Mạng truyền thông công nghiệp

-HOANG MINH SON _ TRUONG BAI HOC GIAO THONG VAN TAL-CO S62 THU VIEN 002944 MANG TRUYEN THONG CÔNG NGHIỆP(Tái bản, có chỉnh sửa bổ sung) i : NHÀ XUẤT BAN: KHOA HOC VA KY THUẬT -HÀ NỘI -2004 ` ' * ' cà s pe Chịu trách nhiệm xuất bản: : “Biên tập: " PGS.TS Tô Đăng Hải ‘ Nguyén Thi Ngoc Khué Trinh bay va ché ban: Tac gia Vé bia: Ma In a Tran Thang 6T6.B | s6: — —_——_6 - 390 - 17/1/2004 KHKT - 2004 1000 xuất số khổ 16x24 cm 6-390-17/1/2004 Công In xong ty in nộp Hàng lưu không chiểu Giấy tháng phép 2/2004 Loi noi dau vi điện tử, kỹ thuật Tốc độ phát triển nhanh chóng cơng nghệ truyền thơng cơng nghệ phần mềm năm gần tạo chuyển biến hướng cho giải pháp tự động hóa cơng nghiệp Xu hướng phân tán, mềm hóa chuẩn hóa ba nhiều điểm đặc trưng cho thay đổi Những xu hướng khơng nằm ngồi mục đích giảm giá thành giải pháp nâng cao chất lượng hệ thống Sự ứng dụng rộng rãi hệ thống mạng truyền biệt hệ thống bus trường, ví dụ tiêu biểu "Mạng truyền thông công nghiệp” thông công nghiệp, đặc “Công nghệ bus trường” lĩnh vực kỹ thuật hoàn toàn mới, mà thực chất công nghệ kế thừa, chất lọc phát triển từ kỹ thuật truyền thơng nói chung cho phù hợp với yêu cầu công nghiệp 'Điều thể chỗ, người hoạt động lĩnh vực điều khiển- tự động hóa biết nhiều nó, nói nó, chưa đọc › sách cụ thể mạng truyền thông công nghiệp, công nghệ bus trường Từ thập kỷ nay, công nghệ bus trường trở nên thiếu hệ thống điều khiển giám sát đại Song, thực tế người sử dụng công nghiệp thường gặp phải hàng loạt vấn đề khác - bản- không đề cập tài liệu thuộc lĩnh vực mạng truyền thơng phổ thơng (mạng máy tính, mạng viễn ° thông) Vấn đề đặt trước tiên xây dựng khơng cịn là.nên hay khơng nên, mà lựa thông cho phù hợp với yêu cầu nhiệm dụ, giải pháp bus trường có 'thể thỏa mãn tính thời gian thực ứng dụng? giải pháp tự động hóa chọn hệ thống mạng truyền vụ ứng dụng thực tế Ví yêu cầu cấu trúc hệ thống Hơn nữa, để so sánh hai hệ thống phải dựa sở kỹ thuật nào? Tiếp theo tốn đặt cấu hình, tham số đưa hệ thống vào vận hành Chậm đèn báo lỗi module đỏ hàng loạt, người làm cơng việc tích hợp hệ thống thấy khơng thể tìm thấy cách nhanh chóng lời giải thích thỏa đáng tài liệu hướng dẫn qua đường dây hỗ trợ nóng nhà cung cấp thiết bị mạng Cuốn sách xây dựng sở nội dung giảng cho sinh viên năm cuối ngành Điều khiến Tự động (ĐHBK Hà Nội), mặt nhằm đáp ứng yêu cầu cấp thiết giáo trình nhà trường, mặt khác nhằm mục đích cung cấp thơng tin cập nhật cho đông đảo giới bạn đọc quan tâm tới lĩnh vực Cuốn sách tài liệu tự học tham khảo cho sinh viên trường đại học kỹ thuật, học viên cao học kỹ sư làm việc lĩnh vực tích hợp hệ thống Trong khn khổ có hạn cuốn:-sách, việc chọn lọc trình bầy nội dung để phù hợp với nhiều nbém bạn đọc khác thật không dễ dàng Theo quan điểm tác giả phần kỹ thuật đóng vai trị quan trọng cả, tảng cho cơng nghệ khác nhau: Phần trình bày hệ thống bus trường tiêu biểu biên soạn dựa theo xu hướng ứng dụng nước, giúp bạn đọc hiểu sâu phần kỹ thuật nhanh chóng nắm thơng tin đọng hệ thống qua trang sách mà khơng phải mắt cơng tìm tịi tài liệu chuẩn Về mặt thuật ngữ, nhiều khái niệm chưa thống tiếng Việt, tác giả sử dụng nguyên tiếng Anh kèm theo lời giải thích Tác giả chân thành cám ơn chị Phan Xuân Minh anh Nguyễn Doãn Phước - người ”gây sức ép” với tác giả để hoàn thành sách Trong hoàn thành ấn lần sách, tác giả cố gắng nhiều việc biên soạn nội dung cách trình bày, khơng tránh khỏi thiếu sót, bất cập Với mong muốn sách ngày hoàn thiện lần tái sau để phục vụ tốt yêu cầu bạn đọc, tác giả mong nhận góp ý sửa đổi hay bổ sung Các ý kiến phản hồi xin gửi về: Trường Đại học Bách khoa Hà N ội Khoa Điện, Bộ môn Điều khiến Tự động Số Đại Cô Việt- Hà Nội email: hoang-m-son@mail.hut.edu.vn Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật 70 Trần Hưng Đạo - Hà Nội ` Hà Nội, tháng Tư năm 2001 Tác giả Về lần xuất thứ hai Từ kinh nghiệm sử dụng sách làm tài liệu tham khảo cho chương trình đào tạo Cao học, Đại học, Cao đẳng, khóa đào tạo Tự động hóa nâng cao cho kỹ sư bên ngồi, từ ý kiến đóng góp đơng đảo