Ứng dụng hệ thống APOGEE để nâng cấp hệ thống tự động hoá nhà petro việt nam tower vũng tàu

Với tòa nhà PetroVietnam towers Vũng Tàu, do xây dựng đã lâu năm 1997 và khi đó công nghệ để thực hiện chức năng BAS phát triển chưa hoàn thiện nên các thiết bị trong tòa nhà hầu như khô

PHAN VĂN HÒA

ỨNG DỤNG HỆ THỐNG APOGEE ĐỂ NÂNG CẤP HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HÓA NHÀ PETRO VIET NAM TOWER VŨNG TÀU

LUẬN VĂN THẠC SỸ: ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

PHAN VĂN HÒA

ỨNG DỤNG HỆ THỐNG APOGEE ĐỂ NÂNG CẤP HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HÓA NHÀ PETRO VIET NAM TOWER VŨNG TÀU

CHUYÊN NGÀNH: ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG

LUẬN VĂN THẠC SỸ: ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG

HÓA

HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS PHAN XUÂN MINH

HÀ NỘI - 2008

-

PHAN VĂN HÒA

“ỨNG DỤNG HỆ THỐNG APOGEE ĐỂ NÂNG CẤP HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HÓA NHÀ PETRO VIET NAM TOWER VŨNG TÀU”

HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS PHAN XUÂN MINH

HÀ NỘI - 2008

LỜI MỞ ĐẦU

Trong thời đại công nghiệp hóa, hiện đại hóa phát triển nhanh cùng với không khí hội nhập kinh tế quốc tế của Việt Nam hiện nay, chúng ta đã tiến được những bước dài và đã đạt được những thành công và kết quả tương đối khích lệ trong nhiều lĩnh vực kinh tế khác nhau Một trong những thành công đó là qui mô đô thị hóa với hàng loạt các công trình kiến trúc đồ sộ mọc lên để tô đẹp thêm cho thành công và phát triển kinh tế của Việt Nam

Đi cùng với các công trình kiến trúc đó là các yêu cầu về quản lý và sử dụng chúng sao cho hiệu quả và tiện nghi nhất, đặc biệt là đối với các tòa nhà được xây dựng làm văn phòng cho thuê Với những yêu cầu như trên cùng với những thành tựu của khoa học kỹ thuật ngày nay, một giải pháp trọn gói về điều khiển và tự động hóa tòa nhà đã ra đời và đang phát triển mạnh, đó là hệ thống tự động hóa tòa nhà (Building Management System-BMS) Mục tiêu của hệ BMS là tập trung hóa và đơn giản hóa giám sát, hoạt động và quản lý một hay nhiều tòa nhà để tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của tòa nhà bằng cách giảm chi phí nhân công và lượng tiêu thụ điện năng, và cung cấp môi trường làm việc an toàn, thoải mái hơn cho người làm việc bên trong Nhiệm vụ chính của hệ thống BMS là điều khiển, giám sát và quản lý các thiết bị trong toàn bộ tòa nhà, giúp cho việc vận hành, bảo dưỡng và quản lý tòa nhà thuận tiện, an toàn và hiệu quả hơn

Với tòa nhà PetroVietnam towers Vũng Tàu, do xây dựng đã lâu (năm 1997) và khi

đó công nghệ để thực hiện chức năng BAS phát triển chưa hoàn thiện nên các thiết

bị trong tòa nhà hầu như không kết nối được với hệ thống điều khiển trung tâm, chỉ vận hành ở chế độ điều khiển trực tiếp hoặc được điều khiển trong phạm vi hẹp Do

đó việc nâng cấp và xây dựng một hệ thống BMS cho tòa nhà là cần thiết nhằm nâng cao hiệu quả và tăng tính tiện nghi cho tòa nhà

Phạm vi của đề tài này bao gồm việc khảo sát hiện trạng của tòa nhà PetroVietnam Towers Vũng Tàu, thiết kế và ứng dụng hệ thống tự động hóa tòa nhà APOGEE để nâng cấp các hệ thống điều khiển và giám sát trong tòa nhà

Chân thành cảm ơn cô Phan Xuân Minh, và các thày cô khác trong bộ môn Điều

Khiển và Tự Động Hóa cùng với các thầy cô trong khoa Điện Trường Đại Học

Bách Khoa Hà Nội đã giúp em hoàn thành luận văn này

1.1 Khái quát về hệ thống điều khiển công nghiệp 11

1.3 Chức năng cơ bản của thống điều khiển và giám sát 11

2 Mô hình phân cấp chức năng của hệ thống điều khiển 12

2.3.1 Cấu trúc cơ bản của hệ thống điều khiển và giám sát 15

2.3.2.3 Vào/ra trực tiếp với thiết bị trường 17

4 Mạng truyền thông trong các hệ thống điều khiển công nghiệp 22

2.4.6 Một số chuẩn truyền dẫn và môi trường truyền dẫn 44

2.5.1 Khái niệm về hệ thống điều khiển phân tán DCS 47 2.5.2 Mô hình phân lớp của hệ thống điều khiển DCS 49 2.5.3 Các mô hình mạng trong hệ thông điều khiển DCS 51

Chương 3 KHẢO SÁT HIỆN TRẠNG VÀ GIẢI PHÁP ỨNG DỤNG BMS TẠI TÒA

NHÀ PETROVIETNAM TOWERS VŨNG TÀU

2 Những lợi ích mang lại từ việc trang bị hệ thống BMS 56

3 Khảo sát hiện trạng và giải pháp ứng dụng cho từng hệ thống 57

3.7 Hệ thống thông tin liên lạc và thông báo công cộng 63

Chương 4 CHỌN CÁC THIẾT BỊ CHÍNH TRONG HỆ THỐNG BMS

4.1.2 Cảm biến nhiệt độ đường ống gió QAM2161.040 66

4.1.4 Bộ phát hiện khói qua mẫu không khí DBZ1197A 67 4.1.5 Cảm biến chất lượng không khí ống thông gió QPM2162 68 4.1.6 Bộ cảm biến nhiệt độ và độ ẩm trong phòng QFA2060 69

4.1.7 Bộ cảm biến áp suất QBE2002-P40 69

4.2.2 Bộ điều khiển khối điều hòa không khí 72

4.2.5 Module công tắc có thể lập trình PSM-ATS 74 4.2.6 Khối điều khiển relay RCM-4L (Relay Control Module) 75

4.2.8 Bộ điều khiển thiết bị đầu cuối và cơ cấu chấp hành 76

4.3 Yêu cầu chung phần cứng máy tính và phần mềm 78

4.3.4 Một số ứng dụng tiêu biểu của Insight Advanced 80 4.3.5 Một số chương trình tích hợp trên Insight 84

Chương 5 XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐK VÀ TÍCH HỢP HỆ THỐNG

5.1.1 Kiến trúc hệ thống điều khiển của tòa nhà APOGEE 90

5.1.3 Thuật toán & Lập trình điều khiển hệ thống 91

5.1.3.2 Các máy làm lạnh không khí trung tâm 92

5.1.3.3 Các máy làm lạnh không khí 94

5.2.2 Giao diện điều khiển và giám sát hệ thống 105

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

AHU- Air Handling Unit

AI- Analog Input

Ala – Alarm

AO- Analog Output

ARP – Address Resolution Protocol

ASCII- American Standard Code for Information Interchange

ATM – Asynchronous Transfer Mode

BMS – Building Management System

CRC – Cyclic Redundancy Check

CSMA/CA - Carrier Sense Muiltiple Acccess/Collision Avoidance

CSMA/CD-Carrier Sense Muiltiple Acccess/Collision Detection

DCS – Distributed Control System

DDC – Direct Digital Control

DI- Digital Input

DO- Digital Output

DHCP – Dynamic Host Configuration Protocol

DNS-Domain Name System

DCE- Date Circuit-terminating Equipment

DTE- Data Terminal Equipment

ĐK- Điều khiển

EIB- European Installation Bus

IEC – International Electrotechnical Commission

IEEE – Institute of Electrical and Electronic Engineers

FCU – Fan Coil Unit

FTP – File Transfer Protocol

FDDI – Fiber Distributed Data Interface

HTML- Hypertex Makup Language

HTTP – Hypertex Transfer Protocol

HVAC- Heating Ventilation and Air Conditioning

IP – Internet Protocol

ICMP – Internet Control Message Protocol

LAN – Local Area Network

MAC-Media Access Control

Modicon – Module Digital Control

NFS- Network File System

NMS-Network Management Station

NOS – Network Operating System

OSI- Open System Interconection

PLC – Progrmable Logic Control

RACL – Router Access Control List

SCADA – Supervision Control And Data Acquisition

Sche – Cheduling

P2P – Peer to Peer

SNTP – Simple Network Management Protocol

SPX – Sequenced Packet Exchange

TDMA- Time Division Multiple Acccess

TCP – Transmission Control Protocol

UDP – User Datagram Protocol

UDS – Universal Device Server

VSD – Variable Speed Device

VAV – Variable Air Volume

WAN – Wide Area Network

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÒA NHÀ PETROVIETNAM TOWERS

Tòa nhà PetroVietnam Towers là một cao ốc văn phòng 11 tầng được lập dự án từ năm 1996 do Liên Doanh giữa PetroVietnam và tập đoàn Kepple FELS - Singapore Tòa nhà bắt đầu khởi công xây dựng vào năm 1997 và hoàn thành và đưa vào sử dụng từ năm 1999 Tòa nhà được thiết kế một cách hoàn hảo dùng cho mục đích cho thuê văn phòng tại khu vực TP Vũng Tàu Tòa nhà tọa lạc tại vị trí đẹp nhất

