Ngày nay với xu hướng phát triển quá trình sản xuất, đặc biệt là sự phát triển công nghiệp, vấn đề tự động hoá quá trình sản xuất có một ý nghĩa rất lớn quyết định đến sự phát triển kinh tế.
II. PHÂN LOẠI VÀ ĐẶC TRƯNG CỦA HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HOÁ QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT
Hệ thống điều khiển TĐH - QTSX là một hệ thống lớn có cấu trúc phức tạp và được phân thành các hệ con và tổ chức theo kiểu phân cấp. Các thông tin trước tiên được xử lý ở cấp dưới, sau đó truyền về cấp cao hơn. Ở cấp cao người điều khiển nhận các thông tin này và các thông tin bổ sung để đưa ra các quyết định điều khiển.
Cấp 0 : Là cấp tiếp xúc giữa hệ thống điều khiển (HTĐK) và cơ cấu chấp hành, 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, cấp 0 gồm các thiết bị như: cảm biến, các thiết bị đo, các cơ cấu chấp hành, động cơ, rơ le... Cấp 0 còn gọi là bus trường hay bus thiết bị. Nhiệm vụ của cấp này 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.
Cấp 1 : Là cấp điều khiển cục bộ, các hệ thống mạng công nghiệp được dùng để kết nối các máy tính điều khiển và các máy tính điều khiển cấp trên với nhau. Các hệ thống điều khiển ở đây như PID, PLC... sẽ nhận thông tin từ cấp dưới (cấp 0) và thực hiện theo chương trình tự động đã được cài đặt trước. Một số thông tin về quá trình sản xuất và kết quả của việc điều khiển sẽ được đưa lên cấp trên. Cấp 1 còn gọi là bus hệ thống hay bus quá trình. Qua bus hệ thống các máy tính điều khiển có thể phối hợp hoạt động, cung cấp dữ liệu quá trình cho các trạm kỹ thuật và trạm quan sát cũng như nhận mệnh lệnh, tham số điều khiển từ các trạm cấp trên. Thông tin không những được trao đổi theo chiều dọc mà còn được trao đổi theo chiều ngang.
Cấp 2 : Là cấp điều khiển tự động hoá quá trình công nghệ (TĐH-QTCN) tại đây có các máy tính hay mạng máy tính có các chức năng kết nối các máy tính văn phòng thuộc cấp điều hành với cấp điều khiển giám sát. Thông tin được gửi lên trên bao gồm các trạng thái làm việc của các quá trình kỹ thuật, các hệ thống điều khiển tự động (ĐKTĐ), các số liệu tính toán, các số liệu thống kê về diễn biến quá trình sản xuất và chất lượng sản phẩm.
II.2. Phân loại các HTĐK TĐH - QTSX
II.2.1. Phân loại theo cấu trúc phân cấp
Hệ thống ĐK TĐH-QTCN là điều khiển một quá trình công nghệ nhất định ứng với cấp 2 trong cấu trúc phân cấp của hệ thống điều khiển.
II.2.2. Phân loại theo mức độ tự động hoá
Các hệ thống tự động hoá hiện nay bao gồm các dạng sau:
II.3. Cấu trúc HTĐK TĐH – QTSX
Cấp thấp nhất là các thiết bị đầu cuối. Đó là các thiết bị tiếp xúc giữa hệ thống điều khiển và QTSX, làm nhiệm vụ thu nhận thông tin từ các sensor, thiết bị đo lường và lưu trữ, xử lý sơ bộ rồi truyền lên các trạm trung gian, các trạm trung gian xử lý tiếp thông tin rồi chuyển lên trung tâm điều khiển. Tại trung tâm điều khiển, thông tin được xử lý và truyền trở lại trạm trung gian để đưa tín hiệu điều khiển xuống các thiết bị đầu cuối tác động đến quá trình sản xuất.
Không có trạm trung gian, do đó giảm được đường liên lạc giữa các bộ phận của hệ thống. Tuy nhiên các thiết bị đầu cuối không trực tiếp trao đổi thông tin với nhau được.
I. I. GIỚI THIỆU VỀ HỆ SCADA
SCADA (Supervisory Control And Data Acquistion): Là hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu. Đây là phần không thể thiếu trong một hệ thống tự động hoá hiện đại.
Phần cứng : Bao gồm các máy tính (PC), các thiết bị đầu cuối (RTU), các thiết bị giao diện người sử dụng và các thiết bị giao diện thông tin...
Phần mềm : Bao gồm các phần mềm hệ thống, phần mềm trợ giúp, phần mềm ứng dụng...
Phần hỗ trợ : Phần hỗ trợ sử dụng để kiến tạo sơ đồ hệ thống, trợ giúp tình trạng sự cố trong hệ thống. SCADA là công cụ trợ giúp cho việc điều hành kỹ thuật ở các cấp trực ban, điều hành của sản xuất công nghiệp từ các cấp phân xưởng, xí nghiệp cho tới cấp cao nhất của một công ty.
III. I.2. Chức năng cơ bản của hệ SCADA
Thu thập dữ liệu: Thu thập dữ liệu qua đường truyền số liệu về quá trình sản xuất, sau đó tổ chức lưu trữ số liệu như số liệu sản xuất, chất lượng sản phẩm, sự kiện thao tác, sự cố... dưới dạng trang ghi chép hệ thống theo một cơ sở dữ liệu nhất định.
Trạm điều khiển trung tâm: Có nhiệm vụ thu thập, lưu giữ, xử lý số liệu và đưa ra các lệnh điều khiển xuống các trạm cơ sở.
Mạng lưới truyền tin: Được xây dựng trên cơ sở mạng máy tính và mạng truyền thông công nghiệp có chức năng đảm bảo thông tin hai chiều giữa trạm trung tâm và các trạm cơ sở.
Giao diện người - máy (sơ đồ công nghệ, đồ thị, phím thao tác...)