bạn đọc, tác giả thấy cần phải có số thay đổi mặt cấu trúc, nội dung hình thức trình bày lần xuất Vai trị mạng truyền thông công nghiệp tách riêng thành mục chương mở đầu bổ sung thêm số lời bình luận tiết Phần lớn chương cũ “Các thành phần hệ thống mạng" chuyển lên thành chương với tên, phần lại bổ sung số chủ đề khác để thành chương với tiêu đề “Một số vấn đề tích hợp hệ thống" Sau ấn sách đời vào đầu năm 2001, đến lĩnh vực truyền thông công nghiệp có bước phát triển mới, mạnh mẽ Đặc biệt, ảnh hưởng chuẩn IEC 61158 với lên công nghệ xung quanh mạng Ethernet va Foundation Fieldbus da làm thay đổi số quan điểm kiến trúc giải pháp hệ thống Lần tái phan ánh xu hướng phát triển Bên cạnh việc đưa thêm hai cơng nghệ mạng nói vào chương “Các hệ thống bus tiêu biểu”, © phần giới thiệu PROFIBUS cập nhật chỉnh sửa nhiều Hầu hết nội dung lại sách duyệt lại sửa lỗi, nhiều đoạn văn diễn đạt lại cho xác dễ hiểu hơn, số thuật ngữ chỉnh sửa cho quen thuộc quán Về mặt hình thức, bạn đọc nhận thấy vài cải tiến đáng kể Các phông chữ theo chuẩn Unicode đưa vào sử dụng có chất lượng tốt nhiều, không làm tăng số trang với nội dung es cũ Cuối cùng, tác giả xin chân thành cảm ơn đông đảo bạn đọc có ý kiến phản hồi, lời bình luận góp ý q báu cho sách hoàn thiện Hà Nội, Xuân 2004 MUC LUC 1: 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 Chương 2: 2.1 Mở đầu Mạng truyền thơng cơng nghiệp gì? Vai trị mạng truyền thông công nghiệp Phân loại đặc trưng hệ thống MCN Về nội dung sách Cơ sở kỹ thuật 2.2.4 11 Thông tin, liệu tín hiệu Truyền thơng, truyền liệu truyền tín hiệu 15 19 Truyền tải dải sở, dải mang dải rộng 2.3.1 Cấu trúc bus 2.3.3 Cấu trúc hình 2.3.4 — 24 96 Cấu trúc 32 i Giao thức 33 35 2.4.3 Mơhìnhlớp ` 2.4.5 Kiến trúc giao thức TCP/IP 38 39 Kiến trúc giao thức OSI ChunMMS Truy nhập bus 31 33 2.4.2 2.5.2 2.5.3 23 29 Dịch vụ truyền thông 2.5.1 22 Cấu trúc mạch vịng (tích cực) 2.4.1 246 21 27 Kiến trúc giao thức 2.4.4 20 Truyền đồng không đồng Truyền chiều truyền hai chiều Cấu trúc mang - Topology 2.3.2 2.5 11 2.1.3 Tính thời gian thực Chế độ truyền tải Truyền bit song song truyền bit nối tiếp 2.2.1 2.2.2 2.2.3 2.4 ue Các khái niệm 2.1.2 2.3 _ Ghi tài liệu tham khảo 2.1.1 2.2 OPNmm, Chuong by Danh muc hinh vé ~ _ Đặt vấn đề Chủ/tớ (Master/Slave) TDMA 48 50 54 54 | , 97 59 2.6 2.5.4 2.5.5 Token Passing CSMA/CD 62 2.5.6 CSMA/CA 65 Bảo toàn đữ liệu 66 2.6.1 2.6.2 2.6.3 2.6.4 2.6.5 2.7 2.9 Chuong 3: 3.1 66 7o 71 CRC Nhdi bit (Bit Stuffing) NRZ, RZ 73 75 76 76 78 2.7.4 AFP 2.7.5 FSK 2.8.1 Phương thức truyền dẫn tín hiệu 2.8.2 RS-232 2.8.3 - RS-422 2.8.4 RS-485 2.8.5 MBP 79 79 80 Kỹ thuật truyền dẫn 80 82 85 90 91 (IEC 1158-2) 98 Ghi tài liệu tham khảo 100 Các thành phần hệ thống mạng Phương tiện truyền dẫn 102 102 3.1.1 Đôi dây xoắn 104 3.1.3 Cáp quang 3.1.4 Vô tuyến 107 Cáp đồng trục Giao điện mạng 3.2.2 3.2.3 3.4 Bit chan lé chiều Ma Manchester 3.2.1 3.3 Bit chan lé (Parity bit) 2.7.3 3.1.2 3.2 Đặt vấn đề Ma héa bit 2.7.1 Các tiêu chuẩn mã hóa bit 2.7.2 2.8 6O 106 ; Cấu trúc giao diện mạng Ghép nối PLC Ghép nối PC 111 112 112 115 118 3.2.4 Ghép nối vào/ra phân tán 3.2.5 Ghép nối thiết bị trường Phần mềm hệ thống mạng 123 3.3.2 125 3.3.1 Phần mềm giao thức Phần mềm giao diện lập trình ứng dụng Thiết bị liên kết mạng 120 121 123 126 vi 3.4.2 Bộ lặp Cầu nối 3.4.3 Router 3.4.1 126 128 129 130 3.5 Gateway 3.4.4 Các linh kiện mạng khác 3.6 Ghi tài liệu tham khảo 133 Các hệ thống bus tiêu biểu PROFIBUS 134 134 135 136 139 140 142 144 150 157 160 161 161 162 163 164 168 169 170 170 173 174 174 175 176 177 178 181 Chương 4: 4.1 4.1.1 4.1.2 Cấu trúc mạng kỹ thuật truyền dẫn 4.1.3 Truy nhập bus 4.1.5 Dịch vụ truyền liệu Cấu trúc điện 4.1.6 PROFIBUS-FMS 4.1.7 PROFIBUS-DP 4.1.8 PROFIBUS-PA 4.1.9 Ghi tài liệu tham khảo 4.1.4 4.2 CAN 4.2.1 4.3 Kiến trúc giao thức 4.2.2 Cấu trúc mạng kỹ thuật truyền dẫn 4.2.3 Cơ chế giao tiếp 4.2.4 Cấu trúc điện 4.2.5 Truy nhập bus 4.2.6 Bảo toàn liệu 4.2.7 4.2.8 Mã hóa bit , Các hệ thống tiêu biểu dựa CAN 4.2.9 Ghi tài liệu tham khảo DeviceNet 4.3.1 Cơ chế giao tiếp 