thiết kế hệ scada giám sát và thu thập số liệu điện năng

+Mạng lưới truyền tin: Được xây dựng trên cơ sở mạng máy tính và truyền thông công nghiệp có chức năng đảm bảo thông tin hai chiều giữa trạm điều khiển trung tâm và các trạm cơ sở Như ta

MỞ ĐẦU Điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu (SCADA) là một phần không thể thiếu được trong một hệ thống tự động hoá hiện đại Từ những năm gần đây, sự tiến bộ trong lĩnh vực truyền thông công nghiệp và công nghệ phần mền đã thực sự đem lại nhiều khả năng mới, giải pháp mới Chưa bao giờ, việc tạo dựng các ứng dụng SCADA lại đơn giản như bây giờ Nếu như trước đây, ngành điện cần phải có những panel điều khiển bằng cả một bức tường với chi chít những đèn báo, công tắc, đồng hồ và vài người đứng xem xét, theo dõi mạng lưới cung cấp điện: nơi non tải, hay những sự cố đứt dây, chập mạch thì nay với giải pháp dùng hệ SCADA, ta chỉ dùng tay tác động vào “chuột” thì các thông số ở vùng nào muốn theo dõi sẽ hiện lên.Việc điều điện áp, cắt tải hay mở rộng cửa xả nước để tăng công suất phát điện đó còn được truyền đến các nhà máy phát điện khác để cùng tham gia hòa điện lên trên mạng lưới điện quốc gia.Với sự tiến bộ như vậy, em đã chọn đề tài này để củng cố nhiều kiến thức Và từ đó có nhiều khả năng để xây dựng nên các giải pháp SCADA mà trọng tâm của việc xây dựng các giải pháp này trong thời điểm hiện nay là dùng công cụ phần mềm thiết kế giao diện và tích hợp hệ thống.Vì vậy trong đề tài về phần mềm em chọn phần mềm SCADA là WinCC Còn các thiết bị bao gồm các bộ đo điện năng là Mach 30, PLC S7-300 CPU 314IFM, PLC S7-200 CPU 226, các contactor, các relay, và tải là các bóng đèn và động cơ không đồng bộ ba pha Trừ động cơ ra tất cả các thiết bị trên được gắn trên panel

Và với nhiệm vụ của đề tài là tìm hiểu về WinCC, Simatic 200/300, chuẩn truyền thông Modbus, chuẩn truyền thông Ducati (hỗ trợ cho việc truyền thông giữa máy tính với Mach 30), thiết kế hệ SCADA-giám sát và thu thập số liệu điện năng Nên trong luận văn này ở chương một em giới thiệu về SCADA và HMI Và vì hệ thống SCADA một phần phát triển trên cơ sở của sự phát triển mạng máy tính và truyền thông công nghiệp nên em giới thiệu khái quát về mạng công nghiệp ở chương hai Và trong chương ba giới thiệu về PLC S7-200, PLC S7-300 Thêm vào đó trong chương bốn giới thiệu về Mach 30 Cuối cùng trong chương năm giới thiệu về WinCC

S7-Vì thời gian thực hiện đề tài có hạn nên trong luận văn này không trách khỏi những sai sót Kính mong quý thầy cô và độc giả nhiệt tình bỏ qua

Tp.HCM, ngày 12/1/2002 Sinh viên thực hiện Lưu Văn Khoa

MỤC LỤC Trang

Chương 1 GIỚI THIỆU VỀ SCADA VÀ HMI 1

I Khái niệm về SCADA và HMI 1

II Nguyên tắc hoạt động của hệ thống SCADA 3

III Chức năng và nhiệm vụ cơ bản của hệ thống SCADA 4

IV Phân loại hệ thống SCADA 5

V Tiêu chuẩn đánh giá 6

VI SCADA lên WEB 9

VII Nhìn về tương lai 9

Chương 2 MẠNG TRUYỀN THÔNG CÔNG NGHIỆP 11

I Khái niệm 11

1 Khái niệm về mạng truyền thông công nghiệp 11

2 Phân loại và đặc trưng các hệ thống MCN 12

II Cơ sở kỹ thuật 16

1 Khái niệm về thời gian thực 16

2 Kiến trúc giao thức 17

3 Chuẩn truyền dẫn 35

III Modbus 43

1 Cơ chế giao tiếp 44

2 Chế độ truyền dẫn 46

3 Cấu trúc bức điện 47

4 Bảo toàn dữ liệu 51

5 Modbus Plus 52

IV Lập trình cổng COM(RS-485) 53

V Cáp chuyển đổi RS-232/485 58

Chương 3 PLC 61

A.Giới thiệu VỀ PLC 61

I Khái niệm về PLC 61

II Đặc điểm bộ điều khiển lập trình 61

III Cấu trúc 65

IV Cổng truyền thông 66

V Ưu nhược điểm của PLC 67

VI Một vài lĩnh vực tiêu biểu ứng dụng PLC 68

B.PLC SIEMENS S7-200 70

I Giới thiệu 70

II Bộ nhớ 70

III Tập lệnh PLC S7-200 72

IV Bảng sự kiện ngắt và thứ tự ưu tiên 76

V Vùng nhớ đặc biệt 77

VI Giới thiệu về SIEMENS SIMATIC S7-200 (CPU 226) 78

C.PLC Siemems S7-300 80

I Thiết bị điều khiển logic khả trình 80

II Ngôn ngữ lập trình 87

III Tổ chức bộ nhớ CPU 88

IV Giới thiệu về CPU 314IFM 90

Chương IV MACH 30 98

I Giới thiệu 98

1 Các tính năng của MACH 30 99

2 Các thông số của MACH 30 99

3 Công suất trung bình 99

4 Hệ số dạng THDF 99

5 Các giá trị đo được hiển thị sẵn 100

6 Mạng nối kết các thiết bị và máy tính 101

7 Ứng dụng 102

II Cách sử dụng MACH 30 102

1 Các menu và các phím chức năng 102

2 Cách kết nối nguồn cung cấp 103

3 Cách kết nối MACH 30 với tải 103

4 Cogeneration 104

5 Hai ngõ vào analog 105

6 Bốn ngõ ra cực thu hở 106

7 Các thông số trong menu đặt cấu hình 107

III Giao thức truyền thông của Ducati 108

1 Giới thiệu 108

2 Ứng dụng 108

3 Diễn tả 108

4 Frame yêu cầu dữ liệu 111

5 Những frame lệnh 119

Chương 5 SIMATIC WINCC CONTROL CENTER 124

A.Giới thiệu 124

I Control Center trong hệ thống WinCC 124

II Project 133

B.Cách lập trình WinCC 136

I Khái niệm 136

1 Cấu trúc 136

2 Giao diện của WinCC 136

II Cách lập trình 138

1 Khái niệm về tag của WinCC 138

2 Driver của WinCC 139

3 Tạo picture 139

4 Cách tạo thư viện liên kết động 140

5 Sử dụng tập tin liên kết động 143

BÁO CÁO KẾT QUẢ THI CÔNG VÀ HƯỚNG

PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 1.Kết quả thi công

Thu thập tốt dữ liệu từ các bộ đo Mach 30 về máy tính thông qua bộ chuyển đổi RS-232/485 và phần mềm WinCC và đồng thời từ máy tính thông qua phần mềm này đã điều khiển được các ngõ ra của Mach 30

Vì WinCC có hỗ trợ Driver cho PLC S7-300 nên việc kết nối giữa máy tính với S7-300 CPU 314IFM rất dễ dàng nên em đă kết nối thành công trong việc đọc dữ liệu cũng như điều khiển Còn S7-200 thì WinCC không hỗ trợ nên em viết chương trình con riêng và viết theo frame truyền của Ducati cho PLC S7-200 và WinCC Kết quả đã kết nối thành công WinCC có hỗ trợ trong việc lưu trữ xử lý dữ liệu (ví dụ như các giá trị

đo và các thông tin báo động)và nên em đã tìm hiểu được các thức mà WinCC lưu dữ liệu và có thể đọc các dữ liệu mà WinCC thu thập được từ Mach 30 cũng như PLC S7-220 và S7-300 từ các phần mềm khác như Excel, Access, ISQL…Và em đã thực hiện trên các phần mềm này thành công trong việc đọc và xử lý dữ liệu đó

Cụ thể:

Đây là hình chụp panel:

Kết quả thu thập được từ Mach30 các giá trị:tần số, điện áp tương đương ba pha, áp dây 1-2, áp dây 2-3, áp dây 3-1:

Đồ thị U12(t),U23(t),U31(t):

2.Hướng phát triển của đề tài

Đề tài này một phần khẳng định tính năng mở, độ linh hoạt trong hệ thống SCADA tức là có thể dùng mạng truyền thông dựa theo giao thức Modbus và chuẩn RS-485 này có thể ghép nối nhiều thiết bị (có hỗ trợ giao thức và chuẩn này) thuộc các hãng khác nhau Hơn nữa với sự hỗ trợ mạnh về cơ sở dữ liệu của như khả năng tích hợp của WinCC nên ta có thể ghép nối với các hệ thống khác và có khả năng mở rộng đến cấp quản lý, chứ không nhất thiết là ở cấp chấp hành và cấp điều khiển Vì vậy hệ thống SCADA này có khả năng mở rộng và ứng dụng vào nhiều lĩnh vực như: khu công nghiệp, khách sạn, nhà hàng, bảo tàng, trung tâm thương mại, hệ thống chuyển mạch ATS, hệ thống kho chứa và phân phối xăng dầu,…

TÀI LIỆU THAM KHẢO

 WinCC Configuration Manual(Volume1/Volume2) –Edition February

1999 (Siemens)

 WinCC Getting Started Manual -Edition August 1997 (Siemens)

