Cơ sở kỹ thuật của mạng truyền thông công nghiệp

3. Phạm vi nghiên cứu

3.1.2.Cơ sở kỹ thuật của mạng truyền thông công nghiệp

Cơ sở kỹ thuật của mạng truyền thông công nghiệp bao gồm:  Chế độ truyền tải.

 Cấu trúc mạng.  Kiến trúc giao thức.  Truy nhập bus.  Bảo toàn dữ liệu.  Mã hóa bit.

 Kỹ thuật truyền dẫn.  Các thiết bị liên kết mạng.

Vì lí do thời gian và giới hạn đề tài nên chúng ta sẽ đề cập ngắn gọn một số phần của cơ sở kỹ thuật của mạng công nghiệp.

SVTH: NGUYỄN TÔ NY GVHD:Ths.BÙI THÚC MINH

A. Chế độ truyền tải

Bao gồm:

 Truyền tải song song hay nối tiếp.

Hình 3.2. Truyền bit song song, tryền bit nối tiếp

 Truyền một chiều (simplex), hai chiều gián đoạn (hafl-duplex), hai chiều toàn phần.

SVTH: NGUYỄN TÔ NY GVHD:Ths.BÙI THÚC MINH

Hình 3.3. Truyền một chiều (simplex), hai chiều gián đoạn (hafl-duplex), hai chiều toàn phần

B. Cấu trúc mạng

 Các kiểu liên kết mạng.

 Liên kết điểm-điểm (point to point).  Liên kết điểm-nhiều điểm (multi-drop).  Liên kết nhiều điểm (multipoint).  Cấu trúc bus.

 Kiểu dasisy-chain.

SVTH: NGUYỄN TÔ NY GVHD:Ths.BÙI THÚC MINH

 Kiểu trunk-line/drop line.

Hình 3.5. Cấu trúc bus kiểu trunk-line/drop line  Kiểu mạch vòng không tích cực.

Hình 3.6. Cấu trúc mạch vòng không tích cực  Cấu trúc mạch vòng.

SVTH: NGUYỄN TÔ NY GVHD:Ths.BÙI THÚC MINH

Hình 3.7. Cấu trúc mạch vòng không có điểu khiển trung tâm  Mạch vòng có điều khiển trung tâm.

SVTH: NGUYỄN TÔ NY GVHD:Ths.BÙI THÚC MINH  Cấu trúc hình sao. Hình 3.9. Cấu trúc hình sao  Cấu trúc hình cây. Hình 3.10. Cấu trúc hình cây C. Kiến trúc giao thức

Bất cứ sự giao tiếp nào cũng cần một ngôn ngữ chung cho các đối tác. Trong kỹ thuật truyền thông, bên cung cấp dịch vụ cũng như bên sử dụng dịch vụ đều phải tuân thủ theo quy tắc, thủ tục cho việc giao tiếp, gọi là giao thức. Giao thức chính là cơ sở cho việc thực hiện và sử dụng các dịch vụ truyền thông.

SVTH: NGUYỄN TÔ NY GVHD:Ths.BÙI THÚC MINH

 Cú pháp  Ngữ nghĩa  Định thời

Trong truyền thông công nghiệp có những loại giao thức sau:  Giao thức cấp cao

 FTP (File Transfer Protocol)

 HTTP (Hypertext Transfer Protocol)

 MMS (Manuafactoring Message Specification)  Giao thức cấp thấp

 TCP/CP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol)  HART (Highway Adressable Remote Transducer) (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});

 HLDC (High Level Data-Link Control)  UART

 Giới thiệu kiến trúc giao thức OSI

Năm 1983 tổ chức chuẩn hóa quốc tế ISO đã đưa ra chuẩn ISO 7498 với mô hình qui chiếu OSI (Open System Interconnection – Referenca Model), nhằm hổ trợ xây dựng các hệ thống truyền thông có khả năng tương tác. Mô hình được biễu diễn như sau:

SVTH: NGUYỄN TÔ NY GVHD:Ths.BÙI THÚC MINH

Hình 3.11. Mô hình qui chiếu OSI Trong đó:

+ Lớp1 (Lớp vật lí): Kết nối vật lí giữa các thiết bị mạng (cáp điện, sợi quang..), vận tốc truyền, chuẩn truyền.

