiều vàng sẽ qua bể điện phân Cáctấm kẽm sau khi điện phân sẽ bám lên bề mặt nó một lớp vàng Người ta đưa rữabằng nước rồi thu vàng

Như vậy đối tượng điều khiển ở đây là các bơm, valve ở cột RESIN và dòngđiện để điện phân

Trang: 8

II.10 Thiết bị điều khiển:

- Các biến tần của AB

- Đồng hồ Giocokawa của Nhật

- PLC của AB, Mitsubisy, Seimens ( Novas cung cấp)

CHƯƠNG III:

TỔNG QUAN VỀ MẠNG CÔNG NGHIỆP

Mạng truyền thông công nghiệp hay mạng công nghiệp (MCN) là một kháiniệm chung để chỉ các hệ thống mạng truyền thông số, truyền bit dữ liệu nối tiếpđược sử dụng để ghép nối các thiết bị công nghiệp

Các hệ thống truyền thông công nghiệp phổ biến hiện nay cho phép liên kếtmạng ở nhiều mức khác nhau, từ các bộ cảm biến, cơ cấu chấp hành dưới cấptrường cho đến các máy tính điều khiển, thiết bị giám sát, máy tính điều khiển giámsát và các máy tính trên cấp điều hành xí nghiệp, quản lý công ty

Đối tượng của mạng công nghiệp thuần tuý là các thiết bị công nghiệp Vìvậy dạng thông tin được quan tâm để truyền đi trong mạng công nghiệp là dữ liệu

III.1 Tổng quan về lịch sử tự động hóa công nghiệp và các mạng truyền thông:

Đầu thế kỷ 20, các hệ điều khiển quá trình và hệ chế tạo được thiết kế chủ

yếu dựa trên công nghệ cơ khí và các thiết bị analog

Việc sử dụng các hệ điều khiển tập trung cho các hệ thống lớn đã lan rộngcùng với sự ra đời của các điều khiển điện tử vào những năm 1950 do chúng cókhoảng cách phát tín hiệu lớn Nhiều hệ thống trao đổi dữ liệu công nghiệp đã đượcphát triển cho các hệ điều khiển Các hệ thống này đều là những mạng có bản quyềndùng công nghệ analog, và được dùng để nối kết bộ xử lí trung tâm tới các thiết bịngoại vi và terminal Các thiết bị ngoại vi điển hình dùng các cáp song song, nhiềulõi và các phối ghép tuần tự như vòng lặp 20 mA ở tốc độ phát thấp

Đầu năm 1960, lần đầu tiên máy tính số được áp dụng làm điều khiển số.Khái niệm điều khiển số trực tiếp (DDC-Direct Digital Control) được dùng để nhấnmạnh rằng máy tính trực tiếp điều khiển quá trình Trong thập kỷ 1960 việc ứng

dụng máy tính mini vẫn còn là một giải pháp khá đắt đỏ cho các bài toán điều khiển.

Trong khi đó, PLC ra đời và thay thế điều khiển dựa trên Rơle truyền thống có tínhnăng điều khiển hạn chế Ngoài ra, nhiều công nghệ được phát triển cho các công cụ

Trang: 10

máy và các quá trình sản xuất rời rạc Máy điều khiển số ( NCM -NumercallyControlled Machine) có thể điều khiển nhờ máy tính, cũng trong thời gian này,robot được phát triển.

Các kỹ thuật và thiết bị cần thiết cho truyền dữ liệu tốc độ cao được ra đờicũng trong thập kỷ 1960 Các modem khoá dịch tần số có thể phát dữ liệu qua cácđường truyền đặc biệt với tốc độ 1200 bit/s Việc áp dụng máy tính mini có khảnăng truyền dữ liệu nhanh hơn đã dẫn tới sự phát triển của các truyền dữ liệu và cácthiết bị truyền dữ liệu tốc độ cao trong cuối thập kỷ 60 và 70

Cuối những năm 1960, hãng Mollins của Anh giới thiệu một hệ thống đượcthiết kế nhằm vận hành nhiều công cụ máy qua điều khiển của một máy tính duynhất Người ta mong đợi hệ thống này sẽ tăng hiệu suất hơn nhiều so với việc cùngmột số máy móc đó làm việc độc lập Khái niệm hệ thống sản xuất mềm (FMS -Flexible Manufacturing System) ngày nay được quan tâm hơn, coi là một cấu trúcthích hợp để tăng khả năng tận dụng máy, giảm thời gian chế tạo ban đầu và khothiết bị dùng trong quá trình Với sự ra đời của FMS, khái niệm chế tạo dùng máytính tích hợp (CIM) bắt đầu được chú ý trong giới tự động hoá công nghiệp nhằmtích hợp tất cả các mặt của quá trình chế tạo bằng máy tính số Ngày nay, khái niệmCIM được dùng trong tất cả các loại hệ thống chế tạo với ý nghĩa là sự tích hợphoàn toàn máy tính, mạng truyền dữ liệu và các hệ thống điều khiển quá trình vàotất cả các chức năng sản xuất

Với sự phổ biến ngày càng rộng của máy tính số và các công nghệ liên quan,các mạng công nghiệp chuyển sang truyền dữ liệu số Các mạng số có bản quyền rađời trong những năm 1960 , ban đầu chúng như là các máy tính cho các hệ tự độnghoá được nối kết với nhau

Giữa thập kỷ 70, Honeywell sáng chế hệ điều khiển máy tính phân tán(DCCS) đầu tiên, nó là một hệ điều khiển phân cấp với nhiều vi xử lý Từ đó kháiniệm DCCS phát triển ra nhiều hệ tự động hoá công nghiệp như điều khiển nhà máyđiện, các hệ thống chế tạo, Nhiều hãng đã lắp đặt các hệ thống điều khiển phân tántrong các nhà máy mới hoặc để thay thế các hệ điều khiển tập trung hoặc analog cũ

Từ năm 1980, việc sử dụng các mạng LAN để kết nối các máy tính và cácthiết bị tự động hoá trong một hệ tự động hoá công nghiệp trở nên phổ biến Cácmạng LAN đem lại khả năng trao đổi thông tin dung lượng cao, giá thành thấp, làmcho hệ điều khiển phân tán số trở thành hiện thực và tạo ra nhiều dịch vụ tự độnghoá Các hệ tự động hoá công nghiệp thường được triển khai theo một kiến trúcphân tán mở với mạng truyền dữ liệu số.

