ĐHTN giáo trình kỹ thuật thông tin công nghiệp, đỗ văn toàn, 184 trang

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN Bộ mơn Cơng nghệ điều khiển tự động ĐỖ VĂN TỒN Giáo trình KỸ THUẬT THƠNG TIN CƠNG NGHIỆP THÁI NGUN, NĂM 2007 MỤC LỤC Chương 1: MỞ ĐẦU 1.1 Mạng truyền thông công nghiệp gì? 1.2 Phân loại đặc trưng hệ thống mạng công nghiệp Chương 2: CƠ SỞ KỸ THUẬT 2.1 Các khái niệm 2.1.1 Thơng tin, liệu tín hiệu 2.1.2 Truyền thơng, truyền liệu truyền tín hiệu 2.2.2 Truyền đồng truyền không đồng 11 2.2.3 Truyền chiều truyền hai chiều 11 2.2.4 Truyền tải dải sở, dải mang dải rộng 12 2.1.3 Tính thời gian thực 13 2.2 Chế độ truyền tải 14 2.2.1 Truyền bit song song truyền bit nối tiếp 14 2.3 Cấu trúc mạng-Topology 16 2.3.1 Cấu trúc bus 17 2.3.2 Cấu trúc mạch vòng (tích cực) 18 2.3.3 Cấu trúc hình 20 2.3.4 Cấu trúc 21 2.4 Kiến trúc giao thúc 21 2.4.1 Dịch vụ truyền thông 22 2.4.2 Giao thức 23 2.4.3 Mô hình lớp 25 2.4.4 Kiến trúc giao thức OSI 27 2.4.5 Kiến trúc giao thức TCP/IP 33 2.5 Truy nhập bus 36 2.5.1 Đặt vấn đề 36 2.5.2 Chủ/tớ (Master/slaver) 38 2.5.3 TDMA 40 2.5.4 Token Passing 41 2.5.5 CSMA/CD 43 2.5.6 CSMA/CA 44 2.6 Bảo toàn liệu 46 2.6.1 Đặt vấn đề 46 2.6.2 Bit chẵn lẻ (Parìty bit) 49 2.6.3 Bit chẵn lẻ hai chiều 49 2.6.4 CRC 51 2.6.5 Nhồi bit (Bit Stuffing) 53 2.7 Mã hóa bit 53 2.7.1 Các tiêu chuẩn mã hóa bit 54 2.7.2 NRZ, RZ 55 2.7.3 Mã Manchester 56 U 2.7.4 AFP 56 2.7.5 FSK 57 2.8 Chuẩn truyền tin 57 2.8 Phương thức truyền dẫn tín hiệu 58 2.8.3 RS-232 61 2.8.3 S-422 64 2.8.4 RS-485 65 2.8.5 MBP (IEC 1158- 2) 70 2.9 Môi trường truyền dẫn 72 2.9.1 Đôi dây xoắn 73 2.9.2 Cáp đồng trục 75 2.9.3 Cáp quang 76 2.9.4 Vô tuyến 78 2.10 Thiết bị liên kết mạng 78 2.10.1 Bộ lặp 79 2.10.2 Cầu nối 80 2.10.3 Router 80 2.10.4 Gateway 81 Chương 3: CÁC HỆ THỐNG BUS TIÊU BIỂU 83 3.1 PROFIBUS 83 3.1.1 Kiến thức giao thức 83 3.1.2 Cấu trúc mạng kỹ thuật truyền dẫn 84 3.1.3 Truy nhập bus 86 3.1.4 Dịch vụ truyền liệu 87 3.1.5 Cấu trúc điện 89 3.1.6 PROFIB US-FMS 91 3.1.7 PROFIB US-DP 97 3.1.8 PROFIBUS - PA 102 3.2 CAN 104 3.2.1 Kiến trúc giao thức 104 3.2.2 Cấu trúc mạng kỹ thuật truyền dẫn 105 3.2.3 Cơ chế giao tiếp 106 3.2.4 Cấu trúc điện 106 3.2.5 truy nhập bus 109 3.2.6 Bảo toàn liệu 110 3.2.7 Mã hoá bit 111 3.2.8 Các hệ thống tiêu biểu dựa CAN 111 3.3 DeviceNet 113 3.3.1 Cơ chế giao tiếp 113 3.3.2 Mơ hình đối tượng 114 3.3.3 Mơ hình địa 115 3.3.4 Cấu trúc điện 116 3.3.5 Dịch vụ thông báo 116 3.4 Modbus 119 U 3.4.1 Cơ chế giao tiếp 120 3.4.2 Chế độ truyền 121 3.4.3 Cấu trúc điện 122 3.4.4 Bảo toàn liệu 125 3.4.5 Modbus Plus 126 3.5 Interbus 128 3.5.1 Kiến trúc giao thức 128 3.5.2 Cấu trúc mạng kỹ thuật truyền dẫn: 129 3.5.3 Cơ chế giao tiếp: 131 3.5.4 Cấu trúc điện 132 3.5.5 Dịch vụ giao tiếp: 134 3.6 AS - i 135 3.6.1 Kiến trúc giao thức 136 3.6.2 Cấu trúc mạng cáp truyền: 136 3.6.3 Cơ chế giao tiếp 137 3.6.4 Cấu trúc điện 138 3.6.5 Mã hoá bit 139 3.6.6 Bảo toàn liệu: 141 3.7 Foundation Fieldbus 141 3.7.1 Kiến thức giao thức: 142 3.7.2 Cấu trúc mạng kỹ thuật truyền dẫn: 142 3.7.3 Cơ chế giao tiếp: 144 3.7.4 Cấu trúc điện: 145 3.7.5 Dịch vụ giao tiếp 146 3.7.6 Khối chức ứng dụng: 148 3.8 Ethernet 149 3.8.1 Kiến trúc giao thức: 150 3.8.2 Cấu trúc mạng kỹ thuật truyền dẫn: 150 3.8.3 Cơ chế giao tiếp: 153 3.8.4 Cấu trúc điện: 153 3.8.5 Truy nhập bus: 154 3.8.6 Hiệu suất đường truyền tính thời gian thực: 155 3.8.7 Mạng LAN 802.3 chuyển mạch: 156 3.8.8 Fast Ethernet: 157 3.8.9 High speed Ethernet: 158 3.8.10 Industrial Ethernet: 160 Chương IV: CÁC THÀNH PHẦN HỆ THỐNG MẠNG 161 4.1 Phần cứng 161 4.1.1 Cấu trúc chung phần cứng giao diện mạng: 161 4.1.2 Ghép nối PLC: 163 4.1.3 Ghép nối PC: 164 4.1.4 Ghép nối vào/ra phân tán 166 4.1.5 Ghép nối thiết bị trường: 166 Chương 5: MỘT SỐ VẤN ĐỀ TRONG TÍCH HỢP HỆ THỐNG 167 5.1 Thiết kế hệ thống mạng 167 5.1.1 Phân tích yêu cầu: 167 5.1.2 Các bước tiến hành: 168 5.2 Đánh giá lựa chọn giải pháp mạng 169 5.2.1 Đặc thù cấp ứng dụng: 169 5.2.2 Đặc thù lĩnh vực ứng dụng: 170 5.2.3 Yêu cầu thiết kế chi tiết: 172 5.2.4 Yêu cầu kinh tế: 173 5.3 Một số chuẩn phần mềm tích hợp hệ thống 173 5.3.1 Chuẩn IEC 61131-5: 173 5.3.2 OPC (OLE for Process Control) 176 Chương 1: MỞ ĐẦU 1.1 Mạng truyền thông cơng nghiệp gì? Ngày với phát triển mạnh mẽ ngành cơng nghiệp, địi hỏi phải có cải tiến áp dụng công nghệ vào trình sản xuất nhằm nâng cao hiệu sản xuất Một giải pháp tốt nhất, áp dụng quy trình tự động hóa vào sản xuất Các dây chuyền sản xuất hoạt động độc lập mà cần phải có liên kết với tạo nên mơ hình thống Sự kết nối thiết bị cơng nghiệp với tạo thành hệ thống mạng gọi mạng công nghiệp Mạng công nghiệp hay mạng truyền thông công nghiệp khái niệm hệ thống mạng truyền thông số, truyền bit nối tiếp, sử dụng để ghép nối thiết bị công nghiệp Để phân biệt rõ mạng công nghiệp hệ thống mạng khác ta đưa bảng so sánh sau Bảng 1.1 So sánh mạng công nghiệp hệ thống mạng khác Mạng công nghiệp - Phạm vi địa địa lý hẹp - Đối tượng thiết bị công nghiệp - Dạng thông tin số liệu Các hệ thống mạng viễn thông - Phạm vi địa lý rộng, số lượng thành viên tham gia lớn - Đối tượng người thiết bị người chủ yếu - Kỹ thuật truyền liệu theo chế độ bit - Dạng thông tin bao gồm tiếng nói, hình nối tiếp ảnh, văn - Đơn giản - Cơng nghệ phong phú Từ ta kết luận mạng cơng nghiệp thực chất dạng đặc biệt mạng máy tính, so sánh với mạng máy tính thơng thường điểm giống khác sau: Kỹ thuật truyền thông số hay truyền liệu đặc trưng chung hai hệ thống mạng Trong nhiều trường hợp, mạng máy tính sử dụng cơng nghiệp coi phần mơ hình phân cấp mạng cơng nghiệp u cầu tính thời gian thực, độ tin cậy khả tương thích môi trường công nghiệp mạng công nghiệp cao so với mạng máy tính thơng thường, mạng máy tính thường đòi hỏi chế độ bảo mật cao Mạng máy tính có phạm vi trải rộng khác nhau, nhỏ mạng LAN cho nhóm máy tính lớn mạng Internet Mạng máy tính sử dụng gián tiếp mạng truyền thơng để truyền liệu cịn mạng cơng nghiệp thường có tính chất độc lập, phạm vi hoạt động tương đối hẹp Sự khác phạm vi mục đích sử dụng hệ thống mạng truyền thông công nghiệp với hệ thống mạng viễn thông mạng máy tính dẫn đến khác yêu cầu kỹ thuật kinh tế Ví dụ: Do yêu cầu kết nối nhiều mạng máy tính khác cho nhiều phạm vi ứng dụng khác nên kiến trúc, giao thức mạng máy tính phổ thơng thường phức tạp so với kiến trúc giao thức mạng công nghiệp Đối với hệ thống truyền thông cơng nghiệp, đặc biệt cấp yêu cầu tính thời gian thực, khả thực đơn giản, giá thành hạ đặt lên hàng đầu 1.2 Phân loại đặc trưng hệ thống mạng công nghiệp Để xếp phân loại phân tích đặc trưng hệ thống mạng cơng nghiệp, ta dựa vào mơ hình phân cấp cho cơng ty, xí nghiệp sản xuất Với mơ hình chức phân thành nhiều cấp khác mơ tả hình vẽ sau: Hình 1.1 Mơ hình phân cấp chức cơng ty sản xuất cơng nghiệp Càng cấp chức mang tính chất địi hỏi yêu cầu cao độ nhanh nhậy, thời gian phản ứng Một chức cấp thực dựa chức cấp dưới, không đòi hỏi thời gian phản ứng nhanh cấp dưới, ngược lại lượng thông tin cần trao đổi xử lý lại lớn nhiều Có thể coi mơ hình phân cấp chức cho hệ thống tự động hóa nói chung cho hệ thống truyền thơng nói riêng cơng ty Tương ứng với năm cấp chức bốn cấp hệ thống truyền thông Từ cấp điều khiển giám sát trở xuống thuật ngữ "bus" thường dùng thay cho "mạng" với lý phần lớn hệ thống mạng phía có cấu trúc vật lý logic theo kiểu bus Mơ hình phân cấp chức tiện lợi cho việc thiết kế hệ thống lựa chọn thiết bị Trong thực tế ứng dụng, phân cấp chức khác chút so với trình bày, tùy thuộc vào mức độ tự động hóa cấu trúc hệ thống cụ thể Trong trường hợp ứng dụng đơn giản điều khiển trang thiết bị dân dụng (máy giặt, tủ lạnh, điều hịa ), phân chia nhiều cấp hồn tồn khơng cần thiết Ngược lại tự động hóa nhà máy đại điện nguyên tử, xi măng, lọc dầu, ta chia nhỏ cấp chức để tiện theo dõi Bus trường, bus thiết bị Bus trường (feldbus) khái niệm chung dùng ngành công nghiệp chế biến để hệ thống bus nối tiếp, sử dụng kỹ thuật truyền tin số để kết nối thiết bị thuộc cấp điều khiển (PC, PLC) với với thiết bị cấp chấp hành, hay thiết bị trường Các chức cấp chấp hành đo lường, truyền động chuyển đổi tín hiệu trường hợp cần thiết Các thiết bị có khả nối mạng vào/ra phân tán (distributed I/O) thiết bị đo lường (senser, tranducer, transmitter) cấp chấp hành (actuator, value) có tích hợp khả xử lý truyền thông Một số kiểu bus trường thích hợp nối mạng thiết bị cảm biến cấu chấp hành với điều khiển, gọi bus chấp hành/cảm biến Trong cơng nghiệp chế tạo (tự động hóa dây chuyền sản xuất, gia công, lắp ráp) số lĩnh vực ứng dụng khác tự động hóa tịa nhà, sản xuất xe hơi, khái niệm bus thiết bị lại sử dụng phổ biến Có thể nói, bus thiết bị bus trường có chức tương đương, đặc trưng riêng biệt hai ngành công nghiệp, nên số tính khác Tuy nhiên, khác ngày trở nên không rõ rệt, mà phạm vi ứng dụng hai loại mở rộng đan chéo sang Trong thực tế, người ta dùng chung khái niệm bus trường Do nhiệm vụ bus trường chuyển dữ, liệu lên cấp điều khiển để xử lý chuyển định điều khiển xuống cấu chấp hành, u cầu tính thời gian thực đặt lên hàng đầu Thời gian phản ứng tiêu biểu nằm phạm vi từ 0,1 tới vài miligiây Trong đó, yêu cầu lượng thông tin điện thường hạn chế khoảng vài byte, tốc độ truyền thông thường cần phạm vi Mbit/s thấp Việc trao đổi thông tin biến q trình chủ yếu mạng tính chất định kỳ, tuần hồn, bên cạnh thơng tin tham số hóa cảnh báo có tính chất bất thường Các hệ thống bus trường sử dựng rộng rãi PROFIBUS, ControlNet, INTERBUS, CAN, WordFIP, P-NET, Modbus gần phải kể tới Foundation Fielfbus, DeviceNet, As-i, EIB Bitbus vài hệ thống bus cảm biến/chấp hành tiêu biểu nêu Bus hệ thống, bus điều khiển Các hệ thống mạng công nghiệp dùng để kết nối máy tính điều khiển máy tính cấp điều khiển giám sát với gọi bus hệ thống (system bus) hay bus trình (process bus) Khái niệm sau thường dùng lĩnh vực điều khiển trình Qua bus hệ thống mà máy tính điều khiển phối hợp hoạt động, cung cấp liệu trình cho trạm kỹ thuật trạm quan sát (có thể gián tiếp thơng qua hệ thống quản lý sở liệu trạm chủ) nhận mệnh lệnh, tham số điều khiển từ trạm phía Thơng tin khơng trao đổi theo chiều dọc, mà theo chiều ngang Các trạm kỹ thuật, trạm vận hành trạm chủ trao