Nghiên cứu thiết kế mô hình điều khiển giám sát hệ thống đèn giao thông ứng dụng PLC S71200 của Siemens’

MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN 1 LỜI NÓI ĐẦU 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THU THẬP DỮ LIỆU, ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT SỬ DỤNG PLC S7 1200 2 1.1 Tổng quan về hệ thống thu thập dữ liệu, điều khiển và giám sát 2 1.1.1 Mạng truyền thông công nghiệp 2 1.1.1.1 Giới thiệu mạng truyền thông công nghiệp 2 1.1.1.2 Đặc trưng của mạng truyền thông công nghiệp 3 1.1.2 Hệ điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu SCADA 6 1.1.2.1 Định nghĩa và phân loại hệ thống SCADA 6 1.1.2.2 Cấu trúc chung của hệ SCADA 7 1.1.2.3 Cấu trúc phần mềm điều khiển giám sát của hệ thống SCADA 8 1.1.2.4 Mô hình phân cấp chức năng 9 1.1.3 Mạng Ethernet 11 1.1.3.1 Khái niệm về Ethernet 11 1.1.3.2 Các thành phần và đặc tính kỹ thuật của Ethernet 11 1.1.3.3 Chuẩn IEEE 802 12 1.1.3.4 Họ giao thức TCPIP 13 1.2 Giới thiệu chung S7 1200 18 1.2.1 Các thông số của các dòng CPU thông dụng 19 1.2.2 Các module mở rộng CPU S7 1200 20 1.2.3 Trạng thái của các đèn báo tín hiệu của PLC S71200 23 1.2.4 Cách cài đặt PLC S71200 26 1.2.4.1 Cách cài đặt phần cứng cho CPU chính 26 1.2.4.2 Cách cài đặt module mở rộng 28 1.3 Phần mềm Tia Portal 30 1.3.1 Giới thiệu phần mềm Tia Portal 30 1.3.2 Khởi tạo dự án và cấu hình 31 1.3.3 Websever 34 CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT SỬ DỤNG S71200 39 2.1 Đặt vấn đề và phương hướng giải quyết 39 2.1.1 Đặt vấn đề 39 2.1.2 Khảo sát tình trạng giao thông tại một số nút giao thông 40 2.1.2.1 Đồng Quốc Bình (Lạch Tray – Đồng Quốc Bình – Nguyễn Bình) 40 2.1.2.2 Ngã tư Thành Đội (Cầu Đất–Lạch Tray–Lê Lợi–Tô Hiệu ) 41 2.1.2.3 Ngã Tư Quán Mau (Lạch Tray – An Đà – Đình Đông) 41 2.1.2.4 Cầu vượt Lạch Tray (Lạch Tray – Nguyễn Văn Linh–Nguyễn Bỉnh Khiêm) 42 2.1.3 Phương hướng giải quyết phần mềm 44 2.1.3.1 Nguyên tắc hoạt động 44 2.1.3.2 Phương pháp điều khiển tín hiệu giao thông theo làn sóng xanh 44 2.1.3.3 Giải pháp SCADA cho Điều khiển giám sát bài toán giao thông 49 2.1.4 Phương hướng giải quyết phần cứng 50 2.1.4.1 Giải pháp điều khiển đèn giao thông sử dụng IC số 50 2.1.4.2 Giải pháp điều khiển đèn giao thông với vi mạch dùng kỹ thuật VXL 50 2.2 Các thiết bị sử dụng trong hệ thống 51 2.3 Sơ đồ đấu dây 53 2.4 Lưu đồ thuật toán 55 2.4.1 Chương trình chính 55 2.4.2 Chương trình con 56 2.5 Chương trình điều khiển và giám sát hệ thống đèn giao thông sử dụng S71200 57 2.5.1 Chương trình chính 57 2.5.2 Chương trình con 67 2.5.2.1 Chế độ tự động: 68 2.5.2.2 Chế độ bằng tay: 70 2.6 Thiết kế giao diện HMI 72 2.7 Thiết kế Webserver 77 2.7.1 Khái niệm cơ bản về Webserver 77 2.7.2 Cấu trúc chung của trang HTML 78 2.7.3 Các tập lệnh AWP được hỗ trợ cho Webserver 79 2.7.4 Code Web 81 2.7.5 Cấu hình User defined Web pages 82 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM MÔ PHỎNG 85 3.1 Mô hình thực nghiệm 85 3.2 Kết quả mô phỏng 86 3.3 Kết quả thiết kế Web 87 3.4 Đánh giá tổng quan 88

LỜI CẢM ƠN 1

LỜI NÓI ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THU THẬP DỮ LIỆU, ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT SỬ DỤNG PLC S7 1200 2

1.1 Tổng quan về hệ thống thu thập dữ liệu, điều khiển và giám sát 2 1.1.1 Mạng truyền thông công nghiệp 2

1.1.1.1 Giới thiệu mạng truyền thông công nghiệp 2 1.1.1.2 Đặc trưng của mạng truyền thông công nghiệp 3 1.1.2 Hệ điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu SCADA 6

1.1.2.1 Định nghĩa và phân loại hệ thống SCADA 6 1.1.2.2 Cấu trúc chung của hệ SCADA 7 1.1.2.3 Cấu trúc phần mềm điều khiển giám sát của hệ thống SCADA 8 1.1.2.4 Mô hình phân cấp chức năng 9 1.1.3 Mạng Ethernet 11

1.1.3.1 Khái niệm về Ethernet 11 1.1.3.2 Các thành phần và đặc tính kỹ thuật của Ethernet 11 1.1.3.3 Chuẩn IEEE 802 12 1.1.3.4 Họ giao thức TCP/IP 13 1.2 Giới thiệu chung S7 1200 18 1.2.1 Các thông số của các dòng CPU thông dụng 19

1.2.2 Các module mở rộng CPU S7 1200 20

1.2.3 Trạng thái của các đèn báo tín hiệu của PLC S7-1200 23

1.2.4 Cách cài đặt PLC S7-1200 26

1.2.4.1 Cách cài đặt phần cứng cho CPU chính 26 1.2.4.2 Cách cài đặt module mở rộng 28 1.3 Phần mềm Tia Portal 30 1.3.1 Giới thiệu phần mềm Tia Portal 30

1.3.2 Khởi tạo dự án và cấu hình 31

1.3.3 Websever 34

2.1 Đặt vấn đề và phương hướng giải quyết 39

2.1.1 Đặt vấn đề 392.1.2 Khảo sát tình trạng giao thông tại một số nút giao thông 402.1.2.1 Đồng Quốc Bình (Lạch Tray – Đồng Quốc Bình – Nguyễn Bình)40

2.1.2.2 Ngã tư Thành Đội (Cầu Đất–Lạch Tray–Lê Lợi–Tô Hiệu ) 412.1.2.3 Ngã Tư Quán Mau (Lạch Tray – An Đà – Đình Đông) 412.1.2.4 Cầu vượt Lạch Tray (Lạch Tray – Nguyễn Văn Linh–NguyễnBỉnh Khiêm) 42

2.1.3 Phương hướng giải quyết phần mềm 442.1.3.1 Nguyên tắc hoạt động 44

2.1.3.2 Phương pháp điều khiển tín hiệu giao thông theo làn sóng xanh 442.1.3.3 Giải pháp SCADA cho Điều khiển giám sát bài toán giao thông 492.1.4 Phương hướng giải quyết phần cứng 502.1.4.1 Giải pháp điều khiển đèn giao thông sử dụng IC số 50

2.1.4.2 Giải pháp điều khiển đèn giao thông với vi mạch dùng kỹ thuậtVXL 50

2.2 Các thiết bị sử dụng trong hệ thống 51

2.3 Sơ đồ đấu dây 53

2.4 Lưu đồ thuật toán 55

2.4.1 Chương trình chính 552.4.2 Chương trình con 562.5 Chương trình điều khiển và giám sát hệ thống đèn giao thông sử dụng S7-

1200 57

2.5.1 Chương trình chính 572.5.2 Chương trình con 672.5.2.1 Chế độ tự động: 68

2.5.2.2 Chế độ bằng tay: 70

2.6 Thiết kế giao diện HMI 72

2.7 Thiết kế Webserver 77

2.7.4 Code Web 812.7.5 Cấu hình User- defined Web pages 82CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM MÔ PHỎNG 853.1 Mô hình thực nghiệm 85

3.2 Kết quả mô phỏng 86

3.3 Kết quả thiết kế Web 87

3.4 Đánh giá tổng quan 88

Hình 1.2 Cấu trúc chung của 1 hệ SCADA 8

Hình 1.3 Cấu trúc phần mềm điều khiển giám sát của SCADA 9

Hình 1.4 Mô hình phân cấp chức năng của hệ thống điều khiển và giám sát 10Hình 1.5 Kiến trúc giao thức TCP/IP 14

