giao diện giao thức mạng trong hệ thống công nghiệp

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn iii MỤC LỤC Trang phụ bìa Lời cam đoan Mục lục i Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt ii Danh mục các bảng iii Danh mục các hình (hình vẽ, ảnh chụp, đồ thị ) iv Mở đầu 1 Chương 1: Hệ thống điều khiển phân tán 3 1.1. Hệ thống SCADA và phân cấp quản lý 3 1.2. Chức năng và một số giao thức chuẩn áp dụng trong hệ thống SCADA: 4 1.2.1. Chức năng chính của hệ thống SCADA: 4 1.2.2. Một số giao thức chuẩn áp dụng trong hệ thống SCADA: 5 1.3. Các thành phần của một hệ điều khiển phân tán. 5 1.3.1 Cấu hình cơ bản. 5 1.3.2 Trạm điều khiển cục bộ. 6 1.3.3 Bus trường và các trạm vào/ra từ xa 8 1.3.4 Trạm vận hành 9 1.3.5 Trạm kỹ thuật và các công cụ phát triển 11 1.3.6 Bus hệ thống 12 1.4 Phân loại các hệ DCS 13 1.4.1 Các hệ DCS truyền thống 13 1.4.2 Các hệ DCS trên nền PLC. 14 1.4.3 Các hệ DCS trên nền PC 16 1.4.4 DCS trên cơ sở RTU, PLC và IED 17 1.5 Các vấn đề kỹ thuật 17 1.6 Xử lý thời gian thực và xử lý phân tán 18 1.6.1 Hệ thống thời gian thực 18 1.6.2 Xử lý thời gian thực. 19 1.6.3 Hệ điều hành đa nhiệm và các ứng dụng thời gian thực 20 1.6.4 Xử lý phân tán 21 1.7 Đồng bộ hóa trong xử lý phân tán 22 1.7.1 Đồng bộ hóa các tín hiệu vào/ra 22 . Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn iv 1.7.2 Đồng bộ hóa thời gian 23 Chương 2 : Giao diện-giao thức và cấu hình mạng 24 2.1. Truyền tin nối tiếp 24 2.1.1. Truyền tin nối tiếp dị bộ 24 2.1.2. Truyền tin nối tiếp đồng bộ 25 2.2 Tín hiệu đơn và tín hiệu vi sai: 26 2.1.1. Truyền dẫn sử dụng tín hiệu đơn (Single-Ended) 26 2.1.2. Truyền dẫn sử dụng tín hiệu vi sai (Differential) 27 2.1.3. Khả năng chống nhiễu giữa tín hiệu đơn và tín hiệu vi sai 27 2.3 Đơn truy cập và đa truy cập 27 2.3.1. Đa truy cập trên giao diện RS485 28 2.3.2. Đa truy cập CSMA/CD 29 2.3.3. Đa truy cập CSMA/CA 30 2.3.4 Đa truy cập CDMA 30 2.3.5. Giả ngẫu nhiên, nén phổ và thông tin trái phổ 31 2.4. Cấu hình mạng: Star, Ring, Bus, Optical Cable. 36 2.4.1 Cấu hình mạng Star. 36 2.4.2 Cấu hình mạng Ring 37 2.4.3 Cấu hình mạng Bus 38 2.4.4 Optical Cable 38 2.5 Giao diện và giao thức: 42 2.6. Giao diện. 42 2.6.1. Giao diện RS232 42 2.6.2 Giao diện RS485. 45 2.6.2.1 Đặc điểm giao diện RS485 45 2.6.2.2 Khả năng kết nối: 46 2.6.2.3 Mạng truyền nhận RS-485. 47 2.6.3 Sự khác nhau cơ bản giữa RS 232 và RS 485 48 2.6.4 Kết nối dùng chuẩn X.25 48 2.6.5 Ethernet 49 2.6.5.1. Ethernet là gì ? 49 2.6.5.2 Hệ thống Ethernet 50 2.6.5.3 Sự ra đời chuẩn Ethernet 50 2.6.5.4 Các thành phần của Ethernet 51 . Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn v 2.6.5.5 Hoạt động của Ethernet 51 2.7 Giao thức 2.7.1 Giao thức truyền tin 52 2.7.1.1 Thiết bị DTE và DCE 52 2.7.1.2 Kênh dữ liệu và liên kết dữ liệu: 52 2.7.1.3 Các loại giao thức truyền tin: 55 2.7.1.4 Đánh giá giao thức COP: 57 2.7.1.5 Đánh giá giao thức dạng BOP: 58 2.7.2. Giao thức MODBUS. 58 2.7.2.1 Lịch sử của Modbus protocol. 58 2.7.2.2 Cấu trúc thông điệp Modbus 59 2.7.2.3 Các chế độ truyền thông nối tiếp Modbus 60 2.7.2.4 Địa chỉ Modbus 61 2.7.2.5 Các mã chức năng của Modbus 61 2.7.2.6 Qui chiếu địa chỉ của Modbus 62 2.7.2.7 Ví dụ một số khung tin của Modbus 62 2.7.3. Giao thức Profinet. 