Cơ sở dữ liệu quá trình: Cơ sở hạ tầng truyền thông công nghiệp hay các thiết bị phục vụ cho việc truyền thông.
Phần mềm kết nối với các nguồn dữ liệu (những bộ phận điều khiển cho các PLC, các module vào/ra cho các hệ thống bus trường).
Các chức năng hỗ trợ trao đổi tin tức và xử lý sự cố, hỗ trợ cho việc lập báo cáo.
V. I.3. Cấu trúc phân cấp của hệ SCADA
Ngày nay, kỹ thuật tự động hoá đã đạt được nhiều tiến bộ cùng với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ chế tạo linh kiện bán dẫn IC, LSI, VLSI... của kỹ thuật số, kỹ thuật vi xử lý cũng như của các kỹ thuật tính toán và công nghiệp máy tính, công nghệ mạng và kỹ thuật quản lý, xử lý thông tin. Mô hình SCADA (hiểu theo nghĩa rộng) được phân thành các cấp như sau:
VI. I.3.1. Cấp quản lý hiện trường
Trong cấp này các bộ điều khiển nối tiếp với các loại thiết bị tại hiện trường như các thiết bị đo lường, các cơ cấu chấp hành, các thiết bị cảnh báo...Để thực hiện các chức năng đo lường và điều khiển. Đồng thời cấp này cũng được nối cấp quản lý quá trình để nhận thông tin quản lý và đồng thời chuyển lên cho cấp quản lý quá trình các số liệu về đặc tính của các thiết bị cũng như số liệu về các tham số tại hiện trường trong thời gian thực. Hiện nay nhờ xuất hiện các thiết bị hiện trường mà thông tin về trạng thái, thông số, cấu hình... của thiết bị có được dễ dàng. Toàn bộ các thiết bị hiện trường cũng như các bộ điều khiển kết nối với nhau thành một mạng các thiết bị trường. Tất cả các thông tin từ mạng này được cung cấp cho người sử dụng cũng như các chương trình ứng dụng một cách nhất quán.
VII. I.3.2. Cấp quản lý quá trình
Cấp này bao gồm các trạm quản lý như trạm thao tác, trạm giám sát. Cấp này có nhiệm vụ tự động thu thập, tổng hợp thông tin về hiện trường từ các trạm ở cấp quản lý hiện trường, hiển thị tập trung và thay đổi các tham số điều khiển.
VIII. I.3.3. Cấp quản lý kinh doanh
Cấp này có trong các hệ SCADA mở rộng và thực hiện các nhiệm vụ như: Tích hợp các thông tin thu thập được từ cấp dưới vào hệ thống quản lý kinh doanh của doanh nghiệp, phân tích và thống kê đặt hàng lập kế hoạch sản xuất. Doanh nghiệp có thể tích hợp hệ SCADA với các cơ sở dữ liệu và bảng tính sẵn có tạo ra một hệ thống đáp ứng được các yêu cầu cụ thể.
XI. II. TỔNG QUAN VỀ MẠNG TRUYỀN THÔNG CÔNG NGHIỆP
XII. II.2. Cấu trúc mạng
Để tìm hiểu cấu trúc thông dụng trong mạng truyền thông công nghiệp ta đưa ra một số định nghĩa cơ bản sau:
Liên kết điểm - điểm (Point to Point): Là liên kết chỉ có hai đối tác tham gia.
Liên kết điểm - nhiều điểm (multi - drop): Là liên kết có nhiều đối tác tham gia, tuy nhiên chỉ có một đối tác cố định duy nhất (trạm chủ) có chức năng phát trong khi nhiều đối tác còn lại (các trạm tớ) thu nhận thông tin cùng một lúc.
Liên kết nhiều điểm (multipoint): Trong một mối liên kết có nhiều đối tác tham gia và có thể trao đổi thông tin qua lại tự do theo bất kỳ hướng nào. Bất kỳ một đối tác nào cũng có thể phát và nhận được.
XIV. II.2.1. Cấu trúc bus
Với cấu trúc này các thành viên của mạng đều được nối trực tiếp với một đường dẫn chung. Đặc điểm cơ bản của cấu trúc bus là việc sử dụng chung một đường dẫn duy nhất
cho tất cả các trạm. Vì vậy tiết kiệm được cáp dẫn và công lắp đặt. Có ba kiểu cấu hình trong cấu trúc bus: Daisy-chain, Trunk-link/Drop-line và mạch vòng không tích cực.
Với cấu trúc này các thành viên trong mạng được nối từ điểm này đến điểm khác một cách tuần tự trong một mạch vòng khép kín. Ưu điểm cơ bản của cấu trúc này là mỗi nút đồng thời có thể là một bộ khuếch đại. Vì vậy, khi thiết kế mạng theo kiểu này có thể thực hiện với khoảng cách và số trạm rất lớn, mỗi trạm có khả năng vừa nhận vừa phát tín hiệu cùng một lúc. Có hai kiểu mạch vòng phổ biến sau:
XV. II.2.3. Cấu trúc hình sao
XXIII. II.2.4. Cấu trúc cây
Cấu trúc cây chính là sự liên kết của nhiều mạng con có cấu trúc đường thẳng, mạch vòng hoặc hình sao. Đặc trưng của cấu trúc cây chính là sự phân cấp đường dẫn. Cấu trúc cây dùng các bộ nối tích cực (Active coupler), nếu muốn tăng số trạm cũng như phạm vi của một mạng đồng nhất có thể dùng các bộ lặp (Repeater), trong trường hợp c mạng con hoàn toàn khác loại thì phải dùng tới các bộ liên kết mạng khác như Bridge, Router, và Gateway.
Một hệ thống truyền thông cung cấp dịch vụ truyền thông cho các thành viên tham gia nối mạng. Các dịch vụ đó được dùng cho các nhiệm vụ khác nhau như trao đổi dữ liệu, báo cáo trạng thái, tạo lập cấu hình và tham số hoá thiết bị trường, giám sát thiết bị và cài đặt chương trình.
