tìm hiểu về giao diện, giao thức các hệ thống mạng trong công nghiệp

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT LCS Local control station ; Trạm điều khiển cục bộ LCU local control unit ; Khối điều

Trang 1

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

- -

NGUYỄN HOÀNG ĐỨC

TÌM HIỂU VỀ GIAO DIỆN GIAO THỨC CÁC HỆ THỐNG

MẠNG TRONG CÔNG NGHIỆP

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH

Thái nguyên, 10/2011

Trang 2

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

- -

NGUYỄN HOÀNG ĐỨC

TÌM HIỂU VỀ GIAO DIỆN GIAO THỨC CÁC HỆ THỐNG

MẠNG TRONG CÔNG NGHIỆP

CHUYÊN NGÀNH: KHOA HỌC MÁY TÍNH

MÃ SỐ : 60 48 01

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS PHÍ MẠNH LỢI

Thái nguyên, 10/2011

Trang 3

LỜI CAM ĐOAN

Tôi tên là : Nguyễn Hoàng Đức

Tôi cam đoan rằng, luận văn thạc sĩ “Tìm hiểu về giao diện, giao thức các

hệ thống mạng trong công nghiệp” là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các

thông tin, số liệu được sử dụng trong luận văn là trung thực và chính xác, những số liệu được sử dụng được chỉ rõ nguồn trích dẫn trong danh mục tài liệu tham khảo Kết quả nghiên cứu này chưa được công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào

từ trước đến nay

Thái nguyên, ngày 20/09/2011

Học viên

Nguyễn Hoàng Đức

Trang 4

Để hoàn thành chương trình cao học và viết luận văn này, tôi đã nhận được

sự hướng dẫn, giúp đỡ và góp ý nhiệt tình của quý thầy cô Trường Đại Học Công Nghệ Thông Tin và Truyền Thông, các Thầy trong Viện Công Nghệ Thông Tin Việt Nam

Tôi xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến Tiến sĩ Phí Mạnh Lợi đã dành rất nhiều thời gian và tâm huyết hướng dẫn nghiên cứu và giúp tôi hoàn thành luận văn tốt nghiệp Nhân đây, tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu Trường Đại Học Công Nghệ Thông Tin và Truyền Thông – Đại học Thái Nguyên đã tạo rất nhiều điều kiện để tôi học tập và hoàn thành tốt khóa học

Mặc dù tôi đã có nhiều cố gắng hoàn thiện luận văn bằng tất cả sự nhiệt tình

và năng lực của mình, tuy nhiên không thể tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được những đóng góp quí báu của quí thầy cô và các bạn

Thái nguyên, tháng 10 năm 2011

Học viên

Nguyễn Hoàng Đức

Trang 5

1.2 Chức năng và một số giao thức chuẩn áp dụng trong hệ thống SCADA: 4

1.2.2 Một số giao thức chuẩn áp dụng trong hệ thống SCADA: 5 1.3 Các thành phần của một hệ điều khiển phân tán 5

Trang 6

2.1.1 Truyền dẫn sử dụng tín hiệu đơn (Single-Ended) 26 2.1.2 Truyền dẫn sử dụng tín hiệu vi sai (Differential) 27 2.1.3 Khả năng chống nhiễu giữa tín hiệu đơn và tín hiệu vi sai 27

2.3.5 Giả ngẫu nhiên, nén phổ và thông tin trái phổ 31 2.4 Cấu hình mạng: Star, Ring, Bus, Optical Cable 36

Trang 7

2.7 Giao thức

2.7.2.3 Các chế độ truyền thông nối tiếp Modbus 60

2.7.2.7 Ví dụ một số khung tin của Modbus 62

2.7.4 Giao thức IEC870-5-101; 103; 104; ICCP và ELCOM90 64

2.7.6 Quan hệ giữa giao thức lớp thấp và lớp cao 71

Chương 3 : Hệ thống mạng công nghiệp và ứng dụng xây dựng bộ cảnh

3.2 Phân loại và đặc trưng các hệ thống mạng công nghiệp 80

Trang 8

Trang 9

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

LCS Local control station ; Trạm điều khiển cục bộ

LCU local control unit ; Khối điều khiển cục bộ

OS operator station, trạm vận hành

ES engineering station, Trạm kỹ thuật

PS process station, trạm quá trình(xử lý)

CPU Center Processing Unit; Bộ xử lý trung tâm

DCS Distributed Control Systems; Hệ thống điều khiển phân tán

COP Character Oriented Protocol; Giao thức truyền tin dạng ký tự

BOP Bit (Binary) Oriented Protocol ; Giao thức truyền tin dạng Bít

OSI Reference Model for Open Systems Interconnection

Mô hình tham chiếu cho việc kết nối các hệ thống mở SCADA Supervisory Control and Data Acquisition

Hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu RTU Remote Terminal Unit ; Là một thiết bị được điều khiển bằng bộ vi xử lý

PLC Programmable Logic Controller

là một thiết bị được điều khiển bằng chương trình (phần mềm) I/O (In put/Out put)

ECC Error checking and correcting ; Kiểm tra lỗi và sửa lỗi

DTE Data Terminal Equipement ; Thiết bị đầu cuối dữ liệu

DCE Data Communication Equipement; Thiết bị đầu cuối viễn thông

TCP/IP Transmission Control Protocol/ Internet Protocol

Giao thức điều khiển/ Giao thức Internet CRC Cyclic Redundancy Check ; Phương pháp mã đa thức hay mã vòng

SSC Spread Spectrum Communication - Thông tin trải phổ

PR Pseudo Random - Giả ngẫu nhiên

GPS Global Positioning Systeem - Hệ thống định vị toàn cầu (USA)

GLONASS Глoбальная Нaвигационная Спутниковая Система –

Hệ thống dẫn đường vệ tinh toàn cầu (Liên xô/Nga) CDMA Code Division Multiple Access ; đa truy nhập (đa người dùng) phân chia theo mã CSMA/CD Carrier sense Multiple Access with Collision Detect

đa truy cập nhận biết sóng mang, phát hiện xung đột CSMA/CA Carrier sense Multiple Access with Collision Avoidance

đa truy cập nhận biết sóng mang , tránh xung đột LAN Local Area Network – Mạng cụ bộ

Trang 10

Wireless LAN LAN không dây

Hình 2.1 Khả năng chống nhiễu giữa truyền tín hiệu đơn và tín hiệu vi sai 27

Hình 3.1 Mô hình phân cấp chức năng công ty sản xuất công nghiệp 80

Trang 11

Hình 3.4 Đấu nối nguồn nuôi, tín hiệu vào DI, tín hiệu ra SCADA và cổng RS232 93

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.2 Cách đấu nối chuyển đổi cổng nối tiếp 9 chân sang 25 chân 43

Bảng 2.4 Bảng quy chiếu tính năng của các giao diện cơ bản trong hệ thống

Trang 12

MỞ ĐẦU

Ngày nay với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ trong công nghiệp, hoạt động sản xuất đã được tự động hóa ở mức độ cao, ở đó sự tham gia rất hiệu quả của công nghệ thông tin

