b) Những khốiOB đặc biệt
4.2.3 Khoảng cách truyền thơng
RS232 cĩ khoảng cách truyền thơng hiệu quả xấp xỉ 15m ở tốc độ 9600 bps, do trên cáp truyền cĩ điện dung và ảnh hưởng của nĩ đến khoảng thời gian chuyển tiếp giữa các chuỗi dữ liệu nghĩa là giữa các ký tự giới hạn. Mạch giao tiếp RS232 phát ra một điện áp giữa +5 và +25V biểu diễn một trong 2 logic của tín hiệu, và điện áp này thường khơng cĩ trong máy vi tính mà chỉ cĩ mức điện áp TTL/ CMOS 5V, nên cần cĩ thêm nguồn cấp điện. Khoảng cách truyền cĩ thể lên đến 100m khi dùng cáp cĩ bọc bảo vệ và truyền ở tốc độ thấp hơn. Bảng 4-2 so sánh giữa các chuẩn truyền thơng về tốc độ và khoảng cách truyền.
Giao tiếp Khoảng cách truyền (m) Tốc độ tối đa (bps) RS232 10 100 1000 10000 1000 _ RS422 10 100 1000 1000000 100000 10000 Nguồn dịng 20mA 100 300 2000 10000 10000 1000 Bảng 4-2: So sánh tốc độ truyền và khoảng cách truyền thơng 4.2.4. Điều khiển đường tín hiệu truyền thơng
Trong truyền thơng giữa các máy vi tính, máy tính lớn hay PLC, ta phảI xem xét đến điều khiển của dịng thơng tin: chiều dữ liệu truyền thơng và truyền thơng một chiều hay hai chiều.
Truyền thơng một chiều là một thiết bị gửi và thiết bị cịn lại nhận dữ liệu, ví dụ như PLC gửi dữ liệu đến máy in. Trong trường hợp này, máy in khơng cần biết thơng tin về máy tính, cĩ nghĩa là PLC luơn là máy truyền dữ liệu và máy in là máy nhận dữ liệu. Trường hợp truyền thơng giữa máy vi tính và PLC thì cần truyền thơng hai chiều. Chúng ta cĩ hai loại truyền thơng: một thiết bị truyền và sau đĩ đến thiết bị cịn lại (half- duplex) hay cả hai thiết bị truyền đồng thời (full- duplex).
4.2.5. Nghi thức truyền thơng
Để cĩ thể truyền dữ liệu được đúng giữa hai thiết bị, ta phảI điều khiển được dịng dữ liệu, để một thiết bị cĩ thể gửi thơng báo cho thiết bị kia. Ví dụ, giả sử máy vi tính gửi dữ liệu sang PLC với tốc độ cao hơn khả năng nhận của
PLC, khi đĩ máy vi tính phảI được thơng báo để dừng hay tạm dừng quá trình truyền dữ liệu đĩ cho đến khi PLC sẵn sàng nhận tiếp dữ liệu.
Việc điều khiển dịng truyền thơng hay nghi thức truyền thơng (protocol) được xử lý bằng cách dùng thêm một đường tín hiệu hoặc bằng cách đưa thêm ký tự điều khiển vào chuỗi dữ liệu truyền.
4.2.5.1. Dùng thêm đường tín hiệu
Thường dùng thêm hai đường tín hiệu, tín hiêu handshake, được nối giữa thiết bị gửi và thiết bị nhận: một đường dây thơng báo cho máy nhận rằng máy gửi sẵn sàng truyền dữ liệu, gọi là RTS (Ready To Send); và mơt đường dây thơng báo cho máy gửi rằng máy nhận đã sẵn sàng nhận dữ liệu, gọi là CTS (Clear To Send). Hoạt động của hai đường tín hiệu này như sau: một thiết bị yêu cầu truyền dữ liệu bằng cách đưa RTS xuống mức thấp; thiết bị đầu kia trả lời bằng cách đưa CTS xuống mức thấp; và dữ liệu được truyền đI cho đến khi CTS tắt (cĩ mức cao) từ thiết bị nhận. Đường tín hiệu RTS/CTS cĩ trong chuẩn RS232, và chúng thường được dùng trong truyền thơng giữa máy vi tính và các thiết bị ngoại vi (xem hình 7.5).
