CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN
Các kiến trúc giao thức
PTN#1: Cài đặt phần mềm Win CC, Step 7 và tự học lập trình ở nhà
Chương 2: Cơ sở kỹ thuật mạng
2.3 Kiểm soát và truy nhập
2.9 Các thành phần trong mạng truyền thông
PTN #2: Thực hiện bài tập ứng dụng sử dụng phần mềm software
Chương 3: Các mạng thông dụng
PTN #3:Thực hiện bài tập ứng dụng phần cứng hardware
4.3 Kỹ thuật đo lường và ghép nối
4.4 Thành phần trong hệ thống SCADA
4.5 Xây dựng hệ thống SCADA
PTN #4:Thực hiện bài tập ứng dụng kết nối và vận hành SCADA
5 Phương pháp, hình thức giảng dạy Đọc tài liệu trước là cần thiết, tài liệu có trên các web của internet liên quan đến mạng công nghiệp, mạng PLC, Ethernet, Profibus, Can bus Xem videos hướng dẫn trên mạng là cần thiết, đi học nghe giảng viên giảng bài phân tính và có ý kiến đối với giảng viên và nội dung môn học Học ứng dụng tại phòng thí nghiệm, trên các thiết bị cần thiết
6 Giáo trình, bài giảng, tài liệu tham khảo
[1] Hoàng Minh Sơn, Mạng truyền thông công nghiệp, Nhà Xuất Bản Khoa học Kỹ thuật, 2008
[2] Siemens, SIMATIC NET – Industrial Communikation Networks, Siemens AG 1998
[3] Huethig, Bustechnologie fuer die Automation, Heidelberg, 2000
[4] Andrew S Tanenbaum, Computer Networks , Prentice-Hall, 1998
[5] Robert Bosch, Controller Area Network protocol specification, Version 2.0 GmbH 1991
[6] Chuẩn châu âu EN 50254, High efficiency communication subsystem for smal data packages, 1997
7 Phương pháp, hình thức kiểm tra – đánh giá kết quả học tập học phần
Chuyên cần chiếm 10% điểm tổng, được đánh giá dựa trên số buổi học tại giảng đường và tại phòng thiết bị mạng công nghiệp Trong khi đó, phần giữa kỳ chiếm 20% điểm, yêu cầu sinh viên thực hiện bài tập ứng dụng thao tác trên thiết bị.
+ Thi cuối kỳ: 70% - Thi tự luận viết
Chương 1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN 1
1.1 Hệ thống thông tin công nghiệp 1
1.1.2 Trúc cơ bản một hệ thống điều khiển và giám sát (HTĐK&GS) 1
1.1.3 Đặc điểm của mạng truyền thông công nghiệp 2
1.2 Mô hình phân cấp chức năng 2
1.2.2 Phân loại mạng công nghiệp 3
1.2.3 Giao tiếp với thiết bị thông thông thường 4
1.3 Các kiến trúc giao thức 5
1.4 Cài đặt phần mềm Win CC, Step 7 và tự học lập trình ở nhà 5
Chương 2 KỸ THUẬT MẠNG CÔNG NGHIỆP 6
2.1 Cơ sở kỹ thuật mạng 6
2.3 Kiểm soát và truy nhập bus 7
2.3.1 Vấn đề kiểm soát truy nhập bus 7
2.3.2 Phương pháp kiểm soát tập trung chủ/tớ (Master/Slave) 8
2.3.3 Phương pháp kiểm soát phân tán Token Passing 9
2.3.4 Kết hợp Token với Master/Slave (Multimaster) 9
2.3.5 Truy nhập nhận biết xung đột CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with
2.4.1 Vấn đề bảo toàn dữ liệu 11
2.4.2 Bảo toàn dữ liệu kiểu bit chẵn/lẻ (parity bit) 11
2.4.3 Bảo toàn kiểu mã vòng (CRC) 13
2.4.4 Bảo toàn kiểu nhồi bit (Bit stuffing) 14
2.5 Mã hóa và giải mã 14
2.5.2 Các phương pháp mã hóa/ giải mã trong truyền tin công nghiệp 14
2.6.1 Phương thức truyền dẫn tín hiệu 17
2.6.2 Đặc điểm cổng truyền thông 18
2.7.2 Kiến trúc TCP/IP (Transmission Control Protocol/ Internet Protocol) 20
2.8 Các thành phần trong mạng truyền thông 21
2.9 Thực hiện bài tập ứng dụng sử dụng phần mềm software 23
Chương 3 CÁC MẠNG THÔNG DỤNG 24
3.1.2 Yêu cầu & đặc điểm chung: 24
3.1.4 Cấu trúc mạng & cáp truyền 25
3.2.6 Dịch vụ truyền dữ liệu (lớp 2) 29
3.2.7 Cấu trúc bức điện (lớp 2) 29
3.5.3 Cấu trúc mạng và Kỹ thuật truyền dẫn 36
Chương 4 SCADA/EMS TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 38
4.2 Nguyên tắc làm việc của hệ thống SCADA 38
4.4 Kỹ thuật đo lường trong scada 40
4.4.2 Biến dòng và biến áp (CT và VT) 40
4.4.4 Bộ chuyển đổi tương tự - số (ADC- Analog Digital Converter) 41
4.5 Thiết bị thu thập dữ liệu 41
4.5.1 Công nghệ RTU tập trung 41
4.5.2 Công nghệ RTU phân tán: 42
4.6 GHÉP NỐI RTU với HTĐ 43
4.6.1 Ghép nối tín hiệu tương tự 43
4.6.2 Ghép nối tín hiệu số 44
4.6.3 Ghép nối tín hiệu đầu ra Analog 45
4.6.4 Ghép nối tín hiệu đầu ra số (DOT) 45
5.1 Các thành phần soạn thảo 46
5.2 Tạo các giao diện kết nối bằng WinCC 74
5.2.1 Các bước để tạo một Project trong WinCC 74
5.2.2 Cài đặt Driver kết nối PLC 74
5.2.3 Tạo External Tag (biến ngoài) 75
5.2.6 Cài đặt tham số khi chạy Runtime 79
5.3 Tạo function và action trong Wincc 80
5.3.1 Các thành phần function và action 80
5.3.2 Khả năng lập trình và ứng dụng: 81
5.4 Cấu trúc chương trình của một C-Action cho một Property của đối tượng: 82
Chương 6 GIAO TIẾP PLC ỨNG DỤNG 84
6.1.1 Giới thiệu về S7-200 và PC Access: 84
6.1.2 Thiết lập OPC-Server với S7-200 PC Access: 85
6.2 Thiết kế mô hình giám sát điều khiển trên Wincc 87
6.2.2 Cài đặt Driver kết nối PLC 87
6.2.3 Định nghĩa các Tag sử dụng 88
6.2.4 Tạo và soạn thảo giao diện người dùng: 89
6.3 Thiết lập các thuộc tính cho các đối tượng: 90
6.3.1 Thiết lập sự kiện của các nút nhấn: 90
6.3.2 Thiết lập thuộc tính cho các đèn báo 93
6.3.3 Tạo hiệu ứng ảnh động bằng C-Action 95
6.4.1 Thiết lập cấu hình hardware 98
6.4.3 Mô hình quản lý và giám sát: 100
6.4.4 Tạo các giao diện kết nối bằng wincc 103
Chương 1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN
1.1 Hệ thống thông tin công nghiệp
Mạng truyền thông công nghiệp, hay còn gọi là mạng công nghiệp, là hệ thống mạng truyền thông số sử dụng phương thức truyền bít nối tiếp để kết nối các thiết bị trong lĩnh vực công nghiệp.
