TÀI LIỆU MẠNG TRUYỀN THÔNG CÔNG NGHIỆP

Chương 1: MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 1 1.1. Mạng truyền thông công nghiệp là gì? ............................................................................ 1 1.2 Phân loại và đặc trưng các hệ thống mạng công nghiệp .................................................. 2 Chương 2: CƠ SỞ KỸ THUẬT .................................................................................................... 6 2.1 Các khái niệm cơ bản ....................................................................................................... 6 2.1.1 Thông tin, dữ liệu và tín hiệu .................................................................................... 6 2.1.2 Truyền thông, truyền dữ liệu và truyền tín hiệu ........................................................ 7 2.2.2 Truyền đồng bộ và truyền không đồng bộ............................................................... 11 2.2.3 Truyền một chiều và truyền hai chiều ..................................................................... 11 2.2.4 Truyền tải dải cơ sở, dải mang và dải rộng ............................................................. 12 2.1.3 Tính năng thời gian thực.......................................................................................... 13 2.2 Chế độ truyền tải ............................................................................................................ 14 2.2.1 Truyền bit song song và truyền bit nối tiếp............................................................. 14 2.3 Cấu trúc mạngTopology................................................................................................ 16 2.3.1 Cấu trúc bus ............................................................................................................. 17 2.3.2 Cấu trúc mạch vòng (tích cực) ................................................................................ 18 2.3.3 Cấu trúc hình sao ..................................................................................................... 20 2.3.4 Cấu trúc cây ............................................................................................................. 21 2.4 Kiến trúc giao thúc ......................................................................................................... 21 2.4.1. Dịch vụ truyền thông .............................................................................................. 22 2.4.2 Giao thức ................................................................................................................. 23 2.4.3 Mô hình lớp ............................................................................................................. 25 2.4.4 Kiến trúc giao thức OSI........................................................................................... 27 2.4.5 Kiến trúc giao thức TCPIP ..................................................................................... 33 2.5 Truy nhập bus ................................................................................................................. 36 2.5.1 Đặt vấn đề ................................................................................................................ 36 2.5.2 Chủtớ (Masterslaver)............................................................................................. 38 2.5.3 TDMA ..................................................................................................................... 40 2.5.4 Token Passing.......................................................................................................... 41 2.5.5 CSMACD ............................................................................................................... 43 2.5.6 CSMACA ............................................................................................................... 44 2.6 Bảo toàn dữ liệu.............................................................................................................. 46 2.6.1 Đặt vấn đề ................................................................................................................ 46 2.6.2 Bit chẵn lẻ (Parìty bit) ............................................................................................. 49 2.6.3 Bit chẵn lẻ hai chiều ................................................................................................ 49 2.6.4 CRC ......................................................................................................................... 51 2.6.5 Nhồi bit (Bit Stuffing) ............................................................................................. 53 2.7 Mã hóa bit....................................................................................................................... 53 2.7.1 Các tiêu chuẩn trong mã hóa bit .............................................................................. 54 2.7.2 NRZ, RZ .................................................................................................................. 55 2.7.3 Mã Manchester ........................................................................................................ 56 2.7.4 AFP.......................................................................................................................... 56 2.7.5 FSK.......................................................................................................................... 57 2.8 Chuẩn truyền tin ............................................................................................................. 57 2.8. Phương thức truyền dẫn tín hiệu ................................................................................... 58 2.8.3 RS232 ..................................................................................................................... 61 2.8.3 S422........................................................................................................................ 64 2.8.4 RS485 ..................................................................................................................... 65 2.8.5 MBP (IEC 1158 2) ................................................................................................. 70 2.9 Môi trường truyền dẫn.................................................................................................... 72 2.9.1 Đôi dây xoắn............................................................................................................ 73 2.9.2 Cáp đồng trục .......................................................................................................... 75 2.9.3 Cáp quang ................................................................................................................ 76 2.9.4 Vô tuyến .................................................................................................................. 78 2.10 Thiết bị liên kết mạng................................................................................................... 78 2.10.1 Bộ lặp..................................................................................................................... 79 2.10.2 Cầu nối................................................................................................................... 80 2.10.3 Router .................................................................................................................... 