Xây dựng hệ thống điều khiển giám sát

Xây dựng hệ thống điều khiển giám sát

Lêi cam ®oan

Tªn t«i lµ NguyÔn Trung Kiªn, Häc viªn líp Cao häc Xö lý th«ng tin vµ truyÒn th«ng 2004 T«i cam ®oan nh÷ng néi dung t«i viÕt trong luËn v¨n lµ nghiªn cøu cña b¶n th©n t«i d−íi sù h−íng dÉn cña T.S NguyÔn Linh Giang vµ kh«ng cã sù sao chÐp bÊt hîp ph¸p tõ nghiªn cøu cña ng−êi kh¸c NÕu sai t«i hoµn toµn chÞu tr¸ch nhiÖm

Hµ Néi, ngµy 30 th¸ng 10 n¨m 2006

Ng−êi cam ®oan:

NguyÔn Trung Kiªn

1.1.1 Các đơn vị tải đầu cuối RTUs (Remote Terminal Units) 13

1.1.2 Trạm chủ của hệ thống SCADA (Scada Master Station) 16

1.1.3 Các giao thức của hệ thống SCADA (SCADA Protocols) 17

1.1.4 Truyền thông trong SCADA 19

1.2 Kiến trúc của SCADA 20

1.2.1 Hệ thống SCADA nguyên khối 20

1.4.3 Thông báo và chia sẻ dữ liệu 28

1.5 Hệ thống SCADA ở Việt Nam 28

Chương 2 – Mạng truyền thông công nghiệp 2.1 Mạng truyền thông của Siemens 31

2.1.1 Tổng quan về mạng công nghiệp của SEMATIC 31

2.1.2 Mạng nhiều điểm 33

2.1.3 PROFIBUS 34

2.1.4 M¹ng c«ng nghiÖp (Industrial Ethernet) 41

2.1.5 GhÐp nèi ®iÓm tíi ®iÓm (Point to Point Interface) 42

2.1.6 Giao diÖn c¶m biÕn-c¬ cÊu chÊp hµnh 43

4.1.3 Hệ thống điều khiển giám sát 80

4.1.4 Một số thiết bị đầu cuối dữ liệu khác sử dụng trong hệ thống 86

4.2 Thiết kế hệ thống điều khiển giám sát 88

4.2.1 Các thành phần và tính năng của hệ thống 88

4.2.2 Hoạt động của hệ thống 88

kết luận và khuyến nghị 93

tài liệu tham khảo 94

phụ lục a: Một số hình ảnh về kết cấu của hệ thống phụ lục b: Sơ đồ mạch nguyên lý bộ điều khiển

Phụ lục c: m∙ nguồn chương trình điều khiển cho PLC

Danh môc c¸c ký hiÖu, c¸c ch÷ viÕt t¾t STT Từ viết tắt Giải nghĩa

17 SCADA Supervisory Control And Data Acquisition

19 UCA Utility Communication Architecture

Hình 2.13 Các phương pháp chặn đầu cuối RS-485/RS-422 55 Hình 3.1 Cấu trúc chung của một hệ thống điều khiển logic 62

Hình 3.4 Sơ đồ chân của cổng truyền thông 68

Hình 3.6 Bộ nhớ trong và ngoài của S7 - 200 69

Hình 4.3 Hình dạng của bộ điều khiển số MR13 87

Mở đầu

Trong những năm gần đây, nhu cầu về ứng dụng tự động hoá kết hợp với truyền thông trong hoạt động của các nhà máy, xí nghiệp đang phát triển rất mạnh Rất nhiều nhà máy, xí nghiệp có nhu cầu trang bị hệ thống tự động hoá để phục vụ cho mục đích của họ Nhưng họ không có nhiều thông tin về các hệ thống đó

Trong thực tế, ở Việt Nam đã xuất hiện nhiều hệ thống tự động điều khiển giám sát hoạt động nhưng tính tích hợp của nó chưa cao Hầu hết các hệ thống này thường dành cho các ứng dụng lớn, do đó giá thành tương đối cao, không phù hợp với nhiều nhà máy, xí nghiệp Hơn nữa, mỗi nhà máy, xí nghiệp có một đặc thù riêng, nên ứng dụng của họ rất khác nhau Do đó việc nghiên cứu thiết kế một hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu (SCADA - Supervisory Control And Data Acquisition System) để quản lý, giám sát hoạt động tại các nhà máy, xí nghiệp ở Việt Nam là công việc rất thiết thực và cần thiết

Chỉ cần có một người điều khiển và vận hành hệ thống thông qua một phần mềm cài đặt trên máy tính đặt tại phòng điều khiển, hệ thống này có thể ứng dụng để :

- Tự động đóng/ngắt điện khi máy/thiết bị hoạt động/không hoạt động - Giám sát và tự động điều khiển hoạt động của 1 lò nhiệt

- Giám sát số lượng người vào/ra khu vực lò - Cảnh báo khi có kẻ gian đột nhập

- Giám sát hoạt động của người trong phòng/toà nhà thông qua Camera quan sát

- Điều khiển chuông báo giờ …

Các tính năng của hệ thống có thể ít/nhiều hơn các tính năng liệt kê ở trên, tuỳ thuộc vào mong muốn và mục đích của người sử dụng, và khi đó giá thành của hệ thống cũng sẽ giảm/tăng theo

Chính vì lý do đó tôi đã lựa chọn đề tài: “Xây dựng hệ thống điều khiển giám sát” với mục đích nghiên cứu, xây dựng hệ thống điều khiển

giám sát thông qua một phần mềm cài đặt trên máy tính Nội dung của đề tài bao gồm:

- Nghiên cứu và tổng quan về hệ thống - Xây dựng phần mềm điều khiển hệ thống

- Thiết kế các Modul phần cứng của hệ thống

Đề tài được hoàn thành với sự giúp đỡ nhiệt tình của thầy T.S Nguyễn Linh Giang, Giảng viên Khoa Công nghệ thông tin, Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội cùng tập thể các giảng viên Khoa Điện tử, Trường ĐH Công nghiệp Hà Nội Mặc dù có nhiều cố gắng trong việc tìm tài liệu và biên dịch nhưng chắc hẳn không tránh khỏi những thiếu sót Tôi rất mong sự góp ý của các thầy cô và các bạn để đề tài của tôi được đầy đủ hơn

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Chương 1 – Tổng quan về hệ thống điều khiển giám sát (SCADA)

1.1 Tổng quan về SCADA:

SCADA là từ viết tắt của Supervisory Control And Data Acquisition (Điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu) Nó không những là một hệ thống điều khiển đầy đủ mà còn là hệ thống giám sát Hệ thống SCADA là kết quả của sự kết hợp chặt chẽ giữa công nghệ thông tin và công nghệ tự động hoá Các thiết bị tự động hoá ở đây đều có khả năng truyền thông và tham gia vào mạng truyền thông công nghiệp

Một hệ thống SCADA bao gồm 1 hay nhiều máy tính, dùng kèm với 1

phần mềm ứng dụng thích hợp Chúng hình thành các Trạm chính (MS - Master Stations) kết nối thông qua hệ thống thông tin liên lạc (đường dây hữu

tuyến, vô tuyến, đường dây truyền tải, cáp quang, mạng Internet…) kết nối

với các Đơn vị tải đầu cuối (RTU - Remote Terminal Units) Các RTU được

đặt ở nhiều vị trí khác nhau để thu thập dữ liệu, điều khiển từ xa, tự điều khiển linh hoạt hệ thống và thông báo định kỳ kết quả về máy tính chủ