XXIV. II.3.2. Giao thức
Giao thức chính là cơ sở cho việc thực hiện và sử dụng các dịch vụ truyền thông. Một qui chuẩn giao thức bao gồm các thành phần sau:
Việc thực hiện một dịch vụ truyền thông trên cơ sở các giao thức tương ứng được gọi là xử lý giao thức. Quá trình xử lý giao thức có thể là mã hoá (xử lý giao thức bên gửi) và giải mã (xử lý giao thức bên nhận).
Giao thức HDLC
HDLC cho phép chế độ truyền bít nối tiếp đồng bộ hoặc không đồng bộ. Một bức điện, hay còn gọi là khung có cấu trúc như sau:
Bit khởi đầu (start) bao giờ cũng là 0 và bit kết thúc (stop) bao giờ cũng là 1. Các bit trong một ký tự được truyền theo thứ tự từ bit thấp (LSB) tới bit cao (MSB). Giá trị của bit chẵn lẻ P (parity) phụ thuộc vào cánh chọn.
XXVI. II.3.3. Kiến trúc giao thức OSI (Open System Interconnection)
Trên thực tế khó có thể xây dựng được một mô hình chi tiết thống nhất về chuẩn giao thức và dịch vụ cho tất cả các hệ thống truyền thông, nhất là khi các hệ thống đa dạng và tồn tại độc lập. Chính vì vậy năm 1983 tổ chức tiêu chuẩn hoá quốc tế ISO (International Standard Organization) đã đưa ra một kiến trúc giao thức với chuẩn ISO 7498, được gọi là mô hình qui chiếu OSI nhằm hỗ trợ việc xây dựng các hệ thống truyền thông có khả năng tương tác. OSI chỉ là một mô hình kiến trúc phân lớp với mục đích phục vụ việc sắp xếp và đối chiếu các hệ thống truyền thông có sẵn, trong đó có cả việc so sánh, đối chiếu các giao thức và dịch vụ truyền thông cũng như cơ sở cho việc phát triển các hệ thống mới.
Lớp ứng dụng (application layer)
Lớp ứng dụng là lớp trên cùng của mô hình OSI, có chức năng cung cấp các dịch vụ cao cấp (trên cơ sở các giao thức cao cấp) cho người sử dụng và các chương trình ứng dụng, các hàm chức năng trao đổi thông tin, các dịch vụ truyền thông. Ví dụ, có thể sắp xếp các dịch vụ và giao thức theo chuẩn MMS cũng như các dẫn suất của nó sử dụng trong một số hệ thống bus trường thuộc lớp ứng dụng. Các dịch vụ thuộc lớp ứng dụng hầu hết được thực hiện bằng phần mềm. Để có thể sử dụng dễ dàng một chương trình ứng dụng, ví dụ như điều khiển cơ sở hay điều khiển giám sát, nhiều hệ thống cung cấp các dịch vụ này thông qua các khối hàm (function block). Một số thiết bị trường hiện nay không những mang tính chất của dịch vụ truyền thông mà còn được tích hợp một số chức năng như xử lý thông tin, điều khiển tại chỗ...còn được gọi là các thiết bị trường thông minh. Đây chính xu hướng mới trong việc chuẩn hoá lớp ứng dụng cho các hệ thống bus trường, hướng tới cấu trúc điều khiển phân tán.
Lớp biểu diễn dữ liệu (presentation layer)
Trong một mạng truyền thông, ví dụ mạng máy tính, các trạm máy tính có thể có kiến trúc rất khác nhau, sử dụng các hệ điều hành khác nhau vì vậy cách biểu diễn dữ liệu cũng có thể khác nhau, như độ dài hay cách sắp xếp các byte dữ liệu khác nhau. Chức năng của lớp biểu diễn dữ liệu là chuyển đổi các dạng dữ liệu khác nhau về cú pháp thành một dạng chuẩn, nhằm tạo điều kiện cho các đối tác truyền thông có thể hiểu được nhau mặc dù chúng sử dụng các kiểu dữ liệu khác nhau. Ngoài ra, lớp này còn có thể cung cấp một số dịch vụ bảo mật dữ liệu, ví dụ qua phương pháp sử dụng mã khoá.
Lớp kiểm soát nối có chức năng kiểm soát mối liên kết truyền thông giữa các chương trình ứng dụng, bao gồm các việc tạo lập, quản lý và kết thúc các đường nối giữa các chương trình ứng dụng, bao gồm các việc tạo lập, quản lý và kết thúc các đường nối giữa các ứng dụng đối tác. Mối liên kết giữa các chương trình ứng dụng mang tính chất logic. Một mối liên kết vật lý (giữa hai trạm hay giữa hai nút mạng) có thể tồn tại song song dưới dạng nhiều đường nối logic. Thông thường kiểm soát nối thuộc chức năng của hệ điều hành. Để thực hiện các đường nối giữa hai ứng dụng đối tác, hệ điều hành có thể tạo các quá trình tính toán song song. Như vậy, nhiệm vụ đồng bộ hoá các quá trình tính
toán này đối với việc sử dụng chung một giao diện mạng cũng thuộc chức năng của lớp kiểm soát nối. Vì vậy lớp này còn được gọi là lớp đồng bộ hoá.
Khi một khối dữ liệu được chuyển đi thành từng gói, cần phải đảm bảo tất cả các gói đều đến đích và theo đúng trình tự lúc chúng được chuyển đi. Chức năng của lớp vận chuyển là cung cấp các dịch vụ cho việc thực hiện vận chuyển dữ liệu giữa các chương trình ứng dụng một cách tin cậy, bao gồm cả việc khắc phục lỗi và việc điều khiển lưu thông. Nhờ vậy mà các lớp trên có thể thực hiện được các chức năng cao cấp mà không cần quan tâm tới cơ chế vận chuyển cụ thể. Các nhiệm vụ cụ thể của lớp vận chuyển bao gồm:
Để thực hiện việc vận chuyển một cách hiệu quả, tin cậy, một dữ liệu được chuyển đi có thể được chia thành nhiều đơn vị vận chuyển (Data segment unit) có đánh số thứ tự kiểm soát trước khi bổ sung các thông tin kiểm soát lưu thông.
