MẠNG CễNG NGHIỆP
HOST Computer
I/O System
(Cụm đúng bao) (Cụm nghiền)I/O System
HOSTComputer Computer Printer Coordination level Process level ETHERNET Interbus_S
Đầu năm 1960, lần đầu tiờn mỏy tớnh số được ỏp dụng làm điều khiển số. Khỏi niệm điều khiển số trực tiếp (DDC-Direct Digital Control) được dựng để nhấn mạnh rằng mỏy tớnh trực tiếp điều khiển quỏ trỡnh. Trong thập kỷ 1960 việc ứng dụng mỏy tớnh mini vẫn cũn là một giải phỏp khỏ đắt đỏ cho cỏc bài toỏn điều khiển. Trong khi đú, PLC ra đời và thay thế điều khiển dựa trờn Rơle truyền thống cú tớnh năng điều khiển hạn chế. Ngoài ra, nhiều cụng nghệ được phỏt triển cho cỏc cụng cụ mỏy và cỏc quỏ trỡnh sản xuất rời rạc. Mỏy điều khiển số (NCM -Numercally Controlled Machine) cú thể điều khiển nhờ mỏy tớnh, cũng trong thời gian này, robot được phỏt triển.
Cỏc kỹ thuật và thiết bị cần thiết cho truyền dữ liệu tốc độ cao được ra đời
cũng trong thập kỷ 1960. Cỏc modem khoỏ dịch tần số cú thể phỏt dữ liệu qua cỏc đường truyền đặc biệt với tốc độ 1200 bit/s. Việc ỏp dụng mỏy tớnh mini cú khả năng truyền dữ liệu nhanh hơn đó dẫn tới sự phỏt triển của cỏc truyền dữ liệu và cỏc thiết bị truyền dữ liệu tốc độ cao trong cuối thập kỷ 60 và 70.
Cuối những năm 1960, hóng Mollins của Anh giới thiệu một hệ thống được thiết kế nhằm vận hành nhiều cụng cụ mỏy qua điều khiển của một mỏy tớnh duy nhất. Người ta mong đợi hệ thống này sẽ tăng hiệu suất hơn nhiều so với việc cựng một số mỏy múc đú làm việc độc lập. Khỏi niệm hệ thống sản xuất mềm (FMS - Flexible Manufacturing System) ngày nay được quan tõm hơn, coi là một cấu trỳc thớch hợp để tăng khả năng tận dụng mỏy, giảm thời gian chế tạo ban đầu và kho thiết bị dựng trong quỏ trỡnh. Với sự ra đời của FMS, khỏi niệm chế tạo dựng mỏy tớnh tớch hợp (CIM) bắt đầu được chỳ ý trong giới tự động hoỏ cụng nghiệp nhằm tớch hợp tất cả cỏc mặt của quỏ trỡnh chế tạo bằng mỏy tớnh số. Ngày nay, khỏi niệm CIM được dựng trong tất cả cỏc loại hệ thống chế tạo với ý nghĩa là sự tớch hợp hoàn toàn mỏy tớnh, mạng truyền dữ liệu và cỏc hệ thống điều khiển quỏ trỡnh vào tất cả cỏc chức năng sản xuất.
Với sự phổ biến ngày càng rộng của mỏy tớnh số và cỏc cụng nghệ liờn quan, cỏc mạng cụng nghiệp chuyển sang truyền dữ liệu số. Cỏc mạng số cú bản quyền ra đời trong những năm 1960 , ban đầu chỳng như là cỏc mỏy tớnh cho cỏc hệ tự động hoỏ được nối kết với nhau.
Giữa thập kỷ 70, Honeywell sỏng chế hệ điều khiển mỏy tớnh phõn tỏn (DCCS) đầu tiờn, nú là một hệ điều khiển phõn cấp với nhiều vi xử lý. Từ đú khỏi niệm DCCS phỏt triển ra nhiều hệ tự động hoỏ cụng nghiệp như điều khiển nhà mỏy điện, cỏc hệ thống chế tạo,... Nhiều hóng đó lắp đặt cỏc hệ thống điều khiển phõn tỏn trong cỏc nhà mỏy mới hoặc để thay thế cỏc hệ điều khiển tập trung hoặc analog cũ.