Một hệ thống SCADA sẽ thu thập thông tin, truyền thông tin trở lại vị trí trung tâm, sau đó cảnh báo trạm chính rằng đã có sự cố xảy ra, cần thực hiện các phân tích và điều khiển, xem xét liệu sự cố đó có nguy cấp hay không, rồi hiển thị thông tin theo một dạng logic và có tổ chức nhất định Hệ thống SCADA có thể ở dạng đơn giản, như một hệ thống giám sát điều kiện môi trường; nhưng có thể rất phức tạp, như hệ thống giám sát các hoạt động của một nhà máy năng lượng hạt nhân Trước đây, các hệ thống SCADA sử dụng mạng chuyển mạch chung (PSN – Public Switched Network) để phục vụ mục đích giám sát Hiện nay, nhiều hệ thống giám sát sử dụng cơ sở hạ tầng của LAN/WAN (Local Area Network/Wide Area Network) Kỹ thuật không dây cũng đang được ứng dụng rộng rãi cho mục đích giám sát

Hình 1.1: Cấu trúc của hệ thống SCADA

Như vậy, hệ thống SCADA bao gồm:

• Một hoặc nhiều thiết bị giao tiếp dữ liệu, thường là các RTU hoặc PLC • Một hệ truyền thông sử dụng để truyền dữ liệu giữa các thiết bị giao

tiếp dữ liệu và các khối điều khiển, các máy tính trong máy chủ trung tâm SCADA Hệ thống có thể là sóng vô tuyến, điện thoại, cáp, vệ tinh… hoặc là sự kết hợp của bất kỳ loại nào ở đây

• Một hoặc nhiều máy tính chủ ở trung tâm (còn được gọi là SCADA Center, Master Station, hoặc Master Terminal Unit – MTU)

• Một tập các chuẩn và/hoặc hệ thống phần mềm (đôi khi được gọi là phần mềm giao diện người – máy (HMI – Human Machine Interface hoặc MMI – Man Machine Interface)) sử dụng để hỗ trợ cho máy chủ

trung tâm SCADA và ứng dụng của thiết bị đầu cuối, hỗ trợ hệ thống truyền thông, giám sát và điều khiển các thiết bị giao diện dữ liệu từ xa

1.1.1 Các đơn vị tải đầu cuối RTU (Remote Terminal Units):

RTU là một thiết bị giao tiếp với các đối tượng trong hệ SCADA bằng cách truyền dữ liệu của phép đo từ xa tới hệ thống và/hoặc cảnh báo trạng thái của các đối tượng đã kết nối dựa trên các thông báo điều khiển nhận được từ hệ thống

Một RTU điển hình có một giao diện truyền thông (thường là nối tiếp, Ethernet, giao diện riêng hoặc bất kỳ sự kết hợp nào ở đây), một bộ xử lý đơn giản, một vài cảm biến, một vài chuyển mạch, và một bus sử dụng để liên lạc với các thiết bị và/hoặc các board giao diện Bus này đôi khi được gọi là bus thiết bị Các board giao diện có thể là ở dạng số và dạng tương tự, nó được thiết kế chỉ cho đầu vào, chỉ cho đầu ra hoặc cả hai Chúng thường được viết tắt là "DI" (Digital Input), "AO" (Analog Output), …

Hình 1.2: Một RTU điển hình

Các RTU thực chất là các bộ điều khiển (PLC hoặc bộ vi điều khiển), bên trong nó thường chứa sẵn các bộ chuyển đổi ADC (Analog Digital Converters) và DAC (Digital Analog Converters) Các bộ RTU được thiết kế rất chặt chẽ, bao gồm: các ngõ vào/ra I/O được bảo vệ nghiêm ngặt để khử nhiễu và chống các xung quá độ điện áp Các bộ RTU được thiết kế để làm việc trong môi

trường có nhiệt độ khắc nghiệt (- 400C đến +850C), được cấp nguồn hoặc bằng điện AC 120/240V, hoặc bằng điện DC 125/24VDC Một RTU có thể có nhiều cổng kết nối sao cho 1 RTU có thể được chia sẻ bởi nhiều máy (Master Station)

1.1.1.1 Phân loại RTU:

a) RTU dùng cho các trạm trung chuyển:

ở đây sẽ sử dụng các RTU có dung lượng ngõ nhập/xuất rất lớn (lên đến vài ngàn điểm) Chúng được đóng gói trong vỏ bọc dạng tủ đứng, gồm nhiều ngăn gắn Card cho phép kết nối tới nhiều Card vi xử lý, Card ADC&DAC, Card I/O Như vậy, một RTU chủ lực của trạm trung chuyển có thể kết nối với nhiều RTU khác trên chính trạm đó Mỗi RTU này có chức năng chuyên biệt riêng, từ điều khiển vòng kín cho đến chuyên xử lý tính toán

b) RTU dùng để tự động hoá lưới phân phối:

ở đây sẽ sử dụng các RTU có dung lượng ngõ nhập/xuất nhỏ hơn Các RTU loại này (gọi là DA RTU – DISTRIBUTION AUTOMATION RTU) thường là các mạch điều khiển đơn board, có màn hình Monitor, trên đó tích hợp sẵn các ngõ I/O Các Card I/O mở rộng kết nối với DA RTU bằng cáp dẹt, thay cho loại Card cắm trực tiếp Hướng phát triển mạnh nhất là các DA RTU tích hợp công (Digital Signal Processing – Xử lý tín hiệu số) có khả năng phát hiện lỗi và xử lý tính toán các đại lượng điện cực nhanh

c) Bộ điều khiển Logic khả trình (PLC – Programable Logic Control):

Từ nhiều năm, PLC đã được sử dụng rộng rãi để điều khiển trong nhiều dây chuyền sản xuất và xử lý trong công nghiệp Gần đây, PLC lại bắt đầu được dùng để điều khiển trong các trạm chính và trạm trung chuyển của hệ thống phân phối năng lượng Hệ thống I/O của PLC cũng có thể mở rộng rất lớn (hàng nghìn đơn vị) Tín hiệu điều khiển các ngõ ra hoặc được điều khiển bằng chương trình phần mềm nạp sẵn, hoặc thông qua tín hiệu điều khiển phát từ máy chủ của hệ thống SCADA Nhờ khai thác các bộ nhớ loại EEPROM và

gần đây là FLASHROM, người vận hành có thể dễ dàng chỉnh sửa chương trình đang nạp cho PLC mà không phải động chạm đến phần cứng Một ưu điểm nữa là hầu hết các PLC đều có cấu trúc I/O và các chức năng chuyên dùng ở dạng Modul, dễ dàng gắn thêm lên tấm RACK nếu ở gần, hoặc kết nối bằng cáp đồng trục, cáp quang theo mạng LAN hay đôi dây xoắn Ngôn ngữ lập trình thông dụng cho các PLC là ngôn ngữ LADDER (RELAY LADDER LOGIC – RLL), rất đơn giản và hiệu quả, cho phép người vận hành chỉnh sửa chương trình LADDER với các RTU là các PLC dùng bộ nhớ dạng EEPROM Một ưu thế nữa của các RTU dạng PLC hiện đại là khả năng lập trình hoá cả các ứng dụng có điều khiển PID vòng kín, tích hợp các chương trình điều khiển mờ (FUZZY CONTROLLER) phối hợp với mạng Nơron…

d) Bộ chuyển đổi (Transducer):

Transducer thường là các modul điện tử dùng để chuyển đổi tín hiệu điện từ dạng này sang dạng khác Thường tín hiệu AC cần chuyển sang tín hiệu DC để cấp cho ngõ vào Analog của RTU Tuỳ thiết kế các Transducer có thể cần hoặc không cần nguồn nuôi ngoài cung cấp

e) Bộ dồn xung (Pulse Accumulator):

Chuyển động của động cơ, roto máy phát hay đĩa quay đếm công suất tiêu thụ của điện kế có thông số tốc độ (rad/giây) được đo hoặc bằng cảm biến chuyển thành điện áp đưa vào ngõ Input Analog của RTU để xử lý; hoặc qua tiếp điểm đóng mở tạo chuỗi xung truyền trực tiếp vào ngõ Input Digital của RTU để được bộ đếm của phần mềm cài đặt trong RTU xử lý Máy chủ có thể điều khiển từ xa để kích hoạt cho ngưng hay chạy các bộ đếm này

1.1.1.2 Phần mềm cài đặt cho RTU:

Phần mềm chạy trên RTU được nhà sản xuất cung cấp, thường có dạng ngôn ngữ cấp cao như C và C++, chứa sẫn trình biên dịch các lệnh gửi từ máy chủ Với RTU có khả năng xử lý đủ mạnh, nó kiêm luôn khả năng điều khiển

tại chỗ (ví dụ chức năng ngắt mạch khi có sự cố) Ngoài ra, chương trình của RTU vận hành trong hệ thống SCADA còn có thêm một số tính năng như:

• Khả năng chọn lọc thông tin: máy chủ sàng lọc các thông tin khác biệt so với nội dung các báo cáo đều đặn trước đó

• Khả năng ngắt để báo cáo đột xuất: cho phép RTU ngắt đột xuất chương trình máy chủ để báo có biến đổi trạng thái đột ngột hoặc để cảnh báo giới hạn giá trị Analog của 1 biến nào đó bị vi phạm

• Khả năng lưu trữ dữ liệu: RTU phải được cấp đủ bộ nhớ để có thể lưu giữ dữ liệu được lấy mẫu theo thời gian Khi cần có thể xuất ra dưới dạng đồ thị theo thời gian hoặc bằng thông báo

1.1.2 Trạm chủ của hệ thống SCADA (SCADA MASTER STATION):

Trạm chủ trong hệ thống SCADA có nhiệm vụ giám sát và điều khiển các RTU Khả năng tương tác đồ hoạ ngày càng cao của các máy tính dùng trong trạm cho phép người vận hành dễ dàng truy cập theo dõi toàn bộ hệ thống Trạm chủ chạy các trình ứng dụng SCADA trên nền hệ điều hành UNIX hoặc Windows, các chương trình này được viết bởi nhà cung cấp và có thể được người sử dụng hiệu chỉnh bổ sung

Trạm chủ không chỉ giám sát điều khiển các RTU mà còn có thể truy cập dữ liệu của khách hàng Khai thác cơ sở dữ liệu cho phép ta viết các chương trình thông minh cho phép lọc các sự cố cảnh báo và thực hiện 1 số hiệu chỉnh mà không cần người điều hành can thiệp

Dựa vào loại thiết bị của trạm chủ, ta có thẻ phân ra:

a) Hệ thống dựa vào máy tính PC (PC Based Systems):

Xu hướng chính hiện nay là dùng máy tính cho các trạm chủ chạy trên hệ điều hành WINDOWS, UNIX hay OS-2 Các máy tính có thể nối mạng để chia sẻ tài nguyên & cùng khai thác khả năng tương tác đồ hoạ Các hệ điều

hành hiện nay đều cho phép máy tính vận hành đa nhiệm TASKING), nghĩa là cứ chạy nhiều chương trình song song và quản lý cùng lúc nhiều cửa sổ Hệ thống LAN phổ biến là ETHERNET

(MULTI-b) Hệ thống trạm làm việc (Workstation Systems):

Các workstations của các hãng lớn như SUN, DEC, HP, IBM , thường vận hành trên hệ điều hành UNIX ,có thể đạt mức độ điều khiển tinh xảo hơn so với loại trên (dựa trên PC) Chúng rất mạnh, dựa trên tập lệnh được rút gọn RISC (Reduced Instruction Set) Các trạm làm việc cũng có thể nối mạng với cấu trúc quen thuộc là 1 trạm chủ có ổ cứng dùng làm Server trong khi các trạm còn lại là vệ tinh kết nối Hệ thống LAN phổ biến là ETHERNET

c) Hệ thống dùng máy tính Mini (Minicomputer Systems):

Được dùng khi cần đạt tốc độ tính toán cực cao,chẳng hạn lưới SCADA dùng trong các hệ thống AGC (Automatic Generation Control) & EMS Do năng lực của 2 hệ thống loại trên ngày một nâng cao, nên hệ thống thứ ba này ngày một ít được dùng

1.1.3 Các giao thức của hệ thống SCADA (SCADA Protocols):

Các giao thức (PROTOCOLs) rất cần thiết để giúp máy chủ của hệ

thống SCADA tạo xa lộ trao đổi thông tin với các RTU Nó giúp thiết lập các chuẩn (standard) của thông số kênh nối, chuẩn (standard) của thông số dữ liệu được trao đổi,… Do đó giao thức có bản chất là 1 khái niệm logic hơn là một kết nối vật lý Ta thường gọi kết nối vật lý là một giao diện (INTERFACE) Trước đây mỗi hãng sản xuất tự thiết kế giao thức gắn kết với RTUs mà không hề nghĩ đến việc chuẩn hoá Hậu quả là RTU của hãng này không thể kết nối được với máy chủ của hãng khác do chúng được cài đặt các giao thứ khác hẳn nhau Hiện nay các nhà thiết kế các hệ thống SCADA cố gắng xây dựng các tiện ích kết nối giúp dung hợp các giao thức rất khác nhau trên đây, trong khi nhiều công ty lớn vẫn ra sức bảo vệ bản quyền và ra sức mở rộng ứng dụng

cho giao thức của họ Theo trình tự thời gian, với mức phức tạp tăng dần, ta có thể phân loại các nhóm giao thức chính như sau:

a) Bit Protocols:

Cho đến đầu thập niên 80, hầu hết các giao thức thuộc loại định hướng BIT Mạch phần cứng thường do khách hàng tự ráp, chạy chậm và chi phí đắt có thể kể các Bit protocols đã được đăng ký như ACS, L&N Conitel, Westinghouse REDAC, BBI/CSI, TELEGYR 7500, ROCWELL, Với loại này, trạng thái 1 bit thay đổi kéo theo sự thay đổi trạng thái điều khiển

b) Byte Protocols:

Mỗi Byte dùng trong giao thức thường cần 10 bit (1 start, 8 data và 1 stop) thường được dùng để biểu diễn một ký tự của bảng mã ASCII (American Standard Code for Information Interchange) Bảng mã ASCII gồm 136 ký tự dữ liệu và ký tự điều khiển, chứa đầy đủ các ký tự của bàn phím chuẩn dùng với máy tính PC (gồm cả các ký tự điều khiển không in như Esc, Ctrl, Del, Shift, Backspace & Alt) Các byte protocols tương thích tốt với các RTUs sử dụng các bộ vi điều khiển 8-bit (8-Bit MICROCONTROLLER) Thuận lợi lớn của các giao thức mức BYTE này là các ngôn ngữ lập trình máy tính cấp cao cũng như đường truyền nối tiếp tiêu chuẩn (STANDARD SERIAL INTERFACE) của máy tính đều dựa trên bảng mã ASCII và tương thích với chúng Tiêu biểu cho các giao thức nhóm này là PG&E, Harris 5000, Ferranti 5000 & Duke Power SDLC

c) Hệ thống mở UCA (UCA Open System):

