Bài giảng PLC và mạng công nghiệp: Chương 7 - Mạng công nghiệp và giao thức kết nối được biên soạn bao gồm các nội dung chính sau: Cơ sở truyền thông công nghiệp; Cấu trúc mạng truyền thông công nghiệp; Các mạng công nghiệp thường dùng; Một số vấn đề trong tích hợp hệ thống; Một số mô đun truyền thông công nghiệp. Mời các bạn cùng tham khảo chi tiết tại đây.
Trang 1PLC và Mạng Công Nghiệp
PLC and Industrial system
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY
Trang 25 Ngôn ngữ và kỹ thuật lập trình PLC
4 Giới thiệu về lập trình và IEC 61131-3
3 Cấu trúc và nguyên lý làm việc của PLC
2 Tổng hợp và tối thiểu hóa hàm logic
1 Cơ sở điều khiển logic
6 Lập trình nâng cao PLC
Content
7 Mạng truyền thông công nghiệp
Trang 3Content
7 Mạng công nghiệp và giao thức kết nối
7.1 Cơ sở truyền thông công nghiệp
Trang 47.1 Cơ sở của truyền thông công nghiệp
7 Mạng công nghiệp và giao thức kết nối
❑ Mạng công nghiệp (MCN)
Mạng truyền thông công nghiệp hay mạng công nghiệp là khái niệm chung để chỉ
hệ thống mạng truyền thông số, truyền bit nối tiếp, được sử dụng để ghép nối các thiết bị công nghiệp.
❑ Vai trò của MCN
+ 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 thông tin
+ Nâng cao tính linh hoạt, tính năng mở của hệ thống
+ Đơn giản hóa việc tham số hóa, chẩn đoán, định vị lỗi, sự cố của các thiết bị
+ Mở ra nhiều chức năng và khả năng ứng dụng mới của hệ thống
Trang 57 Mạng công nghiệp và giao thức kết nối
❑ Truyền thông, truyền dữ liệu, truyền tín hiệu
+ Thông tin cần trao đổi giữa các đối tác được mã hóa trước khi được một hệ
thống truyền dẫn tín hiệu chuyển tới phía bên kia
+ Mã hóa đường truyền là quá trình tạo tín hiệu tương ứng với các bit trong gói
dữ liệu hay bức điện theo một phương pháp nhất định để phù hợp với đườngtruyền và kỹ thuật truyền
Nguyên tắc cơ bản của truyền thông+ Mã hóa đường truyền đồng nghĩa với mã hóa bit, bởi tín hiệu do khâu mã hóatừng bit tạo ra cũng chính là tín hiệu được truyền dẫn
Trang 67 Mạng công nghiệp và giao thức kết nối
❑ Tốc độ truyền
+ Tốc độ truyền hay tốc độ bit được tính bằng số bit dữ liệu được truyền đi trongmột giây, tính bằng bit/s hoặc bps ( bit per second)
❑ Truyền Bit song song và truyền Bit nối tiếp
+ Phương pháp truyền bit song song (Hình 2.5a) được dùng phổ biến trong các busnội bộ của máy tính như bus địa chỉ, bus dữ liệu và bus điều khiển
+ Tốc độ truyền tải phụ thuộc vào số các kênh dẫn, hay
cũng chính là độ rộng của một bus song song, ví dụ 8 bit,
16 bit, 32 bit hay 64 bit
+ Cần giải Quyết đồng bộ hóa tại nơi phát và nơi nhận tín
Trang 77 Mạng công nghiệp và giao thức kết nối
+ Phương pháp truyền bi nối tiếp, từng bit được chuyển đi một cách tuần tự quamột đường truyền duy nhất
Truyền Bit nối tiếp
+ Tốc độ bit vì thế bị hạn chế, nhưng cách thực hiện lại đơn giản, độ tin cậy của dữliệu cao Tất cả các mạng truyền thông công nghiệp đều sử dụng phương pháptruyền này
Trang 87 Mạng công nghiệp và giao thức kết nối
❑Truyền đồng bộ và không đồng bộ?
❑Truyền một chiều và truyền hai chiều?