 Tự động hoá với SIMATIC S7-300 (Nguyễn Đoãn Phước-Phan Xuân Minh-Vũ Văn Hà )

 Tự động hoá với SIMATIC S7-200 (Nguyễn Đoãn Phước-Phan Xuân Minh)

 Tạp chí Tự Động Hoá Ngày Nay(Automation Today)

 Mạng Truyền Thông Công Nghiệp (Hoàng Minh Sơn)

 SIMATIC Loadable Driver for Point-to-Point CPs: MODBUS Protocol, S7 is master/slave manual Edition 2(Siemens)

 SIMATIC Data Highway Reference Manual (Siemens)

 SIMATIC S7-300 Programmable Controller Hardware and Installation Manual(Siemens)

 SIMATIC S7-300 Programmable Controller Integrated Functions CPU

312 IFM/314 IFM Manual (Siemens)

 SIMATIC S7-200 Programmable Controller System Manual (Siemens)

 Các Kỹ Xảo Lập Trình Với Visual Basic Và Borland Delphi (Lê Hữu Đạt)

 Kỹ Thuật Lập Trình C (Phạm Văn Aát)

 Tin Học II (Đặng Thành Tín)

 Serial Port Complete (Jan Alexlson)

 Kỹ Thuật Ghép Nối Máy Tính (Ngô Diên Tập)

 Các Luận Văn Tốt Nghiệp của các khoá trước trong bộ môn ĐKTĐ

LỜI NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

ĐỀ TÀI:

MẠNG SCADA GIÁM SÁT VÀ THU THẬP

SỐ LIỆU ĐIỆN NĂNG

LỜI NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Em xin chân thành cảm ơn :

-Tất cả các thầy cô giáo đã trực tiếp giảng dạy trong giai đoạn đại cương

-Toàn thể các thầy cô giáo trong trường ĐHBK

-Tất cả các thầy cô giáo trong khoa Điện-Điện tử đã trực tiếp giảng dạy

trong giai đoạn chuyên ngành

Đặc biệt em xin chân thành cảm ơn sự nhiệt tình ,tận tâm của thầy

Nguyễn Đức Thành đã bỏ nhiều thời gian quý báu hướng dẫn trực tiếp trong

quá trình em thực hiện luận văn

Sau cùng em xin chân thành cảm ơn công lao cha mẹ ,gia đình đã nuôi dạy

em nên người và tất cả bạn bè đã độâng viên giúp đở trong thời gian học tập

Mặc dù em rất cố gắng trong khi thực hiện,nhưng chắc chắn không tránh khỏi những sai sót, mong các thầy tận tâm chỉ bảo giúp em rút ra kinh nghiệm bổ íich trong việc thiết kế sau này

Một lần nữa,em xin cảm ơn tất cả !

Tp Hồ Chí Minh tháng 1 /2002

SVTH: Lưu Văn Khoa

Chương 1 GIỚI THIỆU VỀ SCADA VÀ HMI

I.Khái niệm về SCADA và HMI

Thị trường tiêu thụ hàng hoá luôn đòi hỏi không ngừng nâng cao chất lượng, giảm giá thành, đổi mới kết cấu, mẫu mã sản phẩm Nhu cầu đó đặt

ra yêu cầu tìm kiếm một phương thức sản xuất mới để tạo nên các dây chuyền sản xuất tự động cho phép nhanh chóng thay đổi mẫu mã, loại sản phẩm Dây chuyền tự động “cứng” gồm nhiều thiết bị tự động chuyên dùng đòi hỏi vốn đầu tư lớn, nhiều thời gian để thiết kế và chế tạo, trong lúc quy trình công nghệ luôn cải tiến, nhu cầu đối với chất lượng và quy cách của sản phẩm luôn thay đổi Bởi vậy nhu cầu mền hoá hay linh hoạt dây chuyền sản xuất ngày càng tăng Các dây chuyền sản xuất có khả năng thay đổi nhanh chóng lại không tốn nhiều công suất để chuyển sang sản xuất sản phẩm mới, sang một quy trình công nghệ mới Để đáp ứng được nhu cầu trên, yêu cầu phải có một hệ thống sản xuất mới Hệ thống sản xuất tự động linh hoạt hay gọi tắt là hệ thống sản xuất linh hoạt (FMS) áp dụng thành tựu khoa học và kỹ thuật về tin học, kỹ thuật điều khiển số, điều khiển người máy Đặt biệt là mô hình sản xuất tự động Workcell –tế bào sản xuất tự động –là đơn vị cơ bản có khả năng làm việc độc lập hoàn toàn với các bộ phận khác trong nhà máy, nó đảm đương việc thực hiện hoàn tất một công đoạn trong quy trình sản xuất Một workcell hiện đại còn có thể biến đổi chức năng làm việc để phù hợp với nhu cầu mới cũng như kết nối với các workcell khác để tạo nên dây chuyền sản xuất linh hoạt Dây chuyền công nghiệp dùng người máy được điều khiển bằng máy tính điện tử cùng với các thiết bị gia công điều khiển số dạng NC và CNC tạo ra khả năng dễ dàng thay đổi quy trình làm việc, sự thuyên chuyển công việc có thể thực hiện chủ yếu chỉ bằng sự thay đổi chương trình cho máy tính Các thiết bị này thay thế dần các máy tự động “cứng” Hệ thống sản xuất linh hoạt bao gồm nhiều vấn đề phức tạp như: cấu trúc tổ chức, quản lý các phần tử cơ bản trong hệ thống đến việc đánh giá lợi ích, các vấn đề xã hội mà hệ thống sản xuất gây ra Hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu (SCADA) là một phương thức tiên tiến điều khiển hệ thống sản xuất tự động trong công nghiệp và phương thức điều khiển SCADA có thể được ứng dụng vào việc giám sát và điều khiển tế bào sản xuất workcell Vậy ta sẽ giới thiệu sơ lược về hệ thống SCADA

Hệ SCADA ra đời vào những năm 80 trên cơ sở ứng dụng kỹ thuật tin học, mạng máy tính và truyền thông công nghiệp

Giống như nhiều từ viết tắt có tính truyền thống khác, khái niệm SCADA ( Supervisory Control And Acquisition) cũng được hiểu với những ý nghĩa khác nhau, tuỳ theo lĩnh vực ứng dụng và theo thời gian Có thể, khi nói tới SCADA người ta chỉ liên tưởng tới một hệ thống mạng và thiết bị có nhiệm vụ thuần tuý là thu thập dữ liệu từ các trạm ở xa và truyền tải về một khu trung tâm để xử lý Các hệ thống ứng dụng trong công nghiệp khai thác dầu khí và phân phối năng lượng là những ví dụ tiêu biểu Theo cách hiểu này, vấn đề truyền thông được đặt lên hàng đầu Trong nhiều trường hợp, các khái niệm SCADA và “None-SCADA “ lại được dùng để phân biệt các giải pháp điều khiển giám sát dùng công cụ phần mềm chuyên dụng (ví dụ FIX, InTouch, WinCC, Lookout,…) hay phần mềm phổ thông (Acess, Excel, Visual Basic, Delphi, Jbuilder,…) Ở đây, công nghệ phần mềm là vấn đề quan tâm chủ yếu

Nói một cách tổng quát, một hệ SCADA không có gì khác là một hệ thống điều khiển giám sát, tức là một hệ thống hỗ trợ con người trong việc quan sát và điều khiển từ xa, ở cấp cao hơn hệ điều khiển thông thường Đương nhiên, để có thể quan sát và điều khiển từ xa cần phải có một hệ thống truy cập ( không chỉ thu thập! ) và truyền tải dữ liệu, cũng như cần phải có giao diện người -máy (Human - Machine Interface, HMI) Tuỳ theo trọng tâm của nhiệm vụ mà người ta có những cách nhìn khác nhau Tuy nhiên một hệ SCADA thường phải có đủ những thành phần sau đây :

+Giao diện người – máy (sơ đồ công nghệ, đồ thị, phím thao tác,…)

+Cơ sở hạ tầng truyền thông công nghiệp

+Phần mềm kết nối với các nguồn dữ liệu (drivers cho các PLC, các module vào/ra , cho các hệ thống bus trường

+Cơ sở dữ liệu quá trình

+Các chức năng hỗ trợ trao đổi tin tức(Messaging ) và xử lý sự cố (Alarm) Hỗ trợ lập báo cáo (Reporting)

Hay nói một cách tổng quát hơn, hệ SCADA bao gồm các thành phần chính như sau:

+Trạm điều khiển trung tâm (Master Station ): Có nhiệm vụ thu thập, lưu trữ, xử lý số liệu và đưa ra các lệnh điều khiển xuống các trạm cơ sở

+Hệ thống trạm cơ sở (Operation Station ): là các trạm được đặt tại hiện trường có nhiệm vụ thu thập, xử lý số liệu trong một phạm vi nhất định và gửi các số liệu về trạm trung tâm đồng thời thực hiện các lệnh điều khiển từ trạm trung tâm

+Mạng lưới truyền tin: Được xây dựng trên cơ sở mạng máy tính và truyền thông công nghiệp có chức năng đảm bảo thông tin hai chiều giữa trạm điều khiển trung tâm và các trạm cơ sở

Như ta thấy, HMI là một thành phần trong hệ SCADA, tuy nhiên không phải chỉ ở cấp điều khiển giám sát, mà ngay ở các cấp thấp hơn người ta cũng cần giao diện người –máy phục vụ việc quan sát và thao tác vận hành cục bộ Vì lý do giá thành, đặc tính kỹ thuật cũng như phạm vi chức năng, ở các cấp gần với quá trình kỹ thuật này các OP (Operator Panel) chuyên dụng chiếm vai trò quan trọng hơn