Các dây chuyền sản xuất công nghiệp được cấu thành từ nhiều phân hệ độc lập nhưng được tự động liên kết thống nhất với nhau trong sự kiểm soát chặt chẽ không chỉ ở qui trình công nghệ cụ thể mà còn ở trình độ quản lý từ tối ưu sản xuất đến tối ưu về công tác tiêu thụ (thị trường)

Điều đó được thực hiện trên cơ sở kết nối tất cả cả các phân hệ trong dây chuyền sản xuất và tiêu thụ qua hệ thống mạng, được gọi là mạng công nghiệp

Về cơ bản mạng công nghiệp có cùng chức năng như các loại mạng nói chung khác Tuy nhiên do đặc thù của sản xuất công nghiệp, các sự kiện xảy ra trên toàn bộ dây chuyền sản xuất hoàn toàn trong thời gian thực, đỏi hỏi độ tin cậy, xác thực, mở và thống nhất rất cao Một lỗi kết nối có thể là bình thường ở một mạng văn phòng, nhưng có thể phải trả giá rất lớn về ở một mạng công công nghiệp

- Các dây chuyền sản xuất của hệ thống điều khiển tự động ngày nay được xây dựng dưới dạng các hệ thống điều khiển phân tán DCS

Trang 13

- Ở đó hệ thống được phân chia thành các phân hệ liên kết với nhau bởi công nghệ mạng theo các tiêu chuẩn khác nhau

- Việc trao đổi thông tin giữa các phân hệ được thông qua các giao diện, giao thức truyền tin

Xuất phát từ những lý do đó nên em chọn đề tài: ―Tìm hiểu về giao diện, giao thức các hệ thống mạng trong Công nghiệp‖ với sự hướng dẫn của Thầy

giáo TS Phí Mạnh Lợi Viện CNTT Việt Nam

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu của đề tài là các giao diện, giao thức và các hệ thống mạng và khả năng áp dụng trong các ứng dụng công nghiệp

- Phạm vi nghiên cứu của đề tài là:

 Các giao diện: RS232, RS485, Ethernet, …

 Các phương pháp nâng cao độ tin cậy kết nối

 Các phương pháp truy cập

 Các giao thức : MODBUS, 101, 103,

IEC870-5-104, ICCP, ELCOM90, TCP/IP,

 Cấu hình các hệ thống SAS/DCS, SCADA,

Hướng nghiên cứu của đề tài

 Tìm hiểu về yêu cầu và cấu trúc cơ bản của một hệ thống điều khiển giám sát

 Tìm hiểu về các giao diện, các phương thức truyền tin

 Tìm hiểu về các giao thức truyền tin áp dụng trong các hệ thống mạng trong công nghiệp

 Tìm hiểu các ưu, nhược điểm và đặc điểm của các hệ thống mạng trong công nghiệp

Trang 14

Trang 15

Chương 1

Hệ thống điều khiển phân tán

Hệ thống SCADA và phân cấp quản lý

Hiểu theo nghĩa đầy đủ, hệ thống Điều khiển kiểm soát và thu thập dữ liệu (SCADA) trong công nghiệp cho phép điều khiển giám sát hoạt động của các hệ thống công nghệ, bao gồm quá trình sản xuất tại các nhà máy xí nghiệp trong toàn ngành, cho tới giám sát từ xa tại các Trung tâm điều hành các cấp và cả công tác điều hành thị trường

Do được cấu thành từ rất nhiều phân hệ và được trải ra trên không gian địa lý rộng lớn, hệ thống SCADA là điển hình của hệ thống điều khiển phân tán

Hệ thống SCADA thường có phân cấp quản lý như sau:

a Cấp hiện trường

b Cấp nhà máy

c Cấp vùng miền

d Cấp ngành Cấp hiện trường quản lý dây chuyền công nghệ sản xuất trong một nhà máy xí nghệp nhất định

Cấp nhà máy quản lý toàn bộ quá trình sản xuất của nhà máy, bao gồm quản lý cấp hiện trường và các quản lý khác thuộc nhà máy xí nghiệp

Vị trí của cấp hiện trường và cấp nhà máy đặt tại nhà máy xí nghiệp

Cấp vùng miền quản lý nhiều nhà máy xí nghiệp trong vùng được phân công quản lý Ở Việt nam cấp này có vị trí đặt ở trung tâm vùng miền

Cấp ngành quản lý chung quá trình sản xuất và thị trường của toàn ngành Đây

là cấp quản lý cao nhất đối với ngành

Nhà nước thực hiện công tác quản lý ngành thông qua cấp này

Trang 16

Có 2 yêu cầu lớn đối với hệ thống SCADA:

a Là hệ thống phức tạp đắt tiền nên các thành phần của SCADA được cung cấp bởi nhiều nhà sản xuất Do đó có yêu cầu cao về chuẩn hóa thiết bị, đặc biệt là về các giao diện và giao thức

b Do được trải ra trên không gian địa lý rộng lớn nên cần nhiều dịch vụ viễn thông để kết nối các phân hệ của hệ thống SCADA

Hình 1.1 – Tổng quan hệ thống SCADA

1.1 Chức năng và một số giao thức chuẩn áp dụng trong hệ thống SCADA: 1.2.1 Chức năng chính của hệ thống SCADA:

Hệ thống SCADA có một số chức năng chính sau đây:

 + Chức năng thu thập dữ liệu

 +Chức năng điều khiển, điều chỉnh (tại chỗ và từ xa)

 + Chức năng tạo các cảnh báo

 + Chức năng tạo các biểu đồ, đồ thị

 +Chức năng lưu trữ và truy xuất số liệu và thông tin

 +Chức năng trung chuyển số liệu và thông tin (lên cấp quản lý cao hơn)

Trang 17

Ngày nay các hệ thống điều khiển kiểm soát không chỉ là hệ thống quản lý thuần túy kỹ thuật Vai trò của hệ thống SCADA cũng chỉ quản lý hạ tầng kỹ thuật với các phần mềm tương ứng Các hệ thống SCADA nói trên cần được tích hợp thêm các ứng dụng kinh tế - kỹ thuật và thị trường Đối với ngành năng lượng hệ thống như vậy được gọi là SCADA/EMS (EMS tiếng Anh có nghĩa là Energy Management System) Đây là chức năng mới và đang bắt đầu được ứng dụng tại Việt nam

1.2.2 Một số giao thức chuẩn áp dụng trong hệ thống SCADA:

Kết nối dữ liệu trong hệ thống SCADA hiện nay thường tuân thủ một số giao thức sau

- Giữa RTU với với dây chuyền công nghệ sử dụng giao thức IEC870-5-103 hoặc giao thức của nhà sản xuất

- Giữa SAS/DCS với IED sử dụng giao thức MODBUS trên RS485/RS232,

- Giữa GateWay của SAS/DCS với CC sử dụng giao thức IEC870-5-101 trên RS232/Modem hoặc giao thức IEC870-5-104 qua mạng TCP/IP (giao diện Ethernet)

- Giữa CC với CC sử dụng giao thức ICCP hoặc ELCOM90

- Giữa CC với hệ thống quản lý thị trường sử dụng giao thức ICCP hoặc ELCOM90,

1.3 Các thành phần của một hệ điều khiển phân tán

- Các trạm vận hành (operator station, OS)

- Trạm kỹ thuật (engineering station, ES) và các công cụ phát triển

Trang 18

- Hệ thống truyền thông (field bus, system bus)