đổi liệu qua bus hệ thống Ngoài máy in báo cáo lưu trữ liệu kết nối qua mạng Chú ý phân biệt khái niệm bus trường bus hệ thống không bắt buộc nằm khác kiểu bus sử dụng, mà mục đích sử dụng hay nói cách khác thiết bị ghép nối Trong số giải pháp, kiểu bus dùng cho hai cấp Đối với bus hệ thống, tùy theo lĩnh vực ứng dụng mà địi hỏi tính thời gian thực có đặt cách ngặt nghèo hay không Thời gian phản ứng tiêu biểu nằm khoảng vài trăm miligiây, lưu lượng thông tin cần trao đổi lớn nhiều so với bus trường Tốc độ truyền thông tiêu biểu bus hệ thống nằm phạm vi từ vài trăm Kbit/s đến vài Mbit/s Khi bus hệ thống sử dụng để ghép nối theo chiều ngang máy tính điều khiển, người ta dùng khái niệm bus điều khiển Vai trò bus điều khiển phục vụ trao đổi liệu thời gian thực trạm điều khiển hệ thống có cấu trúc phân tán Bus điều khiển thơng thường có tốc độ truyền khơng cao, yêu cầu tính thời gian thực thường khắt khe Do yêu cầu tốc độ truyền thông khả kết nối dễ dàng nhiều loại máy tính, hầu hết bus hệ thống thơng dụng dựa Ethernet, ví dụ Industrial Ethernet, Fieldbus Foundation's High Speed Ethernet (HSE), Ethernet/IP, bên cạnh phải kể đến PROFIBUS- FMS, ControlNet Modbus Plus Mạng xí nghiệp Mạng xí nghiệp thực chất mạng LAN bình thường có chức kết nối máy tính văn phịng thuộc cấp điều hành sản xuất với cấp điều khiển giám sát Thông tin đưa lên bao gồm trạng thái làm việc trình kỹ thuật, giàn máy hệ thống điều khiển tự động, số liệu tính tốn, thống kê diễn biến q trình sản xuất chất lượng sản phẩm Thông tin theo chiều ngược lại thông số thiết kế, công thức điều khiển mệnh lệnh điều khiển Ngồi thơng tin trao đổi mạnh theo chiều ngang máy tính thuộc cấp điều hành sản xuất, ví dụ hỗ trợ kiểu làm việc theo nhóm, cộng tác dự án, sử dụng chung tài nguyên nối mạng (máy in, máy chủ ) Khác với hệ thống bus cấp dưới, mạng xí nghiệp khơng u cầu nghiêm ngặt tính thời gian thực Việc trao đổi liệu khơng diễn định kỳ, có với số lượng lớn đến hàng Mbyte Hai loại mạng dùng phổ biến cho mục đích Ethernet Token-Ring Trên sở giao thức chuẩn TCP/IP IPX/SPX Mạng công ty Mạng công ty nằm mơ hình phân cấp hệ thống truyền thông công ty sản xuất công nghiệp Đặc trưng mạng công ty gần với mạng viễn thông mạng máy tính diện rộng nhiều phương diện phạm vi hình thức dịch vụ, phương pháp truyền thơng hình thức dịch vụ, phương pháp truyền thông yêu cầu kỹ thuật Chức mạng công ty kết nối máy tính văn phịng xí nghiệp, cung cấp dịch vụ trao đổi thông tin nội với khách hàng thư viện điện tử, thư điện tử, hội thảo từ xa qua điện thoại, hình ảnh, cung cấp dịch vụ truy cập Internet thương mại điện tử… Hình thức tổ chức ghép nối mạng công nghệ áp dụng đa dạng tùy thuộc vào đầu tư công ty Trong nhiều trường hợp, mạng công ty mạng xí nghiệp thực hệ thống mạng mặt vật lý, chia thành nhiều phạm vi nhóm mạng làm việc riêng biệt Mạng cơng ty có vai trị đường cao tốc hệ thống hạ tầng sở truyền thông cơng ty, địi hỏi tốc độ truyền thơng độ an tồn, tin cậy đặc biệt cao, Fast Ethernet, FDDI, ATM vài ví dụ công nghệ tiên tiến áp dụng tương lai (bus song song) để giao tiếp với module vào/ra cho thiết bị ngoại vi máy in, bàn phím, hình, bên cạnh số module tích hợp sẵn bảng mạch chính, máy tính cá nhân cịn có số khe cắm cho module vào/ra khác hỗ trợ việc mở rộng hệ thống Một Card giao diện mạng cho PC lắp vào khe cắm, thông thường theo chuẩn ISA, PCI Compact-PCI Trên Card giao diện mạng cho PC thường có vi xử lý đảm nhiệm chức xử lý giao thức Tuy nhiên, tùy theo trường hợp cụ thể mà toàn hay phần chức thuộc lớp (lớp ứng dụng) vi xử lý Card thực hiện, phần lại thuộc trách nhiệm chương trình ứng dụng, thơng qua CPU máy tính Sử dụng Card giao diện, máy tính cá nhân (cơng nghiệp) đặt trung tâm đồng thời thực nhiệm vụ điều khiển sở thay cho PLC đảm nhiệm chức hiển thị trình, điều khiển giám sát từ xa thông qua hệ thống bus trường Thế mạnh giải pháp "PC-based control" giá thành thấp tính mở hệ thống Một vấn đề cố hữu máy tính cá nhân độ tin cậy thấp môi trường công nghiệp phần khắc phục vị trí đặt xa q trình kỹ thuật Hơn nữa, thiết kế cấu hình dự phịng nóng nâng cao độ tin cậy giải pháp Bộ thích ứng mạng qua cổng nối tiếp/song song Trong cấu hình ứng dụng đơn giản, dùng thích ứng mạng (adapter) nối qua cổng máy tính như: • Các cổng nối chuẩn RS-232 (COM1, COM2) • Cổng nối chuẩn USB (Universal Serial Bus) • Các cổng song song (LPT1, LPT2) Một thích ứng mạng có vai trị trạm mạng, thực việc chuyển đổi tín hiệu từ cổng nối tiếp song song máy tính sang tín hiệu theo chuẩn mạng, đồng thời đảm nhiệm việc xử lý giao thức truyền thơng Hình 4.5: Ghép nối PC với bus trường qua cổng RS-232 Giải pháp sử dụng thích ứng mạng có ưu điểm đơn giản linh hoạt Tuy nhiên, tốc độ truyền bị hạn chế khả cố hữu cổng máy tính Card PCMCIA Đối với loại máy tính xách tay khơng có khả mở rộng qua khe cắm, bên cạnh phương pháp sử dụng thích ứng mạng, ta ghép nối qua khe cắm PCMCIA với kích cỡ cầm thẻ điện thoại Phương pháp đặc biệt tiện 165 lợi cho máy lập trình, đặt cấu hình, tham số hóa chuẩn đốn hệ thống cho điều khiển thiết bị trường 4.1.4 Ghép nối vào/ra phân