80 2.10.4 Gateway ................................................................................................................. 81 Chương 3: CÁC HỆ THỐNG BUS TIÊU BIỂU ........................................................................ 83 3.1 PROFIBUS ..................................................................................................................... 83 3.1.1 Kiến thức giao thức ................................................................................................. 83 3.1.2 Cấu trúc mạng và kỹ thuật truyền dẫn..................................................................... 84 3.1.3 Truy nhập bus .......................................................................................................... 86 3.1.4 Dịch vụ truyền dữ liệu ............................................................................................. 87 3.1.5 Cấu trúc bức điện..................................................................................................... 89 3.1.6 PROFIB USFMS.................................................................................................... 91 3.1.7 PROFIB USDP....................................................................................................... 97 3.1.8 PROFIBUS PA.................................................................................................... 102 3.2 CAN.............................................................................................................................. 104 3.2.1 Kiến trúc giao thức ................................................................................................ 104 3.2.2 Cấu trúc mạng và kỹ thuật truyền dẫn................................................................... 105 3.2.3 Cơ chế giao tiếp..................................................................................................... 106 3.2.4 Cấu trúc bức điện................................................................................................... 106 3.2.5 truy nhập bus ......................................................................................................... 109 3.2.6 Bảo toàn dữ liệu..................................................................................................... 110 3.2.7 Mã hoá bit.............................................................................................................. 111 3.2.8 Các hệ thống tiêu biểu dựa trên CAN.................................................................... 111 3.3 DeviceNet ..................................................................................................................... 113 3.3.1 Cơ chế giao tiếp..................................................................................................... 113 3.3.2 Mô hình đối tượng ................................................................................................. 114 3.3.3 Mô hình địa chỉ...................................................................................................... 115 3.3.4 Cấu trúc bức điện................................................................................................... 116 3.3.5 Dịch vụ thông báo ................................................................................................. 116 3.4 Modbus ......................................................................................................................... 119 3.4.1 Cơ chế giao tiếp..................................................................................................... 120 3.4.2 Chế độ truyền ........................................................................................................ 121 3.4.3 Cấu trúc bức điện................................................................................................... 122 3.4.4 Bảo toàn dữ liệu..................................................................................................... 125 3.4.5 Modbus Plus .......................................................................................................... 126 3.5 Interbus ......................................................................................................................... 128 3.5.1 Kiến trúc giao thức ................................................................................................ 128 3.5.2 Cấu trúc mạng và kỹ thuật truyền dẫn:.................................................................. 129 3.5.3 Cơ chế giao tiếp:.................................................................................................... 131 3.5.4 Cấu trúc bức điện................................................................................................... 132 3.5.5 Dịch vụ giao tiếp: .................................................................................................. 134 3.6 AS i............................................................................................................................. 135 3.6.1 Kiến trúc giao thức ................................................................................................ 136 3.6.2 Cấu trúc mạng và cáp truyền: ................................................................................ 136 3.6.3 Cơ chế giao tiếp..................................................................................................... 137 3.6.4 Cấu trúc bức điện................................................................................................... 138 3.6.5 Mã hoá bit.............................................................................................................. 139 3.6.6 Bảo toàn dữ liệu:.................................................................................................... 141 3.7 Foundation Fieldbus ..................................................................................................... 141 3.7.1. Kiến thức giao thức: ............................................................................................. 142 3.7.2 Cấu trúc mạng và kỹ thuật truyền dẫn:.................................................................. 142 3.7.3 Cơ chế giao tiếp:.................................................................................................... 144 3.7.4 Cấu trúc bức điện:.................................................................................................. 145 3.7.5 Dịch vụ giao tiếp ................................................................................................... 146 3.7.6 Khối chức năng ứng dụng: .................................................................................... 148 3.8 Ethernet......................................................................................................................... 149 3.8.1 Kiến trúc giao thức: ............................................................................................... 150 3.8.2 Cấu trúc mạng và kỹ thuật truyền dẫn:.................................................................. 150 3.8.3 Cơ chế giao tiếp:.................................................................................................... 153 3.8.4 Cấu trúc bức điện:.................................................................................................. 153 3.8.5 Truy nhập bus: ....................................................................................................... 154 3.8.6 Hiệu suất đường truyền và tính năng thời gian thực: ............................................ 