CÁC LIÊN KẾT MẠNG VÀ CHUẨN TRUYỀN THÔNG TRONG ĐIỀU KHIỂN CÔNG NGHIỆP
2.8 Các giao thức mạng 1 Giao thứ c BACNet
BACnet, là một nghi thức sử dụng trong tự động hóa và điều khiển mạng, đã được thiết kếđặc trưng cần thiết cho quá trình thông tin liên lạc đối với các hệ thống điều khiển và tự động hóa tòa nhà phù hợp với các ứng dụng như: điều khiển hệ thống lạnh, hệ thống sởi ấm, hệ thống thông gió, hệ thống điều khiển ánh sang, hệ thổng kiểm soát, các hệ thống kiểm tra cháy và các thiết bị liên hợp của chúng. Giao thức BACnet cung cấp các cơ cấu mà thiết bị được tính toán (lưu trữ) có thể thay đổi thông tin của hàm tùy biến (arbitrary function), bất chấp việc xây dựng một dịch vụ
hay cuối của các quá trình tính toán, các bộ điều khiển DDC, ứng dụng cụ thể hoặc các bộđiều khiển thống nhất với hiệu quả gần giống nhau.
Giao thức BACnet được định nghĩa là một số các dịch vụ mà được dược sử dụng để
thông tin liên lạc giữa các thiết bị trong tòa nhà. Giao thức các dịch vụ bao gồm: Who-Is, I-Am, Who-Has, I-Have, mà chúng được sử dụng cho thiết bị và phát hiện ra mục tiêu. Các dịch vụ như Read-Property và Write-Property được sử dụng trong việc chia sẻ dữ liệu.
Giao thức BACnet cũng được định nghĩa như là số lượng các mục tiêu mà được tác
động tùy thuộc vào các dịch vụ. Các mục tiêu bao gồm các: Analog Input, Analog Output, Analog Value, Binary Input, Binary Output, Binary Value, Multi-State Input, Multi-State-Output, Calendar, Event-Enrollment, File, Notification-Class, Group, Loop, Program, Schedule, Command, and Devices.
Giao thức BACnet được định nghĩa là một số các lớp vật lý/liên kết dữ liệu (data link/ physical layers, bao gồm ARCNET, Ethernet, BACnet/IP, Point To Point đối với RS-232, Master-Slaver/ token-Passing đối với RS-485 và LonTalk.
2.8.2 C-bus
C-Bus là bộđiều khiển vi xử lý cơ sởđược sử dụng trong quản lý các tòa nhà và hệ
thống điều khiển thông minh. Chúng thường được sử dụng để điều khiển các hệ
thống chiếu sáng và các thiết bị điện bao gồm bơm, các thiết bị nghe nhìn, các motor. Bất kỳ các điều khiển ON/OFF của mạch chiếu sang hoặc nhiều kiiểu điều khiển tương tự nhưđiều khiển sáng tối của đèn huỳnh quang. C-Bus có thểđược sử đụng một cách dễ dàng để điều khiển hầu hết các tải sử dụng điện trong công nghiệp.
C-Bus sử dụng phương thức tinh xảo cho việc nâng cấp các trạng thái của các chức năng. Phương pháp này không đòi hỏi nhất thiết phải có máy tính trung tâm, cơ sở
dữ liệu trung tâm hoặc bàn điều khiển để vận hành. Các trạng thái của mỗi bộ C-bus có thể được bắt đầu tại mỗi khoản thời gian xác định mà không cần bộ điều khiển trung tâm. Mỗi thiết bị được phân phối một khoản thời gian xác định để lan truyền (broadcast) các trạng thái của chúng, và được đồng bộ bởi một hệ thống phát xung
đồng hồ của chính chúng. Điều này cho phép một dung lượng dữ liệu lớn được truyền trong một frame thời gian rất nhỏ, tính hiệu quả và độ tin cậy cao trên toàn mạng đẫn đến làm chậm quá trình xử lý và yêu cầu dùng băng thông thấp.