Lớp mạng (Network layer)
Trong mạng diện rộng WAN là sự liên kết của nhiều mạng tồn tại độc lập. Mỗi mạng đều có một không gian địa chỉ và cách đánh địa chỉ riêng, sử dụng công nghệ truyền thông khác nhau. Một bức điện từ đối tác này sang đối tác khác của một mạng khác có thể có nhiều đường đi khác nhau. Vì vậy thời gian, quãng đường vận chuyển và chất lượng cũng khác nhau. Chức năng của lớp mạng là tìm một đường đi tối ưu cho việc vận chuyển dữ liệu, giải phóng sự phụ thuộc của các lớp phía trên vào phương thức chuyển giao dữ liệu và công nghệ
chuyển mạch dùng để kết nối các hệ thống khác nhau. Điều này có ý nghĩa rất lớn nhằm giảm được thời gian, quãng đường truyền thông từ đó giảm giá thành dịch vụ.
Lớp liên kết dữ liệu (Data link layer)
Lớp liên kết dữ liệu có chức năng truyền dẫn dữ liệu một cách tin cậy thông qua mối liên kết vật lý, trong đó bao gồm việc điều khiển truy cập môi trường truyền dẫn và bảo
toàn dữ liệu. Lớp liên kết dữ liệu thường được chia thành hai lớp con tương ứng với hai chức năng trên.
Lớp vật lý (Physical layer)
XXVIII. II.4. Phương pháp truy nhập bus
Trong các hệ thống mạng truyền thông công nghiệp thì các hệ thống có cấu trúc dạng bus có vai trò quan trọng và phổ biến nhất vì những lý do như: Chi phí dây dẫn thấp, dễ lắp đặt, linh hoạt, thích hợp cho việc truyền dẫn trong phạm vi vừa và nhỏ. Trong phạm vi đề tài em chỉ trình bày về phương pháp truy cập bus tức ứng với các mạng có cấu trúc dạng bus.
Thời gian đáp ứng tối đa với một trạm là thời gian tối đa mà hệ thống truyền thông cần để đáp ứng một nhu cầu trao đổi dữ liệu của trạm đó với một trạm bất kỳ khác.
XXX. II.4.2. Phương pháp chủ tớ (Master/Slave)
Theo phương pháp này, một trạm chủ (Master) có trách nhiệm chủ động phân chia quyền truy nhập bus cho các trạm tớ (Slave). Các trạm tớ đóng vai trò là bị động, chỉ có quyền truy nhập bus và gửi tín hiệu đi khi có yêu cầu. Trạm chủ có thể dùng phương pháp hỏi tuần tự (Polling) theo chu kỳ để kiểm soát toàn bộ hoạt động giao tiếp của cả hệ thống. Nhờ vậy mà các trạm tớ có thể gửi các dữ liệu thu thập tới trạm chủ cũng như nhận thông tin điều khiển từ trạm chủ. Trạm chủ có thể là một PLC hay một PC...
Ưu điểm: Phương pháp Master/Slave là phương pháp có kết nối đơn giản, kinh tế, trạm chủ thường là các thiết bị điều khiển do đó dễ dàng tích hợp thêm chức năng xử lý truyền thông.
Nhược điểm:
Hiệu suất trao đổi thông tin giữa các trạm tớ bị giảm do dữ liệu phải đi qua trạm trung gian là trạm chủ, dẫn đến giảm hiệu suất sử dụng đường truyền.
Chính vì hai lý do trên mà phương pháp Master/Slave chỉ được dùng phổ biến trong các hệ thống bus cấp thấp, tức bus trường hay bus thiết bị hay khi việc trao đổi thông tin
hầu như chỉ diễn ra giữa trạm chủ là thiết bị điều khiển và các trạm tớ là các thiết bị trường hay các module vào/ra phân tán.
XXXI. II.4.3. Phương pháp đa truy nhập phân chia thời gian TDMA (Time Division Multiple Access)
Trong phương pháp đa truy nhập phân chia thời gian TDMA. Mỗi trạm được phân một thời gian truy nhập bus nhất định. Các trạm có thể lần lượt thay nhau gửi thông tin trong khoảng thời gian cho phép gọi là khe thời gian hay lát thời gian (time slot, time slice) theo một tuần tự qui định sẵn. Việc phân chia thời gian này được thực hiện trước khi hệ thống đi vào hoạt động (tiền định). Khác với phương pháp chủ/tớ, phương pháp này có thể có hoặc không có trạm chủ. Nếu có một trạm chủ thì trạm chủ chỉ thực hiện việc giữ đúng lát thời gian của các trạm khác. Mỗi trạm đều có khả năng đảm nhiệm vai trò chủ động trong giao tiếp trực tiếp với các trạm khác. Hình vẽ sau đây minh hoạ cách phân chia thời gian cho các trạm trong một chu kỳ bus.
XXXII. II.4.4. Phương pháp Token Passing
Token là một bức điện ngắn không mang dữ liệu, có cấu trúc đặc biệt để phân biệt với các bức điện mang thông tin nguồn, được dùng đặc biệt như một chìa khoá. Một trạm nào đó trong mạng đang giữ thông tin thì nó có quyền truy nhập bus và gửi thông tin đi. Khi không còn nhu cầu gửi thông tin, trạm đang có token phải gửi token tới một trạm khác theo một trình tự nhất định. Nếu trình tự này đúng với trình tự sắp xếp vật lý trong một mạch vòng thì ứng với phương pháp Token Ring. Còn nếu sắp xếp có tính chất logic như ở cấu trúc bus thì ta dùng khái niệm Token Bus.