155 3.8.7 Mạng LAN 802.3 chuyển mạch: ........................................................................... 156 3.8.8 Fast Ethernet:......................................................................................................... 157 3.8.9 High speed Ethernet: ............................................................................................. 158 3.8.10 Industrial Ethernet: .............................................................................................. 160 Chương IV: CÁC THÀNH PHẦN HỆ THỐNG MẠNG ......................................................... 161 4.1 Phần cứng ..................................................................................................................... 161 4.1.1 Cấu trúc chung các phần cứng giao diện mạng:.................................................... 161 4.1.2 Ghép nối PLC: ....................................................................................................... 163 4.1.3 Ghép nối PC: ......................................................................................................... 164 4.1.4 Ghép nối vàora phân tán....................................................................................... 166 4.1.5 Ghép nối các thiết bị trường: ................................................................................. 166 Chương 5: MỘT SỐ VẤN ĐỀ TRONG TÍCH HỢP HỆ THỐNG........................................... 167 5.1 Thiết kế hệ thống mạng ................................................................................................ 167 5.1.1 Phân tích yêu cầu:.................................................................................................. 167 5.1.2 Các bước tiến hành: ............................................................................................... 168 5.2. Đánh giá và lựa chọn giải pháp mạng ......................................................................... 169 5.2.1. Đặc thù của cấp ứng dụng: ................................................................................... 169 5.2.2. Đặc thù của lĩnh vực ứng dụng:............................................................................ 170 5.2.3. Yêu cầu thiết kế chi tiết: ....................................................................................... 172 5.2.4. Yêu cầu kinh tế:.................................................................................................... 173 5.3. Một số chuẩn phần mềm tích hợp hệ thống................................................................. 173 5.3.1. Chuẩn IEC 611315:............................................................................................. 173 5.3.2. OPC (OLE for Process Control)........................................................................... 176

PHO TO NGÂN SƠN CỔNG PHỤ ĐH CÔNG NGHIỆP HÀ NÔI MẠNG TRUYỀN THÔNG CÔNG NGHIỆP Chương 1: MỞ ĐẦU 1.1 Mạng truyền thông công nghiệp gì? 1.2 Phân loại đặc trưng hệ thống mạng công nghiệp Chương 2: CƠ SỞ KỸ THUẬT 2.1 Các khái niệm 2.1.1 Thông tin, liệu tín hiệu 2.1.2 Truyền thông, truyền liệu truyền tín hiệu 2.2.2 Truyền đồng truyền không đồng 11 2.2.3 Truyền chiều truyền hai chiều 11 2.2.4 Truyền tải dải sở, dải mang dải rộng 12 2.1.3 Tính thời gian thực 13 2.2 Chế độ truyền tải 14 2.2.1 Truyền bit song song truyền bit nối tiếp 14 2.3 Cấu trúc mạng-Topology 16 2.3.1 Cấu trúc bus 17 2.3.2 Cấu trúc mạch vòng (tích cực) 18 2.3.3 Cấu trúc hình 20 2.3.4 Cấu trúc 21 2.4 Kiến trúc giao thúc 21 2.4.1 Dịch vụ truyền thông 22 2.4.2 Giao thức 23 2.4.3 Mô hình lớp 25 2.4.4 Kiến trúc giao thức OSI 27 2.4.5 Kiến trúc giao thức TCP/IP 33 2.5 Truy nhập bus 36 2.5.1 Đặt vấn đề 36 2.5.2 Chủ/tớ (Master/slaver) 38 2.5.3 TDMA 40 2.5.4 Token Passing 41 2.5.5 CSMA/CD 43 2.5.6 CSMA/CA 44 2.6 Bảo toàn liệu 46 2.6.1 Đặt vấn đề 46 2.6.2 Bit chẵn lẻ (Parìty bit) 49 2.6.3 Bit chẵn lẻ hai chiều 49 2.6.4 CRC 51 2.6.5 Nhồi bit (Bit Stuffing) 53 2.7 Mã hóa bit 53 2.7.1 Các tiêu chuẩn mã hóa bit 54 2.7.2 NRZ, RZ 55 2.7.3 Mã Manchester 56 2.7.4 AFP 56 2.7.5 FSK 57 2.8 Chuẩn truyền tin 57 2.8 Phương thức truyền dẫn tín hiệu 58 2.8.3 RS-232 61 2.8.3 S-422 64 2.8.4 RS-485 65 2.8.5 MBP (IEC 1158- 2) 70 2.9 Môi trường truyền dẫn 72 2.9.1 Đôi dây xoắn 73 2.9.2 Cáp đồng trục 75 2.9.3 Cáp quang 76 2.9.4 Vô tuyến 78 2.10 Thiết bị liên kết mạng 78 2.10.1 Bộ lặp 79 2.10.2 Cầu nối 80 2.10.3 Router 80 2.10.4 Gateway 81 Chương 3: CÁC HỆ THỐNG BUS TIÊU BIỂU 83 3.1 PROFIBUS 83 3.1.1 Kiến thức giao thức 83 3.1.2 Cấu trúc mạng kỹ thuật truyền dẫn 84 3.1.3 Truy nhập bus 86 3.1.4 Dịch vụ truyền liệu 87 3.1.5 Cấu trúc điện 89 3.1.6 PROFIB US-FMS 91 3.1.7 PROFIB US-DP 97 3.1.8 PROFIBUS - PA 102 3.2 CAN 104 3.2.1 Kiến trúc giao thức 104 3.2.2 Cấu trúc mạng kỹ thuật truyền dẫn 105 3.2.3 Cơ chế giao tiếp 106 3.2.4 Cấu trúc điện 106 3.2.5 truy nhập bus 109 3.2.6 Bảo toàn liệu 110 3.2.7 Mã hoá bit 111 3.2.8 Các hệ thống tiêu biểu dựa CAN 111 3.3 DeviceNet 113 3.3.1 Cơ chế giao tiếp 113 3.3.2 Mô hình đối tượng 114 3.3.3 Mô hình địa 115 3.3.4 Cấu trúc điện 116 3.3.5 Dịch vụ thông báo 116 3.4 Modbus 119 3.4.1 Cơ chế giao tiếp 120 3.4.2 Chế độ truyền 121 3.4.3 Cấu trúc điện 122 3.4.4 Bảo toàn liệu 125 3.4.5 Modbus Plus 126 3.5 Interbus 128 3.5.1 Kiến trúc giao thức 128 3.5.2 Cấu trúc mạng kỹ thuật truyền dẫn: 129 3.5.3 Cơ chế giao tiếp: 131 3.5.4 Cấu trúc điện 132 3.5.5 Dịch vụ giao tiếp: 134 3.6 AS - i 135 3.6.1 Kiến trúc giao thức 136 3.6.2 Cấu trúc mạng cáp truyền: 136 3.6.3 Cơ chế giao tiếp 137 3.6.4 Cấu trúc điện 138 3.6.5 Mã hoá bit 139 3.6.6 Bảo toàn liệu: 141 3.7 Foundation Fieldbus 141 3.7.1 Kiến thức giao thức: 142 3.7.2 Cấu trúc mạng kỹ thuật truyền dẫn: 142 3.7.3 Cơ chế giao tiếp: 144 3.7.4 Cấu trúc điện: 145 3.7.5 Dịch vụ giao tiếp 146 3.7.6 Khối chức ứng dụng: 148 3.8 Ethernet 149 3.8.1 Kiến trúc giao thức: 150 3.8.2 Cấu trúc mạng kỹ thuật truyền dẫn: 150 3.8.3 Cơ chế giao tiếp: 153 3.8.4 Cấu trúc điện: 153 3.8.5 Truy nhập bus: 154 3.8.6 Hiệu suất đường truyền tính thời gian thực: 155 3.8.7 Mạng LAN 802.3 chuyển mạch: 156 3.8.8 Fast Ethernet: 157 3.8.9 High speed Ethernet: 158 3.8.10 Industrial Ethernet: 160 Chương IV: CÁC THÀNH PHẦN HỆ THỐNG MẠNG 161 4.1 Phần cứng 161 4.1.1 Cấu trúc chung phần cứng giao diện mạng: 161 4.1.2 Ghép nối PLC: 163 4.1.3 Ghép nối PC: 164 4.1.4 Ghép nối vào/ra phân tán 166 4.1.5 Ghép nối thiết bị trường: 166 Chương 5: MỘT SỐ VẤN ĐỀ TRONG TÍCH HỢP HỆ THỐNG 167 5.1 Thiết kế hệ thống mạng 167 5.1.1 Phân tích yêu cầu: 167 5.1.2 Các bước tiến hành: 168 5.2 Đánh giá lựa chọn giải pháp mạng 169 5.2.1 Đặc thù cấp ứng dụng: 169 5.2.2 Đặc thù lĩnh vực ứng dụng: 170 5.2.3 Yêu cầu thiết kế chi tiết: 172 5.2.4 Yêu cầu kinh tế: 173 5.3 Một số chuẩn phần mềm tích hợp hệ thống 173 5.3.1 Chuẩn IEC 61131-5: 173 5.3.2 OPC (OLE for Process Control) 176 Chương 1: MỞ ĐẦU 1.1 Mạng truyền thông công nghiệp gì? Ngày với phát triển mạnh mẽ ngành công nghiệp, đòi hỏi phải có cải tiến áp dụng công nghệ vào trình sản xuất nhằm nâng cao hiệu sản xuất Một giải pháp tốt nhất, áp dụng quy trình tự động hóa vào sản xuất Các dây chuyền sản xuất hoạt động độc lập mà cần phải có liên kết với tạo nên mô hình thống Sự kết nối thiết bị công nghiệp với tạo thành hệ thống mạng gọi mạng công nghiệp Mạng công nghiệp hay mạng truyền thông công nghiệp khái niệm hệ thống mạng truyền thông số, truyền bit nối tiếp, sử dụng để ghép nối thiết bị công nghiệp Để phân biệt rõ mạng công nghiệp hệ thống mạng khác ta đưa bảng so sánh sau Bảng 1.1 So sánh