tán Được lắp đặt gần kề với trình kỹ thuật, thiết bị vào/ra phận tán cho phép tiết kiệm cách triệt để cáp truyền tín hiệu từ cảm biến cấu chấp hành tới điều khiển Bên cạnh đó, cấu trúc vào/ra phân tán cho phép sử dụng module vào/ra khác nhau, không thiết phải đồng với máy tính điều khiển (PLC, PC, Thực ra, thiết bị vào/ra phân tán khác với PLC chỗ khơng có xử lý trung tâm (CPU) Thay vào đó, tích hợp vi mạch giao diện mạng phần mềm xử lý giao thức Tùy theo cấu trúc thiết bị vào/ra phân tán dạng module hay dạng gọn mà phần giao diện mạng thực module riêng biệt hay khơng Hình minh họa nối mạng PROFIBUS-DP cho thiết bị vào/ra phân tán có cấu trúc module Về nguyên tắc, phương pháp không khác so với cách ghép nối PLC trình bày Hình 6: Ghép nối vào/ra phân tán qua module giao diện DP 4.1.5 Ghép nối thiết bị trường: Các thiết bị đo thông minh, van điều khiển, thiết bị quan sát, khởi động động cơ, điều khiển số biến tần thiết bị trường tiêu biểu có thực chức xử lý thơng tin chí chức điều khiển chỗ Ghép nối thiết bị trường trực tiếp với với cấp điều khiển cấu trúc vào/ra tiên tiến nhất, cho phép thực kiến trúc điều khiển phân tán thực Tương tự PLC vào/ra phân tán, việc nối mạng thiết bị trường với với cấp điều khiển thực theo hai cách tương ứng sử dụng module truyền thông riêng biệt sử dụng thiết bị tích hợp giao diện mạng Đối với hệ thống bus sử dụng rộng rãi ngành công nghiệp chế biến, xu hướng mặt tích hợp sẵn giao diện mạng, mặt khác bổ xung chức xử lý thông tin điều khiển thiết bị trường Công nghệ vi xử lý tiên tiến ngày cho phép thực tồn chức vi mạch nhỏ gọn Giải pháp mang lại loạt ưu điểm tiết kiệm dây dẫn, đầu tư cho điều khiển, tăng độ tin cậy tồn hệ thống, tăng khả trao đổi thơng tin Hiện Foundation Fieldbus công nghệ đầu xu hướng 166 Chương 5: MỘT SỐ VẤN ĐỀ TRONG TÍCH HỢP HỆ THỐNG Chương đề cập tới số vấn đề liên quan tới tốn tích hợp hệ thống sử dụng mạng truyền thông công nghiệp Bên cạnh vấn đề thiết kế hệ thống mạng, việc đánh giá lựa chọn giải pháp mạng bàn tới Cuối cùng, vấn đề liên quan tới chuẩn cơng nghiệp có vai trị quan trọng việc tích hợp hệ thống thảo luận 5.1 Thiết kế hệ thống mạng 5.1.1 Phân tích yêu cầu: Các yếu tố kỹ thuật Khi thiết kế hệ thống mạng ta cần quan tâm tới hàng loạt yếu tố cấu trúc mạng, khoảng cách truyền, chống nhiễu, kiểu thơng tin cần trao đổi, kích cỡ điện, tốc độ hệ thống, trễ truyền thông, số lượng mật độ điểm vào/ra, chủng loại thiết bị điều khiển, sách lược điều khiển, khả tương thích, biện pháp an tồn hệ thống, đào tạo nhân lực, khả mở rộng tương lai Các yếu tố liên quan tới môi trường làm việc nhiễu điện từ, cấp an toàn điện, độ rung, chất ăn mịn, khơng gian vị trí lắp đặt cần lưu ý Thiết kế mới, nâng cấp thay Với hệ thống xây dựng hồn tồn, nhà tích hợp hệ thống có nhiều lựa chọn thiết kế Vấn đề cần bàn sâu hệ thống hoạt động Khi yếu tố kỹ thuật khảo sát, nhà tích hợp hệ thống cần nghiên cứu trao đổi với chủ đầu tư lựa chọn giải pháp nâng cấp thay Một giải pháp nâng cấp tìm cách nối mạng thiết bị có, nâng cấp hệ thống mạng cũ lạc hậu sử dụng tối đa thành phần có sẵn Giải pháp nâng cấp tiết kiệm cho đầu tư, nhiên khơng thoả mãn số chức theo yêu cầu đặt gây vấn đề không tương thích thành phần cũ Một giải pháp thay đưa thiết kế hoàn toàn cho hệ thống lạc hậu Bên cạnh bổ sung thành phần hệ thống mạng việc thay thiết bị điều khó tránh khỏi Thiết kế đưa giải pháp quán, nhiên đầu tư cao làm giảm tính thuyết phục dự án Giá thành, tính sẵn sàng khả hỗ trợ Nếu so sánh tới đầu tư tổng thể cho thời gian 15-20 năm kể chi phí cho phát triển, lắp đặt, đưa vào vận hành vào bảo trì, giá mua hệ thống điều khiển thông thường chiếm khoảng 20% Hơn nữa, độ tin cậy tính sẵn sàng hệ thống yếu tố then chốt định tới lợi nhuận dự án đầu tư Vì vậy, việc đánh giá lợi lâu dài sử dụng bus trường đem lại điều quan trọng, ảnh hưởng tới định đầu tư định giải 167 Tuy nhiên, thực tế nhiều nhà tích hợp hệ thống nhiều nhà đầu tư e ngại việc đưa vào sử dựng công nghệ bus trường lý hiểu biết lý bảo thủ, áp dụng công nghệ địi hỏi phải đầu tư cho tìm hiểu nghiên cứu thử nghiệm, tồn mạo hiểm đầu tư Cũng phải nói rằng, giải pháp cổ điển hoạt động hiệu mặt kỹ thuật mặt kinh tế có lý phải từ bỏ Song với tình cạnh tranh tồn cầu hố nay, tập đồn cơng nghệ tự động hố có tên tuổi phải tụ tiến hoá thay đổi tư giải pháp tích hợp hệ thống 5.1.2 Các bước tiến hành: Dựa vào yêu cầu cụ thể nêu, trình thiết kế đưa vào vận hành hệ thống mạng tiến hành theo bước sau đây: * Lựa chọn kiến trúc điều khiển: Điều khiển tập trung, điều khiển phân tán kiểu DCS điều khiển phân tán trường * Lựa chọn giải pháp mạng: Giải pháp mạng nhiều phụ thuộc vào giải pháp hệ thống, song thực tế có vài lựa chọn Thơng thường ta lựa chọn tổ hợp giải pháp bus hệ thống bus trường "ăn ý" với nhau, trình bày chi tiết mục 5.2 * Lựa chọn chế giao tiếp: Cơ chế hỏi đáp tuần tự, vào/ra tuần hồn hay khơng tuần hồn, chào hàng loạt hàng, lập lịch không lập lịch, vào/ra theo kiện thông báo theo yêu cầu * Lựa chọn thiết bị: Đánh giá hiệu suất làm việc thiết bị sở thời gian cập nhật liệu vào/ra, độ rung chu kỳ điều khiển hiệu suất thực thuật toán điều khiển Khảo sát đặc tính truyền thơng thiết bị tốc độ truyền, chế giao tiếp, kiểu giao tiếp, chứng tương thích giao thức * Thiết kế cấu trúc mạng: Sử dụng cấu trúc mạng thích hợp đường trục mường nhánh, mạch vịng, hình cây, đảm bảo yêu cầu số trạm, tốc độ truyền khoảng cách truyền * Chọn cấu hình nguồn cho mạng: Đánh giá tính tốn cơng suất nguồn cấp cho phù hợp với số trạm, kiểu thiết bị cáp nối/bộ nối thỏa mãn yêu cầu chống nhiễu, chống cháy nổ * Đặt cấu hình mạng: Sử dụng máy tính với phần mềm cấu hình mạng, cơng cụ cấu hình chun dùng, công tắc chốt thiết bị để đặt địa chỉ, tốc độ truyền, quan hệ giao tiếp Đối với nhiều hệ thống, việc đặt cấu hình mạng liên quan trực tiếp tới lập trình ứng dụng * Tiếp đất: Nối đường dây trung tính nguồn DC vỏ bọc với đất có trở kháng thấp Nếu sử dụng nhiều nguồn cấp, sử dụng đường tiếp đất 168 nguồn, tốt gần với trung tâm mạng * Chạy thử: Kiểm tra hoạt động truyền thông với nhiều sách lược thử khác nhau, với số tồn thiết bị bật nguồn Lưu ý hầu hết lỗi truyền thông liên quan tới cáp truyền, trở đầu cuối, tiếp đất, nguồn cho mạng, địa tốc độ truyền * Chẩn đoán lỗi: Lỗi thiết bị, lỗi hở mạch, nhiễu điện từ, tín hiệu méo suy giảm nhận biết nhiều phương pháp Một số lỗi phần cịn lại Có thể sử dụng công cụ chuyên dùng bus monitor máy lập trình với phần mềm cấu hình mạng để chuẩn đốn Phần trình bày chương kiến thức sở quan trọng giúp ích cho việc phân tích chuẩn đốn lỗi 5.2 Đánh giá lựa chọn giải pháp mạng Từ nhiều năm nay, chủ đề bàn cãi việc tích hợp hệ thống dựa sở mạng truyền thông công nghiệp khơng cịn vấn đề "nên'' hay "khơng nên", mà thường xoay quanh câu hỏi "mạng gì?" Sự diện hàng loạt hệ thống truyền thông công nghiệp khác kỹ thuật tự động hóa mang đến cho người sử dụng nhiều hội lựa chọn khơng thách thức Vấn đề mấu chốt đánh giá, lựa chọn giải pháp không nằm yêu cầu đặc tính kỹ thuật, mà liên quan tới độ linh hoạt, khả mở rộng giá thành tổng thể hệ thống Mỗi hệ thống truyền thơng cơng nghiệp có mạnh riêng trọng dụng số lĩnh vực định Trong tương lai gần, khó có loại chiếm ưu tuyệt đối Cũng vậy, cố gắng chuẩn hóa hệ bus trường thống khuôn khổ IEC 61158 khơng thành mục đích đặt ban đầu Thay vào đó, thành viên ban xây dựng chuẩn đại gia tự động hóa phải ngồi lại với nhiều lần vào cuối năm 1999 đưa giải pháp thỏa hiệp gồm nhiều bus thông dụng Bên cạnh chuẩn IEC 1158 -2 cũ PROFIBUS, Pine, WorldFip, INTERBUS, ControlNet, SwiftNet Foundation Fildbus HSE đưa vào Chuẩn tiếp tục phát triển bao gồm Foundation Fieldbus H1, Ethernet/IP PROFI net Đối với nhà công việc thiết kế tích hợp hệ thống, việc đánh giá giải pháp điều dễ dàng Để có định đắn việc chọn lựa hệ thống bus, có phải kết hợp vài hệ thống cho giải pháp tự động hóa, ta phải ý tới khơng khía cạnh kỹ thuật đặc điểm ứng dụng cụ thể Dưới đây, tác giả đưa quy trình lựa chọn giải pháp mạng dựa theo tiêu chí: Đặc thù cấp ứng dụng, đặc thù lĩnh vực ứng dụng, yêu cầu kỹ thuật chi tiết yêu cầu kinh tế 5.2.1 Đặc thù cấp ứng dụng: Ngay chương mở đầu, phần 1.3 phân tích rõ đặc thù cấp ứng 169 dụng yêu cầu hệ thống mạng truyền thông công nghiệp tương ứng Trong thực tế ngày nay, cần tập trung vào hai cấp bus hệ thống (bus điều khiển) bus trường (bus thiết bị) Sự khác yêu cầu hai cấp thể điểm sau đây: * Bus hệ thống yêu cầu tốc độ truyền cao nhiều so với bus trường * Số lượng trạm ghép nối với bus hệ thống thường bus trường, chủng loại thiết bị ghép nối với bus hệ thống đồng * Bus hệ thống địi hỏi tính thời gian thực ngặt nghèo bus trường Có thể nói, việc lựa chọn hệ thống ngày gần xoay quanh số không nhiều hệ dựa Ethernet, lựa chọn bus trường lớn nhiều Gần có xu hướng xuất số tổ hợp công nghệ HES với Foundation Fildbus H1, PROFI net với PR OFIBUS AS-i, Ethernet/IP với ControlNet DeviceNet Đây yếu tố tiếp thị quan trọng, có lợi cho nhà sản xuất đồng thời dễ cho người sử dụng phải đứng trước lựa chọn 5.2.2 Đặc thù lĩnh vực ứng dụng: Khi xây dựng giải pháp ứng dụng mạng truyền thông công nghiệp ta phải quan tâm tới quy mô đặc thù lĩnh vực ứng dụng Có thể kể số lĩnh vực ứng dụng tiêu biểu như: * Tự động hóa thiết bị máy móc đơn lẻ * Tự động hóa q trình * Tự động hóa xí nghiệp * Tự động hóa tịa nhà * Điều khiển giám sát hệ thống giao thông vận tải * Điều phối giám sát hệ thống phân phối lượng Tự động hóa thiết bị máy móc đơn lẻ bao gồm lĩnh vực điều khiển cần cẩu, điều khiển thang máy, điều khiển máy công cụ, điều khiển robot, điều khiển phương tiện giao thông Ở dây người ta quan tâm tới nhiệm vụ điều khiển tự động, điều khiển giám sát có dừng lại chức giao diện người máy đơn giản Các toán điều khiển khác nhau, từ điều khiển lơgíc tới điều khiển trình điều khiển chuyển động Đặc thù ứng dụng yêu cầu cao tính thời gian thực, lượng liệu trao đổi khơng lớn Các máy móc, thiết bị sản xuất hàng loạt, đầu tư cho giải pháp điều khiển thành phẩm phải thật tiết kiệm Các giao thức đơn giản, phù hợp cho ghép nối trực tiếp cảm biến cấu chấp hành, có tính tiền định giá thành thấp Một vài ví dụ tiêu biểu CAN, AS-i, SwiftNet Sercos 170 Tự động hóa q trình Tự động