Từ năm 1980, việc sử dụng cỏc mạng LAN để kết nối cỏc mỏy tớnh và cỏc thiết bị tự động hoỏ trong một hệ tự động hoỏ cụng nghiệp trở nờn phổ biến. Cỏc mạng LAN đem lại khả năng trao đổi thụng tin dung lượng cao, giỏ thành thấp, làm cho hệ điều khiển phõn tỏn số trở thành hiện thực và tạo ra nhiều dịch vụ tự động hoỏ. Cỏc hệ tự động hoỏ cụng nghiệp thường được triển khai theo một kiến trỳc phõn tỏn mở với mạng truyền dữ liệu số.
Hiện nay, những người dựng mạng LAN thường giao tiếp với cỏc mỏy tớnh hay thiết bị tự động hoỏ thuộc mạng LAN khỏc qua cỏc gateway liờn kết nhờ một mạng WAN. Khi cỏc hệ tự động hoỏ cụng nghiệp trở nờn lớn hơn và số thiết bị tự động hoỏ tăng lờn, thỡ càng cần cú cỏc chuẩn để cú thể nối kết nhiều thiết bị khỏc nhau. Thế giới đó bỏ nhiều cụng sức cho cụng nghệ mạng LAN. Mụ hỡnh mạng OSI cho phộp hai thiết bị tự động hoỏ bất kỳ cú thể giao tiếp với nhau, khụng phụ thuộc vào nhà sản xuất. Khỏi niệm giao thức tự động hoỏ chế tạo MAP được phỏt triển để tạo ra tớnh tương thớch giữa cỏc mạng truyền dữ liệu của nhiều nhà cung cấp khỏc nhau.
Ở mạng cấp thấp hơn trong tự động hoỏ cụng nghiệp, cỏc giải phỏp mạng cục bộ cụng nghiệp như MAP quỏ đắt đỏ hoặc khụng đỏp ứng thời gian phản hồi nhanh, tuỳ theo ứng dụng. Vỡ thế đó ra đời cỏc mạng fieldbus và người ta hiện cũng đang nổ lực để xõy dựng cỏc chuẩn fieldbus cho cỏc ứng dụng tự động hoỏ cụng nghiệp. III.2 CƠ SỞ KỶ THUẬT TRUYỀN THễNG
III.2.1 MễI TRƯỜNG TRUYỀN DẪN
Mụi trường truyền dẫn ảnh hưởng lớn tới chất lượng tớn hiệu, tới độ bền vững của tớn hiệu với nhiễu bờn ngoài và tớnh tương thớch điện từ của hệ thống truyền thụng. Tốc độ truyền và khoảng cỏch truyền tối đa cho phộp cũng phụ thuộc vào sự lựa chọn mụi trường truyền dẫn.
Trong kỹ thuật truyền thụng, người ta sử dụng cỏc phương tiện truyền dẫn sau:
- Cỏp điện : Cỏp đồng trục, đụi dõy xoắn.
- Cỏp quang: Cỏp sợi thuỷ tinh, cỏp sợi chất dẻo.
- Vụ tuyến : Vi súng( Microwave ), tia hồng ngoại, siờu õm. 1. Đụi dõy xoắn
Một đụi dõy xoắn bao gồm hai sợi dõy đồng được quấn cỏch li ụm vào nhau. Tỏc dụng của việc quấn dõy là trường điện từ của hai dõy sẽ trung hoà lẫn nhau. Vỡ thế, nhiễu xạ do mụi trường xung quanh cũng như tạp nhiễu do xuyờn õm sẽ được giảm thiểu.
Đụi dõy xoắn thường được sử dụng đi kốm với chuẩn RS-485. Tuỳ theo cỏch che chắn người ta phõn biệt ra hai loại cỏp dẫn : STP và UTP. Sự khỏc nhau của chỳng là ngoài vỏ bọc chung bờn ngoài của cả cỏp thỡ STP cũn cú thờm một lớp che chắn riờng.
2. Cỏp đồng trục
Một cỏp đồng trục bao gồm một dõy lừi bờn trong và một dõy kiểu ống bao bọc phớa ngoài được ngăn cỏch nhau bởi một lớp cỏch ly điện mụi. Nhờ cú cấu trỳc đặc biệt cũng như tỏc dụng của lớp dẫn ngoài, cỏc điện trường và từ trường được giữ gần như hoàn toàn bờn trong một cỏp đồng trục. Vỡ thế hiện tượng xuyờn õm khụng đỏng kể so với ở cỏp đụi dõy xoắn. Bờn cạnh đú hiệu ứng bề mặt cũng làm giảm sự tổn hao trờn đường truyền.