TP Vũng tàu, nằm trên một khu đất hình tam giác có diện tích gần 7000 m2, diện tích xây dựng gần 3000m2, còn lại xung quanh được bao bọc bởi khuôn viên cây xanh Tổng diện tích sử dụng trên 15,000m2 Trong đó, tầng trệt sử dụng một phần làm văn phòng và phần còn lại bố trí các hệ thống kỹ thuật, tầng 1 đến tầng 9 dùng

để làm văn phòng cho thuê, tầng 10 dùng để làm phòng hội nghị và tầng 11 là tầng chứa các thiết bị kỹ thuật, các bể nước sinh hoạt và các bể nước để phục vụ chữa cháy

Phần diện tích bên trong được thiết kế rất tiện ích, chính giữa là hệ thống kỹ thuật,

và các thang máy cùng với kết cấu chống động đất, xung quanh là phần diện tích thuê văn phòng mỗi phần diện tích thuê được thông với hành lang chung và được thông với ba cầu thang thoát hiểm nội bộ Toàn bộ các hệ thống tiện ích được bố trí tại khu vực hành lang bao gồm hệ thống nhà vệ sinh, hệ thống bảng hiệu hướng dẫn, hệ thống phòng cháy chữa cháy công cộng, các sảnh của thang máy và các hệ thống kỹ thuật khác Tòa nhà được thiết kế gồm ba thang máy chở khách có tải trọng 1,050kg và một thang chở hàng có cùng tải trọng Trong trường hợp có sự cố

về cháy, các thang tự động ngừng tại tầng gần nhất và mở cửa để thoát hiểm ra ngoài, riêng thang chữa cháy thì vẫn hoạt động để phụ vụ công tác chữa cháy

Được thiết kế bởi công ty kiến trúc nổi tiếng Singapore - Raymond WOO Associated Pte LTD Tòa bộ hệ thống kỹ thuật được thiết kế một cách hoàn hảo: hệ thống điện cung cấp gồm hai máy biến thế có công suất 1500KVA, hệ thống điện được dự phòng (backup) bởi hai máy phát điện có công suất 1500KVA đảm bảo cung cấp điện 24/24 trong trường hợp lưới điện chính bị mất điện Hệ thống phòng cháy chữa cháy được thiết kế một cách hoàn chỉnh bao gồm hệ thống báo cháy gồm các đầu báo khói đặt tại các phòng kỹ thuật, các hành lang và các phòng AHU

Trong trường hợp có khói xuất hiện, hệ thống sẽ kích hoạt hệ thống chuông báo động, người vận hành có thể quan sát vào trung tâm điều khiển đồng thời xác định được khu vực có cháy để tiến hành các bước giải quyết sự cố tiếp theo Ngoài ra, tòa nhà còn được trang bị hệ thống chữa cháy bằng vòi phun tự động với áp suất duy trì gọi là hệ thống Sprinkler, bên cạnh đó hệ thống PCCC còn được trang bị các

hệ thống bơm hoạt động một cách tự động, các hệ thống chữa cháy vách tường hosereel, và hệ thống cuộn vòi Tại mọi vị trí của tòa nhà, tất cả các thiết bị chữa cháy đền có thể tiếp cận một cách dễ dàng

Hệ thống lạnh trung tâm bao gồm ba máy chiller có công suất 400 tấn lạnh cho mỗi máy đặt tại tầng 10, hệ thống phân phối nước lạnh thông qua ba bơm nước Hệ thống cấp khí lạnh cho khu vực văn phòng và hành lang bao gồm 18 Air handling unit (AHU) Trong trường hợp có cháy xảy ra, hệ thống tự động tắt các AHU để không cấp gió cho khu vực cháy, đồng thời các Damper ngăn cháy sẽ hoạt động không cho lửa tràn vào khu vực phòng máy Nhiệt độ bên trong văn phòng được thiết kế 24+/- 10C, khu vực hành lang và khu vực chung là 23+/- 10C

Hệ thống liên lạc nội bộ trong trường hợp khẩn cấp được thiết kế rất phù hợp, từ phòng điều khiển trung tâm, người vận hành có thể liên lạc tất các các khu vực cần thiết bên trong toà nhà như các hành lang chữa cháy, toàn bộ các phòng kỹ thuật

Hệ thống thông gió hoạt động liên tục cung cấp gió tươi cho tòa nhà bao gồm các hành lang chung và khu vực văn phòng Trong trường hợp có cháy, hệ thống cấp gió tươi khu vực cầu thang bộ tự động kích hoạt để tăng áp suất bên trong cầu thang, đảm người sử dụng không bị ngạt khói trong quá trình thoát hiểm Hệ thống

âm thanh công cộng lắp đặt tại khu vực văn phòng và khu vực hành lang, trong trường hợp gặp sự cố, người vận hành có thể sử dụng hệ thống này để thông báo và hướng dẫn thoát hiểm

CHƯƠNG 2

TÌM HIỂU VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TRONG

CÔNG NGHIỆP

2.1 Tổng quan về hệ thống điều khiển

2.1.1 Khái quát về hệ thống điều khiển công nghiệp

Một hệ thống điều khiển là một thiết bị hay một tập hợp các thiết bị để quản lý, điều hành hoặc điều chỉnh hành vi của những thiết bị và hệ thống khác

Mục đích của việc điều khiển là giúp đảm bảo cho toàn bộ hệ thống vận hành ổn định, trơn tru, đảm bảo tốc độ sản xuất, kéo dài tuổi thọ máy móc và giúp cho việc vận hành hệ thống được thuận tiện Hệ thống điều khiển cũng giúp cho toàn

bộ hệ thống vận hành đảm bảo ổn định được chất lượng sản phẩm, an toàn cho máy móc, thiết bị, môi trường và con người khi vận hành Ngoài ra nó còn giúp nâng cáo hiệu quả kinh tế và tăng lợi nhuận cho toàn bộ hệ thống thông qua việc giảm chi phí nhân công, nguyên liệu và nhiên liệu, thích ứng với các yêu cầu thay đổi của thị trường

2.1.3 Các chức năng cơ bản của một hệ thống điều khiển và giám sát

• Điều khiển cơ sở:

ƒ Điều chỉnh tự động(regulatory control)

ƒ Điều khiển servo, điều khiển bám (servo mechanism, tracking problem)

ƒ Điều khiển rời rạc(discrete control)

ƒ Điều khiển trình tự (sequence control)

• Điều khiển vận hành và giám sát

ƒ Giao diện người-máy (Human-Machine Interface, HMI)

ƒ Quản lý dữ liệu quá trình (process data management)

ƒ Lập báo cáo tự động

• Điều khiển cao cấp

ƒ Điều khiển mẻ (batch control)

ƒ Điều khiển tối ưu, tối ưu hóa quá trình (process optimisation)

• An toàn hệ thống

ƒ Khóa liên động

ƒ Cảnh giới, báo động

2.2 Mô hình phân cấp chức năng của hệ thống điều khiển

Một hệ thống điêu khiển công nghiệp có thể chia thành 5 cấp nhnư sau:

Hình 2.1 Mô hình phân cấp chức năng của hệ thống điều khiển

• Mục đích của việc phân cấp

ƒ Định nghĩa các cấp theo chức năng, không phụ thuộc vào một lĩnh vực công nghiệp cụ thể Mỗi cấp có chức năng và đặc thù khác nhau

ƒ Với mỗi ngành công nghiệp, lĩnh vực ứng dụng có thể có các mô hình tương tự với số cấp nhiều hoặc ít hơn