hóa cơng nghiệp thường chia thành mảng tự động hóa q trình (process automation) tự động hóa xí nghiệp (factory automation), tương ứng với hai lĩnh vực ứng dụng công nghiệp chế biến, khai thác (process industry) công nghiệp chế tạo, lắp ráp (manufacturing) Công nghiệp chế biến khai thác bao gồm ngành dầu khí, than, hóa dầu, hóa chất, thực phẩm, dược phẩm, điện lực, xi măng, giấy, Các ngành lại xe hơi, chế tạo máy công cụ, luyện kim, cán thép, điện lực xếp vào công nghiệp chế tạo, lắp ráp Đặc thù ngành công nghiệp khai thác chế biến trình liên tục diễn biến chậm Vì tần suất đổi liệu thấp, nhiên điện thường dài để đủ chứa thông tin biến tương tự Công nghệ bus trường không đòi hỏi tốc độ cao, độ phủ mạng lớn, phải có tính tiền định có lựa chọn cho phù hợp môi trường dễ cháy nổ Không nghi ngờ gì, hai cơng nghệ bus trường đầu lĩnh vực Foundation H PROFIBUS-PA Tự động hố xí nghiệp Trong ngành cơng nghiệp chế tạo lắp ráp, toán điều khiển logic điều khiển trình tự đóng vai trị trung tâm, khơng kể tới tốn điều khiển máy móc thiết bị đơn lẻ, điều khiển chuyển động Các hệ thống điều khiển giám sát thường có quy mơ nhỏ so với cơng nghiệp chế biến, lượng liệu cần trao đổi thường có yêu cầu cao thời gian phản ứng Các giải pháp mạng tiêu biểu INTERBUS, DeviceNet, PROFIBUS-DP AS-i Tự động hóa tịa nhà Tự động hóa tịa nhà lĩnh vực ứng dụng có nhiều tiềm năng, đặc biệt khu vực phát triển xây dựng mạnh Việt Nam Các tịa nhà cơng sở, khách sạn, sân bay nhà chung cư có nhu cầu tự động hóa cao Các hệ thống lị sưởi, điều hịa nhiệt độ, hệ thống đóng mở cửa, hệ thống thang máy, hệ thống chiếu sáng, hệ thống cảnh báo cháy đối tượng cần điều khiển giám sát từ trung tâm Tuy tốn điều khiển khơng phải q phức tạp, số lượng thiết bị lớn chủng loại đa dạng Một số cơng nghệ bus có ưu lĩnh vực LON, EIB gần truyền thông qua đường điện lực Các hệ thống giao thông vận tải Các hệ thống điều khiển giám sát lĩnh vực giao thơng, ví dụ điều khiển giao thông đô thị, đường sắt, hàng hải hàng khơng hệ thống có cấu trúc phân tán cách tự nhiên Các toán tiêu biểu lĩnh vực bày điều khiển tín hiệu nút giao thông, điều khiển phân luồng giao thông, điều động phương tiện giao thông tương lai hệ thống xe tự hành Việc nối mạng thực qua nhiều phương thức khác nhau, ví dụ qua đường điện lực, qua sóng vơ tuyến, qua đường điện thoại Đến hầu hết ứng dụng dựa giải pháp đặc biệt, đóng kín Tuy nhiên, ta nghĩ tới áp dụng số hệ thống mạng công nghiệp 171 chuẩn INTERBUS PROFIBUS-DP kết hợp với sử dụng cáp quang, giao thức Modbus kết hợp qua đường điện lực điện thoại công cộng Các hệ thống phân phối lượng Tương tự hệ thống giao thông, mạng lưới phân phối lượng cung cấp điện, ga có chất lai phân tán cách tự nhiên Đặc biệt, điều phối giám sát mạng điện lực quốc gia toán tương đối phức tạp mức độ trải rộng phân tán cao, mô hình bất định, tính thời gian thực ngặt nghèo Việc sử dụng công nghệ truyền thông qua đường điện lực, đường cáp quang kết hợp với số giao thức chuẩn MODBUS giải pháp 5.2.3 Yêu cầu thiết kế chi tiết: Một phương pháp áp dụng phổ biến lựa chọn hệ thống bus phương pháp loại trừ dần dựa sở tiêu chuẩn kỹ thuật sau: * Cấu trúc: Topology, chiều dài tối đa mạng, số trạm tối đa đoạn (segment) * Đặc tính thời gian: Tính thời gian thực (đủ nhanh, kịp thời, dự đoán được), thời gian phản ứng tiêu biểu * Khả truyền tải liệu: Tốc độ tối đa độ dài liệu hữu ích tối đa điện (telegram) * Độ tải nguồn: Khả cung cấp nguồn bus cho thiết bị tham gia (trạm) * Độ linh hoạt: Khả lắp đặt thay trạm vận hành, khả mở rộng hệ thống (ví dụ mở rộng sản xuất) * Độ an toàn: Loại trừ khả gây cháy nổ, gây ảnh hưởng xấu tới môi trường xung quanh * Độ bền vững, tin cậy: Hoạt động ổn định có ảnh hưởng nhiều từ môi trường xung quanh * Chuẩn hóa: Điều khiển cho khả tương tác, tính mở hệ thống, tránh lạc hậu tương lai * Công cụ hỗ trợ: Phần mềm quản trị mạng, hỗ trợ giám sát, chẩn đoán cố Đối với ứng dụng cụ thể, có nhiều giải pháp tỏ thích hợp mà khác số điểm nhỏ Trong trường hợp vậy, cần phân tích đánh giá cách thận trọng, kỹ lưỡng Ngay thông số kỹ thuật tưởng chừng tương đương, lại khác cách bản, địi hỏi phải cân nhắc thận trọng Ví dụ, khơng phải lĩnh vực ứng dụng cần có hệ thống bus có tốc độ truyền tải liệu thật cao mà yếu tố quan trọng thời gian phản ứng phải nhỏ dự đoán trước 172 5.2.4 Yêu cầu kinh tế: Trong yêu cầu mang tính kinh tế ta cần xét hai yếu tố chính: * Giá thành tổng thể: Tổng hợp giá thành trang thiết bị, công thiết kế, lắp đặt bảo trì * Hiện trạng thị trường: Cơ hội mua sắm thiết bị dịch vụ Kinh nghiệm thực tế cho thấy, người sử dụng thường hay coi nhẹ việc hoạch toán giá thành tổng thể tập trung vào đặc tính kỹ thuật giá trang thiết bị phần cứng Ví dụ, trình độ kinh nghiệm sẵn có giá dịch vụ thiết kế, lắp đặt bảo trì đóng vai trị quan trọng đầu tư tổng thể lâu dài Trong hoàn cảnh Việt Nam, việc mua sắm thiết bị, công cụ phần mềm dịch vụ hỗ trợ có nhiều hạn chế, yếu tố trạng thị trường, kiến thức kinh nghiệm sẵn có ảnh hưởng lớn tới định Tuy nhiên, ta không nên cố giữ mặc cảm, định kiến hệ thống Cũng lĩnh vực điện tử, tin học, cơng