mạng công nghiệp hệ thống mạng khác Mạng công nghiệp - Phạm vi địa địa lý hẹp - Đối tượng thiết bị công nghiệp - Dạng thông tin số liệu - Kỹ thuật truyền liệu theo chế độ bit nối tiếp - Đơn giản Các hệ thống mạng viễn thông - Phạm vi địa lý rộng, số lượng thành viên tham gia lớn - Đối tượng người thiết bị người chủ yếu - Dạng thông tin bao gồm tiếng nói, hình ảnh, văn - Công nghệ phong phú Từ ta kết luận mạng công nghiệp thực chất dạng đặc biệt mạng máy tính, so sánh với mạng máy tính thông thường điểm giống khác sau: Kỹ thuật truyền thông số hay truyền liệu đặc trưng chung hai hệ thống mạng Trong nhiều trường hợp, mạng máy tính sử dụng công nghiệp coi phần mô hình phân cấp mạng công nghiệp Yêu cầu tính thời gian thực, độ tin cậy khả tương thích môi trường công nghiệp mạng công nghiệp cao so với mạng máy tính thông thường, mạng máy tính thường đòi hỏi chế độ bảo mật cao Mạng máy tính có phạm vi trải rộng khác nhau, nhỏ mạng LAN cho nhóm máy tính lớn mạng Internet Mạng máy tính sử dụng gián tiếp mạng truyền thông để truyền liệu mạng công nghiệp thường có tính chất độc lập, phạm vi hoạt động tương đối hẹp Sự khác phạm vi mục đích sử dụng hệ thống mạng truyền thông công nghiệp với hệ thống mạng viễn thông mạng máy tính dẫn đến khác yêu cầu kỹ thuật kinh tế Ví dụ: Do yêu cầu kết nối nhiều mạng máy tính khác cho nhiều phạm vi ứng dụng khác nên kiến trúc, giao thức mạng máy tính phổ thông thường phức tạp so với kiến trúc giao thức mạng công nghiệp Đối với hệ thống truyền thông công nghiệp, đặc biệt cấp yêu cầu tính thời gian thực, khả thực đơn giản, giá thành hạ đặt lên hàng đầu 1.2 Phân loại đặc trưng hệ thống mạng công nghiệp Để xếp phân loại phân tích đặc trưng hệ thống mạng công nghiệp, ta dựa vào mô hình phân cấp cho công ty, xí nghiệp sản xuất Với mô hình chức phân thành nhiều cấp khác mô tả hình vẽ sau: Hình 1.1 Mô hình phân cấp chức công ty sản xuất công nghiệp Càng cấp chức mang tính chất đòi hỏi yêu cầu cao độ nhanh nhậy, thời gian phản ứng Một chức cấp thực dựa chức cấp dưới, không đòi hỏi thời gian phản ứng nhanh cấp dưới, ngược lại lượng thông tin cần trao đổi xử lý lại lớn nhiều Có thể coi mô hình phân cấp chức cho hệ thống tự động hóa nói chung cho hệ thống truyền thông nói riêng công ty Tương ứng với năm cấp chức bốn cấp hệ thống truyền thông Từ cấp điều khiển giám sát trở xuống thuật ngữ "bus" thường dùng thay cho "mạng" với lý phần lớn hệ thống mạng phía có cấu trúc vật lý logic theo kiểu bus Mô hình phân cấp chức tiện lợi cho việc thiết kế hệ thống lựa chọn thiết bị Trong thực tế ứng dụng, phân cấp chức khác chút so với trình bày, tùy thuộc vào mức độ tự động hóa cấu trúc hệ thống cụ thể Trong trường hợp ứng dụng đơn giản điều khiển trang thiết bị dân dụng (máy giặt, tủ lạnh, điều hòa ), phân chia nhiều cấp hoàn toàn không cần thiết Ngược lại tự động hóa nhà máy đại điện nguyên tử, xi măng, lọc dầu, ta chia nhỏ cấp chức để tiện theo dõi Bus trường, bus thiết bị Bus trường (feldbus) khái niệm chung dùng ngành công nghiệp chế biến để hệ thống bus nối tiếp, sử dụng kỹ thuật truyền tin số để kết nối thiết bị thuộc cấp điều khiển (PC, PLC) với với thiết bị cấp chấp hành, hay thiết bị trường Các chức cấp chấp hành đo lường, truyền động chuyển đổi tín hiệu trường hợp cần thiết Các thiết bị có khả nối mạng vào/ra phân tán (distributed I/O) thiết bị đo lường (senser, tranducer, transmitter) cấp chấp hành (actuator, value) có tích hợp khả xử lý truyền thông Một số kiểu bus trường thích hợp nối mạng thiết bị cảm biến cấu chấp hành với điều khiển, gọi bus chấp hành/cảm biến Trong công nghiệp chế tạo (tự động hóa dây chuyền sản xuất, gia công, lắp ráp) số lĩnh vực ứng dụng khác tự động hóa tòa nhà, sản xuất xe hơi, khái niệm bus thiết bị lại sử dụng phổ biến Có thể nói, bus thiết bị bus trường có chức tương đương, đặc trưng riêng biệt hai ngành công nghiệp, nên số tính khác Tuy nhiên, khác ngày trở nên không rõ rệt, mà phạm vi ứng dụng hai loại mở rộng đan chéo sang Trong thực tế, người ta dùng chung khái niệm bus trường Do nhiệm vụ bus trường chuyển dữ, liệu lên cấp điều khiển để xử lý chuyển định điều khiển xuống cấu chấp hành, yêu cầu tính thời gian thực đặt lên hàng đầu Thời gian phản ứng tiêu biểu nằm phạm vi từ 0,1 tới vài miligiây Trong đó, yêu cầu lượng thông tin điện thường hạn chế khoảng vài byte, tốc độ truyền thông thường cần phạm vi Mbit/s thấp Việc trao đổi thông tin biến trình chủ yếu mạng tính chất định kỳ, tuần hoàn, bên cạnh thông tin tham số hóa cảnh báo có tính chất bất thường Các hệ thống bus trường sử dựng rộng rãi PROFIBUS, ControlNet, INTERBUS, CAN, WordFIP, P-NET, Modbus gần phải kể tới Foundation Fielfbus, DeviceNet, As-i, EIB Bitbus vài hệ thống bus cảm biến/chấp hành tiêu biểu nêu Bus hệ thống, bus điều khiển Các hệ thống mạng công nghiệp dùng để kết nối máy tính điều khiển máy tính cấp điều khiển giám sát với gọi bus hệ thống (system bus) hay bus trình (process bus) Khái niệm sau thường dùng lĩnh vực điều khiển trình Qua bus hệ thống mà máy tính điều khiển phối hợp hoạt động, cung cấp liệu trình cho trạm kỹ thuật trạm quan sát (có thể gián tiếp thông qua hệ thống quản lý sở liệu trạm chủ) nhận mệnh lệnh, tham số điều khiển từ trạm phía Thông tin trao đổi theo chiều dọc, mà theo chiều ngang Các trạm kỹ thuật, trạm vận hành trạm chủ trao đổi liệu qua bus hệ thống Ngoài máy in báo cáo lưu trữ liệu kết nối qua mạng Chú ý phân biệt khái niệm bus trường bus hệ thống không bắt buộc nằm khác kiểu bus sử dụng, mà mục đích sử dụng hay nói cách khác thiết bị ghép nối Trong số giải pháp, kiểu bus dùng cho hai cấp Đối với bus hệ thống, tùy theo lĩnh vực ứng dụng mà đòi hỏi tính thời gian thực có đặt cách ngặt nghèo hay không Thời gian phản ứng tiêu biểu nằm khoảng vài trăm miligiây, lưu lượng thông tin cần trao đổi lớn nhiều so với bus trường Tốc độ truyền thông tiêu biểu bus hệ thống nằm phạm vi từ vài trăm Kbit/s đến vài Mbit/s Khi bus hệ thống sử dụng để ghép nối theo chiều ngang máy tính điều khiển, người ta dùng khái niệm bus điều khiển Vai trò bus điều khiển phục vụ trao đổi liệu thời gian thực trạm điều khiển hệ thống có cấu trúc phân tán Bus điều khiển thông thường có tốc độ truyền không cao, yêu cầu tính thời gian thực thường khắt khe Do yêu cầu tốc độ truyền thông khả kết nối dễ dàng nhiều loại máy tính, hầu hết bus hệ thống thông dụng dựa Ethernet, ví dụ Industrial Ethernet, Fieldbus Foundation's High Speed Ethernet (HSE), Ethernet/IP, bên cạnh phải kể đến PROFIBUS- FMS, ControlNet Modbus Plus Mạng xí nghiệp Mạng xí nghiệp thực chất mạng LAN bình thường có chức kết nối máy tính văn phòng thuộc cấp điều hành sản xuất với cấp điều khiển giám sát Thông tin đưa lên bao gồm trạng thái làm việc trình kỹ thuật, giàn máy hệ thống điều khiển tự động, số liệu tính toán, thống kê diễn biến trình sản xuất chất lượng sản phẩm Thông tin theo chiều ngược lại thông số thiết kế, công thức điều khiển mệnh lệnh điều khiển Ngoài thông tin trao đổi mạnh theo chiều ngang máy tính thuộc cấp điều hành sản xuất, ví dụ hỗ trợ kiểu làm việc theo nhóm, cộng tác dự án, sử dụng chung tài nguyên nối mạng (máy in, máy chủ ) Khác với hệ thống bus cấp dưới, mạng xí nghiệp không yêu cầu nghiêm ngặt tính thời gian thực Việc trao đổi liệu không diễn định kỳ, có với số lượng lớn đến hàng Mbyte Hai loại mạng dùng phổ biến cho mục đích Ethernet Token-Ring Trên sở giao thức chuẩn TCP/IP IPX/SPX Mạng công ty Mạng công ty nằm mô hình phân cấp hệ thống truyền thông công ty sản xuất công nghiệp Đặc trưng mạng