Từ 1991, Viện Nghiên Cứu năng lượng điện EPRI (Electric Power Electric Institute) triển khai dự án EPRI Project RP2949 nhằm tích hợp các hệ thống liên lạc Hai giai đoạn đầu của dự án là UCA (Utility Communication Architecture) & DAIS (Data Access Integration Services) đã được hoàn thành, cụ thể hoá bằng các đặc tả UCA 1.0 & DAIS 1.0 Nội dung 2 đặc tả có xét đến sự phát triển nhanh chóng của công nghệ thông tin cùng công nghệ máy tính,

xét đến các yêu cầu của hệ thống điện Nội dung của UCA 1.0 cũng phù hợp với mô hình chuẩn tham khảo gồm 7 lớp của ISO (International Standardisation Organisation)

Từ đó, năm 1992 đã thông qua được giao thức mở MMS (Manufacturing Message Specification), thuộc lớp ứng dụng (Application Layer) trong mô hình 7 lớp OSI (Open System Interconnection) dùng để giao tiếp giữa các RTUs dùng cho các trạm điện, cho chức năng phân phối tự động (Distribution Automation) Qua đó cho thấy sự chậm chạp trong việc chuẩn hoá các Protocols nói riêng và các quy định khác nói chung của các tổ chức chính danh như IEEE, ISO, IEC trước sự phát triển vũ bão của công nghiệp và khoa học kỹ thuật

1.1.4 Truyền thông trong SCADA:

Để kết nối vật lý giữa máy chủ với các đầu cuối RTUs, thường cần 1 mạng LAN (Local Area Network) hay WAN (Wide Area Network) ở khoảng cách xa (hàng trăm Km trở lên), đường truyền tải điện được dùng hỗ trợ để truyền dự liệu kèm theo đường điện thoại cùng các trạm thu phát vô tuyến Từ những năm 80 trở lại đây mới bổ xung thêm đường cáp quang truyền tải thông tin đường dài Hiện tại, ta có thể khai thác các phương tiện truyền tải sau để thực hiện kết nối liên lạc cho các hệ thống SCADA nói chung:

• Đường truyền dùng cáp kim loại • Kênh truyền dùng dây điện thoại • Mạng truyền sóng vô tuyến • Mạng thu phát vệ tinh • Mạng cáp quang

1.2 Kiến trúc của SCADA:

SCADA được phát triển song song với sự phát triển của công nghệ tính toán hiện đại Có 3 thế hệ của SCADA bao gồm:

• Thế hệ thứ nhất – Nguyên khối (Monolithic) • Thế hệ thứ 2 – Phân bố (Distributed)

• Thế hệ thứ 3 – Mạng lưới (Networked)

1.2.1 Hệ thống SCADA nguyên khối:

Khi hệ thống SCADA được phát triển đầu tiên, nội dung của tính toán thường tập trung vào hệ thống “main frame” Khi đó không tồn tại mạng và mỗi hệ thống thường độc lập Kết quả, hệ thống SCADA là hệ thống độc lập lập và không kết nối với hệ thống nào khác

Mạng WAN được dùng để truyền thông với các RTU ở xa được thiết kế chỉ với một mục đích truyền thông với các RTU mà không có mục đích nào khác Ngoài ra, các giao thức WAN được sử dụng hiện nay đa số đều không tồn tại ở thời điểm đó

Các giao thức truyền thông sử dụng trong các mạng SCADA được phát triển bởi các nhà cung cấp thiết bị RTU và thường có đặc tính riêng Thêm vào đó, các giao thức này được thiết kế rất sơ sài và không dựa trên yêu cầu điều khiển các điểm trong thiết bị ở xa Nó cũng không khả thi khi trộn lẫn các loại lưu lượng dữ liệu khác nhau với RTU truyền thông trong mạng

Hình 1.3: Kiến trúc của hệ thống SCADA thế hệ đầu tiên

Việc kết nối với chính trạm chủ SCADA là rất hạn chế bởi nhà cung cấp hệ thống Việc kết nối trạm chủ đặc thù được thực hiện ở mức bus thông qua một adapter riêng bộ điều khiển được gắn với mặt phẳng ở phía sau CPU

Sự dư thừa ở hệ thống thế hệ đầu tiên là việc được hoàn thành bằng cách sử dụng 2 hệ thống mainframe được trang bị giống hệt nhau, một hệ thống chính và một hệ thống dự phòng, kết nối ở mức bus Chức năng cơ bản của hệ thống dự phòng là để giám sát hệ thống chính là thay thế trong trường hợp có lỗi xảy ra

1.2.2 Hệ SCADA phân bố:

Thế hệ tiếp theo của hệ thống SCADA tiếp tục phát triển và cải tiến hệ thống nhỏ, công nghệ mạng LAN để sắp xếp lại việc xử lý các hệ thống phức tạp Với các hệ thống tích hợp, mỗi hệ thống với một chức năng riêng biệt, được kết nối với một LAN và chia sẻ thông tin với mỗi hệ thống khác theo thời gian thực Các hệ thống này đặc trưng cho loại máy tính mini, nhỏ hơn và giảm giá thành hơn so với thế hệ đầu tiên

Hình 1.4: Kiến trúc của hệ thống SCADA thế hệ thứ 2

Một số hệ thống phân bố này được dùng như các bộ xử lý truyền thông, trước hết là truyền thông với các thiết bị khác như là các RTU Một số khác được dùng như các giao diện vận hành, cung cấp giao diện người - máy (HMI - Human Machine Interface) cho người vận hành hệ thống Một số hệ thống còn lại được dùng để tính toán các bộ xử lý hoặc các máy chủ cơ sở dữ liệu Việc phân bố các chức năng của hệ thống SCADA riêng thành nhiều hệ thống sẽ tạo ra nhiều khả năng xử lý khác nhau cho hệ thống tích hợp hơn là ở trong một hệ thống riêng Các mạng kết nối với các hệ thống riêng này thường dựa trên các giao thức mạng LAN và không có khả năng vượt quá giới hạn của môi trường cục bộ

Một số giao thức mạng LAN được sử dụng là của một dạng độc quyền, ở đây nhà cung cấp đã tạo ra giao thức mạng hoặc phiên bản của riêng mình rồi từ đó xoá bỏ cái đang tồn tại Điều này cho phép nhà sản xuất tối ưu giao thức LAN của mình cho lưu lượng thời gian thực, nhưng nó chỉ giới hạn (hoặc có

hiệu quả) khi kết nối của mạng từ các nhà cung cấp khác tới LAN SCADA Hình 1.4 thể hiện kiến trúc của hệ thống SCADA thế hệ thứ 2

Việc phân bố các chức năng hệ thống thành các hệ thống có nối mạng không những dùng để tăng khả năng tính toán mà còn để cải thiện việc dư thừa và độ tin cậy của hệ thống tích hợp Hơn nữa, việc dự phòng hư hỏng ở đây đơn giản hơn so với trong nhiều hệ thống đầu tiên, kiến trúc phân bố thường giữ tất cả các hệ thống trên LAN trong trạng thái trực tuyến ở mọi thời điểm Ví dụ, nếu một hệ thống HMI bị hỏng, hệ thống HMI khác có thể được sử dụng để điều khiển hệ thống mà không cần đợi để chuyển quyền từ hệ thống thứ nhất sang hệ thống thứ hai