nghệ bus trường có đổi mới, tiến không ngừng Xu hướng thâm nhập Ethernet vào cấp điều khiển cấp chấp hành ví dụ tiêu biểu 5.3 Một số chuẩn phần mềm tích hợp hệ thống 5.3.1 Chuẩn IEC 61131-5: Mơ hình giao tiếp mạng Đối tượng chuẩn IEC 61131-5 dịch vụ thiết bị điều khiển khả trình (PLC) thực hiện, dịch vụ PLC yêu cầu từ thiết bị khác, thể qua hàm/khối chức sử dụng lập trình với IEC 61131-5 Phạm vi chuẩn bó hẹp việc giao tiếp PLC PLC thiết bị khác Dịch vụ giao ép Thông tin trạng thái thị cố thành phần: * Thiết bị điều khiển khả trình (Tổng thể) * Vào/ra * Bộ xử lý trung tâm * Cung cấp nguồn * Bộ nhớ * Hệ thống truyền thông Lưu ý rằng, status cung cấp thông tin trạng thái thiết bị điều khiển thành phần phần cứng, phần rắn nó, khơng quan tâm tới thơng tin cấu hình Dữ liệu trạng thái không cung cấp thông tin trình điều khiển chương trình ứng dụng PLC 173 Các dịch vụ liệt kê bảng 5.1 Tuy nhiên, PLC không bắt buộc phải cung cấp tất dịch vụ Tên khối chức hàm tương ứng liệt kê bảng 5.2 Bảng 5.1 Các dịch vụ giao tiếp PLC STT Các dịch vụ giao tiếp cho PLC PLC yêu cầu PLC đáp ứng Khối chức sẵn có Kiểm tra thiết bị X X X Thu thập liệu X X X Điều khiển X X X Đồng hóa chương trình ứng dụng X X X Báo động X X Thực chương trình điều khiển vào/ra X Truyền nạp chương trình ứng X Quản lý nối X X X Bảng 2: Các khối chức giao tiếp STT Chức Định địa biến từ xa Kiểm tra thiết bị Thu thập liệu kiểu hỏi 174 Tên khối chức hàm REMOTE_VAR STATUS, USTATUS READ Thu thập liệu kiểu lập trình Điều khiển tham số Điều khiển liên động Báo động lập trình Quản lý nối USEND, URCV WRITE SEND, RCV NOTIFY, ALARM CONNECT Chú ý: Các khối chức UXXX thể dịch vụ không cần yêu cầu (Unsolicited sevices) Kiểm tra thiết bị Các khối chức STATUS USTATUS hỗ trợ việc PLC kiểm tra trạng thái thiết bị tự động hóa khác Thu nhập liệu Dữ liệu thiết bị khác biểu diễn qua biến Có hai phương pháp để PLC truy nhập liệu sử dựng CFB * Hỏi (polled): PLC sử dụng khối chức READ để đọc giá trị nhiều biến thời điểm chương trình ứng dụng PLC xác định Việc truy nhập biến thiết bị kiểm sốt * Lập trình: Thời điểm liệu cung cấp cho PLC định thiết bị khác Các khối URCV/USEND sử dụng chương trình ứng dụng PLC để nhận liệu từ gửi liệu đến thiết bị khác Điều khiển Hai phương pháp điều khiển cần PLC hỗ trợ: Điều khiển tham số (parametric) điều khiển khóa liên động (interlocked) * Điều khiển tham số: Hoạt động thiết bị điều khiển thay đổi tham số chúng PLC sử dụng khối WRITE để thực hoạt động từ chương trình ứng dụng * Điều khiển khóa liên động: Một client yêu cầu server thực phép tốn ứng dụng thơng báo kết cho client PLC sử dụng khối SEND RCV để thực vai trò client and server Báo động Một PLC gửi báo động tới client kiện xảy Client thơng báo lại xác nhận tới điều khiển PLC sử dụng khối chức ALARM NOTIFY chương trình ứng dụng để gửi thông báo cần xác nhận không cần xác nhận Quản lý mối liên quan Các chương trình ứng dụng PLC sử dụng khối CONNECT để quản lý mối liên kết 175 5.3.2 OPC (OLE for Process Control) Giới thiệu chung Tiến hệ thống bus trường với phổ biến thiết bị cận trường thông minh hai yếu tố định tới chuyển hướng sang cấu trúc phân tán giải pháp tự động hóa Sự phân tán hóa mặt mang lại nhiều ưu so với cấu trúc xử lý thông tin tập trung cổ điển, độ tin cậy tính linh hoạt hệ thống, mặt khác tạo hàng loạt thách thức cho giới sản xuất cho người sử dụng Một vấn đề thường gặp phải việc tích hợp hệ thống Tích hợp theo chiều ngang đòi hỏi khả tương tác thiết bị tự động hóa nhiều nhà sản xuất khác Bên cạnh đó, tích hợp theo chiều dọc đòi hỏi khả kết nối ứng dụng sở đo lường, điều khiển với ứng dụng cao cấp điều khiển giám sát thu thập liệu (supervisory control and data acquistion, SCADA), giao diện người máy (human-machine interface, HMI) hệ thống điều hành sản xuất (manufacturing excution system, MES) Việc sử dụng chuẩn giao diện trở thành điều kiện tiên Tiêu biểu cho hướng chuẩn OPC, chấp nhận rộng rãi ứng dụng tự động hóa q trình cơng nghiệp Dựa mơ hình đối tượng thành phần (D)COM hàng Microsoft, OPC định nghĩa thêm số giao diện cho khai thác liệu từ trình kỹ thuật, tạo sở cho việc xây dựng ứng dụng điều khiển phân tán mà không bị phụ thuộc vào mạng công nghiệp cụ thể Trong thời điểm nay, OPC COM thực Windows, song có nhiều cố gắng để phổ biến sang hệ điều hành thơng dụng khác Chính OPC xây dựng sở mơ hình thành phần COM, nên sử dụng qua nhiều phương pháp khác nhau, nhiều ngơn ngữ lập trình khác Để khai thác cách thật hiệu dịch vụ OPC, người lập trình phải hiểu rõ công nghệ hướng đối tượng phần mềm thành phần nói chung COM nói riêng Với mục đích ban đầu thay cho dạng phần mềm kết nối trình điều khiển vào/ra (I/O-Drivers) DDE, OPC qui định số giao diện chuẩn cho chức như: * Khai thác, truy nhập liệu trình (Data Access) từ nhiều nguồn khác (PLC, thiết bị trường, bus trường, sở liệu ) *Xử lý kiện cố (Event and Alarm) * Truy nhập liệu khứ (Historical Access) Trao đổi liệu hệ thống công cụ phần mềm (Data Exchange) Trong tương lai OPC hỗ trợ chức khác an hoàn hệ thống (Security) điều khiển mẻ (Batch) OPC sử dụng chế COM/COM để cung cấp dịch vụ truyền thông cho tất ứng dụng hỗ trợ COM Có thể kể hàng loạt ưu điểm việc sử dụng OPC như: 176 * Cho phép ứng dụng khai thác, truy nhập liệu theo cách đơn giản, thống * Hỗ trợ truy nhập liệu theo chế hỏi (polling) theo kiện (event-driven) * Được tối ưu cho việc sử dụng mạng công nghiệp * Kiến trúc không phụ thuộc vào nhà cung cấp thiết bị * Linh hoạt hiệu suất cao * Sử dụng từ hầu hết công cụ phần mềm SCANDA thông dụng, ngôn ngữ bậc cao (C ++, Visual Basic, Delphi ) Tổng quan kiến trúc OPC OPC xây dựng dựa ý tưởng ứng dụng công nghệ COM nhằm đơn giản hóa, chuẩn hóa việc khai thác liệu từ thiết bị cận trường thiết bị điều khiển, tương tự việc khai thác hệ thống sở liệu thông thường Giống COM, OPC không qui định việc thực khai thác cụ thể, mà định nghĩa số giao diện chuẩn Thay cho việc dùng C++ dùng để định nghĩa số giao diện lập trình thơng thường, ngơn ngữ dùng (gọi interface definition language hay IDL) không phụ thuộc vào cài đặt hay ngôn ngữ lập trình Cốt lõi OPC chương trình phần mềm phục vụ gọi OPC-Server, chứa mục liệu (OPC-Item) tổ chức thành nhóm (OPCGROUP) Thơng thường mọt OPC-server đại diện thiết bị thu thập liệu OPC, RTU, I/O cấu hình mạng truyền thơng Các OPC-Items đại diện cho biến trình, tham số điều khiển, liệu trạng thái thiết bị Cách tổ chức tương tự hệ thống sở liệu quan hệ quen thuộc với cấp nguồn liệu (data source), bảng liệu (table) trường liệu (field) Hình 2: Kiến trúc sơ lược OPC Như minh họa hình 5.2 hai kiểu đối tượng thành phần quan trọng kiến trúc OPC OPC-Server OPC-Group Trong OPC-Server có nhiệm vụ quản lý tồn việc sử dụng khai thác liệu (items) thành nhóm để tiện cho việc truy nhập Thơng thường items với biến trình kỹ thuật hay thiết bị điều khiển Chuẩn OPC quy định hai kiểu giao diện Custon Interfaces (OPC 177 Taskforce, 1998b) Automation Interface (OPC Taskforce, 1998c) Kiểu thứ bao gồm số giao diện theo mơ hình COM túy, cịn kiểu thứ hai dựa công nghệ mở rộng OLE-Automation Sự khác hai kiểu giao diện nằm mơ hình đối tượng, ngơn ngữ lập trình hỗ trợ mà cịn tính năng, hiệu suất sử dụng OPC Custom Interfaces Giống đối tượng COM khác, hai loại đối tượng thành phần quan trọng OPC OPC-Server OPC-Group cung cấp dịch vụ qua giao diện chúng, gọi OPC Custom Interfaces, minh họa hình 5.3 Tham khảo (OPC Taskforce, 1988b) để tìm hiểu ý nghĩa cụ thể giao diện Chính giao diện giao diện theo mô hình COM túy, việc lập trình với chúng địi hỏi ngôn ngữ biên dịch Trong thực tế, C++ ngôn ngữ chiếm ưu tuyệt đối phục vụ mục đích Bên cạnh đó, cơng cụ khác cung cấp số phần mềm khung (frameworks) thích hợp để hỗ trợ người lập trình Hình 5.3 OPC Custom Interfaces Sử dụng OPC Custom Interfaces cho phép truy như) liệu với hiệu suất cao Tuy nhiên, nhược điểm thứ đòi hỏi người sử dụng phải hiểu rõ lập trình với COM/DCOM Nhược điểm cứng nhắc mã chương trình, ta dùng trực tiếp ứng dụng điều khiển Thay đổi chi tiết nhỏ (tên máy tính điều khiển, số lượng biến vào/ra ) địi hỏi phải biên dịch lại tồn chương trình ứng dụng Rõ ràng, để khắc phục hai vấn đề nêu trên, tức giảm nhẹ độ phức tạp cho người lập trình nâng cao tính sử dụng lại, cần phải tạo lớp phần mềm dạng thư viện đối tượng nằm OPC, OPC Automation Interface thư viện đối tượng OPC Automation Interface Giống đối tượng OLE-Automation khác, việc sử dụng đối tượng OPC Automation Interface đơn giản hóa nhiều Cụ thể, nhiều thủ tục phức tạp lập trình với COM loại bỏ Người lập trình khơng cần thiết hiểu biết sâu sắc COM C++, mà cần sử dụng thành thạo công cụ tạo 178 dựng ứng dụng RAD (Rapid Application Development) Visual Basic Mặt trái vấn đề lại là, đơn giản hóa phương pháp phải trả giá hạn chế phạm vi chức năng, hiệu suất sử dụng tốc độ trao đổi liệu Nhất giải pháp tự động hóa phân tán, có tham gia mạng truyền thơng cơng nghiệp, hai điểm yếu nói sau trở nên đáng quan tâm Tốc độ trao đổi liệu giảm tới 3-4 lần so với dùng Custon Interfaces Đối với ứng dụng có yêu cầu cao thời gian, phương pháp sử dụng OPC Automation Interface rõ ràng khơng thích hợp OPC cơng cụ phần mềm chuyên dụng Trong thực tế, có cách sử dụng thứ ba, đơn giản thuận tiện nhiều so với hai cách thông qua công cụ phần mềm chuyên dụng Có thể nói, công cụ SCADA đại nào, hệ DCS đại hỗ trợ giao diện OPC Sử dụng cơng cụ này, người tích hợp hệ thống cần đăng ký OPC-Server kèm thiết bị với hệ điều hành, sau khai báo cách dị tìm mạng trạm máy tính tên Server với cơng cụ phần mềm Việc lại sử dụng nhãn (tag name) giống nhãn khác quen thuộc hệ SCADA DCS 179 ... đầu hệ thống kỹ thuật vật chất, lượng thơng tin Một hệ thống xử lý thông tin hệ thống truyền thông, hệ thống kỹ thuật quan tâm tới đầu vào đầu thông tin Tuy nhiên đa số hệ thống kỹ thuật thường... tượng thiết bị công nghiệp - Dạng thông tin số liệu Các hệ thống mạng viễn thông - Phạm vi địa lý rộng, số lượng thành viên tham gia lớn - Đối tượng người thiết bị người chủ yếu - Kỹ thuật truyền... thiết bị công nghiệp Để phân biệt rõ mạng công nghiệp hệ thống mạng khác ta đưa bảng so sánh sau Bảng 1.1 So sánh mạng công nghiệp hệ thống mạng khác Mạng công nghiệp - Phạm vi địa địa lý hẹp - Đối