63 2.7.4 Giao thức IEC870-5-101; 103; 104; ICCP và ELCOM90 64 2.7.5 Giao thức TCP/IP 68 2.7.6. Quan hệ giữa giao thức lớp thấp và lớp cao 71 2.7.7 So sánh TCP/IP với mô hình OSI 78 Chương 3 : Hệ thống mạng công nghiệp và ứng dụng xây dựng bộ cảnh báo 32 kênh sử dụng giao diện RS232/RS485 79 3.1. Mạng truyền thông công nghiệp là gì? 79 3.2. Phân loại và đặc trưng các hệ thống mạng công nghiệp 80 3.2.1. Các lớp dưới cùng (cấp chấp hành) 80 3.2.2. Lớp giữa (Điều khiển) 82 3.2.3. Lớp trên cùng (quản lý) 83 3.2.4. Lớp Scada 84 3.3. An toàn trong mạng 85 3.4. Ứng dụng xây dựng bộ cảnh báo 32 kênh sử dụng giao diện RS232/RS485 90 PHẦN KẾT LUẬN 95 . Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn vi KIẾN NGHỊ NHỮNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 96 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÓ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN 97 TÀI LIỆU THAM KHẢO 98 PHỤ LỤC 99 . Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn iv DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Chữ đầy đủ, nghĩa LCS Local control station ; Trạm điều khiển cục bộ LCU local control unit ; Khối điều khiển cục bộ OS operator station, trạm vận hành ES engineering station, Trạm kỹ thuật PS process station, trạm quá trình(xử lý) CPU Center Processing Unit; Bộ xử lý trung tâm DCS Distributed Control Systems; Hệ thống điều khiển phân tán COP Character Oriented Protocol; Giao thức truyền tin dạng ký tự BOP Bit (Binary) Oriented Protocol ; Giao thức truyền tin dạng Bít OSI Reference Model for Open Systems Interconnection Mô hình tham chiếu cho việc kết nối các hệ thống mở SCADA Supervisory Control and Data Acquisition Hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu RTU Remote Terminal Unit ; Là một thiết bị được điều khiển bằng bộ vi xử lý PLC Programmable Logic Controller là một thiết bị được điều khiển bằng chương trình (phần mềm) I/O (In put/Out put) ECC Error checking and correcting ; Kiểm tra lỗi và sửa lỗi DTE Data Terminal Equipement ; Thiết bị đầu cuối dữ liệu DCE Data Communication Equipement; Thiết bị đầu cuối viễn thông TCP/IP Transmission Control Protocol/ Internet Protocol Giao thức điều khiển/ Giao thức Internet CRC Cyclic Redundancy Check ; Phương pháp mã đa thức hay mã vòng SSC Spread Spectrum Communication - Thông tin trải phổ PR Pseudo Random - Giả ngẫu nhiên GPS Global Positioning Systeem - Hệ thống định vị toàn cầu (USA) GLONASS Глoбальная Нaвигационная Спутниковая Система – Hệ thống dẫn đường vệ tinh toàn cầu (Liên xô/Nga) CDMA Code Division Multiple Access ; đa truy nhập (đa người dùng) phân chia theo mã CSMA/CD Carrier sense Multiple Access with Collision Detect đa truy cập nhận biết sóng mang, phát hiện xung đột CSMA/CA Carrier sense Multiple Access with Collision Avoidance đa truy cập nhận biết sóng mang , tránh xung đột LAN Local Area Network – Mạng cụ bộ . Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn v Wireless LAN LAN không dây DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình Nội dung Trang Hình 1.1 Tổng quan hệ thống SCADA 4 Hình 1.2 Cấu hình cơ bản của một hệ điều khiển phân tán 6 Hình 1.3 Một số hình ảnh tủ điều khiển DCS 9 Hình 1.4 Các phương pháp bố trí trạm vận hành 10 Hình 1.5 Cấu hình tiêu biểu một hệ điều khiển phân tán hiện đại 12 Hình 1.6 Các thành phần chức năng chính của một PLC 15 Hình 2.1 Khả năng chống nhiễu giữa truyền tín hiệu đơn và tín hiệu vi sai 27 Hình 2.2 Phổ rời rạc của dãy bít số liệu. 31 Hình 2.3 Phổ liên tục của dãy giả ngẫu nhiên PN và PND 33 Hình 2.4 Ngẫu nhiên hóa số liệu 34 Hình 2.5 Các trường hợp trải phổ và nén phổ 34 Hình 2.6 Tạo kênh liên lạc bằng dãy giả ngẫu nhiên 35 Hình 2.7 Mô hình mạng Star 36 Hình 2.8 Mô hình mạng Ring 37 Hình 2-9 Cấu trúc mạng hình tuyến 38 Hình 2.10 Hình dạng cáp quang 38 Hình 2.11 Cổng nối tiếp 9 chân 42 Hình 2.12 Đường truyền cân bằng 46 Hình 2.13 Đường truyền không cân bằng 46 Hình 2.14 Sơ đồ giao thức Master/Slave 47 Hình 2.15 Kết nối WAN dùng mạng X25 48 Hình 2.16 Liên kết dữ liệu giữa DTE và DCE 52 Hình 2.17 Các cấu hình liên kết dữ liệu 53 Hình 2-18 Kiến trúc TCP/IP 68 Hình 2-19 Quá trình đóng/mở gói dữ liệu trong TCP/IP 70 Hình 2-20 Cấu trúc dữ liệu trong TCP/IP 71 Hình 2.21 Mô hình OSI 75 Hình 2.22 So sánh TCP/IP với mô hình OSI 78 Hình 3.1 Mô hình phân cấp chức năng công ty sản xuất công nghiệp 80 Hình 3.2 Phía trước bộ cảnh báo 92 Hình 3.3 Phía sau bộ cảnh báo 93 . Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn vi Hình 3.4 Đấu nối nguồn nuôi, tín hiệu vào DI, tín hiệu ra SCADA và cổng RS232 93 Hình 3.5 Đấu nối còi báo, nhấn nút TEST, RESET và ACK 94 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1 Phương pháp đa truy cập 40,41 Bảng 2.2 Cách đấu nối chuyển đổi cổng nối tiếp 9 chân sang 25 chân 43 Bảng 2.3 Giải thích các tín hiệu điều khiển lưu lượng 43 Bảng 2.4 Bảng quy chi ế u tính năng của các giao diện cơ bản trong hệ th ố ng mạng công nghiệp 72 Bảng 2.5 Bảng quy chiếu tính năng của các giao thức cơ bản trong hệ thống mạng công nghiệp. 73, 74 Bảng 3.1 So sánh mạng công nghiệp và các hệ thống mạng khác 79 . Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 1 MỞ ĐẦU Ngày nay với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ trong công nghiệp, hoạt động sản xuất đã được tự động hóa ở mức độ cao, ở đó sự tham gia rất hiệu quả của công nghệ thông tin. Các dây chuyền sản xuất công nghiệp được cấu thành từ nhiều phân hệ độc lập nhưng được tự động liên kết thống nhất với nhau trong sự kiểm soát chặt chẽ không chỉ ở qui trình công nghệ cụ thể mà còn ở trình độ quản lý từ tối ưu sản xuất đến tối ưu về công tác tiêu thụ (thị trường). Điều đó được thực hiện trên cơ sở kết nối tất cả cả các phân hệ trong dây chuyền sản xuất và tiêu thụ qua hệ thống mạng, được gọi là mạng công nghiệp. Về cơ bản mạng công nghiệp có cùng chức năng như các loại mạng nói chung khác. Tuy nhiên do đặc thù của sản xuất công nghiệp, các sự kiện xảy ra trên toàn bộ dây chuyền sản xuất hoàn toàn trong thời gian thực, đỏi hỏi độ tin cậy, xác thực, mở và thống nhất rất cao. Một lỗi kết nối có thể là bình thường ở một mạng văn phòng, nhưng có thể phải trả giá rất lớn về ở một mạng công công nghiệp. Lý do chọn đề tài: - Hiện nay công nghệ thông tin tham gia rất sâu vào các dây chuyền sản xuất công nghiệp. - Tại đó có sử dụng công nghệ mạng, - Tuy nhiên các giải pháp mạng trong sản xuất công nghiệp có đặc thù riêng, được phân chia thành nhiều lớp, tuân thủ các chuẩn quốc tế, đảm bảo dây chuyền sản xuất làm việc tin cậy, an toàn, đòi hỏi tính mở rất cao và thỏa mãn tính thời gian gian thực của các quá trình tự động hóa sản xuất. - Các dây chuyền sản xuất của hệ thống điều khiển tự động ngày nay được xây dựng dưới dạng các hệ thống điều khiển phân tán DCS. . Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 2 - Ở đó hệ thống được phân chia thành các phân hệ liên kết với nhau bởi công nghệ mạng theo các tiêu chuẩn khác nhau. - Việc trao đổi thông tin giữa các phân hệ được thông qua các giao diện, giao thức truyền tin. Xuất phát từ những lý do đó nên em chọn đề tài: ―Tìm hiểu về giao diện, giao thức các hệ thống mạng trong Công nghiệp‖ với sự hướng dẫn của Thầy giáo TS. Phí Mạnh Lợi Viện CNTT Việt Nam. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu. - Đối tượng nghiên cứu của đề tài là các giao diện, giao thức và các hệ thống mạng và khả năng áp dụng trong các ứng dụng công nghiệp. - Phạm vi nghiên cứu của đề tài là:  Các giao diện: RS232, RS485, Ethernet, ….  Các phương pháp nâng cao độ tin cậy kết nối  Các phương pháp truy cập  Các giao thức : MODBUS, IEC870-5-101, IEC870-5-103, IEC870-5- 104, ICCP, ELCOM90, TCP/IP,  Cấu hình các hệ thống SAS/DCS, SCADA, Hướng nghiên cứu của đề tài  Tìm hiểu về yêu cầu và cấu trúc cơ bản của một hệ thống điều khiển giám sát.  Tìm hiểu về các giao diện, các phương thức truyền tin  Tìm hiểu về các giao thức truyền tin áp dụng trong các hệ thống mạng trong công nghiệp.  Tìm hiểu các ưu, nhược điểm và đặc điểm của các hệ thống mạng trong công nghiệp . Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 3 . [...]... 1.2.2 Mt s giao thc chun ỏp dng trong h thng SCADA: Kt ni d liu trong h thng SCADA hin nay thng tuõn th mt s giao thc sau - Gia RTU vi vi dõy chuyn cụng ngh s dng giao thc IEC870-5-103 hoc giao thc ca nh sn xut - Gia SAS/DCS vi IED s dng giao thc MODBUS trờn RS485/RS232, - Gia GateWay ca SAS/DCS vi CC s dng giao thc IEC870-5-101 trờn RS232/Modem hoc giao thc IEC870-5-104 qua mng TCP/IP (giao din Ethernet)... gia ng dng mng v ng dng phõn tỏn Trong mt ng dng mng, cỏc chng trỡnh trờn mi trm tn ti hon ton c lp vi nhau v vic giao tip gia chỳng c thc hin qua c ch hin Web l mt ng dng mng tiờu biu Trong mt ng dng phõn tỏn, cỏc chng trỡnh trờn cỏc trm hp tỏc cht ch vi nhau thụng qua c ch giao tip ngm (implicit communication) cựng thc hin mt nhim v tng th ca h thng Chc nng iu khin trong mt h iu khin phõn tỏn c thc... client khụng cn thit cú giao tip trc tip Vai trũ ch ng trong giao tip thuc v client Kin trỳc bỡnh ng Cỏc trm cú vai trũ bỡnh ng, phi hp hot ng trc tip vi nhau khụng qua trung gian Kin trỳc t tr Cỏc trm cú vai trũ bỡnh ng, cú th hot ng tng i c lp nhng s phi hp hot ng to hiu qu cao nht Vớ d tiờu biu: Kin trỳc iu khin thụng minh cỏc h thng ốn tớn hiu giao thụng 1.7 ng b húa trong x lý phõn tỏn 1.7.1... hnh a nhim v cỏc ng dng thi gian thc v cỏc card giao din bus trng v card giao din bus h thng Trong gii phỏp iu khin dựng mỏy tớnh cỏ nhõn thỡ mt vn thng rt c quan tõm l tin cy ca mỏy tớnh Tuy nhiờn, i vi cỏc ng dng cú yờu cu cao v tớnh sn