Hình 1: Sơ đồ mạng PCS7(Siemens) trong công nghiệp
Ngoài ra, có rất nhiều mạng công nghiệp của các tập đoàn trên thế giới như: Mạng PlantScape(Honeywell), DeltaV(Fisher-Rosermount), ProcessLogix(Allen-Bradley)…
1.1.2 Trúc cơ bản một hệ thống điều khiển và giám sát (HTĐK&GS)
Hình 2: Sơ đồ mạng PCS7 (Siemens) trong công nghiệp
1.1.3 Đặc điểm của mạng truyền thông công nghiệp Đơn giản hóa cấu trúc liên kết giữa các thiết bị công nghiệp
Tiết kiệm dây nối và công thiết kế, lắp đặt hệ thống
Nâng cao độ tin cậy và độ chính xác của thông tin
Nâng cao độ linh hoạt và tính năng mở của hệ thống giúp đơn giản hóa và tiện lợi hóa quá trình tham số hóa, chẩn đoán, cũng như định vị lỗi và sự cố của các thiết bị.
Mở ra nhiều chức năng và khả năng ứng dụng mới của hệ thống
Hình 3: Mô hình mạng truyền thống và mạng truyền thông công nghiệp
1.2 Mô hình phân cấp chức năng
- Định nghĩa các cấp theo chức năng, không phụ thuộc lĩnh vực công nghiệp cụ thể Mỗi cấp có chức năng và đặc thù khác nhau
- Với mỗi ngành công nghiệp, lĩnh vực ứng dụng có thể có các mô hình tương tự với số cấp nhiều hoặc ít hơn
Hình 4: Sơ đồ phân cấp chức năng điều khiển
- Ranh giới giữa các cấp không phải bao giờ cũng rõ ràng
Ở các cấp dưới, chức năng thường có tính chất cơ bản hơn và yêu cầu cao hơn về độ nhạy bén cùng thời gian phản ứng.
- Càng ở cấp trên quyết định càng quan trọng hơn, lượng thông tin cần trao đổi và xử lý càng lớn hơn
- Phân cấp tiện lợi cho công việc thiết kế hệ thống
1.2.2 Phân loại mạng công nghiệp
Mạng công nghiệp vào/ra tập trung (central I/O) có đặc điểm là số lượng dây nối lớn và hệ thống điều khiển tập trung tại một vị trí, điều này dẫn đến độ tin cậy chưa cao Kích thước của mạng cũng là một thách thức đối với hệ thống tập trung, vì đường truyền từ các thiết bị đến trung tâm có thể gặp khó khăn.
Hình 5: Sơ đồ mạng công nghiệp vào ra tập trung, A: actuator S: sensor
- Mạng công nghiệp vào/ra phân tán (distributed I/O)
Mạng vào ra phân tán còn gọi là vào/ra từ xa (remote I/O)
Hình 6: Sơ đồ mạng công nghệp vào ra phân tán
- Đặc điểm vào ra phân tán:
Ưu điểm nhiều, song vẫn còn nối dây truyền thống Vào/ra phân tán với bus trường chuẩn;
Tiết kiệm chi phí dây dẫn và công lắp đặt: Từ bộ điều khiển xuống tới các vào/ra phân tán chỉ cần một đường truyền duy nhất;
Cấu trúc đơn giản: Thiết kế và bảo trì hệ thống dễ dàng hơn;
Tăng độ tin cậy của hệ thống;
Truyền kỹ thuật số => hạn chế lỗi;
Nếu có lỗi truyền thông cũng dễ dàng phát hiện nhờ các biện pháp bảo toàn dữ liệu của hệ bus;
Tăng độ linh hoạt của hệ thống;
Tự do hơn trong lựa chọn các thiết bị vào/ra;
Tự do hơn trong thiết kế cấu trúc hệ thống;
Khả năng mở rộng dễ dàng hơn;
Vào/ra phân tán không nhất thiết phải đặt gần tại hiện trường (chỉ lợi dụng ưu điểm cuối cùng)
1.2.3 Giao tiếp với thiết bị thông thông thường Để kết nối với thiết bị cảm biến hay chấp hành người ta sử dụng 2 phương pháp nối dây trực tiếp hay nối dây thông qua bus (bus trường) Ngày nay, hầu hết các thiết bị điều khiển công nghiệp đều nối dây thông qua bus gọi là mạng công nghiệp
Hình 7: So sánh mô hình sử dụng Bus thường và Bus trường
Sơ đồ đấu nối thiết bị cảm biến với bus trường và dây nối thường cho thấy những ưu điểm vượt trội của phương pháp nối mạng, bao gồm cấu trúc đơn giản, dễ thiết kế và lắp đặt, giúp giảm chi phí cáp truyền, các khối vào/ra và phụ kiện khác Phương pháp này cũng cho phép chẩn đoán thiết bị trường qua mạng một cách dễ dàng và tích hợp các chức năng điều khiển tự động xuống các thiết bị trường, từ đó mang lại trí tuệ phân tán (distributed intelligence).