Trang 97 Mạng công nghiệp và giao thức kết nối
❑ Phân cấp của hệ thống MCN
7.2 Cấu trúc mạng truyền thông công nghiệp
Trang 107 Mạng công nghiệp và giao thức kết nối
➢ Cấp chấp hành
+ Là cấp nằm tại hiện trường và tất nhiên cấp này nằm sát với dây chuyền sảnxuất nhất Các thiết bị chính trong cấp này là sensor và cơ cấu chấp hành, chúng
có thể được nối mạng trực tiếp hoặc thông qua đường Bus để nối với cấp trên(cấp điều khiển)
+ Hệ thống Bus dùng để kết nối các thiết bị ở cấp hiện trường với cấp điều khiển
gọi là Bus trường (fieldbus),
+ Các sensor và cơ cấu chấp hành được nối trên đường Bus có thể là các thiết bị thông minh hoặc cũng có thể là các thiết bị thông thường có xử dụng thêm các
bộ chuyển đổi giao thức tương thích
+ Điển hình của Bus trường là: Profibus-DP, Profibus-PA, Can, Foundation Fielbus,DeviceNet
Trang 117 Mạng công nghiệp và giao thức kết nối
➢ Cấp điều khiển
+ Gồm các trạm điều khiển hiện trường (FCS), các bộ điều khiển logic lập trình(PLC), các thiết bị quan sát
+ Chức năng thu thập các tín hiệu từ hiện trường, thực hiện điều khiển cơ sở,điều khiển logic, tổng hợp dữ liệu
+ Các thiết bị ở cấp này được kết nối với nhau và kết nối với các thiết bị ở cấptrên (cấp điều khiển giám sát) thông qua Bus hệ thống
+ Điển hình của Bus hệ thống là: Profibus-FMS, ControlNet, Industrial Ethernet
Trang 127 Mạng công nghiệp và giao thức kết nối
➢ Cấp điều khiển giám sát
+ Các thiết bị trong cấp này bao gồm các trạm giao tiếp người máy HIS, các trạmthiết kế kỹ thuật EWS, và các thiết bị phụ trợ khác
+ Chức năng của cấp này là thực hiện điều khiển quá trình (Process Control), thực hiện các thuật toán điều khiển tối ưu
+ Kết nối các thiết bị ở cấp này với các thiết bị ở cấp trên (cấp quản lí kỹ thuật)được thực hiện thông qua mạng Ethernet, thực chất đây là một mạng cục bộ LAN,với tính năng trao đổi thông tin không nhất thiết trong thời gian thực,
Trang 137 Mạng công nghiệp và giao thức kết nối
➢ Cấp điều điều hành SX và quản lý công ty
+ Các cấp này rất quan trọng đối với các hoạt động của công ty, tuy nhiên yêu cầu
về tốc độ trao đổi thông tin cũng như đòi hỏi về thời gian thực là không cao,
+ Chức năng của các cấp này là quản lí tình trạng hoạt động của các thiết bị trongtoàn hệ thống cũng như hoạch định chiến lược phát triển sản xuất dựa trên tìnhtrạng của thiết bị
+ Một số giao thức dùng trong các hệ thống mạng này là Fast Ethernet, TCP/IP
Trang 147 Mạng công nghiệp và giao thức kết nối
❑ Cấu trúc BUS
Trang 157 Mạng công nghiệp và giao thức kết nối
Cấu trúc mạch vòng (tích cực)
+ Cấu trúc mạch vòng được thiết kế sao cho các thành viên trong mạngđược nối từ điểm này đến điểm kia một cách tuần tự trong một mạch vòngkhép kín
+ Mỗi thành viên đều tham gia tích cực vào việc kiểm soát dòng tín hiệu
Trang 167 Mạng công nghiệp và giao thức kết nối
Cấu trúc mạch vòng (tích cực)
+ Cấu trúc mạch vòng được thiết kế sao cho các thành viên trong mạngđược nối từ điểm này đến điểm kia một cách tuần tự trong một mạch vòngkhép kín
+ Mỗi thành viên đều tham gia tích cực vào việc kiểm soát dòng tín hiệu
Trang 177 Mạng công nghiệp và giao thức kết nối
➢ Bus hệ thống 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 (system bus) hay bus quá trình
(process bus)
Do các yêu cầu về tốc độ truyền thông và khả năng kết nối dễ dàngnhiều loại máy tính, hầu hết các kiểu bus hệ thống thông dụng đều dựatrên nền Ethernet, ví dụ Industrial Ethernet, Fieldbus Foundation’s High
Speed Ethernet (HSE), Ethernet/IP.