Hiện nay, những người dùng mạng LAN thường giao tiếp với các máy tínhhay thiết bị tự động hoá thuộc mạng LAN khác qua các gateway liên kết nhờ mộtmạng WAN Khi các hệ tự động hoá công nghiệp trở nên lớn hơn và số thiết bị tựđộng hoá tăng lên, thì càng cần có các chuẩn để có thể nối kết nhiều thiết bị khácnhau Thế giới đã bỏ nhiều công sức cho công nghệ mạng LAN Mô hình mạng OSIcho phép hai thiết bị tự động hoá bất kỳ có thể giao tiếp với nhau, không phụ thuộcvào nhà sản xuất Khái niệm giao thức tự động hoá chế tạo MAP được phát triển đểtạo ra tính tương thích giữa các mạng truyền dữ liệu của nhiều nhà cung cấp khác nhau

Ở mạng cấp thấp hơn trong tự động hoá công nghiệp, các giải pháp mạng cục

bộ công nghiệp như MAP quá đắt đỏ hoặc không đáp ứng thời gian phản hồi nhanh,tuỳ theo ứng dụng Vì thế đã ra đời các mạng fieldbus và người ta hiện cũng đang

nổ lực để xây dựng các chuẩn fieldbus cho các ứng dụng tự động hoá công nghiệp

III.2 Cơ sở kỹ thuật truyền thông:

III.2.1 Môi trường truyền dẫn:

Môi trường truyền dẫn ảnh hưởng lớn tới chất lượng tín hiệu, tới độ bền vữngcủa tín hiệu với nhiễu bên ngoài và tính tương thích điện từ của hệ thống truyềnthông Tốc độ truyền và khoảng cách truyền tối đa cho phép cũng phụ thuộc vào sựlựa chọn môi trường truyền dẫn

Trong kỹ thuật truyền thông, người ta sử dụng các phương tiện truyền dẫn sau:

- Cáp điện : Cáp đồng trục, đôi dây xoắn

- Cáp quang: Cáp sợi thuỷ tinh, cáp sợi chất dẻo

Trang: 12

- Vô tuyến : Vi sóng ( Microwave ), tia hồng ngoại, siêu âm.

1 Đôi dây xoắn:

Một đôi dây xoắn bao gồm hai sợi dây đồng được quấn cách li ôm vào nhau.Tác dụng của việc quấn dây là trường điện từ của hai dây sẽ trung hoà lẫn nhau Vìthế, nhiễu xạ do môi trường xung quanh cũng như tạp nhiễu do xuyên âm sẽ đượcgiảm thiểu

Đôi dây xoắn thường được sử dụng đi kèm với chuẩn RS-485 Tuỳ theo cáchche chắn người ta phân biệt ra hai loại cáp dẫn : STP và UTP Sự khác nhau củachúng là ngoài vỏ bọc chung bên ngoài của cả cáp thì STP còn có thêm một lớp chechắn riêng

2 Cáp đồng trục:

Một cáp đồng trục bao gồm một dây lõi bên trong và một dây kiểu ống baobọc phía ngoài được ngăn cách nhau bởi một lớp cách ly điện môi Nhờ có cấu trúcđặc biệt cũng như tác dụng của lớp dẫn ngoài, các điện trường và từ trường đượcgiữ gần như hoàn toàn bên trong một cáp đồng trục Vì thế hiện tượng xuyên âmkhông đáng kể so với ở cáp đôi dây xoắn Bên cạnh đó hiệu ứng bề mặt cũng làmgiảm sự tổn hao trên đường truyền

Cáp đồng trục thích hợp cho cả truyền tín hiệu tương tự và truyền tín hiệu số.Tốc độ truyền (tới 300 Mbit/s) và khoảng cách truyền tương đối lớn ( tới vài nghìnmét không cần bộ lặp) Tuy nhiên nó có giá thành cao, việc lắp đặt và đấu dây phứctạp Vì vậy trong truyền thông công nghiệp, cáp đồng trục chủ yếu được dùng ở cáccấp trên (bus hệ thống, bus xí nghiệp) như controlnet và Ethernet

3 Cáp quang:

Cáp quang được sử dụng trong các lĩnh vực ứng dụng đòi hỏi tốc độ truyềntải cao, phạm vi truyền dẫn lớn hoặc trong các môi trường làm việc chịu tác độngcủa nhiễu mạnh Các loại cáp quang có thể đạt tới tốc độ truyền 20 Gbit/s Sự suygiảm tín hiệu ở đây rất nhỏ, vì vậy chiều dài cáp dẫn có thể tới hàng chục, thậm chí

Một ưu điểm lớn của cáp quang là tính năng kháng nhiễu cũng như tính tươngthích điện từ Bên cạnh đó, sử dụng cáp quang cũng nâng cao độ bảo mật của thôngtin được truyền.

III.2.2 Chuẩn truyền dẫn:

1 Chuẩn RS-232:

Chuẩn RS-232 được dùng chủ yếu trong việc giao tiếp điểm-điểm giữa haiDTE, ví dụ giữa hai máy tính (PC, PLC ), giữa máy tính và máy in hoặc giữa mộtDTE và một DCE như giữa PC và MODEM

Chế độ làm việc của chuẩn RS-232 là hai chiều toàn phần, trong chế độ nàyhai thiết bị tham gia có thể thu và phát tín hiệu cùng một lúc Như vậy việc truyềnthông cần ít nhất là 3 dây dẫn Trong đó, hai dây dẫn tín hiệu nối chéo các đầu thuphát của hai trạm và một dây đất RS -232 sử dụng phương thức truyền dẫn khôngđối xứng, tức là sử dụng tín hiệu điện áp chênh lệch giữa một dây dẫn với đất Mứcđiện áp được sử dụng dao động trong khoảng từ -15V đến +15V

Trong đó:

 3V ÷ 15V: Ứng với giá trị logic 0

 -15V ÷ -3V: Ứng với giá trị logic 1

Ưu điểm: Chuẩn RS-232 sử dụng công suất phát tương đối thấp, nhờ trở

kháng đầu vào và hạn chế trong phạm vi từ 3-7kΩ

2 Chuẩn RS-422:

Khác với chuẩn RS-232, chuẩn RS-422 sử dụng tín hiệu điện áp chênh lệchđối xứng giữa hai dây dẫn Nhờ vậy giảm được nhiễu và cho phép tăng chiều dàidây dẫn

Tốc độ truyền dữ liệu khoảng 9 Kbit/s RS-422 thích hợp cho phạm vi truyềndẫn tới 1200m mà không cần bộ lặp Điện áp chênh lệch dương tương ứng với trạngthái logic 0, và âm ứng với trạng thái logic 1 Trong cấu hình ghép nối tối thiểu choRS-422 cần một đôi dây dùng để truyền dẫn tín hiệu Lúc này chỉ có thể truyền mộtchiều hoặc hai chiều gián đoạn Ở chế độ này mỗi thời điểm chỉ có một tín hiệu duy

Trang: 14

nhất được truyền đi Để thực hiện truyền hai chiều toàn phần ta cần hai đôi dây Cảhai trường hợp sử dụng với cấu hình 2 dây hay 4 dây đều phải sử dụng thêm mộtdây đất để giữ mức điện áp chung (Vcm) cho các trạm tham gia ở một giới hạn quyđịnh Nếu không dữ liệu truyền đi sẽ bị mất và các cổng kết nối sẽ bị hỏng Ngưỡnggiới hạn quy định cho Vcm với RS-422 là 7V.