1.3 Các kiến trúc giao thức
Trạm chủ là trung tâm điều phối hoạt động của nhiều trạm tớ, trong đó các trạm tớ có vai trò và nhiệm vụ tương đồng Những trạm tớ này có khả năng giao tiếp trực tiếp hoặc gián tiếp với nhau, nhưng vai trò chủ động vẫn thuộc về trạm chủ.
Hình 8: Kiến trúc Slave/Master
Ví dụ: Các ứng vào/ra phân tán, các thiết bị trường
Kiến trúc Client/Server cung cấp các dịch vụ chung cho các client mà không yêu cầu giao tiếp trực tiếp giữa chúng Trong mô hình này, client giữ vai trò chủ động trong quá trình giao tiếp.
KỸ THUẬT MẠNG CÔNG NGHIỆP
Bảo toàn dữ liệu
2.9 Các thành phần trong mạng truyền thông
PTN #2: Thực hiện bài tập ứng dụng sử dụng phần mềm software
Chương 3: Các mạng thông dụng
PTN #3:Thực hiện bài tập ứng dụng phần cứng hardware
4.3 Kỹ thuật đo lường và ghép nối
4.4 Thành phần trong hệ thống SCADA
4.5 Xây dựng hệ thống SCADA
PTN #4:Thực hiện bài tập ứng dụng kết nối và vận hành SCADA
5 Phương pháp, hình thức giảng dạy Đọc tài liệu trước là cần thiết, tài liệu có trên các web của internet liên quan đến mạng công nghiệp, mạng PLC, Ethernet, Profibus, Can bus Xem videos hướng dẫn trên mạng là cần thiết, đi học nghe giảng viên giảng bài phân tính và có ý kiến đối với giảng viên và nội dung môn học Học ứng dụng tại phòng thí nghiệm, trên các thiết bị cần thiết
6 Giáo trình, bài giảng, tài liệu tham khảo
[1] Hoàng Minh Sơn, Mạng truyền thông công nghiệp, Nhà Xuất Bản Khoa học Kỹ thuật, 2008
[2] Siemens, SIMATIC NET – Industrial Communikation Networks, Siemens AG 1998
[3] Huethig, Bustechnologie fuer die Automation, Heidelberg, 2000
[4] Andrew S Tanenbaum, Computer Networks , Prentice-Hall, 1998
[5] Robert Bosch, Controller Area Network protocol specification, Version 2.0 GmbH 1991
[6] Chuẩn châu âu EN 50254, High efficiency communication subsystem for smal data packages, 1997
7 Phương pháp, hình thức kiểm tra – đánh giá kết quả học tập học phần
Đánh giá chuyên cần chiếm 10% tổng điểm, dựa trên số buổi tham gia học tại giảng đường và phòng thiết bị mạng công nghiệp Trong khi đó, giữa kỳ sẽ chiếm 20% tổng điểm, thông qua việc thực hiện bài tập ứng dụng thao tác trên thiết bị.
+ Thi cuối kỳ: 70% - Thi tự luận viết
Chương 1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN 1
1.1 Hệ thống thông tin công nghiệp 1
1.1.2 Trúc cơ bản một hệ thống điều khiển và giám sát (HTĐK&GS) 1
1.1.3 Đặc điểm của mạng truyền thông công nghiệp 2
1.2 Mô hình phân cấp chức năng 2
1.2.2 Phân loại mạng công nghiệp 3
1.2.3 Giao tiếp với thiết bị thông thông thường 4
1.3 Các kiến trúc giao thức 5
1.4 Cài đặt phần mềm Win CC, Step 7 và tự học lập trình ở nhà 5
Chương 2 KỸ THUẬT MẠNG CÔNG NGHIỆP 6
2.1 Cơ sở kỹ thuật mạng 6
2.3 Kiểm soát và truy nhập bus 7
2.3.1 Vấn đề kiểm soát truy nhập bus 7
2.3.2 Phương pháp kiểm soát tập trung chủ/tớ (Master/Slave) 8
2.3.3 Phương pháp kiểm soát phân tán Token Passing 9
2.3.4 Kết hợp Token với Master/Slave (Multimaster) 9
2.3.5 Truy nhập nhận biết xung đột CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with
2.4.1 Vấn đề bảo toàn dữ liệu 11
2.4.2 Bảo toàn dữ liệu kiểu bit chẵn/lẻ (parity bit) 11
2.4.3 Bảo toàn kiểu mã vòng (CRC) 13
2.4.4 Bảo toàn kiểu nhồi bit (Bit stuffing) 14
2.5 Mã hóa và giải mã 14
2.5.2 Các phương pháp mã hóa/ giải mã trong truyền tin công nghiệp 14
2.6.1 Phương thức truyền dẫn tín hiệu 17
2.6.2 Đặc điểm cổng truyền thông 18
2.7.2 Kiến trúc TCP/IP (Transmission Control Protocol/ Internet Protocol) 20
2.8 Các thành phần trong mạng truyền thông 21
2.9 Thực hiện bài tập ứng dụng sử dụng phần mềm software 23
Chương 3 CÁC MẠNG THÔNG DỤNG 24
3.1.2 Yêu cầu & đặc điểm chung: 24
3.1.4 Cấu trúc mạng & cáp truyền 25
3.2.6 Dịch vụ truyền dữ liệu (lớp 2) 29
3.2.7 Cấu trúc bức điện (lớp 2) 29
3.5.3 Cấu trúc mạng và Kỹ thuật truyền dẫn 36
Chương 4 SCADA/EMS TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 38
4.2 Nguyên tắc làm việc của hệ thống SCADA 38
4.4 Kỹ thuật đo lường trong scada 40
4.4.2 Biến dòng và biến áp (CT và VT) 40
4.4.4 Bộ chuyển đổi tương tự - số (ADC- Analog Digital Converter) 41
4.5 Thiết bị thu thập dữ liệu 41
4.5.1 Công nghệ RTU tập trung 41
4.5.2 Công nghệ RTU phân tán: 42
4.6 GHÉP NỐI RTU với HTĐ 43
4.6.1 Ghép nối tín hiệu tương tự 43
4.6.2 Ghép nối tín hiệu số 44
4.6.3 Ghép nối tín hiệu đầu ra Analog 45
4.6.4 Ghép nối tín hiệu đầu ra số (DOT) 45
5.1 Các thành phần soạn thảo 46
5.2 Tạo các giao diện kết nối bằng WinCC 74
5.2.1 Các bước để tạo một Project trong WinCC 74
5.2.2 Cài đặt Driver kết nối PLC 74
5.2.3 Tạo External Tag (biến ngoài) 75
5.2.6 Cài đặt tham số khi chạy Runtime 79
5.3 Tạo function và action trong Wincc 80