sng, tin cy ca h thng, ta cn cú mt gii phỏp d phũng thớch hp Gii phỏp n gin v tit kim nht l d phũng lnh, cú ngha l trong trng hp cú s c ti mỏy tớnh iu khin xy ra... xuyờn sut trong vic xõy dng ng dng v trao i d liu gia cỏc trm - Tớnh nng thi gian thc (real-time): Tớnh nng ca mt h thng luụn sn sng phn ng vi cỏc s kin bờn ngoi v a ra ỏp ng mt cỏch ỳng n v kp thi Vi kin trỳc x lý phõn tỏn, vic ỏp ng tớnh nng thi gian thc c ci thin bi kh nng x lý thụng tin ti ch Song cng nhiu vn c t ra trong vic giao tip gia cỏc thnh phn (real-time interprocess communication), trong. .. hnh m trong ú cỏc chng trỡnh phi c chy ln lt, cũn h iu hnh a nhim thỡ ngc li, hin nay trong cụng nghip ngi ta dựng h iu hnh a nhim Cỏc trm iu khin trong mt h iu khin phõn tỏn bao gi cng hot ng da trờn nn mt h iu hnh thi gian thc H iu hnh a nhim v cỏc ng dng thi gian thc l mt h iu hnh h tr cỏc chng trỡnh ng dng x lý thi gian thc H tr x lý cnh trnh hoc/v x lý song song Lp lch, ng b húa quỏ trỡnh v giao. .. v chun húa thit b, c bit l v cỏc giao din v giao thc b Do c tri ra trờn khụng gian a lý rng ln nờn cn nhiu dch v vin thụng kt ni cỏc phõn h ca h thng SCADA ICCP/ELCOM90 CC (Center) IEC 870-5-101/104 CC (Center) IEC 870-5-101/104 IEC 61850 RTU, PLC 870-5-103/MODBUS SAS/DCS IEC 870-5-103/MODBUS Hỡnh 1.1 Tng quan h thng SCADA 1.1 Chc nng v mt s giao thc chun ỏp dng trong h thng SCADA: 1.2.1 Chc nng... liu i hc Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn 8 Trong cỏc h thng iu khin quỏ trỡnh, mt trm iu khin cc b cng thng c ci t giao din HART v cỏc module ghộp ni ph kin khỏc Cỏc thit b ny c lp t trong t iu khin cựng vi cỏc linh kin h tr khỏc nh hng kp u dõy, cỏc b chuyn i tớn hiu (transducers), cỏc khi u cui (terminal blocka), Cỏc t iu khin thng c t trong phũng iu khin/phũng in bờn cnh phũng iu khin... gi nhp ng b i kốm d liu - Mt khung tin d b bao gm nhiu byte, giao thc truyn qui nh quy nh s byte ny Phỏt hin li trong 1 byte: - 1 byte d b b coi l li khi cỏc bit Start, stop khụng ỳng nh nh ngha v sai bit chn/l (0 1 hoc 1 0) - 1 frame d b b coi l li khi: + Cú byte trong khung b li + Sai di khung + Sai FCS + Dón cỏch quỏ ln gia cỏc byte trong khung (quóng ngh Tidle) 2.1.2 Truyn tin ni tip ng b Dng... chớnh bao gm: - B cung cp ngun, thụng thng cú d phũng - Khi x lý trung tõm (CPU), cú th la chn loi cú d phũng - Giao din vi bus h thng, thụng thng cng cú d phũng - Giao din vi bus trng nu s dng cu trỳc vo/ra phõn tỏn - Cỏc module vo/ra s cng nh tng t, c bit l cỏc module vo/ra an ton chỏy n Trong cu trỳc vo/ra tp trung, cỏc module vo/ra c ni vi CPU thụng qua bus ni b ng sau giỏ (backplane-bus) Chớnh . các giao diện cơ bản trong hệ th ố ng mạng công nghiệp 72 Bảng 2.5 Bảng quy chiếu tính năng của các giao thức cơ bản trong hệ thống mạng công nghiệp. 73, 74 Bảng 3.1 So sánh mạng công nghiệp. bản của một hệ thống điều khiển giám sát.  Tìm hiểu về các giao diện, các phương thức truyền tin  Tìm hiểu về các giao thức truyền tin áp dụng trong các hệ thống mạng trong công nghiệp. . dụng trong hệ thống SCADA: Kết nối dữ liệu trong hệ thống SCADA hiện nay thường tuân thủ một số giao thức sau - Giữa RTU với với dây chuyền công nghệ sử dụng giao thức IEC870-5-103 hoặc giao thức