là Tri - State Một số vi mạch RS-485 tự động xử lý tình huống này, trong nhiềutrường hợp khác, việc đó thuộc về trách nhiệm của phần mềm điều khiển truyền thông

Là chuẩn được cải tiến từ RS-422 nhưng RS-485 có thêm điều khiển ba trạngthái ở mạch phát

Mức logic ‘’1’’ nằm trong khoảng từ -1,5V đến -6V

Mức logic ‘’0’’ nằm trong khoảng từ +1,5V đến +6V

Khoảng cách tối đa giữa trạm đầu và trạm cuối trong một đoạn mạng là1200m, không phụ thuộc vào số trạm tham gia Tốc độ truyền dẫn có thể lên tới10Mbit/s

Có thể sử dụng bộ lặp để tăng chiều dài dây dẫn lên nhiều lần cũng như sốtrạm trong một mạng, đồng thời đảm bảo được chất lượng tín hiệu

Do tốc độ truyền thông và chiều dài dây dẫn có thể khác nhau rất nhiều trongcác ứng dụng, hầu như tất cả các bus RS-485 đều yêu cầu sử dụng trở đầu cuối tạihai đầu dây Sử dụng trở đầu cuối có tác dụng chống các hiệu ứng phụ trong truyềndẫn tín hiệu như sự phản xạ tín hiệu

2 Cấu trúc mạch vòng ( tích cực ):

Với cấu trúc này các thành viên trong mạng được nối từ điểm này đến điểmkhác một cách tuần tự trong một mạch vòng khép kín Ưu điểm cơ bản của cấu trúcnày là mỗi nút đồng thời có thể là một bộ khuếch đại Vì vậy, khi thiết kế mạng theokiểu này có thể thực hiện với khoảng cách và số trạm rất lớn, mỗi trạm có khả năngvừa nhận vừa phát tín hiệu cùng một lúc Có hai kiểu mạch vòng phổ biến sau:

- Kiểu mạch vòng không có điều khiển trung tâm: Các trạm đều bình đẳngnhư nhau trong việc phát/nhận tín hiệu.

- Kiểu có điều khiển trung tâm: Một trạm chủ sẽ đảm nhiệm việc kiểm soáttruy cập đường dẫn

3 Cấu trúc hình sao:

Cấu trúc hình sao là cấu trúc mà trong đó trạm trung tâm quan trọng hơn tất

cả các nút khác Trạm trung tâm sẽ điều khiển sự truyền thông của toàn mạng, cácthành viên được kết nối gián tiếp với nhau qua trạm trung tâm

Nhược điểm của cấu trúc hình sao là khi sự cố trạm trung tâm sẽ làm tê liệthoàn toàn các hoạt động truyền thông trong mạng Với cấu trúc này sẽ tốn số lượngnhiều dây dẫn



Hình 3.3: Cấu trúc hình sao

đường dẫn Cấu trúc cây dùng các bộ nối tích cực (Active coupler), nếu muốn tăng

số trạm cũng như phạm vi của một mạng đồng nhất có thể dùng các bộ lặp(Repeater), trong trường hợp các mạng con hoàn toàn khác loại thì phải dùng tới các

bộ liên kết mạng khác như Bridge, Router, và Gateway

III.2.4 Kiến trúc giao thức:

1 Dịch vụ truyền thông:

Một hệ thống truyền thông cung cấp dịch vụ truyền thông cho các thành viêntham gia nối mạng Các dịch vụ đó được dùng cho các nhiệm vụ khác nhau như traođổi dữ liệu, báo cáo trạng thái, tạo lập cấu hình và tham số hoá thiết bị trường, giámsát thiết bị và cài đặt chương trình

Có thể phân loại dịch vụ truyền thông dựa theo các cấp khác nhau: Các dịch

vụ sơ cấp (ví dụ tạo và ngắt nối), dịch vụ cấp thấp (ví dụ trao đổi dữ liệu) và cácdịch vụ cấp cao (tạo lập cấu hình, báo cáo trạng thái) Một dịch vụ ở cấp cao hơn cóthể sử dụng các dịch vụ cấp thấp để thực hiện chức năng của nó

Việc thực hiện các dịch vụ được dựa trên các nguyên hàm dịch vụ (ServicePrimitive), gồm có:

 Yêu cầu (Request) dịch vụ, ký hiệu là Req, ví dụ connect.Req

Trang: 18

Bộ nối Bộ lặp Bộ nối sao

Bộ nối vòng

Hình 3.4: Cấu trúc hình cây

 Chỉ thị (Indication) nhận lời phục vụ, ký hiệu là .Ind, ví dụconnect.Ind.

 Đáp ứng (Response) dịch vụ, ký hiệu là Res, ví dụ connect.Res

 Xác nhận (Confirmation) đã nhận được đáp ứng, ký hiệu là Con, ví

 Ngữ nghĩa: Qui định ý nghĩa cụ thể của từng phần trong một bức điện,như phương pháp định địa chỉ, phương pháp bảo toàn dữ liệu, thủ tục điều khiểndòng thông tin, xử lý lỗi

 Định thời: Qui định về trình tự, thủ tục giao tiếp, chế độ truyền, tốc độtruyền

1: connect.req2: connect.ind3: connect.res

4: connect.con

1: disconnect.req2:disconnect.ind

b Dịch vụ không xác nhận

a Dịch vụ có xác nhận

Hình 3.5: Dịch vụ có xác nhận và không xác nhận

Việc thực hiện một dịch vụ truyền thông trên cơ sở các giao thức tương ứngđược gọi là xử lý giao thức Quá trình xử lý giao thức có thể là mã hoá (xử lý giaothức bên gửi) và giải mã (xử lý giao thức bên nhận).