4.3.3 Mơ hình đối tượng Mơ hình địa 4.3.4 Cấu trúc điện 4.3.5 Dịch vụ thông báo 4.3.6 Ghi tài liệu tham khảo 4.3.2 4.4 Kiến trúc giao thức Modbus 4.4.1 Cơ chế giao tiếp 4.4.2 Chế độ truyền 4.4.3 Cấu trúc điện 131 _ 182 182 184 186 vii 4.5 4.4.4 Bao toàn liệu 189 4.4.5 Modbus 190 4.4.6 Ghi tài liệu tham khảo 4.7 193 Cấu trúc mang kỹ thuật truyền dẫn 193 194 4.5.3 Cơ chế giao tiếp 4.5.4 Cấu trúc điện 4.5.5 Dịch vụ giao tiếp 4.5.6 Ghi tài liệu tham khảo AS-i 4.6.1 4.6.2 4.6.3 201 Kiến trúc giao thức Cấu trúc mạng cáp truyền Cơ chế giao tiếp 204 4.6.4 Cấu trúc điện 4.6.5 Mã hóa bịt 4.6.6 Bảo tồn liệu 4.6.7 Ghi tài liệu tham khảo Foundation Fieldbus 4.7.1 Kiến trúc giao thức 4.7.2 Cơ chế giao tiếp 4.7.5 Dịch vụ giao tiếp 200 203 205 207 207 208 Khối chức ứng dụng 4.7.7 Ethernet 4.8.2 199 Cấu trúc điện 4.7.6 4.8.1 196 Cấu trúc mạng kỹ thuật truyền dẫn 4.7.3 4.7.4 4.8 192 INTERBUS 4.5.1 Kiến trúc giao thức 4.5.2 4.6 Plus Ghi tài liệu tham khảo Kiến trúc giao thức Cấu trúc mạng kỹ thuật truyền dẫn 210 211 212 212 213 216 217 219 220 223 224 224 225 4.8.3 4.8.4 Cơ chế giao tiếp Cấu trúc điện 4.8.5 Truy nhập bus 4.8.6 Hiệu suất đường truyền tính thời gian thực 230 4.8.7 4.8.8 Mạng LAN 802.3 chuyển mạch Fast Ethernet 4.8.9 High Speed Ethernet 4.8.10 4.8.11 Industrial Ethernet Ghi tài liệu tham khảo 227 228 229 231 232 234 236 236 viti Chương 5: 5.1 Một số vấn dé tích hợp hệ thống Thiết kế hệ thống mạng 5.1.1 5.1.2 5.2 5.4 238 Phân tích yêu cầu Các bước tiến hành 238 259 Đánh giá lựa chọn giải pháp mạng 5.2.1 Đặc thù cấp ứng dụng 241 5.2.2 Đặc thù lĩnh vực ứng dụng 242 5.2.3 Yêu cầu kỹ thuật tiết 5.2.4 5.3 238 Yêu cầu kinh tế Một số chuẩn phần mềm 244 245 tích hợp hệ thống 5.3.1 Chuẩn IEC 61131-5 5.3.2 OPC (OLE for Process Control) Ghi tài liệu tham khảo Danh mục thuật ngữ 241 246 246 249 253 255 242 Chương 5: Một số uẫn đề tích hợp hệ thống hai cấp bus hệ thống (bus điều khiển) bus trường (bus thiết bị) Sự khác yêu cầu hai cấp thể điểm sau đây: e Bus théng yêu cầu tốc độ truyền cao nhiều so với bus trường « - Số lượng trạm ghép nối với bus hệ thống thường hơn bus trường, chủng loại thiết bị ghép nối với bus hệ thống đồng e - Bus hệ thống địi hỏi tính thời gian thực ngặt nghèo bus trường Có thể nói, việc lựa chọn bus hệ thống ngày gần xoay quanh số không nhiều hệ dựa Ethernet, với bus trường lớn nhiều hợp cộng nghệ HSE với lựa chọn đối Gần có xu hướng xuất số tổ Foundation Fieldbus H1, PROFlnet với PROFIBUS AS-i, Ethernet/IP với ControlNet DeviceNet Đây yếu tố tiếp thị quan trọng, có lợi cho nhà sản xuất đồng thời dễ cho người sử dụng phải đứng trước lựa chọn 5.2.2 _ Đặc thù lĩnh vực ứng dụng Khi xây dựng giải pháp ứng dụng mạng truyền thông công nghiệp, ta phải quan tâm tới qui mô đặc thù lĩnh vực ứng dụng Có thể kể số lĩnh vực ứng dụng tiêu biểu như: e Tự động hóa thiết bị máy móc đơn lẻ e Tự động hóa q trình -s Tu dong héa xí nghiệp « - Tự động hóa tịa nhà e - Điều khiển giám sát hệ thống giao thông-vận tải e - Điều phối giám sát hệ thống phân phối lượng Tự động hóa thiết bị máy móc đơn lẻ Tự động hóa thiết bị máy móc khiển cần cầu, điều khiển thang máy, - robot, điều khiển phương tiện giao quan tâm tới nhiệm vụ điều khiển tự có dừng lại chức đơn lẻ bao gồm lĩnh vực điều điều khiển máy công cụ, điều khiển thông Ở người ta động, phần điều khiển giám sát giao diện người-máy đơn giản Các tốn điều khiển khác nhau, từ điều khiển logic tới điều 5.2 Đánh giá va lựa chọn giải pháp mạng 243 khiến trình điều khiển chuyển động Đặc thù ứng dụng yêu cầu cao tính thời gian thực, lượng liệu trao đổi khơng lớn Các máy móc, thiết bị sản xuất hàng loạt, đầu tư cho giải pháp điều khiển thành phẩm phải thật tiết kiệm Các yêu cầu dẫn đến phải sử dụng giải pháp bus thiết bị với kiến trúc giao thức đơn giản, phù hợp cho ghép nối trực tiếp cảm biến cấu chấp hành, có tính tiền định giá thành thấp Một vài ví dụ tiêu biểu CAN, AS-i, SwiftNet va Sercos Tự động hóa q trình Tự động hóa cơng nghiệp thường chia thành hai mảng tự động héa qua trinh (process automation) tự động hóa xí nghiệp (factory