4.2.5.2. Dùng thêm ký tự điều khiển
Hai dạng nghi thức rất thơng dụng dùng ký tự điều khiển trên các đường truyền/nhận là XON/XOFF và ENQ/ACK (ENQ: Enquiry; ACK: Acknowledge). Cơ chế hoạt động của các nghi thức này được minh hoạ trong hình 7.6 (a, b). Với nghi thức XON/XOFF, khi một thiết bị đang nhận dữ liệu muốn dừng tác vụ thì nĩ gửi lệnh XOFF (03 hex) đến thiết bị gửi, tín hiệu này làm dừng tác vụ gửi dữ liệu của máy gửi và chờ nhận lệnh XON (01 hex) từ máy nhận để gửi tiếp dữ liệu. Trong khi đĩ, nghi thức ENQ/ACK gửi ‘gĩi’ dữ liệu đến máy nhận cùng với một ký tự ENQ (03 hex), ký tự này báo hiệu kết thúc một ‘gĩi’ dữ liệu. Và khi máy nhận thực hiện xử lý dữ liệu gửi đến thì nĩ cĩ thể yêu cầu khối dữ liệu khác bằng cách gửi về ký tự ACK (06 hex).
Hình 4-4: Truyền thơng dùng RTS và CTS (handshake)
PC PLC hay Máy vi tính Transmit Receiver RTS CTS
Hình 4- 5: Nghi thức truyền: (a) Nghi thức XON/XOFF (dùng trong full-duplex vì XOFF được gửi trở về dịng dữ liệu chính)
Máy tính hay PLC Máy tính hay PLC Máy tính hay PLC Máy tính hay PLC Dữ liệu Máy in Bộ đệm máy in đầy In dữ liệu XOFF (DC3. 03 hex)
Máy in gửi ký tự XOFF về máy tính
In dữ liệu cho đến khi hết dữ liệu trong bộ đệm
XON (DC1. 01 hex)
Ký tự XON
Báo cho máy tính gửi tiếp dữ liệu (a) Khơng cần thêm đường tín hiệu
Hình 4-6: (b) Nghi thức ENQ/ACK (cĩ thể dùng trong half-duplex vì thiết bị gửi truyền byte ENQ)
4.3. PLC và hệ thống mạng 4.3.1. Khái quát 4.3.1. Khái quát
Khi một PLC làm việc độc lập tức là nĩ chỉ thực hiện một cơng đoạn hay một nhiệm vụ duy nhất mà khơng cĩ sự liên kết dàng buộc hay chia sẻ trách nhiệm điều khiển đối với cơng đoạn khác. Thực tế cho thấy khi cơng việc quá lớn thì số lượng các dây dẫn về tới bộ PLC quá nhiều khơng những gây tổn thất về dây dẫn mà quan trong hơn cả là nĩ thật sự gây khĩ khăn cho việc sửa chữa bảo trì hệ thống, vấn đề nữa là nếu đường truyền quá dài thì các giá trị thu nhận từ cảm biến hay tín hiệu điều khiển cĩ sự sai lệch quá lớn gây ảnh hưởng nghiêm
Máy gửi
(gửi thơng báo) (nhận thơng báo) Máy nhận
Máy gửi (gửi thơng báo)
Máy nhận (nhận thơng báo) ACK
“TơI vừa ký gửi 80 ký tự. Bạn sẵn sàng nhận tiếp 80 ký tự nứa khơng” “TơI đang chờ nhận dữ liệu ... chờ nhận ký tự kết thúc 80 ký tự ASCCII ENQ Chờ đến khi máy nhận đủ 80 ký tự
“TơI đang nghe bạn nĩi với tơI rằng bạn đã sẵn sàng”
“TơI đã lưu 80 ký tự và tơI sẵn sàng nhận thêm
trọng tới sản xuất. Giải pháp sử dụng đường truyền duy nhất và chia sẻ nhiệm vụ điều khiển sử dụng cơng nghệ mạng đang được áp dụng rộng rãi đáp ứng yêu cầu sản xuất hiện đại. Hiệu quả hệ thống mạng PLC mang lại.