Sự tiến bộ trong công nghệ phần mềm và kỹ thuật máy tính PC, đặc biệt là sự chiếm lĩnh thị trường của hệ điều hành Windows NT cùng với các công nghệ của Microsoft đã thúc đẩy sự phát triển của các công cụ tạo dựng phần mềm SCADA theo một hướng mới, sử dụng PC và Windows NT làm nền phát triển và cài đặt Từ phạm vi chức năng thuần tuý là thu thập dữ liệu cho việc quan sát, theo dõi quá trình, một hệ SCADA ngày nay có thể đảm nhiệm vai trò điều khiển cao cấp, điều khiển phối hợp Phương pháp điều khiển theo mẻ, điều khiển theo công thức (batch control, recipe control) là những ví dụ tiêu biểu Hơn thế nữa, khả năng tích hợp hệ thống điều khiển giám sát với các ứng dụng khác nhau trong một hệ thống thông tin, các phần mềm quản lý, tối ưu hoá hệ thống, của toàn công ty cũng trở nên dễ dàng hơn

Trong giải pháp điều khiển phân tán, hệ thống truyền thông ở cấp dưới (bus trường, bus chấp hành – cảm biến) đã có sẵn Nếu như mạng máy tính của một công ty cũng đã được trang bị (chủ yếu dùng Ethernet),thì cơ sở hạ tầng cho việc truyền thông không còn là vấn đề lớn phải giải quyết Chính vì vậy, trọng tâm của việc xây dựng các giải pháp SCADA trong thời điểm hiện nay là vấn đề lựa chọn công cụ phần mềm thiết kế giao diện và tích hợp hệ thống

II.Nguyên tắc hoạt động của hệ thống SCADA

Hệ thống SCADA hoạt động dựa trên nguyên tắc lấy tín hiện từ các

cơ cấu cảm biến được gắn trên các thiết bị công tác hoặc trên dây truyền sản xuất gửi về cho máy tính (thực hiện phần thu nhận dữ liệu ) Máy tính xử lý, kiểm tra trạng thái hoạt động của hệ thống, các yêu cầu kỹ thuật của sản phẩm đã được cài sẵn trong bộ nhớ Đồng thời, máy tính sẽ hiển thị lại những thông tin kỹ thuật của hệ thống trên màn hình, cho phép tự động giám sát và điều khiển hệ thống và phát ra tín hiệu điều khiển đến máy

công tác tạo nên vòng tín hiệu kín (thực hiện chức năng giám sát và điều khiển)

Việc điều khiển giám sát ở đây bao hàm hai ý nghĩa :

+Con người theo dõi và điều khiển

+Máy tính giám sát và điều khiển

Đối với các hệ thống sản xuất tự động trước đây, việc kiểm tra giám sát hoàn toàn do con người đảm trách So với máy tính, tốc độ xử lý tính toán của con người rất chậm và dễ nhầm lẫn Việc tính toán điều khiển của máy tính sẽ tránh được những hậu quả trên Những sai sót nhỏ, đơn giản thường xuyên gặp phải sẽ được máy tính giám sát và xử lý theo chương trình được đặt sẵn Đối với những sự cố lớn máy tính sẽ báo cho người theo dõi biết và tạm dừng hoạt động của hệ thống để chờ quyết định của người điều hành

Vì vậy, bên cạnh khả năng hoạt động toàn hệ thống theo một chương trình định trước, hệ SCADA còn cho phép người vận hành quan sát được trạng thái làm việc của từng thiết bị tại các trạm cơ sở, đưa ra các cảnh báo, báo động khi hệ thống có sự cố và thực hiện các lệnh điều khiển can thiệp vào hoạt động của hệ thống khi có tình huống bất thường hay có sự cố

III.Chức năng và nhiệm vụ cơ bản của hệ thống SCADA:

1.Giám sát và phân tích hoạt động sản xuất:

Ngay khi nhận biết được những thông tin về hoạt động của hệ thống từ các bộ phận cảm biến gửi về, máy tính sẽ phân tích những tín hiệu đó và

so sánh với những tín hiệu chuẩn, với những tín hiệu yêu cầu từ các tập tin về cấu hình hoạt động của hệ thống sản xuất, hay các bảng cơ sở dữ liệu về sản phẩm, quy trình sản xuất, các thông số công nghệ của các máy công tác(dữ liệu tham khảo) Nhờ các bộ phận cảm biến, các thiết bị đo lường mà trong quá trình sản xuất luôn thông báo cho người giám sát biết được các thông tin về tiến trình hoạt động sản xuất, các thông số kỹ thuật ,số lượng sản phẩm

Việc giám sát ở đây bao hàm hai ý nghĩa:

+Máy tính giám sát

+Con người giám sát

Việc theo dõi giám sát chủ yếu là do máy tính, con người chỉ đóng vai trò phụ, chuyên theo dõi những biến cố lớn nguy hiểm đến hệ thống sản xuất Những trục trặc nhỏ hay những sai lệch thường xuyên gặp phải sẽ được máy tính sửa chữa theo chương trình được cài sẵn

2.Hoạt động theo chương trình điều khiển

Ngoài các chức năng truyền thống là so sánh để điều khiển cơ cấu tác động, ta còn có thể cho hệ thống hoạt động theo một chương trình đã lập từ trước Nhờ có bộ vi xử lý ta có thể lập trình cho hệ thống hoạt động theo những chu trình phức tạp, máy tính sẽ đọc chương trình và xuất tín hiệu điều khiển cho các cơ cấu hoạt động theo chương trình

Việc thay đổi chu trình hoạt động của máy tính hay thay đổi kích thước mẫu mã sản phẩm chỉ là việc thay đổi chương trình Mẫu mã, kích thước được vẽ trên máy tính bằng các phần mềm chuyên dụng (Cimatron, Pro Engineer ) rồi máy tính sẽ dịch lại theo mã máy để cho các máy điều khiển số (NC,CNC) hiểu được

3.Kiểm tra và đảm bảo chất lượng

Nhờ các thiết bị cảm ứng, các thiết bị đo lường được gắn trên máy mà

ta có thể đo, kiểm tra sản phẩm, loại bỏ các phế phẩm ngay từ nguyên nhân hỏng, nhờ đó mà chất lượng sản xuất được nâng cao và giảm bớt chi phí sản xuất; kịp thời phát hiện, báo động những biến cố xảy ra

4.Quản lý quá trình sản xuất

Các thông tin về hệ thống sản xuất đều được truyền về cho máy tính giám sát và thống kê, tổng kết quá trình sản xuất: số lượng sản phẩm, số lượng nguyên vật liệu còn tồn trữ, giúp người quản lý ra quyết định Đặt biệt là khả năng liên kết động (DDE-Dynamic Data Exchange) cho phép các thông tin trên được kết nối, trao đổi cơ sở dữ liệu với các hệ thống SCADA tương tự khác trên một mạng TCP/IP (Transfer Control Protocol/Intenet Protocol)-một tập tiêu chuẩn (các giao thức) dùng cho quá trình phát truyền và sửa lỗi đối với các dữ liệu, cho phép máy tính được ghép mạng Internet sang máy tính khác) Điều này cho phép các hệ thống có thể truy xuất dữ liệu cũng như xuất ra tín hiệu điều khiển lẫn nhau

Hệ thống SCADA còn có khả năng liên kết với các hệ thống thương mại có cấp độ cao hơn, cho phép đọc /viết theo cơ sở dữ liệu chuẩn ODBC như Oracle , Access , Microsoft SQL…

IV Phân loại hệ thống SCADA

Có nhiều loại hệ thống SCADA khác nhau nhưng trên cơ bản chúng được chia làm 4 nhóm với những tính năng cơ bản sau :

+SCADA độc lập/SCADA nối mạng

+SCADA không có chức năng đồ hoạ(Blind)/SCADA có khả năng xử lý đồ hoạ thông tin thời gian thực(real time)

1.Hệ thống SCADA mờ (Blind) :

Là hệ thống thu nhận, xử lý dữ liệu thu được bằng hình ảnh hoặc đồ thị Do không có bộ phận giám sát nên hệ thống rất đơn giản và giá thành thấp

2.Hệ thống SCADA xử lý đồ hoạ thông tin thời gian thực (run time) :

Là hệ thống giám sát và thu nhận dữ liệu có khả năng mô phỏng tiến trình hoạt động của hệ thống sản xuất nhờ các tập tin cấu hình của máy đã được khai báo trước đó Tập tin cấu hình sẽ ghi lại khả năng hoạt động của hệ thống, các giới hạn không gian hoạt động, giới hạn về khả năng, công suất làm việc của máy Nhờ biết trước khả năng hoạt động của hệ thống sản xuất mà khi có tín hiệu vượt quá tải hay có vấn đề đột ngột phát sinh, hệ thống sẽ báo cho người giám sát biết trước để họ can thiệp vào hoặc tín hiệu vượt quá mức cho phép hệ thống sẽ lập tức cho máy công tác ngưng hoạt động

3.Hệ thống SCADA độc lập:

Là hệ thống giám sát và thu nhận dữ liệu với một bộ xử lý, thông thường loại hệ thống SCADA này chỉ điều khiển một hoặc hai máy công cụ hay còn gọi là workcell Do khả năng điều khiển ít máy công tác nên hệ thống sản xuất chỉ đáp ứng được cho việc sản xuất chi tiết, không tạo nên được dây chuyền sản xuất lớn

4.Hệ thống SCADA mạng:

Là hệ thống giám sát và thu nhận dữ liệu với nhiều bộ xử lý có nhiều bộ phận giám sát được kết nối với nhau thông qua mạng Hệ thống này cho phép điều khiển phối hợp được nhiều máy công tác hoặc nhiều nhóm workcell tạo nên một dây chuyền sản xuất tự động Đồng thời hệ thống có thể kết nối tới nơi quản lý – nơi ra quyết định sản xuất hay có thể trực tiếp sản xuất theo yêu cầu của khách hàng từ nơi bán hàng hay phòng thiết kế