C-Bus sử dụng mạng bus trong hệ thống bao gồm một cặp dây UTP cat5. Bus này không những cung cấp sự liên lạc giữa các thiết bị mà còn sử dụng công suất điện rất nhỏ để vận hành trong hệ thống. Hệ thống C-bus có tính an toàn cao đối với người sử dụng do hoạt động ở mức điện áp 36VDC. Tất cả các thiết bị I/O kết nối vào mạng C-bus sử dụng đôi cáp xoắn mà có thể cung cấp đầy đủ các thông tin của thiết bị, các đấu nối của C-Bus có thể nối vòng từ thiết bị này qua các thiết bị khác, từ một nhánh có thể kết nối đến các điểm khác. Tính năng tiện ích trong mạng C- bus là một thiết bị bổ sung mới có thể lắp đặt bất cứ nơi nào trong mạng, bất kỳ thời gian nào mà không cần cấu hình lại mạng và không ảnh hưởng đến hệ thống đang hoạt động.
Hình 2.7 Mô hình mạng C-Bus
Trong quá trình cài đặt, hệ thống có thể được lập trình để thực thi các đáp ứng có thể thực hiện chỉ trên một thiết bị hoặc nhiều hơn, tại bất kỳ thời gian nào các lệnh
điều có thể lập trình trở lại và các mạng C-Bus có thể thêm vào hoặc tách ra bất kỳ
lúc nào mà không ảnh hưởng đến hệ thống. Kích thướt của mạng C-bus không bị
giới hạn, một mạng lớn thông thường được chia thành nhiều mạng con khoản 100 thiết bị và chiều dài thông thường cho mỗi mạng con là 1,000 mét. Điều này cho phép C-bus có thể mở rộng tới hàng triệu khu vực khác nhau.
Các thiết bị trên mạng C-bus thường có riêng một bộ vi xử lý riêng hoạt động một cách độc lập được cấp phát một cách thông minh chúng có thể thông tin một cách tin cậy và hiệu quả. Và khi chúng hoạt động hay bị sự cố cũng sẽ không ảnh hửởng
đến các thiết bị khác trên toàn mạng. Mỗi một thiết bị trên c-bus có một mã số (địa chỉ) duy nhất do vậy tất cả các thiết bị trên mạng có thể thông tin liên lạc một cách trực tiếp. Do vậy C-bus được xem như hệ thống thông tin point to multi-point, mỗi
thiết bị trên mạng C-bus được cấp và phát các lệnh một cách trực tiếp, do vậy chúng hoạt động tốt hơn đối với mạng có máy tính trung tâm hoặc bộđiều khiển.
Mỗi thiết bị trên C-bus được lập trình cung cấp và đáp ứng các lệch một cách chắc chắn. Hầu như một số lượng không giới hạn các lệnh có thể nhập vào cùng lúc trên hệ thống C-bus. Thông thường, các thiết bị Input được lập trình để phát các lệnh và các thiết bị Output được lập trình để thực thi các lệnh đó. Khi một nhóm các lệnh
được phát bởi một thiết bị C-bus, bất kỳ một thiết bị khác mà đã được lập trình sẽ đuợc thực hiện bất kỳ nơi nào thuộc phạm trên mạng C-bus. Không cần thiết phải cung cấp nguồn 240V giữa các C-bus được kết nối với nhau.
Các thiết bịđơn có thể thiết lập ra nhiều sự kiện phức tạp. ví dụ, bạn có thể lập trình một Input switch có độ dài thời gian bấm để xác định kiểu lệnh nào sẽ được thi hành, một lần bấm nhanh có thể thực thi lệnh on/off và lệnh bấm chậm có thểđược hiểu là điều khiển ánh sáng mờ. Nhiều lệnh phức tạp không thểđiều khiển các thiết bị output giống nhau, do vậy các chuỗi sự kiện phức tạp có thểđược tạo ra một cách dễ dàng, ví dụ một nút bấm đơn có thể điều khiển toàn bộ một hệ thống ánh sáng một tầng của tòa nhà.
Nhiều thiết bị Input phức tạp có thểđiều khiển có điều kiện một thiết bị output đơn lẻ, tùy thuộc vào các tình huống xác định khác nhau. Điều này cho phép nhiều cấp phức tạp cho việc chuyển đổi over-ride và các hệ thống điều khiển phức tạp có thể được tạo ra một cách dễ dàng.
Hệ thống C-bus có thể thực hiện việc điều khiển bằng nhiều cách khác nhau và không giới hạn bao gồm:
- Bất kỳ một thiết bị input có thể được lập trình như một điểm điều khiển master. Các master override có thể được xác định bất cứ nơi nào trên mạng và có thểđiều khiển một hoặc nhiều thiết bị nào được kết nối vào mạng.