4.3.2. Mạng AS-I
Mạng AS-I (Giao tiếp cảm biến chấp hành Actuator Sensor interface) là cấp mạng thấp nhất trong hệ thống tự động hố. Mạng này giúp thay thế bĩ dây điện nối từ cảm biến và chấp hành ở dây chuyền sản xuất đến trung tâm điều khiển bằng cáp điện. Cáp làm hai nhiệm vụ: cung cấp nguồn cho cảm biến và trao đổi thơng tin giữa ASI master với Cảm biến- Chấp hành nhị phân. Mạng được bảo trợ bởi hội quốc tế AS cĩ địa chỉ www.as-interface.com.
Mạng ASI là mạng một chủ nhiều tớ, mỗi tớ cĩ một địa chỉ, chủ sẽ lần lượt truy cập thơng tin từ tớ và chờ đợi trả lời. Thơng tin truyền trên đường dây cấp điện theo nguyên lý điều chế dịng. Cáp mạng nối theo cấu trúc cây với chiều dài lên đến 100m. Nếu chiều dài lớn hơn nên dùng bộ lặp lại repeater. Một mạng ASI cĩ tối đa 31 thiết bị tớ, mỗi thiết bị cĩ địa chỉ từ 1 đến 31, ấn định bởi ASI chủ. Mỗi thiết bị tớ nhận 4 bit và truyền 4 bit dữ liệu, do đĩ mạng ASI nhận và truyền đến 248 cảm biếõn/ chấp hành nhị phân (Chuẩn V2.1 nối đến 62 trạm tớ). Vận tốc truyền trên tuyến là 167kb/s với thời gian truy cập khoảng 5ms.
* Các thơng số kỹ thuật của AS-I:
Chuẩn AS-I theo chuẩn IEC TG 178
Số lượng trạm cho phép 1 Master và max 31 Slave Phương pháp thâm nhập đường dẫn Master – Slave
Tốc độ truyền 167 Kbit/s
Mơi trường truyền thơng Dây dẫn thẳng khơng bọc Khoảng cách các thiết bị trong mạng 300 m với Repeater
Kiểu nối Đường thẳng, cây, sao
Dịch vụ truyền thơng AS-I Function
Bảng 4-3: Các thơng số kỹ thuật của mạng AS-I Các thành phần của mạng ASI gồm cĩ:
- AS-i Chủ: điều khiển mạng
- Mơ đun AS-I: ghép Cảm biến/ Chấp hành với mạng
- Cáp AS-I: hai dây tiết diện 1.5mm2 vỏ cao su nối vật lý các phần tử trong mạng
- Cảm biến/ Chấp hành nhị phân với chip AS-i - Bộ xác định địa chỉ: tạo địa chỉ cho các thiết bị tớ
- SCOPE AS-Interface: chương trình giám sát cho máy tính
Kết nối các thành phần thực hiện theo sơ đồ sau
AS-i Chủ: làm nhiệm vụ kết nối PLC hay máy tính với mạng. Thời gian truy cập tất cả trạm tớ tối đa là 5ms. Hãng Siemens sản xuất các loại sau:
+ CP 2433 với S5-90U, S5-95U, S5-100U. + CP 2430 với S5-115U, S5-135U, S5-155U. - SIMATIC S7 PLC:
+ CP 242-2, CP 242-8 với S7-200. + CP 342-2 với S7-300.
- SIMATIC C7: C7-621 AS-i - Distributed I/Os:
+ DP/AS-Interface Link 20 (type of protection IP 20), ghép nối mạng Profibus và ASI.
+ CP 242-8 với S7-200. + CP 2433 với ET 200U. + CP 342-2 với ET 200M. + CP 142-2 với ET 200X.
+ DP/AS-Interface Link (loại bảo vệ IP 65). + CP 2413 cho máy tính PC-AT.
4.3.3. Mạng MPI
Mỗi CPU của SIMATIC S7 được trang bị một "giao tiếp đa điểm" (MPI, multipoint interface). Giao tiếp này thiết lập một mạng con trong đĩ CPU, màn hình điều khiển và các thiết bị lập trình cĩ thể trao đổi dữ liệu với nhau. Sự trao đổi dữ liệu được thực hiện qua giao thức riêng của Siemens.