Do được kết nối mạng nên chúng ta có thể điều khiển từ xa các thiết bị công tác mà điều kiện nguy hiểm (như làm việc ở nơi có môi trường phóng

xa, nơi có từ trường mạnh …) không cho phép con người đến gần

V.Tiêu chuẩn đánh giá

Mục đích trong việc đánh giá và lựa chọn của một người thiết kế hệ thống không phải là tìm ra giải pháp tốt nhất, mà là một giải pháp đủ thoả mãn các nhu cầu về mặt kỹ thuật với giá thành hợp lý, trong phạm vi ngân sách cho phép Để đánh giá một giải pháp SCADA, ta cần đặc biệt chú ý đến những yếu tố sau:

+Khả năng hỗ trợ của công cụ phần mềm đối với việc thực hiện các màn hình giao diện, chất lượng của các thành phần đồ hoạ có sẵn

+Khả năng truy cập và cách thức kết nối dữ liệu từ các quá trình kỹ thuật (trực tiếp từ các cơ cấu chấp hành, cảm biến, các module vào / ra, qua các thiết bị điều khiển khả trình PLC hay các hệ thống bus trường)

+Tính năng mở rộng của hệ thống

+Khả năng hỗ trợ xây dựng các chức năng trao đổi tin tức (Messaging), xử lý sự kiện và sự cố (Event and Alarm), lưu trữ thông tin (Archive and History) và lập báo cáo (Reporting)

+Tính năng thời gian, hiệu suất trao đổi thông tin

+Giá thành hệ thống phần mềm bao gồm công cụ phát triển ( Development Tool ), chương trình chạy (Runtime Engine), tài liệu sử dụng, công đào tạo và dịch vụ hỗ trợ, bảo trì

Sau đây, ta sẽ đi sâu bàn luận các vấn đề liên quan ba yếu tố đầu tiên, hay nói cách khác là vấn đề liên quan tới công nghệ phần mềm Đó cũng là những khía cạnh làm nổi bật những đặc tính của các giải pháp SCADA thế hệ mới

Tạo dựng một ứng dụng SCADA tối thiểu đòi hỏi hai phần việc chính: xây dựng màn hình hiển thị và thiết lập mối quan hệ giữa các hình ảnh trên màn hình với các biến quá trình Như vậy, công việc tạo dựng một ứng dụng SCADA trên nguyên tắc sẽ phức tạp hơn nhiều so với việc lập trình giao diện đồ hoạ trong các ứng dụng thông thường Có hai phương pháp để tạo dựng:

Phướng pháp thứ nhất là sử dụng công cụ lập trình phổ thông như Visual C++, Visual Basic, Jbuilder, Delphi và người lập trình phải tự làm từ đầu, giống như việc phát triển các ứng dụng thông thường Không kể đến việc phải lập trình để kết nối dữ liệu qua các cổng truyền thông, thì công việc lập trình đồ họa mặc dù có các công cụ hỗ trợ rất mạnh cũng gặp nhiều khó khăn Thứ nhất là phương pháp này đòi hỏi mức kiến thức lập trình khá cao ở người lập trình Thứ hai, việc lập trình các biểu tượng, ký hiệu đồ hoạ thường dùng trong kỹ thuật (van, đường ống, bình nước, đồng hồ, núm xoay…) đòi hỏi nhiều công sức Để giải quyết vấn đề này, ta có thể sử dụng các thư viện phần mềm dưới dạng thư viện lớp(class library) hay

thư viện thành phần (component library) có sẵn Đặc biệt, việc sử dụng các thư viện thành phần như ActiveX –controls hay JavaBeans nâng cao hiệu suất lập trình một cách đáng kể Tuy nhiên trong bất cứ trường hợp nào, việc phải biên dịch lại toàn bộ ứng dụng (tức là phải sử dụng một compiler) là điều không thể tránh khỏi Do những hạn chế trên đây, phương pháp lập trình này chỉ nên sử dụng trong các ứng dụng quy mô nhỏ và ít có yêu cầu phải thay đổi

Phương pháp thứ hai là sử dụng một công cụ phần mềm chuyên dụng (ví dụ FIX, InTouch,WinCC,Lookout,…), gọi tắt là phần mềm SCADA Các công cụ này có chứa các thư viện thành phần cho việc xây dựng giao diện người –máy cũng như phần mềm kết nối với các thiết bị cung cấp dữ liệu thông dụng Nhiều công cụ định nghĩa một ngôn ngữ riêng (thường gọi là script) phục vụ các mục đích này , tuy nhiên độ phức tạp của chúng cũng rất khác nhau Gần nay, xu hướng đơn giản hoá việc tạo dựng một ứng dụng SCADA thể hiện ở sự kết hợp phương pháp lập trình hiển thị với sử dụng một ngôn ngữ script thông dụng như Visual Basic for Application(VBA) và VBScript, tương tự như việc soạn thảo một văn bản Một số công cụ còn đi

xa hơn nữa, cho phép ta sử dụng các biểu tượng, ký hiệu đồ hoạ vừa để xây dựng giao diện người – máy vừa để biểu diễn sự liên quan logic giữa các thành phần của một chương trình dưới dạng biểu đồ khối chức năng (FBD) quen thuộc, không cần tới một dòng lệnh kể cả script Người ta cũng nói đến khái niệm tạo lập cấu hình (configuring) thay cho lập trình ( programming)

Công nghệ đối tượng thành phần và tính năng mở:

Hiện nay, có lẽ không một phần mềm SCADA nào tự nhận là tiên tiến mà không đưa từ khóa hướng đối tượng vào danh sách các đặc tính ưu việt để quảng cáo Mặc dù trong đại đa số các trường hợp, cách sử dụng thuật ngữ như vậy mang tính chất lạm dụng, nhưng qua đó ít hay nhiều ta cũng thấy tầm quan trọng của công nghệ đối tượng Thực chất các thư viện phần sẵn có trong những sản phẩm thuộc thế hệ mới thường được xây dựng trên cơ sở một mô hình đối tượng, đặc biệt phải nói tới mô hình COM của Microsoft Việc sử dụng một mô hình đối tượng thành phần chuẩn công nghiệp như COM mang lại nhiều ưu thế như:

+Nâng cao hiệu suất công việc thiết kế, xây dựng giao diện người –máy bằng cách sử dụng ActiveX –Controls

+Nâng cao khả năng tương tác và khả năng mở rộng, hay nói cách khác là tính năng mở rộng của hệ thống

+Thuận lợi trong việc sử dụng một chuẩn giao diện quá trình như OPC (OLE for Process Control) để kết nối với các thiết bị cung cấp dữ liệu

quả thật, hầu hết (nếu không nói đến tất cả ) các phần mềm SCADA tiên tiến nhất hiện nay điều hỗ trợ COM, cụ thể là đều có ba đặc điểm nêu trên Nếu trước đây để tạo dựng được một màn hình giao diện đồ hoạ, một người lập trình có kinh nghiệm cần trung bình một vài ngày, thì nay thời gian có thể giảm xuống tới một vài giờ Sử dụng một công cụ tích hợp, ta có thể hoàn toàn tập trung vào công việc chính mà không cần kiến thức chuyên sâu về lập trình Công nghệ đối tượng thành phần và các phương pháp không lập trình đã mở ra khả năng này

VI SCADA lên WEB

Một phép tính cho học sinh phổ thông: để cài đặt một ứng dụng SCADA lên 10 trạm máy tính quan sát cần bao nhiêu thời gian? Mười lần thời gian cài lên một máy !?Không, cũng chỉ bằng một lần! Công nghệ Web cho phép chúng ta làm như vậy

Sử dụng Web làm nền cho các ứng dụng SCADA không chỉ mang lại hiệu quả về thời gian cài đặt phần mềm mà trước tiên là mở khả năng mới cho việc tích hợp hệ thống tự động hoá trong một hệ thống thông tin thống nhất của công ty Điều khiển giám sát không còn là chức năng độc quyền của các chuyên viên kỹ thuật Một giám đốc điều hành sản xuất, hay một tổng giám đốc công ty đều có thể quan sát và tham gia điều hành quá trình sản xuất từ phòng làm việc riêng, chỉ qua màn hình, bàn phím và chuột Tương tự như các báo cáo về tình hình sản xuất cũng như các chỉ thị không nhất thiết phải đi theo con đường giấy tờ hay truyền miệng, mà trực tiếp diễn ra “on-line”

Đưa SCADA lên Web cũng tạo điều kiện thuận lợi cho các dịch vụ bảo trì hệ thống từ xa Các nhà cung cấp giải pháp tự động hoá không cần phải trực tiếp đến cơ sở sản xuất, mà có thể theo dõi toàn bộ diễn biến quá trình kỹ thuật qua một trình duyệt như Internet Explorer hay Netscape Navigator, trên cơ sở đó có thể chuẩn đoán, xác định lỗi và đưa ra phương hướng giải quyết thích hợp

VII Nhìn về tương lai

Điều khiển giám sát hay SCADA không còn là những khái niệm mới mẻ, những tiến bộ trong công nghệ để thực hiện thì luôn luôn đổi mới Bên cạnh các xu hướng mới như việc sử dụng các thiết bị cảm biến và cơ cấu chấp hành thông minh, mạng truyền thông công nghiệp và mềm hoá các

giải pháp điều khiển, thì các hệ SCADA sẽ chiếm vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực ứng dụng khác nhau.Tầm nhìn cho một công ty trong tương lai với một hệ thần kinh số (DNS), tích hợp toàn bộ hệ thống điều khiển tự động, điều khiển giám sát với các hệ thống điều hành sản xuất và quản lý công ty, có thể sẽ rất nhanh chóng trở thành hiện thực Đó chính là hướng chiến lược cho các công ty trên con đường phát triển ở thời đại kinh tế trí tuệ và xã hội thông tin trong thế kỷ XXI