Mạng WAN sử dụng để truyền thông với các thiết bị trong phạm vi này không thay đổi nhiều so với sự phát triển của LAN kết nối giữa các trạm cục bộ của SCADA master Các mạng truyền thông mở rộng này vẫn bị giới hạn với các giao thức RTU và không sẵn sàng cho các loại lưu lượng mạng khác

Cũng giống như trong hệ thống ở thế hệ đầu tiên, thế hệ thứ hai của hệ thống SCADA cũng bị giới hạn bởi phần cứng, phần mềm và các thiết bị ngoại vi là những thành phần được cung cấp hoặc lựa chọn tuỳ theo nhà cung cấp

1.2.3 Hệ thống SCADA nối mạng:

Thế hệ hiện nay của kiến trúc hệ thống SCADA master gần giống với thế hệ thứ 2, với khác biệt cơ bản là kiến trúc hệ thống mở hơn so với môi trường riêng, được kiểm soát bởi nhà cung cấp như ở thế hệ thứ 2 ở đây vẫn tồn tại hệ thống mạng tích hợp, có sự chia sẻ các chức năng của trạm chính ở đây vẫn có các RTU sử dụng các giao thức riêng của nhà cung cấp Cải tiến chính trong thế hệ thứ 3 này là việc mở kiến trúc hệ thống, sử dụng các chuẩn mở và các giao thức cho phép phân chia các chức năng của SCADA trên mạng WAN chứ không chỉ ở mạng LAN

Hình 1.5: Hệ thống SCADA thế hệ thứ 3

Các chuẩn mở đã loại bỏ một số giới hạn của các thế hệ trước đó của hệ thống SCADA Việc sử dụng hệ thống mở làm cho nó dễ dàng hơn đối với người sử dụng để kết nối các thiết bị ngoại vi thứ 3 (như màn hình, máy in, ở đĩa…) với hệ thống và/hoặc mạng

Cùng với việc sử dụng hệ thống mở, các nhà cung cấp cũng từ bỏ dần việc chỉ phát triển kinh doanh phần cứng Các nhà cung cấp này đã mong đợi các nhà cung cấp hệ thống như Compacq, Hewlett-Packard và Sun Microsystems dành trí tuệ của họ trong việc phát triển phần mềm điều hành hệ thống Điều này cho phép các nhà cung cấp SCADA tập trung sự phát triển của họ vào một lĩnh vực mà tại đây họ có thể thêm những tính năng nhất định vào phần mềm của hệ thống SCADA master

Cải tiến chính trong các hệ thống SCADA thế hệ thứ 3 là việc sử dụng các giao thức WAN như giao thức Internet (IP) cho truyền thông giữa trạm

chính và thiết bị truyền thông Điều này cho phép phân chia trạm chính – trạm có nhiệm vụ truyền thông với các thiết bị thành các trạm riêng qua một WAN Hiện nay các nhà cung cấp đã sản xuất các RTU có thể truyền thông với trạm chính sử dụng một kết nối Ethernet Hình 1.5 thể hiện một hệ thống SCADA nối mạng

Một ưu điểm khác của việc phân chia chức năng hệ thống SCADA qua một WAN là khả năng tránh các thảm hoạ Việc phân chia SCADA xử lý qua một LAN trong hệ thống thứ 2 đã cải thiện đáng kể, nhưng trong trường hợp mất toàn bộ các thiết bị của SCADA master, thì toàn bộ hệ thống có thể mất Bằng cách phân chia xử lý thành cục bộ, nó có thể xây dựng một hệ thống SCADA có thể tồn tại khi hỏng ở toàn bộ một trạm cục bộ nào Với tính năng này, một số tổ chức đã coi SCADA như một chức năng siêu tới hạn

1.3 Kiến trúc phần mềm:

Các sản phẩm phần mềm thường là phần mềm đa nhiệm, được dựa trên một cơ sở dữ liệu thời gian thực (RTDB) đặt trong một hoặc nhiều Server Các Server có nhiệm vụ thu thập dữ liệu và xử lý (ví dụ: điều khiển kiểm soát vòng lặp, kiểm tra cảnh báo, tính toán…) trên một tập các tham số Ngoài ra nó có thể phải chỉ ra các Server cho những nhiệm vụ đặc biệt, ví dụ tìm ra Server xử lý cảnh báo Hình 1.6 thể hiện kiến trúc chung của phần mềm

Hình 1.6: Kiến trúc chung của phần mềm

Theo quan điểm mới hiện nay, hệ thống phần mềm chính là trọng tâm của hệ thống SCADA Trong đó, hệ thống phần mềm chú trọng đến: Các công cụ phát triển, tạo dựng giao diện người - máy; các phần mềm kết nối; ứng dụng công nghệ mới (hướng đối tượng, phần mềm thành phần, Web…)

Để tạo dựng ứng dụng phần mềm, hiện nay có 2 phương pháp:

• Phương pháp lập trình: Phương pháp này thường sử dụng các ngôn

ngữ bậc cao ( C++, Java, Visual Basic, Delphi…) và có sự tham gia của một compiler

Nhược điểm của phương pháp này là: Đòi hỏi trình độ lập trình chuyên sâu, hiệu quả không cao do khả năng thực hiện các tính năng bị hạn chế Do đó nó chỉ thích hợp với các hệ thống qui mô nhỏ, ít thay đổi

• Phương pháp tạo cấu hình: Phương pháp này không phải lập trình mà

sử dụng một công cụ chuyên dụng Phương pháp này sử dụng các ký hiệu đồ hoạ, script để xây dựng cấu hình và sử dụng các phần tử đồ hoạ đối thoại để đặt các tham số

So với phương pháp trên thì phương pháp này có hiệu quả cao hơn, dễ thực hiện hơn, không cần compiler Do đó nó thích hợp với các hệ thống lớn, phức tạp hơn

1.4 Tính năng của hệ thống SCADA:

1.4.1 Cảnh báo và giám sát:

Một hệ thống SCADA phải có khả năng kiểm tra, hiển thị và cảnh báo các khả năng có thể xảy ra Khi hệ thống SCADA có vấn đề, hệ thống phải báo cho người vận hành để họ có hành động khắc phục Các cảnh báo phải được ghi lại để các kỹ sư hoặc các lập trình viên có thể nhìn các cảnh báo để xác định nguyên nhân gây ra cảnh báo và ngăn không cho chúng xảy ra lần nữa

1.4.2 Thu thập dữ liệu:

Hệ thống có khả năng nhận dữ liệu từ các PLC và các phần cứng khác, xử lý và thực hiện các phép phân tích dựa trên dữ liệu thu thập được Sau đó có thể hiển thị dữ liệu thu được và dữ liệu sau khi phân tích Hệ thống SCADA phải có khả năng đọc và ghi nhiều nguồn dữ liệu khác nhau

ưu điểm nổi bật của hệ thống SCADA là nó có thể tăng lượng dữ liệu ghi lên đĩa để xem xét về sau Điều này giúp cho việc giải quyết các vấn đề cũng như cung cấp thông tin để cải tiến các quá trình Để thực hiện tính năng này hệ thống có thể sử dụng kết hợp với XML, Excel, Access, SQL, SQL Server, ODBC, các dịch vụ Web…