XXXIV. II.4.5. Phương pháp thâm nhập ngẫu nhiên phân tán CSMA/CD
Ưu điểm: Phương pháp đơn giản, linh hoạt. Việc ghép thêm hay bỏ đi một trạm trong mạng không ảnh hưởng tới hoạt động của hệ thống. Vì vậy phương pháp được ứng dụng rộng rãi trong mạng Ethernet.
Nhược điểm: Vì các trạm đều như nhau trong mạng nên quá trình chờ ở một trạm có thể lặp đi lặp lại, không xác định được thời gian chính xác. Hiệu suất sử dụng đường truyền thấp.
II.5. Thiết bị liên kết mạng
Để cho dòng dữ liệu giữa hai phần mạng có thể truyền qua lại cho nhau được người ta sử dụng các thiết bị liên kết đặc biệt. Thông thường mỗi phần mạng được thiết lập các giao thức truyền thông riêng, các giao thức này có thể giống nhau hoặc khác nhau so với phần mạng còn lại. Do vậy cần phải liên kết hai mạng lại mà người sử dụng không cần phải thiết lập lại giao thức truyền thông. Tuỳ theo những đặc điểm
giống và khác nhau giữa hai phần mạng cần liên kết ta có thể chọn các loại thiết bị liên kết cho phù hợp như bộ lặp (Repeater), cầu nối (Bridge), bộ định tuyến (Router) và gateway. Các thiết bị liên kết này được chọn theo nhiệm vụ của chúng theo mô hình ISO/OSI.
XXXV. II.5.1 Bộ lặp (Repeater)
XXXVI. II.5.2. Cầu nối (Bridge)
II.5.3. Bộ định tuyến (Router)
Router có nhiệm vụ liên kết hai mạng với nhau trên cơ sở lớp 3 theo mô hình OSI. Router cũng có chức năng xác định đường đi tối ưu cho một gói dữ liệu cho hai đối tác thuộc các mạng khác nhau. Các mạng liên kết có thể khác nhau ở hai lớp 1 và 2, nhưng bắt buộc giống nhau ở lớp 3. Mỗi mạng có một không gian địa chỉ riêng, nghĩa là hai trạm thuộc hai mạng khác nhau có thể có cùng một địa chỉ, tuy nhiên chúng được phân biệt bởi địa chỉ mạng. Nếu một router ghép nối với n mạng thì bản thân nó có n địa chỉ. Các trạm trong một mạng chỉ có thể nhìn thấy một địa chỉ của router.
Trong việc giao tiếp liên mạng thì mã địa chỉ trong một bức điện bao gồm nhiều thành phần, trong đó có các địa chỉ nơi gửi, nơi nhận cũng như các thành phần mô tả địa chỉ mạng mà bức điện cần đi qua.
II.5.4. Gateway
Gateway được sử dụng để liên kết các hệ thống mạng khác nhau (các hệ thống bus khác nhau). Nhiệm vụ chính của gateway là chuyển đổi giao thức ở cấp cao, thường được thực hiện bằng các thành phần phần mềm. Như vậy, gateway không nhất thiết phải là một thiết bị đặc biệt, mà có thể là một máy tính PC với các phần mềm cần thiết. Tuy nhiên cũng có phần cứng chuyên dụng thực hiện chức năng gateway.
XXXVIII. II.5.5. Card mạng
Một mạng công nghiệp luôn được đặc trưng bởi cấu trúc ghép nối vật lý và phương thức thực hiện truyền thông giữa các phần tử trong mạng. Trong một mạng truyền thông các trạm giao tiếp với môi trường truyền thông qua Card mạng. Card mạng đảm nhận nhiệm vụ truyền dữ liệu từ một nút mạng này đến một nút mạng khác và theo chiều ngược lại nó nhận dữ liệu từ một trạm khác gửi đến. Để đảm nhận được nhiệm vụ đó, card có các chức năng sau:
III. CÁC CHUẨN TRUYỀN THÔNG CÔNG NGHIỆP
Phương pháp truyền dữ liệu nối tiếp, không đồng bộ là phương pháp được sử dụng chủ yếu trong các hệ thống mạng truyền thông công nghiệp. Với phương pháp này các bit dữ liệu được truyền từ bên gửi đến bên nhận một cách tuần tự trên cùng một đường truyền. Có một số chuẩn truyền thông công nghiệp phổ biến như sau:
III.1. Phương thức truyền dẫn tín hiệu
Tín hiệu được dùng để truyền tải thông tin. Nếu không kể môi trường truyền dẫn thì các thành phần cơ bản trong một hệ thống truyền tín hiệu gồm có:
Một thiết bị vừa có khả năng thu và phát tín hiệu còn gọi là bộ thu-phát (Transceiver). Có hai phương thức truyền dẫn tín hiệu cơ bản được dùng trong các hệ thống truyền thông công nghiệp. Đó là phương pháp chênh lệch đối xứng và phương pháp không đối xứng.
Truyền dẫn không đối xứng
Truyền dẫn chênh lệch đối xứng
Truyền dẫn chênh lệch đối xứng sử dụng điện áp giữa hai dây dẫn để biểu diễn trạng thái logic (0 và 1) của tín hiệu. Phương pháp truyền này không phụ thuộc vào đất và có khả năng chống nhiễu tốt.
III.2. Chuẩn truyền dẫn TIA /EIA
EIA (Electronic Industry Assiciation) và TIA (Telecomunication Industry Assiciation) là các hiệp hội đã xây dựng và phát triển một số chuẩn giao diện cho truyền thông công nghiệp, trong đó có các chuẩn truyền dẫn nối tiếp. Theo nghĩa truyền thống một chuẩn truyền dẫn trước hết được hiểu là các quy định được thống nhất về giao diện vật lý giữa các thiết bị đầu cuối xử lý dữ liệu DTE (Data Terminal Equipment) và các thiết bị truyền dẫn dữ liệu DCE (Data Communication Equipment).
