Tìm hiểu về giao diện, giao thức các hệ thống mạng trong Công nghiệp

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG - - NGUYỄN HOÀNG ĐỨC TÌM HIỂU VỀ GIAO DIỆN GIAO THỨC CÁC HỆ THỐNG MẠNG TRONG CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH Thái nguyên, 10/2011 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG - - NGUYỄN HOÀNG ĐỨC TÌM HIỂU VỀ GIAO DIỆN GIAO THỨC CÁC HỆ THỐNG MẠNG TRONG CÔNG NGHIỆP CHUYÊN NGÀNH: KHOA HỌC MÁY TÍNH MÃ SỐ : 60 48 01 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS PHÍ MẠNH LỢI Thái nguyên, 10/2011 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn i LỜI CAM ĐOAN Tôi tên : Nguyễn Hoàng Đức Tôi cam đoan rằng, luận văn thạc sĩ “Tìm hiểu giao diện, giao thức hệ thống mạng công nghiệp” công trình nghiên cứu riêng Các thông tin, số liệu sử dụng luận văn trung thực xác, số liệu sử dụng rõ nguồn trích dẫn danh mục tài liệu tham khảo Kết nghiên cứu chưa công bố công trình nghiên cứu từ trước đến Thái nguyên, ngày 20/09/2011 Học viên Nguyễn Hoàng Đức Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ii LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành chương trình cao học viết luận văn này, nhận hướng dẫn, giúp đỡ góp ý nhiệt tình quý thầy cô Trường Đại Học Công Nghệ Thông Tin Truyền Thông, Thầy Viện Công Nghệ Thông Tin Việt Nam Tôi xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến Tiến sĩ Phí Mạnh Lợi dành nhiều thời gian tâm huyết hướng dẫn nghiên cứu giúp hoàn thành luận văn tốt nghiệp Nhân đây, xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu Trường Đại Học Công Nghệ Thông Tin Truyền Thông – Đại học Thái Nguyên tạo nhiều điều kiện để học tập hoàn thành tốt khóa học Mặc dù có nhiều cố gắng hoàn thiện luận văn tất nhiệt tình lực mình, nhiên tránh khỏi thiếu sót, mong nhận đóng góp quí báu quí thầy cô bạn Thái nguyên, tháng 10 năm 2011 Học viên Nguyễn Hoàng Đức Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn iii MỤC LỤC Trang phụ bìa Lời cam đoan Mục lục i Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt ii Danh mục bảng iii Danh mục hình (hình vẽ, ảnh chụp, đồ thị ) iv Mở đầu Chương 1: Hệ thống điều khiển phân tán 1.1 Hệ thống SCADA phân cấp quản lý 1.2 Chức số giao thức chuẩn áp dụng hệ thống SCADA: 1.2.1 Chức hệ thống SCADA: 1.2.2 Một số giao thức chuẩn áp dụng hệ thống SCADA: 1.3 Các thành phần hệ điều khiển phân tán 1.3.1 Cấu hình 1.3.2 Trạm điều khiển cục 1.3.3 Bus trường trạm vào/ra từ xa 1.3.4 Trạm vận hành 1.3.5 Trạm kỹ thuật công cụ phát triển 11 1.3.6 Bus hệ thống 12 1.4 Phân loại hệ DCS 13 1.4.1 Các hệ DCS truyền thống 13 1.4.2 Các hệ DCS PLC 14 1.4.3 Các hệ DCS PC 16 1.4.4 DCS sở RTU, PLC IED 17 1.5 Các vấn đề kỹ thuật 17 1.6 Xử lý thời gian thực xử lý phân tán 18 1.6.1 Hệ thống thời gian thực 18 1.6.2 Xử lý thời gian thực 19 1.6.3 Hệ điều hành đa nhiệm ứng dụng thời gian thực 20 1.6.4 Xử lý phân tán 21 1.7 Đồng hóa xử lý phân tán 1.7.1 Đồng hóa tín hiệu vào/ra Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 22 22 http://www.lrc-tnu.edu.vn iv 1.7.2 Đồng hóa thời gian 23 Chương : Giao diện-giao thức cấu hình mạng 24 2.1 Truyền tin nối tiếp 24 2.1.1 Truyền tin nối tiếp dị 24 2.1.2 Truyền tin nối tiếp đồng 25 2.2 Tín hiệu đơn tín hiệu vi sai: 26 2.1.1 Truyền dẫn sử dụng tín hiệu đơn (Single-Ended) 26 2.1.2 Truyền dẫn sử dụng tín hiệu vi sai (Differential) 27 2.1.3 Khả chống nhiễu tín hiệu đơn tín hiệu vi sai 27 2.3 Đơn truy cập đa truy cập 27 2.3.1 Đa truy cập giao diện RS485 28 2.3.2 Đa truy cập CSMA/CD 29 2.3.3 Đa truy cập CSMA/CA 30 2.3.4 Đa truy cập CDMA 30 2.3.5 Giả ngẫu nhiên, nén phổ thông tin trái phổ 31 2.4 Cấu hình mạng: Star, Ring, Bus, Optical Cable 36 2.4.1 Cấu hình mạng Star 36 2.4.2 Cấu hình mạng Ring 37 2.4.3 Cấu hình mạng Bus 38 2.4.4 Optical Cable 38 2.5 Giao diện giao thức: 42 2.6 Giao diện 42 2.6.1 Giao diện RS232 42 2.6.2 Giao diện RS485 45 2.6.2.1 Đặc điểm giao diện RS485 45 2.6.2.2 Khả kết nối: 46 2.6.2.3 Mạng truyền nhận RS-485 47 2.6.3 Sự khác RS 232 RS 485 48 2.6.4 Kết nối dùng chuẩn X.25 48 2.6.5 Ethernet 49 2.6.5.1 Ethernet ? 49 2.6.5.2 Hệ thống Ethernet 50 2.6.5.3 Sự đời chuẩn Ethernet 50 2.6.5.4 Các thành phần Ethernet 51 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn v 2.6.5.5 Hoạt động Ethernet 51 2.7 Giao thức 2.7.1 Giao thức truyền tin 52 2.7.1.1 Thiết bị DTE DCE 52 2.7.1.2 Kênh liệu liên kết liệu: 52 2.7.1.3 Các loại giao thức truyền tin: 55 2.7.1.4 Đánh giá giao thức COP: 57 2.7.1.5 Đánh giá giao thức dạng BOP: 58 2.7.2 Giao thức MODBUS 58 2.7.2.1 Lịch sử Modbus protocol 58 2.7.2.2 Cấu trúc thông điệp Modbus 59 2.7.2.3 Các chế độ truyền thông nối tiếp Modbus 60 2.7.2.4 Địa Modbus 61 2.7.2.5 Các mã chức Modbus 61 2.7.2.6 Qui chiếu địa Modbus 62 2.7.2.7 Ví dụ số khung tin Modbus 62 2.7.3 Giao thức Profinet 63 2.7.4 Giao thức IEC870-5-101; 103; 104; ICCP ELCOM90 64 2.7.5 Giao thức TCP/IP 68 2.7.6 Quan hệ giao thức lớp thấp lớp cao 71 2.7.7 So sánh TCP/IP với mô hình OSI 78 Chương : Hệ thống mạng công nghiệp ứng dụng xây dựng cảnh báo 32 kênh sử dụng giao diện RS232/RS485 79 3.1 Mạng truyền thông công nghiệp gì? 79 3.2 Phân loại đặc trưng hệ thống mạng công nghiệp 80 3.2.1 Các lớp (cấp chấp hành) 80 3.2.2 Lớp (Điều khiển) 82 3.2.3 Lớp (quản lý) 83 3.2.4 Lớp Scada 84 3.3 An toàn mạng 85 3.4 Ứng dụng xây dựng cảnh báo 32 kênh sử dụng giao diện RS232/RS485 PHẦN KẾT LUẬN Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 90 95 http://www.lrc-tnu.edu.vn vi KIẾN NGHỊ NHỮNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 96 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÓ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN 97 TÀI LIỆU THAM KHẢO 98 PHỤ LỤC 99 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn iv DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt LCS LCU OS ES PS CPU DCS COP BOP I/O ECC Chữ đầy đủ, nghĩa Local control station ; Trạm điều khiển cục local control unit ; Khối điều khiển cục operator station, trạm vận hành engineering station, Trạm kỹ thuật process station, trạm trình(xử lý) Center Processing Unit; Bộ xử lý trung tâm Distributed Control Systems; Hệ thống điều khiển phân tán Character Oriented Protocol; Giao thức truyền tin dạng ký tự Bit (Binary) Oriented Protocol ; Giao thức truyền tin dạng Bít Reference Model for Open Systems Interconnection Mô hình tham chiếu cho việc kết nối hệ thống mở Supervisory Control and Data Acquisition Hệ thống điều khiển giám sát thu thập liệu Remote Terminal Unit ; Là thiết bị điều khiển vi xử lý Programmable Logic Controller thiết bị điều khiển chương trình (phần mềm) (In put/Out put) Error checking and correcting ; Kiểm tra lỗi sửa lỗi DTE Data Terminal Equipement ; Thiết bị đầu cuối liệu DCE Data Communication Equipement; Thiết bị đầu cuối viễn thông Transmission Control Protocol/ Internet Protocol Giao thức điều khiển/ Giao thức Internet Cyclic Redundancy Check ; Phương pháp mã đa thức hay mã vòng Spread Spectrum Communication - Thông tin trải phổ Pseudo Random - Giả ngẫu nhiên Global Positioning Systeem - Hệ thống định vị toàn cầu (USA) OSI SCADA RTU PLC TCP/IP CRC SSC PR GPS GLONASS CDMA CSMA/CD CSMA/CA LAN Глoбальная Нaвигационная Спутниковая Система – Hệ thống dẫn đường vệ tinh toàn cầu (Liên xô/Nga) Code Division Multiple Access ; đa truy nhập (đa người dùng) phân chia theo mã Carrier sense Multiple Access with Collision Detect đa truy cập nhận biết sóng mang, phát xung đột Carrier sense Multiple Access with Collision Avoidance đa truy cập nhận biết sóng mang , tránh xung đột Local Area Network – Mạng cụ Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn v Wireless LAN LAN không dây DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Nội dung Hình Trang Hình 1.1 Tổng quan hệ thống SCADA Hình 1.2 Cấu hình hệ điều khiển phân tán Hình 1.3 Một số hình ảnh tủ điều khiển DCS Hình 1.4 Các phương pháp bố trí trạm vận hành 10 Hình 1.5 Cấu hình tiêu biểu hệ điều khiển phân tán đại 12 Hình 1.6 Các thành phần chức PLC 15 Hình 2.1 Khả chống nhiễu truyền tín hiệu đơn tín hiệu vi sai 27 Hình 2.2 Phổ rời rạc dãy bít số liệu 31 Hình 2.3 Phổ liên tục dãy giả ngẫu nhiên PN PND 33 Hình 2.4 Ngẫu nhiên hóa số liệu 34 Hình 2.5 Các trường hợp trải phổ nén phổ 34 Hình 2.6 Tạo kênh liên lạc dãy giả ngẫu nhiên 35 Hình 2.7 Mô hình mạng Star 36 Hình 2.8 Mô hình mạng Ring 37 Hình 2-9 Cấu trúc mạng hình tuyến 38 Hình 2.10 Hình dạng cáp quang 38 Hình 2.11 Cổng nối tiếp chân 42 Hình 2.12 Đường truyền cân 46 Hình 2.13 Đường truyền không cân 46 Hình 2.14 Sơ đồ giao thức Master/Slave 47 Hình 2.15 Kết nối WAN dùng mạng X25 48 Hình 2.16 Liên kết liệu DTE DCE 52 Hình 2.17 Các cấu hình liên kết liệu 53 Hình 2-18 Kiến trúc TCP/IP 68 Hình 2-19 Quá trình đóng/mở gói liệu TCP/IP 70 Hình 2-20 Cấu trúc liệu TCP/IP 71 Hình 2.21 Mô hình OSI 75 Hình 2.22 So sánh TCP/IP với mô hình OSI 78 Hình 3.1 Mô hình phân cấp chức công ty sản xuất công nghiệp 80 Hình 3.2 Phía trước cảnh báo 92 Hình 3.3 Phía sau cảnh báo 93 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read ...ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG - - NGUYỄN HOÀNG ĐỨC TÌM HIỂU VỀ GIAO DIỆN GIAO THỨC CÁC HỆ THỐNG MẠNG TRONG CÔNG NGHIỆP CHUYÊN NGÀNH: KHOA HỌC MÁY... 1: Hệ thống điều khiển phân tán 1.1 Hệ thống SCADA phân cấp quản lý 1.2 Chức số giao thức chuẩn áp dụng hệ thống SCADA: 1.2.1 Chức hệ thống SCADA: 1.2.2 Một số giao thức chuẩn áp dụng hệ thống. .. Nguyễn Hoàng Đức Tôi cam đoan rằng, luận văn thạc sĩ Tìm hiểu giao diện, giao thức hệ thống mạng công nghiệp công trình nghiên cứu riêng Các thông tin, số liệu sử dụng luận văn trung thực xác,