1.4.3 Thông báo và chia sẻ thông tin:

Một hệ thống có thể tạo ra các thông báo sử dụng truy vấn SQL đối với dữ liệu thu được, cơ sở dữ liệu thời gian thực hoặc các bản ghi Hệ thống có thể cho phép nhúng các biểu đồ Excel trong thông báo nhưng không cho phép khả năng “cut và paste” Các thông báo có thể được tạo ra tự động và có thể in được

Người sử dụng có thể chia sẻ thông tin với các người sử dụng khác, ví dụ như các dịch vụ web Điều này cho phép các máy tính trên khắp thế giới có thể truy cập và sử dụng thông tin miễn là họ được phép truy cập

1.4.4 Điều khiển:

Hệ thống có khả năng tự động áp dụng các giải thuật nhằm điều khiển các quá trình hoạt động Người sử vận hành có thể sử dụng máy tính để thực hiện điều khiển trực tiếp một phần hoặc toàn bộ các quá trình

1.5 Hệ thống SCADA ở Việt Nam:

ở Việt Nam, khái niệm SCADA ngày càng phổ biến trong nhiều lĩnh vực của đời sống xã hội Hệ thống SCADA có khả năng đo lường, điều khiển và thu nhập dữ liệu Trên cơ sở đó cho ta những phân tích, đánh giá và dự báo về hệ thống một cách chính xác gián tiếp Khái niệm SCADA xuất hiện vào thập niên 70 của thế kỷ XX và ngày càng phát triển hoàn thiện đáp ứng được những nhu cầu mà thực tế đặt ra Do đáp ứng được rất nhiều tính năng trong quá trình quản lý điều hành các hệ thống công nghiệp lớn nên hiện nay hệ thống SCADA đã được ứng dụng nhiều ở Việt Nam ứng dụng cụ thể tiêu biểu nhất phải kể đến là hệ thống SCADA trong ngành điện Việt Nam Hệ thống SCADA trong ngành điện Việt Nam sử dụng các thiết bị điện thông minh như các rơle, sensor điện, có khả năng thu nhận và truyền tín hiệu về các trung tâm sử lý Việc điều khiển giám sát cũng được thực hiện dưới nhiều cấp độ,

hiện nay phát triển tới 3 cấp đó là các trung tâm điều độ cấp tỉnh, cấp vùng (Bắc - Trung - Nam) và cấp quốc gia

Trung tâm điều độ hệ thống điện quốc gia Việt nam đặt tại 18 Trần Nguyên Hãn – Hoàn Kiếm - Hà Nội thực hiện một số chức năng chính:

• Chỉ huy điều hành hệ thống sản xuất, truyền tải, phân phối điện năng trong hệ thống điện theo quy trình điều độ hệ thống điện Quốc gia đã được Bộ công nghiệp duyệt nhằm đạt kết quả tối ưu về kỹ thuật và kinh tế đảm bảo hệ thống điện Quốc gia vận hành liên tục và đúng chất lượng

• Lập phương thức vận hành và sửa chữa các phần tử chính trong hệ thống điện Quốc gia đảm bảo việc cung cấp điện an toàn, liên tục và đúng chất lượng

• Tính toán và thực hiện các phương thức, các chế độ vận hành bao gồm cả tính toán rơle, tự động, ổn định nhằm đảm bảo cho hệ thống điện Quốc gia vận hành an toàn, kinh tế và ổn định

• Quản lý vận hành hệ thống SCADA/EMS (Hệ thống giám sát điều khiển và thu nhận số liệu/ hệ thống quản lý năng lượng) phục vụ sản xuất

Các trung tâm điều độ của mỗi vùng sẽ thực hiện điều khiển giám sát trong từng vùng đồng thời phải thương xuyên gửi các thông báo tới trung tâm điều độ Quốc gia Trung tâm điều độ Quốc gia gửi các yêu cầu tới các trung tâm ở mỗi vùng khi cần và thống nhất hoạt độngcủa các trung tâm điều độ trên toàn quốc

Hiện nay, việc điều khiển giám sát mới chủ yếu được thực hiện ở các trạm biến áp, trong tương lai không xa dựa trên hệ thống SCADA sẽ triển khai hệ thống truyền số liệu như công tơ điện từ có lập trình (PPM GEC METERS) thông qua MODEM tới các trung tâm điều độ vùng

Ngoài ra, hệ SCADA đặc biệt phát huy thế mạnh ở các hệ thống điều khiển giám sát trong các hệ thống như: Sản xuất xi măng; Hệ thống kiểm soát và đo dầu khí; Hệ thống điều khiển giao thông; Hệ thống quản lý nước; Hệ thống trộn nhiên liệu; Hệ thống điều khiển giám sát lò hơi, lò nhiệt; Hệ thống điều khiển giám sát toà nhà thông minh…

Chương 2 – mạng truyền thông công nghiệp 2.1 Mạng truyền thông của Siemens:

2.1.1 Tổng quan về mạng công nghiệp của SIMATIC:

Theo những yêu cầu về chức năng của các lớp trong tổ chức điều hành, quản lý và thực hiện sản xuất mạng công nghiệp được chia ra thành nhiều lớp bao gồm: lớp điều hành và quản lý, lớp cell, lớp trường và lớp cơ cấu chấp hành - cảm biến - đối tượng Theo phương pháp tổ chức hệ thống như trên, SIMATIC cung cấp các loại subnet sau:

1 Mạng nhiều điểm (MultiPoint Interface) là một subnet của SIMATIC gọi

tắt là mạng MPI Mạng MPI được sử dụng cho các subnet thuộc lớp trường hay lớp cell với yêu cầu về khoảng cách giữa các trạm không lớn Mạng cho phép liên kết tại nhiều điểm trên mạng và liên kết với các thiết bị của SIMATIC như S7/M7 và C7 Thiết lập mạng MPI được thực hiện thông qua máy lập trình PG Mạng MPI phục vụ cho mục đích ghép nối một số lượng nhỏ các CPU không quá 32 trạm và dung lượng truyền thông nhỏ

2 Mạng PROFIBUS là một mạng thiết lập theo phương pháp hệ truyền

thông mở không phụ thuộc vào nhà chế tạo (Open Communication Network) phục vụ cho các lớp cell và lớp trường Mạng FROFIBUS được cung cấp theo hai chủng loại:

- Fieldbus PROFIBUS-DP phục vụ cho việc trao đổi một dung lượng thông tin nhỏ, nhưng đòi hởi tốc độ truyền nhanh và tuần hoàn

- Trao đổi một lượng dữ liệu có dung lượng trung bình giữa các thành viên bình đẳng với nhau trong mạng

3 Mạng công nghiệp (Industrial Ethernet) gọi tắt là mạng IE, là một hệ

thống truyền thông mở không phụ thuộc vào nhà chế tạo của SIMATIC

Mạng IE dành cho lớp cell và lớp quản lý Mạng chiếm ưu thế cho các hệ truyền thông yêu cầu tốc độ cao với dung lượng thông tin lớn Thông qua Gateway có thể liên kết nhiều subnet có cấu trúc khác nhau

4 Giao diện điểm tới điểm (Point to Point Interface) gọi tắt là PPI không phải

là một subnet theo đúng nghĩa của nó SIMATIC sử dụng giao diện này để thực hiện ghép nối các thiết bị xử lý truyền thông Communication Processor CP) của hai trạm được nối với nhau