5.3.1 Các thành phần function và action 80
5.3.2 Khả năng lập trình và ứng dụng: 81
5.4 Cấu trúc chương trình của một C-Action cho một Property của đối tượng: 82
Chương 6 GIAO TIẾP PLC ỨNG DỤNG 84
6.1.1 Giới thiệu về S7-200 và PC Access: 84
6.1.2 Thiết lập OPC-Server với S7-200 PC Access: 85
6.2 Thiết kế mô hình giám sát điều khiển trên Wincc 87
6.2.2 Cài đặt Driver kết nối PLC 87
6.2.3 Định nghĩa các Tag sử dụng 88
6.2.4 Tạo và soạn thảo giao diện người dùng: 89
6.3 Thiết lập các thuộc tính cho các đối tượng: 90
6.3.1 Thiết lập sự kiện của các nút nhấn: 90
6.3.2 Thiết lập thuộc tính cho các đèn báo 93
6.3.3 Tạo hiệu ứng ảnh động bằng C-Action 95
6.4.1 Thiết lập cấu hình hardware 98
6.4.3 Mô hình quản lý và giám sát: 100
6.4.4 Tạo các giao diện kết nối bằng wincc 103
Chương 1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN
1.1 Hệ thống thông tin công nghiệp
Mạng truyền thông công nghiệp, hay còn gọi là mạng công nghiệp, là hệ thống mạng truyền thông số sử dụng công nghệ truyền bít nối tiếp để kết nối và giao tiếp giữa các thiết bị công nghiệp.
Hình 1: Sơ đồ mạng PCS7(Siemens) trong công nghiệp
Ngoài ra, có rất nhiều mạng công nghiệp của các tập đoàn trên thế giới như: Mạng PlantScape(Honeywell), DeltaV(Fisher-Rosermount), ProcessLogix(Allen-Bradley)…
1.1.2 Trúc cơ bản một hệ thống điều khiển và giám sát (HTĐK&GS)
Hình 2: Sơ đồ mạng PCS7 (Siemens) trong công nghiệp
1.1.3 Đặc điểm của mạng truyền thông công nghiệp Đơn giản hóa cấu trúc liên kết giữa các thiết bị công nghiệp
Tiết kiệm dây nối và công thiết kế, lắp đặt hệ thống
Nâng cao độ tin cậy và độ chính xác của thông tin
Nâng cao độ linh hoạt và tính năng mở của hệ thống giúp đơn giản hóa và tiện lợi hóa quá trình tham số hóa, chẩn đoán và định vị lỗi, sự cố của các thiết bị.
Mở ra nhiều chức năng và khả năng ứng dụng mới của hệ thống
Hình 3: Mô hình mạng truyền thống và mạng truyền thông công nghiệp
1.2 Mô hình phân cấp chức năng
- Định nghĩa các cấp theo chức năng, không phụ thuộc lĩnh vực công nghiệp cụ thể Mỗi cấp có chức năng và đặc thù khác nhau
- Với mỗi ngành công nghiệp, lĩnh vực ứng dụng có thể có các mô hình tương tự với số cấp nhiều hoặc ít hơn
Hình 4: Sơ đồ phân cấp chức năng điều khiển
- Ranh giới giữa các cấp không phải bao giờ cũng rõ ràng
Ở các cấp độ thấp hơn, các chức năng thường mang tính chất cơ bản hơn, đồng thời yêu cầu sự nhanh nhạy và thời gian phản ứng cao hơn.
- Càng ở cấp trên quyết định càng quan trọng hơn, lượng thông tin cần trao đổi và xử lý càng lớn hơn
- Phân cấp tiện lợi cho công việc thiết kế hệ thống
1.2.2 Phân loại mạng công nghiệp
Mạng công nghiệp vào/ra tập trung (central I/O) đặc trưng bởi số lượng dây nối lớn và hệ thống điều khiển tập trung tại một vị trí, dẫn đến độ tin cậy chưa cao Kích thước của mạng là một thách thức đối với hệ thống tập trung, do đường truyền từ các thiết bị đến trung tâm gặp khó khăn.
Hình 5: Sơ đồ mạng công nghiệp vào ra tập trung, A: actuator S: sensor
- Mạng công nghiệp vào/ra phân tán (distributed I/O)
Mạng vào ra phân tán còn gọi là vào/ra từ xa (remote I/O)
Hình 6: Sơ đồ mạng công nghệp vào ra phân tán
- Đặc điểm vào ra phân tán:
Ưu điểm nhiều, song vẫn còn nối dây truyền thống Vào/ra phân tán với bus trường chuẩn;
Tiết kiệm chi phí dây dẫn và công lắp đặt: Từ bộ điều khiển xuống tới các vào/ra phân tán chỉ cần một đường truyền duy nhất;
Cấu trúc đơn giản: Thiết kế và bảo trì hệ thống dễ dàng hơn;
Tăng độ tin cậy của hệ thống;
Truyền kỹ thuật số => hạn chế lỗi;
Nếu có lỗi truyền thông cũng dễ dàng phát hiện nhờ các biện pháp bảo toàn dữ liệu của hệ bus;
Tăng độ linh hoạt của hệ thống;
Tự do hơn trong lựa chọn các thiết bị vào/ra;
Tự do hơn trong thiết kế cấu trúc hệ thống;
Khả năng mở rộng dễ dàng hơn;
Vào/ra phân tán không nhất thiết phải đặt gần tại hiện trường (chỉ lợi dụng ưu điểm cuối cùng)
1.2.3 Giao tiếp với thiết bị thông thông thường Để kết nối với thiết bị cảm biến hay chấp hành người ta sử dụng 2 phương pháp nối dây trực tiếp hay nối dây thông qua bus (bus trường) Ngày nay, hầu hết các thiết bị điều khiển công nghiệp đều nối dây thông qua bus gọi là mạng công nghiệp
Hình 7: So sánh mô hình sử dụng Bus thường và Bus trường
Sơ đồ đấu nối thiết bị cảm biến với bus trường và dây nối thường cho thấy những ưu điểm vượt trội của phương pháp nối mạng, bao gồm cấu trúc đơn giản, dễ thiết kế và lắp đặt Phương pháp này giúp giảm chi phí cáp truyền, các khối vào/ra và phụ kiện khác, đồng thời cho phép chẩn đoán thiết bị trường qua mạng một cách dễ dàng Hơn nữa, nó còn hỗ trợ tích hợp các chức năng điều khiển tự động vào các thiết bị trường, thúc đẩy trí tuệ phân tán (distributed intelligence).