automation), chế biến, khai tudng ứng với hai lĩnh vực ứng dụng cơng nghiệp thác (manufacturing) dầu khí, măng, than, giấy, (process industru) công nghiệp chế tạo, Công nghiệp chế biến khai thác bao gồm hóa dau, hóa Các ngành chất, thực lắp ráp ngành phẩm, dược phẩm, điện lực, xi lại xe hơi, chế tao máy công cụ, luyện kim, cán thép, điện tử xếp vào công nghiệp chế tạo, lắp ráp Đặc thù ngành công nghiệp khai thác chế biến trình liên tục diễn biến chậm Vì tần suất trao đổi liệu thấp, nhiên điện thường dài để đủ chứa thông tin biến tương tự Công nghệ bus trường khơng địi hỏi tốc độ cao, độ phủ mạng lớn, phải có tính tiền định có lựa chọn cho phù hợp môi trường dễ cháy nổ Khơng nghi ngờ gì, hai cơng nghệ bus trường đầu lĩnh vực Foundation Fieldbus H1 PROFIBUS-PA Tự động hóa xí nghiệp Trong ngành cơng nghiệp chế tạo lắp ráp, tốn điều khiển logic điều khiển trình tự đóng vai trị trung tâm, khơng kể tới tốn điều khiển máy móc thiết bị đơn lẻ, điều khiển chuyển động Các hệ thống điều khiển giám sát thường có qui mơ nhỏ so với công nghiệp chế biến, lượng liệu cần trao đổi thường có u cầu cao thời gian phản ứng Các giải pháp mạng tiêu biểu INTERBUS, DeviceNet, PROFIBUS-DP AS-i Tự động hóa tịa nhà Tự động hóa tịa nhà lĩnh vực ứng dụng có nhiều tiềm năng, đặc biệt khu vực phát triển xây dựng mạnh Việt Nam Các 244 Chương 5: Một số uắn đề tích hợp hệ thơng tịa nhà cơng sở, khách sạn, sân bay nhà chung cư có nhu cầu tự động hóa cao Các hệ thống lò sưởi, điều hòa nhiệt độ, hệ thống đóng mớ cửa, hệ thống thang máy, hệ thống chiếu sáng, hệ thống cảnh báo cháy, đối tượng cần điều khiển giám sát từ trung tâm Tuy tốn điều khiển khơng phải phức tạp, số lượng thiết bị lớn chúng loại đa dạng Một số cơng nghệ bus có ưu lĩnh vực LON, EIB gần truyền thông qua đường điện lực Các hệ thống giao thông-vận tải Các hệ thống điều khiển giám sát lĩnh vực giao thơng, ví dụ điều khiển giao thơng thị, đường sắt, hàng hải hàng không hệ thống có cấu trúc phân tán cách tự nhiên Các toán tiêu biểu lĩnh vực điều khiển tín hiệu nút giao thơng, điều khiến phân luồng giao thông, điều động phương tiện giao thông tương lai _ hệ thống xe tự hành Việc nối mạng thực qua nhiều phương thức khác nhau, ví dụ qua đường điện lực, qua sóng vơ tuyến, qua đường điện thoại Đến nay, hầu hết ứng dụng dựa giải pháp đặc biệt, đóng kín Tuy nhiên, ta nghĩ tới áp dụng số hệ thống mạng công nghiệp chuẩn INTERBUS PROFIBUS-DP kết hợp với sử dụng cáp quang, giao thức Modbus kết hợp qua đường điện lực điện thoại công cộng Các hệ thống phân phối lượng Tương tự hệ thống giao thông, mạng lưới phân phối lượng cung cấp điện, nước, ga có chất lai phân tán cách tự nhiên Đặc biệt, điều phối giám sát mạng điện lực quốc gia toán tương đối phức tạp mức độ trải rộng phân tán cao, mơ hình bắt định, tính thời gian thực ngặt nghèo Việc sử dụng công nghệ truyền thông qua đường điện lực, đường cáp quang kết hợp với số giao thức chuẩn MODBUS giải pháp hợp lý 5.2.3 Yêu cầu kỹ thuật tiết Một phương pháp áp dụng phổ biến lựa chọn hệ thống bus phương pháp loại trừ dần dựa sở tiêu chuẩn kỹ thuật sau: ‘ 5.2 Danh gid va luta chon gidi phap Cấu trúc: Topology, mang chiều dài tối đa mang, 245 sé tram téi da mé6t doan (segment) Đặc tính thời gian: Tính thời gian thực (đủ nhanh, kịp thời, dự đoán được), thời gian phản ứng tiêu biểu Khả truyền tải liệu: Tốc độ tối đa độ dài liệu hữu ích tối đa dién (telegram) Đồng tải nguồn: Khả cung cấp nguồn bus cho thiết bị tham gia (trạm) Độ linh hoạt: Khả lắp đặt thay trạm vận hành, khả mở rộng hệ thống (ví dụ mở rộng sản xuất) Độ an toàn: Loại trừ khả gây cháy nổ, gây ảnh hưởng xấu tới môi trường xung quanh Độ bền vững, tin cậy: Hoạt động ốn định có ảnh hưởng, nhiễu từ mơi trường xung quanh Chuẩn hóa: Điều kiện cho khả tương tác, tính mở hệ thống, tránh lạc hậu tương lai Công cụ hỗ trợ: Phần mềm quản trị mạng, hỗ trợ giám sát, chẩn đoán cố Đối với ứng dụng cụ thể, có nhiều giải pháp tỏ thích hợp mà khác số điểm nhỏ Trong trường hợp vậy, cần phân tích đánh giá cách thận trọng, kỹ lưỡng Ngay thông số kỹ thuật tưởng chừng tương đương, lại