công ty gần với mạng viễn thông mạng máy tính diện rộng nhiều phương diện phạm vi hình thức dịch vụ, phương pháp truyền thông hình thức dịch vụ, phương pháp truyền thông yêu cầu kỹ thuật Chức mạng công ty kết nối máy tính văn phòng xí nghiệp, cung cấp dịch vụ trao đổi thông tin nội với khách hàng thư viện điện tử, thư điện tử, hội thảo từ xa qua điện thoại, hình ảnh, cung cấp dịch vụ truy cập Internet thương mại điện tử… Hình thức tổ chức ghép nối mạng công nghệ áp dụng đa dạng tùy thuộc vào đầu tư công ty Trong nhiều trường hợp, mạng công ty mạng xí nghiệp thực hệ thống mạng mặt vật lý, chia thành nhiều phạm vi nhóm mạng làm việc riêng biệt Mạng công ty có vai trò đường cao tốc hệ thống hạ tầng sở truyền thông công ty, đòi hỏi tốc độ truyền thông độ an toàn, tin cậy đặc biệt cao, Fast Ethernet, FDDI, ATM vài ví dụ công nghệ tiên tiến áp dụng tương lai Chương 2: CƠ SỞ KỸ THUẬT 2.1 Các khái niệm 2.1.1 Thông tin, liệu tín hiệu Thông tin: Thông tin khái niệm trừu tượng, phản ánh thực khách quan, cho hiểu biết, nhận thức giới khách quan Thông tin khái niệm quan trọng khoa học kỹ thuật, giống vật chất lượng Các đầu vào đầu hệ thống kỹ thuật vật chất, lượng thông tin Một hệ thống xử lý thông tin hệ thống truyền thông, hệ thống kỹ thuật quan tâm tới đầu vào đầu thông tin Tuy nhiên đa số hệ thống kỹ thuật thường có đầu vào đầu hỗn hợp (vật chất, lượng thông tin) Thông tin sở cho giao tiếp.Thông qua việc giao tiếp đối tác có thêm hiểu biết lẫn vấn đề, kiện hệ thống Dữ liệu Thông tin đại lượng trừu tượng, cần biểu diễn hình thức khác Khả biểu diễn thông tin đa dạng Dạng biểu diễn thông tin phụ thuộc vào mục đích, tính chất ứng dụng Đặc biệt, thông tin đọc mô tả, hay nói cách khác "số lượng hóa" liệu để lưu trữ xử lý máy tính Trong trường hợp ta nói thông tin số hóa sử dụng hệ đếm nhị phân Khi liệu phần thông tin hữu ích biểu diễn dãy bit {0,1} Trong thực tế, khái niệm xử lý thông tin xử lý liệu, truyền tải thông tin truyền tải liệu hay dùng với ý nghĩa tương tự, ta cần phân biệt rõ ràng thông tin liệu Ví dụ, hai tập liệu khác mô tả nội dung thông tin Ngược lại, hai tập liệu giống mang thông tin khác nhau, tùy theo cách mô tả Ta so sánh quan hệ liệu thông tin với quan hệ toán học, số ý nghĩa sử dụng Theo nghĩa thứ hai, liệu hiểu phần biểu diễn thông tin hữu dụng (thông tin nguồn) điện Tuy nhiên, vào ngữ cảnh cụ thể mà ta không sợ nhầm lẫn hai cách sử dụng thuật ngữ Lượng thông tin Thông tin xóa bỏ tính bất định, ví dụ khẳng định kiện có xảy hay không, câu trả lời hay sai Mức độ xóa bỏ tính bất định này-hay nói cách khác, giá trị hiểu biết nguồn thông tin mang lại-được gọi lượng thông tin Chính liệu dạng biểu diễn thông tin xử lý máy tính, nên lượng thông tin đo đơn vị liệu (bus song song) để giao tiếp với module vào/ra cho thiết bị ngoại vi máy in, bàn phím, hình, bên cạnh số module tích hợp sẵn bảng mạch chính, máy tính cá nhân có số khe cắm cho module vào/ra khác hỗ trợ việc mở rộng hệ thống Một Card giao diện mạng cho PC lắp vào khe cắm, thông thường theo chuẩn ISA, PCI Compact-PCI Trên Card giao diện mạng cho PC thường có vi xử lý đảm nhiệm chức xử lý giao thức Tuy nhiên, tùy theo trường hợp cụ thể mà toàn hay phần chức thuộc lớp (lớp ứng dụng) vi xử lý Card thực hiện, phần lại thuộc trách nhiệm chương trình ứng dụng, thông qua CPU máy tính Sử dụng Card giao diện, máy tính cá nhân (công nghiệp) đặt trung tâm đồng thời thực nhiệm vụ điều khiển sở thay cho PLC đảm nhiệm chức hiển thị trình, điều khiển giám sát từ xa thông qua hệ thống bus trường Thế mạnh giải pháp "PC-based control" giá thành thấp tính mở hệ thống Một vấn đề cố hữu máy tính cá nhân độ tin cậy thấp môi trường công nghiệp phần khắc phục vị trí đặt xa trình kỹ thuật Hơn nữa, thiết kế cấu hình dự phòng nóng nâng cao độ tin cậy giải pháp Bộ thích ứng mạng qua cổng nối tiếp/song song Trong cấu hình ứng dụng đơn giản, dùng thích ứng mạng (adapter) nối qua cổng máy tính như: • Các cổng nối chuẩn RS-232 (COM1, COM2) • Cổng nối chuẩn USB (Universal Serial Bus) • Các cổng song song (LPT1, LPT2) Một thích ứng mạng có vai trò trạm mạng, thực việc chuyển đổi tín hiệu từ cổng nối tiếp song song máy tính sang tín hiệu theo chuẩn mạng, đồng thời đảm nhiệm việc xử lý giao thức truyền thông Hình 4.5: Ghép nối PC với bus trường qua cổng RS-232 Giải pháp sử dụng thích ứng mạng có ưu điểm đơn giản linh hoạt Tuy nhiên, tốc độ truyền bị hạn chế khả cố hữu cổng máy tính Card PCMCIA Đối với loại máy tính xách tay khả mở rộng qua khe cắm, bên cạnh phương pháp sử dụng thích ứng mạng, ta ghép nối qua khe cắm PCMCIA với kích cỡ cầm thẻ điện thoại Phương pháp đặc biệt tiện 165 lợi cho máy lập trình, đặt cấu hình, tham số hóa chuẩn đoán hệ thống cho điều khiển thiết bị trường 4.1.4 Ghép nối vào/ra phân tán Được lắp đặt gần kề với trình kỹ thuật, thiết bị vào/ra phận tán cho phép tiết kiệm cách triệt để cáp truyền tín hiệu từ cảm biến cấu chấp hành tới điều khiển Bên cạnh đó, cấu trúc vào/ra phân tán cho phép sử dụng module vào/ra khác nhau, không thiết phải đồng với máy tính điều khiển (PLC, PC, Thực ra, thiết bị vào/ra phân tán khác với PLC chỗ xử lý trung tâm (CPU) Thay vào đó, tích hợp vi mạch giao diện mạng phần mềm xử lý giao thức Tùy theo cấu trúc thiết bị vào/ra phân tán dạng module hay dạng gọn mà phần giao diện mạng thực module riêng biệt hay không Hình minh họa nối mạng PROFIBUS-DP cho thiết bị vào/ra phân tán có cấu trúc module Về nguyên tắc, phương pháp không khác so với cách ghép nối PLC trình bày Hình 6: Ghép nối vào/ra phân tán qua module giao diện DP 4.1.5 Ghép nối thiết bị trường: Các thiết bị đo thông minh, van điều khiển, thiết bị quan sát, khởi động động cơ, điều khiển số biến tần thiết bị trường tiêu biểu có thực chức xử lý thông tin chí chức điều khiển chỗ Ghép nối thiết bị trường trực tiếp với với cấp điều khiển cấu trúc vào/ra tiên tiến nhất, cho phép thực kiến trúc điều khiển phân tán thực Tương tự PLC vào/ra phân tán, việc nối mạng thiết bị trường với với cấp điều khiển thực theo hai cách tương ứng sử dụng module truyền thông riêng biệt sử dụng thiết bị tích hợp giao diện mạng Đối với hệ thống bus sử dụng rộng rãi ngành công nghiệp chế biến, xu hướng mặt tích hợp sẵn giao diện mạng, mặt khác bổ xung chức xử lý thông tin điều khiển thiết bị trường Công nghệ vi xử lý tiên tiến ngày cho phép thực toàn chức vi mạch nhỏ gọn Giải pháp mang lại loạt ưu điểm tiết kiệm dây dẫn, đầu tư cho điều khiển, tăng độ tin cậy toàn hệ thống, tăng khả trao đổi thông tin Hiện Foundation Fieldbus công nghệ đầu xu hướng 166 Chương 5: MỘT SỐ VẤN ĐỀ TRONG TÍCH HỢP HỆ THỐNG Chương đề cập tới số vấn đề liên quan tới toán tích hợp hệ thống sử dụng mạng truyền thông công nghiệp Bên cạnh vấn đề thiết kế hệ thống mạng, việc đánh giá lựa chọn giải pháp mạng bàn tới Cuối cùng, vấn đề liên quan tới chuẩn công nghiệp có vai trò quan trọng việc tích hợp hệ thống thảo luận 5.1 Thiết kế hệ thống mạng 5.1.1 Phân tích yêu cầu: Các yếu tố kỹ thuật Khi thiết kế hệ thống mạng ta cần quan tâm tới hàng loạt yếu tố cấu trúc mạng, khoảng cách truyền, chống nhiễu, kiểu thông tin cần trao đổi, kích cỡ điện, tốc độ hệ thống, trễ truyền thông, số lượng mật độ điểm vào/ra, chủng loại thiết bị điều khiển, sách lược điều khiển, khả tương thích, biện pháp an toàn hệ thống, đào tạo nhân lực, khả mở rộng tương lai Các yếu tố liên quan tới môi trường làm việc nhiễu điện từ, cấp an toàn điện, độ rung, chất ăn mòn, không gian vị trí lắp đặt cần lưu ý Thiết kế mới, nâng cấp thay Với hệ thống xây dựng