Chương 2 MẠNG TRUYỀN THÔNG CÔNG NGHIỆP

I Khái niệm

1 Khái niệm về mạng truyền thông công nghiệp

Sự phổ biến của các giải pháp tự động hoá sử dụng hệ thống truyền thông số là kết quả tổng hợp của các tiến bộ trong kỹ thuật vi điện tử, kỹ thuật máy tính, kỹ thuật thông tin và đương nhiên là của cả kỹ thuật tự động hoá Mạng truyền thông công nghiệp hay mạng công nghiệp ( MCN ) là một khái niệm chung chỉ các hệ thống mạng truyền thông số, truyền bit nối tiếp, được sử dụng để ghép nối các thiết bị công nghiệp Các hệ thống truyền thông công nghiệp phổ biến hiện nay cho phép liên kết mạng ở nhiều mức khác nhau, từ các bộ cảm biến, cơ cấu chấp hành dưới cấp trường cho đến các máy tính điều khiển, thiết bị quan sát, máy tính điều khiển quan sát và các máy tính trên cấp điều hành xí nghiệp, quản lý công

ty Về cơ sở kỹ thuật, mạng công nghiệp và các hệ thống mạng viễn thông có nhiều điểm tương đồng, tuy nhiên cũng có những điểm khác biệt sau:

• Mạng viễn thông, có phạm vi địa lý và số lượng thành viên tham gia lớn hơn rất nhiều, nên các yêu cầu kỹ thuật (cấu trúc mạng, tốc độ truyền thông, tính năng thời gian thực,…) rất khác, cũng như các phương pháp truyền thông ( truyền tải dải rộng / dải cơ sở, điều biến, dồn kênh, chuyển mạch,…) thường phức tạp hơn so với mạng công nghiệp

• Đối tượng của mạng viễn thông bao gồm cả con người và thiết bị kỹ thuật, trong đó con người đóng vai trò chủ yếu Vì vậy các dạng thông tin cần trao đổi bao gồm cả tiếng nói, hình ảnh, văn bản và dữ liệu Đối tượng của mạng công nghiệp thuần tuý là các thiết bị công nghiệp, nên dạng thông tin được quan tâm duy nhất là dữ liệu Kỹ thuật truyền thông được dùng trong mạng viễn thông cũng rất phong phú, trong khi kỹ thuật truyền dữ liệu theo chế độ bit nối tiếp là đặc trưng của mạng công nghiệp

Mạng truyền thông công nghiệp thực chất là một dạng đặc biệt của mạng máy tính, có thể được so sánh với mạng máy tính thông thường ở những điểm giống nhau và khác nhau sau:

• Kỹ thuật truyền thông số hay truyền dữ liệu là đặc trưng chung

• Mạng máy tính sử dụng trong công nghiệp được coi là một phần (ở các cấp điều khiển giám sát, điều hành sản xuất và quản lý công ty) trong mô hình phân cấp của mạng công nghiệp

• Yêu cầu về tính năng thời gian thực, độ tin cậy và khả năng tương thích trong môi trường công nghiệp của mạng truyền thông công nghiệp cao hơn so với một mạng máy tính thông thường, trong khi đó mạng máy tính thường đòi hỏi cao hơn về bảo mật của thông tin

• Mạng máy tính có phạm vi trải rộng rất khác nhau, ví dụ có thể nhỏ như mạng LAN cho một nhóm vài máy, hoặc rất lớn như mạng Internet Trong nhiều trường hợp, mạng máy tính gián tiếp sử dụng dịch vụ truyền dữ liệu của mạng viễn thông Trong khi đó, cho đến nay các hệ thống mạng công nghiệp thường có tính chất độc lập, phạm vi hoạt động tương đối hẹp

Vậy, mạng truyền thông công nghiệp có vai trò quan trọng như thế nào trong các lĩnh vực đo lường, điều khiển và tự động hoá ngày nay ? Sử dụng mạng truyền thông công nghiệp, đặc biệt là bus trường để thay thế cách nối điểm-tới – điểm cổ điển giữa các thiết bị công nghiệp mang lại hàng loạt những lợi ích như sau:

• Đơn giản hoá cấu trúc liên kết giữa các thiết bị công nghiệp

• Giảm đáng kể giá thành dây nối và công lắp đặt hệ thống

• Nâng cao độ tin cậy và độ chính xác của thông tin nhờ truyền thông số

• Nâng cao độ linh hoạt, tính năng mở của hệ thống

• Đơn giản hóa, tiện lợi hoá việc chuẩn đoán, định vị lỗi, sự cố của các thiết bị

• Nâng cao khả năng tương tác giữa các thành phần (phần cứng và phần mềm) nhờ các phần mềm chuẩn

• Mở ra nhiều chức năng và khả năng ứng dụng mới của hệ thống, ví dụ như các ứng dụng điều khiển phân tán, điều khiển giám sát hoặc chuẩn đoán lỗi từ xa qua Internet

Trong điều khiển quá trình, các hệ thống bus trường cũng đã dần dần thay thế các mạch dòng tương tự (current loop) 4-20mA Ưu thế của giải pháp dùng mạng công nghiệp không những nằm ở phương diện kỹ thuật, mà còn ở khía cạnh hiệu quả kinh tế Chính vì vậy, ứng dụng của nó rộng rãi trong hầu hết các lĩnh vực công nghiệp, như điều khiển quá trình, tự động hoá xí nghiệp, tự động hoá toà nhà, điều khiển giao thông,v.v… Nói tóm lại, sử dụng mạng truyền thông công nghiệp là không thể thiếu được trong việc tích hợp các hệ thống tự động hóa hiện đại

2 Phân loại và đặc trưng các hệ thống MCN

Để sắp xếp, phân loại và phân tích đặc trưng các hệ thống mạng truyền thông công nghiệp, ta dựa vào mô hình phân cấp quen thuộc các cho công, ty xí nghiệp sản xuất Với loại mô hình này các chức năng đươc phân thành nhiều cấp khác nhau, như được minh họa trên hình dưới

Càng ở cấp dưới thì các chức năng càng mang tính chất cơ bản hơn và đòi hỏi yêu cầu cao hơn về độ nhanh nhạy, thời gian phản ứng Một chức năng ở cấp trên được thực hiện dựa trên các chức năng của cấp dưới, tuy nhiên không đòi hỏi thời gian phản ứng nhanh như ở cấp dưới, nhưng ngược lại lượng thông tin cần trao đổi và xử lý lại lớn hơn nhiều Có thể coi đây là một mô hình phân cấp chức năng cho cả hệ thống tự động hoá nói chung cũng như cho hệ thống truyền thông nói riêng của một công ty

Tương ứng với năm cấp chức năng là bốn cấp của hệ thống truyền thông Từ cấp điều khiển giám sát trở xuống thuật ngữ “bus” thường được dùng thay cho “mạng”, với lý do phần lớn các hệ thống mạng phía dưới đều có cấu trúc vật lí hoặc logic kiểu bus

Như ta sẽ thấy, mô hình phân cấp chức năng sẽ tiện lợi cho việc thiết kế hệ thống và lựa chọn thiết bị Trong thực tế ứng dụng, sự phân cấp chức năng có thể hơi khác so với trình bày ở đây, tuỳ thuộc vào mức độ tự động hoá và cấu trúc hệ thống cụ thể Trong trường hợp ứng dụng đơn giản như điều khiển trang thiết bị dân dụng (máy giặt, máy lạnh, điều hoà độ ẩm,…), sự phân chia nhiều cấp có thể hoàn toàn không cần thiết Ngược lại, trong tự động hoá một nhà máy lớn hiện đại như điện nguyên tử, sản xuất xi

măng, lọc dầu, ta có thể chia nhỏ hơn nữa các cấp chức năng để tiện theo dõi

a Bus trường, bus thiết bị

Bus trường (fieldbus) thực ra là một khái niệm chung được sử dụng trong các ngành công nghiệp chế biến để chỉ các hệ thống bus nối tiếp, sử dụng kỹ thuật truyền tin số để kết nối các thiết bị thuộc cấp điền khiển (PC, PLC) với nhau và với các thiết bị ở cấp chấp hành, các thiết bị trường Các chức năng chính của cấp chấp hành là đo lường, dẫn động và chuyển đổi tín hiệu trong trường hợp cần thiết Các thiết bị có khả năng nối mạng là các bộ vào / ra phân tán (distributed I/O) , các thiết bị cảm biến ( sensor ), hoăc

cơ cấu chấp hành ( actuator) có tích hợp khả năng xử lý truyền thông Một số kiểu bus trường chỉ thích hợp nối mạng các thiết bị cảm biến và cơ cấu chấp hành với các bộ điều khiển , cũng được gọi là bus chấp hành / cảm biến

Trong công nghiệp chế tạo (tự động hoá dây chuyền sản xuất, gia công, lắp ráp ) hoặc ở một số lĩnh vực ứng dụng khác như tự động hoá toà nhà, sản xuất xe hơi, khái niệm bus thiết bị lại được dùng phổ biến Có thể nói, bus thiết bị và bus trường có chức năng tương đương, nhưng do những đặc trưng riêng biệt của hai ngành công nghiệp, nên một số tính năng cũng rất khác nhau Tuy nhiên, sự khác nhau này ngày càng trở nên không rõ rệt, khi mà phạm vi ứng dụng của cả hai loại đều được mở rộng và đan chéo sang nhau Trong thực tế, người ta cũng dùng chung một khái niệm là bus trường