1.3 Các kiến trúc giao thức
Trạm chủ có nhiệm vụ phối hợp hoạt động của nhiều trạm tớ, mỗi trạm tớ đều có vai trò và nhiệm vụ tương tự nhau Các trạm tớ có khả năng giao tiếp trực tiếp hoặc không trực tiếp với nhau, trong khi vai trò chủ động thuộc về trạm chủ.
Hình 8: Kiến trúc Slave/Master
Ví dụ: Các ứng vào/ra phân tán, các thiết bị trường
Kiến trúc Client/Server cung cấp dịch vụ chung cho các client mà không yêu cầu giao tiếp trực tiếp giữa chúng Trong mô hình này, client đóng vai trò chủ động trong quá trình giao tiếp.
Hình 9: Vào ra phân tán thiết bị trường theo kiến trúc Clien/Server 1.4 Cài đặt phần mềm Win CC, Step 7 và tự học lập trình ở nhà
Chương 2 KỸ THUẬT MẠNG CÔNG NGHIỆP
2.1 Cơ sở kỹ thuật mạng
Chế độ truyền tải - điều chế tín hiệu là chế độ thông dụng nhất trong hệ thống truyền thông công nghiệp
Truyền tải dải cơ sở là phương pháp truyền tín hiệu với một nguồn thông tin duy nhất trên dải tần cơ sở Trong khi đó, truyền tải dải mang cho phép tín hiệu mang một nguồn thông tin duy nhất trên dải sóng mang Cuối cùng, truyền tải dải rộng có khả năng truyền tải nhiều nguồn thông tin đồng thời trên một dải tần rộng.
Hình 10: Các kiểu truyền trong mạng công nghiệp
Các thông số đặc trưng cho truyền dẫn
Tốc độ truyền và tốc độ bit
Thời gian bit/Chu kỳ bit T B = 1/v T B = 1/f.n, n là hệ số môi trường
Thời gian lan truyền tín hiệu T S = l/(k*c) l là chiều dài dây dẫn, c là tốc độ ánh sáng và k là hệ số giảm tốc độ truyền
Các kiểu liên kết: Liên kết điểm - điểm (point-to-point)
Liên kết điểm - nhiều điểm (multi-drop)
Liên kết nhiều điểm (multipoint)
Cấu trúc liên kết của một mạng bao gồm tổng hợp các liên kết, với cấu trúc bus mang lại nhiều tính năng quan trọng Đầu tiên, nó hỗ trợ tính thời gian thực, giúp hệ thống hoạt động hiệu quả Thứ hai, cấu trúc này đảm bảo độ tin cậy và tính sẵn sàng cao cho hệ thống Thứ ba, tính đơn giản trong thiết kế của cấu trúc bus giúp dễ dàng triển khai và bảo trì Cuối cùng, khoảng cách truyền cũng được tối ưu hóa, tạo điều kiện thuận lợi cho việc kết nối.
Hình 11: Sơ cấu trúc bus liên kết mạng truyền thông công nghiệp
Cấu trúc mạch vòng (tích cực)
Hình 12: Sơ đồ cấu trúc mạch vòng tích cực
Hình 13: Sơ đồ cấu trúc hình sao và hình cây
2.3 Kiểm soát và truy nhập bus
2.3.1 Vấn đề kiểm soát truy nhập bus
Kiểm soát truy nhập bus (Bus access control, Medium Access Control): Phân chia thời gian truy nhập đường truyền (gửi tín hiệu đi)
Phương pháp kiểm soát truy nhập bus ảnh hưởng tới: Độ tin cậy, tính năng thời gian thực, hiệu suất sử dụng đường truyền
2.3.2 Phương pháp kiểm soát tập trung chủ/tớ (Master/Slave)
Hình 14: Truy nhập bus theo phương pháp chủ tớ
Vai trò của trạm chủ:
- Kiểm soát hoàn toàn giao tiếp trong hệ thống, hoặc chỉ đóng vai trò phân chia quyền truy nhập bus Ưu điểm:
— Đơn giản, đỡ tốn kém
— Trí tuệ tập trung tại một trạm chủ
— Độ tin cậy phụ thuộc vào một trạm duy nhất
Hiệu suất trao đổi dữ liệu giữa các trạm chủ và tớ thường thấp, đặc biệt trong các hệ thống bus cấp thấp như bus trường và bus thiết bị Trong những hệ thống này, thông tin chủ yếu được truyền giữa trạm chủ, là thiết bị điều khiển, và các trạm tớ, bao gồm thiết bị trường hoặc các module vào/ra phân tán.
Biểu đồ trình tự giao tiếp
Hình 15: Giao tiếp theo cơ chế chủ/tớ
2.3.3 Phương pháp kiểm soát phân tán Token Passing
Hình 16: Truy nhập bus theo Phương pháp kiển soát phân tán Token Passing
Tuần tự các bước kiểm soát truy nhập bus theo phương pháp Token Passing
Giám sát token: Nếu do một lỗi nào đó mà token bị mất hoặc gia bội, cần phải thông báo xóa các token cũ và tạo một token mới
Khởi tạo token: Sau khi khởi động một trạm được chỉ định có trách nhiệm tạo một token mới
Tách trạm ra khỏi mạch vòng logic: Một trạm có sự cố phải được phát hiện và tách ra khỏi trình tự được nhận token
Bổ sung trạm mới vào mạch vòng logic là cần thiết để đảm bảo quyền nhận token, khi một trạm mới được kết nối mạng hoặc khi một trạm cũ được thay thế hoặc đưa trở lại sử dụng Việc này mang lại nhiều ưu điểm cho hệ thống.