3 Kiến trúc giao thức OSI (Open System Interconnection):

Trên thực tế khó có thể xây dựng được một mô hình chi tiết thống nhất vềchuẩn giao thức và dịch vụ cho tất cả các hệ thống truyền thông, nhất là khi các hệthống đa dạng và tồn tại độc lập Chính vì vậy năm 1983 tổ chức tiêu chuẩn hoáquốc tế ISO (International Standard Organization) đã đưa ra một kiến trúc giao thứcvới chuẩn ISO 7498, được gọi là mô hình qui chiếu OSI nhằm hỗ trợ việc xây dựngcác hệ thống truyền thông có khả năng tương tác OSI chỉ là một mô hình kiến trúcphân lớp với mục đích phục vụ việc sắp xếp và đối chiếu các hệ thống truyền thông

có sẵn, trong đó có cả việc so sánh, đối chiếu các giao thức và dịch vụ truyền thôngcũng như cơ sở cho việc phát triển các hệ thống mới

Theo mô hình OSI, chức năng hay dịch vụ của một hệ thống truyền thôngđược chia thành 7 lớp, tương ứng với mỗi lớp dịch vụ là một lớp giao thức Các lớpnày có thể do phần cứng hay phần mềm thực hiện, tuy nhiên chuẩn này không đềcập tới chi tiết một đối tác truyền thông phải thực hiện từng lớp đó như thế nào Mộtlớp trên thực hiện dịch vụ của mình trên cơ sở sử dụng các dịch vụ ở một lớp phíadưới và theo đúng giao thức qui định tương ứng Thông thường, các dịch vụ ở cấpthấp do phần cứng (các vi mạch điện tử) thực hiện, trong khi các dịch vụ cấp cao dophần mềm (hệ điều hành, phần mềm điều khiển, phần mềm ứng dụng) đảm nhiệm.Một lớp bất kỳ trong 7 lớp có thể thay đổi cách thực hiện mà không ảnhhưởng đến các lớp khác nếu nó giữ nguyên giao diện với các lớp trên và lớp dưới

nó Đây là mô hình dùng để quy chiếu có tính chất tham khảo, không phải hệ thốngtruyền thông nào cũng thực hiện đầy đủ cả bảy lớp Ví dụ, vì lý do hiệu suất trao đổithông tin và giá thành thực hiện, đối với các hệ thống bus trường thông thường chỉthực hiện các lớp 1, 2 và 7 Trong các trường hợp này, có thể một số lớp không thực

sự cần thiết hoặc chức năng của chúng được ghép với một lớp khác, ví dụ với lớpứng dụng

Trang: 20

Một mô hình quy chiếu không đảm bảo khả năng tương tác giữa các hệ thốngtruyền thông và các thiết bị truyền thông khác nhau Với việc định nghĩa bảy lớp,OSI đưa ra một mô hình trừu tượng cho các quá trình giao tiếp phân cấp Nếu hai hệthống thực hiện cùng các dịch vụ và trên cơ sở một giao thức giống nhau ở một lớpthì có nghĩa là hai hệ thống có khả năng tương tác ở lớp đó Mô hình OSI có thểxem như một công trình khung, hỗ trợ việc phát triển và đặc tả các chuẩn giao thức.Tương ứng với mỗi lớp là một nhóm chức năng đặc trưng cho các dịch vụ vàgiao thức, các lớp ở đây chính là các lớp chức năng trong thành phần giao diệnmạng của một trạm thiết bị, bao gồm cả phần cứng ghép nối và phần mềm cơ sở.Chức năng của các lớp được mô tả như sau:

 Lớp ứng dụng (application layer):

Lớp ứng dụng là lớp trên cùng của mô hình OSI, có chức năng cung cấp cácdịch vụ cao cấp (trên cơ sở các giao thức cao cấp) cho người sử dụng và các chươngtrình ứng dụng, các hàm chức năng trao đổi thông tin, các dịch vụ truyền thông Ví

dụ, có thể sắp xếp các dịch vụ và giao thức theo chuẩn MMS cũng như các dẫn suấtcủa nó sử dụng trong một số hệ thống bus trường thuộc lớp ứng dụng Các dịch vụthuộc lớp ứng dụng hầu hết được thực hiện bằng phần mềm

 Lớp biểu diễn dữ liệu (presentation layer):

Trong một mạng truyền thông, ví dụ mạng máy tính, các trạm máy tính có thể

có kiến trúc rất khác nhau, sử dụng các hệ điều hành khác nhau vì vậy cách biểudiễn dữ liệu cũng có thể khác nhau, như độ dài hay cách sắp xếp các byte dữ liệukhác nhau Chức năng của lớp biểu diễn dữ liệu là chuyển đổi các dạng dữ liệu khácnhau về cú pháp thành một dạng chuẩn, nhằm tạo điều kiện cho các đối tác truyềnthông có thể hiểu được nhau mặc dù chúng sử dụng các kiểu dữ liệu khác nhau.Ngoài ra, lớp này còn có thể cung cấp một số dịch vụ bảo mật dữ liệu, ví dụ quaphương pháp sử dụng mã khoá

Nếu như cách biểu diễn dữ liệu được thống nhất, chuẩn hoá thì chức năng nàykhông nhất thiết phải tách riêng thành một lớp độc lập mà có thể kết hợp thực hiện

trên lớp ứng dụng để đơn giản hoá và nâng cao hiệu suất của việc xử lý giao thức.Đây chính là một đặc trưng trong các hệ thống bus trường.

 Lớp kiểm soát nối (session layer)

Lớp kiểm soát nối có chức năng kiểm soát mối liên kết truyền thông giữa cácchương trình ứng dụng, bao gồm các việc tạo lập, quản lý và kết thúc các đường nốigiữa các chương trình ứng dụng, bao gồm các việc tạo lập, quản lý và kết thúc cácđường nối giữa các ứng dụng đối tác Mối liên kết giữa các chương trình ứng dụngmang tính chất logic Một mối liên kết vật lý (giữa hai trạm hay giữa hai nút mạng)

có thể tồn tại song song dưới dạng nhiều đường nối logic Thông thường kiểm soátnối thuộc chức năng của hệ điều hành Để thực hiện các đường nối giữa hai ứngdụng đối tác, hệ điều hành có thể tạo các quá trình tính toán song song Như vậy,nhiệm vụ đồng bộ hoá các quá trình tính toán này đối với việc sử dụng chung mộtgiao diện mạng cũng thuộc chức năng của lớp kiểm soát nối Vì vậy lớp này cònđược gọi là lớp đồng bộ hoá

Trong hệ thống bus trường, quan hệ nối giữa các chương trình ứng dụng đượcxác định sẵn nên lớp kiểm soát nối không đóng vai trò gì quan trọng Đối với một

số hệ thống khác lớp này được kết hợp với lớp ứng dụng để nhằm nâng cao hiệusuất truyền thông

Trang: 22

 Lớp vận chuyển (Transport layer)

Khi một khối dữ liệu được chuyển đi thành từng gói, cần phải đảm bảo tất cảcác gói đều đến đích và theo đúng trình tự lúc chúng được chuyển đi Chức năngcủa lớp vận chuyển là cung cấp các dịch vụ cho việc thực hiện vận chuyển dữ liệugiữa các chương trình ứng dụng một cách tin cậy, bao gồm cả việc khắc phục lỗi vàviệc điều khiển lưu thông Nhờ vậy mà các lớp trên có thể thực hiện được các chứcnăng cao cấp mà không cần quan tâm tới cơ chế vận chuyển cụ thể Các nhiệm vụ

cụ thể của lớp vận chuyển bao gồm:

Đường của dữ liệu

Quan hệ giao tiếp logic giữa các lớp

Hình 3.6: Mô hình quy chiếu ISO/OSI

 Định vị các đối tác truyền thông qua tên hình thức và địa chỉ.