Hình 1.2: Cấu hình cơ bản của một hệ điều khiển phân tán

Đây là cấu hình tối thiểu, các cấu hình cụ thể có thể chứa các thành phần

khác như trạm vào/ra từ xa (remote I/O station), các bộ điều khiển chuyên dụng,

1.3.2 Trạm điều khiển cục bộ

Thông thường, các trạm điều khiển cục bộ được xây dựng theo cấu trúc module Các thành phần chính bao gồm:

- Bộ cung cấp nguồn, thông thường có dự phòng

- Khối xử lý trung tâm (CPU), có thể lựa chọn loại có dự phòng

- Giao diện với bus hệ thống, thông thường cũng có dự phòng

- Giao diện với bus trường nếu sử dụng cấu trúc vào/ra phân tán

- Các module vào/ra số cũng như tương tự, đặc biệt là các module vào/ra an toàn cháy nổ

Trong cấu trúc vào/ra tập trung, các module vào/ra được nối với CPU thông

qua bus nội bộ đằng sau giá đỡ (backplane-bus) Chính vì vậy, các module này cũng

phải do nhà sản xuất cung cấp kèm theo CPU

Trang 19

Trong các hệ thống điều khiển quá trình, một trạm điều khiển cục bộ cũng thường được cài đặt giao diện HART và các module ghép nối phụ kiện khác

Các thiết bị này được lắp đặt trong tủ điều khiển cùng với các linh kiện hỗ trợ khác như hàng kẹp đấu dây, các bộ chuyển đổi tín hiệu (transducers), các khối đầu cuối (terminal blocka), Các tủ điều khiển thường được đặt trong phòng điều khiển/phòng điện ở bên cạnh phòng điều khiển trung tâm hoặc gần khu vực hiện trường

Các chức năng do trạm điều khiển cục bộ đảm nhiệm bao gồm:

- Điều khiển quá trình (process control): Điều khiển các mạch vòng kín (nhiệt độ, áp suất, lưu lượng, độ pH, độ đậm đặc, ) Hầu hết các mạch vòng đơn được điều khiển trên cơ sở luật PID, giải quyết bài toán điều khiển điều chỉnh, điều khiển tỉ lệ, điều khiển tầng Các hệ thống hiện đại cho phép điều khiển mờ, điều khiển dựa mô hình (model-based control),điều khiển thích nghi,

- Điều khiển trình tự (sequential control, sequence control)

- Điều khiển logic

- Thực hiện các công thức (recipe control)

- Đặt các tín hiệu đầu ra về trạng thái an toàn trong trường hợp có sự cố

- Lưu trữ tạm thời các tín hiệu quá trình trong trường hợp mất liên lạc với trạm vận hành

- Nhận biết các trường hợp vượt ngưỡng giá trị và tạo các thông báo báo động Chính vì đây là thành phần quan trọng nhất trong hệ thống, đại đa số các trạm điều khiển cục bộ có tính năng kiểm tra và sửa lỗi (error checking and correcting, ECC), cũng như cho phép lựa chọn cấu hình dự phòng Một điều quan trọng là một trạm điều khiển cục bộ phải có khả năng đảm bảo tiếp tục thực hiện các chức năng nói trên trong trường hợp trạm vận hành hoặc đường truyền bus hệ thống có sự cố

Trang 20

Các máy tính điều khiển có thể là máy tính đặc chủng của nhà cung cấp (vendor-specific controller), PLC hoặc máy tính cá nhân công nghiệp Dựa trên cơ

sở này có thể phân loại các hệ thống điều khiển phân tán có mặt hiện nay trên thị trường thành các hệ truyền thống (sau đây gọi là DCS truyền thống), các hệ trên nền PLC (PLC-based DCS) và các hệ trên nền PC (PC-based DCS)

Bất kể chủng loại thiết bị nào được sử dụng, các yêu cầu quan trọng nhất về mặt kỹ thuật được đặt ra cho một trạm điều khiển cục bộ là:

- Tính năng thời gian thực

- Độ tin cậy và tính sẵn sàng

- Lập trình thuận tiện, cho phép sử dụng/cài đặt các thuật toán cao cấp

- Khả năng điều khiển lai (liên tục, trình tự và logic)

1.3.3 Bus trường và các trạm vào/ra từ xa

Khi sử dụng cấu trúc vào/ra phân tán, các trạm điều khiển cục bộ sẽ được bổ sung các module giao diện bus để nối với các trạm vào/ra từ xa (remote I/O station)

và một số thiết bị trường thông minh Các yêu cầu chung đặt ra với bus trường là tính năng thời gian thực, mức độ đơn giản và giá thành thấp

Bên cạnh đó, đối với môi trường dễ cháy nổ còn các yêu cầu kỹ thuật đặc biệt khác về chuẩn truyền dẫn, tính năng điện học của các linh kiện mạng, cáp truyền, Các loại bus trường được hỗ trợ mạnh nhất là Profibus-DP, Foundation Fieldbus, DeviceNet và AS-I Trong môi trường đòi hỏi an toàn cháy nổ thì Profibus-PA và Foundation Fieldbus H1 là hai hệ được sử dụng phổ biến nhất

Khác với cấu trúc vào/ra tập trung, cấu trúc vào/ra phân tán cho phép sử dụng các trạm vào/ra từ xa của các nhà cung cấp khác với điều kiện có hỗ trợ loại bus trường qui định Tuy nhiên, để có thể khai thác tối đa khả năng các công cụ phần mềm tích hợp và đảm bảo tương thích hoàn toàn giữa các thành phần trong một hệ DCS, việc dùng trọn sản phẩm của một hãng vẫn là giải pháp an toàn nhất

Trang 21

Bên cạnh phương pháp ghép nối thiết bị điều khiển với quá trình kỹ thuật thông qua các module vào/ra, ta có thể sử dụng các cảm biến hoặc cơ cấu chấp hành

có giao diện bus trường Qua đó có thể đơn giản hóa cấu trúc hệ thống hơn nữa, tiết kiệm chỗ trong tủ điều khiển và nâng cao tính năng thời gian thực của hệ thống do tận dụng được khả năng xử lý thông tin của các thiết bị trường

Hình 1-3 là hình ảnh một số tủ điều khiển DCS Hình bên trái là một trạm PCS7 (Siemens) với bộ điều khiển lắp đặt cùng các module vào/ra phân tán Hình giữa minh họa một trạm vào/ra từ xa lắp độc lập Tủ điều khiển bên phải minh họa trạm điều khiển cục bộ DeltaV (Fisher-Rosermount) sử dụng giải pháp Foundation Fieldbus (không cần các module các vào/ra)

1.3.4 Trạm vận hành

Trạm vận hành và trạm kỹ thuật được đặt tại phòng điều khiển trung tâm Các trạm vận hành có thể hoạt động song song, độc lập với nhau Để tiện cho việc vận hành hệ thống, người ta thường sắp xếp mỗi trạm vận hành tương ứng với một phân đoạn hoặc một phân xưởng Tuy nhiên, các phần mềm chạy trên tất cả các trạm hoàn toàn giống nhau, vì thế trong trường hợp cần thiết mỗi trạm đều có thể thay thế chức năng của các trạm khác

Các chức năng tiêu biểu của một trạm vận hành gồm có:

Hình 1-3 : Một số hình ảnh tủ điều khiển DCS

Trang 22

- Hiển thị các hình ảnh chuẩn (hình ảnh tổng quan, hình ảnh từng mạch vòng, hình ảnh điều khiển trình tự, các đồ thị thời gian thực và đồ thị quá khứ)

- Hiển thị các hình ảnh đồ họa tự do (lưu đồ công nghệ, các phím điều khiển)

- Hỗ trợ vận hành hệ thống qua các công cụ thao tác tiêu biểu

- Tạo và quản lý các công thức điều khiển (cho điều khiển mẻ)

- Xử lý các sự kiện, sự cố

- Chẩn đoán hệ thống, hỗ trợ người vận hành và bảo trì hệ thống

- Xử lý, lưu trữ và quản lý dữ liệu, Hỗ trợ lập báo cáo tự động

Khác với các trạm điều khiển, hầu hết các hệ DCS hiện đại đều sử dụng các sản phẩm thương mại thông dụng như máy tính cá nhân (công nghiệp) chạy trên nền WindowsNT/2000, hoặc các máy tính trạm chạy trên nền UNIX

Cùng với các màn hình màu lớn (thường là 19inch) với độ phân giải cao để theo dõi quá trình sản xuất, một trạm vận hành hiện đại bao giờ cũng có các thiết bị thao tác chuẩn như bàn phím và chuột Một trạm vận hành có thể bố trí theo kiểu một người sử dụng (một hoặc nhiều màn hình), hoặc nhiều người sử dụng với với

nhiều Terminals (Hình 1-4)

Các phần mềm trên trạm vận hành bao giờ cũng đi kèm đồng bộ với hệ thống, song thường hỗ trợ các chuẩn phần mềm và chuẩn giao tiếp công nghiệp như TCP/IP, DDE (Dynamic Data Exchange), OLE (Object Linking and Embedding), ODBC (Open Data Base Connection), OPC (OLE for Process Control)

Hình 1-4 : Các phương pháp bố trí trạm vận hành

Trang 23

Đặc điểm tiêu biểu của các trạm vận hành hiện đại là sử dụng kỹ thuật giao diện người-máy kiểu đa cửa sổ với các phần tử giao diện chuẩn Tuy nhiên, việc thiết kế các màn hình giao diện công nghiệp khác với các giao diện ứng dụng văn phòng, đòi hỏi kiến thức tổng hợp về quá trình công nghệ, mỹ thuật công nghiệp, tâm lý học công nghiệp và công nghệ phần mềm

1.3.5 Trạm kỹ thuật và các công cụ phát triển

Trạm kỹ thuật là nơi cài đặt các công cụ phát triển, cho phép đặt cấu hình cho hệ thống, tạo và theo dõi các chương trình ứng dụng điều khiển và giao diện người máy, đặt cấu hình và tham số hóa các thiết bị trường Việc tạo ứng dụng điều khiển hầu hết được thực hiện theo phương pháp khai báo, đặt tham số và ghép nối các khối chức năng có sẵn trong thư viện Cũng như các trạm vận hành, thiết bị sử dụng thông thường là các máy tính cá nhân (công nghiệp) chạy trên nền Windows95/98/NT/2000 hoặc UNIX

Một số đặc tính tiêu biểu của các công cụ phát triển trên trạm kỹ thuật là:

- Các công cụ phát triển được tích hợp sẵn trong hệ thống

- Công việc phát triển (Engineering) không yêu cầu có phần cứng DCS tại chỗ

- Các ngôn ngữ lập trình thông dụng là sơ đồ khối hàm (FBD-Function Block Diagram, hoặc CFC-Continuous Function Chart) và biểu đồ tiến trình (SFC-Sequential Function Chart), tương tự IEC61131-3 FBD () và SFC

- Một dự án có thể do nhiều người cùng phối hợp phát triển song song

- Giao diện với các hệ thống cấp trên (CAD/CAM, MES, PPS, ERP, )

Để việc phát triển hệ thống phần mềm được thuận lợi, các nhà sản xuất cung cấp các thư viện khối hàm chuyên dụng Bên cạnh đó, nhiều nhà sản xuất cũng cung cấp phần mềm mô phỏng để người phát triển hệ thống có thể tạo các đầu vào/ra mô phỏng, giúp cho việc phát triển phần mềm được chắc chắn, an toàn hơn

Trang 24

tế Các hệ thống mạng được sử dụng nhiều nhất là Ethernet, Profibus-FMS và ControlNet

Đặc điểm của việc trao đổi thông tin qua bus hệ thống là lưu lượng thông tin lớn, vì vậy tốc độ đường truyền phải tương đối cao Tính năng thời gian thực cũng

là một yêu cầu được đặt ra (nhất là đối với bus điều khiển), tuy nhiên không nghiêm

Hình 1-5 : Cấu hình tiêu biểu một hệ điều khiển phân tán hiện đại

Trang 25

ngặt như với bus trường Thời gian phản ứng thường chỉ yêu cầu nằm trong phạm vi 0,1s trở lên Số lượng trạm tham gia thường không lớn và nhu cầu trao đổi dữ liệu không có đột biến lớn Vì vậy đối với mạng Ethernet, tính bất định của phương pháp truy nhập bus CSMA/CD thường không phải là vấn đề gây lo nghĩ

1.4 Phân loại các hệ DCS

1.4.1 Các hệ DCS truyền thống

Các hệ này sử dụng các bộ điều khiển quá trình đặc chủng theo kiến trúc riêng của nhà sản xuất Các hệ cũ thường đóng kín, ít tuân theo các chuẩn giao tiếp công nghiệp, các bộ điều khiển được sử dụng cũng thường chỉ làm nhiệm vụ điều khiển quá trình, vì vậy phải sử dụng kết hợp PLC cho các bài toán điều khiển logic và điều khiển trình tự Các hệ mới có tính năng mở tốt hơn, một số bộ điều khiển lai đảm nhiệm cả các chức năng điều khiển quá trình, điều khiển trình tuần tự và điều khiển logic (hybrid controller)

Để hỗ trợ các bài toán điều khiển quá trình diễn ra đồng thời, khối xử lý trung tâm được cài đặt một hệ điều hành thời gian thực, đa nhiệm - hoặc của riêng nhà sản xuất phát triển hoặc một sản phẩm thông dụng như pSOS, TSOS, VRTX, Chu kỳ thời gian nhỏ nhất thực hiện các mạch vòng điều khiển thường nằm trong khoảng 10-100ms, trong trường hợp đặc biệt (ví dụ cho nhà máy điện) có thể tới 1ms Một số sản phẩm tiêu biểu cùng với tên trạm điều khiển cục bộ được liệt kê dưới đây:

- AdvantOCS (ABB): Advant Controller, hệ điều hành riêng

- Freelance 2000 (ABB): D-PS hợc D-FC, hệ điều hành pSOS

- Symphonie (ABB): Melody, hệ điều hành pSOS

- DeltaV (Fisher-Rosermount): Visual Controller, hệ điều hành TSOS

- PlantScape (Honeywell): PlantScape Controller, hệ điều hành riêng

Trang 26

1.4.2 Các hệ DCS trên nền PLC

Thiết bị điều khiển khả trình (PLC, programmable logic controller) là một loại máy tính điều khiển chuyên dụng, do nhà phát minh người Mỹ Richard Morley lần đầu tiên đưa ra ý tưởng vào năm 1968 Dựa trên yêu cầu kỹ thuật của General Motors là xây dựng một thiết bị có khả năng lập trình mềm dẻo thay thế cho mạch điều khiển logic cứng, hai công ty độc lập là Allen Bradley và Bedford Associates (sau này là Modicon) đã đưa ra trình bày các sản phẩm đầu tiên Các thiết bị này chỉ

xử lý được một tập lệnh logic cơ bản, 128 điểm vào/ra (1 bit) và 1kByte bộ nhớ Lúc đầu, cái tên programmable controller, viết tắt là PC, được sử dụng rộng rãi Trong khi đó, programmable logic controller hay PLC là thương hiệu đăng ký của công ty Allen Bradley Sau này, khi máy tính cá nhân trở nên phổ biến thì từ viết tắt PLC hay được dùng hơn để tránh nhầm lẫn

Một số hệ DCS trên nền PLC tiêu biểu là SattLine (ABB), Process Logix (Rockwell), Modicon TSX (Schneider Electric), PCS7 (Siemens),… Thực chất, ngày nay đa số các PLC vừa có thể sử dụng cho bài toán điều khiển logic và điều khiển quá trình Tuy nhiên, các PLC được sử dụng trong các hệ điều khiển phân tán thường có cấu hình mạnh, hỗ trợ điều khiển trình tự cùng với các phương pháp lập trình hiện đại (ví dụ SFC)

Cấu trúc phần cứng

Hình 1-6 minh họa các thành phần chức năng chính của một hệ thống thiết bị

điều khiển quá trình và quan hệ tương tác giữa chúng Về cơ bản, một PLC cũng có các thành phần giống như một máy vi tính thông thường, đó là vi xử lý, các bộ nhớ làm việc và bộ nhớ chương trình, giao diện vào/ra và cung cấp nguồn Tuy nhiên, một điểm khác cơ bản là các thành phần giao diện người-máy như màn hình, bàn phím và chuột không được trang bị ở đây Việc lập trình vì vậy phải được thực hiện gián tiếp bằng một máy tính riêng biệt, ghép nối với CPU thông qua giao diện thiết

bị lập trình (thường là một cổng nối tiếp theo chuẩn RS-232 hoặc RS-485)

Trang 27

Bộ xử lý trung tâm (Central Processing Unit, CPU) bao gồm một hoặc nhiều

vi xử lý, bộ nhớ chương trình, bộ nhớ làm việc, đồng hồ nhịp và giao diện với thiết

bị lập trình, được liên kết với nhau thông qua một hệ bus nội bộ Nhiệm vụ chính của CPU là quản lý các cổng vào/ra, xử lý thông tin, thực hiện các thuật toán điều khiển Bộ nhớ chương trình thường có dạng EPROM (Erasableand Programmable Read Only Memory) hoặc EEPROM (Electrically Erasableand Programmable Read Only Memory), chứa hệ điều hành và mã chương trình ứng dụng Dữ liệu vào/ra cũng như các dữ liệu tính toán khác được lưu trong bộ nhớ làm việc RAM (Random Access Memory) Đồng hồ nhịp có vai trò tạo ngắt cứng để điều khiển chương trình theo chu kỳ, thông thường trong khoảng từ 0,01giây tới 1000 phút

Các thành phần vào/ra (input/ouput, I/O) đóng vai trò là giao diện giữa CPU

và quá trình kỹ thuật Nhiệm vụ của chúng là chuyển đổi, thích ứng tín hiệu và cách

ly galvanic giữa các thiết bị ngoại vi (cảm biến, cơ cấu chấp hành) và CPU Các thành phần vào/ra được liên kết với CPU thông qua một hệ bus nội bộ hoặc qua một

hệ bus trường

Bộ cung cấp nguồn (power supply, PS) có vai trò biến đổi và ổn định nguồn nuôi (thông thường 5V) cho CPU và các thành phần chức năng khác từ một nguồn xoay chiều (110V, 220V, ) hoặc một chiều (12V, 24V, )

Hình 1-6 : Các thành phần chức năng chính của một PLC

Trang 28

Bên cạnh các thành phần chính nêu trên, một hệ thống PLC có thể có các thành phần chức năng khác như ghép nối mở rộng, điều khiển chuyên dụng và xử lý truyền thông

1.4.3 Các hệ DCS trên nền PC

Giải pháp sử dụng máy tính cá nhân (PC) trực tiếp làm thiết bị điều khiển không những được bàn tới rộng rãi, mà đã trở thành thực tế phổ biến trong những năm gần đây Nếu so sánh với các bộ điều khiển khả trình (PLC) và các bộ điều khiển DCS đặc chủng thì thế mạnh của PC không những nằm ở tính năng mở, khả năng lập trình tự do, hiệu năng tính toán cao và đa chức năng, mà còn ở khía cạnh kinh tế Các bước tiến lớn trong kỹ thuật máy tính, công nghiệp phần mềm và công nghệ bus trường chính là các yếu tố thúc đẩy khả năng cạnh tranh của PC trong điều khiển công nghiệp

DCS trên nền PC là một hướng giải pháp tương đối mới, mới có một số sản phẩm trên thị trường như PCS7 (Siemens, giải pháp Slot-PLC), 4Control (Softing), Stardom (Yokogawa), Ovation (Westinghouse-Emerson Process Management)… Hướng giải pháp này thể hiện nhiều ưu điểm về mặt giá thành, hiệu năng tính toán

và tính năng mở Một trạm điều khiển cục bộ chính là một máy tính cá nhân công nghiệp được cài đặt một hệ điều hành đa nhiệm và các ứng dụng thời gian thực và các card giao diện bus trường và card giao diện bus hệ thống

Trong giải pháp điều khiển dùng máy tính cá nhân thì một vấn đề thường rất được quan tâm là độ tin cậy của máy tính

Tuy nhiên, đối với các ứng dụng có yêu cầu cao về tính sẵn sàng, độ tin cậy của hệ thống, ta cần có một giải pháp dự phòng thích hợp Giải pháp đơn giản và tiết kiệm nhất là ―dự phòng lạnh‖, có nghĩa là trong trường hợp có sự cố tại máy tính điều khiển xảy ra ta chỉ cần thay thế một máy mới với cấu hình và các phần mềm đã được cài đặt giống hệt máy chính Song giải pháp tốt hơn là sử dụng một cấu hình dự phòng nóng

Trang 29

1.4.4 DCS trên cơ sở RTU, PLC và IED

RTU (Remote Terminal Unit) được sử dụng tại các dây chuyền cũ, công nghệ truyền thống RTU được trang bị các thiết bị vào ra ghép nối với dây chuyền công nghệ để thực hiện thu thập dữ liệu công nghệ và thực hiện các lệnh điều khiển hoặc điều chỉnh RTU được kết nối với hệ thống máy chủ phục vụ quản lý dây chuyền sản xuất và công tác quản lý khác (lưu trữ, in ấn, ) thông qua các giao diện HMI Việt nam có rất nhiều RTU, chúng được trang bị cho các dây chuyền sản xuất

cũ đang còn làm việc

Xuất hiện sau RTU là PLC Đây là loại thiết bị đầu cuối có công nghệ cao hơn Ngoài việc cung cấp dữ liệu và nhận lệnh điều khiển từ hệ thống điều hành và kết nối với hệ thống điều hành cấp trên, nó còn cho phép trực tiếp điều khiển một số quá trình công nghệ sản xuất