khác cách bản, địi hỏi phải cân nhắc thận trọng Ví dụ, lĩnh vực ứng dụng cần hệ thống bus có tốc độ truyền tải liệu thật cao mà yếu tố quan trọng thời gian phan ting phải nhỏ dự đoán trước 5.2.4 Yêu cầu kinh tế Trong yêu cầu mang tính chất kinh tế ta cần xét hai yếu tố chính: Giá thành tổng thể: Tổng hợp giá thành trang thiết bị, công thiết kế, lắp đặt bảo trì Hiện trạng thị trường: Cơ hội mua sắm thiết bị dịch vụ Kinh nghiệm hạch-toán thực tế cho thấy, người sử dụng thường hay coi nhẹ việc giá thành tổng thể tập trung vào đặc tính kỹ thuật giá trang thiết bị phần cứng Ví dụ, trình độ kinh nghiệm Chương 5: Một số uắn đề tích hợp hệ thống 246 sẵn có giá dịch vụ thiết kế, lấp đặt bảo trì đóng vai trị quan trọng đầu tư tổng thể lâu dài Trong hoàn cảnh Việt nam, việc mua sắm thiết bị, công cụ phần 'mềm dịch vụ hỗ trợ có nhiều hạn chế, yếu tố trạng thị trường, kiến thức kinh nghiệm sẵn có ảnh hưởng lớn tới định Tuy nhiên, ta cần thận trọng với thói quen ảnh hưởng nhãn mác, không nên cố giữ mặc cảm, định kiến hệ thống Cũng lĩnh vực điện tứ, tin học, cơng nghệ bus trường có đối mới, tiến không ngừng Xu hướng thâm nhập Ethernet vào cấp điều khiến cấp chấp hành ví dụ tiêu biểu 5,3 Một số chuẩn phần mềm tích hợp hệ thống 5.3.1 Chuẩn IEC 61131-5 Mơ hình giao tiếp mạng Đối tượng chuẩn IEC 61131-5 dịch vụ thiết bị điều khiển khả trình (PLC) thực hiện, dịch vụ PLC yêu cầu từ thiết bị khác, thể qua hàm/khối chức sử dụng lập trình với IEC 61131-5 Phạm vi chuẩn bó hẹp việc giao tiếp PLC PLC thiết bị khác Dịch vụ giao tiếp - Thông tin trạng thái thị cố thành phần: e - Thiết bị điều khiển khả trình (tổng thể) se Vào/ra « Bộ xử lý trung tâm se Cung cấp nguồn e Bộ nhớ e Hệ thống truyền thông Lưu ý rằng, status cung cấp thông tin trạng thái thiết bị điều khiển thành phần phần cứng, phần rắn nó, khơng quan tâm tới 5.3 Một số chuẩn phần mềm tích hợp hệ thống 247 thơng tin cấu hình Dữ liệu trạng thái khơng cung cấp thơng tin q trình điều khiển chương trình ứng dụng PLC Máy tính DKGS Client ( Hệ thống mạng truyền thông ` XS Client Client Các thiết bị khác có giao tiếp với PLC Se rver ) PLC2 PLCI Máy móc q trình kỹ thuật Hinh 5.1: Mơ hình giao tiếp mạng theo IEC 61131 Các dịch vụ liệt kê bảng 5.1 Tuy nhiên, PUC không bắt buộc phải cung cấp tất dịch vụ Tên khối chức hàm tương ứng liệt kê bảng 5.2 Bảng 5.1: STT Các dịch vụ giao tiếp cho PLC | Các dịch vụ giao tiếp cho PLC PLC cầu yêu | PLC đáp | Khối chức ứng có sẵn Kiểm tra thiết bị X X X Thu thập liệu x Xx x Điều khiển X X X Đồng hóa chương trình ứng |X Xx x dung Báo động Xx x Thuc hién chuong trinh va diéu khién x Truyền nạp chương trình ứng dụng x Quản xX X X vao/ra lý nối 248 Chuong 5: Mét sé van dé tich hgp théng Bang 5.2: Các khối chúc giao tiép (CFB) STT | Chức , Tên khối chức hàm Định địa biến từ xa REMOTE_VAR Kiểm tra thiết bị STATUS, Thu thập liệu kiểu hỏi READ, Thu thập liệu kiểu lập trình USEND, URCV Điều khiển tham số WRITE, Điều khiển liên động SEND, RCV Báo động lập trình NOTIFY, ALARM Quản lý nối CONNECT USTATUS Lưu ý: Các khối chúc UXXX thể dịch vụ không cần yêu cầu (unsolicited services) Kiém tra thiét bi Các khối chức STATUS USTATUS hỗ trợ việc PLC kiểm tra trạng thái thiết bị tự động hóa khác Thu thập liệu Dữ liệu thiết bị khác biểu diễn qua biến hai phương pháp để PLC truy nhập liệu sử dụng cdc CFB: Có e - Hỏi (polled): PLC sử dụng khối chức READ để đọc giá trị nhiều biến thời điểm chương trình ứng dụng PLUC xác định Việc truy nhập biến thiết bị kiểm sốt °e Lập trình: Thời điểm liệu cung cấp cho PLC định thiết bị khác Các khối URCV/USEND sử dụng chương trình ứng dụng PLC để nhận liệu từ gửi liệu đến thiết bị khác Điều khiển Hai phương pháp điều khiển cần PLC hỗ trợ: điều khiển tham số (parametric) điều khiến khóa liên dong (interlocked) ° - Điều khiển tham số: Hoạt động thiết bị điều khiển WRITE cách thay đổi tham số chúng PLC sử dụng khối để thực họat động từ chương trình ứng dụng - 5.3 Một số chuẩn phần mềm tích hợp hệ thống 249 e« - Điều khiển khóa liên động: Một client yêu cầu server thực phép tốn ứng dụng thơng