— Độ tin cậy cao hơn nhờ vai trò bình đẳng
— Phù hợp cho nhiều cơ chế giao tiếp khác nhau
— Phức tạp Ứng dụng: chủ yếu ở cấp phía trên (bus điều khiển, bus hệ thống)
2.3.4 Kết hợp Token với Master/Slave (Multimaster) Ưu điểm:
— Tiền định, phù hợp với trao đổi dữ liệu tuần hoàn
— Có thể đáp ứng yêu cầu rất ngặt nghèo về tính năng thời gian thực
— Không cần kiểm soát tập trung
— Hiệu suất sử dụng đường truyền có thể không cao
Time synchronization is a complex process often used in Master/Slave configurations, such as Profibus-DP V2.0 and Interbus, or in Token Passing systems like Foundation Fieldbus H1 This synchronization primarily occurs at the field level, ensuring efficient communication and coordination among devices.
Hình 17: Truy nhập bus kết hợp 2 phương pháp chủ tớ với Token
2.3.5 Truy nhập nhận biết xung đột CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with
Mã hóa và giải mã
Một hệ thống mã hóa bao gồm các thành phần:
Thông tin trước khi mã hóa, kí hiệu là P
Thông tin sau khi mã hóa, kí hiệu là C
Chìa khóa, kí hiệu là K
Phương pháp mã hóa/giải mã (E/D) là quá trình chuyển đổi thông tin thành tín hiệu phù hợp cho việc truyền dẫn Mã hóa đường truyền (line encoding) giúp biểu diễn nguồn thông tin cần truyền bằng các tín hiệu thích hợp, đảm bảo hiệu quả trong việc truyền tải dữ liệu.
+ Mã hóa bit (biểu diễn một dãy bit thành một tín hiệu)
+ Các biện pháp dồn kênh Mã hóa bit (Bit encoding): trường hợp đặc biệt của mã hóa đường truyền (không có dồn kênh, phân kênh)
+ Trong truyền thông công nghiệp ta chỉ cần đề cập tới mã hóa bit
+ Mã hóa bit còn được gọi là điều chế tín hiệu (signal modulation)
- Giải mã bit: Khôi phục dãy bit từ một tín hiệu nhận được
Các yếu tố kỹ thuật chú ý khi mã hóa và giải mã
- Tần số, dải tần tín hiệu:
- Tính bền vững với nhiễu, khả năng phát hiện lỗi
- Triệt tiêu dòng một chiều/khả năng đồng tải nguồn
- Thông tin đồng bộ nhịp trong tín hiệu:
2.5.2 Các phương pháp mã hóa/ giải mã trong truyền tin công nghiệp
* Phương pháp NRZ và RZ
Hình 19: Mã hóa bít bằng NRZ và RZ
- NRZ (Non-return to Zero), RZ (Return to Zero)
+ Tần số thấp, dải tần không hẹp
+ Kém bền vững với nhiễu
+ Tồn tại dòng một chiều
+ Không mang thông tin đồng bộ nhịp
- Ứng dụng: Phổ biến nhất, Profibus-DP, Interbus
Hình 20: Mã hóa bit bằng Manchester
+ Tần số cao hơn NRZ, dải tần không hẹp
+ Khá bền vững với nhiễu, không có khả năng phối hợp nhận biết lỗi + Triệt tiêu dòng một chiều, khả năng đồng tải nguồn
+ Mang thông tin đồng bộ nhịp
- Ứng dụng: Khá phổ biến, vd Ethernet, Profibus-PA, Foundation Fieldbus
* Mã AFP (Alternate Flanked Pulse)
Hình 21: Mã hóa bit băng AFP
+ Tần số thấp nhất, dải tần hẹp nhất
+ Khá bền vững với nhiễu, có khả năng phối hợp nhận biết lỗi
+ Tồn tại dòng một chiều
+ Không mang thông tin đồng bộ nhịp
* Mã FSK (frequency shift keying)
Hình 22: Mã hóa bit bằng FSK
+ Tần số cao (truyền tải dải mang), dải tần hẹp
+ Đặc biệt bền vững với nhiễu, có khả năng phối hợp nhận biết lỗi + Triệt tiêu dòng một chiều, có khả năng đồng tải nguồn
+ Mang thông tin đồng bộ nhịp
- Ứng dụng: HART, Powerline Communication
Kỹ thuật truyền dẫn
2.6.1 Phương thức truyền dẫn tín hiệu
- Truyền không đối xứng không đối xứng hay đơn cực:
Sử dụng điện áp chênh lệch giữa một dây dẫn và đất Ví dụ: RS-232(Reconmended Standard)
Hình 23: Phương thức truyền dẫn dữ liệu không đối xứng Ưu nhược điểm của phương thức đơn cực:
Khả năng kháng nhiễu kém (nhiễu ngoại, nhiễu xuyên âm - crosstalk)
Phải sử dụng mức tín hiệu cao
- Phương thức chênh lệch đối xứng (balanced differential mode):
Sử dụng điện áp chênh lệch giữa hai dây dẫn A và B (hoặc - và +) Ví dụ: RS-422, RS-
Phương thức truyền dẫn dữ liệu đối xứng có những ưu điểm nổi bật như khả năng kháng nhiễu tốt, tốc độ truyền cao và khoảng cách truyền lớn Tuy nhiên, nhược điểm của phương thức này là không tiết kiệm dây dẫn và yêu cầu mức tín hiệu thấp.
2.6.2 Đặc điểm cổng truyền thông
Tên chính thức: EIA/TIA-232, do Electronic Industry Association và Telecommunication
The RS-232 standard, developed by an industry association, is commonly referred to as RS-232 (with "RS" standing for Recommended Standard) The most widely used version for personal computer COM ports is RS-232c, alongside other versions such as RS-232f.