Trang 187 Mạng công nghiệp và giao thức kết nối
➢ 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 sản xuất với cấp điều khiển giám sát.
Hai loại mạng được dùng phổ biến cho mục đích này là Ethernet
và Token-Ring, trên cơ sở các giao thức chuẩn như TCP/IP và IPX/SPX
Trang 197 Mạng công nghiệp và giao thức kết nối
➢ Mạng công ty nằm trên cùng trong mô hình phân cấp hệ thống truyền thông của một công ty sản xuất công nghiệp
Hai loại mạng được dùng phổ biến cho mục đích này là Ethernet
và Token-Ring, trên cơ sở các giao thức chuẩn như TCP/IP và IPX/SPX
Fast Ethernet, FDDI, ATM là một vài ví dụ công nghệ tiên tiến được áp dụng ở đây trong hiện tại và tương lai.
Trang 207 Mạng công nghiệp và giao thức kết nối
➢Giao thức (Protocol) là một tập hợp các quy tắc được sử dụng tronggiao tiếp giữa hai hoặc nhiều thiết bị
+ Các đối tác truyền thông cần thiết phải tuân theo các quy tắc thủ tụcchung để phục vụ cho việc giao tiếp
+ Quy định một giao thức bao gồm các phần sau:
- Khởi tạo: Phần này khởi tạo các thông số của giao thức và bắt đầu truyền
dữ liệu trên đường truyền
Trang 217 Mạng công nghiệp và giao thức kết nối
- Tạo khung và đồng bộ khung: Phần này định nghĩa thời điểm khởi đầu và thời
điểm kết thúc của khung để bên nhận có thể đồng bộ dữ liệu khi nhận
- Điều khiển luồng dữ liệu: để đảm bảo rằng với tốc độ này thì bên thu có thể
nhận số liệu mà không bị thiếu
- Điều khiển truy cập đường truyền: ứng dụng truyền bán song công
- Sửa lỗi: Các kí thuật ngày nay sử dụng sửa lỗi tổng khối và CRC.
- Điều khiển Time Out: áp dụng với các bộ truyền khi nó không nhận được dữ
liệu trong khoảng thời gian định trước và bộ nhận không thể nhận được cácbản tin trước đó
Trang 227 Mạng công nghiệp và giao thức kết nối
✓ Giao tiếp nối tiếp (Serial Port)
+ Giao tiếp đơn công
+ Giao tiếp song công
Trang 237 Mạng công nghiệp và giao thức kết nối
✓ RS 232
+ RS-232 (tương ứng với chuẩn châu Âu là CCITT V.24) được xây dựng phục vụchủ yếu trong việc ghép nối điểm-điểm giữa hai thiết bị đầu cuối (DTE, DataTerminal Equipment), ví dụ giữa hai máy tính (PC, PLC, v.v ), giữa máy tính vàmáy in, hoặc giữa một thiết bị đầu cuối và và một thiết bị truyền dữ liệu
+ RS-232 sử dụng phương thức truyền không đối xứng, tức là sử dụng tín hiệu điện áp chênh lệch giữa một dây dẫn và đất
+ Khoảng từ 3V đến 15V ứng với giá trị logic 0, khoảng từ -15V đến -3V ứng vớigiá trị logic 1
+ Ba loại giắc cắm RS-232 là DB-9 (chín chân), DB-25 (25 chân) và ALT-A (26chân)
Trang 247 Mạng công nghiệp và giao thức kết nối
+ Giao tiếp nối tiếp DB9
+ Giao tiếp nối tiếp DB25
Trang 257 Mạng công nghiệp và giao thức kết nối
✓ RS 422
✓ RS 485
Trang 267 Mạng công nghiệp và giao thức kết nối