 Xử lý lỗi và kiểm soát dòng tin, trong đó có cả việc lập lại quan hệliên kết và thực hiện các thủ tục gửi lại dữ liệu khi cần thiết

 Dồn kênh các nguồn dữ liệu khác nhau

 Đồng bộ hoá giữa các trạm đối tác

Để thực hiện việc vận chuyển một cách hiệu quả, tin cậy, một dữ liệu đượcchuyển đi có thể được chia thành nhiều đơn vị vận chuyển (Data segment unit) cóđánh số thứ tự kiểm soát trước khi bổ sung các thông tin kiểm soát lưu thông

 Lớp mạng (Network layer)

Trong mạng diện rộng WAN là sự liên kết của nhiều mạng tồn tại độc lập.Mỗi mạng đều có một không gian địa chỉ và cách đánh địa chỉ riêng, sử dụng côngnghệ truyền thông khác nhau Một bức điện từ đối tác này sang đối tác khác của mộtmạng khác có thể có nhiều đường đi khác nhau Vì vậy thời gian, quãng đường vậnchuyển và chất lượng cũng khác nhau Chức năng của lớp mạng là tìm một đường

đi tối ưu cho việc vận chuyển dữ liệu, giải phóng sự phụ thuộc của các lớp phía trênvào phương thức chuyển giao dữ liệu và công nghệ chuyển mạch dùng để kết nốicác hệ thống khác nhau Điều này có ý nghĩa rất lớn nhằm giảm được thời gian,quãng đường truyền thông từ đó giảm giá thành dịch vụ

Đối với một hệ thống mạng truyền thông công nghiệp lớp mạng không có ýnghĩa vì trong mạng không có sự trao đổi dữ liệu giữa hai trạm thuộc hai mạng khácnhau, hoặc việc trao đổi dữ liệu được thực hiện trực tiếp thông qua chương trìnhứng dụng (không qua lớp nào trong mô hình OSI)

 Lớp liên kết dữ liệu (Data link layer)

Lớp liên kết dữ liệu có chức năng truyền dẫn dữ liệu một cách tin cậy thôngqua mối liên kết vật lý, trong đó bao gồm việc điều khiển truy cập môi trườngtruyền dẫn và bảo toàn dữ liệu Lớp liên kết dữ liệu thường được chia thành hai lớpcon tương ứng với hai chức năng trên

Trang: 24

 Lớp điều khiển truy nhập môi trường MAC (Midium Access Control).

 Lớp điều khiển liên kết logic LLC (Logical Link Control)

Trong một số hệ thống, lớp liên kết dữ liệu có thể đảm nhiệm thêm các chứcnăng khác như kiểm soát lưu thông và việc đồng bộ hoá các khung dữ liệu

Để thực hiện chức năng bảo toàn dữ liệu, thông tin nhận được từ lớp phía trênđược đóng gói thành các bức điện có chiều dài hợp lý Các khung dữ liệu này chứacác thông tin bổ sung phục vụ cho mục đích kiểm soát lỗi, kiểm soát lưu thông vàđồng bộ hoá Lớp liên kết dữ liệu bên phía nhận thông tin sẽ dựa vào các thông tinnày để xác định tính chính xác của dữ liệu, sắp xếp các khung lại theo đúng trình tự

và khôi phục lại thông tin để chuyển tiếp lên lớp trên nó

 Lớp vật lý (Physical layer)

Lớp vật lý là lớp dưới cùng trong mô hình phân lớp chức năng truyền thôngcủa một trạm thiết bị Lớp này đảm nhiệm toàn bộ công việc truyền dẫn dữ liệubằng phương tiện vật lý Các qui định sau đây mô tả giao diện vật lý giữa một trạmthiết bị và môi trường truyền thông:

 Các chi tiết về cấu trúc mạng (bus, cây, hình sao )

 Chuẩn truyền dẫn (RS 485, IEC 1158-2, truyền cáp quang )

 Phương pháp mã hoá bit

 Chế độ truyền tải (đồng bộ, không đồng bộ, dải rộng, dải mang )

 Tốc độ truyền cho phép

III.2.5 Thiết bị liên kết mạng:

Để cho dòng dữ liệu giữa hai phần mạng có thể truyền qua lại cho nhau đượcngười ta sử dụng các thiết bị liên kết đặc biệt Đó là những thiết bị sau:

 Bộ lặp (Repeater) : Dùng để nối hai đoạn mạng giống nhau hoàn toàn vềtất cả các lớp giao thức và kể cả đường truyền vật lý

 Cầu nối ( Bridge ) : Phục vụ cho việc liên kết các mạng con với nhau, chỉkhi phần trên lớp 2 của chúng làm việc cùng một giao thức

 Router : Liên kết hai mạng với nhau trên cơ sở lớp 3 theo mô hình OSI.Gateway : Được sử dụng để liên kết các hệ thống mạng khác nhau Nhiệm vụchính của Gateway là chuyển đổi giao thức ở cấp cao, thường được thực hiện bằngcác thành phần mềm.

III.2.6 Truy cập bus:

1 Các khái niệm cơ bản:

Trong các hệ thống mạng truyền thông công nghiệp thì các hệ thống có cấutrúc dạng bus có vai trò quan trọng và phổ biến nhất vì những lý do như: Chi phídây dẫn thấp, dễ lắp đặt, linh hoạt, thích hợp cho việc truyền dẫn trong phạm vi vừa

và nhỏ

Trong một mạng có cấu trúc bus, các thành viên trong mạng phải phân chiathời gian để sử dụng đường truyền Để tránh sự xung đột về đường truyền gây sailệch về thông tin, mỗi thời điểm trên đường truyền chỉ có duy nhất một bức điệnđược phép truyền đi Chính vì vậy mạng phải được điều khiển sao cho tại một thờiđiểm nhất định chỉ có một thành viên trong mạng được gửi thông tin đi

Phương pháp truy nhập bus là một trong những vấn đề cơ bản đối với các hệthống bus Mỗi phương pháp có những ảnh hưởng khác nhau tới các tính năng kỹthuật của hệ thống đặc biệt là độ tin cậy, tính năng thời gian thực và hiệu suất sửdụng đường truyền

 Độ tin cậy ở đây chính là độ tin cậy của cả hệ thống

 Hiệu suất sử dụng đường truyền chính là khả năng có thể khai thác, sửdụng đường truyền

Tính năng thời gian thực chính là khả năng đáp ứng nhu cầu trao đổi thông tin một cách kịp thời và tin cậy Hai yếu tố liên quan đến việc đánh giá tính năng thời gian thực là thời gian đáp ứng tối đa và chu kỳ bus

Trang: 26

Hình 3.7: Phân loại các phương pháp truy nhập bus

Thời gian đáp ứng tối đa với một trạm là thời gian tối đa mà hệ thống truyềnthông cần để đáp ứng một nhu cầu trao đổi dữ liệu của trạm đó với một trạm bất kỳ khác