Tương ứng với chuẩn châu Âu là CCITT V.24
Hình 2.17: Sơ đồ đấu nối và nguyên lý truyền dẫn RS 232
Phương thức truyền: Đơn cực
Một số đặc điểm cơ bản của phương thức truyền dẫn không đối xứng bao gồm chế độ truyền hai chiều đồng thời (full duplex) và ghép nối điểm - điểm Tốc độ truyền thường ở mức thấp, chuẩn là 19.2 kbps, với khoảng cách truyền ngắn, thường từ 15-30m Phương thức này chủ yếu được ứng dụng trong việc ghép nối giữa PC-PC, PC-Modem, PC-PLC, cũng như kết nối PC hoặc PLC với các thiết bị đo và thiết bị thu thập dữ liệu.
Chuẩn EIA/TIA-485, phiên bản mới nhất là EIA/TIA-485b, là giao thức phổ biến nhất trong các hệ thống truyền thông công nghiệp như Profibus FMS/DP, Interbus và AS-Interface Với phương pháp truyền chênh lệch đối xứng, chuẩn này mang lại nhiều ưu điểm nổi bật cho việc truyền tải dữ liệu hiệu quả.
Hình 24: Sơ đồ và nguyên lý mức tín hiệu quy định RS 485
RS485 có những đặc điểm cơ bản như phương thức truyền dẫn chênh lệch đối xứng, chế độ truyền chủ yếu là hai chiều gián đoạn, và khả năng ghép nối nhiều điểm với số trạm tối đa lên đến 32 Tốc độ truyền của RS485 rất cao, có thể đạt hơn 10Mbps, và khoảng cách truyền tối đa lên tới 1200m Hệ thống này có thể sử dụng tới 3 bộ lặp, cho phép mở rộng thêm 4 đoạn mạng, và trong thực tế, số lượng này có thể nhiều hơn Cuối cùng, trở đầu cuối thường được sử dụng là 100 hoặc 120 Ohm.
- MBP (IEC 61158-2): MBP (Manchester Coded, Bus-Powered):
— Ứng dụng chủ yếu trọng công nghiệp chế biến
— Khả năng dùng trong môi trường yêu cầu an toàn cháy nổ
— Mã Manchester, truyền đồng bộ
— Khả năng đồng tải nguồn
— Truyền chênh lệch đối xứng, mức tín hiệu chênh lệch 0,75-1V
— Tốc độ truyền 31,25kbps (cố định)
— Số trạm tối đa 32/đoạn, 126/toàn mạng, tối đa 4 bộ lặp
— Khoảng cách truyền tối đa 1900m/đoạn => 9500m/toàn mạng
— Trở đầu cuối 100Ohm Áp dụng trong Foundation Fieldbus, Profibus-PA
Giao thức truyền tin
Phân loại dịch vụ và các giao thức của một hệ thống truyền thông thành các lớp
Xử lý giao thức theo mô hình lớp
PDU: Protocol Data Unit –Khối dữ liệu giao thức
SDU: Service Data Unit – Khối dữ liệu dịch vụ
PCI: Protocol Control Information -Thông tin trong khối giao thức
Mô hình qui chiếu OSI (Open System Interconnection-Reference Model)
Hình 25: Sơ đồ mô hình lớp của giao thức
2.7.2 Kiến trúc TCP/IP (Transmission Control Protocol/ Internet Protocol)
Kiến trúc mạng này dựa trên hệ quy chiếu OSI với 7 lớp, nhưng chỉ thiết lập 5 lớp trong hệ kiến trúc của mình Lớp vật lý và lớp ứng dụng được giữ nguyên, như thể hiện trong hình 25.
Hình 26: Sơ đồ mô hình tham chiếu OSI và TCP/IP
Các thành phần trong mạng truyền thông
Sợi thủy tinh, Sợi chất dẻo
Hình 2.22: Mô hình cáp đồng trục
- Đôi dây xoắn (Twisted Pair, TP) Phát minh của A Grahm Bell, 1881
Hình 2.23: Mô hình cáp đôi dây xoắn
Hai loại: Shielded TP, Unshielded TP
Hình 2.24: Mô hình cáp quang
Các loại sợi quang gồm: Sợi thủy tinh, sợi chất dẻo…
Sóng truyền hình (TV), Sóng truyền thanh (radio AM, FM), Tia hồng ngoại (UV), Phương tiện truyền dẫn, Dải tần
Shannon: Tốc độ bit tối đa (bits/s) = Hlog2 (1+S/N)
Hình 27: Dãi tần truyền dẫn vô tuyến
Card mạng (NIC) là thiết bị phổ biến nhất cho máy tính, bao gồm bộ thu phát (transceiver) hoạt động như một bộ phát (transmitter) và bộ nhận (receiver) Bộ phát chuyển đổi tín hiệu bên trong máy tính thành tín hiệu có thể truyền qua mạng, trong khi bộ nhận thực hiện chức năng ngược lại.
HUB bị động (HUB – Passive) không tích hợp linh kiện điện tử để xử lý tín hiệu, mà chỉ có chức năng kết nối và tổ hợp tín hiệu từ các đoạn mạng khác nhau Khoảng cách tối đa giữa một máy tính và HUB không được vượt quá một nửa khoảng cách cho phép giữa hai máy tính.
HUB chủ động (HUB – Active) là thiết bị điện tử có khả năng khuếch đại và xử lý tín hiệu, giúp tăng cường khoảng cách kết nối giữa các thiết bị.
HUB thông minh (Intelligent Hub): Là hub chủ động nhưng có thêm các chức năng mới sau:
Có chức năng tiếp nhận và chuyển tiếp các tín hiệu dữ liệu, thường được dùng nối 2 đoạn cáp
Bridge là một thiết bị mạng linh hoạt hơn so với repeater Khác với repeater, bridge chỉ chuyển tiếp các tín hiệu có đích cụ thể trong mạng Ethernet, giúp mở rộng mạng một cách hiệu quả Ngoài ra, bridge còn có khả năng khuếch đại và tái sinh tín hiệu, nâng cao chất lượng truyền tải dữ liệu.
Thiết bị này có khả năng tổ hợp nhiều tín hiệu để chúng có thể giao tiếp với nhau, và sau đó, khi nhận tín hiệu, thiết bị sẽ tách chúng ra để phục hồi các tín hiệu gốc.
Thiết bị này có chức năng chuyển đổi tín hiệu số thành tín hiệu tương tự và ngược lại, giúp kết nối các máy tính qua đường điện thoại Nó cho phép người dùng trao đổi thư điện tử, truyền tệp, gửi fax và thực hiện các yêu cầu trao đổi dữ liệu một cách hiệu quả.