hoàn toàn, nhà tích hợp hệ thống có nhiều lựa chọn thiết kế Vấn đề cần bàn sâu hệ thống hoạt động Khi yếu tố kỹ thuật khảo sát, nhà tích hợp hệ thống cần nghiên cứu trao đổi với chủ đầu tư lựa chọn giải pháp nâng cấp thay Một giải pháp nâng cấp tìm cách nối mạng thiết bị có, nâng cấp hệ thống mạng cũ lạc hậu sử dụng tối đa thành phần có sẵn Giải pháp nâng cấp tiết kiệm cho đầu tư, nhiên không thoả mãn số chức theo yêu cầu đặt gây vấn đề không tương thích thành phần cũ Một giải pháp thay đưa thiết kế hoàn toàn cho hệ thống lạc hậu Bên cạnh bổ sung thành phần hệ thống mạng việc thay thiết bị điều khó tránh khỏi Thiết kế đưa giải pháp quán, nhiên đầu tư cao làm giảm tính thuyết phục dự án Giá thành, tính sẵn sàng khả hỗ trợ Nếu so sánh tới đầu tư tổng thể cho thời gian 15-20 năm kể chi phí cho phát triển, lắp đặt, đưa vào vận hành vào bảo trì, giá mua hệ thống điều khiển thông thường chiếm khoảng 20% Hơn nữa, độ tin cậy tính sẵn sàng hệ thống yếu tố then chốt định tới lợi nhuận dự án đầu tư Vì vậy, việc đánh giá lợi lâu dài sử dụng bus trường đem lại điều quan trọng, ảnh hưởng tới định đầu tư định giải 167 Tuy nhiên, thực tế nhiều nhà tích hợp hệ thống nhiều nhà đầu tư e ngại việc đưa vào sử dựng công nghệ bus trường lý hiểu biết lý bảo thủ, áp dụng công nghệ đòi hỏi phải đầu tư cho tìm hiểu nghiên cứu thử nghiệm, tồn mạo hiểm đầu tư Cũng phải nói rằng, giải pháp cổ điển hoạt động hiệu mặt kỹ thuật mặt kinh tế có lý phải từ bỏ Song với tình cạnh tranh toàn cầu hoá nay, tập đoàn công nghệ tự động hoá có tên tuổi phải tụ tiến hoá thay đổi tư giải pháp tích hợp hệ thống 5.1.2 Các bước tiến hành: Dựa vào yêu cầu cụ thể nêu, trình thiết kế đưa vào vận hành hệ thống mạng tiến hành theo bước sau đây: * Lựa chọn kiến trúc điều khiển: Điều khiển tập trung, điều khiển phân tán kiểu DCS điều khiển phân tán trường * Lựa chọn giải pháp mạng: Giải pháp mạng nhiều phụ thuộc vào giải pháp hệ thống, song thực tế có vài lựa chọn Thông thường ta lựa chọn tổ hợp giải pháp bus hệ thống bus trường "ăn ý" với nhau, trình bày chi tiết mục 5.2 * Lựa chọn chế giao tiếp: Cơ chế hỏi đáp tuần tự, vào/ra tuần hoàn hay không tuần hoàn, chào hàng loạt hàng, lập lịch không lập lịch, vào/ra theo kiện thông báo theo yêu cầu * Lựa chọn thiết bị: Đánh giá hiệu suất làm việc thiết bị sở thời gian cập nhật liệu vào/ra, độ rung chu kỳ điều khiển hiệu suất thực thuật toán điều khiển Khảo sát đặc tính truyền thông thiết bị tốc độ truyền, chế giao tiếp, kiểu giao tiếp, chứng tương thích giao thức * Thiết kế cấu trúc mạng: Sử dụng cấu trúc mạng thích hợp đường trục mường nhánh, mạch vòng, hình cây, đảm bảo yêu cầu số trạm, tốc độ truyền khoảng cách truyền * Chọn cấu hình nguồn cho mạng: Đánh giá tính toán công suất nguồn cấp cho phù hợp với số trạm, kiểu thiết bị cáp nối/bộ nối thỏa mãn yêu cầu chống nhiễu, chống cháy nổ * Đặt cấu hình mạng: Sử dụng máy tính với phần mềm cấu hình mạng, công cụ cấu hình chuyên dùng, công tắc chốt thiết bị để đặt địa chỉ, tốc độ truyền, quan hệ giao tiếp Đối với nhiều hệ thống, việc đặt cấu hình mạng liên quan trực tiếp tới lập trình ứng dụng * Tiếp đất: Nối đường dây trung tính nguồn DC vỏ bọc với đất có trở kháng thấp Nếu sử dụng nhiều nguồn cấp, sử dụng đường tiếp đất 168 nguồn, tốt gần với trung tâm mạng * Chạy thử: Kiểm tra hoạt động truyền thông với nhiều sách lược thử khác nhau, với số toàn thiết bị bật nguồn Lưu ý hầu hết lỗi truyền thông liên quan tới cáp truyền, trở đầu cuối, tiếp đất, nguồn cho mạng, địa tốc độ truyền * Chẩn đoán lỗi: Lỗi thiết bị, lỗi hở mạch, nhiễu điện từ, tín hiệu méo suy giảm nhận biết nhiều phương pháp Một số lỗi phần lại Có thể sử dụng công cụ chuyên dùng bus monitor máy lập trình với phần mềm cấu hình mạng để chuẩn đoán Phần trình bày chương kiến thức sở quan trọng giúp ích cho việc phân tích chuẩn đoán lỗi 5.2 Đánh giá lựa chọn giải pháp mạng Từ nhiều năm nay, chủ đề bàn cãi việc tích hợp hệ thống dựa sở mạng truyền thông công nghiệp không vấn đề "nên'' hay "không nên", mà thường xoay quanh câu hỏi "mạng gì?" Sự diện hàng loạt hệ thống truyền thông công nghiệp khác kỹ thuật tự động hóa mang đến cho người sử dụng nhiều hội lựa chọn không thách thức Vấn đề mấu chốt đánh giá, lựa chọn giải pháp không nằm yêu cầu đặc tính kỹ thuật, mà liên quan tới độ linh hoạt, khả mở rộng giá thành tổng thể hệ thống Mỗi hệ thống truyền thông công nghiệp có mạnh riêng trọng dụng số lĩnh vực định Trong tương lai gần, khó có loại chiếm ưu tuyệt đối Cũng vậy, cố gắng chuẩn hóa hệ bus trường thống khuôn khổ IEC 61158 không thành mục đích đặt ban đầu Thay vào đó, thành viên ban xây dựng chuẩn đại gia tự động hóa phải ngồi lại với nhiều lần vào cuối năm 1999 đưa giải pháp thỏa hiệp gồm nhiều bus thông dụng Bên cạnh chuẩn IEC 1158 -2 cũ PROFIBUS, Pine, WorldFip, INTERBUS, ControlNet, SwiftNet Foundation Fildbus HSE đưa vào Chuẩn tiếp tục phát triển bao gồm Foundation Fieldbus H1, Ethernet/IP PROFI net Đối với nhà công việc thiết kế tích hợp hệ thống, việc đánh giá giải pháp điều dễ dàng Để có định đắn việc chọn lựa hệ thống bus, có phải kết hợp vài hệ thống cho giải pháp tự động hóa, ta phải ý tới khía cạnh kỹ thuật đặc điểm ứng dụng cụ thể Dưới đây, tác giả đưa quy trình lựa chọn giải pháp mạng dựa theo tiêu chí: Đặc thù cấp ứng dụng, đặc thù lĩnh vực ứng dụng, yêu cầu kỹ thuật chi tiết yêu cầu kinh tế 5.2.1 Đặc thù cấp ứng dụng: Ngay chương mở đầu, phần 1.3 phân tích rõ đặc thù cấp ứng 169 dụng yêu cầu hệ thống mạng truyền thông công nghiệp tương ứng Trong thực tế ngày nay, cần tập trung vào hai cấp bus hệ thống (bus điều khiển) bus trường (bus thiết bị) Sự khác yêu cầu hai cấp thể điểm sau đây: * Bus hệ thống yêu cầu tốc độ truyền cao nhiều so với bus trường * Số lượng trạm ghép nối với bus hệ thống thường bus trường, chủng loại thiết bị ghép nối với bus hệ thống đồng * Bus hệ thống đòi hỏi tính thời gian thực ngặt nghèo bus trường Có thể nói, việc lựa chọn hệ thống ngày gần xoay quanh số không nhiều hệ dựa Ethernet, lựa chọn bus trường lớn nhiều Gần có xu hướng xuất số tổ hợp công nghệ HES với Foundation Fildbus H1, PROFI net với PR OFIBUS 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 quy mô đặc thù lĩnh vực ứng dụng Có thể kể số lĩnh vực ứng dụng tiêu biểu như: * Tự động hóa thiết bị máy móc đơn lẻ * Tự động hóa trình * Tự động hóa xí nghiệp * Tự động hóa tòa nhà * Điều khiển giám sát hệ thống giao thông vận tải * Điều phối giám sát hệ thống phân phối lượng Tự động hóa thiết bị máy móc đơn lẻ bao gồm lĩnh vực điều khiển cần cẩu, điều khiển thang máy, điều khiển máy công cụ, điều khiển robot, điều khiển phương tiện giao thông Ở dây người ta quan tâm tới nhiệm vụ điều khiển tự động, điều khiển giám sát có dừng lại chức giao diện người máy đơn giản Các toán điều khiển khác nhau, từ điều khiển lôgíc tới điều khiển trình điều khiển chuyển động Đặc thù ứng dụng yêu cầu cao tính thời gian thực, lượng liệu trao đổi không lớn Các máy móc, thiết bị sản xuất hàng loạt, đầu tư cho giải pháp điều khiển thành phẩm phải thật tiết kiệm Các 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 Sercos 170 Tự động hóa trình Tự động hóa công nghiệp thường chia thành mảng tự động hóa trình (process automation) tự động hóa xí nghiệp (factory automation), tương ứng với hai lĩnh vực ứng dụng công nghiệp chế biến, khai thác (process industry) công nghiệp chế tạo, lắp ráp (manufacturing) Công nghiệp chế biến khai thác bao gồm ngành dầu khí, than, hóa dầu, hóa chất, thực phẩm, dược phẩm, điện lực, xi măng, giấy, Các