Chu kỳ bus là khoảng thời gian tối thiểu mà sau đó các hoạt động truyềnthông chính lặp lại như cũ Chu kỳ bus chính là cơ sở cho việc chọn chu kỳ vòngquét cho các PLC đóng vai trò trạm chủ

 Với các phương pháp tiền định có trình tự truy nhập bus được xácđịnh rõ ràng Việc truy nhập bus được kiểm soát chặt chẽ theo cách tập trung ở mộttrạm chủ (đối với phương pháp Master/Slave) và theo sự qui định trước về thời gian(đối với phương pháp đa truy nhập phân chia thời gian TDMA) hoặc phân tán bởi

các thành viên (phương pháp Token Passing)

 Các phương pháp ngẫu nhiên có trình tự truy nhập bus không đượcqui định chặt chẽ mà để xảy ra hoàn toàn theo nhu cầu của các trạm Mỗi thành viêntrong mạng có thể truy nhập bus để gửi thông tin đi bất cứ lúc nào Có nhữngphương pháp để tránh sự xung đột như phương pháp nhận biết xung đột

Truy nhập ngẫu nhiên

Truy nhập ngẫu nhiên

Truy nhập tiền định

Truy nhập tiền định

CSMA/CD

Nhận biết xung đột

CSMA/CD

Tránh xung độtCSMA/CA

Tránh xung độtCSMA/CA

(CSMA/CD) hoặc tránh xung đột (CSMA/CA) Nguyên tắc hoạt động của cácphương pháp này là khi có xung đột tín hiệu xảy ra thì ít nhất một trạm phải ngừnggửi và phải chờ một khoảng thời gian trước khi thử lại Sau đây là cụ thể về cácphương pháp.

2 Phương pháp chủ tớ (Master/Slave):

Theo phương pháp này, một trạm chủ (Master) có trách nhiệm chủ động phânchia quyền truy nhập bus cho các trạm tớ (Slave) Các trạm tớ đóng vai trò là bịđộng, chỉ có quyền truy nhập bus và gửi tín hiệu đi khi có yêu cầu Trạm chủ có thểdùng phương pháp hỏi tuần tự (Polling) theo chu kỳ để kiểm soát toàn bộ hoạt độnggiao tiếp của cả hệ thống Nhờ vậy mà các trạm tớ có thể gửi các dữ liệu thu thập tớitrạm chủ cũng như nhận thông tin điều khiển từ trạm chủ Trạm chủ có thể là mộtPLC hay một PC

Trang: 28

Master

Slave Slave Slave Slave

Trình tự được tham gia giao tiếp, hay trình tự được hỏi của các trạm tớ có thể

do người sử dụng qui định trước (tiền định) bằng các công cụ tạo lập cấu hình Nếuchỉ có một trạm chủ duy nhất thì thời gian cần thiết để trạm chủ hoàn thành việc hỏituần tự một vòng cũng chính là thời gian tối thiểu của chu kỳ bus

 Ưu điểm:

Phương pháp Master/Slave là phương pháp có kết nối đơn giản, kinh tế, trạm

chủ thường là các thiết bị điều khiển do đó dễ dàng tích hợp thêm chức năng xử lýtruyền thông

Chính vì hai lý do trên mà phương pháp Master/Slave chỉ được dùng phổ biếntrong các hệ thống bus cấp thấp, tức bus trường hay bus thiết bị hay khi việc traođổi thông tin hầu như chỉ diễn ra giữa trạm chủ là thiết bị điều khiển và các trạm tớ

là các thiết bị trường hay các module vào/ra phân tán

3 Phương pháp đa truy nhập phân chia thời gian TDMA (Time Division Multiple Access):

Trong phương pháp đa truy nhập phân chia thời gian TDMA Mỗi trạm đượcphân một thời gian truy nhập bus nhất định Các trạm có thể lần lượt thay nhau gửithông tin trong khoảng thời gian cho phép gọi là khe thời gian hay lát thời gian(time slot, time slice) theo một tuần tự qui định sẵn Việc phân chia thời gian nàyđược thực hiện trước khi hệ thống đi vào hoạt động (tiền định) Khác với phươngpháp chủ/tớ, phương pháp này có thể có hoặc không có trạm chủ Nếu có một trạmchủ thì trạm chủ chỉ thực hiện việc giữ đúng lát thời gian của các trạm khác Mỗi

trạm đều có khả năng đảm nhiệm vai trò chủ động trong giao tiếp trực tiếp với câctrạm khâc.

Hình vẽ sau đđy minh hoạ câch phđn chia thời gian cho câc trạm trong một chu kỳ bus

Hình 3.9: Phđn chia thời gian trong một chu kỳ bus

Trong đó câc lât thời gian được phđn chia cố định cho câc trạm dùng để traođổi dữ liệu định kỳ (đânh số từ 1(N) Ngoăi ra còn có một khoảng dự trữ dănh choviệc trao đổi dữ liệu theo yíu cầu, ví dụ như gửi thông tin cảnh bâo, mệnh lệnh đặtlại cấu hình Phương phâp TDMA có thể thực hiện theo nhiều câch khâc nhau, cóthể phđn chia thứ tự truy nhập bus theo vị trí sắp xếp của câc trạm trong mạng, theothứ tự địa chỉ, theo tính chất của câc hoạt động truyền thông Tương tự phươngphâp chủ/tớ, phương phâp mang tính chất tiền định của câch phđn chia thời gian do

đó phương phâp thích hợp cho câc ứng dụng thời gian thực

4 Phương phâp Token Passing:

Hình 3.10: Hai dạng của phương phâp Token Passing

Token lă một bức điện ngắn không mang dữ liệu, có cấu trúc đặc biệt để phđnbiệt với câc bức điện mang thông tin nguồn, được dùng đặc biệt như một chìa khoâ.Một trạm năo đó trong mạng đang giữ thông tin thì nó có quyền truy nhập bus vă

Trang: 30

cầuChu kỳ bus (chu kỳ TDMA)

TrạmTrạm

Trạm

Trạm Trạm Trạm Trạm

TrạmToken

Token Bus

gửi thông tin đi Khi không còn nhu cầu gửi thông tin, trạm đang có token phải gửitoken tới một trạm khác theo một trình tự nhất định.