ƒ Phân cấp tiện lợi cho công việc thiết kế hệ thống

ƒ Ranh giới giữa các cấp không phải bao giờ cũng rõ ràng

Càng ở những cấp dưới thì các chức năng càng mang tính chất cơ bản hơn và đòi hỏi yêu cầu cao hơn về độ nhanh nhạy, thời gian phản ứng Càng ở cấp trên thì quyết định càng quan trọng, lượng thông tin cần trao đổi và xử lý càng lớn Một chức ở cấp trên được thực hiện dựa trên các chức năng cấp dưới nhưng không đòi hỏi thời gian phản ứng nhanh như ở cấp dưới Thông thường chỉ có ba cấp dưới được coi là thuộc phạm vi của một hệ thống điều khiển và giám sát Tuy nhiên, biểu thị hai cấp trên cùng (quản lý công ty và điều hành sản xuất) giúp ta hiểu thêm mô hình lý tưởng về cấu trúc chức năng tổng thể cho các công ty sản xuất công nghiệp

• Cấp chấp hành và cảm biến: Các chức năng chính của cấp chấp hành là đo

lường, truyền động và chuyển đổi tín hiệu trong trường hợp cần thiêt Trong thực tế thì đa số các thiết bị cảm biến (Sensor) hay cơ cấu chấp hành (Actuator) thường tích hợp sẵn phần điều khiển riêng giúp cho việc đo lường/truyền động được chính xác và nhanh nhạy Các thiết bị trường thông minh cũng có thể đảm nhận việc xử lý thô thông tin trước khi đưa lên cấp điều khiển

• Cấp điều khiển: Nhiệm vụ chính của cấp điều khiển là nhận thông tin từ các

cảm biến, xử lý các thông tin đó theo thuật toán định trước và truyền đạt các kết quả đã lý xuống các cơ cấu chấp hành Với các hệ thống điều khiển thủ công thì các nhiệm vụ này được thực hiện thông qua những người vận hành trực tiếp, người vận hành sẽ theo dõi các thiết bị đo lường, sau đó sử dụng kiến thức và kinh nghiệm của mình để thực hiện những thao tác cần thiết như: Ðóng mở van, bấm nút, điều chỉnh cần gạt, vặn núm xoay… Trong một

hệ thống điều khiển tự động hiện đại, những nhiệm vụ đó được thực hiện thông qua việc xử lý và điều khiển bằng máy tính

• Cấp điều khiển giám sát: Có chức năng giám sát và vận hành một quá trình

kỹ thuật Trong trường hợp đa số các chức năng như đo lường, điều khiển, điều chỉnh, bảo toàn hệ thống đã được các cấp dưới thực hiện thì nhiệm vụ chính của cấp điều khiển giám sát là 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 số trường hợp, cấp này còn phải thực hiện các bài toán điều khiển cao cấp như điều khiển phối hợp, điều khiển trình tự và điều khiển theo công thức (như trong công nghiệp chế biến dược phẩm, hoá chất) Thiết bị phần cứng của cấp điều khiển giám sát thường chỉ là các máy tính thông dụng (máy tính cá nhân, máy trạm, máy chủ, terminal…) chứ không yêu cầu các thiết bị phần cứng đăc biệt, chuyên dung như các cấp ở dưới

• Cấp điều hành sản xuất: Nhiệm vụ của cấp điều hành sản xuất là nhận các

thông tin về trạng thái làm việc của các quá trình kỹ thuật, các dây truyền công nghệ, hệ thống điều khiển tự động, các số liệu tính toán, thống kê về diễn biến quá trình sản xuất và chất lượng sản phẩm, sau đó xử lý các số liệu thu thập được để lập kế hoạch sản xuất, ra quyết định bảo dưỡng máy móc, tối ưu hoá sản xuất và đưa các thông tin về các thông số thiết kế, công thức điều khiển

và mệnh lệnh điều hành xuống cấp dưới Ngoài ra cấp điều hành sản xuất còn

có chức năng trao đổi thông tin với cấp quản lý công ty Thiết bị phần cứng của cấp điều hành sản xuất thường là các máy tính văn phòng được nối mạng cục bộ với nhau

• Cấp quản lý công ty: Cấp quản lý công ty là cấp trên cùng trong mô hình phân

cấp hệ thống Nhiệm vụ của cấp này trao đổi thông tin giữa công ty và khách hàng, hội thảo từ xa, dịch vụ truy cập internet và thương mại điện tử … Cấp quản lý công ty còn có nhiệm vụ tính toán giá thành, kế hoạch sản xuất, thống

kê tài nguyên, xử lý đơn đặt hàng …

Việc kết nối các thành phần trong hệ thống điều khiển với nhau được thực hiện thông qua hệ thông Bus truyền tín hiệu

• Bus trường: Là các hệ thống bus nối tiếp, sử dụng kỹ thuật truyền tin số để kết

nối các thiết bị thuộc cấp điều khiển (PC, PLC) với nhau và với các thiết bị của cấp chấp hành hay các thiết bị trường Ðặc trưng cơ bản của bus trường là yêu cầu tính thời gian thực cao, còn lượng thông tin thì không cao Các hệ thống bus trường thường sử dụng là: profibus, ControlNet, Modbus, Founddtion fieldbus, DeviceNet,AS-Interface, EIB

• Bus hệ thống, Bus quá trình: Dùng để kết nối các máy tính điều khiển và các máy tính trên cấp điều khiển giám sát với nhau Qua bus hệ thống, các máy tính điều khiển có thể phối hợp hoạt động, cung cấp dữ liệu quá trình cho trạm

kỹ thuật và trạm quan sát Ðối với Bus hệ thống, tuỳ theo lĩnh vực ứng dụng

mà sẽ có những đòi hỏi về tính thời gian thực khác nhau Thời gian phản ứng thông thường trong khoảng vài trăm miligiây còn lưu lượng thông tin thì lớn hơn rất nhiều so với bus trường Các Bus hệ thống tiêu biểu: Ethernet, Industrial Ethernet, profibus-FMS, Fieldbus Foundation’s high speed Ethernet

• Mạng xí nghiệp: Là một mạng LAN bình thường, có chức nãng kết nối các máy tính văn phòng thuộc cấp điều hành sản xuất với cấp điều khiển giám sát Mạng xí nghiệp không yêu cầu nghiêm ngặt về tính thời gian thực Việc trao đổi dữ liệu diễn ra không định kỳ, dung lượng không ổn định có khi lớn tới hàng MByte Hai loại mạng thường được dùng là: Ethernet và Token-Ring trên cơ sở các giao thức chuẩn như TCP/IP và IPX/SPX

• Mạng công ty: Mạng công ty có đặc điểm gần như một mạng viễn thông hoặc

một mạng máy tính diện rộng trên các phương diện phạm vi và hình thức dịch

vụ, phương pháp truyền thông và các yêu cầu về kỹ thuật Mạng công ty thường sử dụng các loại mạng có tốc độ truyền thông và độ an toàn tin cậy đặc biệt cao, chẳng hạn như: Fast Ethernet, FDDI, ATM

2.3 Cấu trúc chung của hệ thống điều khiển

2.3.1 Cấu trúc cơ bản của một hệ thống điều khiển và giám sát

Hình 2.2 Cấu trúc cơ bản của hệ thống điều khiển giám sát

Trong đó hệ thống điều khiển giám sát bao gồm các thiết bị vè phần mềm giao diện người-máy, các trạm kỹ thuật, các trạm vận hành, giám sát và điều khiển cao cấp Hệ thống máy tính điều khiển là các máy tính điều khiển chuyên dụng hoặc phổ thông Hệ thống đo lường và chuyền động bao gồm các cảm biến và khâu chấp hành để đo lường hoặc thực hiện một thao tác nào đó Hệ thống kỹ thuật là một quá trình kỹ thuật cụ thể của hệ thống

2.3.2 Cấu trúc vào/ra

2.3.2.1 Vào/ra tập chung (Central I/O)

Với cấu trúc vào/ra tập chung, từng cảm biến và thiết bị chấp hành được nối trực tiếp với các thiết bị giao tiếp vào/ra của máy tính điều khiển Do ghép nối trực tiếp thiết bị hiện trường và máy tính điều khiển nên cấu trúc này gặp phải những hạn chế sau :

2.3.2.2 Vào/ra phân tán với bus trường chuẩn

Trong cấu trúc này, các cảm biến và thiết bị chấp hành được nối với các khối giao tiếp vào/ra (I/O module), sau đó các khối giao tiếp vào/ra này sẽ kết nối với máy tính điều khiển thông qua một bus trường chuẩn Cấu trúc này có những uwu điểm sau :

Hình 2.4 Vào ra phân tán với Bus trường chuẩn

ƒ Tiết kiệm được chi phí dây dẫn và công lắp đạt do đường truyền từ bộ điều khiển tới các khối vào/ra phân tán chỉ có một đường duy nhất