+ Lớp 2 (Kết nối dữ liệu): Kỹ thuật truy cập, mã phát giác sai và sửa sai. + Lớp 3 (Lớp mạng): Tạo kết nối giữa các mạng con.

+ Lớp 4 (Lớp vận chuyễn): Tạo kết nối, đóng gói thông tin, bảo đảm chất lượng dịch vụ QOS (Quality Of Service).

+ Lớp 5 (Lớp kiểm soát nối): Đồng bộ kết nối, giúp dữ liệu truyền từ chỗ gián đoạn mà không phải làm lại từ đầu một khi kết nối bị ngắt được khôi phục lại.

+ Lớp 6 (Lớp biểu diễn dữ liệu):Chuyển đổi dữ liệu cho phù hợp với thiết bị. + Lớp 7(Lớp áp dụng): Cung cấp các dịch vụ.

SVTH: NGUYỄN TÔ NY GVHD:Ths.BÙI THÚC MINH

D. Truy nhập bus

Được phân thành hai nhóm:

Hình 3.12. Phân loại các phương pháp truy cập bus  Phương pháp tiền định gồm:

 Kỹ thuật truy cập chủ tớ, trạm chủ gởi thông tin đến từng trạm tớ và ra lệnh trạm tớ gởi trả lại thông tin, các trạm tớ không thể liên lạc trực tiếp với nhau.

Hình 3.13. Phương pháp chủ tớ

 Kỹ thuật truyền thẻ (Token passing), thẻ là một mẫu tin được truyền trong tuyến, trạm nào bắt được thẻ thì được quyền gởi tin và phải gởi thẻ này đi sau một thời gian xác định. Nếu trạm phân chia theo chủ tớ thì chỉ có trạm chủ được nhận thẻ.

SVTH: NGUYỄN TÔ NY GVHD:Ths.BÙI THÚC MINH

 Phương pháp ngẫu nhiên gồm:

 Kỹ thuật CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access Collision Detection: Đa truy cập cảm biến sóng mang nhận biết xung đột): Các trạm đều được quyền phát tin nếu tuyến đang rảnh, nhưng nếu có hai trạm cùng truyền đồng thời thì xung đột xảy ra, sẽ ngưng truyền, trạm sẽ truyền tin trở lại sau một thời gian ngẫu nhiên.

Hình 3.15. Minh họa phương pháp CSMA/CD

 Kỹ thuật CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access With Collision Avoidance: Đa truy cập cảm biến sóng mang tránh xung đột): Tương tự như CSMA/CD, chỉ khác là khi xảy ra xung đột, một tín hiệu sẽ lấn át tín hiệu kia.

SVTH: NGUYỄN TÔ NY GVHD:Ths.BÙI THÚC MINH

E. Bảo toàn dữ liệu

Các phương pháp bảo toàn dữ liệu thông dụng:  Parity bit 1 chiều và hai chiều

 CRC (Cyclic Redundancy Check)  Nhồi bit (Bit Stuffing)

F. Mã hóa bit

Gồm các phương pháp:

 NRZ, RZ (Non-Return To Zero, Return To Zero).

Hình 3.17. Mã hóa bit NRZ, RZ  Mã Manchester. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});

SVTH: NGUYỄN TÔ NY GVHD:Ths.BÙI THÚC MINH

 AFP (Alternate Flank Pulse).

Hình 3.19. Mã hóa bit AFT  FSK (Frequency Shift Keying).

Hình 3.20. Mã hóa bit FSK

G. Kỹ thuật truyền dẫn

 Phương thức truyền dẫn tín hiệu.

 Phương thức chênh lệch đối xứng (Blanced Differential Mode).

SVTH: NGUYỄN TÔ NY GVHD:Ths.BÙI THÚC MINH

 Phương pháp bất đối xứng (Unbanlanced Mode).

Hình 3.22. Truyền dẫn bất đối xứng  Các chuẩn truyền dẫn  RS-232  Rs-422  Rs-485 H.Thiết bị liên kết mạng

Các thiết bị liên kết mạng thông dụng:

 Bộ lặp (Repeater): Khuếch đại tín hiệu khi muốn tăng khoảng cách truyền.

SVTH: NGUYỄN TÔ NY GVHD:Ths.BÙI THÚC MINH

 Cầu nối (Bridge): Dùng để nối hai đương truyền vật lý khác nhau, ví dụ nối cáp điện và sợ quang.