✓ Giao tiếp USB (Universal Serial Bus)
+ Cổng USB 2.0
+ Cổng USB 3.0
Trang 277 Mạng công nghiệp và giao thức kết nối
✓ Modbus là một chuẩn truyền thông công nghiệp được Modicon (Modicon
hiện đã trực thuộc Schneider) phát triển từ năm 1979
+ Modbus là dựa trên nguyên tắc Master – Slave (bên nhận – bên gửi tínhiệu), nhằm truyền dữ liệu từ các thiết bị đầu cuối về PLC hoặc SCADA
+ Hiện nay, trong ngành công nghiệp chúng ta có những chuẩn truyềnthông Modbus phổ biến như: Modbus RTU, Modbus ASCII, Modbus TCP/IP
7.3 Các mạng công nghiệp thường dùng
+ Modbus hay được sử dụng trên các đường truyền RS-232 ghép nối giữacác thiết bị dữ liệu đầu cuối (PLC, PC, RTU) với thiết bị truyền dữ liệu(Modem)
+ 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 cấphiện trường
Trang 287 Mạng công nghiệp và giao thức kết nối
Trang 29➢Modbus RTU hoạt động dựa trên nguyên tắc Master – Slave, tức là
một bên nhận tín hiệu (Master) và một bên truyền tín hiệu (Slave)thông các địa chỉ thanh ghi
+ Modbus RTU sử dụng phương thức truyền bằng đường truyền vật lýnhư RS232/RS485
+ Modbus RTU được mã hóa dạng nhị phân với 1 byte dữ liệu và mộtbyte truyền thông với tốc độ truyền 9600 – 57600 baud
➢Modbus ASC II được mã hóa dạng hexadecimal – 4 bit, cần 2 byte
truyền thông cho một byte thông tin
+ Với loại Modbus này, người dùng có thể đọc được trực tiếp các góitin mà không cần thông qua các thiết bị Master
+ Modbus ASCII không thể giao tiếp được với Modbus RTU và ngượclại
Trang 307 Mạng công nghiệp và giao thức kết nối
➢Modbus TCP/IP có nguyên tắc hoạt động giống với Modbus RTU, chỉ khác là
Modbus TCP sử dụng phương thức truyền qua internet hay có tên gọi khác làModbus IP tương ứng với một địa chỉ IP Và đây đang và đã trở thành xu hướng
mà các nhà lập trình yêu thích và sử dụng ở thời điểm hiện tại và tương lai
+ TCP (Transmission Control Protocol):là giao thức điều khiển đường truyền
+ IP (Internet Protocol): là giao thức Internet
+ MODBUS TCP là MODBUS qua Ethernet (RJ45)
Trang 317 Mạng công nghiệp và giao thức kết nối
✓ DeviceNet là một mạng cấp thiết bị mở dựa trên công nghệ CAN
+ Thiết kế để giao tiếp các thiết bị cấp trường (như cảm biến, công tắc, đầuđọc mã vạch, màn hình, v.v.) với bộ điều khiển cấp cao hơn (như PLC) vớiviệc áp dụng duy nhất giao thức CAN cơ bản
+ Có thể hỗ trợ lên đến 64 nút và hỗ trợ tổng cộng 2048 thiết bị
Trang 327 Mạng công nghiệp và giao thức kết nối
✓HART (Highway Addressable Remote Transducer) là một giao thức mạng điềukhiển quá trình mở, chồng tín hiệu truyền thông kỹ thuật số lên đầu các tín hiệu4-20mA bằng cách sử dụng kỹ thuật Bell 202 Frequency Shift Keying (FSK)
+Mạng truyền thông HART được sử dụng chủ yếu trong các ứng dụng SCADA.