MPI sử dụng cáp hai dây hoặc một cáp sợi quang bằng thuỷ tinh hay nhựa làm đường truyền . Chiều dài tối đa của cáp cho một phân đoạn là 50 mét . Sử dụng bộ lặp RS 485 làm tăng chiều dài tối đa lên đến 1100 mét . Mơ-đun nối cáp quang Optical Link làm tăng chiều dài cho phép thậm chí hơn 100 km . Tốc độ truyền thường là 187,5 kbit/ giây .
Số trạm tối đa là 32. Mỗi trạm mất một số lượng thời gian nhất định để truy cập bus và gửi dữ liệu. Khi thời gian này kết thúc, trạm sẽ chuyển tín hiệu ( các quyền truy cập ) sang trạm kế tiếp . Phương pháp này được gọi là "chuyển giao quyền truy cập" (Token passing). Cĩ thể dùng truyền thơng dữ liệu tồn cục ( global), truyền thơng trạm ngồi SFC hay truyền thơng SFB để chuyển dữ liệu giữa các CPU trong một mạng con MPI mà khơng cần thêm mơ-đun phụ nào . * Những đặc điểm cơ bản của mạng MPI:
- Các thiết bị trong mạng thuộc SIMATIC S7/M7 và C7 vì vậy cho phép thiết lập mạng đơn giản.
- Mạng được thiết lập với số lượng hạn chế các thành viên và chỉ cĩ khả năng trao đổi một dung lượng thơng tin nhỏ.
- Truyền thơng thơng qua bảng dữ liệu tồn cục gọi tắt là GD (Global Data). Bằng phương pháp này cho phép thiết lập bảng truyền thơng giữa các trạm trong mạng trước khi thực hiện truyền thơng.
Cĩ khả năng liên kết nhiều CPU và PG/OP với nhau. + Các thơng số kỹ thuật của mạng MPI:
Chuẩn SIEMENS
Số trạm cho phép Max 32
Phương pháp thâm nhập đường dẫn
Token Passing Tốc độ truyền thơng Max 187,5 Kbit/s
Mơi trường truyền dẫn Đơi dây kép cĩ bọc kim chống nhiễu, cáp quang (thuỷ tinh hoặc chất dẻo)
Chiều dài lớn nhất của mạng 50 m, với Repeater 1100 m,
với cáp quang qua OLM> 100 km
Cấu trúc mạng (Topology) Đường thẳng, cây, hình sao và vịng trịn Dịch vụ truyền thơng Nhĩm lệnh chức năng của S7
Bảng dữ liệu truyền thơng tồn cục (GD) Bảng 4-4. Thơng số kỹ thuật của mạng MPI
Mơ hình mạng MPI
S7-300 :CPU 312 IFM, CPU 313, CPU 314, CPU 314 IFM, CPU 315, CPU 315-2 DP
S7-400 :CPU 412-1, CPU 413-1, CPU 414-1, CPU 416-1, CPU 413-2 DP, CPU 414-2 DP, CPU 416-2 DP
OP :OP 3, OP 5, OP 7, OP 15, OP 17; OP 25, OP 35, OP 37 PC :CP 5412-A2 (ISA), CP 5411 (ISA), CP 5511 (PCMCIA),
MPI card (ISA),CP 5611 (PCI) 4.3.4. Mạng PROFIBUS
Hình 4.7 Mạng PROFIBUS
PROFIBUS- Process Field Bus. Đây là một chuẩn truyền thơng được SIEMENS phát triển từ năm 1987 trong DIN 19245. PROFIBUS được thiết lập theo phương pháp hệ truyền thơng mở, khơng phụ thuộc vào nhà chế tạo (Open Communication Network) phục vụ cho các cấp phân xưởng và cấp trường. Mạng PROFIBUS tuân theo chuẩn EN 50170 cho phép kết nối các bộ điều khiển PLC, các thiết bị vào/ra phân tán, các bộ lập trình PC/PG, các cơ cấu chấp hành, các thiết bị hãng khác.
4.3.4.1. Các loại PROFIBUS
Mạng PROFIBUS được cung cấp theo ba chủng loại tương thích nhau: - PROFIBUS – DP (Distributed Peripheral) phục vụ cho việc trao đổi thơng tin nhỏ nhưng địi hỏi tốc độ truyền nhanh.