ƒ Cấu trúc đơn giản, thiết kế và bảo trì hệ thống dễ dàng

ƒ Tăng độ tin cậy của hệ thống do truyền tín hiệu dưới dạng số nên hạn chế được các lỗi do đường truyền, ngoài ra còn có thể dùng các biện pháp bảo toàn dữ liệu để phát hiện và khắc phục các lỗi truyền thông

ƒ Tăng độ linh hoạt của hệ thống: tự do trong lựa chọn thiết bị vào/ra, tự

do hơn trong thiết kế cấu trúc hệ thống, khả năng mở rộng dễ dàng hơn

2.3.2.3 Vào ra trực tiếp với thiết bị bus trường

Các thiết bị trường có tích hợp sẵn bộ giao tiếp bus sẽ được nối trực tiếp với bus truyền thông Cấu trúc này có những ưu điểm sau:

Hình 2.5 Vào ra trực tiếp với thiết bị bus

ƒ Cấu trúc đơn giản, dễ thiết kế và lắp đặt

ƒ Giảm chi phí cáp truyền và các khối vào/ra

ƒ Giảm kích thước tủ điều khiển

ƒ Đưa vào vận hành và khả năng chẩn đoán các thiết bị trường qua mạng mọt cách dễ dàng

ƒ Khả năng tích hợp các chức năng điều khiển tự động xuống các thiết bị trường

2.3.3 Cấu trúc điều khiển

Một hệ thống điều khiển và giám sát quá trình có các cấu trúc cơ bản sau:

Quá trình con n Quá trình con 1 Quá trình con 2

Hình 2.6 Cấu trúc điều khiển tập chung

Với cấu trúc này, toàn bộ quá trình xử lý thông tin, dữ liệu được tập trung vào một thiết bị điều khiển duy nhất

Một cấu trúc tập trung như vậy thường thích hợp cho tự động hoá các loại máy móc, các thiết bị vừa và nhỏ bởi sự đơn giản, dễ thực hiện và giá thành một lần cho máy tính điều khiển Tuy nhiên cấu trúc này bộc lộ những hạn chế sau:

ƒ Độ linh hoạt thấp: Việc mở rộng cũng như thay đổi một phần trong hệ thống gặp khó khăn và đòi hỏi phải dừng toàn bộ hệ thống

ƒ Ðộ tin cậy hệ thống kém do toàn bộ chức năng điều khiển và xử lý thông tin phụ thuộc vào một thiết bị điều khiển duy nhất

ƒ Hiệu năng kém do toàn bộ thông tin đều phải đưa về trung tâm, chậm trễ do thời gian truyền dẫn và xử lý thông tin

Ðể nâng cao độ tin cậy của hệ thống, có thể dùng thêm một máy tính dự phòng giống hệ máy tính chính Nhưng điều này sẽ làm tăng giá thành của hệ thống

2.3.3.2 Cấu trúc phân quyền

Ðể khắc phục sự phụ thuộc vào một máy tính trung tâm, tăng tính linh hoạt

và tin cậy của hệ thống Mỗi quá trình con(hoặc mỗi nhóm quá trình con) trong cấu trúc phân quyền được điều khiển bằng một máy tính riêng biệt cùng được đặt tại phòng điều khiển.Vì các quá trình con có liên quan hệ quả

MTĐK 1 I/O

Quá trình con 1

MTĐK 2 I/O

A S

Quá trình con 2

MTĐK n I/O

tổng hợp tới nhau nên để điều khiển quá trình tổng hợp cần thiết có sự hợp tác giữa chúng với nhau Trong phần lớn các trường hợp, một máy tính trung tâm được dùng để điều khiển cấp cao cũng như để phối hợp sự hoạt động của các máy phân quyền như được mô tả ở hình trên Máy tính phối hợp này có thể thuộc cùng cấp điều khiển hoặc thuộc cấp điều hành tuỳ theo các chức năng được thực hiện

Các máy tính điều khiển được kết nối với nhau và với máy tính phối hợp qua mạng được gọi là bus xử lý.Chú ý sự phân biệt giữa các khái niệm bus trường và bus xử lý không bắt buộc nằm ở sự khác nhau về kiểu bus được sử dụng mà ở mục đich sử dụng hay nói cách khác là ở các thiết bị được kết nối Khi nói tới bus xử lý, ta nghĩ trước hết đến mạng kết nối các thiết bị thông tin

ở cấp điều khiển(ở đây chính là các máy tính điều khiển với nhau hoặc với các thiết bị trên cấp điều hành, Trong khi đó khái niệm bus trường thường được dùng chỉ mạng kết nối các thiết bị gần với quá trình kỹ thuật, tức là các thiết bị ở cấp chấp hành và có thể ở cả cấp điều khiển Trong một số giải pháp, một kiểu bus duy nhất được sử dụng được dùng cho cả hai mục đích này

2.3.3.3 Cấu trúc phân tán

MTĐK 1 I/O

A S

Quá trình con 1

MTĐK 2 I/O

Quá trình con 2

MTĐK n I/O

Quá trình con n

Trạm phục vụ -SS

Máy tính điều khiển

Máy tính điều khiển

Máy tính phối hợp

Ðặc điểm của cấu trúc điều khiển phân tán là việc phân tán chức năng xử lý thông tin và điều khiển theo chiều rộng cũng như theo chiều sâu kết hợp với

sử dụng mạng truyền thông thay cho phương pháp nối dây thông thường Bên cạnh giải pháp sử dụng các cụm vào/ra tại chỗ và các thiết bị chấp hành thông minh, người ta còn đưa các máy tính điều khiển nhỏ(như các bộ điều chỉnh, vi điều khiển) xuống các vị trí gần kề với quá trình kỹ thuật

Một hệ thống điều khiển phân tán dùng giải pháp hỗn hợp được chia thành các khu vực:

ƒ Trung tâm điều hành bao gồm các trạm công nghệ ES(Engineering Station), trạm thao tác OS (Operation Station) và trạm phục vụ SS (Server Station)

ƒ Trung tâm điều khiển bao gồm các máy tính điều khiển như PLC, máy tính công nghiệp IPC và các máy tính phối hợp được nối với nhau và nối lên trung tâm điều hành quá trình qua bus xử lý (thường dùng Ethernet)

ƒ Khu vực gần với quá trình kỹ thuật bao gồm các bộ điều khiển tại chỗ như các bộ vi điều khiển (micro controller) hay các bộ điều khiển thu gọn(compact controller), các cụm vào/ra tại chỗ, các thiết bị cảm biến

và chấp hành được nối lên trung tâm điều khiển qua bus trường(ví dụ Profibus,Foundation fieldbus )

Trong thực tế, tuỳ theo tính chất ứng dụng và thể loại quá trình kỹ thuật mà cấu trúc phân tán có thể đơn giản hoá hoặc mở rộng hơn.Cấu trúc phân tán đã thể hiện ở những điểm sau:

ƒ Tiết kiệm dây nối và cổng nối dây nhờ mạng truyền thông

ƒ Hiệu suất cũng như độ tin cậy tổng thể của hệ thống được nâng cao nhờ sự phân tán chức năng xuống cấp dưới

ƒ Ðộ linh hoạt cao, tính năng mở trong việc mở rộng hệ thống, lắp thêm

và thay thế thiết bị, nâng cấp và cải tạo mới các chương trình phần mềm ứng dụng

Chính từ các yêu cầu bức thiết từ phía người sử dụng là phải giảm giá thành trong khi các tính năng kỹ thuật phải đảm bảo, cộng với các tiến bộ vượt bậc trong công nghệ vi điện tử và công nghệ thông tin đã đóng vai trò quyết định trong sự chuyển hướng các giải pháp điều khiển tự động sang dạng có cấu trúc phân tán

2.4 Mạng truyền thông sử dụng trong điều khiển công nghiệp

2.4.1 Mô hình tham chiếu OSI

Để các máy tính và các thiết bị mạng có thể giao tiếp với nhau, ví dụ như truyền

dữ liệu (FTP), truy cập trang web (HTTP) hay truy cập từ xa (Telnet),… chúng bắt buộc phải tuân theo những quy tắc chung gọi là giao thức (protocol) Từ những ngày đầu tiên của mạng máy tính, các tập đoàn lớn như IBM, Digital Equipment Corporation, Xerox,… đã cho ra các giao thức dành riêng cho thiết bị

do họ sản xuất Kết quả là những hệ thống như vậy chỉ cho phép thiết bị (cả về phần cứng và phần mềm) của một nhà sản xuất kết nối được với nhau và được gọi là hệ thống đóng Điều này là hết sức bất tiện cho việc triển khai mạng cũng như rất phiền toái cho người sử dụng khi muốn lắp đặt mạng phục vụ cho công việc, cũng như hạn chế ngăn cản việc mở rộng mạng một cách “thoải mái” cho những quy mô lớn hơn, nó gây lên những bất lợi vô cùng to lớn trong truyền thông