Cỏp đồng trục thớch hợp cho cả truyền tớn hiệu tương tự và truyền tớn hiệu số. Tốc độ truyền (tới 300 Mbit/s) và khoảng cỏch truyền tương đối lớn (tới vài nghỡn khụng cần bộ lặp). Tuy nhiờn nú cú giỏ thành cao, việc lắp đặt và đấu dõy phức tạp. Vỡ vậy trong truyền thụng cụng nghiệp, cỏp đồng trục chủ yếu được dựng ở cỏc cấp trờn (bus hệ thống, bus xớ nghiệp) như controlnet và Ethernet.
3. Cỏp quang
Cỏp quang được sử dụng trong cỏc lĩnh vực ứng dụng đũi hỏi tốc độ truyền tải cao, phạm vi truyền dẫn lớn hoặc trong cỏc mụi trường làm việc chịu tỏc động của nhiễu mạnh. Cỏc loại cỏp quang cú thể đạt tới tốc độ truyền 20 Gbit/s. Sự suy giảm tớn hiệu ở đõy rất nhỏ, vỡ vậy chiều dài cỏp dẫn cú thể tới hàng chục, thậm chớ hàng trăm kilomet mà khụng cần bộ lặp hay một bộ khuyếch đại tớn hiệu.
Một ưu điểm lớn của cỏp quang là tớnh năng khỏng nhiễu cũng như tớnh tương thớch điện từ. Bờn cạnh đú, sử dụng cỏp quang cũng nõng cao độ bảo mật của thụng tin được truyền.
III.2.2 CHUẨN TRUYỀN DẪN 1. Chuẩn RS-232
Chuẩn RS-232 được dựng chủ yếu trong việc giao tiếp điểm-điểm giữa hai DTE, vớ dụ giữa hai mỏy tớnh (PC, PLC...), giữa mỏy tớnh và mỏy in hoặc giữa một DTE và một DCE như giữa PC và MODEM.
Chế độ làm việc của chuẩn RS-232 là hai chiều toàn phần, trong chế độ này hai thiết bị tham gia cú thể thu và phaỳt tớn hiệu cựng một lỳc. Như vậy việc truyền thụng cần ớt nhất là 3 dõy dẫn. Trong đú, hai dõy dẫn tớn hiệu nối chộo cỏc đầu thu phỏt của hai trạm và một dõy đất. RS -232 sử dụng phương thức truyền dẫn khụng
đối xứng, tức là sử dụng tớn hiệu điện ỏp chờnh lệch giữa một dõy dẫn với đất. Mức điện ỏp được sử dụng dao động trong khoảng từ -15V đến +15V.
Trong đú:
3V15V: Ứng với giỏ trị logic 0. -15V-3V: Ứng với giỏ trị logic 1
Ưu điểm: Chuẩn RS-232 sử dụng cụng suất phỏt tương đối thấp, nhờ trở khỏng đầu vào và hạn chế trong phạm vi từ 3-7kΩ.
2. Chuẩn RS-422
Khỏc với chuẩn RS-232, chuẩn RS-422 sử dụng tớn hiệu điện ỏp chờnh lệch đối xứng giữa hai dõy dẫn. Nhờ vậy giảm được nhiễu và cho phộp tăng chiều dài dõy dẫn.
Tốc độ truyền dữ liệu khoảng 9 Kbit/s. RS-422 thớch hợp cho phạm vi truyền dẫn tới 1200m mà khụng cần bộ lặp. Điện ỏp chờnh lệch dương tương ứng với trạng thỏi logic 0, và õm ứng với trạng thỏi logic 1. Trong cấu hỡnh ghộp nối tối thiểu cho RS-422 cần một đụi dõy dựng để truyền dẫn tớn hiệu. Lỳc này chỉ cú thể truyền một chiều hoặc hai chiều giỏn đoạn. Ở chế độ này mỗi thời điểm chỉ cú một tớn hiệu duy nhất được truyền đi. Để thực hiện truyền hai chiều toàn phần ta cần hai đụi dõy. Cả hai trường hợp sử dụng với cấu hỡnh 2 dõy hay 4 dõy đều phải sử dụng thờm một dõy đất để giữ mức điện ỏp chung (Vcm) cho cỏc trạm tham gia ở một giới hạn quy định. Nếu khụng dữ liệu truyền đi sẽ bị mất và cỏc cổng kết nối sẽ bị hỏng. Ngưỡng giới hạn quy định cho Vcm với RS-422 là ±7V.