- PROFIBUS – DP được xây dựng tối ưu cho việc kết nối các thiết bị trường với máy tính điều khiển. PROFIBUS – DP phát triển nhằm đáp ứng yêu cầu cao về tính năng thời gian trong trao đổi dữ liệu, giữa cấp điều khiển cũng như các bộ
PLC hoặc các máy tính cơng nghiệp với các ngoại vi phân tán ở cấp trường như các thiết bị đo, truyền động và van. Việc trao đổi chủ yếu được thực hiện tuần hồn theo cơ chế Master/Slave. Với số trạm tối đa trong một mạng là 126, PROFIBUS – DP cho phép sử dụng cấu hình một trạm chủ (Mono Master) hoặc nhiều trạm chủ (Multi Master). Một đặc trưng nữa của PROFIBUS – DP là tốc độ truyền cao, cĩ thể lên tới 12 Mbit/s.
Hình 4-8: Mạng PROFILBUS - DP PROFIBUS DP S7-200 S7-300 ET-200 Slave S7-300 Master Class1 PC with CP Master Class1 Hình 4-9: Mạng PROFIBUS - DP nhiều chủ
- PROFIBUS – FMS (Fieldbus Message Specification).
Trao đổi lượng thơng tin trung bình giữa các thành viên bình đẳng với nhau trong mạng. PROFIBUS – FMS được dùng chủ yếu cho việc nối mạng các máy tính điều khiển và giám sát.
Mạng này chỉ thực hiện ở các lớp 1, 2, 7 theo mơ hình quy chiếu OSI. Do đặc điểm của các ứng dụng trên cấp điều khiển và điều khiển giám sát, dữ liệu chủ yếu được trao đổi với tính chất khơng định kỳ.
Hình 4-10: Cấu trúc của mạng PROFIBUS FMS -PROFIBUS – PA (Process Automation) :
Được thiết kế riêng cho những khu vực nguy hiểm. PROFIBUS – PA là sự mở rộng của PROFIBUS – DP về phương pháp truyền dẫn an tồn trong mơi trường dễ cháy nổ theo chuẩn IEC 61158-2.
PROFIBUS – PA là loại bus trường thích hợp cho các hệ thống điều khiển phân tán trong các ngành cơng nghiệp hố chất và hố dầu.
Thiết bị chuyển đổi (DP/PA-Link) được sử dụng để tích hợp đường mạng PA với mạng PROFIBUS DP.
Điều này đảm bảo cho tồn bộ thơng tin cĩ thể được truyền liên tục trên hệ thống mạng PROFIBUS bao gồm cả DP và PA.
4.3.4.2. Các phương pháp truy cập bus
Phương pháp thâm nhập vào mạng được quy định ở EN 50170, Volume 2 bao gồm các phương pháp:
Token Passing cho các trạm chủ. Master/Slave cho các trạm tớ.
Tuy nhiên trong trường hợp cĩ nhiều Master trên một mạng, quyền điều hành sẽ được luân chuyển lần lượt từ trạm Master này sang Master khác nhờ kỹ thuật Token Passing.
Truyền thơng giữa các trạm chủ (hay cịn gọi là trạm tích cực) được điều khiển bằng một vịng logic (Logical Ring - LR). Vịng này được thiết lập trước khi đưa mạng vào hoạt động. Vịng này quyết định tại thời điểm nào, trạm chủ nào tích cực và tích cực được trong bao lâu. Trạm chủ tích cực cịn gọi là trạm chiếm giữ token. Trong thời gian chiếm giữ token trạm cĩ quyền thâm nhập vào đường dẫn để gửi dữ liệu.
Vịng logic hồn tồn khơng phụ thuộc vào cấu trúc các trạm chủ với nhau trong mạng. Khoảng thời gian khơng cho phép các trạm chủ khác thâm nhập vào
Token bus
Master-Slave
Master Master Master
Slave Slave Slave Slave Slave Slave
Profibus
đường dẫn, hay là khoảng thời gian trạm chủ chiếm giữ token, được gọi là thời gian chiếm giữ token.
Nếu hết thời gian token mà trạm vẫn chưa gửi xong dữ liệu, thì chỉ dữ liệu của trạm nào cĩ mức ưu tiên cao nhất được tiếp tục truyền đi, nếu khơng thì trạm