Chuẩn RS-232 tương ứng với chuẩn Châu Âu là CCITT. Được dùng chủ yếu trong việc giao tiếp điểm-điểm giữa hai DTE, ví dụ giữa hai máy tính (PC, PLC...), giữa máy tính và máy in hoặc giữa một DTE và một DCE như giữa PC và MODEM.
Ưu điểm: Chuẩn RS-232 sử dụng công suất phát tương đối thấp, nhờ trở kháng đầu vào và hạn chế trong phạm vi từ 3-7k.
Khác với RS-232, RS-485 sử dụng điện áp chênh lệch đối xứng giữa hai dây dẫn, nhờ vậy giảm được nhiễu và cho phép tăng chiều dài dây dẫn một cách đáng kể. Đặc điểm của RS-485 là khả năng ghép nối được nhiều điểm, vì thế được dùng phổ biến trong các bus trường. Cụ thể, 32 trạm có thể ghép nối, được định địa chỉ và giao tiếp đồng thời trong một đoạn RS-485 mà không cần bộ lặp. Để đạt được điều này, trong một thời điểm chỉ có một trạm được phép kiểm soát đường dẫn và phát tín hiệu, vì thế mỗi bộ kích thích đều phải đưa về chế độ trở kháng cao mỗi khi rỗi, tạo điều kiện cho các bộ kích thích ở các trạm khác tham gia. Chế độ này được gọi là tri - state. Một số vi mạch RS-485 tự động xử lý tình huống này, trong nhiều trường hợp khác, việc đó thuộc về trách nhiệm của phần mềm điều khiển truyền thông.
Khoảng cách tối đa giữa trạm đầu và trạm cuối trong một đoạn mạng là 1200m, không phụ thuộc vào số trạm tham gia. Tốc độ truyền dẫn có thể lên tới 10Mbit/s.
Thực tế hầu hết các máy tính hiện nay đều trang bị cổng nối tiếp RS-232. Vì vậy khi ghép nối máy tính với các giao diện ghép nối khác như PLC ta phải chuyển đổi từ RS-232 sang RS-422 hay RS-485. Sơ đồ khối bộ chuyển đổi như sau:
XXXIX. IV. MỘT SỐ MẠNG CÔNG NGHIỆP PHỔ BIẾN
Bitbus ra đời sớm nhất và do hãng INTEL thiết kế vào đầu năm 1990. Đến năm 1991 Bitbus trở thành chuẩn hoá quốc tế theo chuẩn IEEE-1118 và hiện nay được duy trì bởi hiệp hội người dùng BEUG (Bitbus European Users Group). Bitbus dựa trên công nghệ truyền dẫn của RS-485 sử dụng đôi cáp xoắn (cho tốc độ truyền 375 Kbit/s hoặc 62.5 Kbit/s) hoặc cáp quang (1.5 Mbit/s). Cấu trúc của mạng Bitbus bao giờ cũng bao gồm một trạm chủ, các trạm tớ, có thể có đến 249 Slave và các bộ lặp khi cần mở rộng đường truyền.
Mạng CAN (Controller Area Network)
Giao thức truyền thông của CAN là giao thức theo chuẩn hoá ISO 11898. Giao thức này đầu tiên được phát triển do hãng BOSCII với mục đích ứng dụng cho ngành sản xuất ôtô ở Châu Âu. Tuy nhiên ngày nay CAN được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực tự động hoá công nghiệp cũng như công nghiệp chế tạo sản xuất ôtô. Giao thức CAN có thể sử dụng tốt trong các hệ điều khiển phân tán. Tốc độ truyền trên mạng của CAN phụ thuộc vào khoảng cách truyền.
Mạng DeviceNet
DeviceNet là giải pháp mạng của các thiết bị công nghiệp ở cấp trường (field level, như mạng ghép nối các sensor, các công tắc giới hạn, van điều khiển, các bộ khởi động motor...) và hãng Allen Bradley phát triển từ năm 1994.
DeviceNet dựa trên cấu trúc giao thức truyền CAN và được xem là một chuẩn hoá bus trường mở.
Mạng ControlNet
ControlNet là mạng công nghiệp mở đảm bảo yêu cầu về truyền tốc độ theo thời gian thực khi liên kết giữa các thiết bị điều khiển trong mạng. Khi sử dụng cáp đồng trục tốc độ truyền lớn nhất có thể lên đến 5Mbit/s, ở khoảng cách truyền 1000m giữa hai trạm hoặc 250m khi số trạm sử dụng là 48. Khoảng cách truyền có thể lên đến 3000m khi dùng cáp quang khi số lượng trạm làm việc có thể định địa chỉ tới 99 trạm. Với tốc độ truyền nhanh, ControlNet thích hợp cho việc trao đổi số liệu theo thời gian thực giữa các trạm điều khiển.
Mạng Industrial Ethernet (IE)
Mạng Industrial Ethernet (IEEE-802.2) dựa trên Ethernet thường được thiết kế lại sao cho sử dụng phù hợp với môi trường công nghiệp và do tổ chức IEA/ (Industrial Ethernet Association) quản lý. Mạng IE phục vụ cho lớp quản lý và lớp điều khiển để thực hiện việc truyền thông giữa máy tính và các hệ thông tự động hoá. Nó phục vụ cho việc trao đổi một dung lượng thông tin lớn và truyền trong một
khoảng cách lớn. Về phương diện vật lý mạng IE cũng là một mạng điện. Các cáp dùng trong mạng là cáp đồng trục có trán cách điện và có bọc hay cáp quang.