IED (Inteligient Electronic Device) là các thiết bị điện tử thông minh được sản xuất cho các thiết bị thuộc dây chuyền công nghệ hiện đại IED có thể là bộ phận cấu thành của các thiết bị công nghiệp công nghệ cao

IED đồng thời trang bị sẵn các giao diện và giao thức công nghiệp để kết nối

và truy cập thông tin thời gian thực đối với thiết bị sản xuất mà không cần kết nối trực tiếp Ngày nay qua các IED ta có thể tích hợp hệ thống thành DCS/SCADA một cách dễ dàng và tin cậy

Trang 30

với xử lý nối mạng ở tính thống nhất, xuyên suốt trong việc xây dựng ứng dụng và trao đổi dữ liệu giữa các trạm

- Tính năng thời gian thực (real-time): Tính năng của một hệ thống luôn sẵn sàng phản ứng với các sự kiện bên ngoài và đưa ra đáp ứng một cách đúng đắn và kịp thời Với kiến trúc xử lý phân tán, việc đáp ứng tính năng thời gian thực được cải thiện bởi khả năng xử lý thông tin tại chỗ Song cũng nhiều vấn đề được đặt ra trong việc giao tiếp giữa các thành phần (real-time interprocess communication), trong đó vấn đề giaothức mạng đóng một vai trò quan trọng

- Tính sẵn sàng (availability) và độ tin cậy (reliability): Một đặc điểm nổi bật

so với các hướng giải pháp khác là tính sẵn sàng cao thông qua khả năng dự phòng tích hợp, có thể lựa chọn dự phòng cho từng thành phần Tính sẵn sàng, phương pháp giao tiếp số, kiến trúc xử lý phân tán, phần mềm đóng gói, phần cứng chuẩn hóa công nghiệp, độ tích hợp cao giữa các thành phần phần cứng và phần mềm là các yếu tố giúp cho các hệ thống điều khiển phân tán có độ tin cậy cao

- Hỗ trợ chuẩn (standard support): Thực ra, đây không phải là đặc điểm tiêu biểu của các hệ DCS truyền thống Nhưng đây là một yêu cầu không thể thiếu được trong các hệ DCS mới Đặc biệt, sự tương thích với các chuẩn công nghiệp là tiền

đề cho tính năng mở, cho khả năng tương tác với các thiết bị của các hãng thứ ba

1.6 Xử lý thời gian thực và xử lý phân tán

1.6.1 Hệ thống thời gian thực

Một hệ thống thời gian thực là một hệ thống mà sự hoạt động tin cậy của nó không chỉ phụ thuộc vào sự chính xác của kết quả, mà còn phụ thuộc vào thời điểm đưa ra kết quả để phản ứng với sự kiện bên ngoài Hệ thống có lỗi khi thời gian yêu cầu không được thoả mãn

Một hệ thống thời gian thực có các đặc điểm tiêu biểu sau:

- Tính bị động: Hệ thống phải phản ứng với các sự kiện xuất hiện vào các thời điểm không biết trước

Trang 31

- Tính nhanh nhạy: Hệ thống phải xử lý thông tin một cách nhanh chóng để có thể đưa ra kết quả phản ứng một cách kịp thời

- Tính tiền định: Dự đoán trước được thời gian phản ứng tiêu biểu, thời gian phản ứng chậm nhất cũng như trình tự đưa ra các phản ứng

Tuy tính nhanh nhạy là một đặc điểm tiêu biểu, nhưng một hệ thống có tính năng thời gian thực không nhất thiết phải có đáp ứng thật nhanh mà quan trọng hơn

là phải có phản ứng kịp thời đối với các yêu cầu, tác động bên ngoài

1.6.2 Xử lý thời gian thực

Xử lý thời gian thực là hình thức xử lý thông tin trong một hệ thống để đảm bảo tính năng thời gian thực của nó Như vậy, xử lý thời gian thực cũng có các đặc điểm tiêu biểu nêu trên như tính bị động, tính nhanh nhạy và tính tiền định Để có thể phản ứng với nhiều sự kiện diễn ra cùng một lúc, một hệ thống xử lý thời gian thực sử dụng các quá trình tính toán đồng thời

Quá trình tính toán là một tiến trình thực hiện một hoặc một phần chương trình tuần tự do hệ điều hành quản lý trên một máy tính, có thể tồn tại đồng thời với các quá trình khác kể cả trong thời gian thực hiện lệnh và thời gian xếp hàng chờ đợi thực hiện

Các hình thức tổ chức các quá trình tính toán đồng thời:

- Xử lý cạnh tranh: Nhiều quá trình tính toán chia sẻ thời gian xử lý thông tin của một bộ xử lý

- Xử lý song song: Các quá trình tính toán được phân chia thực hiện song song trên nhiều bộ xử lý của một máy tính

- Xử lý phân tán: Mỗi quá trình tính toán được thực hiện riêng trên một máy tính Trong các hệ thống điều khiển, khái niệm task cũng hay được sử dụng bên cạnh quá trình tính toán Có thể nói, task là một nhiệm vụ xử lý thông tin trong hệ thống, có thể thực hiện theo cơ chế tuần hoàn (periodic task) hoặc theo sự kiện (event task) Ví dụ, một task thực hiện nhiệm vụ điều khiển cho một hoặc nhiều

Trang 32

mạch vòng kín có chu kỳ trích mẫu giống nhau Hoặc, một task có thể thực hiện nhiệm vụ điều khiển logic, điều khiển trình tự theo các sự kiện xảy ra Task có thể thực hiện dưới dạng một quá trình tính toán duy nhất, hoặc một dãy các quá trình tính toán khác nhau

1.6.3 Hệ điều hành đa nhiệm và các ứng dụng thời gian thực

* Đơn nhiệm/Đa nhiệm

Đơn nhiệm là chỉ làm một nhiệm vụ nào đó, còn đa nhiệm là có thể cùng một khoảng thời gian nào đó có thể làm được nhiều nhiệm vụ

* Hệ điều hành đơn nhiệm/đa nhiệm

Hệ điều hành đơn nhiệm là hệ điều hành mà trong đó các chương trình phải được chạy lần lượt, còn hệ điều hành đa nhiệm thì ngược lại, hiện nay trong công nghiệp người ta dùng hệ điều hành đa nhiệm

Các trạm điều khiển trong một hệ điều khiển phân tán bao giờ cũng hoạt động dựa trên nền một hệ điều hành thời gian thực Hệ điều hành đa nhiệm và các ứng dụng thời gian thực là một hệ điều hành hỗ trợ các chương trình ứng dụng xử lý thời gian thực Hỗ trợ xử lý cạnh trạnh hoặc/và xử lý song song Lập lịch, đồng bộ hóa quá trình và giao tiếp liên quá trình là các khái niệm quan trọng trong một hệ điều hành thời gian thực

Phương pháp lập lịch (Scheduling)