Chính vì những lý do đó mà các tổ chức quốc tế cần có những quy chuẩn chung nào đó cho việc thiết kế và lắp đặt mạng Trên thế giới hiện có một số cơ quan định chuẩn, họ đưa ra hàng loạt chuẩn về mạng, tuy các chuẩn đó có tính chất khuyến nghị chứ không bắt buộc nhưng chúng rất được các cơ quan chuẩn quốc gia coi trọng Năm 1977, tổ chức Tiêu chuẩn quốc tế - ISO (International Standard Organization) đã đề xuất ra mô hình Hệ thống mở - OSI (Open System Interconnection) nhằm quy định thống nhất và chi tiết các hoạt động của máy tính và thiết bị mạng trong khi truyền thông, giúp các nhà sản xuất chế tạo ra các thiết bị tương thích với nhau Đến năm 1984, mô hình tham chiếu OSI 7 lớp được công bố, mỗi lớp có một nhiệm vụ riêng biệt trong quá trình truyền thông 7 lớp

đó gồm: lớp Ứng dụng (Application), lớp Trình bày (Presentation), lớp Phiên (Session), lớp Giao vận (Transport), lớp Mạng (Network), lớp Liên kết dữ liệu (Data Link), và cuối cùng là lớp Vật lý (Physical)

Tuy nhiên chúng ta cũng cần chú ý rằng mô hình 7 lớp OSI chỉ là mô hình tham chiếu chứ không phải là một mạng cụ thể nào Các nhà thiết kế mạng sẽ nhìn vào

đó để biết công việc thiết kế của mình đang nằm ở đâu Xuất phát từ ý tưởng

“chia để trị’, khi một công việc phức tạp được module hóa thành các phần nhỏ hơn thì sẽ tiện lợi cho việc thực hiện và sửa sai, mô hình OSI chia chương trình truyền thông ra thành 7 tầng với những chức năng phân biệt cho từng tầng Hai

Hình 2.9 Mô hình tham chiếu OSI

tầng đồng mức khi liên kết với nhau phải sử dụng một giao thức chung Giao thức ở đây có thể hiểu đơn giản là phương tiện để các tầng có thể giao tiếp được với nhau, giống như hai người muốn nói chuyện được thì cần có một ngôn ngữ chung vậy Trong mô hình OSI có hai loại giao thức chính được áp dụng là: giao thức có liên kết (connection - oriented) và giao thức không liên kết (connectionless)

Giao thức có liên kết: là trước khi truyền, dữ liệu hai tầng đồng mức cần thiết lập một liên kết logic và các gói tin được trao đổi thông qua liên kết náy, việc có liên kết logic sẽ nâng cao độ an toàn trong truyền dữ liệu

Giao thức không liên kết: trước khi truyền, dữ liệu không thiết lập liên kết logic

và mỗi gói tin được truyền độc lập với các gói tin trước hoặc sau nó

Việc chia lớp của mô hình OSI có nhiều tác dụng, ví dụ như mô hình OSI giúp đơn giản hóa việc tìm hiểu và phân tích mạng, chuẩn hóa các thành phần mạng

để cho phép phát triển mạng từ nhiều nhà sản xuất và ngăn chặn tình trạng thay đổi của một lớp làm ảnh hưởng đến lớp khác, giúp mỗi lớp có thể phát triển độc lập và nhanh chóng hơn

Lớp Ứng dụng(Application layer): Lớp ứng dụng quy định giao diện giữa ứng

dụng và mạng, các giao thức trong thuộc về lớp này rất nhiều, nhưng thường gặp nhất trên mạng là FTP, HTTP, HTTPs, SMTP, Telnet,… Lóp Ứng dụng sẽ đẩy

dữ liệu xuống lớp tiếp theo ngay bên dưới là lớp Trình bày

Lớp Trình bày(Presentation layer): Lớp trình bày chịu trách nhiệm chính về

phần mã hóa và định dạng dữ liệu Ví dụ: để máy tính Linux có thể giao tiếp với máy tính Windows, lớp Trình bày phải định dạng dữ liệu sao cho phù hợp với

các hệ điều hành Các tên tập tin thường có phần đuôi mở rộng như PICT, MIDI, MPEG, RTF, … phần đuôi này do chính lớp Trình bày thêm vào

Lớp Phiên (Session): Lớp phiên chịu trách nhiệm cung cấp và giải phóng các

phiên làm việc thông qua việc cấp port cho các phiên này Một máy tính trong mạng có thể vừa duyệt web, vừa gởi mail, vừa truyền file cho máy tính khác,… Các hoạt động trên diễn ra đồng thời và lớp Phiên phải phân biệt và cấp port cho các hoạt động này Ví dụ: phiên truy cập web sẽ được cấp port là 80, phiên gởi mail được cấp port 25, phiên truyền file (FTP) được cấp port 20 và 21

Lớp Vận chuyển(Transport layer): Lớp vận chuyển đảm bảo truyền thông

chính xác giữa các thiết bị Các máy tính phải sử dụng kiểu truyền như thế nào cho phù hợp với môi trường truyền (môi trường ít lỗi hay nhiều lỗi), phải bắt tay kết nối trước khi truyền hay không,… đều do lớp Vận chuyển quy định Dữ liệu

từ lớp Session đưa xuống sẽ bị phân chia thành các đơn vị dữ liệu lớp Vận chuyển, gọi là segment, các segment được đánh số thứ tự để bên nhận có thể ghép dữ liệu lại một cách chính xác

Lớp Mạng(network layer): Lớp mạng định ra địa chỉ logic cho các thiết bị trên

mạng và quy định các nguyên tắc sử dụng địa chỉ logic này Ví dụ: các giao thức như IP, IPX, Apple Talk có những cơ chế định địa chỉ cho máy tính và mạng máy tính trên mạng, các giao thức như RIP, OSPF, EIGRP, BGP chịu trách nhiệm định tuyến hay nói cách khác là tìm đường để dẫn gói tin đi đến đúng địa chỉ đích Lớp Mạng sẽ đóng gói các segment do lớp Vận chuyển đẩy xuống thành các gói tin (packet)

Lớp Liên kết dữ liệu(Data Link Layer): Lớp liên kết dữ liệu xác định địa chỉ

vật lý của các thiết bị trên mạng và quy định cách thức mà dữ liệu sẽ được đưa xuống môi trường truyền Đơn vị dữ liệu do lớp này quản lý gọi là frame Lớp Liên kết dữ liệu bao gồm 2 lớp con là LLC (Logical Link Control) và MAC (Media Access Control) Lớp LLC liên kết với lớp Mạng để xác định loại địa chỉ logic đang dùng là gì và sẽ đóng gói frame theo kiểu tương ứng Lớp MAC lại kết hợp với lớp cuối cùng là lớp Vật lý để biết môi trường truyền dẫn bên dưới là

gì để có cách thức sử dụng phù hợp Ví dụ: nếu môi trường truyền dẫn là Ethernet, các frame sẽ đóng gói và định địa chỉ theo chuẩn 802.3, và quyết định

có sử dụng cơ chế CSMA/CD hay không; nếu môi trường truyền dẫn là không dây thì đóng gói frame theo chuẩn 802.11 và sử dụng cơ chế CSMA/CA,…

Lớp Vật lý(Physical Layer): Lớp vật lý tìm cách biến đổi dữ liệu 0, 1 thành các

tín hiệu điện và truyền ra môi trường, ngoài ra nó cung cấp các chuẩn về điện, dây cáp, đầu nối, kỹ thuật nối mạch điện, điện áp, tốc độ cáp truyền dẫn, giao diện nối kết và các mức nối kết

Mô hình OSI đã chia nhỏ việc truyền thông phức tạp giữa các máy tính thành những tác vụ nhỏ hơn, rõ ràng hơn và dễ hiểu hơn Các nhà nghiên cứu sẽ dựa vào những lớp con trong mô hình OSI để thiết kế ra các chuẩn mới cho mạng mà vẫn không gây ảnh hưởng lớn đến hoạt động của toàn hệ thống Tuy nhiên, mô hình OSI chỉ là mô hình tham chiếu chứ không được đưa vào sử dụng trong thực

tế Các mô hình sử dụng trong thực tế như TCP/IP, NetBEUI (của Microsoft và IBM), IPX/SPX (của Novell), DECnet (của Digital Equipment Corporation) có biến đổi cho phù hợp hơn với thực tế nhưng vẫn dựa theo mô hình OSI này