Mạng AS-I (Actuator Sensor Interface)
AS-I là một giải pháp mạng công nghiệp tự động đơn giản nhất chủ yếu dùng cho mạng các điểm đo và cơ cấu chấp hành ở cấp trường. Mạng AS-I có đặc điểm cấu trúc mạng hình cây sử dụng đôi dây cáp không cần bọc nhiễu cho truyền tải thông tin và năng lượng (nguồn 24V DC). Độ dài cáp có thể lên đến 100m và cho phép tải trên nó một trạm chủ với lớn nhất là 31 trạm tớ, với thời gian thực chu kỳ quét trên mạng khoảng 5ms. Mục đích sử dụng duy nhất của AS-I là kết nối các thiết bị cảm biến và cơ cấu chấp hành số với cấp điều khiển.
Mạng PROFIBUS
Profibus là bus trường mở theo chuẩn hoá châu Âu EN 50170 năm 1996 và chuẩn hoá quốc tế IEC 61158 năm 2000. Được phát triển dựa trên cơ sở mạng công nghiệp SINEC-L2 của hãng SIEMENS và hiện do tổ chức PNO (Profibus User Organization) kiểm soát. Đây là bus trường đã được ứng dụng nhiều và xuất hiện khá sớm ở Việt Nam. Profibus là một hệ thống bus dùng để kết nối thiết bị trường với các thiết bị điều khiển và giám sát. Profibus là hệ thống bus nhiều chủ, cho phép các thiết bị điều khiển tự động, các trạm kỹ thuật và hiển thị quá trình cũng như các phụ kiện phân tán cùng làm việc trên cùng một bus.
XLI. IV.1. Mạng PROFIBUS
Ưu điểm:
Vì được chuẩn hoá theo chuẩn Châu Âu EN 50170 nên có thể bảo đảm việc ghép các thiết bị của các hãng khác nhau trong cùng một bus mà không cần phải có các bộ chuyển đổi riêng.
Nhược điểm:
Nhược điểm lớn nhất của Profibus là giá thành thiết bị cao.
XLIII. IV.1.2. Kiến trúc giao thức của mạng PROFIBUS
XLIV.
XLV. Do những yêu cầu đặc trưng truyền thông của cấp trường mà PROFIBUS-FMS chỉ thực hiện các lớp: lớp vật lý (Physical, lớp 1), lớp liên kết số liệu (Data link, lớp 2), và lớp ứng dụng trên cùng (Application, lớp 7) theo mô hình đối chiếu OSI, trong khi kiểu PROFIBUS-DP và PA chỉ chuẩn hoá ở lớp 1 và lớp 2 như được minh hoạ trong hình vẽ 2.24:
XLVI. IV.1.3. Kỹ thuật truyền dẫn
Profibus sử dụng 3 công nghệ truyền dẫn là: RS-485 (sử dụng cặp đôi dây dẫn) hoặc cáp quang cho Profibus FMS/DP hoặc cấu trúc phức hợp cả hai công nghệ này tuỳ theo yêu cầu thực tế của bài toán Profibus PA sử dụng công nghệ truyền IEC 1158-2. Trong đó RS-485 là công nghệ thường dùng do tính chất bảo đảm tốc độ truyền cao, tin cậy, lắp đặt dễ dàng và chi phí thấp.
Truyền dẫn với RS-485
Chuẩn PROFIBUS theo EN 50170 qui định các đặc tính điện học và cơ học của giao diện RS-485 cũng như môi trường truyền thông để trên cơ sở đó các ứng dụng có thể lựa chọn các thông số thích hợp. Các đặc tính điện học bao gồm:
Bảng chiều dài tối đa của một đoạn mạng PROFIBUS (đôi dây xoắn)
Tốc độ (KBit/s)
9.6
19.2
93.75
187.5
500
1500
12000
Chiều dài
1200m
1200m
1200m
1000m
400m
200m
100m
XLVII. IV.1.4. Truy nhập Bus
XLVIII. IV.1.5. Cấu trúc bức điện
Một bức điện (Telegram) trong giao thức thuộc lớp 2 của Profibus được gọi là khung. Ba loại khung có khoảng cách Hamming 4 (HD = 4) và một loại khung đặc biệt đánh dấu một Token được quy định như sau:
Khung với chiều dài thông tin cố định, mang 8 byte dữ liệu:
Token:
Các ô DA, SA, FC và DU được xem là phần mang thông tin Trừ ô DU, mỗi ô còn lại trong một bức điện đều có chiều dài 8 bit với các ý nghĩa cụ thể như sau:
Bảng ngữ nghĩa khung bức điện FDL:
Ký hiệu
Byte kiểm soát khung (FC) dùng để phân biệt các kiểu bức điện, ví dụ bức điện gửi hay yêu cầu dữ liệu cũng như xác nhận hay đáp ứng. Bên cạnh đó, byte FC còn chứa thông tin về việc thực hiện hàm truyền, kiểm soát lưu thông để tránh việc mất mát hoặc gửi đúng dữ liệu cũng như thông tin kiểu trạm, trạng thái FDL.
L. IV.1.5. PROFIBUS-DP
PROFIBUS được phát triển nhằm đáp ứng các yêu cầu cao về tính năng thời gian trong trao đổi dữ liệu dưới cấp trường, ví dụ giữa thiết bị điều khiển khả trình PLC hoặc máy tính cá nhân công nghiệp với thiết bị trường phân tán như I/O, các thiết bị đo, truyền động và van. Việc trao đổi dữ liệu ở đây chủ yếu được thực hiện theo phương pháp chủ/tớ. Các dịch vụ truyền thông cần thiết được định nghĩa qua các hàm DP cơ sở theo chuẩn EN 50 170.
Cấu hình hệ thống và kiểu thiết bị
Với số trạm tối đa trong một mạng là 126, DP cho phép sử dụng cấu hình một trạm chủ (Mono-Master) hoặc nhiều trạm chủ (Multi-Master). Cấu hình hệ thống định nghĩa số trạm, gán các địa chỉ cho các địa chỉ vào/ra, tính nhất quán của dữ liệu vào ra, khuôn dạng các thông báo chuẩn đoán và các tham số bus sử dụng.