ngành lại xe hơi, chế tạo máy công cụ, luyện kim, cán thép, điện lực 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 đổi liệu thấp, nhiên điện thường dài để đủ chứa thông tin biến tương tự Công nghệ bus trường không đòi hỏi tốc độ cao, độ phủ mạng lớn, phải có tính tiền định có lựa chọn cho phù hợp môi trường dễ cháy nổ Không nghi ngờ gì, hai công nghệ bus trường đầu lĩnh vực Foundation H PROFIBUS-PA Tự động hoá xí nghiệp Trong ngành công nghiệp chế tạo lắp ráp, toán điều khiển logic điều khiển trình tự đóng vai trò trung tâm, không kể tới toán điều khiển máy móc thiết bị đơn lẻ, điều khiển chuyển động Các hệ thống điều khiển giám sát thường có quy mô nhỏ so với công nghiệp chế biến, lượng liệu cần trao đổi thường có yêu cầu cao thời gian phản ứng Các giải pháp mạng tiêu biểu INTERBUS, DeviceNet, PROFIBUS-DP AS-i Tự động hóa tòa nhà Tự động hóa tòa nhà lĩnh vực ứng dụng có nhiều tiềm năng, đặc biệt khu vực phát triển xây dựng mạnh Việt Nam Các tòa nhà công 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 mở 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 toán điều khiển phức tạp, số lượng thiết bị lớn chủng loại đa dạng Một số công 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 thông, ví dụ điều khiển giao thông đô thị, đường sắt, hàng hải hàng không hệ thống có cấu trúc phân tán cách tự nhiên Các toán tiêu biểu lĩnh vực bày điều khiển tín hiệu nút giao thông, điều khiển 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 vô tuyến, qua đường điện thoại Đến hầu hết ứng dụng dựa giải pháp đặc biệt, đóng kín Tuy nhiên, ta nghĩ tới áp dụng số hệ thống mạng công nghiệp 171 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, 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, mô hình bất 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 5.2.3 Yêu cầu thiết kế chi 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: * Cấu trúc: Topology, chiều dài tối đa mạng, số trạm tối đa đoạn (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 điện (telegram) * Độ 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 ổn định có ảnh hưởng nhiều từ môi trường xung quanh * Chuẩn hóa: Điều khiển 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, đòi hỏi phải cân nhắc thận trọng Ví dụ, lĩnh vực ứng dụng cần có hệ thống bus có tốc độ truyền tải liệu thật cao mà yếu tố quan trọng thời gian phản ứng phải nhỏ dự đoán trước 172 5.2.4 Yêu cầu kinh tế: Trong yêu cầu mang tính 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 thực tế cho thấy, người sử dụng thường hay coi nhẹ việc hoạch toán giá thành tổng thể tập trung vào đặc tính kỹ thuật giá trang thiết bị phần cứng Ví dụ, trình độ kinh nghiệm sẵn có giá dịch vụ thiết kế, lắp đặt bảo trì đóng vai trò 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 không nên cố giữ mặc cảm, định kiến hệ thống Cũng lĩnh vực điện tử, tin học, công nghệ bus trường có đổi mới, tiến không ngừng Xu hướng thâm nhập Ethernet vào cấp điều khiển 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: Mô 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 ép Thông tin trạng thái thị cố thành phần: * Thiết bị điều khiển khả trình (Tổng thể) * Vào/ra * Bộ xử lý trung tâm * Cung cấp nguồn * Bộ nhớ * 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, không quan tâm tới thông tin cấu hình Dữ liệu trạng thái không cung cấp thông tin trình điều khiển chương trình ứng dụng PLC 173 Các dịch vụ liệt kê bảng 5.1 Tuy nhiên, PLC không bắt buộc phải cung cấp tất dịch vụ Tên khối chức hàm tương ứng liệt kê bảng 5.2 Bảng 5.1 Các dịch vụ giao tiếp PLC STT Các dịch vụ giao tiếp cho PLC PLC yêu cầu PLC đáp ứng Khối chức sẵn có Kiểm tra thiết bị X X X Thu thập liệu X X X Điều khiển X X X Đồng hóa chương trình ứng dụng X X X Báo động X X Thực chương trình điều khiển vào/ra X Truyền nạp chương trình ứng X Quản lý nối X X X Bảng 2: Các khối chức giao tiếp STT Chức Định địa biến từ xa Kiểm tra thiết bị Thu thập liệu kiểu hỏi 174 Tên khối chức hàm REMOTE_VAR STATUS, USTATUS READ Thu thập liệu kiểu lập trình Điều khiển tham số Điều khiển liên động Báo động lập trình Quản lý nối USEND, URCV WRITE SEND, RCV NOTIFY, ALARM CONNECT Chú ý: Các khối chức UXXX thể dịch vụ không cần yêu cầu (Unsolicited sevices) Kiểm tra thiết bị Các khối chức STATUS USTATUS hỗ trợ việc PLC kiểm tra trạng thái thiết bị tự động hóa khác Thu nhập liệu Dữ liệu thiết bị khác biểu diễn qua biến Có hai phương pháp để PLC truy nhập liệu sử dựng CFB * Hỏi (polled): PLC sử dụng khối chức READ để đọc giá trị nhiều biến thời điểm chương trình ứng dụng PLC xác định Việc truy nhập biến thiết bị kiểm soát * 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 khiển khóa liên động (interlocked) * Điều khiển tham số: Hoạt động thiết bị điều khiển thay đổi tham số chúng PLC sử dụng khối WRITE để thực hoạt động từ chương trình ứng dụng * Điều khiển khóa liên động: Một client yêu cầu server thực phép toán ứng dụng thông 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 xảy Client thông báo lại xác nhận tới điều khiển PLC sử dụng khối chức ALARM NOTIFY chương trình ứng dụng để gửi thông báo cần xác nhận không cần xác nhận Quản lý mối liên quan Các chương trình ứng dụng PLC sử dụng khối CONNECT để quản lý mối liên kết 175 5.3.2 OPC (OLE for Process Control) Giới thiệu chung Tiến hệ thống bus trường với phổ biến thiết bị cận trường thông minh hai yếu tố định tới chuyển hướng sang cấu trúc phân tán giải pháp tự động hóa Sự phân tán hóa mặt mang lại nhiều ưu so với cấu trúc xử lý thông tin tập trung cổ điển, độ tin cậy tính linh hoạt hệ thống, 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 bị tự động hóa nhiều nhà sản xuất khác Bên 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 control and data acquistion, SCADA), giao diện người máy (human-machine interface, HMI) hệ thống điều hành sản xuất (manufacturing excution 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 trình công nghiệp Dựa mô hình đối tượng thành phần (D)COM hàng Microsoft, OPC 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 tán mà không 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 mô 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 (I/O-Drivers) DDE, OPC qui định số giao diện chuẩn cho chức như: * Khai thác, truy nhập liệu trình (Data Access) từ nhiều nguồn khác (PLC, thiết bị trường, bus trường, sở liệu ) *Xử lý kiện cố (Event and Alarm) * Truy nhập liệu khứ (Historical Access) Trao đổi liệu hệ thống công cụ phần mềm (Data Exchange) Trong tương lai OPC hỗ trợ chức khác an hoàn hệ thống (Security) điều khiển mẻ (Batch) 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: 176 * Cho phép ứng dụng khai thác, truy nhập liệu theo cách đơn giản, thống * Hỗ trợ truy nhập liệu theo chế hỏi (polling) theo kiện (event-driven) * Được tối ưu cho việc sử dụng mạng công nghiệp * Kiến trúc không phụ thuộc vào nhà cung cấp thiết bị * Linh hoạt hiệu suất cao * Sử dụng từ hầu hết công cụ phần mềm SCANDA thông dụng, ngôn ngữ bậc cao (C ++, Visual Basic, Delphi ) 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++ dùng để định nghĩa số giao diện lập trình thông thường, ngôn ngữ dùng (gọi interface definition language hay IDL) không phụ thuộc vào cài đặt hay ngôn ngữ lập trình Cốt lõi OPC chương trình phần mềm phục vụ gọi OPC-Server, chứa mục liệu (OPC-Item) tổ chức thành nhóm (OPCGROUP) Thông thường mọt OPC-server đại diện thiết bị thu thập liệu OPC, RTU, I/O cấu hình mạng truyền thông Các OPC-Items đại diện cho biến