2.4.2 Một số cấu trúc của mạng

Hình trạng của mạng cục bộ thể hiện qua cấu trúc hay hình dáng hình học cuả các đường dây cáp mạng dùng để liên kết các máy tính thuộc mạng với nhau Các mạng cục bộ thường hoạt động dựa trên cấu trúc đã định sẵn liên kết các máy tính và các thiết bị có liên quan

2.4.2.1 Cấu trúc dạng tuyến (Bus)

Đây là phương pháp nối mạng đơn giản và phổ biến nhất Trong cấu trúc Bus các máy tính đều được nối vào một đường dây truyền chính (bus) Đường

Hình 2.10 Cấu trúc Bus

truyền chính này được giới hạn hai đầu bởi một loại đầu nối đặc biệt gọi là terminator (Dùng để hấp thụ các tín hiệu tự do, ngăn không cho tín hiệu dội lại để cho phép các máy tính khác có thể gửi tín hiệu) Mỗi trạm được nối vào bus qua một đầu nối chữ T (T_connector) hoặc một bộ thu phát (transceiver) Khi một trạm truyền dữ liệu, tín hiệu được truyền trên cả hai chiều của đường truyền theo từng gói một, mỗi gói đều phải mang địa chỉ trạm đích Các trạm khi thấy dữ liệu đi qua nhận lấy, kiểm tra, nếu đúng với địa chỉ của mình thì nó nhận lấy còn nếu không phải thì bỏ qua

Các máy tính được liên kết với nhau thành một vòng tròn theo phương thức

"một điểm - một điểm ", qua đó mỗi một trạm có thể nhận và truyền dữ liệu theo vòng một chiều và dữ liệu được truyền theo từng gói một Mỗi gói dữ liệu đều có mang địa chỉ trạm đích, mỗi trạm khi nhận được một gói dữ liệu

nó kiểm tra nếu đúng với địa chỉ của mình thì nó nhận lấy còn nếu không phải thì nó sẽ phát lại cho trạm kế tiếp, cứ như vậy gói dữ liệu đi được đến

Hình 2.11 Cấu trúc vòng

đích Việc điều khiển cấp phát đường truyền cho trạmvà ngăn ngừa xung đột được thực hiện bằng cách truyền một bó tín hiệu đặc biệt gọi là Token (mã thông báo) xoay vòng từ trạm này sang trạm khác Mỗi trạm chỉ có thể gửi đi

bó dữ liệu khi nó nhận được mã không bận

2.4.2.3 Cấu trúc dạng hình sao (Star)

Ở dạng hình sao, tất cả các trạm được nối vào một thiết bị trung tâm có nhiệm vụ nhận tín hiệu từ các trạm và chuyển tín hiệu đến trạm đích với phương thức kết nối là phương thức "điểm - điểm " Thiết bị trung tâm hoạt động giống như một tổng đài cho phép thực hiện việc nhận và truyền dữ liệu

từ trạm này tới các trạm khác Tùy theo yêu cầu truyền thông trong mạng , thiết bị trung tâm có thể là một bộ chuyển mạch (switch), một bộ chọn đường (router) hoặc đơn giản là một bộ phân kênh (Hub) có nhiều cổng ra và mỗi cổng nối với một máy Trung tâm của mạng điều phối mọi hoạt động trong mạng với các chức nǎng cơ bản là:

• Ưu điểm:

ƒ Hoạt động theo nguyên lý nối song song nên nếu có một thiết

bị nào đó ở một nút thông tin bị hỏng thì mạng vẫn hoạt động bình thường

ƒ Cấu trúc mạng đơn giản và các thuật toán điều khiển ổn định

ƒ Mạng có thể mở rộng hoặc thu hẹp tuỳ theo yêu cầu của người

sử dụng

• Nhược điểm :

ƒ Khả nǎng mở rộng mạng hoàn toàn phụ thuộc vào khả nǎng của trung tâm Khi trung tâm có sự cố thì toàn mạng ngừng hoạt động

ƒ Mạng yêu cầu nối độc lập riêng rẽ từng thiết bị ở các nút thông tin đến trung tâm Khoảng cách từ máy đến trung tâm rất hạn chế (100 m)

2.4.2.4 Cấu trúc dạng kết hợp

• Dạng kết hợp hình sao và hình tuyến ( Star-Bus)

Cấu hình mạng dạng này có bộ phận tách tín hiệu (spitter) giữ vai trò thiết bị trung tâm, hệ thống dây cáp mạng có thể chọn hoặc Ring Topology hoặc Linear Bus Topology

Lợi điểm của cấu hình này là mạng có thể gồm nhiều nhóm làm việc ở cách

xa nhau, ARCNET là mạng dạng kết hợp Star/Bus Topology Cấu hình dạng

Hình 2.13 Dạng kết hợp

này đưa lại sự uyển chuyển trong việc bố trí đường dây tương thích dễ dàng đối với bất cứ toà nhà nào

Cấu hình dạng kết hợp Star/Ring Topology, có một "thẻ bài" liên lạc (Token)

được chuyển vòng quanh một cái HUB trung tâm Mỗi trạm làm việc (workstation) được nối với HUB - là cầu nối giữa các trạm làm việc và để tǎng khoảng cách cần thiết

2.4.3 Các giao thức truyền thông trong mạng

2.4.3.1 Giao thức truyền (protocol)

Giao thức truyền thông(communication protocol): là một tập hợp các quy

tắc chuẩn quy định và kiểm soát quá trình truyền thông giữa các máy tính trong mạng, những quy tắn này bao gồm các chỉ dẫn quy định các đặc tính như : biểu diễn dữ liệu, phát tín hiệu, chứng thực và phát hiện lỗi dữ liệu, phương pháp truy cập mạng, cấu trúc liên kết vật lý mạng được phép dùng, lọai cáp truyền được sử dụng và cả tốc độ truyến dữ liệu - những việc cần thiết để gửi thông tin qua các kênh truyền thông, nhờ đó mà các máy tính (và các thiết bị) có thể hiểu lẫn nhau, kết nối và trao đổi thông tin với nhau Các giao thức truyền thông dành cho truyền thông tín hiệu số trong mạng máy tính có nhiều tính năng để đảm bảo việc trao đổi dữ liệu một cách đáng tin cậy qua một kênh truyền thông không hoàn hảo

đích hoặc trả lại địa chỉ nơi gửi nếu như gói tin có sự sai sót Giao thức TCP/IP là một tập hợp các thủ tục xử lý các gói dữ liệu và truyền thông (thường gọi là bộ DoD-DoD suite hay bộ Internet-Internet suite) Điều này

có nghĩa là giao thức TCP/IP phải được cài đặt ở trong từng hệ thống máy tính ở nút mạng Cụ thể hơm, TCP/IP xác định:

• Bao nhiêu gói dữ liệu được gửi;

• Chuyển gói dữ liệu đi đến đâu;

• Chuyển gói dữ liệu như thế nào;

• Định tuyến đường chuyển gói dữ liệu như thế nào để tranh các đường (liên kết giữa các nút mạng bị hỏng)

• Xác định các gói dữ liệu bị lỗi như thế nào, trả lại nơi gửi để truyền lại hoặc loại bỏ các gói lỗi

Giao thức TCP/IP sử dụng mô hình truyền thông 4 tầng hay còn gọi là Mô Hình DoD (Mô hình của Bộ Quốc Phòng Mỹ) Các tầng trong mô hình này là (Theo thứ tự từ trên xuống):

• Tầng Ứng Dụng (Application Layer): Gồm nhiều giao thức cung cấp cho các ứng dụng người dùng Được sử dụng để định dạng và trao đổi thông tin người dùng 1 số giao thức thông dụng trong tầng này là: DHCP, DNS, SNMP, FTP, TFTP, SMTP, TELNET

• Tầng Giao Vận (Transport Layer): Có trách nhiệm thiết lập phiên truyền thông giữa các máy tính và quy định cách truyền dữ liệu 2 giao thức chính trong tầng này gồm: UDP (User Datagram Protocol)

và TCP (Transmission Control Protocol)

• Tầng Liên Mạng (Internet Layer): Tầng này có chức năng gán địa chỉ, đóng gói và định tuyến (Route) dữ liệu 4 giao thức quan trọng nhất trong tầng này gồm: IP (Internet Protocol), ARP (Address Resolution Protocol), ICMP (Internet Control Message Protocol), IGMP (Internet Group Management Protocol)

• Tầng Giao Diện Mạng (Network Interface Layer): có trách nhiệm đưa dữ liệu tới và nhận dữ liệu từ phương tiện truyền dẫn Tầng này gồm các thiết bị phần cứng vật lí chẳng hạn như Card Mạng và Cáp Mạng một số giao thức tiêu biểu thuộc tầng này gồm :ATM