Việc lập lịch thực hiện cho các task có thể được thực hiện theo hai cách:

- Lập lệnh tĩnh: thứ tự thực hiện các quá trình tính toán không thay đổi

mà được xác định trước

- Lập lệnh động: hệ điều hành xác định lệnh trước hoặc sau khi quá trình tính toán đã bắt đầu

Đồng bộ hoá quá trình

Trang 33

Khi các quá trình tính toán cùng sử dụng một tài nguyên loại trừ lẫn nhau như một vùng nhớ, cổng vào/ra, hoặc chúng phụ thuộc lẫn vào nhau ví dụ quá trình 1 chờ kết quả của quá trình 2 sẽ rất dễ dẫn đến tình trạng tắc nghẽn (Deadlock), hay tạo ra một tình huống chạy đua (Race Condition) Do vậy việc đồng bộ hoá các quá trình là điều cần thiết

Giao tiếp liên quá trình

Giao tiếp liên quá trình là giao tiếp giữa các quá trình tính toán thuộc cùng một hệ điều hành trên một máy Có hai loại:

- Giữa các Thread thuộc cùng một Process: sử dụng các biến toàn cục

- Giữa các Process khác nhau hoặc giữa các Thread thuộc các Process

1.6.4 Xử lý phân tán

Xử lý phân tán giúp nâng cao năng lực xử lý thông tin của một hệ thống, góp phần cải thiện tính năng thời gian thực, nâng cao độ tin cậy và tính linh hoạt của hệ thống

Cần phân biệt rõ giữa ứng dụng mạng và ứng dụng phân tán Trong một ứng dụng mạng, các chương trình trên mỗi trạm tồn tại hoàn toàn độc lập với nhau và việc giao tiếp giữa chúng được thực hiện qua cơ chế ―hiện‖ Web là một ứng dụng mạng tiêu biểu Trong một ứng dụng phân tán, các chương trình trên các trạm hợp tác chặt chẽ với nhau thông qua cơ chế giao tiếp ngầm (implicit communication) để cùng thực hiện một nhiệm vụ tổng thể của hệ thống Chức năng điều khiển trong một hệ điều khiển phân tán được thực hiện dưới dạng một ứng dụng phân tán

Các vấn đề của xử lý phân tán

- Phân chia và phối hợp nhiệm vụ

- Giao tiếp giữa các trạm

- Đồng bộ hóa các quá trình xử lý phân tán

- Dự phòng, khắc phục lỗi

Các kiến trúc xử lý phân tán

Trang 34

Kiến trúc Master/Slave

• Các chức năng xử lý thông tin được phân chia trên nhiều trạm tớ

• Một trạm chủ phối hợp hoạt động của nhiều trạm tớ

• Các trạm tớ có vai trò, nhiệm vụ tương tự như nhau (tuy với các đối

tượng khác nhau)

• Các trạm tớ có thể giao tiếp trực tiếp, hoặc không

Kiến trúc Client/Server

• Chức năng xử lý thông tin được phân chia thành hai phần khác nhau,

phần sử dụng chung cho nhiều bài toán được thực hiện trên các server,

phần riêng thực hiện trên từng client

• Giữa các client không cần thiết có giao tiếp trực tiếp

• Vai trò chủ động trong giao tiếp thuộc về client

Kiến trúc bình đẳng

• Các trạm có vai trò bình đẳng, phối hợp hoạt động trực tiếp với nhau

không qua trung gian

Kiến trúc tự trị

• Các trạm có vai trò bình đẳng, có thể hoạt động tương đối độc lập nhưng

sự phối hợp hoạt động tạo hiệu quả cao nhất

• Ví dụ tiêu biểu: Kiến trúc điều khiển thông minh các hệ thống đèn tín

hiệu giao thông

1.7 Đồng bộ hóa trong xử lý phân tán

1.7.1 Đồng bộ hóa các tín hiệu vào/ra

Cấu trúc vào/ra phân tán sử dụng bus trường làm nảy sinh một vấn đề, đó là

sự không đồng bộ của các tín hiệu vào/ra do thời gian trễ từng kênh khác nhau, khó xác định

Có hai cách giải quyết sau:

- Đặt cấu hình bus và chọn chu kỳ điều khiển sao cho chu kỳ bus nhỏ hơn nhiều

so với chu kỳ điều khiển để có thể bỏ qua thời gian trễ từng kênh khác nhau

Trang 35

- Sử dụng loại bus trường có hỗ trợ đồng bộ hóa các đầu vào/ra, ví dụ Profibus-DP

1.7.2 Đồng bộ hóa thời gian

Ý nghĩa: một hệ thời gian thực là một hệ thống mà sự hoạt động tin cậy của

nó không chỉ phụ thuộc vào sự chính xác của kết quả, mà còn phụ thuộc vào thời điểm đưa ra kết quả, hệ thống có lỗi khi yêu cầu về thời gian không được thoả mãn

Nguyên lý: Giữa các trạm điều khiển cục bộ và các trạm vận hành cần có một

sự đồng bộ hóa thời gian một cách chặt chẽ, vì đây là vấn đề liên quan hệ trọng tới tính chính xác và độ tin cậy của các thông tin điều khiển, vận hành, thông báo báo động

Để đồng bộ hoá thời gian trong một hệ điều khiển phân tán, một trạm vận hành có thể được chọn làm qui chiếu, tất cả các trạm khác nối với bus hệ thống được đồng bộ hoá thời gian theo trạm này Trong một số hệ thống mạng có hỗ trợ trực tiếp việc đồng bộ hóa thời gian, người ta sử dụng một đồng hồ chủ (Master clock) có độ chính xác cỡ 10 mũ trừ 9 phục vụ mục đích này Ta có thể định nghĩa 2 trạm vận hành làm qui chiếu nhưng tại một thời điểm chỉ có một trạm mang tín hiệu đồng bộ hoá, nếu trạm đó bị lỗi thì trạm còn lại tự động hoạt động Ngày nay do công nghệ phát triển, máy thu GPS/GLONASS với độ chính xác 10 mũ trừ 12 được dùng làm Master Clock với giá thành rất thấp, tới mức hệ thống SCADA có thể được trang bị máy thu GPS/GLONASS cho hầu hết các thành phần quan trọng

Trang 36

Chương 2

cấu hình mạng

2.1 Truyền tin nối tiếp

2.1.1 Truyền tin nối tiếp dị bộ

Dạng tín hiệu của 1 byte dị bộ:

NghØ Start D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 Parity Stops NghØ Start D0

- Sử dụng bit chẵn/lẻ trong việc kiểm tra lỗi của byte thu được Mỗi byte được đóng gói bởi 1 bit Start và 1 (1,5 hoặc 2) bit Stop Mỗi byte gồm 5, 6, 7 hoặc 8 bit (và 1 bit chẵn/lẻ), 1,5 bit stop chỉ sử dụng cho trường hợp chỉ có 5 bit trong 1 byte Giữa các byte có quãng nghỉ, idle ở mức logic 1, giá trị idle ≥ 0 Do idle có thể > 0 nên phương thức truyền này này gọi là dị bộ Cơ chế đồng bộ thực hiện cho từng byte (Start, Stop)

Trang 37

- Nếu 1 byte có 1 Start, 1 stop, 8 bit dữ liệu, ta có hiệu suất sử dụng các bit truyền rất thấp là 8/(1+1+8), tức là 80%