Hình 1.6 CPU S7 1200 – 1214C 19

Hình 1.7 Hình ảnh của CPU S7-1200 19

Hình 1.8 Hình ảnh của các module kết nối qua network 21

Hình 1.9 Hình ảnh của các module mở rộng SMS, GPRS, Wifi 23

Hình 1.10 Không gian cần thiết khi cài đặt PLC 27

Hình 1.11 Giao diện của phần mềm Tia Portal 31

Hình 1.12 Tạo New project 32

Hình 1.13 Cấu hình cho thiết bị 32

Hình 1.14 Chọn loại CPU cho PLC S7-1200 33

Hình 1.15 Giao diện làm việc mới của Tia Portal 33

Hình 1.16 Kiểm tra IP của PC 34

Hình 1.17 Cài đặt IP cho PLC S7-1200 34

Hinh 1.18 Trang chủ của S7- 1200 35

Hình 1.19 Trang Identification trên Web Sever 35

Hình 1.20 Trang Diagnastic Bufer trên Web Sever 36

Hình 1.21 Trang Module Information trên Web Sever 36

Hình 1.22 Trang Communication trên Web Server 37

Hình 1.23 Trang Variable Status trên Web Server 37

Hình 1.24 Trang Data Logs trên Web Server 38

Hình 1.25 Trang web của người dùng 38

Hình 2.1 Phân cấp chức năng của hệ SCADA 39

Hình 2.2 Nút tham gia giao thông Đồng Quốc Bình 40

Hình 2.3 Nút giao thông ngã tư Thành Đội 41

Hình 2.4 Phương tiện tham gia giao thông tại nút giao thông Quán Mau 42Hình 2.5 Hình ảnh nút giao thông tại cầu vượt Lạch Tray 43

Hình 2.8 Chu kỳ 2 đèn sáng tại Ngã tư Lạch Tray và Đồng Quốc Bình 48

Hình 2.17 Sơ đồ đấu dây Error! Bookmark not defined.

Hình 2.18 Lưu đồ thuật toán chương trình chính 55

Hình 2.19 Lưu đồ thuật toán chế độ chạy tự động 56

Hình 2.20 Lưu đồ thuật toán chế độ chạy bằng tay 57

Hình 2.21 Tập hợp hình ảnh chương trình OB1 67

Hình 2.22 Tập hợp hình ảnh chương trình chạy chế độ tự động 70

Hình 2.23 Tập hợp hình ảnh chương trình chạy chế độ bằng tay 72

Hình 2.24 Tạo đường liên kết giữa WinCC Professional với PLC1 72

Hình 2.25 Tạo kết nối giữa WinCC Professional với PLC 1 73

Hình 2.26 Kết nối 1 WinCC với 2 PLC73

Hình 2.27 Tạo Screen_1 73

Hình 2.28 Cửa sổ liên kết Screen_ 1 với Screen _2 74

Hình 2.29 Tạo Tag ngoại 74

Hình 2.30 Tạo thuộc tính cho nút ấn Start 75

Hình 2.31 Thiết lập hiệu ứng điều khiển cho nút ấn Start 75

Hình 2.32 Tạo thuộc tính cho đèn 76

Hình 2.33 Hiệu ứng của đèn 76

Hình 2.34 Tạo hình ảnh trang trí cho WinCC 77

Hình 2.35 Phần mềm viết code Web 78

Hình 2.36 Cấu trúc cơ bản của một trang HTML 78

Hình 2.40 Đặc tính của CPU S7-1200 82

Hình 2.41 Kích hoạt tính năng Websever trên S7- 1200 82Hình 2.42 Thiết lập User- defined Web pages 83

Hình 2.43 lập trình lệnh WWW 83

Hình 2.44 Truy cập vào Web chuẩn của PLC 83

Hình 2 45 Trang chủ của Siemens 84

Hình 2 46 Trang Web người dùng 84

Hình 3.1 Mô hình thực nghiệm 85

Hình 3.2 Kết quả mô phỏng PLC_1 86

Hình 3.3 Kết quả mô phỏng PLC_2 87

Hình 3.4 Kết quả thiết kế Web cho PLC_1 87

Hình 3.5 Kết quả thiết kế Web cho PLC_2 88

Bảng 1.1: Thông số kĩ thuật của CPU 1211C/ 1212C/ 1214C 19

Bảng 1.2: Bảng thông số tín hiệu của các module 21

Bảng 1.3: Bảng thông số tín hiệu 22

Bảng 1.4: Bảng thông số tín hiệu Module 22

Bảng 1.5: Bảng tóm tắt chức năng của đèn 24

Bảng 1.6: Bảng miêu tả chức năng khi đèn sáng 25

Bảng 1.7: Cách gắn CPU lên giá đỡ 27

Bảng 1.8: Cách cài đặt các module SB, CB, BB 28

Bảng 1.9: Cách cài đặt module mở rộng SM 28

Bảng 1.10: Cách cài đặt module mở rộng CM và CP 29

Bảng 1.11: Cách lắp đặt module mở rộng SMS 30

Bảng 1.12: Hình ảnh cài đặt Sim Card cho CPU 30

Bảng 2.1: Thời gian chênh lệch giữa các ngã tư 46

Bảng 2.2: Bảng tính thời gian đèn hướng 1 (trục đường chính Lạch Tray)48Bảng 2.3: Khai báo địa chỉ 57

Bảng 2.4: Địa chỉ chương trình hàm FB 67

Trải qua 4 năm học dưới mái trường đại học, một khoảng thời gian mà em vàcác bạn trong nhóm lớp Tự động hóa 2 được gặp gỡ và học tập với các thầy cô giáo.Những người vô cùng tâm huyết, tận tụy với nghề đã truyền thụ những kiến thức thậtquý giá và bổ ích cho tất cả chúng em Vì vậy lời đầu tiên chúng em xin chân thànhcảm ơn toàn bộ những giảng viên đã truyền đạt kiến thức cho chúng em trong nhữngnăm qua.

Tiếp theo chúng em muốn gửi lời cảm ơn đến cô Tống Thị Lý, người đã trực

tiếp và tận tình hướng dẫn chúng em trong suốt thời gian làm đồ án Chúng em xinchân thành cảm ơn cô

Cuối cùng, chúng em cũng xin trân thành cảm ơn các bạn bè của chúng emnhiệt tình giúp đỡ để hoàn thành đồ án tốt hơn

CHÚNG EM XIN TRÂN THÀNH CẢM ƠN!

Hà Nội, Ngày… tháng … năm 2016

Nhóm thực hiện

Tự Động Hóa 2_K7

-o0o -rong những năm gần đây cùng với sự phát triển của nền kinh tế là tốc độ ratăng không ngừng về các loại phương tiện giao thông Sự phát triển nhanhchóng của các phương tiện giao thông đã dẫn đến tình trạng tắc nghẽn giaothông xảy ra rất thường xuyên.Vấn đề đặt ra ở đây là làm sao để đảm bảo giao thôngthông suốt và sử dụng đèn điều khiển giao thông ở những ngã tư những nơi giao nhaucủa các làn đường là một giải pháp Để viết chương trình điều khiển đèn giao thông ta

có thể viết trên nhiều hệ ngôn ngữ khác nhau Nhưng với những ưu điểm vượt trội củaPLC S7-1200 như: giá thành rẻ, dễ thi công, sửa chữa, chất lượng làm việc ổn địnhlinh hoạt, nên ở đây chúng em đã chọn hệ thống điều khiển có thể lập trình được PLC(Programmble Logic Control) với ngôn ngữ lập trình của S7-1200 cùng nhu cầu thực

tế và những ham muốn hiểu biết về về lĩnh vực này, chúng em xin chọn đề tài làm đồ

án tốt nghiệp về “ Nghiên cứu thiết kế mô hình điều khiển giám sát hệ thống đèn giao

thông ứng dụng PLC S7-1200 của Siemens’’ Mục tiêu của quá trình thực hiện đồ án

là tìm hiểu hệ thống thu thập dữ liệu - điều khiển - giám sát, PLC S7-1200 và quantrọng nhất là những ứng dụng thực tế của PLC trong cuộc sống

T

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THU THẬP DỮ LIỆU, ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT SỬ DỤNG PLC S7 1200 1.1 Tổng quan về hệ thống thu thập dữ liệu, điều khiển và giám sát

1.1.1 Mạng truyền thông công nghiệp

1.1.1.1 Giới thiệu mạng truyền thông công nghiệp

Ngày nay với sự phát triển mạnh mẽ của ngành công nghiệp, đòi hỏi phải có sựcải tiến và áp dụng công nghệ mới vào trong quá trình sản xuất nhằm nâng cao hiệuquả sản xuất Một trong những giải pháp tốt nhất, đó là áp dụng quy trình tự động hóavào sản xuất Các dây truyền không hoạt động độc lập mà cần có sự liên kết với nhautạo nên một mô hình thống nhất Sự kết nối các thiết bị công nghiệp đó với nhau tạothành một hệ thống mạng gọi là mạng truyền thông công nghiệp