3. Chuẩn RS - 485
Khỏc với RS-232, RS-485 sử dụng điện ỏp chờnh lệch đối xứng giữa hai dõy dẫn, nhờ vậy giảm được nhiễu và cho phộp tăng chiều dài dõy dẫn một cỏch đỏng kể. Đặc điểm của RS-485 là khả năng ghộp nối được nhiều điểm, vỡ thế được dựng phổ biến trong cỏc bus trường. Cụ thể, 32 trạm cú thể ghộp nối, được định địa chỉ và giao tiếp đồng thời trong một đoạn RS-485 mà khụng cần bộ lặp. Để đạt được điều này, trong một thời điểm chỉ cú một trạm được phộp kiểm soỏt đường dẫn và phỏt tớn hiệu, vỡ thế mỗi bộ kớch thớch đều phải đưa về chế độ trở khỏng cao mỗi khi rỗi, tạo điều kiện cho cỏc bộ kớch thớch ở cỏc trạm khỏc tham gia. Chế độ này được gọi là Tri - State. Một số vi mạch RS-485 tự động xử lý tỡnh huống này, trong nhiều trường hợp khỏc, việc đú thuộc về trỏch nhiệm của phần mềm điều khiển truyền thụng.
Là chuẩn được cải tiến từ RS-422 nhưng RS-485 cú thờm điều khiển ba trạng thỏi ở mạch phỏt.
Mức logic ‘’1’’ nằm trong khoảng từ -1,5V đến -6V. Mức logic ‘’0’’ nằm trong khoảng từ +1,5V đến +6V.
Khoảng cỏch tối đa giữa trạm đầu và trạm cuối trong một đoạn mạng là 1200m, khụng phụ thuộc vào số trạm tham gia. Tốc độ truyền dẫn cú thể lờn tới 10Mbit/s.
Cú thể sử dụng bộ lặp để tăng chiều dài dõy dẫn lờn nhiều lần cũng như số trạm trong một mạng, đồng thời đảm bảo được chất lượng tớn hiệu.
Do tốc độ truyền thụng và chiều dài dõy dẫn cú thể khỏc nhau rất nhiều trong cỏc ứng dụng, hầu như tất cả cỏc bus RS-485 đều yờu cầu sử dụng trở đầu cuối tại hai đầu dõy. Sử dụng trở đầu cuối cú tỏc dụng chống cỏc hiệu ứng phụ trong truyền dẫn tớn hiệu như sự phản xạ tớn hiệu.
III.2.3 CẤU TRÚC MẠNG
Là cấu trỳc liờn kết của một mạng hay chớnh là tổng hợp của cỏc liờn kết. Topology cú thể hiểu là cỏch sắp xếp, tổ chức về mặt vật lý của mạng nhưng cũng cú thể hiểu là cỏch sắp xếp logic của cỏc nỳt mạng. Mạng truyền thụng cụng nghiệp bao gồm cỏc cấu trỳc cơ bản sau:
Với cấu trỳc này cỏc thành viờn của mạng đều được nối trực tiếp với một đường dẫn chung. Đặc điểm cơ bản của cấu trỳc bus là việc sử dụng chung một đường dẫn duy nhất cho tất cả cỏc trạm. Vỡ vậy, tiết kiệm được cỏp dẫn và cụng lắp đặt. Cú ba kiểu cấu hỡnh trong cấu trỳc bus: Daisy-chain, Trunk-link/Drop-line và mạch vũng khụng tớch cực.
Hỡnh III.1: Cấu trỳc Bus
2. Cấu trỳc mạch vũng (tớch cực )
Với cấu trỳc này cỏc thành viờn trong mạng được nối từ điểm này đến điểm khỏc một cỏch tuần tự trong một mạch vũng khộp kớn. Ưu điểm cơ bản của cấu trỳc này là mỗi nỳt đồng thời cú thể là một bộ khuếch đại. Vỡ vậy, khi thiết kế mạng theo kiểu này cú thể thực hiện với khoảng cỏch và số trạm rất lớn, mỗi trạm cú khả năng vừa nhận vừa phỏt tớn hiệu cựng một lỳc. Cú hai kiểu mạch vũng phổ biến sau:
a. Khụng cú điều khiển trung tõm b. Cú điều khiển trung tõm Hỡnh III.2 : Cấu trỳc mạng vũng
Kiểu mạch vũng khụng cú điều khiển trung tõm: Cỏc trạm đều bỡnh đẳng như nhau trong việc phỏt/nhận tớn hiệu.
Kiểu cú điều khiển trung tõm: Một trạm chủ sẽ đảm nhiệm việc kiểm soỏt truy cập đường dẫn
3. Cấu trỳc hỡnh sao
Cấu trỳc hỡnh sao là cấu trỳc mà trong đú trạm trung tõm quan trọng hơn tất cả cỏc nỳt khỏc. Trạm trung tõm sẽ điều khiển sự truyền thụng của toàn mạng, cỏc thành viờn được kết nối giỏn tiếp với nhau qua trạm trung tõm.
Nhược điểm của cấu trỳc hỡnh sao là khi sự cố trạm trung tõm sẽ làm tờ liệt hoàn toàn cỏc hoạt động truyền thụng trong mạng. Với cấu trỳc này sẽ tốn số lượng nhiều dõy dẫn.
Hỡnh III.3 : Cấu trỳc hỡnh sao
Master
c. Mạch vũng khụng tớch cực
a. daisy-chain
b. trunk -line/drop-line
drop-line drop-line drop-line
Trạm1
Trạm1 Trạm2Trạm2 Trạm3Trạm3
4. Cấu trỳc cõy
Cấu trỳc cõy chớnh là sự liờn kết của nhiều mạng con cú cấu trỳc đường thẳng, mạch vũng hoặc hỡnh sao. Đặc trưng của cấu trỳc cõy chớnh là sự phõn cấp đường dẫn. Cấu trỳc cõy dựng cỏc bộ nối tớch cực (Active coupler), nếu muốn tăng số trạm cũng như phạm vi của một mạng đồng nhất cú thể dựng cỏc bộ lặp (Repeater), trong trường hợp cỏc mạng con hoàn toàn khỏc loại thỡ phải dựng tới cỏc bộ liờn kết mạng khỏc như Bridge, Router, và Gateway.
ơ
Hỡnh III.4: Cấu trỳc cõy
III.2.4 KIẾN TRÚC GIAO THỨC 1. Dịch vụ truyền thụng
Một hệ thống truyền thụng cung cấp dịch vụ truyền thụng cho cỏc thành viờn tham gia nối mạng. Cỏc dịch vụ đú được dựng cho cỏc nhiệm vụ khỏc nhau như trao đổi dữ liệu, bỏo cỏo trạng thỏi, tạo lập cấu hỡnh và tham số hoỏ thiết bị trường, giỏm sỏt thiết bị và cài đặt chương trỡnh.
Cú thể phõn loại dịch vụ truyền thụng dựa theo cỏc cấp khỏc nhau: Cỏc dịch vụ sơ cấp (vớ dụ tạo và ngắt nối), dịch vụ cấp thấp (vớ dụ trao đổi dữ liệu) và cỏc dịch vụ cấp cao (tạo lập cấu hỡnh, bỏo cỏo trạng thỏi). Một dịch vụ ở cấp cao hơn cú thể sử dụng cỏc dịch vụ cấp thấp để thực hiện chức năng của nú.
Việc thực hiện cỏc dịch vụ được dựa trờn cỏc nguyờn hàm dịch vụ (Service Primitive), gồm cú:
Yờu cầu (Request) dịch vụ,ỷ ký hiệu là .Req, vớ dụ connect.Req.
Chỉ thị (Indication) nhận lời phục vụ, ký hiệu là .Ind, vớ dụ connect.Ind. Đỏp ứng (Response) dịch vụ, ký hiệu là .Res, vớ dụ connect.Res.
Xỏc nhận (Confirmation) đó nhận được đỏp ứng, ký hiệu là .Con, vớ dụ connect.con
Bộ nối Bộ lặp Bộ nối sao
Hỡnh III.5: Dịch vụ cú xỏc nhận và dịch vụ khụng xỏc
2. Giao thức
Giao thức chớnh là cơ sở cho việc thực hiện và sử dụng cỏc dịch vụ truyền thụng. Một qui chuẩn giao thức bao gồm cỏc thành phần sau:
Cỳ phỏp: Qui định về cấu trỳc bức điện, gúi dữ liệu dựng khi trao đổi, trong đú cú phần thụng tin hữu ớch (dữ liệu) và cỏc thụng tin bổ trợ như địa chỉ, thụng tin điều khiển, thụng tin kiểm lỗi...