+ HART là giao thức mạng truyền thông duy nhất tạo điều kiện cho cả giao tiếp
kỹ thuật số – tương tự hai chiều cùng một lúc trên cùng một hệ thống dây
+ Tín hiệu HART mang thông tin chẩn đoán, cấu hình thiết bị, hiệu chuẩn và cácphép đo khác…
Trang 337 Mạng công nghiệp và giao thức kết nối
✓ ControlNet là một mạng điều khiển mở, sử dụng Giao thức Công nghiệp
Chung (CIP) để kết hợp chức năng của mạng peer-to-peer và mạng I/O và
cung cấp hiệu suất tốc độ cao
+ ControlNet được thiết kế để sử dụng trên cả cấp độ thiết bị và cấp trường của
hệ thống tự động hóa công nghiệp
+ Nó được sử dụng để truyền
dữ liệu thời gian thực của dữ
liệu quan trọng về thời gian
cũng như không quan trọng về
thời gian giữa các I/O hoặc bộ
xử lý trên cùng một mạng
Trang 347 Mạng công nghiệp và giao thức kết nối
✓ ProfiNet là từ viết tắt của cụm từ Process Field Net, là một tiêu chuẩn truyềnthông công nghiệp để truyền dữ liệu qua Ethernet nhằm thu thập dữ liệu và điềukhiển các thiết bị trong các hệ thống công nghiệp
+ PROFINET IO triển khai các giao tiếp với các thiết bị ngoại vi kết nối trường, dựatrên cơ sở xếp tầng thời gian thực
+ PROFINET IO định nghĩa toàn bộ quá trình trao đổi dữ liệu giữa các bộ điềukhiển (bộ điều khiển IO) và các thiết bị (thiết bị IO), cũng sẽ chuẩn đoán và thiếtlập thông số
Trang 357 Mạng công nghiệp và giao thức kết nối
✓ PROFIBUS là từ viết tắt của cụm từ Process Field Bus là một chuẩn cho truyềnthông Fieldbus trong kỹ thuật tự động hóa và được phát triển lần đầu vào năm
1989 bởi BMBF (phòng giáo dục và nghiên cứu Đức) và sau đó được sử dụngbởi Siemens
PROFILBUS
Chiều dài và tốc độ tối đa của Profibus
PROFIBUS phân biệt hai loại thiết bị chính là trạm chủ (master) và trạm tớ (slave)
Trang 367 Mạng công nghiệp và giao thức kết nối
+ PROFIBUS-FMS (Fieldbus Message Specification) cho phép thực hiện các hoạt
động giao tiếp hướng đối tượng theo cơ chế Client/Server
PROFIBUS FMS: là một bus điều khiển được sử dụng để giao tiếp giữa DCS và
các hệ thống PLC
+ PROFIBUS-DP cho phép sử dụng cấu hình một trạm chủ (Mono- Master) hoặc
nhiều trạm chủ (Multi-Master)
PROFIBUS DP được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay cho các đối tượng như hệ
thống I/O, điều khiển động cơ và biến tần
PROFIBUS DP truyền thông với tốc độ từ 9,6 Kbp -12 Mbp trong phạm vi từ
100-1200m
PROFIBUS DP được thiết kế để truyền dữ liệu tốc độ cao tại cấp thiết bị
PROFIBUS DPhoạt động trên giao diện RS485 chuẩn
Trang 377 Mạng công nghiệp và giao thức kết nối
+ PROFIBUS-PA cho phép nối mạng các thiết bị đo lường và điều khiển tự động
trong các ứng dụng công nghiệp chế biến bằng một cáp đôi dây xoắn duy nhất, sửdụng tốc độ truyền cố định là 31.25 kbit/s
PROFIBUS-PA cũng cho phép thực hiện bảo trì, bảo dưỡng cũng như thay thế các trạm thiết bị trong khi vận hành
Trang 387 Mạng công nghiệp và giao thức kết nối
Cấu hình ghép nối Profibus DP/PA
Trang 397 Mạng công nghiệp và giao thức kết nối
✓ CC-Link là 1 mạng lưới Fieldbus xử lý cả hai chu kỳ dữ liệu I / O dữ liệu
và các dữ liệu tham số mạch hở với tốc độ cao
+ CC-Link là 1 Fieldbus cho mạng truyền thông tốc độ cao giữa các bộđiều khiển và thiết bị trường thông minh như I/Os, cảm biến và bộtruyền động
+CC-Link/LT bổ sung cho hệ thống CC-Link Fieldbus với phiên bản tối
ưu hóa cho truyền thông I/O cấp thấp
Trang 407.4 Truyền thông giữa 2 PLC S7-1200
7 Mạng công nghiệp và giao thức kết nối
✓ Truyền thông qua Erthernet