Do nhiệm vụ của bus trường là chuyển dữ liệu quá trình lên cấp điều khiển để xử lý và chuyển quyết định điều khiển xuống các cơ cấu chấp hành, vì vậy yêu cầu về tính năng thời gian thực được đặt lên hàng đầu Thời gian phản ứng tiêu biểu nằm trong phạm vi từ 0.1 tới vài mili giây Trong khi đó, yêu cầu về lượng thông tin trong một bức điện thường chỉ hạn chế trong khoảng một vài byte, vì vậy tốc độ truyền thông thường chỉ cần ở phạm vi Mbit/s hoặc thấp hơn Việc trao đổi thông tin về các biến quá trình chủ yếu mang tính chất định kỳ,tuần hoàn, bên cạnh các thông tin cảnh báo có tính chất bất thường

Các hệ thống bus trường được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay là PROFIBUS , ControlNet, Interbus-S , CAN , WorldFIP , P-NET , Modbus và gần đây phải kể tới Foundation Fieldbus, DeviceNet, AS-I, EIB và

Bitbus là một vài hệ thống bus cảm biến / chấp hành tiêu biểu có thể nêu

ra ở đây

b Bus hệ thống , Bus quá trình

Các hệ thống mạng công nghiệp được dùng để kết nối các máy tính điều khiển và các máy tính trên cấp điều khiển giám sát với nhau được gọi là bus hệ thống (system bus) hay bus quá trình ( process bus) Khái niệm sau thường chỉ được dùng trong lĩnh vực điều khiển quá trình Qua bus hệ thống mà các máy tính điều khiển có thể phối hợp hoạt động, cung cấp dữ liệu quá trình cho các trạm kỹ thuật và trạm giám sát (có thể gián tiếp thông qua hệ thống quản lý cơ sở dữ liệu trên các trạm chủ) cũng như nhận mệnh lệnh, tham số điều khiển từ các trạm phía trên Thông tin không những được trao đổi theo chiều dọc, mà còn theo chiều ngang Các trạm kỹ thuật, trạm thao tác và các trạm chủ cũng trao đổi dữ liệu qua hệ thống bus Ngoài ra các máy in báo cáo và dữ liệu lưu trữ cũng được kết nối qua mạng này

Chú ý, sự phân biệt giữa các khái niệm bus trường và bus hệ thống không bắt buộc nằm ở sự khác nhau về kiểu bus được sử dụng, mà ở mục đích sử dụng hay nói cách khác là ở các thiết bị được ghép nối Trong một số giải pháp, một kiểu bus duy nhất được dùng cho cả ở hai cấp này

Đối với bus hệ thống, tuỳ theo lĩnh vực ứng dụng mà đòi hỏi về tính năng thời gian thực có được đặt ra một cách ngặt nghèo hay không Thời gian phản ứng tiêu biểu nằm trong khoảng một vài trăm mili giây, trong khi lưu lượng thông tin cần trao đổi lớn hơn nhiều so với bus trường Tốc độ truyền thông tiêu biểu của bus hệ thống nằm trong phạm vi từ vài trăm kBit / s đến vài Mbit/s

Do các yêu cầu về tốc độ truyền thông và khả năng kết nối dễ dàng nhiều loại máy tính, kiểu bus hệ thống thông dụng nhất là Ethernet cũng như Industrial Ethernet Bên cạnh đó phải nói đến PROFIBUS-FMS, Modbus Plus và Fieldbus Foundation’s High Speed Ethernet

c Mạng xí nghiệp

Mạng xí nghiệp thực ra là một mạng LAN bình thường, có chức năng kết nối các máy tính văn phòng thuộc cấp điều hành với cấp điều khiển giám sát Thông tin được đưa lên trên bao gồm trạng thái làm việc của các quá trình kỹ thuật, các giàn máy cũng như của hệ thống điều khiển tự động,

các số liệu tính toán, thống kê về diễn biến quá trình sản xuất và chất lượng sản phẩm Thông tin theo chiều ngược lại là các thông số thiết kế, công thức điều khiển và mệnh lệnh điều hành Ngoài ra, thông tin cũng được trao đổi mạnh theo chiều ngang giữa các máy tính thuộc cấp điều hành sản xuất,

ví dụ hỗ trợ kiểu làm việc theo nhóm, cộng tác trong dự án, sử dụng chung các tài nguyên nối mạng như :máy in , máy chủ,…

Khác với hệ thống bus cấp dưới, mạng xí nghiệp không yêu cầu nghiêm ngặt về tính năng thời gian thực Việc trao đổi dữ liệu thường diễn

ra không định kỳ, nhưng có khi với số lượng lớn tới hàng Mbyte Hai loại mạng được dùng phổ biến cho mục đích này là Ethernet và Token-Ring, trên cơ sở các giao thức chuẩn như TCP/IP và IPX / SPX

d Mạng công ty

Mạng công ty, nằm trên cùng trong mô hình phân cấp hệ thống truyền thông của một công ty sản xuất công nghiệp Đặc trưng của mạng công ty gần với một mạng viễn thông hoặc một mạng máy tính diện rộng nhiều hơn trên các phương diện phạm vi và hình thức dịch vụ, phương pháp truyền thông và các yêu cầu về kỹ thuật Chức năng của mạng công ty là kết nối các máy tính văn phòng của các xí nghiệp , cung cấp dịch vụ trao đổi thông tin nội bộ và với các khách hàng như thư viện điện tử, thư điện tử, hội thảo từ xa qua điện thoại, hình ảnh, cung cấp dịch vụ truy cập Internet và thương mại điện tử,v.v… Hình thức tổ chức ghép nối mạng, cũng như các công nghệ được áp dụng rất đa dạng, tuỳ thuộc vào đầu tư của công ty Trong nhiều trường hợp, mạng công ty và mạng xí nghiệp được thực hiện bằng một hệ thống mạng duy nhất và mặt vật lý nhưng chia thành nhiều phạm vi và nhóm mạng làm việc riêng biệt

Mạng công ty có vai trò như một đường cao tốc trong hệ thống hạ tầng cơ sở truyền thông của một công ty, vì vậy đòi hỏi về tốc độ truyền thông và độ an toàn, tin cậy đặc biệt cao Fast Ethernet, FDDI , ATM là một vài ví dụ công nghệ tiên tiến được áp dụng ở đây trong hiện đại và tương lai

II Cơ sở kỹ thuật

1 Khái niệm về tính năng thời gian thực

Tính năng thời gian thực là một trong những đặc trưng quan trọng nhất đối với các hệ thống tự động hoá nói chung và các hệ thống bus trường nói riêng Sự hoạt động bình thường của một hệ thống kỹ thuật làm việc trong thời gian thực không chỉ phụ thuộc vào độ chính xác, đúng đắn của các kết quả đầu ra, mà còn phụ thuộc vào thời điểm đưa ra kết quả Một hệ thống có tính năng thời gian thực không nhất thiết phải có phản ứng thật nhanh, mà quan trọng hơn là phải có phản ứng kịp thời đối với các yêu cầu, tác động bên ngoài Như vậy, một hệ thống truyền thông có tính năng thời gian thực phải có khả năng truyền tải thông tin một cách tin cậy và kịp thời với yêu cầu của các đối tác truyền thông Tính năng thời gian thực của một hệ thống điều khiển phân tán phụ thuộc rất nhiều và hệ thống bus trường được dùng

Để đảm bảo tính năng thời gian thực, một hệ thống bus phải có những đặc điểm sau đây:

• Độ nhanh nhạy: tốc độ truyền thông hữu ích phải đủ nhanh để đáp ứng nhu cầu trao đổi dữ liệu trong một giải pháp cụ thể

• Tính tiền định: Dự đoán trước được về thời gian phản ứng tiêu biểu và thời gian phản ứng chậm nhất với yêu cầu của từng trạm

• Độ tin cậy, kịp thời: Đảm bảo tổng thời gian cần cho việc vận chuyển dữ liệu một cách tin cậy giữa các trạm nằm trong một khoảng cách xác định

• Tính bền vững: Có khả năng xử lý sự cố một cách thích hợp để không gây hại thêm cho toàn bộ hệ thống

Rõ ràng, khả năng thoả mãn yêu cầu về thời gian thực phụ thuộc vào bài toán ứng dụng cụ thể Một mạng công nghiệp có tính năng thời gian thực không có nghĩa là sẽ thích ứng với mọi ứng dụng đòi hỏi yêu cầu về thời gian thực Nhiệm vụ của người tích hợp hệ thống là phải lựa chọn và thiết kế một giải pháp thích hợp để thoả mãn yêu cầu này trên cơ sở phân tích các tính năng kỹ thuật liên quan, dưới điều kiện ràng buộc là giá thành chi phí

2 Kiến trúc giao thức

a Dịch vụ truyền thông

Một hệ thống truyền thông cung cấp dịch vụ truyền thông cho các thành viên tham gia nối mạng Các dịch vụ đó được dùng cho việc thực hiện các nhiệm vụ khác nhau như trao đổi dữ liệu, báo cáo trạng thái, tạo lập cấu hình và tham số hoá thiết bị trường, giám sát thiết bị và cài đặt chương

trình Các dịch vụ truyền thông do nhà cung cấp hệ thống truyền thông thực hiện bằng phần cứng hoặc phần mềm Việc khai thác các dịch vụ đó từ phía người sử dụng phải thông qua phần mềm giao diện mạng, để tạo lập các chương trình phần mềm ứng dụng, ví dụ chương trình điều khiển, giao diện người -máy (HMI) và điều khiển giám sát (SCADA) Các giao diện mạng này có thể được cài đặt sẵn trên các công cụ phần mềm chuyên dụng (ví dụ phần mềm lập trình PLC, phần mềm SCADA, phần mềm quản lý mạng), hoặc thông qua các thư viện phần mềm phổ thông khác dưới dạng các hàm dịch vụ (ví dụ với C/C++, VisualBasic, Delphi, OLE /DDE)