Nếu trình tự này đúng với trình tự sắp xếp vật lý trong một mạch vòng thì ứngvới phương pháp Token Ring Còn nếu sắp xếp có tính chất logic như ở cấu trúc busthì ta dùng khái niệm Token Bus

Hình 3.11: Phương pháp truy nhập bus kết hợp nhiều chủ (Multi master)(1) Token passing giữa các trạm tích cực

(2) Master/Slave giữa một trạm tích cực và một trạm không tích cựcMột trạm đang giữ token không những được quyền gửi thông tin đi, mà còn

có thể có vai trò kiểm soát sự hoạt động của một số trạm khác, ví dụ như kiểm tra

sự cố của các trạm Việc kiểm soát bao gồm các công việc sau:

 Giám sát token: Nếu token bị mất do lỗi thì cần phải xoá token cũ vàtạo một token mới

 Khởi tạo token: Sau khi khởi động mỗi trạm có nhiệm vụ tạo một tokenmới

 Phát hiện và tách một trạm ra khỏi mạch vòng logic khi trạm đó có sựcố

(2)(1)

Slave

Master Master Master

MasterMaster

Slave

Bổ sung trạm mới: Khi một trạm mới được kết nối hay một trạm cũ được đưavào sử dụng lại thì phải được bổ sung vào mạch vòng logic để có quyền nhận token.

5 Phương pháp thâm nhập ngẫu nhiên phân tán CSMA/CD:

Theo phương pháp CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with CollisionDetection), mỗi trạm đều có quyền truy nhập bus mà không cần một sự kiểm soát nào

Phương pháp được tiến hành như sau:

 Mỗi trạm phải tự nghe đường dẫn (Carrier sense), nếu đường dẫn rỗi(không có tín hiệu) thì mới được phát

 Trong khi phát thì mỗi trạm vẫn phải nghe đường dẫn để so sánh tínhiệu phát đi với tín hiệu nhận được xem có xảy ra xung đột hay không

 Trường hợp xảy xung đột thì mỗi trạm đều phải huỷ bỏ bức điện

C phát hiện xung đột, hủy bỏ bức điện, chờ một thời gian ngẫu nhiên và lặp lại bước 1

Hình 3.12: Phương pháp CSMA/CD

 Ưu điểm: Phương pháp đơn giản, linh hoạt Việc ghép thêm hay bỏ đimột trạm trong mạng không ảnh hưởng tới hoạt động của hệ thống Vì vậy phươngpháp được ứng dụng rộng rãi trong mạng Ethernet

 Nhược điểm: Vì các trạm đều như nhau trong mạng nên quá trình chờ

ở một trạm có thể lặp đi lặp lại, không xác định được thời gian chính xác Hiệu suất

Chi phí nối mạng bao gồm chi phí ban đầu và các chí phí tiếp theo Chi phíban đầu bao gồm mua phần cứng và phần mềm mới, chi phí thiết kế, lắp đặt và đưavào hoạt động Các chi phí tiếp theo gồm việc bảo trì phần cứng và phần mềm , chiphí vận hành và sửa chữa mạng, chi phí mở rộng mạng và thay đổi cấu hình.

2 Hiệu năng:

Nếu mạng hoạt động không hiệu quả, thì thậm chí những hoạt động trao đổi tin bình thường cũng khó khăn và các ứng dụng điều khiển quá trình cần hiệu năngtính toán lớn sẽ trở nên bất khả Tốc độ và tải của mạng là những yếu tố chính trongviệc đánh giá hiệu năng mạng Điều quan trọng là phải xác định và phân tích cácứng dụng, hoạt động và luồn giao thông mạng nói chung Các số đo hiệu năng điểnhình gồm:

 Tốc độ truyền : là tốc độ bit/s của dữ liệu truyền qua mạng

 Thời gian phản hồi : là thời gian cần thiết để trả lời một yêu cầu của ứngdụng hay của người dùng Nó bao gồm thời gian nơi gửi và nơi nhận dùng để xử lícác thông điệp yêu cầu, phản hồi và thời gian truyền qua mạng

 Mức tận dụng: Là tỉ lệ sử dụng băng thông so với dung lượng băngthông Không có qui tắc rõ ràng nào để đạt được mức tận dụng tối đa

 Thông lượng: là số bit mang thông tin trong thời gian truyền qua mạng

3 Độ tin cậy hay tính sẵn sàng:

Độ tin cậy của thiết bị được định nghĩa là xác suất thiết bị hoạt động tốt theoqui cách trong một khoảng thời gian nhất định Người ta thường biểu thị độ tin cậycủa một thiết bị qua thời gian trung bình giữa những lần hỏng hóc (MTBF-MeanTime Between Failure)

Tính sẵn sàng của một thiết bị là tỉ lệ thời gian mà thiết bị có thể hoạt độnghết mức Công thức tính là:

A = MTBF / (MTBF + MTTR)

Trang: 34

Trong đó MTTR là thời gian trung bình để sửa một lỗi (Mean Time ToRepair a fault)

Để tăng mức sẵn sàng của một mạng, các ta phải cân nhắc các điểm sau:

 Các quá trình tới hạn (critical processes) cần phải tách biệt ra thành cácmạng con có thể hoạt động độc lập nếu mạng chính hỏng Thí dụ, các quá trình chếtạo do một điều khiển tế bào theo dõi có thể tiếp tục miễn là điều khiển có điện, kể

 Kết nối terminal với máy trạm

 Dowload hay upload chương trình

 Dowload hay upload tập dữ liệu

 Kích hoạt chương trình

 Gửi và nhận dữ liệu ngắn

 Hổ trợ các ứng dụng phân tán

5 Khả năng chống chịu môi trường:

Các mạng truyền dữ liệu nhiều khi phải làm việc trong các khu vực nguyhiểm hoặc chịu những điều kiện khắc nghiệt Trong các hệ tự động hoá côngnghiệp, mạng truyền dữ liệu phải chịu được nhiễu điện từ , nhiễu tần số radio, khí

và chất lỏng ăn mòn, nhiệt độ hay thời tiết khắc nghiệt Trong môi trường côngnghiệp, các nhiễu điện từ mạnh có thể làm biến dạng gói tin, dẫn tới phải truyền lạinhiều lần, tăng tải mạng và cuối cùng giảm thông lượng

9 An ninh mạng:

Các mục tiêu của bảo mật mạng là:

 Giảm thiểu khả năng đột nhập bằng các thiết bị và thủ tục bảo vệ

 Phát hiện các vụ đột nhập mạng càng sớm càng tốt

Có khả năng nhận diện thông tin đã bị tấn công và các thông tin trạng tháiđiều khiển cần thiết để phục hồi

III.3.2 Những yêu cầu về truyền tin của các hệ thống tự động hóa công nghiệp:

Những yêu cầu truyền tin có thể phụ thuộc vào mức của mạng trong hệ thốngphân cấp các hệ tự động hoá công nghiệp

1 Mức hiện trường:

Tại mức hiện trường, các phiên trao đổi thông tin là để trao đổi dữ liệu tới và

từ các cảm biến, kích hoạt riêng lẻ mắc trên hoặc gần các thiết bị điều khiển

Yêu cầu truyền tin ở mức này gồm:

 Thời gian trả lời nhanh: cỡ vài micro giây tới vài mili giây, để đáp ứngcác vòng lặp điều khiển nhanh và các hệ thống đóng ngắt, báo động an toàn

Trang: 36

 Chịu môi trường khắc nghiệt: các thiết bị hiện trường phải làm việctrong môi trường nguy hiểm, cần có vỏ bọc chống cháy nổ và cơ chế bảo vệ nội tại.

