- Khối vào/ra tương tự (Analog Input/Output Unit) - Khối vào/ra số (Digital Input/Output Unit)
- Khối đếm vào (Input Counter Unit) - Khối ngắt vào (Interrupt Input Unit)
Khi ngừ vào của khối vào ngắt ON, khối CPU ngay lập tức phỏt hiện, chương trỡnh chớnh bị ngắt và chương trỡnh ngắt được thực hiện.
2.4.2. Bộ định thời tương tự (Analog Timer Unit)
Cỏc bộ định thời trong PLC được điều chỉnh dễ dàng thụng qua bản điều chỉnh hoặc biến trở. Bộ định thời sẽ ngắt CPU khi đạt giỏ trị đó đặt.
Hỡnh 2.11: Hỡnh minh họa khối định thỡ 2.4.3. Khối vào/ra đặc biệt (Special I/O Unit):
- Khối I/O mật độ cao
- Khối cảm biến nhiệt độ (Temperature Sensor Unit) - Khối đếm tốc độ cao (High-speed Counter Unit) - Khối điều khiển vị trớ (Position Control Unit)
Cỏc khối điều khiển vị trớ hổ trợ điều khiển vũng hở với xung ở ngừ ra được sử dụng bởi servomotor hoặc động cơ bước. Cú thể điều khiển theo hỡnh thanh hoặc hỡnh cong chữ S.
2.4.4. Khối điều khiển PID (PID Control Unit)
Bộ điều khiển PID (Proportional Integral Derivative) là một thiết bị được sử dụng rộng rói trong cỏc ứng dụng cụng nghiệp. PID cú thể được sử dụng cho điều chỉnh tốc độ, nhiệt độ, dũng chảy, ỏp suất hoặc cỏc biến quỏ trỡnh khỏc.
Hỡnh 2.14: Hỡnh minhhọa khối PID
2.4.5. Khối truyền thụng (Communication Unit):
- Khối truyền thụng nối tiếp (Serial Communication Unit)
Khối truyền thụng nối tiếp giỳp tăng số kết nối nối tiếp (RS-232, RS-422 hoặc RS-485) dựng cho cỏc mục đớch thụng thường: kết nối mỏy tớnh chủ, thiết bị lập trỡnh, màn hỡnh hiển thị, …
- Ethernet
Khối Ethernet cho phộp PLC kết nối với mạng Ethernet nhà mỏy hoặc cụng ty, truyền dữ liệu theo giao thức TCP/IP hoặc UDP/IP.
2.5. Trạm chủ MS (MTU - Master Terminal Unit)
Tương đương với khối chủ trong kiến trỳc Chủ/Tớ (Master/Slave), MTU thể hiện dữ liệu cho người vận hành thụng qua HMI, thu thập dữ liệu và truyền tớn hiệu điều khiển với cỏc thiết bị và nhà mỏy từ xa.
Hỡnh 2.16: Kiến trỳc một MTU tiờubiểu
Một khối chủ phụ (Sub-Master Station) cú thể là cần thiết cho sự vận hành ở cỏc đầu cuối từ xa.
Moderm Moderm Moderm Moderm PSTN RTU 1 RTU 2 ` Moderm RTU 3 Trạm trung tõm Trạm làm việc R S -2 32
KHỐI CHỦ PHỤ (SUB-MASTER STATION)
PLC
Chức năng của Sub-Station như sau:
Thu thập dữ liệu từ cỏc RTU cục bộ
Ghi và hiển thị dữ liệu tại trạm vận hành cục bộ
Chuyển dữ liệu về MTU
Chuyền lệnh điều khiển từ MTU đến RTU cục bộ. Chức năng cơ bản của MTU như sau:
Thiết lập truyền thụng, bao gồm thiết lập mỗi RTU, khởi tạo RTU với cỏc thụng số vào/ra, tải chương trỡnhđiều khiển và thu thập dữ liệu xuống cỏc RTU.
Vận hành cỏc kết nối truyền thụng, bao gồm hỏi vũng dữ liệu RTU và chuyển dữ liệu xuống RTU trong sự sắp xếp chủ/tớ, ghi bỏo động và sự kiện vào ổ cứng (cho người vận hành xem khi cần thiết), cũng như liờn kếtđến cỏc ngừ vào và ra ở cỏc RTU khỏc nhau một cỏch tự động.
Chuẩn đoỏn, bao gồm chuẩn đoỏn chớnh xỏc thụng tin lỗi của RTU và cỏc vấn đề cú thể, cũng như chuẩn đoỏn cỏc vấn đề tiềm tàng cú thể như tràn dữ liệu…
2.6. Thiết bị giao tiếp người và mỏy HMI
Hiển thị dữ liệu cho người vận hành và cho phộp nhập lệnh điều khiển qua nhiều dạng: Hỡnh ảnh, sơ đồ, cửa sổ, menu, màn hỡnh cảm ứng, …
HMI cú thể là màn hỡnh GOT (Graphic Operation Terminal) của Mitsubishi, màn hỡnh NT của Omron, hoặc một PC chạy phần mềm SoftGOT của Mitsubishi, …
Hỡnh 2.18: Hỡnh minh họa cỏc thành phần của màn hỡnh HMI
Cỏc chức năngcơ bảncủa HMI như sau:
Chức năng Recipe (Recipe Function)
- Một số loại dữ liệu, như thụng số pha trộn chất liệu và cỏc điều kiện của quỏ trỡnh chế biến, cú thể được lưu trữ trờn cỏc thiết bị HMI và cỏc dữ liệu cần thiết cú thể chuyển qua PLC. Một chương trỡnh dựng cho việc trao đổi dữ liệu là khụng cần thiết.
- Dữ liệu được đọc từ PLC cú thể được lưu trữ trờn HMI như một file. Nú cú thể được sử dụng bởi cỏc HMI khỏc và được quản lý trờn một PC sử dụng chương trỡnh bảng tớnh, như EXCEL. Cỏc giỏ trị cú thể được thay đổi bởi phần mềm bảng tớnh trờn PC. Giỏ trị sửa đổi cú thể được chuyển đến PLC và lưu trữ ngược lại HMI.
Hỡnh 2.19: Hỡnh minh họa chức năng Recipe
Nõng cấp hệ điều hành (OS Upgrate)
Chức năng và quy trỡnh vận hành cú thể được nõng cấp dễ dàng bằng cỏch cài đặt hệ điều hành mới mà khụng cần phải thay thế phần cứng của HMI.
Hỡnh 2.20: Hỡnh minh họa tớnh năng nõng cấp OS
Chức năng chạy đoạn mó Script
Sự trỡnh bày của HMI cú thể được điều chỉnh bởi lập trỡnh Script trờn HMI. Do đú, chương trỡnh trờn PLC dựng cho điều chỉnh hiển thị là khụng cần thiết, giỳp cải thiện vận hành của PLC , thiết kế hiệu quả và đơn giản trong bảo trỡ.
Hỡnh 2.21: Hỡnh minh họa tớnh năng Script
Bộ nhớ trong
Bộ nhớ ngoài như SRAM , Flash PC
Chức năng thư viện cỏc phần tử
- Thư viện cỏc phần tử của HMI đơn giản việc thiết kế sơ đồ trờn HMI, chỉ việc sắp xếp cỏc đối tượng yờu cầu từ thư viện lờn bản vẽ.
Cõu hỏi ụn tập chương 2
1. Trỡnh bày cấu trỳc phần cứng của RTU trong hệ thống SCADA. 2. Kể tờn và cho biết thụng số cơ bản của một loại RTU.
3. Trỡnh bày cấu trỳc phần cứng của MTU trong hệ thống SCADA.
4. Kể tờn và cho biết thụng số về một loại MTU. Cho một vớ dụ về lập trỡnh và ứng dụng loại MTU đú.
5. Trỡnh bày cỏc chức năng cơ bản của HMI.
Chương 3: TRUYỀN THễNG 3.1. Tổng quan về mạng
3.1.1. Khỏi niệm về mạng
Là tập hợp cỏc giao thức, cỏc thiết bị được kết nối với nhau thụng qua phương tiện truyền dẫn nhằm chia sẻ thụng tin, tài nguyờn và cơ sở truyền thụng chung.
Cỏc thành phần của mạng bao gồm:
- Cỏc hệ thống đầu cuối (end system) kết nối với nhau: mỏy tớnh, mỏy in, mỏy fax, điện thoại, PDA, …
- Mụi trường truyền dẫn (media): cỏc loại dõy dẫn (truyền cú dõy), súng điện từ (truyền khụng dõy).
- Giao thức truyền thụng (protocol): là qui tắc qui định cỏch thức trao đổi dữ liệu giữa cỏc thực thể.
3.1.2. Mạng truyền thụng cụng nghiệp là gỡ?
Mạng cụng nghiệp hay mạng truyền thụng cụng nghiệp là một khỏi niệm chỉ cỏc hệ thống mạng truyền thụng số, truyền bit nối tiếp, được sử dụng để ghộp nối cỏc thiết bị cụng nghiệp. Cỏc hệ thống truyền thụng cụng nghiệp phổ biến hiện nay cho phộp liờn kết mạng ở nhiều mức khỏc nhau, từ cỏc bộ cảm biến, cơ cấu chấp hành dưới cấp trường cho đến cỏc mỏy tớnh điều khiển, thiết bị quan sỏt, mỏy tớnh điều khiển giỏm sỏt và cỏc mỏy tớnh cấp trờn điều hành xớ nghiệp quản lý cụng ty.
Trong lĩnh vực đo lường, điều khiển và tự động húa, việc sử dụng mạng truyền thụng cụng nghiệp (đặc biệt là bus trường) để thay thế cỏch nối điểm - điểm cổ điển giữa cỏc thiết bị cụng nghiệp, mang lại những lợi ớch sau:
- Đơn giản húa cấu trỳc liờn kết giữa cỏc thiết bị cụng nghiệp. - Giỏm đỏng kể giỏ thành dõy nối và cụng lắp đặt hệ thống. - Nõng cao độ linh hoạt, tớnh năng mở của hệ thống.
- Tớnh năng thời gian thực, độ tin cậy và khả năng tương thớch trong mụi trường cụng nghiệp cao.
- Đơn giản húa, tiện lợi húa việc chẩn đoỏn, định vị lỗi, sự cố của cỏc thiết bị. - Nõng cao khả năng tương tỏc giữa cỏc thành phần (phần cứng và phần mềm)
- Mở ra nhiều chức năng và khả năng ứng dụng mới của hệ thống. Vớ dụ, cỏc ứng dụng điều khiển phõn tỏn, điều khiển giỏm sỏt hoặc chẩn đoỏn lỗi từ xa qua Internet.
- Cỏc hệ thống bus trường cũng đó dần thay thế cỏc mạch dũng tương tự 4 - 20mA.
- Ưu thế của giải phỏp dựng mạng cụng nghiệp khụng những nằm ở phương diện kỹ thuật mà cũn ở khớa cạnh hiệu quả kinh tế.
Chớnh vỡ vậy, ứng dụng của nú rộng rói trong hầu hết cỏc lĩnh vực cụng nghiệp như điều khiển quỏ trỡnh, tự động húa xớ nghiệp, điều khiển giao thụng…
Để phõn biệt rừ mạng cụng nghiệp và cỏc hệ thống mạng khỏc ta cú thể đưa ra bảng so sỏnh sau
Bảng 3.1: So sỏnh mạng cụng nghiệp và cỏc mạng khỏc
Mạng cụng nghiệp Cỏc hệ thống mạng khỏc
- Phạm vi địa lý hẹp
- Đối tượng là cỏc thiết bị cụng nghiệp
- Dạng thụng tin là số liệu
- Kỹ thuật truyền dữ liệu theo chế độ bit nối tiếp
- Đơn giản
- Phạm vi địa lý rộng, số lượng thành viờn tham gia lớn
- Đối tượng là cả con người và thiết bị trong đú con người là chủ yếu
- Dạng thụng tin bao gồm tiếng núi, hỡnh ảnh, văn bản
- Cụng nghệ phong phỳ
- Phức tạp
Từ đú ta cú thể kết luận mạng cụng nghiệp thực chất là một dạng đặc biệt của mạng mỏy tớnh, cú thể so sỏnh với mạng mỏy tớnh thụng thường ở những điểm giống nhau và khỏc nhau như sau:
- Kỹ thuật truyền thụng số hay truyền dữ liệu là đặc trưng chung của cả hai hệ thống mạng.
- Trong nhiều trường hợp, mạng mỏy tớnh được sử dụng trong cụng nghiệp được coi là một phần trong mụ hỡnh phõn cấp của mạng cụng nghiệp.
- Yờu cầu tớnh năng thời gian thực, độ tin cậy và khả năng tương thớch trong mụi trường cụng nghiệp của mạng cụng nghiệp cao hơn so với mạng mỏy tớnh thụng thường, mạng mỏy tớnh thường đũi hỏi chế độ bảo mật cao hơn.
- Mạng mỏy tớnh cú phạm vi trải rộng rất khỏc nhau, cú thể chỉ nhỏ như mạng LAN cho một nhúm cỏc mỏy tớnh hoặc rất lớn như mạng Internet.
- Mạng mỏy tớnh cú thể sử dụng giỏn tiếp mạng truyền thụng để truyền dữ liệu cũn mạng cụng nghiệp thường cú tớnh chất độc lập, phạm vi hoạt động tương đối hẹp.
3.2. Cỏc cấp mạng truyền thụng trong hệ thống SCADA
Để sắp xếp phõn loại và phõn tớch đặc trưng của cỏc hệ thống mạng cụng nghiệp, ta dựa vào mụ hỡnh phõn cấp cho cỏc cụng ty, xớ nghiệp sản xuất. Với mụ hỡnh này cỏc chức năng được phõn thành nhiều cấp khỏc nhau được mụ tả trong hỡnh vẽ sau:
Hỡnh 3.1: Mụ hỡnh phõn cấp chức năng và mạng truyền thụng cụng nghiệp
Càng ở cấp dưới thỡ cỏc chức năng càng mang tớnh chất cơ bản hơn và đũi hỏi yờu cầu cao hơn về độ nhanh nhậy, thời gian phản ứng. Một chức năng ở cấp trờn được thực hiện dựa trờn cỏc chức năng cấp dưới, tuy khụng đũi hỏi thời gian phản ứng nhanh như ở cấp dưới, nhưng ngược lại lượng thụng tin cần trao đổi và xử lý lại lớn hơn nhiều. Cú thể coi đõy là mụ hỡnh phõn cấp chức năng cho cả hệ thống tự động húa núi chung cũng như cho hệ thống truyền thụng núi riờng của một cụng ty.
Tương ứng với năm cấp chức năng là bốn cấp của hệ thống truyền thụng. Từ cấp điều khiển giỏm sỏt trở xuống thuật ngữ "bus" thường được dựng thay thế cho "mạng" với lý do phần lớn cỏc hệ thống mạng phớa dưới đều cú cấu trỳc vật lý hoặc logic theo kiểu bus
Mụ hỡnh phõn cấp chức năng sẽ tiện lợi cho việc thiết kế hệ thống và lựa chọn thiết bị. Trong thực tế ứng dụng, sự phõn cấp chức năng cú thể khỏc một chỳt so với trỡnh bày, tựy thuộc vào mức độ tự động húa và cấu trỳc hệ thống cụ thể. Trong những
trường hợp ứng dụng đơn giản như điều khiển trang thiết bị dõn dụng (mỏy giặt, tủ lạnh, điều hũa...), sự phõn chia nhiều cấp cú thể hoàn toàn khụng cần thiết. Ngược lại trong tự động húa một nhà mỏy hiện đại như điện nguyờn tử, xi măng, lọc dầu, ta cú thể chia nhỏ hơn nữa cỏc cấp chức năng để tiện theo dừi.
3.2.1. Bus trường, bus thiết bị
Bus trường (fieldbus) là một khỏi niệm chung được dựng trong cỏc ngành cụng nghiệp chế biến để chỉ cỏc hệ thống bus nối tiếp, sử dụng kỹ thuật truyền tin số để kết nối cỏc thiết bị thuộc cấp điều khiển (PC, PLC) với nhau và với cỏc thiết bị ở cấp chấp hành, hay cỏc thiết bị trường. Cỏc chức năng chớnh của cấp chấp hành là đo lường, truyền động và chuyển đổi tớn hiệu trong cỏc trường hợp cần thiết. Cỏc thiết bị cú khả năng nối mạng là cỏc bộ vào/ra phõn tỏn (distributed I/O) cỏc thiết bị đo lường (sensor, tranducer, transmitter) hoặc cỏc cấp chấp hành (actuator, value) cú tớch hợp khả năng xử lý truyền thụng. Một số kiểu bus trường chỉ thớch hợp nối mạng cỏc thiết bị cảm biến và cơ cấu chấp hành với cỏc bộ điều khiển, cũng được gọi là bus chấp hành/cảm biến.
Trong cụng nghiệp chế tạo (tự động húa dõy chuyền sản xuất, gia cụng, lắp rỏp) hoặc một số lĩnh vực ứng dụng khỏc như tự động húa tũa nhà, sản xuất xe hơi, khỏi niệm bus thiết bị lại được sử dụng phổ biến. Cú thể núi, bus thiết bị và bus trường cú chức năng tương đương, nhưng do những đặc trưng riờng biệt của hai ngành cụng nghiệp, nờn một số tớnh năng cũng khỏc nhau. Tuy nhiờn, sự khỏc nhau này ngày càng khụng rừ rệt, khi mà phạm vi ứng dụng của cả hai loại đều được mở rộng và đan chộo sang nhau. Trong thực tế, người ta cũng dựng chung một khỏi niệm là bus trường.
Do nhiệm vụ của bus trường là chuyển dữ liệu lờn cấp điều khiển để xử lý và chuyển quyết định điều khiển xuống cỏc cơ cấu chấp hành, vỡ vậy yờu cầu về tớnh năng thời gian thực được đặt lờn hàng đầu. Thời gian phản ứng tiờu biểu nằm trong phạm vi từ 0,1 tới vài miligiõy. Trong khi đú, yờu cầu về lượng thụng tin trong một bức điện thường chỉ hạn chế trong khoảng một vài byte, vỡ vậy tốc độ truyền thụng thường chỉ cần ở phạm vi Mbit/s hoặc thấp hơn. Việc trao đổi thụng tin về cỏc biến quỏ trỡnh chủ yếu mạng tớnh chất định kỳ, tuần hoàn, bờn cạnh cỏc thụng tin tham số húa hoặc cảnh bỏo cú tớnh chất bất thường.
Cỏc hệ thống bus trường được sử dụng rộng rói nhất hiện nay là PROFIBUS, ControlNet, INTERBUS, CAN, WordFIP, P-NET, Modbus và gần đõy phải kể tới Foundation Fielfbus, DeviceNet, AS-i, EIB và Bitbus là một vài hệ thống bus cảm biến/chấp hành tiờu biểu cú thể nờu ra ở đõy.
3.2.2. Bus hệ thống, bus điều khiển
Cỏc hệ thống mạng cụng nghiệp được dựng để kết nối cỏc mỏy tớnh điều khiển và cỏc mỏy tớnh trờn cấp điều khiển giỏm sỏt với nhau được gọi là bus hệ thống (system bus) hay bus quỏ trỡnh (process bus). Khỏi niệm sau thường được dựng trong lĩnh vực điều khiển quỏ trỡnh. Qua bus hệ thống mà cỏc mỏy tớnh điều khiển cú thể phối hợp hoạt động, cung cấp dữ liệu quỏ trỡnh cho cỏc trạm kỹ thuật và trạm quan sỏt (cú thể giỏn tiếp thụng qua hệ thống quản lý cơ sở dữ liệu trờn cỏc trạm chủ) cũng như nhận mệnh lệnh, tham số điều khiển từ cỏc trạm phớa trờn. Thụng tin khụng những được trao đổi theo chiều dọc, mà cũn theo chiều ngang. Cỏc trạm kỹ thuật, trạm vận hành và cỏc trạm chủ cũng trao đổi dữ liệu qua bus hệ thống. Ngoài ra cỏc mỏy in bỏo cỏo và lưu trữ dữ liệu cũng cú thể được kết nối qua mạng này.
Chỳ ý phõn biệt giữa cỏc khỏi niệm bus trường và bus hệ thống khụng bắt buộc nằm ở sự khỏc nhau về kiểu bus được sử dụng, mà ở mục đớch sử dụng hay núi cỏch khỏc là ở thiết bị được ghộp nối. Trong một số giải phỏp, một kiểu bus duy nhất được dựng cho cả ở hai cấp này.
Đối với bus hệ thống, tựy theo lĩnh vực ứng dụng mà đũi hỏi về tớnh năng thời gian thực cú được đặt ra một cỏch ngặt nghốo hay khụng. Thời gian phản ứng tiờu biểu