 Router: Có nhiệm vụ liên kết hai mạng với nhau trên cơ sở lớp 3 theo mô hình OSI. Router cũng có chức năng xác định đường đi tối ưu cho một gói dữ liệu cho hai đối tác thuộc các mạng khác nhau.

 Gateway: Dùng để liên kết các hệ thống mạng khác nhau (các hệ thống bus với nhau).

Hình 3.24. Mô hình kết nối Gateway 3.2.KẾT NỐI MẠNG S7-1200 VỚI PROFINET [2]

Siemens chia mức độ tự động hóa thành bốn mức:

 Mức quản lý: Thu thập dữ liệu quá trình, phân tích và tối ưu quá trình, thực hiện các báo cáo. Thiết bị sử dụng ở mức này là máy tính.

 Mức tế bào: Thực hiện các chức năng điều khiển, tự động hóa và tối ưu hóa. Các thiết bị sử dụng là máy tính, PLC, màn hình điều khiển OP.

 Mức trường: Ghép nối các bộ điều khiển với thiết bị trong dây chuyền sản xuất.  Mức cảm biến/Chấp hành: Ghép cảm biến, chấp hành với PLC.

Tùy theo mức độ quản lý mà có các loại mạng sau:

 Mạng Ethernet công nghiệp: Tương tự mạng máy tính.  Mạng Profibus/mạng MPI/mạng Profinet.

SVTH: NGUYỄN TÔ NY GVHD:Ths.BÙI THÚC MINH

Hình 3.25. Mức độ tự động hóa của Siemen

3.2.1. Khái niệm chung

CPU S7-1200 có một cổng Profinet được tích hợp, hổ trợ cả tiêu chuẩn truyền thông Ethernet và dựa trên TCP/IP. Các giao thức ứng dụng sau đây được hỗ trợ bởi CPU S7-1200:

 Giao thức điều khiển vận chuyển TCP.  ISO trên TCP.

CPU S7-1200 có thể giao tiếp với các CPU S7-1200 khác, với các thiết bị lập trình STEP 7 BASIC, với các thiết bị HMI, và với các thiết bị không phải của SIEMEN bằng cách sử dụng các giao thức truyền thông TCP tiêu chuẩn. Có hai cách để giao tiếp sử dụng PROFINET:

 Kết nối trực tiếp: Thông qua cáp ETHERNET. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});

 Kết nối mạng: Thông qua bộ chuyển mạch CSM 1277.

Số lượng tối đa kết nối đồng thời với cổng PROFINET của CPU:  3 kết nối vớitruyền thông HMI đến CPU.

 1 kết nối với thiết bị lập trình (PG) đến CPU.

 8 kết nối đối với truyền thông chương trình S7-1200 bằng cách sử dụng các khối lệnh T (TSEND_C, TRCV_C, TCON, TDISCON,TSEN, TRCV).

SVTH: NGUYỄN TÔ NY GVHD:Ths.BÙI THÚC MINH

3.2.2. Truyền thông với một thiết bị lập trình

Một CPU có thể giao tiếp với một thiết bị lập trình STEP 7 Basic trên một mạng.

Hình 3.26. Kết nối CPU S7-1200 với thiết bị lập trình

3.2.2.1. Thành lập kết nối truyền thông phần cứng

Các giao diện PROFINET thành lập các kết nối vật lý giữa một thiết bị lập trình và một CPU. Chức năng Auto-Cross-Over được tích hợp bên trong CPU, một cáp Ethernet tiêu chuẩn hoặc xuyên chéo có thể được sử dụng cho giao diện.

Thực hiện theo các bước sau đây để tạo ra kết nối phần cứng giữa thiết bị lập trình và một CPU:

1. Lắp đặt CPU.

2. Cắm cáp Ethernet vào trong cổng PROFINET được thể hiện dưới đây. 3. Kết nối cáp Ethernet đến thiết bị lập trình.

SVTH: NGUYỄN TÔ NY GVHD:Ths.BÙI THÚC MINH

3.2.2.2. Cấu hình các thiết bị

Nếu ta đã vừa tạo ra một đề án với một CPU, hãy mở đề án trong TIA Portal. Trong đề án dưới đây, một CPU được hiển thị trong mục “Device View” của TIA Portal.