(Asynchronous Transfer Mode), Ethernet, Token Ring, FDDI (Fiber Distributed Data Interface), Frame Relay

Hình 2.14 So sánh mô hình OSI và TCP/IP

Trong bộ giao thức TCP/IP thì TCP và IP là các giao thức chính nhất để đảm bảo các chức năng kết nối mạng TCP (TCP network) nói chung mà Internet

là trường hợp cụ thể TCP/IP là bộ giao thức cho Internet và cho các hệ thống UNIX Đầu những năm 1990, Microsoft đã bắt đầu phát triển bộ giao thức cho các hệ thống Windows Trong bộ giao thức TCP/IP, TCP là giao thức được phát triển như là cách để kết nối các mạng máy tính khác nhau về các phương pháp truyền dẫn và hệ điều hành TCP thiết lập kết nối hai đường (full-duplex) giữa hai hệ thống cần trao đổi thông tin với nhau Thông tin trao đổi giữa hai hệ thống được phân thành các gói IP là giao thức chịu trách nhiệm xử lý trực tiếp sự truyền dữ liệu, nó gửi dữ liệu được phân thành các gói từ hệ thống nguồn đến các hệ thống đích Hệ thống đích nhận và kiểm tra lỗi các gói dữ liệu và sắp xếp theo thứ tự đúng của dòng dữ liệu Nếu có những gói bị lỗi hay bị mất, hệ thống nhận yêu cầu nơi phát gửi lại chúng

2.4.3.3 Giao thức BACNet

BACNet(Building Automation and Control network) là một giao thức truyền thông chuẩn cho các mạng điều khiển và tự động hóa tòa nhà được phát triển bởi hiệp hội các kỹ sư trong lĩnh vực cơ điện lạnh tại Mỹ có tên là ASHRAE (American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers) Đây là một giao thức chuẩn của ASHRAE, ANSI, và ISO

BACNet được đưa ra lần đầu vào năm 1995 và được chấp nhận là một tiêu chuẩn ISO vào năm 2004.Ngày nay, BACnet đã và đang được các nhà cung cấp thiết bị chấp nhận một cách rộng rãi như một chuẩn Quốc tế trong lĩnh vực tự động hoá toà nhà

Giao thức BACNet đưa ra một phương pháp chuẩn để biểu diễn các chức năng của bất kỳ một thiết bị nào miễn là chúng có các chức năng này Chẳng hạn như : các đầu vào và đầu ra số và tương tự, các lịch biểu, các vòng điều khiển và các cảnh báo Mô hình chuẩn hóa này của một thiết bị biễu diễn các chức năng thông thường trên bằng cách thu thập các thông tin liên quan gọi

là ”các đối tượng” (objects), mỗi đối tượng lại có một tập hợp ”các đặc tính” (properties) nó mô tả chúng chi tiết hơn nữa Chẳng hạn như mỗi đầu vào tương tự được biểu diễn bởi một ”đối tượng đầu vào tương tự BACnet”, nó

có một tập hợp các đặc tính chuẩn như :giá trị hiện tại, kiểu sensor, vị trí, các giới hạn cảnh báo và các đặc tính khác nữa Trong đó có một số đặc tính bắt buộc và một số không bắt buộc Một trong các đặc tính quan trọng nhất của đối tượng là định danh của chúng, đây là một kiểu tên dưới dạng số, chúng cho phép BACnet truy cập chúng chính xác Khi các thiết bị xuất hiện một cách bình thường trên mạng dưới dạng các đặc tính và đối tượng của chúng, chúng ta sẽ dễ dàng hình dung ra các thông điệp có thể thao tác các thông tin này theo một phương cách chuẩn

BACNet được thiết kế chuyên biệt để đáp ứng các nhu cầu truyền thông của

hệ thống điều khiển và tự động hóa tòa nhà với các ứng dụng như hệ thống điều hòa nhiệt độ và thông gió, hệ thống chiếu sáng, hệ thống kiểm soát vào-

ra, các hệ thống kiểm tra phát hiện cháy và các thiêt bị liên quan tới chúng.Giao thức BACNet cung cấp các cơ chế qua đó các thiết bị có chức năng tùy ý đã được máy tính hóa có thể trao đổi thông tin bất kể nó thực hiện tác vụ cụ thể nào Điều đó làm cho giao thức BACNet có thể được sử dụng với hiệu quả như nhau cho các máy tính cấp trên, các bộ DDC đa dụng và các bộ điều khiển đơn lẻ hoặc có ứng dụng chuyên biệt

Giao thức BACNet định nghĩa một số dịch vụ dùng để trao đổi thông tin giữa các thiết bị trong tòa nhà Các dịch vụ này bao gồm : Who-Is, I-Am, Who-Has, I-Have được dùng cho việc phát hiện đối tượng và thiết bị những dịch

vụ như Read-Property và Write-Property được dùng cho việc chia sẻ dữ liệu

Giao thức BACNet cũng định nghĩa một số đối tượng hoạt động dựa trên những dịch vụ trên Các đối tượng này bao gồm Analog Input, Analog Output, Analog Value, Binary Input, Binary Output, Binary Value, Multi-State Input, Multi-State Output, Calendar, Event-Enrollment, File, Notification-Class, Group, Loop, Program, Schedule, Command, and Device Giao thức BACNet đồng thời cũng định nghĩa một số lớp vật lý/liên kết dữ liệu (data link/physical layers) bao gồm ARCNET, Ethernet, BACnet/IP, Point-To-Point over RS-232, Master-Slave/Token-Passing over RS-485, and LonTalk

Với tư cách là một chuẩn truyền thông mở giành cho toà nhà nó tạo ra nền chuẩn cho phép các thiết bị của các hãng khác nhau trao đổi thông tin với nhau trong toà nhà như: Cảnh báo, lich biểu, theo dõi bằng đồ thị và báo cáo Chính vì vậy, BACnet tỏ ra rất cạnh tranh so với các chuẩn giao thức khác thể hiện ở chỗ:

• Chi phí tích hợp hệ thống thấp

• Tính năng tích hợp hệ thống cao

• Thu việc điều hành về một máy chủ

• Loại bỏ sự ràng buộc vào một nhà cung cấp thiết bị

2.4.3.4 Giao thức LonWorks

LonWorks là một thuật ngữ thương mại bao gồm giao thức LonTalk và bộ thu phát Neuron (Neuron transceiver), thông thường người ta hay dùng qua lại giữa hai từ LonWorks và LonTalk để mô tả giao thức này

LonTalk là một giao thức truyền thông mở, nó định nghĩa việc chia sẻ dữ liệu trên mạng và chia sẻ thông tin giữa các thiết bị Giao thức LonkTalk yêu cầu cần phải sử dụng một Chip Neuron phát triển bởi Echelon và một bộ thu phát (Transceiver) tích hợp trong mỗi thiết bị để trao đổi thông tin

LonWorks được phát triển bởi Echelon, bao gồm một bộ các dịch vụ để cho các chương trình ứng dụng của một thiết bị gửi và nhận thông báo (messages)tới và từ các thiết bị mạng khác mà không cần biết cấu hình mạng hoặc tên, địa chỉ hoặc chức năng của các thiết bị khác

Giao thức LonWorks có thể cung cấp tùy ý việc xác nhận thông báo end, xác thực thông báo, và cấp phát quyền ưu tiên để cung cấp các thời điểm

end-to-giao tiếp bị giới hạn Hỗ trợ cho các dịch vụ quản lý mạng để cho các công

cụ quản lý mạng từ xa tương tác với các thiết bị qua mạng Do đó chúng có thể thực hiện các nhiệm vụ sau:

• Cấu hình lại địa chỉ và tham số mạng

• Tai vè các chương trình ứng dụng

• Báo cáo các sự cố của mạng

• Khởi động/ngừng/khởi động lại (start/stop/reset) các chương trình ứng dụng của thiết bị

Giao thức LonWorks, và như vậy là cả mạng LonWorks, có thể được thực hiện trên bất kỳ đường truyền cơ bản nào, bao gồm đường dây điện, cáp xoắn, sóng vô tuyến(RF), hồng ngoại (IR), cáp đồng trục và cáp quang

LonWorks là tên của nền tảng công nghệ cơ bản(platform) mạng điều khiển của Echelon Nó được gọi là một nền tảng công nghệ cơ bản vì nó bao gồm các thành phần sau:

• Giao thức truyền thông: giao thức này là công nghệ cơ bản của mạng điều khiển LonWorks Theo chuẩn quốc tế được gọi là ANSI/EIA 709.1, SEMI E56.6, IEEE1493-L, EN14908 và một số khác