5 Giao diện cơ cấu chấp hành-cảm biến (Acuator Sensor Interface) gọi tắt

là ASI là giao diện ở mức thấp nhất trong hệ điều khiển và giám sát sản xuất Nó phục vụ cho việc ghép nối mạng bao gồm các cảm biến và cơ cấu chấp hành số Dung lượng truyền dữ liệu cực đại cho mỗi trạm là 4 bit

Một điều cần quan tâm nữa là phương pháp thâm nhập đường dẫn của các thành viên trong mạng Phương pháp thâm nhập đường dẫn quyết định phương thức và kiểu trao đổi thông tin của các thành viên trong mạng Khi muốn gửi một thông tin đi các trạm phải được cho phép gửi (hay nói một cách khác là phải được phép thâm nhập vào đường dẫn) Có các phương pháp thâm nhập đường dẫn khác nhau:

- CSMA/CD (Carier Sense Multiple Access/Collision Detection) - Token

- Cable điện - Cable quang

2.1.2 Mạng nhiều điểm:

Mạng nhiều điểm hay còn gọi là

mạng MPI được sử dụng cho các mạng thuộc lớp cell và lớp trường với rất ít nhu cầu về khả năng mở rộng mạng Mạng MPI cho phép liên kết các trạm trong mạng tại nhiều điểm và các trạm là

những thiết bị tự động hoá của SIMATIC như S7/M7 và C7 Mạng được thiết lập thông qua máy lập trình PG và phục vụ cho việc liên kết một số lượng nhỏ các CPU với nhau

Phương thâm nhập đường dẫn được chọn cho mạng MPI là Token passing Mạng MPI có những tính cơ bản sau đây:

1 Các thiết bị trong mạng thuộc SIMATIC S7/M7 và C7, vì vậy cho phép thiết lập mạng đơn giản

2 Mạng được thiết lập với số lượng hạn chế các thành viên và chỉ có khả năng trao đổi một dung lượng thông tin nhỏ

3 Truyền thông thông qua bảng dữ liệu toàn cục gọi tắt là GD (Global Data) Bằng phương pháp này cho phép thiết lập bảng truyền thông giữa các trạm trong mạng trước khi thực hiện truyền thông

4 Có khả năng liên kết nhiều CPU và PG/OP với nhau

Dữ liệu kỹ thuật của mạng MPI được biểu diễn trong Bảng 2.1

Số luợng thành viên cho phép Max 32 thành viên Phương pháp thâm nhập đường dẫn Token

Môi trường truyền thông Dây dẫn kép có bọc OP S7-400

Hình 2.1: MPI-SURNET

Cable quang (thuỷ tinh hoặc nhựa) Mở rộng mạng 50 m, với repeater 1100m

Với cable quang qua OLM >100 km Topology Đường thẳng, cây, hình sao & tròn Dịch vụ truyền thông Các hàm chức năng của S7

Bảng dữ liệu truyền thông toàn cục GD

Bảng 2.1: Dữ liệu kỹ thuật của mạng MPI

2.1.3 PROFIBUS:

• Định nghĩa: PROFIBUS (Process Field Bus) là một mạng trong hệ

truyền thông mở không phụ thuộc vào nhà chế tạo của SIMATIC cho lớp cell và lớp trường Về phương diện vật lý, PROFIBUS là một mạng điện mà các đường dẫn là cable đồng trục được bọc kín hoặc là cable quang

PROFIBUS là một hệ thống bus trường được phát triển tại Đức từ năm

1987, do 21 công ty và cơ quan nghiên cứu hợp tác Sau khi được chuẩn hoá quốc gia với DIN 19245, PROFIBUS còn được đưa vào trong chuẩn IEC 61784 - một chuẩn mở rộng trên cơ sở IEC 61158 cho các hệ thống sản xuất công nghiệp Với sự ra đời của các chuẩn mới IEC 61158 và IEC 61784 cũng

như với các phát triển mới gần đây PROFIBUS không chỉ dừng lại là một hệ

thống truyền thông, mà còn được coi là một công nghệ tự động hoá

PROFIBUS định nghĩa các đặc tính của một hệ thống bus cho phép kết nối nhiều thiết bị khác nhau, từ các thiết bị trường cho tới vào/ra phân tán, các thiết bị điều khiển và giám sát PROFIBUS định nghĩa 3 loại giao thức là PROFIBUS -FMS, PROFIBUS -DP và PROFIBUS - PA FMS là giao thức nguyên bản của PROFIBUS, được dùng chủ yếu cho việc giao tiếp giữa các máy tính điều khiển giám sát Bước tiếp theo là sự ra đời của DP vào năm 1993- một giao thức đơn giản và nhanh hơn nhiều so với FMS PROFIBUS -

DP được xây dựng tối ưu cho việc kết nối các thiết bị vào/ra phân tán và các

thiết bị trường với các máy tính điều khiển PROFIBUS FMS và PROFIBUS

-DP lúc đầu được sử dụng phổ biến trong các nghành công nghiệp chế tạo lắp

ráp Tuy nhiên gần đây, vai trò của PROFIBUS - FMS ngày càng mờ nhạt bởi

sự cạnh tranh của các hệ dựa trên nền ethernet (Ethernet/IP, Profinet,

high-speed-ethernet,…) Trong khi đó phạm vi ứng dụng của PROFIBUS -DP ngày càng lan rộng sang nhiều lĩnh vực khác PROFIBUS -PA là kiểu đặc biệt được

sử dụng ghép nối trực tiếp các thiết bị trường trong các lĩnh vực tự động hoá các quá trình có môi trường dễ cháy nổ đặc biệt trong công nghiệp chế biến

Thực chất PROFIBUS -DP chính là sự mở rộng của PROFIBUS - DP xuống

cấp trường cho lĩnh vực công nghiệp chế biến Ngày nay PROFIBUS là hệ bus trường hàng đầu thế giới với hơn 20% thị phần và với hơn 5 triệu thiết bị lắp đặt trong khoảng 500 000 ứng dụng

• Kiến trúc giao thức

PROFIBUS chỉ thực hiện các lớp 1, lớp 2 và lớp 7 theo mô hình qui chiếu

OSI, như minh họa trên Hình 2.2 Tuy nhiên, PROFIBUS-DP và -PA bỏ qua

cả lớp 7 nhằm tối ưu hoá việc trao đổi dữ liệu quá trình giữa cấp điều khiển với cấp chấp hành Một số chức năng còn thiếu được bổ sung qua giao diện sử dụng nằm trên lớp 7 Bên cạnh các hàm dịch vụ DP cơ sở và mở rộng được quy định tại lớp giao diện sử dụng, hiệp hội PI còn đưa ra một số qui định chuyên biệt về đặc tính và chưc năng đặc thù của thiết bị cho một số lĩnh vực ứng dụng tiêu biểu Các đặc tả này nhằm mục đích tạo khả năng tương tác và thay thế lẫn nhau của thiết bị của nhiều nhà sản xuất

PROFIBUS-FMS PROFIBUS-DP PROFIBUS-PA DP-Profiles PA-Profiles

Các chức năng DP mở rộng

Giao diện sử dụng

FMS - Profiles

Các chức năng DP cơ sở Lớp 7 Fieldbus Message

Specification (FMS)

Lớp 1 RS-485/ RS-485IS/ Cáp quang MBP (IEC 1158-2)