3.2.2.3. Gán các địa chỉ IP (Internet Protocol)

A. Gán các địa chỉ IP đến các thiết bị lập trình và các thiết bị mạng

Nếu thiết bị lập trình đang sử dụng một mạch giao tiếp tích hợp được kết nối đến mạng LAN của nhà máy (và world-wide web là có sẵn), Network ID của địa chỉ IP và màn chắn mạng con của CPU và mạch giao tiếp tích hợp của thiết bị lập trình phải giống nhau một cách chính xác. Network ID là phần đầu tiên của địa chỉ IP (ba nhóm 8 bit đầu tiên, ví dụ 211.154.184.16) xác định mạng IP nào mà ta đang kết nối. Màn chắn mạng con thường có một giá trị là 255.255.255.0. Tuy nhiên, vì máy tính của tađang ở trên một mạng LAN của nhà máy, màn chắn mạng con có thể có các giá trị khác nhau (ví dụ 255.255.254.0) nhằm mục đích thiết lập các mạng con đồng nhất.

Nếu thiết bị lập trình đang sử dụng một mạch giao tiếp Etherner –USB được kết nối đến một mạng bị cô lập, Network ID của địa chỉ IP và màn chắn mạng con của CPU và của mạch giao tiếp Etherner – USB trong thiết bị lập trình phải giống nhau một cách chính xác. Network ID là phần đầu tiên của địa chỉ IP (ba nhóm 8 bit đầu tiên, ví dụ 211.154.184.16) xác định mạng IP nào mà ta đang kết nối. Màn chắn mạng con thường có một giá trị là 255.255.255.0.

B. Gán một địa chỉ IP trực tuyến

Sử dụng thủ tục sau đây để gán một địa chỉ IP theo cách trực tuyến trong TIA PORTAL:

SVTH: NGUYỄN TÔ NY GVHD:Ths.BÙI THÚC MINH

 Trong “Project tree”, kiểm chứng rằng không có địa chỉ IP nào được gán đến CPU, với các lựa chọn trong trình đơn sau đây:

 “Online access”

 <Mạch giao tiếp dành cho mạng mà thiết bị được đặt trong đó>  “Updates accessible devices”

 Trong “Project tree”, thực hiện các lựa chọn trong trình đơn sau đây:  “Online access”

 <Mạch giao tiếp dành cho mạng mà thiết bị được đặt trong đó>  “Updates accessible devices”

 <Địa chỉ thiết bị>  “Online & diagnostics”

SVTH: NGUYỄN TÔ NY GVHD:Ths.BÙI THÚC MINH (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});

 Trong hộp thoại “Online & diagnostics”, thực hiện các lựa chọn trong trình đơn sau đây:

 “Functions”

SVTH: NGUYỄN TÔ NY GVHD:Ths.BÙI THÚC MINH

 Trong trường “IP address”, nhập vào địa chỉ IP mới.

 Trong “Project tree”, kiểm nghiệm rằng địa chỉ IP mới đã được gán đến CPU, với các lựa chọn trình đơn sau đây:

 “Online access”

 <Adapter for the network in which the device is located>  “Update accessible devices”

C. Cấu hình một địa chỉ IP trong đề án

Cấu hình giao diện PROFINET trong TIA PORTAL.

Sau khi cấu hình CPU trên thanh đỡ, ta có thể cấu hình các thông số của giao diện PROFINET. Để thực hiện điều này, nhấp chuột vào hộp màu xanh lá trên CPU để lựa chọn cổng PROFINET. Thẻ “Properties” trong cửa sổ kiểm tra sẽ hiển thị cổng PROFINET.

SVTH: NGUYỄN TÔ NY GVHD:Ths.BÙI THÚC MINH

Cấu hình địa chỉ IP.

Trong cửa sổ Properties, lựa chọn mục nhập cấu hình “Ethernet address”. TIA Portal sẽ hiển thị hộp thoại cấu hình địa chỉ Ethernet, liên quan giữa đề án phần mềm với địa chỉ IP của CPU sẽ nhận đề án đó. Sau đó click vào IP address và Subnet Mark để thay đổi địa chỉ.

3.2.2.4. Kiểm tra mạng PROFINET

Sau khi hoàn tất sự cấu hình, ta tải xuống đề án vào CPU. Tất cả các địa chỉ IP được cấu hình khi ta tải xuống đề án.