Mạng truyền thông công nghiệp là một khái niệm chỉ các hệ thống mạng truyềnthông số, truyền bit nối tiếp, được sử dụng để ghép nối các thiết bị công nghiệp

Do đặc thù của các ngành công nghiệp mà tạo ra nhiều loại mạng truyền thôngkhác nhau Mặt khác, mạng truyền thông công nghiệp cũng có đặc thù riêng, có thểphân biệt chúng với mạng thông tin quảng đại thông qua một số khía cạnh sau:

- Về phạm vi hoạt động

- Độ tin cậy khi truyền

Vai trò của mạng truyền thông công nghiệp:

- Đơn giản hóa cấu trúc liên kết giữa các thiết bị công nghiệp vì trong hệ thống, sốlượng lớn các thiết bị thuộc chủng loại khác nhau, nhà sản xuất khác nhau đượcghép nối với nhau qua một đường truyền

- Nhờ cấu trúc đơn giản, việc thiết kế hệ thống trở nên dễ dàng hơn nhiều Một sốlượng lớn cáp truyền được thay thế bằng một đường truyền duy nhất, giảm chi phíđáng kể cho nguyên liệu và công lắp đặt

- Nhờ kĩ thuật truyền thông số, không những thông tin truyền đi khó sai lệch mà cácthiết bị nối mạng còn có thêm khả năng phát hiện lỗi và chuẩn đoán lỗi nếu có

- Nâng cao độ linh hoạt, tính năng mở của hệ thống Một hệ thống mạng chuẩn hóaquốc tế tạo điều kiện cho việc sử dụng các thiết bị của nhiều hãng khác nhau Việcthay thế các thiết bị, nâng cấp và mở rộng chức năng của hệ cũng dễ dàng hơn

- Việc cấu hình hệ thống, lập trình, tham số hóa, chỉnh định thiết bị đưa vào vậnhành có thể thực hiện từ xa qua một trạm kỹ thuật trung tâm

1.1.1.2 Đặc trưng của mạng truyền thông công nghiệp

Hình 1.1 Mô hình phân cấp chức năng công ty sản xuất xí nghiệp

Tương ứng với năm cấp chức năng là bốn cấp của hệ thống truyền thông Từcấp điều khiển giám sát trở xuống thuật ngữ “bus” thường được dùng thay cho

“mạng”, với lý do phần lớn các hệ thống mạng phía dưới đều có cấu trúc vật lý hoặclogic kiểu bus

- Bus trường, bus thiết bị: Bus trường (fieldbus) thực ra là một khái niệm chung

được dùng trong các ngành công nghiệp để chỉ các hệ thống bus nối tiếp, sử dụng kỹthuật truyền tin số để kết nối các thiết bị thuộc cấp điều khiển (PC, PLC) với nhau vàvới các thiết bị ở cấp chấp hành, hay các thiết bị trường Các chức năng chính của cấpchấp hành là đo lường, truyền động và chuyển đổi tín hiệu trong trường hợp cần thiết

PC

HI S

Các thiết bị có khả năng nối mạng là các vào/ra phân tán (distributed I/O), các thiết bị

đo lường (sensor, transducer, transmitter) hoặc cơ cấu chấp hành (actuator, valve) cótích hợp khả năng xử lý truyền thông Một số kiểu bus trường chỉ thích hợp nối mạngcác thiết bị cảm biến và cơ cấu chấp hành với các bộ điều khiển, cũng được gọi là buschấp hành/cảm biến

Trong công nghiệp chế tạo (tự động hóa dây chuyền sản xuất, gia công, lắp ráp)hoặc ở một số lĩnh vực ứng dụng khác như tự động hóa tòa nhà, sản xuất xe hơi, khái

niệm bus thiết bị lại được sử dụng phổ biến Có thể nói, bus thiết bị và bus trường có

chức năng tương đương, nhưng do những đặc trưng riêng biệt của hai ngành côngnghiệp, nên một số tính năng cũng khác nhau Tuy nhiên, sự khác nhau này ngày càngtrở nên không rõ rệt, khi mà phạm vi ứng dụng của cả hai loại đều được mở rộng vàđan chéo sang nhau Trong thực tế, người ta cũng dùng chung một khái niệm là bustrường

Do nhiệm vụ của bus trường là chuyển dữ liệu quá trình lên cấp điều khiển để

xử lý và chuyển quyết định điều khiển xuống các cơ cấu chấp hành, vì vậy yêu cầu về

tính năng thời gian thực được đặt lên hàng đầu Thời gian phản ứng tiêu biểu nằm

trong phạm vi từ 0,1 tới vài miligiây Trong khi đó, yêu cầu về lượng thông tin trongmột bức điện thường chỉ hạn chế trong khoảng một vài byte, vì vậy tốc độ truyềnthông thường chỉ cần ở phạm vi Mbit/s hoặc thấp hơn Việc trao đổi thông tin về cácbiến quá trình chủ yếu mang tính chất định kỳ, tuần hoàn, bên cạnh các thông tin tham

số hóa hoặc cảnh báo có tính chất bất thường

Các hệ thống bus trường được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay làPROFIBUS,ControlNet, INTERBUS, CAN, WorldFIP, P-NET, Modbus và gần đâyphải kể tới Foundation Fieldbus DeviceNet, AS-i, EIB và Bitbus là một vài hệ thốngbus cảm biến/chấp hành tiêu biểu có thể nêu ra ở đây

- Bus hệ thống, bus điều khiển: Các hệ thống mạng công nghiệp được dùng để

kết nối các máy tính điều khiển và các máy tính trên cấp điều khiển giám sát với nhau

được gọi là bus hệ thống (System bus) hay bus quá trình (Process bus) Khái niệm sau

thường chỉ được dùng trong lĩnh vực điều khiển quá trình Qua bus hệ thống mà cácmáy tính điều khiển có thể phối hợp hoạt động, cung cấp dữ liệu quá trình cho các

trạm kỹ thuật và trạm quan sát (có thể gián tiếp thông qua hệ thống quản lý cơ sở dữliệu trên các trạm chủ) cũng như nhận mệnh lệnh, tham số điều khiển từ các trạm phíatrên Thông tin không những được trao đổi theo chiều dọc, mà còn theo chiều ngang.Các trạm kỹ thuật, trạm vận hành và các trạm chủ cũng trao đổi dữ liệu qua bus hệthống Ngoài ra các máy in báo cáo và lưu trữ dữ liệu cũng có thể được kết nối quamạng này Đối với bus hệ thống, tùy theo lĩnh vực ứng dụng mà đòi hỏi về tính năngthời gian thực có được đặt ra một cách ngặt nghèo hay không Thời gian phản ứng tiêubiểu nằm trong khoảng một vài trăm mili giây, trong khi lưu lượng thông tin cần traođổi lớn hơn nhiều so với bus trường Tốc độ truyền thông tiêu biểu của bus hệ thốngnằm trong phạm vi từ vài trăm kbit/s đến vài Mbit/s Khi bus hệ thống được sử dụngchỉ để ghép nối theo chiều ngang giữa các máy tính điều khiển, người ta thường dùngkhái niệm bus điều khiển Vai trò của bus điều khiển là phục vụ trao đổi dữ liệu thờigian thực giữa các trạm điều khiển trong một hệ thống có cấu trúc phân tán Bus điềukhiển thông thường có tốc độ truyền không cao, nhưng yêu cầu về tính năng thời gianthực thường rất khắt khe Do các yêu cầu về tốc độ truyền thông và khả năng kết nối

dễ dàng nhiều loại máy tính, hầu hết các kiểu bus hệ thống thông dụng đều dựa trênnền Ethernet, ví dụ Industrial Ethernet, Fieldbus Foundation’s High Speed Ethernet(HSE), Ethernet/IP

- Mạng xí nghiệp: Mạng xí nghiệp thực ra là một mạng LAN bình thường, có

chức năng kết nối các máy tính văn phòng thuộc cấp điều hành sản xuất với cấp điềukhiển giám sát Thông tin được đưa lên trên bao gồm trạng thái làm việc của các quátrình kỹ thuật, các giàn máy cũng như của hệ thống điều khiển tự động, các số liệu tínhtoán, thống kê về diễn biến quá trình sản xuất và chất lượng sản phẩm Thông tin theochiều ngược lại là các thông số thiết kế, công thức điều khiển và mệnh lệnh điều hành.Ngoài ra, thông tin cũng được trao đổi mạnh theo chiều ngang giữa các máy tính thuộccấp điều hành sản xuất, ví dụ hỗ trợ kiểu làm việc theo nhóm, cộng tác trong dự án, sửdụng chung các tài nguyên nối mạng (máy in, máy chủ ) Khác với các hệ thống buscấp dưới, mạng xí nghiệp không yêu cầu nghiêm ngặt về tính năng thời gian thực.Việc trao đổi dữ liệu thường diễn ra không định kỳ, nhưng có khi với số lượng lớn tới

hàng Mbyte Hai loại mạng được dùng phổ biến cho mục đích này là Ethernet vàToken-Ring, trên cơ sở các giao thức chuẩn như TCP/IP và IPX/SPX.