Mỗi hệ thống truyền thông khác nhau có thể quy định một chuẩn riêng về tập hợp các dịch vụ truyền thông của mình Ví dụ Profibus định nghĩa các hàm dịch vụ khác so với Interbus-S hay ControlNet Một phần mềm chuyên dụng không nhất thiết phải hỗ trợ toàn bộ các dịch vụ truyền thông của một hệ thống, nhưng cũng có thể cùng một lúc hỗ trợ nhiều hệ thống truyền thông khác nhau Ví dụ với một phần mềm SCADA ta có thể đồng thời khai thác dữ liệu từ các đầu đo hay các PLC liên kết với các bus trường khác nhau, nhưng không cần tới dịch vụ hỗ trợ cài đặt chương trình điều khiển cho các PLC

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 các dịch vụ cao cấp (tạo lập cấu hình, báo cáo trạng thái) Một dịch vụ ở cấp cao hơn có thể sử dụng các dịch vụ cấp thấp để thực hiện chức năng của nó Ví dụ dịch vụ tạo lập cấu hình hay báo cáo trạng thái cuối cùng cũng phải sử dụng dịch vụ trao đổi dữ liệu để thực hiện chức năng của mình Mặc khác, trao đổi dữ liệu thường đòi hỏi tạo và ngắt nối Phân cấp dịch vụ truyền thông còn có ý nghĩa là tạo sự linh hoạt cho phía người sử dụng Tuỳ theo nhu cầu về độ tiện lợi hay hiệu suất trao đổi thông tin mà người ta có thể quyết định sử dụng một dịch vụ ở cấp nào

Việc thực hiện tất cả các dịch vụ được dựa trên các nguyên hàm dịch vụ ( service primitive ), gồm có:

• Yêu cầu (request) dịch vụ , ký hiệu là req , ví dụ connect.req

• Chỉ thị (indication) nhận lời phục vụ, ký hiệu là ind, ví dụ connect.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 dụ connect.con

Dựa trên quan hệ giữa bên cung cấp dịch vụ và bên yêu cầu dịch vụ cũng có thể phân biệt giữa loại dịch vụ có xác nhận và dịch vụ không xác

nhận Dịch vụ có xác nhận đòi hỏi sử dụng cả bốn nguyên hàm, trong khi dịch vụ không xác nhận bỏ qua đáp ứng và xác nhận Biểu đồ tuần tự dưới minh hoạ hai ví dụ tiêu biểu cho hai trường hợp này là dịch vụ tạo nối (connect ) và ngắt nối (disconnect )

a)Dịch vụ có xác nhận

4:connect.con 3:connect.res 2:connect.ind 1:connect.req

Bên cung Bên cầu

b)Dịch vụ không xác nhận

2:disconnect.ind 1:disconnect.req

Bên cung Bên cầu

b Giao thức

Bất cứ sự giao tiếp nào cũng cần một ngôn ngữ giao tiếp chung cho các đối tác.Trong kỹ thuật truyền thông, bên cung cấp dịch vụ cũng như bên sử dụng dịch vụ đều phải tuân theo các quy tắc, thủ tục cho việc giao tiếp, gọi là giao thức Giao thức chính là cơ sở cho việc thực hiện và sử dụng các dịch vụ truyền thông

Một quy chuẩn giao thức bao gồm các thành phần sau:

• Cú pháp (syntax ): Quy định về cấu trúc bức điện, gói dữ liệu dùng khi trao đổi , trong đó có phần thông tin hữu ích (dữ liệu ) và các thông tin bổ trợ như địa chỉ, thông tin điều khiển, thông tin kiểm lỗi,…

• Ngữ nghĩa (semantic): Quy định ý nghĩa của từng thành phần trong một bức điện, như phương pháp định địa chỉ, phương pháp bảo toàn dữ liệu, thủ tục điều khiển dòng thông tin, xử lý lỗi,…

• Định thời (timing ): Quy định về trình tự, thủ tục giao tiếp, chế độ truyền thông (đồng bộ hay không đồng bộ), tốc độ truyền thông,… Việc thực hiện một dịch vụ truyền thông trên cơ sở các giao thức tương ứng được gọi là xử lý giao thức Nói một cách khác, quá trình xử lý giao thức có thể là mã hoá (xử lý giao thức bên gửi ) và giải mã (xử lý giao thức bên nhận) Tương tự như các dịch vụ truyền thông, có thể phân biệt các giao thức cấp thấp và giao thức cao cấp Các giao thức cao cấp là cơ sở cho các dịch vụ cao cấp và các giao thức cấp thấp là cơ sở cho các dịch vụ cấp thấp

Giao thức cao cấp gần với người sử dụng, thường được thực hiện bằng phần mềm Một số ví dụ về giao thức cao cấp là FTP (File Transfer Protocol) dùng trong trao đổi file từ xa, HTTP (Hypertext Transfer Protocol) dùng để trao đổi các trang HTML trong các ứng dụng Web, MMS (Manufacturing Message Specification ) dùng trong tự động hoá công nghiệp

Giao thức cấp thấp gần với phần cứng, thường thực hiện trực tiếp bởi các mạch điện tử Một số ví dụ giao thức cấp thấp quen thuộc là TCP/IP (Transmission Control Protocol / Internet Protocol) được dùng phổ biến trong Inernet , HART (Highway Adressable Remote Transducer ) dùng trong điều khiển quá trình, HDLC (High Level Data-link Control) làm cơ sở cho nhiều giao thức khác và UART dùng trong đa số các giao diện vật lý của các hệ thống bus trường Hai giao thức sau HDLC và UART có vai trò quan trọng trong truyền thông công nghiệp và vì vậy được giới thiệu sơ lược dưới đây

Ô địa chỉ tiếp theo chứa địa chỉ bên gửi và bên nhận Tuỳ theo cách gán địa chỉ 4 hoặc 8 bit (tương ứng với 32 hoặc 256 địa chỉ khác nhau ), ô này có chiều dài là 8 hoặc 16 bit

Trong HDLC có ba loại bức điện , được phân biệt qua ô thông tin điều khiển (8 bit ), đó là:

• Information Frames: khung thông tin (I- Format)

• Supervisory Frames: khung giám sát vận chuyển dữ liệu (S-Format)

• Unnumbered Frames: Khung bổ trợ kiểm soát các mối liên kết giữa các trạm (U-Format)

Cấu trúc của ô thông tin điều khiển được qui định như sau:

1 2 3 4 5 6 7 8 I-Format 0 N(S) P/F N(R) S-Format 1 0 S P/F N(R) U-Format 1 1 M P/F M

Trong đó, các ký hiệu viết tắt có ý nghĩa như sau:

• N(S): Số thứ tự khung đã được gửi chia modulo cho 8

• N(R): Số thứ tự khung chờ nhận được chia modulo cho 8

• P/F: Bit chỉ định kết thúc quá trình truyền

• S,M: Các bit có chức năng khác

Ô thông tin có độ dài biến thiên, cũng có thể để trống nếu như bức điện không dùng vào mục đích vận chuyển dữ liệu Sau ô thông tin là đến dãy bit kiểm lỗi (FCS = Frame Check Sequense), dùng vào mục đích bảo toàn dữ liệu Tốc độ truyền thông tiêu biểu đối với HDLC từ 9,6 kBit/s đến 2 Mbit/s

* Giao thức UART

UART ( Universal Asynchoronous Receiver/Transmitter) là một mạch vi điện tử được sử dụng rất rông rãi cho việc truyền nối bit nối tiếp cũng như chuyển đổi song/ nối tiếp giữa đường truyền và bus máy tính UART cho phép lựa chọn giữa chế độ truyền một chiều, hai chiều đồng bộ hoặc hai chiều không đồng bộ Việc truyền tải được thực hiện theo từng ký tự 7 hoặc 8 bit, được bổ sung hai bit đánh dấu đầu cuối và một bit kiểm tra lỗi chẵn lẻ (parity bit) Ví dụ với ký tự 8 bit được minh hoạ dưới đây:

Start 0 1 2 3 4 5 6 7 P Stop

Bit khởi đầu ( Start bit ) bao giờ cũng là 0 và bit kết thúc (Stop bit ) bao giờ cũng là 1 Các bit trong một ký tự được truyền theo thứ tự bit thấp (LSB) tới bit cao (MSB) Giá trị của bit chẵn lẻ P phụ thuộc vào cách chọn:

• Nếu chọn parity chẵn, thì P bằng 0 khi tổng số bit 1 là chẵn

• Nếu chọn parity lẻ, thì P bằng 0 khi tổng số bit 1 là lẻ

Như tên của nó đã thể hiện, chế độ truyền không đồng bộ được sử dụng

ở đây, tức không có một tín hiệu riêng phục vụ cho việc đồng bộ hoá giữa bên gửi và bên nhận Dựa vào các bit đầu cuối và tốc độ truyền thông đã được đặt trước cho cả hai bên, bên nhận thông tin phải tự chỉnh nhịp lấy mẫu của mình để đồng bộ với bên gửi

• PDU:Protocol Data Unit-Đơn vị dữ liệu giao thức

• SDU:Service Data Unit-Đơn vị dữ liệu dịch vụ

• PCI: Protocol Control Information-Thông tin điều khiển giao thức

Để trao đổi dữ liệu giữa hai thiết bị, các thủ tục, giao thức cần thiết có thể tương đối phức tạp Rõ ràng điều cần ở đây là sự cộng tác của hai đối tác truyền thông trên một mức trừu tượng cao Thay vì phải thực hiện tất cả các bước cần thiết trong một module duy nhất, có thể chia nhỏ thành các

phần việc có thể thực hiện độc lập Trong mô hình lớp, các phần việc được sắp xếp theo chiều dọc thành từng lớp, tương ứng với các lớp dịch vụ và các lớp giao thức khác nhau Mỗi lớp giải quyết một nhiệm vụ rõ ràng phục vụ việc truyền thông Một dịch vụ ở lớp trên sử dụng dịch vụ của lớp dưới ngay kề nó