Đặc tính vận hành hệ thống
Chuẩn DP mô tả chi tiết vận hành hệ thống để đảm bảo tính tương thích và khả năng thay thế lẫn nhau của các thiết bị. Trước hết đặc tính vận hành hệ thống được xác định qua các trạng thái hoạt động của thiết bị chủ:
Trao đổi dữ liệu tuần hoàn
Trao đổi dữ liệu giữa trạm chủ và các trạm tớ gán cho nó được thực hiện tự động theo một trình tự qui định sẵn. Khi đặt cấu hình hệ thống bus, người sử dụng định nghĩa các trạm tớ cho một thiết bị DPM1, qui định các trạm tớ tham gia và các trạm tớ không tham gia trao đổi dữ liệu tuần hoàn.
Đồng bộ hoá dữ liệu vào/ra
Trong các giải pháp điều khiển sử dụng bus trường, một trong những vấn đề cần phải giải quyết là việc đồng bộ hoá các đầu vào và đầu ra. Mỗi thiết bị chủ có thể đồng bộ hoá việc đọc các đầu vào cũng như đặt các đầu ra qua các bức điện gửi đồng loạt.
Tham số hoá và chẩn đoán hệ thống
Để thực hiện truyền nạp các bộ tham số hoặc đọc các tập dữ liệu tương đối lớn. Profibus-DP cung cấp các dịch vụ không tuần hoàn là DDLM_Read và DDLM_Write. Trong mỗi chu kỳ bus trạm chủ chỉ cho phép thực hiện được một dịch vụ. Tốc độ trao đổi dữ liệu vì thế không bị ảnh hưởng đáng kể. Dữ liệu không tuần hoàn được định địa chỉ qua số thứ tự của khe căm đó. Mỗi khe cắm cho phép truy nhập tối đa là 256 tập dữ liệu.
LVI. IV.1.7. Mạng Industrial Ethernet (IE)
Mạng Industrial Ethernet (IEEE 802.2) dựa trên cơ sở Ethernet thường nhưng được thiết kế lại cho sử dụng phù hợp trong môi trường công nghiệp và do tổ chức IEA quản lý. Mạng IE phục vụ cho lớp quản lý và lớp điều khiển để thực hiện việc truyền thông giữa máy tính và các hệ thống tự động hoá. Nó phục vụ cho việc trao đổi một dung lượng thông tin lớn và truyền trong một khoảng cách lớn. Về phương diện vật lý mạng IE cũng là một mạng điện. Các cáp dùng trong mạng là cáp đồng trục có tráng cách điện và có bọc, cáp quang.
Bảng các thông số kỹ thuật của mạng IE:
SIMATIC PCS 7 là một hệ thống điều khiển quá trình cho toàn hệ thống tích hợp tự động hoá thuộc họ SIMATIC. PCS 7 là hệ thống điều khiển quá trình được chọn trên thế giới. Nó mở ra một nền tảng vững chắc, giải quyết vấn đề kinh tế hướng tới sự phát triển công nghiệp trong tương lai.
Thiết bị vào ra phân tán SIMATIC ET 200M là một hệ thống vào ra kiểu mới được nâng cấp từ SIMATIC DP. Chúng được ghép nối với đối tượng điều khiển thông qua các module tương tự là AI (Analog Input) và AO (Analog Output).
LVII. V. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ WINCC
Trong các hệ thống tự động hoá, các dây chuyền sản xuất các thiết bị như IPC (Industrial Personal Computer), PLC (Programmable Logic Controller), CNC (Computer Numerical Control)... được sử dụng phổ biến. Một hệ thống có khả năng tự động hoá cao, nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm thì việc nối mạng, phối hợp hoạt động và xử lý quá trình giữa các thiết bị là một vấn đề tất yếu. Thực tế cho thấy việc nối mạng các thiết bị trong hệ thống đã mang lại nhiều hiệu quả đáng kể.
V.1. Đặc trưng cơ bản của WinCC
Hệ điều hành ngầm định của WinCC là hệ điều hành Microsoft Windows 9x và WinNT là các hệ điều hành mạnh về thiết kế các giao diện đồ hoạ. Vì vậy WinCC cũng kế thừa được toàn bộ sức mạnh của hệ điều hành. Hơn nữa nó cũng được thiết kế có tính mở để thông qua đó tích hợp được nhiều ứng dụng, dịch vụ của hệ điều hành. Vì vậy với WinCC ta có thể có nhiều giải pháp khác nhau để giải quyết công việc:
LVIII. V.2. Giao diện Người-Máy HMI (Human Machine Interface)
Giao diện Người-Máy (HMI) là công nghệ giao tiếp chủ yếu dựa trên cơ sở giao tiếp giữa con người với các hệ thống máy hay thiết bị điều khiển (PLC, CNC...). Do khả năng con người thường dễ dàng nhận biết các quá trình thông qua các sơ đồ, hình vẽ hoặc câu chữ có tính trực quan hơn là sử dụng các con số nên giao diện HMI được đưa vào sử dụng, nó có thể giúp người vận hành theo dõi được quá trình làm việc, thay đổi các tham số, công thức hoặc tiến trình hoạt động, hiển thị các giá trị hiện thời cũng như giao tiếp với quá trình công nghệ thông qua các hệ thống tự động. Giao diện HMI cho phép giám sát các quy trình và cảnh báo, báo động hệ thống khi cần thiết. Nó thật sự cần thiết trong các hệ thống có quá trình tự động hoá phức tạp.
LIX. V.3.1. Truyền thông với SIMATIC S5
LXI. V.3.2. Truyền thông với SIMATIC S7
Win CC truyền thông với Simatic S7 qua các chuẩn sau:
V.3.3. Truyền thông với WinCC
Kết nối truyền thông giữa hai trạm WinCC thông qua OPC (OLE for Process Control). Cả hai trạm WinCC có thể được kết nối với nhau bằng bất kỳ phương pháp kết nối nào.Ví dụ như kết nối Ethernet thông qua TCP/IP.