 Khoảng cách xa : phải có khả năng kết nối các thiết bị từ khoảng cách

xa tới giá đầu nối Có thể là vài trăm mét trong khu vực một nhà máy, hoặc vàikilomet cho các hoạt động ở xa như các trạm bơm

 Cấp phối điện: điện cho các thiết bị hiện trường thường được cấp phátqua hai cáp tín hiệu Điện thiết bị được tách rời khỏi các nguồn điện khác trong nhàmáy, và phải lưu điện để đề phòng trường hợp khẩn cấp

2 Mức trạm:

Thời gian trả lời ngắn : cỡ mili giây, cần cho trao đổi thông tin điều khiển giữa các nút mạng, cho báo động, và các trao đổi thông tin vận hành mà ở đó tại cùng một thời điểm một lượng lớn dữ liệu được yêu cầu

Chịu khắc nghiệt: Khi các nút mạng đặt tại hiện trường, phần cứng hệ thốngphải được thiết kế để chịu nhiễu điện từ, nhiễu sóng radio, khí và chất lỏng ăn mòn,nhiệt độ và thời tiết khắc nghiệt

Độ sẵn sàng cao: hệ thống phải có khả năng làm việc gần 100% thời gian,tức là thời gian trung bình giữa các lần hỏng là cỡ hàng năm Trong nhiều trườnghợp phải có các kênh truyền tin dự trữ

Bảo mật: có cơ chế chống truy nhập trái phép hoặc vô ý vào hệ thống điềukhiển, nếu xảy ra có thể dẫn tới gián đoạn hoạt động nhà máy, gây nguy hiểm chongười và thiết bị, hoặc vì mục đích ăn cắp thông tin

Lưu điện: trong trường hợp mất điện, phải có nguồn lưu điện thay thế nhưPin, máy phát Đồng thời hệ thống thông tin phải được thiết kế để vượt qua thờigian chuyển đổi nguồn điện

Quản lý mạng: công việc quản lý mạng nhằm cung cấp các phương thức phụchồi lỗi cụ thể, cho phép đặt lại cấu hình hệ thống trực tiếp, bảo mật, đánh giá hiệunăng, kiểm kê, chẩn đoán lỗi, bảo trì

III.3.3 Quy trình thiết kế mạng truyền tin:

Thiết kế một mạng truyền tin là cả một công việc lớn, phải tuân theo cácphương pháp phân tích hệ thống chuẩn mực

1 Đánh giá tính khả thi:

Đánh giá tính khả thi nhằm xác định rõ ràng hệ thống hiện tại và quyết địnhxem có thể triển khai mạng cho hệ thống tự động hoá công nghiệp Người thiết kếcần phải hiểu rõ các vấn đề, các yêu cầu để tích hợp hệ thống tự động hoá đang xemxét Phải nghiên cứu tính khả thi có thể chia thành các bước: định nghĩa bài toán,phân tích bài toán và tìm giải pháp

2 Phân tích:

Trong pha phân tích, các yêu cầu về mạng được quyết định từ dữ liệu thu thậpđược trong quá trình điều tra tại pha đánh giá tính khả thi Người quản trị dự án sẽ thông qua những yêu cầu này và người thiết kế có nhiệm vụ triển khai

3 Thiết kế:

Thiết kế là bước mất nhiều thời gian nhất, có các bước điển hình:

Xác định mục đích cuối cùng cho kiến trúc mạng và các yêu cầu phải có

Xác định các dịch, chức năng cho người dùng cần có và chương trình ứngdụng liên quan

Xác định các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu năng như dung lượng mạng,phương pháp truy cập đường truyền, đường truyền vật lý, cơ chế khắc phục lỗi

Thiết kế kiến trúc của cả hệ thống mạng

Hình 3.13: Quy trình thiết kế mạng truyền tin

Thiết kế hệ thống mạng cục bộ trong mỗi phân vùng của hệ thống mạngcục bộ

Thiết kế các giao diện giữa các hệ thống mạng cục bộ

III.4 Mạng Industrial Ethernet (IE):

Mạng Industrial Ethernet (IEEE 802.2) dựa trên cơ sở Ethernet thường nhưngđược thiết kế lại cho sử dụng phù hợp trong môi trường công nghiệp và do tổ chứcIEA (Industrial Ethernet Association) quản lý Mạng IE phục vụ cho lớp quản lý vàlớp điều khiển để thực hiện việc truyền thông giữa máy tính và các hệ thống tự độnghóa Nó phục vụ cho việc trao đổi một dung lượng thông tin lớn và truyền trong mộtkhoảng cách lớn Về phương diện vật lý mạng IE cũng là một mạng điện Các cápdùng trong mạng là cáp đồng trục có tráng cách điện và có bọc, cáp quang

Phương pháp thâm nhập đường dẫn là phương pháp CSMA/CD Trước khi dữliệu được gửi đi thì các trạm trong mạng được kiểm tra xem trạm đó có ở trong quátrình truyền thông không Nếu không thì một trạm nào đó trong mạng có thể gửi

thông tin đi Nếu xẩy ra xung đột trên mạng thì quá trình truyền thông trên mạng sẽ

bị ngừng lại và quá trình đó sẽ được thực hiện lại sau một thời gian nhất định Mạng IE có những tính chất đặc trưng sau:

 Mạng IE sử dụng thủ tục truyền thông ISO và TCP/IP

 Theo phương pháp thâm nhập đường dẫn đã chọn thì các phần tửtrong mạng IE đều bình đẳng với nhau

 IE là một hệ thống mạng truyền thông mở

Phương pháp thâm nhập

đường dẫn

CSMA/CD (Carier Sense Multiple Access/Collision Detection )

Môi trường truyền thông

Dây dẫn Cable đồng trục có

tráng và bọcCable quang Cable thủy tinh hoặc

nhựa

dạng vòng (Tokenring)Dịch vụ truyền thông ISO-Transfort

ISO-on-TCP

Bảng 3.1: Các thông số kỹ thuật của mạng IE.

III.5 Mạng công nghiệp sử dụng chuẩn truyền thông PROFIBUS:

III.5.1 Định nghĩa và phân loại PROFIBUS:

PROFIBUS là một hệ thống bus trường được phát triển tại Đức từ năm 1987

và được tiêu chuẩn hóa trong DIN 19245 Chuẩn quốc gia này đã trở thành chuẩnChâu Âu EN 50 170 trong năm 1996 và chuẩn quốc tế IEC 61158 vào đầu năm

2000 Với mục đích quảng bá cũng như hỗ trợ việc phát triển và sử dụng các sảnphẩm tương thích PROFIBUS, một hiệp hội người sử dụng đã được thành lập,mang tên PROFIBUS Nutzerorganisation (PNO)

Trang: 40