Để thực hiện một dịch vụ truyền thông, mỗi bức điện được xử lý qua nhiều lớp trên cơ sở các giao thức quy định, gọi là xử lý giao thức theo mô hình lớp Mỗi lớp ở đây có thể thuộc chức năng của phần cứng hoặc phần mềm Càng ở lớp cao hơn thì phần mềm càng chiếm vai trò quan trọng hơn, trong khi việc xử lý giao thức ở các lớp dưới thường được các vi mạch điện tử trực tiếp thực hiện

Hình trên minh hoạ nguyên tắc xử lý giao thức theo mô hình lớp Đứng từ bên gửi thông tin, qua mỗi lớp từ trên xuống dưới, một số thông tin hỗ trợ lại được gắn thêm vào phần dữ liệu do lớp trên đưa xuống, gọi là đầu giao thức (protocol header) Bên cạnh đó, thông tin cần truyền đi có thể được chia thành nhiều bức điện có đánh số thứ tự, hoặc một bức điện có thể là tổng hợp của nhiều nguồn thông tin khác nhau Người ta cũng dùng các khái niệm như “đóng gói dữ liệu “ hoặc “ tạo khung” để chỉ các thao tác này Một quá trình ngược lại sẽ diễn ra bên nhận thông tin Các phần header sẽ được các lớp tương ứng đọc, phân tích và tách ra trước khi gửi tiếp lên lớp trên Các bức điện mang một nguồn thông tin sẽ được tổng hợp lại, hoặc một bức điện mang nhiều nguồn thông tin khác nhau sẽ được phân chia tương ứng Đến lớp trên cùng, thông tin nguồn được tái tạo

Với mô hình phân lớp, ý nghĩa của giao thức một lần nữa thể hiện rõ Đương nhiên, để thực hiện truyền thông cần có hai đối tác tham gia, vậy phải tồn tại cùng một tập hợp các hàm phân lớp cả trong hai thiết bị Quan hệ giao tiếp ở đây chính là quan hệ giữa các lớp tương đương của hai trạm Chỉ khi các đối tác truyền thông trong các lớp tương đương sử dụng chung một ngôn ngữ, tức chung một giao thức thì mới có thể trao đổi thông tin Trong trường hợp khác, cần có một phần tử trung gian hiểu cả hai giao thức, gọi chung là bộ chuyển đổi, có thể là bridge hay gateway-tuỳ theo lớp giao thức đang quan tâm Vấn đề mấu chốt ở đây để có thể thực hiện được việc chuyển đổi là sự thống nhất về dịch vụ truyền thông của các lớp tương đương trong hai hệ thống khác nhau Nếu hai hệ thống lại quy định các chuẩn khác nhau về dịch vụ thì việc chuyển đổi rất bị hạn chế và nhiều khi hoàn toàn không có ý nghĩa Ví dụ, một bên đòi hỏi cài đặt các dịch vụ cao cấp như cài đặt và kiểm soát chạy chương trình từ xa, trong khi bên đối tác chỉ cung cấp dịch vụ trao đổi dữ liệu thuần tuý thì việc chuyển đổi ở đây

không có vai trò gì cũng như không thể thực hiện được Tuy nhiên, càng nhiều dịch vụ ở cấp thấp càng dễ có cơ hội đưa ra một chuẩn thống nhất cho cả hai phía

d Kiến trúc giao thức OSI

Trên thực tế, khó có thể xây dựng được một mô hình thống nhất về chuẩn giao thức và dịch vụ cho tất cả các hệ thống truyền thông, nhất là khi các hệ thống rất đa dạng và tồn tại độc lập Chính vì vậy, năm 1983 tổ chức tiêu chuẩn hóa quốc tế ISO đã đưa ra một kiến trúc giao thức với chuẩn ISO

7498, được gọi là mô hình quy chiếu OSI (Open System Reference Model), nhằm hỗ trợ việc xây dựng các hệ thống truyền thông có khả năng tương tác

Interconnection-Lưu ý rằng, ISO/OSI hoàn toàn không phải là một chuẩn thống nhất về giao thức, cũng không phải là một chuẩn chi tiết về dịch vụ truyền thông Có thể thấy, chuẩn này không đưa ra bất kỳ một quy định nào về cấu trúc một bức điện, cũng như không định nghĩa bất cứ một chuẩn dịch vụ cụ thể nào OSI chỉ là một mô hình kiến trúc phân 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 thông, cũng 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 thông được chia thành bảy lớp, tương ứng với mỗi lớp dịch vụ là một lớp giao thức Các lớp này có thể do phần cứng hoặc phần mềm thực hiện, tuy nhiên chuẩn hoá này không đề cập tới chi tiết một đối tác truyền thông phải thực hiện từng lớp đónhư thế nào Một lớp trên thực hiện dịch vụ của mình trên cơ sở sử dụng các dịch vụ ở một lớp phía dưới và theo đúng giao thức quy định tương ứng Thông thường các dịch vụ cấp thấp do phần cứng (các

vi mạch điện tử ) thực hiện, trong khi các dịch vụ cao cấp do phần mềm (hệ điều hành, phần mềm điều khiển, phần mềm ứng dụng) đảm nhiệm

Việc phân lớp không những có ý nghĩa trong việc mô tả, đối chiếu các hệ thống truyền thông, mà còn giúp ích cho việc thiết kế các thành phần giao diện mạng Một lớp bất kỳ trong bảy lớp có thể thay đổi trong cách thực hiện mà không ảnh hưởng tới các lớp khác, chừng nào nó giữ nguyên giao diện với lớp trên và lớp dưới nó Vì đây là một mô hình quy chiếu có tính chất dùng để tham khảo, không phải hệ thống truyền thông nào cũng thực hiện đầy đủ cả bảy lớp đó Ví dụ, vì lý do hiệu suất trao đổi thông tin và giá thành thực hiện, đối với các hệ thống bus trường thông thường chỉ thực 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 lớp ứng dụng)

Một mô hình quy chiếu tạo ra cơ sở , nhưng không đảm bảo khả năng tương tác giữa các hệ thống truyền thông, 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 hệ thống thực hiện cùng các dịch vụ và trên cơ sở một giao thức giống nhau ở một lớp, thì có nghĩa là hai hệ thống có khả năng tương tác ở lớp đó Mô hình OSI có thể coi như một công trình khung , hỗ trợ việc phát triển và đặc tả các chuẩn giao thức

Bên gửi Bên nhận

Đường đi của dữ liệu Quan hệ giao tiếp logic giữa các lớp

Data link Lớp liên kết dữ liệu

Physical Lớp vật lý

Network Lớp mạng

Transport Lớp vận chuyển

Session Lớp kiểm soát nối

Presentation Lớp biểu diễn dữ liệu

Application Lớp ứng dụng

Môi trường truyền thông

Các lớp trong mô hình quy chiếu OSI và quan hệ giữa chúng với nhau được minh hoạ trên hình trên Tương ứng với mỗi lớp là một (nhóm) chức năng đặc trưng cho các dịch vụ và giao thức Cần phải nhấn mạnh rằng, bản thân môi trường truyền thông và các chương trình ứng dụng không thuộc phạm vi đề cập của chuẩn OSI Như vậy, các lớp ở đây chính là các lớp chức năng trong các thành phần giao diện mạng của một trạm thiết bị, bao gồm cả phần cứng ghép nối và phần mềm cơ sở Các mũi tên nét gạch đứt biểu thị quan hệ logic giữa các đối tác thuộc các lớp tương ứng, trong khi các mũi tên nét liền chỉ đường đi thực của dữ liệu

Chức năng của các lớp được mô tả sơ lược dưới đây:

* Lớp ứng dụng( application layer )

Lớp ứng dụng là lớp trên cùng trong mô hình OSI, có chức năng cung cấp các dịch vụ cao cấp (trên cơ sở các giao thức cao cấp ) cho người sử dụng và chương trình ứng dụng Ví dụ, có thể sắp xếp các dịch vụ và giao thức theo chuẩn MMS cũng như các dẫn xuất của nó sử dụng trong một số hệ thống bus trường thuộc lớp ứng dụng

Các dịch vụ thuộc lớp ứng dụng hầu hết được thực hiện bằng phần mềm Thành phần phần mềm này có thể được nhúng sẵn trong các linh kiện giao diện mạng, hoặc dưới dạng phần mềm điều khiển (drivers) có thể nạp lên khi cần thiết, và một thư viện cho ngôn ngữ lập trình chuyên dụng hoặc ngôn ngữ lập trình phổ thông Để có khả năng sử dụng dễ dàng trong một chương trình ứng dụng ( ví dụ điều khiển cơ sở hay điều khiển giám sát ) , nhiều hệ thống cung cấp các dịch vụ này thông qua các khối hàm ( function block ) Đối với các thiết bị trường thông minh , các khối hàm này không chỉ đơn thuần mang tính chất của dịch vụ truyền thông, mà còn tích hợp cả một số chức năng xử lý thông tin, thậm chí cả điều khiển tại chỗ Đây cũng chính là xu hướng mới trong việc chuẩn hoá lớp ứng dụng cho các hệ thống bus trường, hướng tới kiến trúc điều khiển phân tán triệt để

* 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 khác nhau, sử dụng các hệ điều hành khác nhau và

vì vậy cách biểu diễn dữ liệu của chúng cũng có thể rất khác nhau Sự khác nhau trong cách biểu diễn dữ liệu có thể là độ dài khác nhau cho một kiểu