trình, tham số điều khiển, liệu trạng thái thiết bị Cách tổ chức tương tự hệ thống sở liệu quan hệ quen thuộc với cấp nguồn liệu (data source), bảng liệu (table) trường liệu (field) Hình 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 Trong OPC-Server có nhiệm vụ quản lý toàn việc sử dụng khai thác liệu (items) thành nhóm để tiện cho việc truy nhập Thông thường items với biến trình kỹ thuật hay thiết bị điều khiển Chuẩn OPC quy định hai kiểu giao diện Custon Interfaces (OPC 177 Taskforce, 1998b) Automation Interface (OPC Taskforce, 1998c) Kiểu thứ bao gồm số giao diện theo mô hình COM túy, kiểu thứ hai dựa công nghệ mở rộng OLE-Automation Sự khác hai kiểu giao diện nằm mô hình đối tượng, ngôn ngữ lập trình hỗ trợ mà tính năng, hiệu suất sử dụng OPC Custom Interfaces Giống đối tượng COM khác, hai loại đối tượng thành phần quan trọng OPC OPC-Server OPC-Group cung cấp dịch vụ qua giao diện chúng, gọi OPC Custom Interfaces, minh họa hình 5.3 Tham khảo (OPC Taskforce, 1988b) để tìm hiểu ý nghĩa cụ thể giao diện Chính giao diện giao diện theo mô hình COM túy, việc lập trình với chúng đòi hỏi ngôn ngữ biên dịch Trong thực tế, C++ ngôn ngữ chiếm ưu tuyệt đối phục vụ mục đích Bên cạnh đó, công cụ khác cung cấp số phần mềm khung (frameworks) thích hợp để hỗ trợ người lập trình Hình 5.3 OPC Custom Interfaces Sử dụng OPC Custom Interfaces cho phép truy như) 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 điều khiển Thay đổi chi tiết nhỏ (tên máy tính điều khiển, số lượng biến vào/ra ) đòi hỏi phải biên dịch lại toàn chương trình ứng dụng Rõ ràng, để khắc phục hai vấn đề nêu trên, tức giảm nhẹ độ phức tạp cho người lập trình nâng cao tính sử dụng lại, cần phải tạo 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 Interface đơn giản hóa nhiều Cụ thể, nhiều thủ tục phức tạp lập trình với COM loại bỏ Người lập trình không cần thiết hiểu biết sâu sắc COM C++, mà cần sử dụng thành thạo công cụ tạo 178 dựng ứng dụng RAD (Rapid Application Development) 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 liệu Nhất giải pháp tự động hóa phân tán, có tham gia mạng truyền thông công nghiệp, hai điểm yếu nói sau trở nên đáng quan tâm Tốc độ trao đổi liệu giảm tới 3-4 lần so với dùng Custon Interfaces Đối với ứng dụng có yêu cầu cao thời gian, phương pháp sử dụng OPC Automation Interface rõ ràng không thích hợp OPC công cụ phần mềm chuyên dụng Trong thực tế, có cách sử dụng thứ ba, đơn giản thuận tiện nhiều so với hai cách thông qua công cụ phần mềm chuyên dụng Có thể nói, công cụ SCADA đại nào, hệ DCS đại hỗ trợ giao diện OPC Sử 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 dò tìm mạng trạm máy tính tên Server với công cụ phần mềm Việc lại sử dụng nhãn (tag name) giống nhãn khác quen thuộc hệ SCADA DCS 179 [...]... bản • Giao tiếp dữ liệu Chính vì dữ liệu là một dạng biểu diễn thông tin sử dụng mã nhị phân, truyền tải thông tin sử dụng tín, hiệu số cũng được gọi là truyền dữ liệu Có thể nói truyền dữ liệu là phương pháp truyền thông duy nhất giữa các máy tính trong mạng máy tính Ngày nay kỹ thuật số cũng được áp dụng rộng rãi trong việc truyền. tải tiếng nói, hình ảnh và văn bản, vì vậy truyền dữ liệu đóng vai trò... hiểu về các cấu trúc thông dụng trong mạng truyền thông công nghiệp, ta đưa ra một số định nghĩa sau: Liên kết Liên kết (link) là mối quan hệ vật lý hay logic giữa hai hoặc nhiều đối tác truyền thông Đối với liên kết vật lý, các đối tác chính là các trạm truyền thông được liên kết với nhau qua một môi trường vật lý Ví dụ các thẻ nối mạng trong máy tính điều khiển, các bộ xử lý truyền thông các PLC hoặc... tương tự phụ thuộc vào ý nghĩa của tham số thông tin mà tín hiệu đó mang Sự phân biệt giữa phương pháp truyền tín hiệu sử dụng kỹ thuật số (gọi tắt là truyền tín hiệu số) với các phương pháp truyền tín hiệu truyền thống cũng tương tự như vậy Trong các hệ thống truyền thông công nghiệp hiện đại ta chỉ quan tâm tới truyền tín hiệu số, hay nói cách khác là truyền dữ liệu Các chuẩn giao tiếp trong các hệ thống... hiệu sẽ nhiều hơn lượng thông tin thực dụng cần truyền tải 8 Hình 2.1 Nguyên tắc cơ bản của truyền thông Sau khi đã được mã hóa nguồn, mã hóa đường truyền là quá trình tạo tín hiệu tương ứng với các bit trong gói dữ liệu hay bức điện theo một phương pháp nhất định để phù hợp với đường truyền và kỹ thuật truyền Trong truyền thông công nghiệp, mã hóa đường truyền đồng nghĩa với mã hóa bit, bởi tín hiệu... và bổ xung các thông tin phụ trợ cần thiết cho việc truyền tải (overhead) Vì vậy tốc độ truyền thông tin tổng thể có thể lớn hơn rất nhiều so với tốc độ truyền thông hữu ích, phụ thuộc vào hệ thống truyền thông Thực tế, tốc độ truyền thông hữu ích rất khó xác định được một cách chính xác Thời gian bit/Chu kỳ bit Trong việc phân tích đánh giá tính năng thời gian của một hệ thống truyền thông thì thời... các bit dữ liệu được chuyển giữa các đối tác truyền thông Nhìn nhận từ các góc độ khác nhau ta có thể phân biệt các chế độ truyền tải như sau: • Truyền bit song song hoặc truyền bit nối tiếp • Truyền đồng bộ hoặc truyền không đồng bộ • Truyền một chiều hay đơn công (simplex), hai chiều toàn phần, hai chiều đồng thời hay song công (duplex, full-duplex) hoặc hai chiều gián đoạn hay bán song công (half... đương với chu kỳ của tín hiệu), chỉ có thể truyền đi một bit duy nhất Có nghĩa là, đường truyền chỉ có thể mang một kênh thông tin duy nhất, mọi thành viên trong mạng phải phân chia thời gian để sử dụng đường truyền Tốc độ truyền tải tuy có bị hạn chế, nhưng phương pháp này dễ thực hiện và tin cậy, được dùng chủ yếu trong các hệ thống mạng truyền thông công nghiệp Truyền tải dải mang Trong một số trường... sau, khái niệm truyền thông thường được sử dụng thay cho khái niệm giao tiếp Tuy nhiên khái niệm giao tiếp có ý nghĩa bao trùm hơn Trong phạm vi tài liệu này chỉ đề cập tới hệ thống truyền thông công nghiệp, nên các đối tác thuần túy là các thiết bị, hệ thống kỹ thuật, nên hai thuật ngữ giao tiếp và truyền thông được sử dụng với nghĩa tương đương Để thực hiện việc giao tiếp hay truyền thông ta cần các... kết giữa các nút mạng cũng phụ thuộc trách nhiệm của lớp mạng Có thể nhận thấy, lớp mạng không có ý nghĩa đối với một hệ thống truyền thông công nghiệp, bởi ở đây không có nhu cầu trao đổi dữ liệu giữa hai trạm thuộc hai mạng khác nhau, hoặc việc trao đổi được thực hiện gián tiếp thông qua chương trình ứng dụng (không thuộc lớp nào trong mô hình OSI) Việc thực hiện trao đổi dữ liệu thông qua chương... tốc độ truyền 14 Truyền bit nối tiếp Với phương pháp truyền bit nối tiếp, từng bit được chuyển đi một cách tuần tự qua một đường truyền duy nhất Tuy tốc độ bit vì thế mà bị hạn chế, nhưng cách thực hiện lại đơn giản, độ tin cậy của dữ liệu cao Tất cả các mạng truyền thông công nghiệp đều sử dụng phương pháp truyền này Hình 2.2: Truyền bit song song và truyền bit nối tiếp Nên có tần số cố định hoặc nằm ... Sự kết nối thiết bị công nghiệp với tạo thành hệ thống mạng gọi mạng công nghiệp Mạng công nghiệp hay mạng truyền thông công nghiệp khái niệm hệ thống mạng truyền thông số, truyền bit nối tiếp,... để ghép nối thiết bị công nghiệp Để phân biệt rõ mạng công nghiệp hệ thống mạng khác ta đưa bảng so sánh sau Bảng 1.1 So sánh mạng công nghiệp hệ thống mạng khác Mạng công nghiệp - Phạm vi địa... Giao tiếp liệu Chính liệu dạng biểu diễn thông tin sử dụng mã nhị phân, truyền tải thông tin sử dụng tín, hiệu số gọi truyền liệu Có thể nói truyền liệu phương pháp truyền thông máy tính mạng máy