- Mạng công ty: Mạng công ty nằm trên cùng trong mô hình phân cấp hệ thống

truyền thông của một công ty sản xuất công nghiệp Đặc trưng của mạng công ty gầnvới một mạng viễn thông hoặc một mạng máy tính diện rộng nhiều hơn trên cácphương diện phạm vi và hình thức dịch vụ, phương pháp truyền thông và các yêu cầu

về kỹ thuật Chức năng của mạng công ty là kết nối các máy tính văn phòng của các xínghiệp, cung cấp các dịch vụ trao đổi thông tin nội bộ và với các khách hàng như thưviện điện tử, thư điện tử, hội thảo từ xa qua điện thoại, hình ảnh, cung cấp dịch vụ truycập Internet và thương mại điện tử, v.v Hình thức tổ chức ghép nối mạng, cũng nhưcác công nghệ được áp dụng rất đa dạng, tùy thuộc vào đầu tư của công ty Trongnhiều trường hợp, mạng công ty và mạng xí nghiệp được thực hiện bằng một hệ thốngmạng duy nhất về mặt vật lý, nhưng chia thành nhiều phạm vi và nhóm mạng làm việcriêng biệt Mạng công ty có vai trò như một đường cao tốc trong hệ thống hạ tầng cơ

sở truyền thông của một công ty, vì vậy đòi hỏi về tốc độ truyền thông và độ an toàn,tin cậy đặc biệt cao Fast Ethernet, FDDI, ATM là một vài ví dụ công nghệ tiên tiếnđược áp dụng ở đây trong hiện tại và tương lai

1.1.2 Hệ điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu SCADA

1.1.2.1 Định nghĩa và phân loại hệ thống SCADA

SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) là một hệ thống điềukhiển giám sát và thu thập dữ liệu, nói cách khác là một hệ thống hỗ trợ con ngườitrong giám sát và điều khiển từ xa, ở cấp cao hơn hệ điều khiển tự động thông thường

Để có thể điều khiển và giám sát từ xa thì hệ SCADA phải có hệ thống truy cập,truyền tải dữ liệu cũng như hệ thống giao diện người máy HMI

Trong hệ thống điều khiển giám sát thì HMI là một thành phần quan trọngkhông chỉ ở cấp điều khiển giám sát mà ở các cấp thấp hơn người ta cũng cần giaodiện HMI để phục vụ cho việc quan sát và thao tác vận hành ở cấp điều khiển cục bộ

Nếu nhìn nhận SCADA theo quan điểm truyền thống thì nó là một hệ thốngmạng và thiết bị có nhiệm vụ thuần túy là thu thập dữ liệu từ các trạm ở xa và truyềntải về khu trung tâm để xử lý Trong các hệ truyền thống như vậy thì hệ truyền thông

và phần cứng đặt lên hàng đầu và cần sự quan tâm nhiều hơn Trong những năm gầnđây sự tiến bộ vượt bậc của công nghệ truyền thông công nghiệp và công nghệ phầnmềm trong công nghiệp đã đem lại nhiều khả năng và giải pháp mới nên trọng tâm củacông việc thiêt kế xây dựng hệ thống SCADA là lựa chọn công cụ phần mềm thiết kếgiao diện và các giải pháp tích hợp hệ thống

Phân loại hệ thống SCADA

Các hệ thống SCADA được phân bố theo chức năng:

- Hệ thống SCADA mờ (Blind): Đây là hệ thống đơn giản, nó không có bộ phậngiám sát Nhiệm vụ chủ yếu của hệ thống này là thu thập và xử lý dữ liệu bằng đồ thị

Do tính đơn giản nên giá thành thấp

- Hệ thống SCADA xử lý đồ họa thông tin thời gian thực: hệ thống SCADA cókhả năng giám sát và thu thập dữ liệu Nhờ tập tin cấu hình của máy khai báo trướcđấy mà hệ có khả năng mô phỏng tiến trình hoạt động của hệ thống sản xuất Tập tincấu hình ghi lại trạng thái hoạt động của hệ thống Khi xảy ra sự cố thì hệ thống có thểbáo cho người vận hành để xử lý kịp thời Cũng có thể hệ sẽ phát ra tín hiệu điều khiểndừng hoạt động của tất cả máy móc

- Hệ thống SCADA độc lập: hệ thống có khả năng giám sát và thu thập dữ liệuvới một bộ xử lý Hệ này chỉ có thể điều khiển được một hoặc hai máy móc Vì vậy hệnày chỉ phù hợp với những sản xuất nhỏ, sản xuất chi tiết

- Hệ thống SCADA mạng: hệ thống có khả năng giám sát và thu thập dữ liệu vớinhiều bộ vi xử lý Các máy tính được nối mạng với nhau Hệ này có khả năng điềukhiển được nhiều nhóm máy móc tạo nên dây chuyền sản xuất Qua mạng truyềnthông, hệ thống được nối với phòng quản lý, phòng điều khiển, có thể nhận quyết địnhđiều khiển trực tiếp từ phòng quản lý hoặc từ phòng thiết kế Từ phòng điều khiển cóthể điều khiển hoạt động của các thiết bị ở xa

1.1.2.2 Cấu trúc chung của hệ SCADA

Hình 1.2 Cấu trúc chung của 1 hệ SCADA

Trong hệ thống điều khiển giám sát, các cảm biến và cơ cấu chấp hành đóng vaitrò là giao diện giữa thiết bị điều khiển với quá trình kỹ thuật Còn hệ thống điều khiểngiám sát đóng vai trò là giao diện giữa người và máy Các thiêt bị và các bộ phận của

hệ thống được ghép nối với nhau theo kiểu điểm- điểm (point to point) hoặc qua mạngtruyền thông…

 Các thành phần chính của hệ thống SCADA bao gồm:

- Giao diện quá trình: gồm các cảm biến, thiết đo, thiết bị chuyển đổi, cơ cấuchấp hành, ghép nối vào/ra và chuyển đổi tín hiệu

- Thiết bị điều khiển tự động: gồm các bộ điều khiển chuyên dụng (PID), các bộđiều khiển PLC, các thiết bị điều chỉnh số đơn lẻ CDC (Compact DigitalController) và máy tính PC với các phần mềm tương ứng

- Hệ thống điều khiển giám sát: gồm các thiết bị, phần mềm giao diện HMI, cáctrạm kỹ thuật, trạm vận hành, giám sát và điều khiển cao cấp

- Hệ thống truyền thông: ghép nối điểm- điểm, bus cảm biến/chấp hành, bustrường, bus hệ thống

- Hệ thống bảo vệ, cơ chế thực hiện chức năng an toàn

1.1.2.3 Cấu trúc phần mềm điều khiển giám sát của hệ thống SCADA

Hình 1.3 Cấu trúc phần mềm điều khiển giám sát của SCADA

Cơ sở dữ liệu quá trình có chức năng quản lý và lưu trữ :

Giao diện người máy (HMI) có chức năng :

- Hiển thị các thiết bị, máy móc

- Hiển thị các giá trị quá trình, các hình ảnh động minh họa, các phím điều khiển

- Hiển thị và can thiệp chi tiết vào quá trình điều khiển các tham số, tình trạngbáo động

- Hiển thị các quá trình theo thời gian thực

Chức năng cảnh báo báo động

- Phát hiện tình trạng cảnh báo, báo động tại các trạm vận hành hoặc trạm chủ

- Gửi cảnh báo, báo động theo phạm vi hệ thống, trạm được quyền can thiệp hoặctính ưu tiên cấp thiết

- Lưu trữ cảnh báo, báo động

- Hiển thị cảnh báo /báo động theo:

 Sắp xếp theo mức ưu tiên, tính cấp thiết

 Sắp xếp theo thời gian xảy ra

 Sắp xếp theo loại cảnh báo/báo động

 Sử dụng màu sắc và hiệu ứng nhâp nháy

Xác nhận cảnh báo/báo động: theo quyền người sử dụng hoặc xác nhận theo nhómXóa cảnh báo/báo động

1.1.2.4 Mô hình phân cấp chức năng

Toàn bộ hệ thống điều khiển giám sát được phân chia thành các cấp chức năng như hình vẽ minh họa dưới đây:

Hình 1.4 Mô hình phân cấp chức năng của hệ thống điều khiển và giám sát

Để sắp xếp, phân loại các chức năng tự động hóa của hệ thống điều khiển vàgiám sát người ta thường sử dụng mô hình như trên Với loại mô hình này các chứcnăng được phân thành nhiều cấp khác nhau, từ dưới lên trên Càng ở những cấp dướithì các chức năng càng mang tính chất cơ bản hơn, đòi hỏi yêu cầu cao hơn về độnhanh nhạy, thời gian phản ứng Một chức năng ở cấp trên được thực hiện dựa trên cácchức năng ở cấp dưới nhưng ngược lại lượng thông tin cần trao đổi và xử lý lại lớnhơn nhiều

Việc phân cấp chức năng sẽ thuận lợi cho việc thiết kế hệ thống và lựa chọnthiết bị Tùy thuộc vào mức độ tự động hóa và cấu trúc hệ thống cụ thể mà ta có môhình phân cấp chức năng:

- Cấp trường: các chức năng chính của cấp chấp hành là đo lường, dẫn động vàchuyển đổi tín hiệu trong trường hợp cần thiết Thực tế, đa số các thiết bị cảm biến haychấp hành cũng có phần điều khiển riêng cho việc thực hiện đo lường/ truyền động

được chính xác và nhanh nhạy Các thiết bị thông minh (có bộ vi xử lý riêng) cũng cóthể đảm nhận việc xử lý và chuẩn bị thông tin trước khi đưa lên cấp trên điều khiển.

- Cấp điều khiển: nhiệm vụ chính của cấp điều khiển là nhận thông tin từ các bộcảm biến, xử lý các thông tin đó theo một thuật toán nhất định và truyền đạt lại kết quảxuống các bộ chấp hành Máy tính đảm nhận việc theo dõi các công cụ đo lường, tựthực hiện các thao tác như ấn nút mở/ đóng van, điều chỉnh cần gạt, núm xoay Đặctính nổi bật của cấp điều khiển là xử lý thông tin Cấp điều khiển và cấp chấp hành haygọi chung là cấp trường (Fieid level) chính vì các bộ điều khiển, cảm biến và chấphành được cài đặt trực tiếp tại hiện trường gần kề với hệ thống kỹ thuật

- Cấp điều khiển giám sát: có chức năng giám sát và vận hành một quá trình kỹthuật, có nhiệm hỗ trợ người sử dụng trong việc cài đặt ứng dụng, thao tác theo dõi,giám sát vận hành và xử lý những tình huống bất thường Ngoài ra trong một sốtrường hợp, cấp này còn thực hiện các bài toán điều khiển cao cấp như điều khiển phốihợp, điều khiển trình tự và điều khiển theo công thức Việc thực hiện các chức năng ởcấp điều khiển và giám sát thường không đòi hỏi phương tiện, thiết bị phần cứng đặcbiệt ngoài máy tính thông thường

1.1.3 Mạng Ethernet

1.1.3.1 Khái niệm về Ethernet

Ethernet là kiểu mạng cục bộ (LAN) được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay Thựcchất, Ethernet chỉ là mạng cấp dưới (lớp vật lý và một phần lớp liên kết dữ liệu), vìvậy có thể sử dụng các giao thức khác nhau ở phía trên, trong đó TCP/IP là tập giaothức được sử dụng phổ biến nhất Tuy vậy, mỗi nhà cung cấp sản phẩm có thể thựchiện giao thức riêng hoặc theo một chuẩn quốc tế cho giải pháp của mình trên cơ sởEthernet High Speed Ethernet (HSE) của Fieldbus Foundation chính là một trong tám

hệ bus trường được chuẩn hóa quốc tế theo IEC 61158

1.1.3.2 Các thành phần và đặc tính kỹ thuật của Ethernet

- Một mạng Ethernet gồm 3 thành phần :

 Data terminal equiment(DTE): các thiết bị truyền và nhận dữ liệu DTEsthường là PC, file sever, Print sever,…

 Data Communication Equipment(DCE): các thiết bị kết nối mạng cho phépnhận và chuyển khung trên mạng DCE có thể là các thiết bị độc lập nhưRepeter( không quá 4 Repeter), Switch, router hoặc các khối giao tiếp thông tin nhưcard mạng, Modem,…

 Interconnecting media: Cáp có thể dài nhất là 500m và ngắn nhất là 2,5m Cóthể sử dụng cáp xoắn đôi, cáp đồng trục mỏng, cáp đồng trục dày, cáp sợi quang

- Các đặc tính kĩ thuật của mạng Ethernet:

 Cấu hình truyền thông: có cấu trúc dạng tuyến phân đoạn, đường truyền dùngcáp đồng trục, tuy nhiên mỗi thành phần của nó có thể là cấu trúc start (star-wiredbus) Tín hiệu truyền trên mạng được mã hóa theo kiểu đồng bộ

 Quy cách kỹ thuật 802.3

 Vận tốc truyền : 10Mbps, 100Mbps,…10Gbps

 Loại cáp: cáp đồng trục mảnh, cáp đồng trục dày, cáp xoắn đôi, cáp sợi quang

 Chiều dài tối đa của một cáp tuyến là 500m, các đoạn tuyến này có thể đượckết nối lại bằng cách dùng các bộ chuyển tiếp và khoảng cách lớn nhất cho phép giữa 2nút là 2.8km

 Sử dụng tín hiệu băng tần cơ bản, truy xuất tuyến hoặc tuyến token(token bus),giao thức là CSMA/CD)

- Ngày nay khái niệm ethernet thường được sử dụng để chỉ một mạng LANCSMA/CD, phù hợp với tiêu chuẩn 802.3, đặc điểm:

 Hoạt động ở mức liên kết dữ liệu

 Theo nguyên tắc CSMA/CD cảm biến sóng mang có phát hiện đụng độ

 Thành phần chính:

 Phần cứng mạng: các thiết bị nối mạng

 Giao thức điều khiển truy xuất đường truyền

 Khung Ethernet: đơn vị truyền dữ liệu trên mạng

1.1.3.3 Chuẩn IEEE 802

IEEE 802 là họ các chuẩn IEEE dành cho các mạng LAN và mạng MAN

(Metropolitan Area Network) Cụ thể hơn, các chuẩn IEEE 802 được giới hạn cho các

mạng mang các gói tin có kích thước đa dạng (Khác với các mạng này, dữ liệu trong

các mạng cell-based được truyền theo các đơn vị nhỏ có cùng kích thước được gọi làcell Các mạng Isochronous, nơi dữ liệu được truyền theo một dòng liên tục các octet,hoặc nhóm các octet, tại các khoảng thời gian đều đặn, cũng nằm ngoài phạm vi củachuẩn này) Con số 802 chỉ đơn giản là con số còn trống tiếp theo mà IEEE có thểdùng, đôi khi "802" còn được liên hệ với ngày mà cuộc họp đầu tiên được tổ chức –tháng 2 năm 1980

Các dịch vụ và giao thức được đặc tả trong IEEE 802 ánh xạ tới hai tầng thấp(tầng liên kết dữ liệu và tầng vật lý của mô hình 7 tầng OSI Thực tế, IEEE 802 chiatầng liên kết dữ liệu OSI thành hai tầng con LLC (điều khiển liên kết lôgic) và MAC(điều khiển truy nhập môi trường truyền), do đó các tầng này có thể được liệt kê nhưsau:

- Tầng liên kết dữ liệu

- Tầng con LLC

- Tầng con MAC

- Tầng vật lý

Họ chuẩn IEEE 802 được bảo trì bởi Ban Tiêu chuẩn LAN/MAN IEEE 802

(IEEE 802 LAN/MAN Standards Committee (LMSC)) Các chuẩn được dùng rộng rãi

nhất là dành cho họ Ethernet, Token Ring, mạng LAN không dây, các mạng LAN

dùng bridge và bridge ảo (Bridging and Virtual Bridged LANs) Mỗi lĩnh vực có một

Working Group tập trung nghiên cứu

1.1.3.4 Họ giao thức TCP/IP

TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol) là kết quả nghiên cứu

và triển giao thức trong mạng chuyển mạch gói thử nghiệm mang tên Arpanet doARPA (Advanced Reseach Projecs Agency) Khái niệm TCP/IP dùng để chỉ cả mộtlớp tập giao thức và dịch vụ truyền thông được công nhận thành chuẩn cho Internet.Cho tới nay TCP/IP đã xâm nhập tới rất nhiều phạm vi ứng dụng khác nhau, trong đó

có các máy tính cục bộ và mạng truyền thông công nghiệp

TCP/IP bao gồm 5 lớp độc lập: lớp ứng dụng, lớp vận chuyển, lớp Internet,lớp truy nhập và mạng vật lí

FTPSMTPDNS

Hình 1.5 Kiến trúc giao thức TCP/IP

Lớp ứng dụng: thực hiện các chức năng hỗ trợ cần thiết cho nhiều ứng dụng

khác nhau: SMTP (Simple Mail Transfer Protocol) cho chuyển thư điện từ, FTP (File Transfer Protocol) cho chuyển giao file, TELNET là chương trình mô phỏng thiết bị đầu cuối cho phép người dùng login vào một máy chủ từ một máy tính nào đó trên mạng, SNMP (Simple Network Management Protocol) giao thức quản trị mạng cung cấp những công cụ quản trị mạng, DNS (Domain Name Server) là dịch vụ tên miền cho phép nhận ra máy tính từ một tên miền thay cho chuỗi địa chỉ Internet

Lớp ứng dụng trao đổi dữ liệu với lớp dưới (lớp vận chuyển) qua cổng Việcdùng cổng bằng số cho phép giao thức của lớp vận chuyển biết loại nội dung nào chứabên trong gói dữ liệu Những cổng được đánh bằng số và những ứng dụng chuẩnthường dùng cùng cổng Ví dụ: giao thức FTP dùng cổng 20 cho dữ liệu và cổng 21cho điều khiển, giao thức SMTP dùng cổng 25…

Lớp vận chuyển: có chức năng cung cấp các dịch vụ cho việc thực hiện vận

chuyển dữ liệu giữa các chương trình ứng dụng một cách tin cậy hoàn toàn TCP làgiao thức tiêu biểu nhất, phổ biến nhất phục vụ việc thực hiện chức năng nói trên TCP

hỗ trợ việc trao đổi dữ liệu trên cơ sở dịch vụ có nối Khi dữ liệu nhận, giao thức TCPlấy những gói được gửi từ lớp Internet và đặt chúng theo thứ tự của nó, bởi vì nhữnggói có thể đến vị trí đích theo phương thức không theo một thứ tự, và kiểm tra nếu nộidung của gói nhận có nguyên vẹn hay không và gửi tín hiệu Acknowledge – chấp nhận– tới bên gửi, cho biết gói dữ liệu đã đến đích an toàn Nếu không có tín hiệuAcknowledge của bên nhận (có nghĩa là dữ liệu chưa đến đích hoặc có lỗi), bên truyền

sẽ truyền lại gói dữ liệu bị mất Bên cạnh TCP, một giao thức khác cũng được sử dụngcho lớp vận chuyển đó là UDP (User Data Protocol) Khác với TCP, UDP cung cấpdịch vụ không hướng kết nối cho việc gửi dữ liệu mà không đảm bảo tuyệt đối đếnđích, không đảm bảo trình tự đến đích của các gói dữ liệu.

Như vậy TCP được coi là một giao thức tin cậy, trong khi UDP được coi là giaothức không đáng tin cậy Tuy nhiên UDP lại đơn giản hơn và có hiệu suất nhanh hơnTCP, chỉ đòi hỏi một cơ chế xử lí giao thức tối thiểu và thường được dùng làm cơ sởthực hiện các giao thức cao cấp theo yêu cầu riêng của người sử dụng, ví dụ tiêu biểu

là giao thức SNMP Cả hai giao thức UDP và TCP sẽ lấy dữ liệu từ lớp ứng dụng vàthêm header vào khi truyền dữ liệu Khi nhận dữ liệu, header sẽ bị gỡ trước khi gửi dữliệu đến cổng thích hợp Trong header này có một vài thông tin điều khiển liên quanđến số cổng nguồn, số cổng tới đích, chuỗi số (để hệ thống sắp xếp lại dữ liệu và hệthống Acknowledge sử dụng trong TCP) và Checksum (dùng để tính toán xem dữ liệuđến đích có bị lỗi hay không)

Header của UDP có 8 byte trong khi header của TCP có 20 hoặc 24 byte (tùytheo kiểu byte lựa chọn) Dữ liệu ở lớp này sẽ được chuyển tới lớp Internet nếu truyền

dữ liệu hoặc được gửi từ lớp Internet tới nếu nhận dữ liệu

Lớp Internet: có chức năng chuyển giao dữ liệu giữa nhiều mạng được liên kết

với nhau Có một vài giao thức mà làm việc ở lớp Internet như: IP (Internet Protocol)

có chức năng gán địa chỉ cho dữ liệu trước khi truyền và định tuyến chúng tới đích,ICMP (Internet Control Message Protocol) có chức năng thông báo lỗi trong trườnghợp truyền dữ liệu bị hỏng, ARP (Address Resolution Protocol) có chức năng lấy địachỉ MAC từ địa chỉ IP

Với giao thức IP, lớp Internet được sử dụng có nhiệm vụ thêm header tới gói dữliệu được nhận từ lớp vận chuyển, là một loại dữ liệu điều khiển khác, nó sẽ thêm địachỉ IP nguồn và địa chỉ IP đích – có nghĩa là địa chỉ IP của bên gửi dữ liệu và bên nhận

dữ liệu Mỗi datagram của IP có kích thước lớn nhất là 65.535 byte, bao gồm cảheader mà có thể dùng 20 hoặc 24 byte, phụ thuộc vào sự lựa chọn trong chương trình

sử dụng Như vậy datagram của IP có thể mang 65.515 byte hoặc 65.511 byte, giaothức IP sẽ cắt gói xuống thành nhiều datagram nếu thấy cần thiết

Đối với mạng Ethernet, dữ liệu có thể lên tới 1500 byte, nghĩa là kích thước lớnnhất trường dữ liệu của frame được gửi lên mạng MTU (Maximum Transfer Unit) cógiá trị 1500 byte Như vậy hệ điều hành tự động cấu hình giao thức IP để tạo radatagram của IP có chiều dài 1500 byte mà không phải là 65.535 byte

Hình dưới minh họa datagram được tạo ra từ lớp Internet bằng giao thức IP.Như chúng ta đã đề cập header được giao thức IP thêm vào bao gồm địa chỉ IP nguồn,địa chỉ IP đích và một vài thông tin điều khiển

Lớp truy cập mạng: liên quan tới việc trao đổi dữ liệu giữa hai trạm thiết bị

trong cùng một mạng Các chức năng bao gồm việc kiểm soát truy nhập môi trườngtruyền dẫn, kiểm soát lỗi và lưu thông dữ liệu Datagram được tạo từ lớp Internet sẽđược gửi xuống tới lớp truy nhập mạng nếu truyền dữ liệu, hoặc lớp truy nhập mạng sẽlấy dữ liệu từ mạng và gửi nó tới lớp Internet nếu chúng ta nhận dữ liệu Như đã đềcập ở phần trên, Ethernet là giao thức cấp dưới có ba lớp LLC (Logic Link Control),MAC (Media Access Control) và lớp vật lí Physical

Lớp MAC (điều khiển truy nhập phương tiện truyền thông) có nhiệm vụ lắp rápframe mà sẽ được gửi lên mạng, thêm địa chỉ MAC nguồn và địa chỉ MAC đích Địachỉ MAC là địa chỉ vật lí của cạc mạng Những frame mà là đích tới mạng khác sẽdùng địa chỉ MAC của router như là địa chỉ đích

Lớp vật lí: đề cập tới giao diện vật lí giữa một thiết bị truyền dữ liệu với môi

trường truyền dẫn hay mạng, trong đó có các đặc tính tín hiệu, chế độ truyền, tốc độtruyền và cấu trúc cơ học của các phích cắm, giắc cắm Lớp này có nhiệm vụ chuyểnđổi frame do lớp MAC tạo ra thành tín hiệu điện (đối với hệ thống dây dẫn mạng bằngcable) hoặc thành song từ trường (đối với hệ thống mạng không dây)

1.1.3.5 Cấu trúc Bus(Linear Bus Topology)

Trong cấu trúc đơn giản này, tất cả các thành viên của mạng đều được nối trựctiếp với một đường dẫn chung Hai cấu trúc đầu cũng được xếp vào kiểu cấu trúcđường thẳng, bởi hai đầu đường truyền không khép kín Loại hình mạng này dùng dâycáp ít nhất, dễ lắp đặt Tuy vậy cũng có những bất lợi đó là sẽ có sự ùn tắckhi dichuyển dữ liệu với lưu lượng lớn và khi có sự hỏng hóc ở đoạn nào đó thì rất khó pháthiện, một sự ngừng trên đường dây để sửa chữa sẽ ngừng toàn bộ hệ thống

Có thể phân biệt ba kiểu cấu hình trong cấu trúc bus: daisy-chain;truck-line/drop- line và mạch vòng không tích cực.

Hình 1.6 Các cấu trúc dạng bus

 Cấu trúc mạch vòng

Cấu trúc mạch vòng thiết kế sao

cho các thành viên trong mạng được nối

từ điểm này tới điểm kia một cách tuần

tự trong một mạch vòng khép kín Khác

với cấu trúc đường thẳng, tín hiệu được

truyền đi theo một chiều quy định Một

trạm nhận dữ liệu từ trạm đứng trước và

chuyển tiếp sang trạm lân cận đứng sau

Quá trình này lặp lại tới khi dữ liệu quay

trở về trạm đã gửi, nó sẽ được hủy bỏ

Hình 1.7 Cấu trúc hình sao

 Cấu trúc hình sao

Cấu trúc hình sao bao gồm một trạm trung tâm và các nút thông tin Trạmtrung tâm có nhiệm vụ nhận tín hiệu từ các trạm và chuyển tín hiệu đến trạm đíchvới phương thức điểm-điểm Trạm này có thể là một bộ chuyển mạch, một bộ chọnđường, hoặc đơn giản là một bộ phân kênh

Truck-line

line

Ưu điểm của cấu trúc này là không bị ách tắc thông tin trên đường truyền,lắp đặt đơn giản, dễ dàng cấu hình lại (thêm, bớt trạm), có trục trặc trên một trạmcũng không ảnh hưởng đến toàn mạng, nhanh kiểm soát và khắc phục sự cố Nhượcđiểm là tốn nhiều cáp, độ dài đường truyền đến trạm trung tâm bị hạn chế

1.2 Giới thiệu chung S7 1200

Bộ điều khiển logic khả trình PLC S7-1200 mang lại tính linh hoạt và sức mạnh

để điều khiển nhiều thiết bị đa dạng hỗ trợ các yêu cầu về điều khiển tự động Sự kếthợp giữa thiết kế thu gọn, cấu hình linh hoạt và tập lệnh mạnh mẽ đã khiến cho S7-

1200 trở thành một giải pháp hoàn hảo dành cho việc điều khiển nhiều ứng dụng đadạng khác nhau

CPU của PLC S7 1200 được kết hợp với 1 vi xử lý, 1 bộ nguồn tích hợp, các tínhiệu đầu vào/ra, thiết kế theo nền tảng Profinet, các bộ đếm/phát xung tốc độ cao tíchhợp trên thân, điều khiển vị trí ( motion control) và ngõ vào analog đã làm cho PLC S7

1200 trở thành bộ điều khiển nhỏ gọn nhưng mạnh mẽ CPU giám sát các ngõ vào vàlàm thay đổi ngõ ra theo logic của chương trình, có thể bao gồm các hoạt động nhưlogic Boolean, việc đếm, định thì, các phép toán phức hợp và việc truyền thông với cácthiết bị thông minh khác

Một số tính năng bảo mật giúp bảo vệ việc truy xuất đến cả CPU và chươngtrình điều khiển:

- Mỗi CPU cung cấp một sự bảo vệ bằng mật khẩu cho phép cấu hình việctruy xuất đến các chức năng của CPU

Trạm trung tâm trung tâm Trạm

Trạm trung tâm trung tâm

- Có thể sử dụng chức năng “know-how protection” để ẩn mã nằm trong mộtkhối xác định

PLC S7 1200 được tích hợp sẵn 1 cổng Profinet để truyền thông mạng Profinet.Ngoài ra PLC S7 1200 có thể truyền thông Profibus, GPRS, RS485 hoặc RS 232 thôngqua các module mở rộng

Hình 1.6 CPU S7 1200 – 1214C

Cấu tạo CPU S7 1200:

1) Nguồn cấp PC2) Thẻ nhớ MMC3) Kết nối với các module mở rộng4) Đèn LED hiển thị I/O trên board5) Kết nối Profinet

1.2.1 Các thông số của các dòng CPU thông dụng

Các kiểu CPU khác nhau cung cấp một sự đa dạng các tính năng và dung lượnggiúp cho chúng ta tạo ra các giải pháp có hiệu quả cho nhiều ứng dụng khác nhau Vìvậy mà nhà sản xuất đã đưa ra các loại CPU 1211C, 1212C, 1214C, 1215C

Hình 1.7 Hình ảnh của CPU S7-1200

Bảng 1.1: Thông số kĩ thuật của CPU 1211C/ 1212C/ 1214C

 2 ngõ vào

 8 ngõ vào /6ngõ ra

 2 ngõ vào

 14 ngõ vào/ 10ngõ ra

 2 ngõ vào

Kích thước ảnh tiến trình 1024 byte ngõ vào (I) và 1024 byte ngõ ra (Q)

Thời gian lưu giữ đồng hồ

Tốc độ thực thi tính

1.2.2 Các module mở rộng CPU S7 1200

Các dòng CPU của S7-1200 được cung cấp rất nhiều các module mở rộng, cóthể kết nối với CPU chính nhờ đó có thể tăng thêm khả năng sử dụng đầu vào ra hoặccác giao thức truyền thông khác Với chính các thiết bị của SIEMEN hay các thiết bịkhácModule kết nối thông thường qua Network

Hình 1.8 Hình ảnh của các module kết nối qua network

① Module truyền thông (CM), bộ xử lý thông tin (CP)

② CPU S7-1200

③ Signal borad (SB), communication board (CB), Battery board (BB)

④ Module tín hiệu (SM)

Bảng 1.2: Bảng thông số tín hiệu của các module

Module Chỉ ngõ vào Chỉ ngõ ra Kết hợp In/Out

tương tự

4x Analog In 8x Analog In

2x Analog Out 4x Analog Out 4x Analog In/2x

Analog Out

4x5VDC, 200kHz

RTD:

4x16 bit TC 8x16 bit TC

2 x Analog Out

4 x Analog Out 4 x Analog In/ 2 x Analog Out

Bảng 1.4: Bảng thông số tín hiệu Module

Module truyền thông

AS-I Master (CM 1243-2) AS-Interface

Module kết nối qua Wifi và GPRS

SMS

GPRS

Wifi

Hình 1.9 Hình ảnh của các module mở rộng SMS, GPRS, Wifi

1.2.3 Trạng thái của các đèn báo tín hiệu của PLC S7-1200

Dòng 1200 có rất nhiều CPU nhưng chúng em sử dụng CPU 1214C của dòng

S7-1200 Với dòng này thì có số lượng đầu vào ra lớn hơn các dòng CPU 1211C và1212C Cụ thể là 24 đầu vào/ra trong đó có 14 đầu vào và 10 đầu ra Trong đó khi cácđèn LED sáng ta có thể biết được các trạng thái hoạt động của PLC

CPU và các module I/O sử dụng các LED để cung cấp thông tin về cả các trạng tháihoạt động của module lẫn của I/O CPU cung cấp các bộ chỉ trạng thái sau đây:

- STOP/RUN

 Màu cam thuần túy chỉ thị chế độ STOP

 Màu xanh lá thuần túy chỉ thị chế độ RUN

 Màu nhấp nháy (luân phiên giữa xanh lá và cam) chỉ thị CPU đang khởi động

- ERROR

 Màu đỏ nhấp nháy chỉ thị một lỗi, như một lỗi nội bộ trong CPU, một lỗi vớithẻ nhớ, hay một lỗi về cấu hình (các module không tương thích)

 Màu đỏ thuần túy chỉ thị phần cứng bị hỏng

- MAINT (Maintenance) nhấp nháy khi ta gắn vào một thẻ nhớ CPU sau đó chuyểnsang chế độ STOP Sau khi CPU đã chuyển sang chế độ STOP, thực hiện mộttrong các hàm sau đây để bắt đầu sự định lượng thẻ nhớ

 Thay đổi CPU sang chế độ RUN

 Thực hiện một sự đặt lại bộ nhớ (MRES)

 Chu trình cấp điện CPU

Bảng 1.5: Bảng tóm tắt chức năng của đèn

Miêu tả Màu cam/ xanh lá cây

STOP/RUN

Màu đỏ ERROR

Màu cam MAINT

Khởi động, tự kiểm tra,

cập nhật firmware

Nhấp nháy (luân phiên

-Lấy ra thẻ nhớ On (màu cam) - Nhấp nháy

-Được yêu cầu duy trì On (cả màu cam lẫn xanh

Kiểm tra LED hay

fimware CPU bị hỏng

Nhấp nháy (luân phiên

CPU còn cung cấp hai LED chỉ thị trạng thái truyền thông PROFINET Để xemcác LED PROFINET, ta mở tấm che dãy đầu nối dưới đáy:

- Link (xanh lá) được bật lên chỉ một kết nối thành

- Rx/Tx (màu vàng) bật lên chỉ hoạt động truyền phát

CPU và mỗi module tín hiệu (CM) kiểu số cung cấp một LED kênh I/O cho mỗimột trong các ngõ vào và ngõ ra số Kênh I/O (xanh lá) chuyển sang bật hay tắt để chỉđịnh trạng thái của ngõ vào hay các ngõ ra riêng lẻ

Thêm vào đó, mỗi SM kiểu số cung cấp một LED DIAG chỉ thị trạng thái củamodule:

- Màu xanh lá chỉ thị rằng module đang làm việc

- Màu đỏ chỉ thị rằng module bị hỏng hay không làm việc

Mỗi SM kiểu tương tự cung cấp LED kênh I/O cho mỗi một trong các ngõ vào

ra kiểu tương tự:

- Màu xanh lá chỉ thị rằng kênh đã tìm được cấu hình và đang hoạt động

- Màu đỏ chỉ thị một điều kiện lỗi của một ngõ vào hay ngõ ra kiểu tương tựriêng lẻ

SM phát hiện sự cố hiện diện hay vắng mặt của tín hiểu đến module

Bảng 1.6: Bảng miêu tả chức năng khi đèn sáng

Miêu tả DIAG

(Màu đỏ/ Xanh lá)

Kênh I/O (Màu đỏ/ Xanh lá)

Không được cấu hình hay cập

Module được kết cấu hình mà

-Lỗi I/O (với các chuẩn đoán

Lỗi I/O (với các chuẩn đoán

1.2.4.1 Cách cài đặt phần cứng cho CPU chính

Khi ta cài đặt phần cứng ta cần phải đảm bảo cần có những khoảng không giantối thiểu để cho CPU có thể hoạt động một cách an toàn nhất Khi CPU làm việc sẽphát sinh ra nhiệt nên cần đảm bảo được điều kiện thoáng khí (với các khoảng cáchnhư hình sau) Cũng như đảm bảo được sự chắc chắn khi hoạt động

Hình 1.10 Không gian cần thiết khi cài đặt PLC

Bảng 1.7: Cách gắn CPU lên giá đỡ

Đặt trên thanh gá Xác định được chính xác

vị trí đặt CPU

1 Đảm bảo chắc chắn rằng CPU không được kết nối với nguồn điện

2 Đặt CPU lên trên thanh gá của CPU

3 Đẩy thanh gá dọc theo phần dưới của CPU cho đến gần hết thanh gá

4 Dùng lực đẩy CPU đè xuống thanh gá

5 Đẩy chiếc lẫy của CPU vào

Các chú ý khi cài đặt:

- Tránh đặt quá sát các thiết bị với nhau

- Cần tránh xa những nơi có nhiệt độ cao và điện áp cao

- Tránh để cho CPU tiếp xúc trực tiếp đến điều kiện tự nhiên

- Phải đảm bảo được sự chắc chắn của CPU

1.2.4.2 Cách cài đặt module mở rộng

Ngoài CPU chính ra thì dòng S7-1200 còn tích hợp thêm rất nhiều các module

mở rộng Để đảm bảo được rằng sự linh hoạt trong điều khiển cũng như ứng dụng trênnhững bài toán phức tạp hơn

Bảng 1.8: Cách cài đặt các module SB, CB, BB

1 Đảm bảo chắc chắn rằng CPU và các phần

tử liên quan không được kết nối với nguồn

2 Gỡ bỏ các đầu nối ra vào với CPU

3 Đặt cạnh của tuốc nơ vít vào cái khe cắm của nắp đậy (như hình trên)

4 Nhẹ nhàng cây nắp lên và nhấc ra ngoài

5 Đặt module mở rộng thẳng xuống với vị trí cần lắp đặt

6 Bấm và giữ cho module vào đúng vị trí cần lắp đặt

Cách gỡ bỏ thì thực hiện ngược lại với quá trình trên nhưng phải tuyện đối tuânthủ theo nguyên tắc an toàn lên hàng đầu

3 Dùng tuốc nơ vít đặt vào rãnh lắp (như hình vẽ)

4 Nhẹ nhàng cậy và bỏ phần nắp ra

Kết nối module SM với CPU:

1 Đặt module bên cạnh CPU

2 Móc 1 đầu của module vào cạnh của thanh gá

3 Đẩy module vào cạnh CPU sao cho dúng vị trí của chân cắm

4 Ấn module SM xuống và đẩy chiếc lẫy khóa module lại thanh gá.

Kết quả khi kết nối xong

Bảng 1.10: Cách cài đặt module mở rộng CM và CP

Hình ảnh miêu tả công việc Quy trình thực hiện

1 Đảm bảo CPU đã được ngắt khỏi nguồn

2 Gắn module mở rộng vào CPU trước khi gắp chúng lên thanh gá

3 Tháo nắp đậy bên trái CPU dùng cạnh tuốc nơ vít đặt vào khe cạnh của nắp Nhẹ nhàng cậy bỏ nắp ra

4 Tháo nắp ra và cất đi dành cho lần sau

sử dụng

5 Kết nối module mở rộng với CPU Đặt

và ấn sao cho mdule kết nối với CPU một cách chắc chắn nhất

Điều đặc biệt của CPU S7-1200 so với các CPU trước đó là chúng có module

mở rộng SM Điều đặc biệt là chúng có thể điều khiển các cơ cấu chấp hành đằng sau

có thể thông qua GPRS hoặc có thể qua tin nhắn SMS Mà chúng ta không cần đến cácthiết bị kết nối trực tiếp từ bộ phận điều khiển đến CPU Nhằm phục vụ cho nhưng bàitoán phức tạp mà hệ thống dây dẫn, kết nối khó có thể kết nối được

Bảng 1.11: Cách lắp đặt module mở rộng SMS

Bảng 1.12: Hình ảnh cài đặt Sim Card cho CPU

Quy trình thực hiện Hình ảnh miêu tả công việc

Dùng một vật nhọn ấn

mạnh vào phần lẫy của sim

thẻ và lấy phần sim ra.

Đặt SIM thẻ vào trong khe

SIM và đẩy chúng vào vị trí

1.3.1 Giới thiệu phần mềm Tia Portal

Tia Portal (Total Intergrated Automation Portal) là phần mềm cơ sở tích hợpcác phần mềm lập trình cho các hệ tự động hóa và truyền động điện: PLC, HMI,Inverter của Siemens Nó cung cấp một môi trường thân thiện cho chúng ta nhằm pháttriển, chỉnh sửa và giám sát mạng logic được yêu cầu để điều khiển ứng dụng, baogồm các công cụ dành cho quản lý và cấu hình tất cả các thiết bị trong đề án, như cácthiết bị PLC hay HMI

Tia Portal thích hợp cho cả những người mới hay cả những người có nhiều kinhnghiệm trong lập trình Phần mềm đã tích hợp tự động hóa toàn diện các ứng dụng của

Siemens Ví dụ để lập trình các bộ điều khiển Simatic, Simatic WinCC V13 để kết nốivới các màn hình HMI và chạy SCADA trên máy tính Mà Tia Portal thì chạy đượctrên từ Win XP SP3 trở lên của các PC

Tia Portal giúp cho các phần mềm của Siemens chia sẻ cùng một dữ liệu, tạonên sự thống nhất trong giao diện tính toàn vẹn cho ứng dụng Tất cả các thiết bị, cảmạng truyền thông bây giờ đã có thể được tích hợp, xử lý trên cùng một cửa sổ.Hướng các ứng dụng, các khái niệm về thư viện, quản lý dữ liệu lưu trữ dự án, chuẩnđoán lỗi, các tính năng Online và nhiều đặc điểm rất tiện ích đã được tích hợp

Tia Portal có một giao diện hết sức tiện ích, trực quan, dễ sử dụng, đặc biệtngoài sự tích hợp đó thì Tia Portal còn đảm bảo được có được sự thẩm mĩ cao Khôngcần PC quá cao cũng có thể sử dụng được Tia Portal

Đó là những mặt mới rất tích cực của phần mềm TIA Portal đã được phát triểnbởi các chuyên gia viết phần mềm của Siemens Đó là những điểm nổi bật mà ta khôngthể bỏ qua của TIA Portal so với các phần mềm lập trình của các hãng khác

1.3.2 Khởi tạo dự án và cấu hình

Bước 1: Khởi tạo chương trình Tia Portal

Hình 1.11 Giao diện của phần mềm Tia Portal

Bước 2: Chọn “Create new project” để tạo một dự án

Hình 1.12 Tạo New project

Bước 3: Chọn “Configure a driver”cấu hình thiết bị “First steps → configure a driver”

Hình 1.13 Cấu hình cho thiết bị

Bước 4: Chọn loại CPU của PLC, cửa sổ Devices & networks hiện ra Click “Add newdevice” để thêm thiết bị, Chọn “Controllers→ SIMATIC S7-1200 → CPU → CPU1214C AC/DC/Rly → 6ES7 214-1BE30-0XB0”