báo kết cho client PLC sử dụng khối SEND RCV để thực vai trò client and server Báo động Một PLC gửi báo động tới client kiện xay Client thơng báo lại xác nhận tới điều khiến PLC sử dụng khối chức ALARM va NOTIFY chương trình ứng dụng để gửi thông báo cần xác nhận không cần xác nhận Quản lý mối liên kết Các chương trình ứng dụng PLC sử dụng khối CONNECT để quản lý mối liên kết 5.3.2 OPC (OLE for Process Control) Gidi thiéu chung Tiến hệ thống bus trường với phổ biến thiết bị cận minh thông trường hai yếu tố tới chuyển định hướng sang cấu trúc phân tán giải pháp tự động hóa Sự phân tán hóa lại nhiều mang mặt trung cổ điển, ưu so với cấu trúc xử lý thông độ tin cậy tính linh hoạt hệ thống, tin tập mặt khác tạo hàng loạt thách thức cho giới sản xuất cho người sử dụng Một vấn đề thường gặp phải việc tích hợp hệ thống Tích hợp theo chiều ngang đòi hỏi khả tương tác thiết Bên bị tự động hóa nhiều nhà sản xuất khác cạnh đó, tích hợp theo chiều dọc đòi hỏi khả kết nối ứng dụng sở đo lường, điều khiển với ứng dụng cao cấp điều khiển giám sát thu thập liệu (supervisory giao dién ngudi-may control (human-machine hanh san xudt (manufacturing and data interface, acquisition, HMI) SCADA), va théng diéu execution system, MES) Việc sử dụng chuẩn giao diện trở thành điều kiện tiên Tiêu biểu cho hướng chuẩn OPC, chấp nhận rộng rãi ứng dụng tự động hóa q trình cơng nghiệp Dựa OPC mơ hình đối tượng thành phần (D)COM hãng Microsoft, định nghĩa thêm số giao diện cho khai thác liệu từ trình kỹ thuật, tạo sở cho việc xây dựng ứng dụng điều khiển phân 250 Chương 5: Mét sé van đề tích hợp hệ thống tán mà khơng bị phụ thuộc vào mạng công nghiệp cụ thể Trong thời điểm nay, OPC COM thực Windows, song có nhiều cố gắng để phổ biến sang hệ điều hành thông dụng khác Chính OPC xây dựng sở mơ hình thành phần COM, nên sử dụng qua nhiều phương pháp khác nhau, nhiều ngôn ngữ lập trình khác Để khai thác cách thật hiệu dịch vụ OPC, người lập trình phải hiểu rõ công nghệ hướng đối tượng phần mềm thành phần nói chung COM nói riêng Với mục đích ban đầu thay cho dạng phần mềm kết nối trình điều khiển vào/ra (1/O-Drivers) va DDE, diện chuẩn cho chức như: se Khai thác, truy nhập liệu OPC trinh qui dinh (Data mét Access) sé giao từ nhiéu nguồn: khác (PLC, thiết bị trường, bus trường, sở liệu, ) se - Xử lý kiện cố (Euent and Alarm) se _ Truy nhập liệu khứ (Historical Access) e Trao đổi Exchange) liệu Trong tương lai OPC hệ thống công cụ phần mém hỗ trợ chức khác (Data an hoàn hệ théng (Security) điều khiển mẻ (Bafch) OPC sử dụng chế COM/COM để cung cấp dịch vụ truyền thông cho tất ứng dụng hỗ trợ COM Có thể kể hàng loạt ưu điểm việc sử dụng OPC như: e Cho phép ứng dụng khai thác, truy nhập đơn giản, thống liệu theo cách ¢ - Hỗ trợ truy nhập liệu theo chế hỏi (polling) hodc theo su kién (event-driven) * Dudc tdi uu cho viéc stt dung mang céng nghiép e - Kiến trúc không phụ thuộc vào nhà cung cấp thiết bị e - Linh hoạt hiệu suất cao « Sử dụng từ hầu hết công cụ phần mềm SCADA thông dụng, Delphi, ) ngôn ngữ bậc cao (C++, Visual Basic, 5.3 Mét sé chuẩn phần mềm tích hợp hệ thống 251 Tổng quan kiến trúc OPC OPC xây dựng dựa ý tưởng ứng dụng công nghệ COM nhằm đơn giản hóa, chuẩn hóa việc khai thác liệu từ thiết bị cận trường thiết bị điều khiển, tương tự việc khai thác hệ thống sở liệu thông thường Giống COM, OPC không qui định việc thực khai thác cụ thể, mà định nghĩa số giao diện chuẩn Thay cho việc dùng C/C++ dùng để định nghĩa giao diện lập trình thơng thường, ngơn ngữ dùng (gọi interface definition language hay IDL) không phụ thuộc vào cài đặt hay ngơn ngữ lập trình Cốt lõi OPC chương trình phần Server, chứa mục mềm đữ liệu (OPC-Item) phục vụ gọi OPC- tổ chức thành nhóm (OPC-Group) Thông thường, OPC-Server đại điện thiết bị thu thập liệu thông Các OPC-Items PLUC, RTU, LO hịặc cấu hình mạng truyền đại diện cho biến trình, tham số điều khiển, liệu trạng thái thiết bị, v.v Cách tổ chức tương tự hệ thống sở đữ liệu quan hệ quen thuộc với cấp nguồn liệu (data source), liệu (table) trường liệu (field) Automation VB Scripts OPC Server Interface OPC Group -ltem -ltem C++, Java, é Giao thức riêng Các thiết bị tự động hóa Visual Basic, / Custom Delphi, Interfaces Hình 5.2: Kiến trúc sơ lược OPC Như minh họa Hình 5.2, hai kiểu đối tượng thành phần quan trọng kiến trúc OPC OPC-Server OPC-Group OPC-Server có nhiệm vụ quản lí tồn việc sử dụng khai thác liệu, đối tượng OPC-Group liệu (iems) Trong thành nhóm có chức tổ chức phần tử để tiện cho việc truy nhập Thông thường, item ứng với biến trình kỹ thuật hay thiết bị điều khiển 252 / Chương 5: Một số uẫn dé tích hợp hệ thơng Chuẩn (OPC OPC qui định hai kiểu giao dién la Custom Taskforce, 1998b) va Automation Interface (OPC Interfaces Taskforce, 1998c)!° Kiểu thứ bao gồm số giao diện theo mơ hình COM túy, cịn kiểu thứ hai dựa công nghệ mở rộng OLE-Automation Sự khác hai kiểu giao diện nằm mô hình đối tượng, ngơn ngữ lập trình hỗ trợ mà cịn tính năng, hiệu suất sử dụng OPC Custom Interfaces Giống đối tượng quan trọng OPC COM khác, hai loại đối OPC-Server OPC-Group vụ qua giao diện chúng, dude goi la OPC minh họa Hình 5.3 Tham khảo tượng thành phần cung cấp dịch Custom Interfaces, (OPC Taskforce, 1988b) nhu dé tim hiểu ý nghĩa cụ thể giao diện Chính giao diện giao diện theo mơ hình COM túy, việc lập trình với chúng hỏi ngôn ngữ biên dịch Trong thực tế, C++ tuyệt đối phục vụ mục cung cấp số địi ngơn ngữ chiếm tưru thé đích Bên cạnh đó, công cụ khác phần mềm khung (frameworks) thich hop dé tre người lập trình (Unknown IOPCCommon C>—| : OPC Server IOPCltemMat C3—] IOPCServer C3— [I[OPCPublicGroupStateMgt] C>— [IOPCServerPublicGroups] C>—] IOPCSynclO C3—¬ [IOPCBrowseServerAddressSpacel C—] IOPCAsynclO2 C3>—] [IPersistFile| C>—] ConnectionPointContainer C3—] IConnectionPointContainer ()— St dung OPC OPC Custom Custom OPC Group IOPCGroupStateMgt C>—] IOPCItemProperties C——] Hinh 5.3: lUnknown Interfaces Interfaces cho phép truy nhập liệu với hiệu suất cao Tuy nhiên, nhược điểm thứ đòi hỏi người sử dụng phải hiểu rõ lập trình với COM/DCOM Nhược điểm cứng nhắc mã chương trình, ta dùng trực tiếp ứng dụng '! Lưu ý khái niệm “Automation” dùng hồn tồn khơng có liên quan tới kỹ thuật tự động hóa 5.3 Một số chuẩn phần mềm điều khiển Thay đổi chi tiết nhỏ tích hợp hệ thống 253 (tên máy tính điều khiển, số lượng biến vào/ra, ) đòi hỏi phải biên dịch lại tồn cirương trình ứng dụng Rõ ràng, để khắc phục hai van dé nêu trên, tức giảm nhẹ độ phức tạp cho người lập trình nâng cao tính sử dụng lại, cần phải tạo 'một lớp phần mềm dạng thư viện đối tượng nằm OPC OPC Automation Interface thư viện đối tượng OPC Automation Interface Giống đối tượng OLE-Automation khác, việc sử dụng đối tượng OPC Automation Interƒace đơn giản hóa nhiều Cụ thể, nhiều thủ tục phức tạp lập trình với COM loại bỏ Người lập trình khơng cần hiểu biết sâu sắc COM C++, ma chi can sử dụng thành thạo application development) công cụ tao dung ting dung RAD (rapid nhu Visual Basic Mặt trái vấn đề lại là, đơn giản hóa phương pháp phải trả giá hạn chế phạm vi chức năng, hiệu suất sử dụng tốc độ trao đổi đữ liệu Nhất giải pháp tự động hóa phân tán, có tham gia mạng truyền thơng cơng nghiệp, hai điểm yếu nói sau trở nên đáng quan tâm Tốc độ trao đối liệu giảm tới 3-4 lần so với dùng Custom Interfaces Đối với ứng dụng có yêu cầu cao thời gian, phudng phap stt dung OPC Automation Interface r6 rang khơng thích hợp OPC công cụ phần mềm chuyên dụng Trong thực tế, có cách sử dụng thứ ba, đơn giản thuận tiên nhiều so với hai cách thông qua công OPC Sử cụ phần mềm chuyên dụng Có thể nói, cơng cụ SCADA đại nào, hệ DCS đại hỗ trợ giao diện dụng công cụ này, người tích hợp hệ thống cần đăng ký OPC -Server kèm thiết bị với hệ điều hành, sau khai báo cách đị tìm mạng trạm máy tính tên Server với cơng cụ phần mềm Việc cịn lại sử dụng nhãn (fag name) giống nhãn khác quen thuộc SCADA hoac DCS 5.4 Về Ghi chu va tai liệu tham chuẩn giao tiếp công nghiệp liên khảo quan tới vấn đề tích hợp hệ thống sử dụng mạng truyền thơng cơng nghiệp có nhiều tài liệu 254 khác Chương 5: Một số uắn đề tích hợp hệ thống nhau, dạng sách hướng