- Cứ 9 bit truyền lại được đồng bộ 1 lần, phía thu có thể tự tách các bit dữ liệu, nên không cần gửi nhịp đồng bộ đi kèm dữ liệu

- Một khung tin dị bộ bao gồm nhiều byte, giao thức truyền qui định quy định số byte này

Phát hiện lỗi trong 1 byte:

- 1 byte dị bộ bị coi là lỗi khi các bit Start, stop không đúng như định nghĩa và sai bit chẵn/lẻ (0 1 hoặc 1 0)

- 1 frame dị bộ bị coi là lỗi khi:

+ Có byte trong khung bị lỗi

+ Sai độ dài khung

+ Sai FCS

+ Dãn cách quá lớn giữa các byte trong khung (quãng nghỉ Tidle)

2.1.2 Truyền tin nối tiếp đồng bộ

Dạng tín hiệu của frame đồng bộ:

+ Idle: Trạng thái nghỉ

+ Syn: Byte đồng bộ

+ B0 đến Bn: Các byte số liệu (không có các bit start, stop

- Syn là byte đồng bộ mở đầu và kết thúc các khung tin, Syn được chọn là byte

có giá trị 7EH, byte này có bit đầu và bit cuối bằng 0 để dễ đánh dấu

- Tất cả các byte được truyền liên tiếp (không nghỉ)

Trang 38

- Để lấp chỗ trống khi dữ liệu tạm thời chưa có, 1 hoặc nhiều byte Syn được chèn vào khung tin khi chưa có dữ liệu, Syn có giá trị 7EH (01111110) khác với số liệu có cùng giá trị

+ Ở phía phát, nếu có 5 bit 1 liên tiếp thì 1 bit 0 được tự động chèn vào

+ Ở phía thu, nếu có 6 bit 1 liên tiếp thì đó là byte Syn

+ Gỡ bỏ bit 0 sau 5 bit 1 liên tiếp

- Do hàng trăm byte (hàng nghìn bit) truyền mới được đồng bộ 1 lần, để phía thu

có thể tự tách các bit dữ liệu, nhịp đồng bộ cần được gửi kèm dữ liệu theo nhiều cách mã hóa khác nhau

Phát hiện lỗi và sửa lỗi:

- 1 khung đồng bộ bị coi là lỗi khi:

+ Có Syn bắt đầu nhưng không có Syn kết thúc trong thời hạn nhất định

+ Sai độ dài

+ Sai FCS

+ Việc khắc phục lỗi hoặc sửa lỗi được thực hiện hoặc bằng mã sửa sai hoặc thông dụng hơn bằng thủ tục yêu cầu phát lại Ngày nay FCS thường sử dụng mã CRC16, CRC32, hoặc cao hơn

Thông thường việc phát hiện và sửa lỗi được thực hiện trên giao thức truyền tin cho cả truyền dị bộ và đồng bộ

2.2 Tín hiệu đơn và tín hiệu vi sai:

2.2.1 Truyền dẫn sử dụng tín hiệu đơn (Single-Ended)

Mỗi tín hiệu truyền trên 1 dây tín hiệu và sử dụng 1 dây chung, gọi là dây đất (GND) Đây là dạng truyền dẫn đơn giản, sử dụng 1 dây đất chung cho tất cả các tín hiệu trong hệ thống

Nhiễu ở lối ra bị khuếch đại, để chống nhiễu dạng này sử dụng các tín hiệu có biên độ lớn (so với nhiễu), tốc độ truyền không cao, khoảng cách nhỏ

Trang 39

Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn

2.2.2 Truyền dẫn sử dụng tớn hiệu vi sai (Differential)

Mỗi tớn hiệu truyền trờn 2 dõy tớn hiệu ngược pha nhau

Nhiễu bị khử ở lối ra

Đõy là dạng truyền dẫn cho tốc độ cao khoảng cỏch lớn, chống nhiễu tốt Cỏc chuẩn, RS485, RS422, V35, USB, Ethernet (cỏp mạng LAN) thường truyền dẫn tớn hiệu vi sai

2.2.3 Khả năng chống nhiễu giữa truyền tớn hiệu đơn và tớn hiệu vi sai:

Vi = Lối vào Vi+ = Lối vào + Vn = Nhiễu

Vo = Lối ra Vi- = Lối vào -

K

Vo=K(Vi+Vn) Vo=K.Vi+K.Vn

Vo Vi

Lối vào vi sai Lối ra đơn

Lối vào vi sai Lối ra vi sai

2.3 Đơn truy cập và đa truy cập

Phương phỏp đơn truy cập chỉ cho phộp một mỏy trao đổi dữ liệu với một mỏy khac trờn đường truyền Ngược lại phương phỏp đa truy cập cho phộp trờn 01 đường truyền nhiều mỏy cú thể làm việc với nhau đồng thời hoặc khụng đồng thời

Hỡnh 2.1: Khả năng chống nhiễu giữa truyền tớn hiệu đơn và tớn hiệu vi sai

Trang 40

Do có đường truyền riêng với độ trễ tín hiệu là cố định nên đơn truy cập cho phép các máy hoàn toàn chủ động trong quá trình trao đổi dữ liệu

Ngược lại đa truy cập do chỉ có 01 đường truyền chung nên tổ chức đường truyền đơn giản Tuy nhiên do sử đường truyền bị chua sẻ theo thời gian nên độ trễ tín hiệu rất khác nhau trong quá trình hoạt động, gây khó khăn cho một số mục đich trao đổi dữ liệu Để bù lại đường truyền đa truy cập thường được xây dựng cho tốc

độ cao để giảm thiểu thời gian truyền dữ liệu

2.3.1 Đa truy cập trên giao diện RS485

Có dữ liệu ở Buffer thu ? (ở chip UART) Đọc và lưu trữ Có

Không

T > 3,5 ký tự ?

No Yes

Kiểm tra frame tin thu được

- Không có lỗi khung

Slave truy câp kênh R485 theo MODBUS

T là thời gian tính từ ký tự cuối cùng thu được

T=0

Đã thu được byte nào chưa ?

Chưa

Đã thu được Start

Mặc dù RS485 cho phép nhiều máy cùng gửi tin lên đường truyền nhưng RS485 không có cơ chế báo lỗi khi có va chạm (Collision) tín hiệu Để có thể nhiều máy có thể gửi tin mà không bị lỗi, hệ thống máy nối mạng cũng cần có cơ chế kiểm soát bằng giao thức Cơ chế này đòi hởi có 01 máy đóng vai trò Master và các máy khác đều là Slave Tất cả các máy đều có địa chỉ riêng Các máy Slave không bao giờ chủ động phát tin, Master luôn là máy đầu tiên phát ra yêu cầu kèm theo địa chỉ Slave Chỉ có máy Slave với địa chỉ trung với địa chỉ trong yêu cầu là có quyền trả lời Theo cách đa truy cập này, giữa các frame tin luôn luôn có một quãng nghỉ

Định dạng
Số trang	112
Dung lượng	1,74 MB

tìm hiểu về giao diện, giao thức các hệ thống mạng trong công nghiệp

Đồng bộ húa thời gian

Kờnh dữ liệu và liờn kết dữ liệu: