2.3.1 Khái niệm
Đây là một khái niệm chung chỉ các hệ thống mạng truyền thông số, truyền bit nối tiếp, được sử dụng để ghép nối các thiết bị công nghiệp. Các hệ thống truyền thông công nghiệp phổ biến hiện nay cho phép liên kết mạng ở nhiều mức khác nhau, từ các cảm biến, cơ cấu chấp hành dưới cấp trường cho đến các máy tính điều khiển, thiết bị
2.3.2 Mô hình phân cấp chức năng của hệ thống mạng truyền thông công nghiệp
Để sắp xếp, phân loại và phân tích đặc trưng các hệ thống mạng truyền thông công nghiệp, ta dựa vào mô hình phân cấp quen thuộc cho công ty, xí nghiệp sản xuất như hình 2.13.
Tương ứng với 5 cấp chức năng của mô hình công ty, xí nghiệp là 4 cấp của hệ thống truyền thông. Từ cấp điều khiển giám sát trở xuống, thuật ngữ “bus” thường được dùng thay cho “mạng” với lí do phần lớn các hệ thống mạng phía dưới đều có cấu trúc vật lý hoặc logic kiểu bus.
Hình 2.13: Mô hình phân cấp mạng truyền thông công nghiệp
Bus trường, bus thiết bị
Bus trường (fieldbus) là một khái niệm chung được dùng trong các nghành công nghiệp để chỉ các hệ thống bus nối tiếp, sử dụng kỹ thuật truyền tin số để kết nối các thiết bị thuộc cấp điều khiển (PC, PLC) với nhau và với các thiết bị ở cấp chấp hành, hay các thiết bị trường. Các thiết bị có khả năng nối mạng là các bộ vào/ra phân tán, các thiết bị cảm biến hoặc cơ cấu chấp hành có tích hợp khả năng xử lý truyền thông.
Bus thiết bị và bus trường có chức năng tương đương, nhưng do ứng dụng trong những ngành công nghiệp khác nhau nên một số tính năng cũng khác nhau. Tuy nhiên, sự khác nhau này ngày càng không rõ rệt. Trong thực tế, người ta dùng chung một khái niệm là bus trường.
Nhiệm vụ của bus trường là chuyển dữ liệu quá trình lên cấp điều khiển để xử lý và chuyển quyết định điều khiển xuống các cơ cấu chấp hành. Vì vậy, yêu cầu về tính năng thời gian thực được đặt lên hàng đầu. Thời gian phản ứng tiêu biểu nằm
trong phạm vi từ 0.1ms tới vài ms. Trong khi đó, yêu cầu về lượng thông tin trong một bức điện thường chỉ cần ở phạm vi Mbit/s hoặc thấp hơn. Việc trao đổi thông tin về các biến quá trình chủ yếu mang tính chất định kỳ, tuần hoàn, bên cạnh các thông tin cảnh báo có tính chất bất thường. Các hệ thống bus trường được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay là PROFIBUS, ControlNet, Internus-S, CAN, WorldFIP, P-NET, Modbus và gần đây có Foundation Fieldbus, DeviceNet, AS-i, EIB và Bitbus là một vài hệ thống bus cảm biến/chấp hành tiêu biểu.
Bus hệ thống, bus quá trình
Các hệ thống mạng công nghiệp được dùng để kết nối các máy tính điều khiển và các máy tính trên cấp điều khiển giám sát với nhau được gọi là bus hệ thống (Sys- tem Bus) hay bus quá trình (Process Bus). Qua bus hệ thống mà các máy tính điều khiển có thể phối hợp hoạt động, cung cấp dữ liệu quá trình cho các trạm kỹ thuật và trạm quan sát cũng như chấp nhận mệnh lệnh, tham số điều khiển từ các trạm phía trên.
Đối với bus hệ thống, tùy theo lĩnh vực ứng dụng mà đòi hỏi về tính năng thời gian thực có được đặt ra một cách ngặt nghèo hay không. Thời gian phản ứng tiêu biểu nằm trong khoảng một vài trăm ms, trong khi lưu lượng thông tin cần trao đổi lớn hơn nhiều so với bus trường. Tốc độ truyền thông tiêu biểu của bus hệ thống nằm trong phạm vi từ vài trăm Kbit/s đến vài Mbit/s.
Do các yêu cầu về tốc độ truyền thông và khả năng kết nối dễ dàng nhiều loại máy tính kiểu bus hệ thống thông dụng nhất là Ethernet cũng như Industrial Ethernet.
Ngoài ra còn sử dụng PROFIBUS-FMS, Modbus Plus và Fieldbus Founda- tion’s High Speed Ethernet.
Mạng xí nghiệp
Mạng xí nghiệp thực ra là một mạng LAN bình thường, có chức năng kết nối các máy tính văn phòng thuộc cấp điều hành với cấp điều khiển giám sát. Thông tin được đưa lên trên bao gồm trạng thái làm việc của các quá trình kỹ thuật, các giàn máy cũng như của hệ thống điều khiển tự động, các số liệu tính toán, thống kê về diễn biến quá trình sản xuất và chất lượng sản phẩm. Thông tin theo chiều ngược lại là các thông
cho mục đích này là Ethernet và Token-Ring, trên cơ sở các giao thức chuẩn như TCP/IP và IPX/SPX.
Mạng công ty
Mạng công ty nằm trên cùng trong mô hình phân cấp hệ thống mạng truyền thông. Đặc trưng của mạng công ty gần với một mạng viễn thông hoặc một mạng máy tính diện rộng nhiều hơn trên các phương diện phạm vi và hình thức dịch vụ, phương pháp truyền thông và các yêu cầu về kỹ thuật. Chức năng của mạng công ty là kết nối các máy tính văn phòng của các xí nghiệp, cung cấp các dịch vụ trao đổi thông tin nội bộ và với khách hàng như thư viện điện tử E-Library, thư điện tử Email, hội thảo từ xa qua điện thoại, hình ảnh, cung cấp các dịch vụ truy cập Internet và thương mại điện tử E-Commerce. Mạng công ty đòi hỏi về tốc độ truyền thông và độ an toàn, tin cậy đặc biệt cao. Một số công nghệ tiên tiến được áp dụng ở cấp mạng này trong hiện tại và tương lai như là Fast Ethernet, FDDI, ATM.
2.3.3 Vai trò của mạng truyền thông công nghiệp
Một đường truyền duy nhất: Việc này giúp đơn giản hóa cấu trúc liên kết giữa các thiết bị công nghiệp. Một số lượng lớn các thiết bị thuộc các chủng loại khác nhau được ghép nối với nhau thông qua một đường truyền duy nhất.
Tiết kiệm dây nối và công thiết kế, lắp đặt hệ thống: Nhờ cấu trúc đơn giản, việc thiết kế hệ thống trở nên dễ dàng hơn nhiều. Một số lượng lớn cáp truyền được thay thế bằng một đường duy nhất, giảm chi phí đáng kể cho nguyên vật liệu và công lắp đặt.
Nâng cao độ tin cậy và độ chính xác của thông tin: Khi dùng phương pháp truyền tín hiệu tương tự cổ điển, tác động của nhiễu dễ làm thay đổi nội dung thông tin mà các thiết bị không có cách nào nhận biết. Nhờ kỹ thuật truyền thông số, không những thông tin truyền đi khó bị sai lệch hơn, mà các thiết bị nối mạng còn có thêm khả năng tự phát hiện lỗi và chẩn đoán lỗi nếu có. Hơn thế nữa, việc bỏ qua nhiều lần chuyển đổi qua lại tương tự-số và số-tương tự nâng cao độ chính xác của thông tin.
Nâng cao độ linh hoạt, tính năng mở của hệ thống: Một hệ thống mạng chuẩn hóa quốc tế tạo điều kiện cho việc sử dụng các thiết bị của nhiều hãng khác nhau. Việc thay thế thiết bị, nâng cấp và mở rộng phạm vi chức năng của hệ thống cũng dễ dàng hơn nhiều. Khả năng tương tác giữa các thành phần (phần cứng và phần mềm) được nâng cao nhờ các giao diện chuẩn.
Đơn giản hóa/tiện lợi hóa việc tham số hóa, chẩn đoán, định vị lỗi, sự cố của các thiết bị : Với một đường truyền duy nhất, không những các thiết bị có thể trao đổi
dữ liệu quá trình, mà còn có thể gửi cho nhau các dữ liệu tham số, dữ liệu trạng thái, dữ liệu cảnh báo và dữ liệu chẩn đoán. Các thiết bị có thể tích hợp khả năng tự chẩn đoán, các trạm trong mạng cũng có thể có khả năng cảnh giới lẫn nhau. Việc cấu hình hệ thống, lập trình, tham số hóa, chỉnh định thiết bị và đưa vào vận hành có thể thực hiện từ xa qua một trạm kỹ thuật trung tâm.
Mở ra nhiều chức năng và khả năng ứng dụng mới của hệ thống: Sử dụng mạng truyền thông công nghiệp cho phép áp dụng các kiến trúc điều khiển mới như điều khiển phân tán, điều khiển phân tán với các thiết bị trường, điều khiển giám sát hoặc chẩn đoán lỗi từ xa qua Internet, tích hợp thông tin của hệ thống điều khiển và giám sát với thông tin điều hành sản xuất và quản lý công ty.
2.3.4 Một số mạng truyền thông công nghiệp
Hiện nay có khá nhiều loại mạng truyền thông công nghiệp phổ biến như: Ethernet, DeviceNet, Modbus, ControlNet, … Sau đây là ý nghĩa của từng loại mạng
2.3.4.1 Truyền thông Modbus a Khái niệm
Modbus là một chuẩn giao thức truyền thông công nghiệp được phát hành và phát triển bởi Modicon vào năm 1979, và chính thức thuộc về Schneider Electrics vào năm 1996. Modbus đã nhanh chóng trở thành trở thành tiêu chuẩn truyền thông trong các ngành công nghiệp tự động hóa bởi tính ổn định, dễ dàng, thuận tiện và đặc biệt hơn nữa là miễn phí và hiện được duy trì bởi tổ chức “modbus.org”.
Modbus được coi là giao thức truyền thông hoạt động ở lớp "Application", cung cấp khả năng truyền thông Master/Slave giữa các thiết bị được kết nối thông qua các bus hoặc network. Trên mô hình OSI, Modbus được đặt ở lớp thứ 7.
b Nguyên tắc hoạt động của Modbus
Modbus hoạt động theo nguyên tắc “Master – Slave” hay còn gọi là “Chủ – Tớ”. Một “Master” có thể kết nối được với một hay nhiều “Slave”. “Master” thường là PLC, PC, DCS, RTU hay SCADA. “Slave” thường là các thiết bị cấp hiện trường. Nói một cách dễ hiểu, nó là một phương pháp được sử dụng để truyền thông tin qua đường
Hiện nay, có 04 chuẩn Modbus đang được sử dụng phổ biến trong công nghiệp - tự động hóa là: Modbus RTU, Modbus ASCII, Modbus TCP, Modbus Plus.
Modbus ASCII: Mọi thông điệp được mã hóa bằng Hexadeci-mal, sử
dụng đặc tính ASCII 4 bit. Đối với mỗi một byte thông tin, cần có 2 byte truyền thông, gấp đôi so với Modbus RTU hay Modbus TCP. Tuy nhiên, Modbus ASC II chậm nhất trong số 3 loại protocol, nhưng lại thích hợp khi modem điện thoại hay kết nối sử dụng sóng radio do ASC II 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 các modem chậm, điện thoại di động, kết nối ồn hay các phương tiện truyền thông khó tính khác.
Modbus RTU: Dữ liệu được mã hóa theo hệ nhị phân, và chỉ cần một
byte truyền thông cho một byte dữ liệu. Đây là thiết bị lí tưởng đối với RS232 hay mạng RS485 đa điểm, tốc độ từ 1200 đến 115 baud. Tốc độ phổ biến nhất là 9600 đến 19200 baud. Modbus RTU là protocol công nghiệp được sử dụng rộng rãi nhất.
Modbus TCP: Modbus TCP là Modbus qua Ethernet (RJ45). Với Mod-
bus TCP, dữ liệu Modbus được tóm lược đơn giản trong một gói TCP/IP. Nói một cách đơn giản, đây như là một thông điệp của Modbus RTU được truyền bằng trình bao bọc TCP/IP và được gửi qua mạng thay vì các đường nối tiếp. Máy chủ không có SlaveID vì nó sử dụng địa chỉ IP. Trong đó, TCP (Transmission Control Protocol) là giao thức điều khiển đường truyền và IP (Internet Protocol) là giao thức Internet. Các giao thức này được sử dụng cùng nhau và là giao thức truyền tải cho internet. Khi thông tin modbus được gửi bằng các giao thức này, dữ liệu được chuyển tới TCP nơi thông tin bổ sung được đính kèm và cấp cho IP. IP sau đó đặt dữ liệu trong một gói (hoặc gói dữ liệu) và truyền nó. TCP phải được thiết lập kết nối trước khi truyền dữ liệu, vì nó là giao thức dựa trên kết nối. Master (hoặc Client trong Modbus TCP) thiết lập kết nối với Slave (hoặc Server). Server chờ một kết nối đến từ Client. Sau khi kết nối được thiết lập, Server sẽ phản hồi các truy vấn từ Client cho đến khi Client ngắt kết nối.
d Địa chỉ dữ liệu và thanh ghi chuẩn Modbus
Thông tin dữ liệu được lưu trữ trong thiết bị Slave được chia trong 4 khoảng giá trị khác nhau. Hai khoảng lưu trữ các giá trị rời rạc on/off (coils) và hai khoảng lưu trữ giá trị số (register – thanh ghi). Mỗi coils và register đều có khoảng biến chỉ đọc (read- only) và biến đọc và ghi (read-write). Mỗi khoảng có 9999 biến giá trị.
Mỗi coil hoặc contact là 1 bit và được gán một địa chỉ dữ liệu trong khoảng từ 0000 đến 270E. Mỗi register là 1 word = 16 bits = 2 bytes và cũng được gán một địa chỉ dữ liệu từ 0000 đến 270E.
Hình 2.14: Địa chỉ Modbus
e Mã chức năng
Byte thứ hai được “Master” gửi đi là “Function code”. Con số này cho “Slave” biết được rằng, địa chỉ nào cần truy cập để đọc hay ghi giá trị.
Hình 2.15: Bảng mã chức năng
2.3.4.2 Modbus RTU
a Cấu trúc bản tin Modbus RTU
Một bản tin Modbus RTU bao gồm: 1 byte địa chỉ, 1 byte mã hàm, n byte dữ liệu, 2 byte CRC như hình ở dưới:
Hình 2.16: Cấu trúc một bản tin Modbus TCP Chức năng và vai trò cụ thể như sau:
Byte địa chỉ: Xác định thiết bị mang địa chỉ được nhận dữ liệu (đối với Slave) hoặc dữ liệu nhận được từ địa chỉ nào (đối với Master). Địa chỉ này được quy định từ 0 – 254.
Byte mã hàm: Được quy định từ Master, xác định yêu cầu dữ liệu từ thiết bị Slave.
Byte dữ liệu: Xác định dữ liệu trao đổi giữa Master và Slave.
Đọc dữ liệu:
Master: 2 byte địa chỉ dữ liệu - 2 byte độ dài dữ liệu.
Slave: 2 byte địa chỉ dữ liệu - 2 byte độ dài dữ liệu - n byte dữ liệu đọc được.
Ghi dữ liệu:
Master: 2 byte địa chỉ dữ liệu - 2 byte độ dài dữ liệu - n byte dữ liệu cần ghi.
Slave: 2 byte địa chỉ dữ liệu - 2 byte độ dài dữ liệu.
Byte CRC: 2 byte kiểm tra lỗi của hàm truyền. cách tính giá trị của Byte CRC 16 Bit.
2.3.4.3 Modbus TCP
Cấu trúc một bản tin Modbus TCP.
Tương tự Modbus RTU nhưng có thêm:
Mã định danh (Transaction ID): 2 byte do Client đặt để nhận dạng từng yêu cầu duy nhất. Các byte này được lặp lại bởi Server vì các phản hồi của nó có thể không được nhận theo thứ tự như các yêu cầu.
Định dạng giao thức (Protocol ID): 2 byte do Client đặt, luôn luôn = 00 00.
Độ dài (Length): 2 byte xác định số byte trong thông điệp cần theo dõi.
Định dạng đơn vị (UnitlD): 1 byte được đặt bởi Client và được Server lặp lại để xác định một Slave từ xa được kết nối trên đường truyền nối tiếp hoặc trên các bus khác.
2.3.5 SCADA (Supervisory control and data acquisition)
2.3.5.1 Khái niệm
Điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu (SCADA) là một hệ thống phần cứng cho phép các tổ chức công nghiệp:
Theo dõi, thu thập và xử lý dữ liệu thời gian thực.
Tương tác trực tiếp với các thiết bị như cảm biến, van, máy bơm, động cơ và hơn thế nữa thông qua các phần mềm giao diện người máy(HMI).
Ghi lại sự kiện vào tệp nhật ký (log file).
2.3.5.2 Cấu trúc cơ bản của hệ SCADA
Cấu trúc một hệ SCADA có các thành phần cơ bản sau (hình 2.18):
Trạm điều khiển giám sát trung tâm: là một hay nhiều máy chủ trung tâm (central host computer server).
Trạm thu thập dữ liệu trung gian: Là các khối thiết bị vào ra đầu cuối từ xa RTU (Remote Terminal Units) hoặc là các khối vi điều khiển có chức năng giao tiếp với các thiết bị chấp hành (cảm biến cấp trường, các hộp điều khiển đóng cắt và các van chấp hành…).
Hệ thống truyền thông: bao gồm các mạng truyền thông công nghiệp, các thiết bị viễn thông và các thiết bị chuyển đổi dồn kênh có chức năng truyền dữ liệu cấp trường đến các khối điều khiển và máy chủ.
Hình 2.18: Cấu trúc hệ thống SCADA
Giao diện người - máy HMI (Human - Machine Interface): Là các thiết bị hiển thị quá trình xử lý dữ liệu để người vận hành điều khiển các quá trình hoạt động của hệ thống.
2.3.5.3 Các ứng dụng của SCADA
Hiện nay, các hệ thống SCADA đang được các doanh nghiệp, công ty tư nhân hay nhà được sử dụng để kiểm soát, duy trì hiệu quả hay phân phối dữ liệu và truyền