SVTH: NGUYỄN TÔ NY GVHD:Ths.BÙI THÚC MINH

Sử dụng “Online access” để hiển thị địa chỉ IP của CPU được kết nối như dưới đây:

3.2.3. Truyền thông PLC với PLC

3.2.3.1. Cấu hình kết nối mạng logic giữa hai CPU

Sau khi cấu hình CPU trên thanh đỡ, bây giờ ta cấu hình các kết nối mạng. Trong cổng “Devices and Networks”, sử dụng “Network view” để tạo ra các kết nối mạng giữa các thiết bị trong đề án. Để tạo ra kết nối PROFINET, lựa chọn hộp màu xanh lá (PROFINET) trên PLC đầu tiên. Kéo một đường đến hộp PROFINET trên PLC thứ hai. Thả chuột và kết nối PROFINET đã được nối.

SVTH: NGUYỄN TÔ NY GVHD:Ths.BÙI THÚC MINH

Thao tác Kết quả

Lựa chọn “Network view” để hiển thị các thiết bị dùng để kết nối

Lựa chọn cổng trên một thiết bị và kéo kết nối đến cổng trên thiết bị thứ hai

Thả chuột để tạo ra kết nối mạng

3.2.3.2. Cấu hình các thông số truyền (phát) và nhận

Khối truyền thông (T-block) được sử dụng để thành lập các kết nối giữa hai CPU.

A. Cấu hình các thông số truyền (gửi) của lệnh TSEND_C

Lệnh TSEND_C thành lập một kết nối truyền thông TCP hay ISO trên TCP đến một trạm đồng hành, gửi đi dữ liệu, và có thể kết thúc sự kết nối. Sau khi việc kết nối được cài đặt và thành lập, nó được duy trì và giám sát một cách tự động bởi CPU. TSEND_C kết hợp các chức năng của TCON, TDISCON và TSEND.

Các chức năng sau đây miêu tả sự hoạt động của lệnh TSEN_C:  Để thành lập một kết nối, thực thi lệnh TSEND_C với thông số CONT = 1.  Sau khi thành lập thành công kết nối, TSEND_C đặt thông số DONE cho một chu kỳ. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});

SVTH: NGUYỄN TÔ NY GVHD:Ths.BÙI THÚC MINH

 Để kết thúc kết nối truyền thông, thực thi lệnh TSEND_C với CONT = 0. Kết nối sẽ được hủy bỏ ngay lập tức. Việc này còn tác động lên trạm nhận. Kết nối sẽ được đóng tại đó và dữ liệu bên trong bộ đệm có thể bị mất đi.

 Để gửi dữ liệu qua một kết nối đã tạo thành, thực thi lệnh TSEND_C với một ngưỡng tăng trong REQ. Sau một hoạt động gửi thành công, TSEND_C đặt thông số DONE cho một chu kỳ.

 Để thành lập một kết nối và gửi dữ liệu, thực thi lệnh TSEND_C với CONT = 1 và REQ = 1. Sau một hoạt động gửi thành công, TSEND_C đặt thông số DONE cho một chu kỳ.

Bảng 3.1. Các thông số của lệnh TSEND_C

Thôn g số Kiểu thông số K iểu dữ liệu Miêu tả REQ INPUT B ool

Thông số điều khiển REQ khởi động chức năng gửi đi với kết nối được miêu tả trong CONNECT trên một ngưỡng tăng. CON T INPUT B ool 0: ngắt kết nối 1: thành lập và giữ kết nối LEN INPUT I nt

Số lượng byte tối đa dùng để gửi (mặc định = 0, có nghĩa là thông số DATA xác định chiều dài của dữ liệu dùng để gửi). CON NECT IN_OUT T CON- P aram

Con trỏ đến phần miêu tả kết nối

DAT A

IN_OUT V

ariant

Vùng gửi, chứa địa chỉ và chiều dài của dữ liệu dùng để gửi.

COM _RST

IN_OUT B

ool

1: Hoàn tất việc khởi động lại của khối chức năng, kết nối đang tồn tại sẽ được kết thúc.

DON E

OUTPUT B

ool

0: Chức năng vẫn chưa được khởi động hay vẫn còn đang chạy.