Hình 2.2: Kiến trúc giao thức của PROFIBUS

Cả ba giao thức FMS, DP, PA đều có chung lớp liên kết dữ liệu (Lớp FDL) PROFIBUS-PA có cùng giao diện sử dụng như DP, tuy nhiên tính năng của

các thiết bị được qui định nhằm phù hợp với môi trường làm việc dễ cháy nổ Kỹ thuật truyền dẫn MPB (Manchester Code, Bus Powered) theo ICE 1158-2 cũ ở đây đảm bảo vấn đề an toàn và cung cấp nguồn cho các thiết bị qua cùng dây dẫn bus Để tích hợp các đoạn mạng DP vàPA có thể dùng các bộ chuyển đổi (DP/PA-link, DP/PA-Coupler) có sẵn trên thị trường

Lớp ứng dụng của FMS bao gồm 2 lớp con là FMS (Fieldbus Message

Specification) và LLI (Lower Layer Interface) Trong đó FMS chính là tập con của chuẩn MMS Lớp FMS đảm nhiệm nhiệm vụ xử lý giao thức sử dụng và cung cấp các dich vụ truyền thông trong khi đó LLI có vai trò trung gian cho FMS kết nối với lớp 2 mà không phụ thuộc vào các thiết bị riêng biệt Lớp LLI còn có nhiệm vụ thực hiện các chức năng bình thường thuộc lớp 3-6, ví dụ tạo ngắt nối kiểm soát lưu thông

Lớp vật lý của PROFIBUS qui định về kỹ thuật truyền dẫn tín hiệu môi

trường truyền dẫn, cấu trúc mạng và giao diện cơ học, các kỹ thuật truyền dẫn

sử dụng ở đây là RS-458, RS-558-IS (IS: Intrinsically Safe) và cáp quang đối với DP và FMS cũng như MBP đối với PA RS-458-IS được phát triển trên cơ sở RS-458 để có thể sử dụng trong môi trường đòi hỏi an toàn cháy nổ

Lớp liên kết dữ liệu ở PROFIBUS được gọi là FDL (Fieldbus Data Link), có

chức năng kiểm soát truy nhập bus, cung cấp các dịch vụ cơ bản cho việc trao đổi dữ liệu một cách tin cậy không phụ thuộc vào phương pháp truyền dẫn ở lớp vật lý.

Truyền thông của các trạm chủ (hay còn gọi là trạm tích cực) được điều khiển bằng một vòng logic (Logical Ring-LR) Vòng này được thiết lập trước khi đưa mạng vào hoạt động Vòng này quyết định tại thời điểm nào, trạm chủ

Hình 2.3: Phương

pháp thâm nhập đường dẫn trong mạng PROFIBUS

Master 1Master 1Master 1

SlaveSlaveSlaveSlaveSlave Slave Token

Master-Slave

nào tích cực và tích cực trong bao lâu Trạm chủ được tích cực còn gọi là trạm chiếm giữ token Trong thời giam trạm nào chiếm giữ token trạm đó có quyền thâm nhập vào đường dẫn để gửi các điện tín Vòng logic hoàn toàn không phụ thuộc vào cấu trúc của các trạm chủ với nhau trong mạng Khoảng thời gian cho phép một trạm chủ thâm nhập vào đường dẫn, hay nói một cách khác khoảng thời gian trạm chủ chiếm giữ token, được gọi là thời gian token Nếu hết thời gian token mà trạm vẫn chưa gửi xong dữ liệu, thì chỉ có dữ liệu nào của trạm có mức ưu tiên cao nhất được tiếp tục truyền đi, nếu không phải trường hợp như vậy, thì trạm chủ đó phải ngừng quá trình truyền thông và đợi cho đến lượt sau Nếu trạm nào được chiếm giữ token nhưng lại không có nhu cầu truyền thông thì token được tự động chuyển sang trạm đến lượt tiếp theo đó trong hàng theo qui định của vòng logic Thông thường thời gian token được qui định chung cho các trạm chủ trong mạng Nếu một trạm tớ được nối với một trạm chủ đang chiếm giữ token thì trong thời gian token trạm tớ sẽ bị hỏi và phải nhận các thông tin do trạm chủ cung cấp Một trạm tớ không bao giờ được chiếm giữ token

PROFIBUS

S5 md PG

OP

S7-300

PROFIBUS_DP S7-400 PROFIBUS_DP

Hình 2.4: Mạng PROFIBUS

PROFIBUS phục vụ cho việc trao đổi dữ liệu giữ các thiết bị trường với dung lượng thông không lớn Các trạm chỉ thực hiện được việc trao đổi trong thời gian mạng còn

hoạt động Trong SIMATIC mạng PROFIBUS thường được nối với một CP

PROFIBUS-DP cung cấp dịch vụ truyền thông giữa các trạm SIMATIC S7 và các thiết bị trường (DP-LAVE)

để thực hiện trao đổi dữ liệu vào/ra của một quá trình Quá trình trao đổi dữ liệu giữa DP-Master và DP-Slave được thực hiện theo chu trình lặp lại và với một dung lượng thông tin không lớn

Những tính chất đặc trưng của mạng PROFIBUS:

1 Thông qua PROFIBUS có thể thực hiện được đồng thời những hàm chức năng của các dịch vụ truyền thông sau :

ư FDL,FMS và các hàm chức năng của S7 ư DP, FDL và các hàm chức năng của S7

2 Thời gian thâm nhập mạng do phương pháp token quyết định

3 PROFIBUS-DP tạo ra khả năng trao đổi dữ liệu giữa trạm chủ và trạm tớ của các nhà sản xuất khác nhau Theo DP mà không cần có giao diện đặc biệt nào

PROFIBUS-CP

AS95U/DP-SLAVE

Hình 2.5: Mạng PROFIBUS-DP

S7-300 DP-Slave PROFIBUS-CP

PROFIBUS

DP-SLAVE của các nhà chế tạo khác

S7-315-2-DP

ET200-M/U/B

4 Đối với SIMATIC S7/M7 tồn tại các giao diện tích hợp PROFIBUS-DP (2 giao diện đối với S7 hoặc một module giao diện cho các M7-CPU) Điều đó có nghĩa là:

- Đối với mạng chỉ có duy nhất một chủ (Monomaster) tại giao diện tích hợp có thời gian đáp ứng nhỏ (1-2ms đối với tốc độ truyền 12Mbit/s) - Giao diện tích hợp rất kinh tế vì có giá thành rẻ và chiếm ít diện tích 5 Thời gian đáp ứng nhanh (1-5ms) khi đòi hỏi một trạm tớ DP (DP-Slave)

phục vụ trạm chủ

6 PROFIBUS cho phép trao đổi dữ liệu giữa các thạm theo FMS hoặc FDL mà không cần phải có thiết bị liên kết đặc biệt

Dữ liệu kỹ thuật của mạng PROFIBUS được biểu diễn trong bảng 2.2

Số lượng trạm 127 Phương pháp thâm nhập mạng

Token Bus Master-slave

Cho các trạm chủ Cho các trạm tớ Tốc độ truyền 9,6 kbit/s - 12 Mbit/s

Môi trường truyền thông

Dây dẫn có bọc Cable quang

Tốc độ truyền Độ dài Điện

Từng phân đoạn 9,6-93,75kbit/s 187,5kbit/s 500kbit/s 1,5Mbit/s

1000m800m 400m 100m

Bảng 2.2: Dữ liệu kỹ thuật của mạng PROFIBUS