- Hệ thống cho phép không giới hạn các cầu hình chuyển mạch, hai, ba hoặc nhiều chuyển mạch có thể cùng nối lại một điểm (toggle) hoặc điều khiển bất kỳ
switch hoặc thiết bị khác.
- Overrides có thể được lập trình trở lại một cách dễ dàng thông qua phần mềm Windows tại bất kỳ thời điểm nào
- Một máy tính hay một bộ điều khiển trung tâm không cần thiết cho mạng C- bus hoạt động, nhưng trong trường hợp cần thiết việc sử dụng chúng để cung cấp thêm một số chức năng khác.
Một nhóm địa chỉ lệnh từ một Input switch được gửi đến toàn bộ các thiết bị thông qua mạng C-bus. Chỉ có thiết bịđược lập trình đúng địa chỉ thì mới được trả lời còn lại các thiết bị khác thì nhận được tín hiệu như nhau nhưng không cần thiết phải trả
lời. Do vậy việc kết nối thiết bị không cần quan tâm thiết bị nào là chính hoặc phụ, hiển nhiên là các thiết bị này được nối chung vào mạng.
2.8.3 Modbus
Modbus là một nghi thức phổ biến ngày nay và thường được sử dụng để kết nối giữa các thiết bị tự động thế hệ cũ và mới. Modbus do Modicom là tiền thân của Schneider Electric hiện nay, phát triển từ 1979, là một phương tiện truyền thông với nhiều thiết bị thông qua một cặp dây xoắn đơn. Ban đầu nó hoạt động trên chuẩn R232, nhưng sau đó chúng được sử dụng cho cả chuẩn RS485 để đạt tốc độ cao hơn, khoản cách xa hơn và nhiều điểm hơn.
Hình 2.8: Cấu trúc Modbus
Modbus là một hệ thống “chủ, tớ”, “chủ” đước kết nối đến nhiều “tớ”. “Chủ” thường là một PLC, PC, DCS hoặc RTU, “Tớ” Modbus RTU thường là các thiết bị
hiện trường tất cả được kết nối với mạng. khi một chủ Modbus RTU muốn các thông tin từ thiết bị, chủ sẽ gửi một thông điệp về dữ liệu cần, tóm tắt và dò tới địa chỉ thiết bị. Mọi thiết bị khác nhận thông điệp này nhưng chỉ có thiết bị nào được chỉđịnh rõ địa chỉ thì mới được phép đáp ứng. Các thiết bị trên cùng mạng Modbus không thể tạo ra các kết nối chúng chỉ có thểđáp ứng.
Hình 2.8Kiến trúc mạng Modbus
Các phiên bản Modbus sử dụng phổ biến ngày nay là:
- Modbus ASCII: Mọi thông điệp được mã hóa băng hexadecimal, sử dụng đặc tính ASCII 4 bit. Đối với mỗi byte thông tin, cần có 2 byte truyền thông, gấp đôi so với mod RTU hay Modbus/TCP. Tuy nhiên Modbus ASCII chậm nhất trong ba loại Protocol, nhưng lại thích hợp cho modem điện thoại hay kết nối sử dụng sóng Radio do ASCII sử dụng các tính năng phân định thông điệp. Do tính năng phân định này, mọi rắc rối trong phương tiện truyền dẫn sẽ không làm thiết bị nhận dịch sai thông tin. Điều này quan trọng khi đề cập đến modem chậm, điện thoại di động, kết nối ồn hay các phương tiện truyền thông khó tính khác.
- Modbus RUT: Dữ liệu được mã hóa theo hệ nhị phân, và chỉ một byte truyền thông cho một byte dữ liệu. Đây là thiết bị lý tưởng đối với RS232 hay mạng RS485 đa điểm, tốc độ từ 1,200 đến 11,500 baud. Tốc độ phổ biến nhất là 9,600 đến 19,200 baud. Modbus RTU là nghi thức công nghiệp được sử dụng rộng rãi nhất. -Modbus /TCP: là Modbus qua Ethernet, thay vì sử dụng thiết bị này cho việc kết nối các thiết bị tớ, do đó các địa chỉ IP được sử dụng. Với Modbus /TCP, dữ liệu Modbus được tóm lược đơn giản trong một gói TCP/IP. Do đó, bất cứ mạng Ethernet hổ trợ Modbus /IP sẽ ngay lập tức hổ trợ Modbus /TCP.
2.8.4 LonWorks
Các thiết bị trong mạng LonWorks có thể thông tin với nhau thông qua giao thức LonWorks. Để cung cấp các dịch vụ như các chương trình ứng dụng các thiết bị để
gửi và nhận các thư tín điện tử đến từ thiết bị này đến thiết bị khác trên mạng mà không cần biết cấu trúc kiên kết mạng (network topology) hoặc các địa chỉ, tên của
thiết bị khác. Giao thức LonWorks có thể cung cấp sự xác nhận end to end của các thư tín, xác thực các thư tín và ưu tiên cấp phát trong các khoản thời gian được giới hạn. Hổ trợ các dịch vụ quản lý mạng như các công cụ quản lý mạng từ xa tương tác với các thiết bị khác trên mạng và chúng có thể thực hiện:
- Cấu hình các địa chỉ và các tham số trên mạng - Tải xuống các chương trình ứng dụng
- Báo cáo các sự cố trên mạng
- Start/stop/reset các chương trình ứng dụng thiết bị
Do vậy giao thức LonWork có thể thực hiện trên các đường truyền cơ bản như:
đường dây điện, cặp dây xoắn, tần số radio (RF), hồng ngoại (IR), cáp đồng trục và cáp quang.
Trong khi có rất nhiều cách để thiết lập mạng điều khiển, kiến trúc phẳng, peet to peer (P2P) là những phương thức tốt nhất. Trong P2P không có tín hiệu chủ
(master) được xác đinh trên mạng nếu một thư tín (message) từ một thiết bị này
được gửi tới một thiết bị khác, và không xác định thư tín nào tiếp theo sẽđược gửi. Thay vì phải điều khiển các thiết bị phải được thông suốt trước khi gửi thư trực tiếp
đến các thiết bị khác. Điều này làm giảm hiện tượng bó cổ chai (bottlenecks) và ngăn ngừa các lỗi rộng hệ thống (systemwide) có thể xảy ra khi chủ bị lỗi. Do vậy, mạng điều khiển được cấu trúc P2P có độ tin cậy và ồn định cao.
Nghi thức này là công nghệ cơ bản của một mạng điều khiển LonWorks, trong các tiêu chuẩn quốc tế chúng được hiểu như là: ANSI/EIA709.1, IEEE14908. Bộ xử lý
được phát minh bởi Echelon được biết đến như chip Neuron có độ tối ưu cao cho các thiết bị trên cùng mạng. Các chip neuron có 3 vi xử lý 8-bit: trong đó 02 vi xử
lý thực hiện các giao thức truyền thông và vi xử lý còn lại một bộ xử lý ứng dụng đa chức năng. Các thành phần truyền dẫn trên một phương tiện thông tin xác định đôi cáp xoắn, hay đường dây điện. Tất cả các thiết bị trên mạng điều khiển điều phải có thiết bị thu phát. Công nghệ truyền tin đối với đôi cáp xoắn và đường dây điện đã
được chấp nhận trong chuẩn ANSI/EIA709.3 & 709.2. Được gọi là hệ điều hành mạng LNS, cở sở dữ liệu này yêu cầu phải có phần mềm và các hệ thống điều khiển mở là môi trường mở cho việc mở rộng, duy trì và quản lý các hệ thống mạng LonWork cơ bản.
Hệđiều hành mạng (NOS) cung cấp các chức năng tới hạn (critical functions) trong một mạng điều khiển, LNS cũng hổ trợ kiến trúc plug-in. Các ứng dụng LonWork
được tiêu chuẩn hóa được gọi là các profile LonMark và các kiểu mạng chuẩn của mạng LonWork được kết nối với các thiết bị Internet thông qua các dịch vụ Web (SOAP trong định dạng HML). Tính đồng dạng (Interoperability) có nghĩa là các thết bị được chế tạo bởi các nhà sản xuất khác nhau có thể cùng làm việc với nhau mà không cần các cổng chuyển đổi dữ liệu từ thiết bị này sang thiết bị khác. LonMark International Group tạo ra các ứng dụng tiêu chuẩn, các bộ công cụ và các chứng nhận sản phẩm đối với các thiết bị của các nhà sản xuất khác nhau sử dụng giao thức LonWork.
CHƯƠNG 3