dẫn sử dụng phần mềm Tài liệu tham [1] [2] SIMATIC NET Overview [4] tài liệu - Industrial Communication Networks Siemens AG and Introduction to the Manufacturing Message Specification (MMS) [3] thông tin Internet, khảo Siemens: 1998 SISCO: Revision 2, SISCO Inc., 1995 Microsoft Corporation, DCOM Technical Overview, Microsoft Corporation, 1997 OPC Taskforce, OLE for Process Control - Data Access Specification, Version 2.0A, 1998, www.opcfoundation.org [5] [6] HoàngM Sơn: "Điều khiển phân tán", Tự động hóa ngàu nau, số 2, 1999 Hoang M Son, Peter Rieger: Komponentenbasierte Automatisierungs- software NXB Hanser-Verlag, 1999 255 Danh mục thuật ngữ Dịch vụ truyền thông, 33 AFP (Alternate Flanks Pulse), 79, 209 AS-i (Actuator Sensor Interface), 203 AWG (American Wire Gauge), 105 Bao toan di liéu, 67 Bảo tồn khối, Z1 Đơi dây xoắn (Twisted Pair), 104 81 Đồng tải nguồn, 77 FMS (Fieldbus Message Specification), 51, 136, 144, 213, 219 Bus trường, (Controller Area Network), 161, FSK (Frequency Shift Keying), 80 FTP (File Transfer Protocol), 36, 48 173 Cáp quang, 107 Gateway, Cấu trúc bus, 27 Cấu trúc cây, 32, 33 Cấu trúc hình sao, 31, 32 Cấu trúc mạch vòng, 29 Cấu trúc mạng, 26 Communication processor, 115 (Cyclic Redundancy Check), 187, (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance), 65 CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection), 62 Chế d6 truyén tai, 20 Chuẩn truyền dẫn, 81 Daisy-chain, Control), 36 Hiệu suất sử dụng đường truyền, 55 Hiệu suất truyền liệu, 69, 7O IEC 1158-2, 98 IEC 6G1131-5, 246 Equipment), 174 193 Kiến trúc giao thức, 33, 39, 48, 135, 158, 161, 193, 194, 204, 212, 213, 224, 234, 235 Khoảng cách Hamming, 68 Liên kết, 26 Liên kết điểm-điểm (point-to-point), 26 Liên kết điểm-nhiều điểm (multidrop), 26 27 (Data Communication DeviceNet, 130 Giao thức, 35 HDLC (High Level Data-link Interbus-S, 190 CSMA/CA DCE Service), 48 Interface), 30 Bus thiét bi, CRC (Data Terminal Equipment), FDL (Fieldbus Data Link), 136, 140 128 Bus théng, CAN (Domain Name FDDI (Fibre Distributed Data Bit Stuffing, 75 Bridge, DNS DTE 81 Lién két nhiéu diém (multipoint), 27 LLC (Logical Link Control), 45 Mã hóa bit, 76 -256 Chương 5: Một số uắn đề tích hợp hệ thống MAC (Medium Access Control), 45 Manchester, STP (Shielded Twisted Pair), 104, MAP (Manufactoring Automation Protocol), 5O MMS (Manufactoring Message ' Specification), 36, 50, 125, 144 Modbus, 182 Modbus , Plus, (Mean Time Between 61, 62, 139, 140, 144, 151 Tỉ lệ lỗi lại, 68 Tính thời gian thực, 19Token Bus, 60 Token Passing, 60 Token Ring, 60 Topology, 26 Thông tin đồng nhịp, 77 NRZ (Non-Return To Zero), 78 OPC (OLE for Process Control), 133, 249, 254 OSI (Open System Interconnection), 39 ` PMS (Peripheral Message Specification), 51, 193, 201 Polling (hỏi tuần tự), 57, 141, 153, 172, 207, 250 PROFIBUS-DP, 150 PROFIBUS-PA, 134 144 157 Protocol (giao thtic), 35 Phương thức truyền dẫn tín hiệu, 82 (Remote Access Control), 51 Repeater, 33, 127, 206 Router, 129 RS-232, 86 RS-422, 90 RS-485, 91 RZ (Return to Zero), 79 SMTP (Simple Mail Transfer Protocol), 48 Trở đầu cuối, 85 Trunk-line/drop-line, 27 Truy nhap bus, 54 Truyén bit song song, 21 Truyền dẫn không đối xứng, 82 Truyền đồng bộ, 22 Truyền hai chiều gián đoạn (halfduplex), 23 Process Field Bus (PROFIBUS), PROFIBUS-FMS, Thời gian đáp ứng tối đa, 55 Truyền dẫn chênh lệch đối xứng, 83 Parity bit, 67, Z0 _ RAC (Time Division Multiple Tỉ lệ bit 16i, 67 115 Failures), 68 Multi-Master, Protocol/Internet Protocol), 48 Access), 59, 196 Mô hình lớp, 38 MPS (Manufactoring Periodic/aperiodic Services), 51 MTBF 105 : TCP/IP (Transmission Control TDMA 190 Module giao dién mang, SNMP (Simple Network Management Protocol), 48 79 Truyền hai chiều tồn phần (duplex), 24 Truyền khơng đồng bộ, 22 Truyền chiều (simplex), 23 Truyền tải dải sở, 20, 24 Truyền tai dai mang, 24 Truyén tai dai réng, 25 UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter), UDP 37, 113 (User Data Protocol), 49 UTP (Unshielded Twisted Pair), 104, 105 V6 tuyén, 111 Xử lý giao thức, 35, 38