Bridge là thiết bị thông minh có khả năng thực hiện các thuật toán chọn đường đi tối ưu cho gói tin, hoạt động ở hai tầng Physical và Datalink Trong khi đó, router có thể hoạt động tới tầng 3 (Network), cho phép kết nối nhiều mạng lại với nhau, tạo thành một liên mạng.
Thực hiện bài tập ứng dụng sử dụng phần mềm software
Hệ phần mềm mạng có thể được chia thành nhiều phần, bao gồm phần mềm xử lý giao thức, thư viện và phần mềm giao diện lập trình (API) Ngoài ra, có thể phân loại theo các phần mềm phổ biến như C++, Visual, Win CC, PSDIRECT, RSLinx-RSLogix 5000 và RSNetWorx.
CÁC MẠNG THÔNG DỤNG
AS-Interface
The AS interface is the result of a collaborative development effort by 11 European manufacturers specializing in sensor and actuator technology, including renowned companies such as Siemens, Schneider Electric, Moeller, Festo, Bürkert, and Pepperl.
Sản phẩm này chuyên dùng để kết nối bộ điều khiển trực tiếp với các thiết bị logic như rơ-le đóng cắt, van on/off và cảm biến chuyển mạch thông qua một đường cáp duy nhất.
Chuẩn EN 50295, IEC 62026-2 Hiệp hội ASI International Association hỗ trợ phát triển và ứng dụng
Hình 28: Mô hình mạng ASI International
3.1.2 Yêu cầu & đặc điểm chung: Yêu cầu lưu lượng dữ liệu thấp, tính thời gian thực ngặt nghèo Đơn giản, tiện dụng, giá cả hợp lý Khả năng đồng bộ tải nguồn cho toàn bộ các cảm biến và một phần lớn các cơ cấu chấp hành Bền vững trong môi trường công nghiệp nhưng không đòi hỏi cao về chất lượng đường truyền Cấu trúc mạng tương đối linh hoạt: đường thẳng, cây, hình sao Thực tế của phương pháp nối dây truyền thống: 36% mọi sự cố nhà máy, máy móc là do lỗi lắp đặt, đi dây (số liệu 1997, TU München) ASI giúp tiết kiệm tới 25% chi phí cáp truyền và 30% chi phí tổng thể
3.1.3 Kiến trúc giao thức Đặc điểm hạn chế ở việc trao đổi dữ liệu thuần túy và lượng dữ liệu trao đổi rất nhỏ Toàn bộ việc xử lý giao thức được gói gọn chỉ trong lớp 1 (lớp vật lý) theo mô hình OSI Phương pháp mã hóa bit hoàn toàn mới để thích hợp với đường truyền 2 dây đồng tải nguồn và không dựa vào chuẩn truyền dẫn RS-485 thông dụng ở các hệ thống bus khác
3.1.4 Cấu trúc mạng & cáp truyền Cấu trúc đường thẳng, cây, hình sao Không yêu cầu trở đầu cuối Chiều dài tổng cộng của cáp truyền cho phép tối đa là100 mét Số trạm tớ tối đa trong một mạng là 31, tương ứng với tối đa 124 thiết bị (mỗi trạm tớ ghép nối được tối đa 4 thiết bị) Version 2: Tối đa 64 trạm/mạng Tốc độ truyền 167 kbit/s, tương đương với thời gian bit là 6 μs
Hình 29: Sơ đồ mạng AS-INTERFACE
Master/slave, phương pháp hỏi đáp tuần tự (polling), tuần hoàn
Chủ yếu là dữ liệu logic (tối đa 4 bit dữ liệu vào/ra trong một bức điện)
Thời gian tối đa cho một chu kỳ bus không vượt quá 5 ms với 31 trạm kết nối Phiên bản 2.0 cho phép truyền dữ liệu tương tự, với tổng thời gian là 35 giây (7 chu kỳ bus x 5 ms).
Trạm chủ cũng có thể gửi kèm các thông báo khác mà không gây ảnh hưởng đáng kể tới thời gian chu kỳ bus
Để thực hiện quy trình, bạn cần thực hiện các bước sau: đầu tiên, đặt tham số và địa chỉ; sau đó, reset trạm tớ và xóa địa chỉ mặc định Tiếp theo, đọc cấu hình vào ra, mã căn cước và trạng thái, cuối cùng là xóa trạng thái.
Hình 30: Cấu trúc bức điện trong mạng AS-i
3.1.7 Mã hóa bit APM (Alternate Pulse Modulation): Kết hợp giữa AFP và mã Manchester
Hình 31: Sơ đồ mã hóa bit mạng AS-INTERFACE
Lớp 1 chịu trách nhiệm hoàn toàn trong việc kiểm tra lỗi, dựa vào bit chẵn/lẻ kết hợp với phương pháp mã hóa bit hợp lý Trong một chu kỳ bit (6 μs) tín hiệu trên đường truyền được bộ thu lấy mẫu 16 lần => Nhận biết dạng tín hiệu theo mã APM
Mỗi bức điện đều có chiều dài cố định, có bit đầu, bit cuối, ngăn cách bằng một thời gian nghỉ, kiểm tra bằng một bit chẵn lẻ.
Profibus
PROFIBUS (Process Field Bus) là một công nghệ tự động hóa tiên tiến, được phát triển tại Đức từ năm 1987 với các tiêu chuẩn ban đầu là DIN 19245 và EN 50 170, hiện nay tuân theo IEC 61158 và IEC 61784 Đây không chỉ là một hệ thống truyền thông mà còn là một hệ thống bus trường hàng đầu, được sử dụng rộng rãi tại Việt Nam.
Hỗ trợ bởi PROFIBUS Nutzerorganisation (PNO), từ năm 1995 nằm trong PROFIBUS International (PI) với hơn 1.100 thành viên trên toàn thế giới
- PROFIBUS-FMS (Fieldbus Message Specification)
Bảng so sánh giữa 3 loại của mạng profibus
Profibus - FMS Profibus - DP Profibus - PA
Application Cell level Field level Field level
Connectable devices PLC, PG/PC, field devices
PLC, PG/PC, binary and analog field devices, drives valves, OPs
Field devices for areas subject to explosion hazards
Resp times < 60ms 1 – 5 ms