• Bộ vi xử lý chuyên dụng: được phát minh bởi Echelon, bộ vi xử lý này (cũng còn gọi là Chip Neuron) được tối ưu hóa cao cho các thiết

bị trên mạng điều khiển Chip Neuron có 3 bộ xử lý 8 bit trong đó 2 được dành riêng cho gjiao thức truyền thông và cái còn lại là bộ xử

lý đa dụng

• Bộ thu phát (transceivers): các thành phần này truyền dẫn theo một giao thức trên một môi trường nào đó, như cáp xoắn hoặc đường dây điện Tất cả các thiết bị trên một mạng điều khiển phải có một bộ thu phát Công nghệ truyền tìn hiệu trên đường dây điện và cáp xoắn của Echelon đã được chấp nhận tương ứng là các chuẩn ANSSI/EIA 709.3 và 709.2

• Cơ sở dữ liệu mạng: được gọi là hệ điều hành mạng LNS, cơ sở dữ liệu này là thành phần phần mềm bắt buộc của các hệ thống điều khiển mở Nó đảm bảo một môi trường truyền mởcho việc mở rộng, bảo dưỡng và quản lý các hẹ thống dựa trên LnkWorks Hệ điều

hành mạng phục vụ các chức năng then chốt trong mạng điều khiển LNS cũng hộ trợ kiến trúc Plug-in

• Kết nối Internet: các ứng dụng được chuẩn hóa (được gọi là các LonWorks profile) và các kiểu biến mạng chuẩn (SNVTs-Standard Network Variable Types) của một mạng LonWorks đi tới các thiết bị kết nối Inetrnet thông qua các dịch vụ Web (các hàm gọi SOAP trong định dạng XML) Việc truy xuất và điều khiển các mạng LOnWorks thông qua các dịch vụ Web – một chuẩn IT quốc tế- làm cho chúng trở thành các phần tích hợp của các ứng dụng xí nghiệp, các trung tâm dịch vụ và các ứng dụng khác

• Tính tương tác (Interoperability): tính tương tác nghĩa là các thiết bị

từ các nhà sản xuất khác nhau có thể làm việc với nhau không cần cổng (gateway) để chuyển đổi dữ liệu từ thiết bị này tới thiết bị khác Một công cụ phần mềm đã được chuẩn hóa – LonWorks cho Windows – sẽ quản lý và cài đặt các thiết bị khác nhau Tính tương tác trong thế giới LonWorks bị chi phối bởi LonMark International Group, tổ chức này duy trì các hướng dẫn về tính tương tác, tạo ra các ứng dụng chuẩn và kiểm tra, chứng nhận các sản phẩm

2.4.3.5 Giao thức Mod-Bus

Modbus là một trong những giao thức truyền thông phổ biến nhất trong thế thế giới công nghiệp Modbus do Modicom (hiện nay thuộc Schneider Electric) phát triển từ 1979, là một phương tiện truyền thông với nhiều thiết

bị thông qua một cặp dây xoắn đơn Vì hỗ trợ các giao thức nối tiếp truyền thống như RS232/RS485 và giao thức Ethernet nên nó cho phép các thiết bị công nghiệp như PLC, HMI và các thiết bị đo lường sử dụng Modbus làm phương thức truyền thông của chúng Khi truyền thông với Modbus qua mạng nối tiếp và Ethernet chúng ta cần một bộ chuyển đổi để chuyển đổi giữa Modbus/TCP và Modbus/ASCII/RTU Điều này cho phép các thiết bị như PLC giao tiếp với các thiết bị như cảm biến, các thiết bị đo lường

Modbus định nghĩa một tập hợp rộng các dịch vụ phục vụ trao đổi dữ liệu quá trình, dữ liệu điều khiển và chẩn đoán Tất cả các bộ điều khiển của Modicon đều sử dụng Modbus là ngôn ngữ chung Modbus mô tả quá trình

giao tiếp giữa một bộ điều khiển với các thiết bị khác thông qua cơ chế yêu cầu/đáp ứng Vì lý do đơn giản nên Modbus có ảnh hưởng tương đối mạnh đối với các hệ PLC của các nhà sản xuất Cụ thể , trong mỗi PLC người ta cũng có thể tìm thấy một tập hợp con các dịch vụ đã được đưa ra trong Modbus Đặc biệt trong các hệ thống thu thập dữ liệu và điều khiển giám sát, Modbus hay được sử dụng trên các đường truyền RS-232 ghép nối giữa các thiết bị dữ liệu đầu cuối (PLC, PC, ) với thiết bị truyền dữ liệu (Modem) Giao thức Modbus định nghĩa một cấu trúc thông điệp giúp các bộ điều khiển nhận ra và sử dụng mà không phụ thuộc vào loại mạng truyền thông mà chúng sử dụng Nó mô tả quá trình một bộ điều khiển dùng để yêu cầu truy cập đến một thiết bị khác, cách thức nó đáp ứng đối với các yêu cầu từ một thiết bị khác, và cách thức nó phát hiện và báo cáo các lỗi Trong quá trình truyền thông trên mạng Modbus, giao thức Modbus sẽ định nghĩa cách thức làm thế nào để mỗi bộ điều khiển biết được địa chỉ thiết bị của nó, nhận ra được thông điệp gửi đến địa chỉ của nó, xác định hành động sẽ thực hiện, và trích ra các dữ liệu và thông tin chứa trong thông điệp Nếu có yêu cầu trả lời, bộ điều khiển sẽ xây dựng một thông điệp trả lời và gửi nó đi dùng giao thức Modbus

Ba phiên bản MODBUS phổ biến nhất được sử dụng ngày nay là:

• MODBUS ASCII

• MODBUS RTU

• MODBUS/TCP

Với cả 3 phiên bản trên các thông điệp đều được gửi dưới cùng một format

Sự khác nhau duy nhất giữa 3 loại MODBUS là cách thức thông điệp được

mã hóa

Với MODBUS ASCII, mọi thông điệp được mã hóa bằng hexadecimal, sử dụng ký tự ASCII 4 bit Đối với mỗi một byte thông tin, cần có 2 byte truyền thông, gấp đôi so với MODBUS RTU hay MODBUS/TCP Tuy MODBUS ASCII chậm nhất trong số 3 loại protocol, nhưng lại thích hợp cho modem điện thoại hay kết nối sử dụng sóng radio do ASCII sử dụng các tính năng phân định thông điệp Do tính năng phân định này, mọi rắc rối trong phương tiện truyền dẫn sẽ không làm thiết bị nhận dịch sai thông tin Điều này quan

trọng khi đề cập đến các modem chậm, điện thoại di động, kết nối ồn hay các phương tiện truyền thông khó tính khác

Đối với MODBUS RTU, dữ liệu được mã hóa theo hệ nhị phân, và chỉ cần một byte truyền thông cho một byte dữ liệu Đây là thiết bị lí tưởng đối với

RS 232 hay mạng RS485 đa điểm, tốc độ từ 1200 đến 115 baud Tốc độ phổ biến nhất là 9600 đến 19200 baud MODBUS RTU là protocol công nghiệp được sử dụng rộng rãi nhất

MODBUS/TCP đơn giản là MODBUS qua Ethernet ModBus /TCP được đưa ra để cho phép các protocol ModBus ASCII và ModBus RTU có thể thực hiện được trên các mạng dực trên nền TCP/IP Với MODBUS/TCP, dữ liệu MODBUS được tóm lược đơn giản trong một gói TCP/IP

2.4.3.6 Giao thức C- Bus

Hình 2.15 Mô hình mạng C-Bus

C-Bus là một hệ thống dựa trên nền vi xử lý, dùng trong điều khiển và quản

lý tòa nhà và hệ thống điều khiển thông minh Chúng thường được sử dụng

để điều khiển các hệ thống chiếu sáng và các thiết bị điện bao gồm bơm, các thiết bị nghe nhìn, các motor Bất kỳ các điều khiển ON/OFF của mạch chiếu sáng hoặc nhiều kiểu điều khiển tương tự như điều khiển sáng tối của đèn huỳnh quang C-Bus có thể được sử đụng một cách dễ dàng để điều khiển hầu hết các tải sử dụng điện trong công nghiệp

C-Bus sử dụng phương thức tinh xảo cho việc nâng cấp các trạng thái của các chức năng Phương pháp này không đòi hỏi nhất thiết phải có máy tính trung tâm, cơ sở dữ liệu trung tâm hoặc bàn điều khiển để vận hành Các trạng thái của mỗi bộ C-bus có thể được bắt đầu tại mỗi khoản thời gian xác