báo cáo thực tập tốt nghiệp ngành kỹ thuật điệnđiện tử

LỜI NÓI ĐẦU Trong quá trình công nghiệp hoá hiện đại đất nước lĩnh vực khoa học kỹ thuật đóng vai trò hết sức quan trọng. Trong đó lĩnh vực Điện Điện Tử đã góp phần rất đáng kể từ những thiết bị dân dụng đến các dây chuyền công nghệ tự động hóa nhằm nâng cao năng suất giảm bớt lao động chân tay, vốn đã lạc hậu khi đất nước ta đã là thành viên của tổ chức thương mại thế giới. Lĩnh vực tự động hóa đã đi vào hầu hết các nhà máy xí nghiệp thay thế dần những cổ máy móc lạc hậu, thay thế con người làm việc trong những lĩnh vực nguy hiểm. Đặc biệt hơn nữa với sự phát triển của công nghệ thông tin đã mang đến nhiều lợi ích to lớn và thiết thực hơn. Kết hợp với tự động hóa giúp con người điều khiển và giám sát được các quá trình công nghệ tham gia trực tiếp điều khiển đối tượng không những trong phạm vi thu nhỏ mà trên cả diện rộng. Góp phần làm giảm chi phí sản suất, quản lý sản xuất dễ dàng, theo dõi quá trình đơn giản, nâng cao năng suất lao động, hiệu quả sản xuất . Với những ứng dụng thiết thực như vậy nên em đã chọn đề tài “Nghiên cứu và ứng dụng PLC S7300 kết hợp với biến tần siemen điều khiển điều khiển nồng độ CO2 trong đường hầm (hệ điều khiển kín dùng PID)”. Đề tài này là cơ hội áp dụng những kiến thức cơ sở từ trong nhà trường vào mô hình thực tế thu nhỏ.   PHẦN I GIỚI THIỆU CÔNG TY CỔ PHẦN CÔNG NGHỆ AN VIÊN Công ty Cổ phần công nghệ AN VIÊN được xây dựng và thành lập ngày 18 tháng 06 năm 2010. Giám đốc: Ông Nguyễn Duy Tuấn Địa chỉ: Số 36 – Đường vào Ga Hà Đông – Phường Phú La – Quận Hà Đông – Hà Nội. Ngành nghề thực hiện: Tư vấn, thiết kế các hệ thống điều khiển tự động các công trình xây lặp điện và thực hiện chuyển giao kỹ thuật. Một số công trình đã thực hiện: + Hệ thống điều khiển tự động, công trình cung cấp nước Thị trấn Lập Thạch – Huyện Lập Thạch – Vĩnh Phúc. + Tư vấn và giám sát trong quá trình thi công trạm biến áp Bệnh viện 103 – Hà Đông – Hà Nội + Hệ thống đo lường nồng độ khí Gas và điều khiển tự động tầng hầm tòa tháp HH2 – Bắc Hà – Đường Tố Hữu. + Lắp đặt và thi công hệ thống thang máy khách sạn Vân Nam – Ngã Tư Sở Đống Đa – Hà Nội. + Thi công và lắp đặt công trình điện nhà máy nước Thị trấn Vĩnh Tường – Huyện Vĩnh Tường – Vĩnh Phúc. . . vv   PHẦN II NỘI DUNG THỰC TẬP CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG TRUYỀN THÔNG PLC 300 1.1. Một số mạng truyền thông trong công nghiệp dùng cho S7300 1.1.1. Modbus Modbus là giao thức do hãng Modicon phát triển. Theo mô hình ISOOSI thì Modbus thực chất là một chuẩn giao thức và dịch vụ thuộc lớp ứng dụng, vì vậy có thể được thực hiện trên các cơ chế vận chuyển cấp thấp như TCPIP, MAP (Manufactoring Message Protocol), và ngay cả qua đường truyền nối tiếp RS232. Modbus định nghĩa một tập hợp rộng các dịch vụ phục vụ trao đổi dữ liệu quá trình, dữ liệu điều khiển và chẩn đoán. Tất cả các bộ điều khiển của Modicon đều sử dụng Modbus là ngôn ngữ chung. Modbus mô tả quá trình giao tiếp giữa một bộ điều khiển với các thiết bị khác thông qua cơ chế yêu cầuđáp ứng. Vì lý do đơn giản nên Modbus có ảnh hưởng tương đối mạnh đối với các hệ PLC của các nhà sản xuất. Cụ thể , trong mỗi PLC người ta cũng có thể tìm thấy một tập hợp con các dịch vụ đã được đưa ra trong Modbus. Đặc biệt trong các hệ thống thu thập dữ liệu và điều khiển giám sát, Modbus hay được sử dụng trên các đường truyền RS232 ghép nối giữa các thiết bị dữ liệu đầu cuối (PLC, PC,...) với thiết bị truyền dữ liệu (Modem). Cơ chế giao tiếp Cơ chế giao tiếp ở Modbus phụ thuộc vào hệ thống truyền thông cấp thấp. Cụ thể, có thể phân chia ra hai loại mạng là Modbus chuẩn và Modbus trên các mạng khác (ví dụ TCPIP, Modbus Plus, MAP) a.Mạng Modbus chuẩn Các cổng Modbus chuẩn trên các bộ điều khiển của Modicon cũng như một số nhà sản xuất khác sử dụng giao diện nối tiếp RS232. Các bộ điều khiển có thể được nối mạng trực tiếp hoặc qua modem. Các trạm Modbus giao tiếp với nhau qua cơ chế chủ tớ (MasterSlave), trong đó chỉ một thiết bị có thể chủ động gửi yêu cầu, còn lại các thiết bị tớ sẽ đáp ứng bằng dữ liệu trả lại hoặc thực hiện một hành động nhất định theo như yêu cầu. Các thiết bị chủ thông thường là các máy tính điều khiển trung tâm và các thiết bị lập trình, trong khi các thiết bị tớ có thể là PLC hoặc các bộ điều khiển số chuyên dụng khác. Một trạm chủ có thể gửi thông báo yêu cầu tới riêng một trạm tớ nhất định hoặc gửi thông báo đồng loạt tới tất cả các trạm tớ. Chỉ trong trường hợp nhận được yêu cầu riêng, các trạm tớ mới gửi thông báo đáp ứng trả lại trạm chủ. Trong một thông báo yêu cầu có chứa địa chỉ trạm nhận, mã hàm dịch vụ bên nhận cần thực hiện, dữ liệu đi kèm và thông tin kiểm lỗi. b. Modbus trên các mạng khác Với một số mạng như Modbus Plus và MAP sử dụng Modbus là giao thức cho lớp ứng dụng, các thiết bị có thể giao tiếp theo cơ chế riêng của mạng đó, mỗi bộ điều khiển có thể đóng vai trò là chủ hoặc tớ trong các lần giao dịch khác nhau. Nhìn nhận ở mức giao tiếp thông báo, giao thức Modbus vẫn tuân theo nguyên tắc chủ tớ mặc dù phương pháp giao tiếp mạng cấp thấp có thể là tay đôi. Khi một bộ điều khiển gửi một yêu cầu thông báo thì nó đóng vai trò là chủ và chờ đợi đáp ứng từ thiết bị tớ. Ngược lại, một bộ điều khiển sẽ đóng vai trò là tớ nếu nó nhận thông báo yêu cầu từ một trạm khác và phải gửi trả lại đáp ứng. c. Chu trình yêu cầu đáp ứng Giao thức Modbus định nghĩa khuôn dạng của thông báo yêu cầu cũng như của thông báo đáp ứng, như minh họa trên hình vẽ. Một thông báo yêu cầu gồm các phần sau : Địa chỉ trạm nhận yêu cầu (0247), trong đó 0 là địa chỉ gửi đồng loạt. Mã hàm gọi chỉ thị hành động trạm tớ cần thực hiện theo yêu cầu. Ví dụ, mã hàm 03 yêu cầu trạm tớ đọc nội dung các thanh ghi lưu giữ và trả lại kết quả. Dữ liệu chứa các thông tin bổ sung mà trạm tớ cần cho việc thực hiện hàm được gọi. Trong trường hợp đọc thanh ghi, dữ liệu này chỉ rõ thanh ghi đầu tiên và số lượng các thanh ghi cần đọc. Thông tin kiểm lỗi giúp trạm tớ kiểm tra nội dung thông báo nhận được. Thông báo đáp ứng cũng bao gồm các thành phần giống như thông báo yêu cầu. Địa chỉ ở đây là địa chỉ của chính trạm tớ đã thực hiện yêu cầu và gửi lại đáp ứng. Trong trường hợp bình thường, mã hàm được giữ nguyên như trong thông báo yêu cầu và dữ liệu chứa kết quả thực hiện hành động, ví dụ nội dung hoặc trạng thái các thanh ghi. Nếu xảy ra lỗi, mã hàm quay lại được sửa để chỉ thị đáp ứng là một thông báo lỗi, còn dữ liệu mô tả chi tiết lỗi đã xảy ra. Phần kiểm lỗi giúp trạm chủ xác định độ chính xác của nội dung thông báo nhận được. Chế độ truyền Khi các thiết bị trong một mạng Modbus chuẩn giao tiếp với chế độ ASCII, mỗi byte trong thông báo được gửi thành hai ký tự ASCII 7 bit, trong đó mỗi ký tự biểu diễn một chữ số Hex. Ưu điểm của chế độ truyền này là nó cho phép một khoảng thời gian trống tối đa một giây giữa hai ký tự mà không gây ra lỗi. Cấu trúc một ký tự khung gửi đi được thể hiện như sau : Mỗi ký tự khung bao gồm : 1 bit khởi đầu (Start bit) 7 bit biểu diễn một chữ số hex của byte cần gửi dưới dạng kí tự ASCII (09 và AF), trong đó bit thấp nhất được gửi đi trước. 1 bit parity chẵnlẻ, nếu sử dụng parity 1 bit kết thúc (Stop bit) nếu sử dụng parity hoặc 2 bit kết thúc nếu không sử dụng parity. Chế độ RTU Khi các thiết bị trong một mạng Modbus chuẩn được đặt chế độ RTU (Remote Terminal Unit), mỗi byte trong thông báo được gửi thành một ký tự 8 bit. Ưu điểm chính của chế độ truyền này so với chế độ ASCII là hiệu suất cao hơn. Tuy nhiên, mỗi thông báo phải được truyền thành một dòng liên tục. Cấu trúc một kí tự khung gửi đi được thể hiện như sau Mỗi ký tự khung bao gồm : 1 bit khởi đầu (Start bit) 8 bit của byte thông báo cần gửi, trong đó bit thấp nhất được gửi đi trước 1 bit parity chẵn lẻ, nếu sử dụng parity 1 bit kết thúc (Stop bit) nếu sử dụng parity hoặc 2 bit kết thúc nếu không sử dụng parity 1.1.2 Mạng Ethernet công nghiệp IE (Industrial Ethernet) mạng Ethernet công nghiệp là mạng phục vụ cho cấp quản lý và cấp phân xưởng để thực hiện truyền thông giữa máy tính và các hệ thống tự động hoá. Nó phục vụ cho việc trao đổi một lượng thông tin lớn, truyền thông trên một phạm vi rộng. Các bộ xử lý truyền thông dùng trong mạng luôn kiểm tra xem đường dẫn có bị chiếm dụng không. Nếu không thì một trạm nào đó trong mạng có thể gửi điện tín đi, khi xảy ra xung đột trên mạng vì có hai trạm gửi thì ngừng ngay lại và quá trình gửi điện tín được thực hiện lại sau một thời gian nhất định, thời gian này được xác định theo luật toán học ngẫu nhiên. Mạng Ethernet công nghiệp có những tính chất đặc trưng sau: Mạng Ethernet công nghiệp sử dụng thủ tục truyền thông ISO và TCPIP (Transmission Control Protocol Internet Protocol). Theo phương pháp thâm nhập đường dẫn đã chọn (CSMACD – Carrier Sense Multiple Access with Collision Detecion) thì các thành viên trong mạng Ethernet công nghiệp đều bình đẳng với nhau. Theo tiêu chuẩn truyền thông ISO và TCP thì các trạm không phải của SIEMENS cũng có khả năng tích hợp vào mạng, nói một cách khác Ethernet công nghiệp là mạng truyền thông mở Các thông số của mạng Ethernet công nghiệp: Cổng truyền thông : IEEE 802.3 Số lượng trạm : Max 1024 trạm Phương pháp thâm nhập đường dẫn : CSMA CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) Môi trường truyền thông : Dây dẫn: Cáp đồng trục Cáp đôi dây xoắn Cáp quang : Cáp thuỷ tinh hoặc chất dẻo Kiểu nối : Đường thẳng, cây, hình sao và vòng tròn Dịch vụ truyền thông : S7FunctionISOTransportISOonTCP

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

KHOA ĐIỆN

-*** -BÁO CÁO THỰC TẬP TỐT NGHIỆP

Đề tài: Điều khiển điều khiển nồng độ CO2 trong tầng hầm

(hệ điều khiển kín dùng PID)

Giáo viên hướng dẫn : DƯƠNG ANH TUẤN

Sinh viên thực hiện : HÀ THỊ TUYẾT NHUNG

Lớp : CĐ ĐIỆN 2- K13

MỤC LỤC

NHẬN XÉT NƠI THỰC TẬP

LỜI NÓI ĐẦU

PHẦN I: GIỚI THIỆU CÔNG TY CỔ PHẦN CÔNG NGHỆ AN VIÊN PHẦN II: NỘI DUNG THỰC TẬP

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG TRUYỀN THÔNG PLC 300 1.1 Một số mạng truyền thông trong công nghiệp dùng cho S7-300 1.1.1 Modbus

1.1.2 Mạng Ethernet công nghiệp

1.1.3 Mạng AS-i

1.2 Giới thiệu mạng PROFIBUS

1.2.1 Đặc Tính Cơ Bản 1.2.2 Cấu Hình Hệ Thống Và Dạng Thiết Bị

1.2.3 Cấu trúc mạng (TOPOLOGY)

1.2.4 Truy nhập BUS

CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH KẾT NỐI PLC ĐIỀU KHIỂN BIẾN TẦN

2.1 Tổng quan về biến tần Micromaster 420 và cách thức giao tiếp với PLC qua PROFIBUS

2.1.1 Tổng quan về biến tần Micromaster 420

CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH KẾT NỐI PLC ĐIỀU KHIỂN BIẾN TẦN VÀ ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN NỒNG ĐỘ CO2 TRONG ĐƯỜNG HẦM

3.1 Hệ thống xác định và điều khiển khí Carbon Monoxide (CO)

3.2 Carbon Monoxide và ảnh hưởng của nó

3.3.2 Công nghệ cảm biến

3.4.4 Lựa chọn hệ thống cảm biến và điều khiển

3.3 Hệ thống phát hiện và điều khiển

3.3.1 Những yêu cầu hệ thống thông gió

3.3.3 Vị trí của những Sensor và bộ điều khiển

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

NHẬN XÉT NƠI THỰC TẬP

LỜI NÓI ĐẦU

Trong quá trình công nghiệp hoá hiện đại đất nước lĩnh vực khoa học kỹ thuậtđóng vai trò hết sức quan trọng Trong đó lĩnh vực Điện -Điện Tử đã góp phần rấtđáng kể từ những thiết bị dân dụng đến các dây chuyền công nghệ tự động hóanhằm nâng cao năng suất giảm bớt lao động chân tay, vốn đã lạc hậu khi đất nước

ta đã là thành viên của tổ chức thương mại thế giới

Lĩnh vực tự động hóa đã đi vào hầu hết các nhà máy xí nghiệp thay thế dầnnhững cổ máy móc lạc hậu, thay thế con người làm việc trong những lĩnh vực nguyhiểm Đặc biệt hơn nữa với sự phát triển của công nghệ thông tin đã mang đếnnhiều lợi ích to lớn và thiết thực hơn Kết hợp với tự động hóa giúp con người điềukhiển và giám sát được các quá trình công nghệ tham gia trực tiếp điều khiển đốitượng không những trong phạm vi thu nhỏ mà trên cả diện rộng Góp phần làmgiảm chi phí sản suất, quản lý sản xuất dễ dàng, theo dõi quá trình đơn giản, nângcao năng suất lao động, hiệu quả sản xuất

Với những ứng dụng thiết thực như vậy nên em đã chọn đề tài “Nghiên cứu và ứng dụng PLC S7-300 kết hợp với biến tần siemen điều khiển điều khiển nồng độ

những kiến thức cơ sở từ trong nhà trường vào mô hình thực tế thu nhỏ

Giám đốc: Ông Nguyễn Duy Tuấn

Địa chỉ: Số 36 – Đường vào Ga Hà Đông – Phường Phú La – Quận Hà Đông

– Hà Nội

Ngành nghề thực hiện: Tư vấn, thiết kế các hệ thống điều khiển tự động các

công trình xây lặp điện và thực hiện chuyển giao kỹ thuật

PHẦN II

NỘI DUNG THỰC TẬP

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ MẠNG TRUYỀN THÔNG PLC 300

1.1 Một số mạng truyền thông trong công nghiệp dùng cho S7-300

1.1.1 Modbus

Modbus là giao thức do hãng Modicon phát triển Theo mô hình ISO/OSI thìModbus thực chất là một chuẩn giao thức và dịch vụ thuộc lớp ứng dụng, vì vậy cóthể được thực hiện trên các cơ chế vận chuyển cấp thấp như TCP/IP, MAP

(Manufactoring Message Protocol), và ngay cả qua đường truyền nối tiếp 232

RS-Modbus định nghĩa một tập hợp rộng các dịch vụ phục vụ trao đổi dữ liệu quátrình, dữ liệu điều khiển và chẩn đoán Tất cả các bộ điều khiển của Modicon đều

sử dụng Modbus là ngôn ngữ chung Modbus mô tả quá trình giao tiếp giữa một bộđiều khiển với các thiết bị khác thông qua cơ chế yêu cầu/đáp ứng Vì lý do đơngiản nên Modbus có ảnh hưởng tương đối mạnh đối với các hệ PLC của các nhàsản xuất Cụ thể , trong mỗi PLC người ta cũng có thể tìm thấy một tập hợp con cácdịch vụ đã được đưa ra trong Modbus Đặc biệt trong các hệ thống thu thập dữ liệu

và điều khiển giám sát, Modbus hay được sử dụng trên các đường truyền RS-232ghép nối giữa các thiết bị dữ liệu đầu cuối (PLC, PC, ) với thiết bị truyền dữ liệu(Modem)

Cơ chế giao tiếp

Cơ chế giao tiếp ở Modbus phụ thuộc vào hệ thống truyền thông cấp thấp Cụthể, có thể phân chia ra hai loại mạng là Modbus chuẩn và Modbus trên các mạngkhác (ví dụ TCP/IP, Modbus Plus, MAP)

a.Mạng Modbus chuẩn

Các cổng Modbus chuẩn trên các bộ điều khiển của Modicon cũng như một số nhàsản xuất khác sử dụng giao diện nối tiếp RS-232 Các bộ điều khiển có thể đượcnối mạng trực tiếp hoặc qua modem Các trạm Modbus giao tiếp với nhau qua cơchế chủ/ tớ (Master/Slave), trong đó chỉ một thiết bị có thể chủ động gửi yêu cầu,còn lại các thiết bị tớ sẽ đáp ứng bằng dữ liệu trả lại hoặc thực hiện một hành độngnhất định theo như yêu cầu Các thiết bị chủ thông thường là các máy tính điềukhiển trung tâm và các thiết bị lập trình, trong khi các thiết bị tớ có thể là PLC hoặccác bộ điều khiển số chuyên dụng khác Một trạm chủ có thể gửi thông báo yêu cầutới riêng một trạm tớ nhất định hoặc gửi thông báo đồng loạt tới tất cả các trạm tớ.Chỉ trong trường hợp nhận được yêu cầu riêng, các trạm tớ mới gửi thông báo đápứng trả lại trạm chủ Trong một thông báo yêu cầu có chứa địa chỉ trạm nhận, mãhàm dịch vụ bên nhận cần thực hiện, dữ liệu đi kèm và thông tin kiểm lỗi

b Modbus trên các mạng khác

Với một số mạng như Modbus Plus và MAP sử dụng Modbus là giao thức cholớp ứng dụng, các thiết bị có thể giao tiếp theo cơ chế riêng của mạng đó, mỗi bộđiều khiển có thể đóng vai trò là chủ hoặc tớ trong các lần giao dịch khác nhau.Nhìn nhận ở mức giao tiếp thông báo, giao thức Modbus vẫn tuân theo nguyên tắcchủ/ tớ mặc dù phương pháp giao tiếp mạng cấp thấp có thể là tay đôi Khi một bộđiều khiển gửi một yêu cầu thông báo thì nó đóng vai trò là chủ và chờ đợi đáp ứng

từ thiết bị tớ Ngược lại, một bộ điều khiển sẽ đóng vai trò là tớ nếu nó nhận thôngbáo yêu cầu từ một trạm khác và phải gửi trả lại đáp ứng

c Chu trình yêu cầu đáp ứng

Giao thức Modbus định nghĩa khuôn dạng của thông báo yêu cầu cũng nhưcủa thông báo đáp ứng, như minh họa trên hình vẽ

Một thông báo yêu cầu gồm các phần sau :

- Địa chỉ trạm nhận yêu cầu (0-247), trong đó 0 là địa chỉ gửi đồng loạt

- Mã hàm gọi chỉ thị hành động trạm tớ cần thực hiện theo yêu cầu Ví dụ, mãhàm 03 yêu cầu trạm tớ đọc nội dung các thanh ghi lưu giữ và trả lại kết quả

- Dữ liệu chứa các thông tin bổ sung mà trạm tớ cần cho việc thực hiện hàmđược gọi Trong trường hợp đọc thanh ghi, dữ liệu này chỉ rõ thanh ghi đầu tiên và

số lượng các thanh ghi cần đọc

- Thông tin kiểm lỗi giúp trạm tớ kiểm tra nội dung thông báo nhận được.Thông báo đáp ứng cũng bao gồm các thành phần giống như thông báo yêu cầu.Địa chỉ ở đây là địa chỉ của chính trạm tớ đã thực hiện yêu cầu và gửi lại đáp ứng.Trong trường hợp bình thường, mã hàm được giữ nguyên như trong thông báo yêucầu và dữ liệu chứa kết quả thực hiện hành động, ví dụ nội dung hoặc trạng thái cácthanh ghi Nếu xảy ra lỗi, mã hàm quay lại được sửa để chỉ thị đáp ứng là mộtthông báo lỗi, còn dữ liệu mô tả chi tiết lỗi đã xảy ra Phần kiểm lỗi giúp trạm chủxác định độ chính xác của nội dung thông báo nhận được

Chế độ truyền

Khi các thiết bị trong một mạng Modbus chuẩn giao tiếp với chế độ ASCII,mỗi byte trong thông báo được gửi thành hai ký tự ASCII 7 bit, trong đó mỗi ký tựbiểu diễn một chữ số Hex Ưu điểm của chế độ truyền này là nó cho phép mộtkhoảng thời gian trống tối đa một giây giữa hai ký tự mà không gây ra lỗi Cấutrúc một ký tự khung gửi đi được thể hiện như sau :

Mỗi ký tự khung bao gồm :

- 1 bit khởi đầu (Start bit)

- 7 bit biểu diễn một chữ số hex của byte cần gửi dưới dạng kí tự ASCII(0-9 và A-F), trong đó bit thấp nhất được gửi đi trước

- 1 bit parity chẵn/lẻ, nếu sử dụng parity

- 1 bit kết thúc (Stop bit) nếu sử dụng parity hoặc 2 bit kết thúc nếu không

sử dụng parity

Khi các thiết bị trong một mạng Modbus chuẩn được đặt chế độ RTU (Remote

Terminal Unit), mỗi byte trong thông báo được gửi thành một ký tự 8 bit Ưu điểmchính của chế độ truyền này so với chế độ ASCII là hiệu suất cao hơn Tuy nhiên,mỗi thông báo phải được truyền thành một dòng liên tục Cấu trúc một kí tự khunggửi đi được thể hiện như sau

Mỗi ký tự khung bao gồm :

- 1 bit khởi đầu (Start bit)

- 8 bit của byte thông báo cần gửi, trong đó bit thấp nhất được gửi đi trước

- 1 bit parity chẵn /lẻ, nếu sử dụng parity

- 1 bit kết thúc (Stop bit) nếu sử dụng parity hoặc 2 bit kết thúc nếu không

sử dụng parity

1.1.2 Mạng Ethernet công nghiệp

IE (Industrial Ethernet) mạng Ethernet công nghiệp là mạng phục vụ cho cấpquản lý và cấp phân xưởng để thực hiện truyền thông giữa máy tính và các hệthống tự động hoá Nó phục vụ cho việc trao đổi một lượng thông tin lớn, truyềnthông trên một phạm vi rộng Các bộ xử lý truyền thông dùng trong mạng luônkiểm tra xem đường dẫn có bị chiếm dụng không Nếu không thì một trạm nào đótrong mạng có thể gửi điện tín đi, khi xảy ra xung đột trên mạng vì có hai trạm gửithì ngừng ngay lại và quá trình gửi điện tín được thực hiện lại sau một thời giannhất định, thời gian này được xác định theo luật toán học ngẫu nhiên

Mạng Ethernet công nghiệp có những tính chất đặc trưng sau:

Mạng Ethernet công nghiệp sử dụng thủ tục truyền thông ISO và TCP/IP(Transmission Control Protocol / Internet Protocol)

Theo phương pháp thâm nhập đường dẫn đã chọn (CSMA/CD – CarrierSense Multiple Access with Collision Detecion) thì các thành viên trong mạngEthernet công nghiệp đều bình đẳng với nhau

Theo tiêu chuẩn truyền thông ISO và TCP thì các trạm không phải củaSIEMENS cũng có khả năng tích hợp vào mạng, nói một cách khác Ethernet công

nghiệp là mạng truyền thông mở

Các thông số của mạng Ethernet công nghiệp:

Cổng truyền thông : IEEE 802.3

- Cáp quang : Cáp thuỷ tinh hoặc chất dẻo

- Kiểu nối : Đường thẳng, cây, hình sao và vòng tròn

Hình 1.1 Mô hình mạng ETHERNET

1.1.3 Mạng AS-i

AS-i (Actuator Sensor Interface) giao diện cảm biến cơ cấu chấp hành, mạngchỉ có một chủ duy nhất Phương pháp thâm nhập đường dẫn là phương phápMaster – Slave, một phương pháp hoàn toàn tối ưu cho những mạng chỉ có duynhất một thiết bị là chủ AS-i sẽ có cấu trúc thật là đơn giản nếu như các cơ cấuchấp hành và các cảm biến đều là các thiết bị kiểu số (Digital Input/Digital Output– DI/DO), khi thiết bị kiểu analog phải sử dụng các bộ chuyển đổi tín hiệu chuẩncủa SIEMENS Trong mạng chỉ có trạm chủ có quyền điều khiển quá trình trao đổithông tin Trạm chủ (Master) gọi tuần tự từng trạm tớ (Slave) tới một và đòi hỏicác trạm này gửi dữ liệu lên trên trạm chủ hoặc nhận dữ liệu từ trạm chủ

Những tính chất đặc trưng của AS-i:

- AS-i là mạng tối ưu cho các thiết bị chấp hành và cảm biến số Quá trình traođổi dữ liệu được thực hiện thông qua đường dẫn từ cơ cấu chấp hành/cảm biến vớitrạm chủ, đường dẫn này đồng thời là đường cung cấp nguồn cho các cảm biến

- AS-i có thể ghép nối với các cơ cấu chấp hành có kích thước 1 bit đến 8 bittheo tiêu chuẩn IP 65 và liên kết trực tiếp với quá trình - Hoạt động của AS-ikhông cần thiết lập cấu hình trước

Các thông số kỹ thuật của AS-i:

- Chuẩn : AS-i theo chuẩn IEC TG 178 Số lượng trạm cho phép: 1 Master vàmax 31 Slave

- Phương pháp thâm nhập đường dẫn : Master – Slave

- Tốc độ truyền: 167 Kbit/s

- Môi trường truyền thông: Dây dẫn thẳng không bọc

- Khoảng cách giữa các thiết bị trong mạng : 300 m với Repeater

- Kiểu nối : Đường thẳng, cây, sao

- Dịch vụ truyền thông : AS-i Function

Hình 1.2 Mạng AS-I

1.2 Giới thiệu mạng PROFIBUS

ProfiBus là một hệ thống Bus trường chuẩn mở rộng dùng để nối các thiết bịtrường với các thiết bị điều khiển và giám sát ProfiBus là một thiết bị nhiều chủ,

nó cho phép các thiết bị điều khiển tự động, các trạm kỹ thuật và hiển thị quá trìnhcũng như các phụ kiện phân tán cùng làm việc trên một đường truyền chung là Bus.ProfiBus thực hiện chức năng ứng dụng hoạt động theo chu kỳ, có độ tin cậy cao

và có khả năng đáp ứng cao về tính năng thời gian thực

Mạng PROFIBUS được cung cấp theo ba chủng loại tương thích nhau

- PROFIBUS – DP (Distributed Peripheral) phục vụ cho việc trao đổi thôngtin nhỏ nhưng đòi hỏi tốc độ truyền nhanh PROFIBUS – DP được xây dựng tối ưucho việc kết nối các thiết bị trường với máy tính điều khiển PROFIBUS – DP pháttriển nhằm đáp ứng yêu cầu cao về tính năng thời gian trong trao đổi dữ liệu, giữacấp điều khiển cũng như các bộ PLC hoặc các máy tính công nghiệp với các ngoại

vi phân tán ở cấp trường như các thiết bị đo, truyền động và van Việc trao đổichủ yếu được thực hiện tuần hoàn theo cơ chế Master/Slave Với số trạm tối đatrong một mạng là 126, PROFIBUS – DP cho phép sử dụng cấu hình mộttrạm chủ (Mono Master) hoặc nhiều trạm chủ (Multi Master) Một đặc trưng nữacủa PROFIBUS – DP là tốc độ truyền cao, có thể lên tới 12 Mbit/s

Lớp: CĐ.Điện 2 – K13

- PROFIBUS – FMS (Fieldbus Message Specification) trao đổi lượng thôngtin trung bình giữa các thành viên bình đẳng với nhau trong mạng PROFIBUS– FMS được dùng chủ yếu cho việc nối mạng các máy tính điều khiển và giám sát.Mạng này chỉ thực hiện ở các lớp 1, 2, 7 theo mô hình quy chiếu OSI Do đặc điểmcủa các ứng dụng trên cấp điều khiển và điều khiển giám sát, dữ liệu chủ yếu đượctrao đổi với tính chất không định kỳ

- PROFIBUS – PA (Process Automation) được thiết kế riêng cho những khuvực nguy hiểm PROFIBUS – PA là sự mở rộng của PROFIBUS – DP về phươngpháp truyền dẫn an toàn trong môi trường dễ cháy nổ theo chuẩn IEC 61158-2.PROFIBUS – PA là loại bus trường thích hợp cho các hệ thống điều khiển phântán trong các ngành công nghiệp hoá chất và hoá dầu Thiết bị chuyển đổi (DP/PA-Link) được sử dụng để tích hợp đường mạng PA với mạng PROFIBUS DP Điềunày đảm bảo cho toàn bộ thông tin có thể được truyền liên tục trên hệ thống mạngPROFIBUS bao gồm cả DP và PA

Hình 1.3 Mạng Profibus

ProfiBus là một chuẩn truyền thông trong công nghiệp được sử dụng rất rộngrãi, có hai loại thiết bị thường gặp trong mạng truyền thông ProfiBus được phânbiệt là thiết bị chủ (Master) và thiết bị tớ (Slave)

- Thiết bị chủ (Master) có khả năng kiểm soát truyền thông trên Bus,một trạm chủ có thể gửi thông tin khi nó giữ quyền truy nhập Bus Trạm chủ cònđược gọi là trạm tích cực

- Thiết bị tớ (Slave) là các thiết bị trường vào ra phân tán, cảm biến và

cơ cấu chấp hành Chúng không được quyền truy nhập Bus mà chỉ được phép xácnhận hoặc trả lời thông tin nhận được từ trạm chủ khi được yêu cầu Một trạm tớcòn được gọi là trạm thụ động

Một trạm tớ thực hiện ít dịch vụ hơn, tức là xử lý giao thức đơn giản hơn sovới trạm chủ

1.2.1 Đặc Tính Cơ Bản

Truyền dữ liệu tốc độ cao không phải là điều kiện đủ cho sử dụng thành côngmột hệ thống Bus Để thỏa mãn các yêu cầu của người dùng thì các chức năng nhưđiều khiển đơn giản, khả năng chuẩn đoán tốt và kỹ thuật truyền chống nhiễu cầnđược đáp ứng

Các chức năng chuẩn đoán mở rộng của DP cho phép tìm ra vị trí lỗi nhanhchóng, các thông số chuẩn đoán được truyền trên Bus và tập trung tại Master, cácthông số này được chia làm 3 cấp:

- Chuẩn đoán các trạm liên quan

- Chuẩn đoán các modul liên quan

- Chuẩn đoán các kênh liên quan

1.2.2 Cấu Hình Hệ Thống Và Dạng Thiết Bị

DP cho phép sử dụng cấu hình một trạm chủ (Monomaster) hoặc nhiều trạmchủ (Multimaster) với số trạm tối đa trong một đoạn mạng là 126 trạm Trong cấuhình nhiều chủ, tất cả các trạm chủ đều có thể đọc dữ liệu đầu vào/ra của các trạm

tớ nhưng chỉ duy nhất một trạm chủ được quyền ghi dữ liệu đầu ra

Các quy định cho cấu hình hệ thống bao gồm số lượng trạm, gán địa chỉ chocác I/O phân tán, đồng nhất dữ liệu I/O, dạng thông báo chuẩn đoán và thông số

Bus sử dụng.

Tùy theo phạm vi chức năng, kiểu dịch vụ thực hiện người ta phân biệt cácdạng dịch vụ sau:

- DP-Master cấp 1 (DPM1), đây là một bộ điều khiển trung tâm trao đổi thông

tin với các trạm phân tán (DP-Slave) theo một chu kỳ thông báo xác định Cácthiết bị điển hình dạng này là các bộ PLC, máy CNC hoặc điều khiển

Robot

- DP-Master cấp 2 (DPM2), các thiết bị thuộc dạng này là các thiết bị lập

trình, thiết bị cấu hình hoặc thiết bị chuẩn đoán Các thiết bị này được sử dụngtrong quá trình khởi động để tạo ra cấu hình cho hệ thống DP

- DP-Slave, một DP-Slave là một thiết bị I/O (Sensor-Actuator) đọc vào các

thông tin từ Input hoặc đưa ra thông tin ngõ ra tới quá trình xử lý Lượng thông tinngõ vào hoặc ngõ ra phụ thuộc vào thiết bị

Hệ thống Mono-Master, cấu hình hệ thống này chỉ có duy nhất một Master và

là hệ thống có thời gian chu kỳ ngắn nhất

Hình 1.4 Cấu hình mạng ProfiBus-DP Mono-Master.

Hệ thống Multi-Master

Hệ thống này có nhiều Master, chẳng hạn như các thiết bị cấu hình, các thiết

bị chuẩn đoán hoặc một số hệ thống con (subsystem) phụ thuộc lẫn nhau trên mộtBus

Hình 1.5 Cấu hình mạng ProfiBus-DP Multi-Master.

Việc đặt cấu hình hệ thống được thực hiện bằng phần mềm, thông thường mộtcông cụ cấu hình cho phép người sử dụng bổ sung và tham số hóa nhiều loại thiết

bị của cùng một nhà sản xuất một cách tương đối đơn giản bởi các thông tin tínhnăng cần thiết của các thiết bị này đã được đưa vào cơ sở dữ liệu của công cụ cấuhình

1.2.3 Cấu trúc mạng (TOPOLOGY)

Topology là cấu trúc liên kết của một mạng hay nói cách khác chính là tổnghợp của các liên kết Topology có thể hiểu là cách sắp xếp, tổ chức về mặt vật lýcủa mạng nhưng cũng có thể là cách sắp xếp logic của các nút mạng, cách tổ chứclogic các mối liên kết giữa các nút mạng

Có thể phân biệt các dạng cấu trúc cơ bản là Bus, mạch vòng tích cực và hìnhsao Một số cấu trúc phức tạp hơn như cấu trúc cây đều có thể xây dựng trên cơ sở

phối hợp ba cấu trúc cơ sở này.

Trong công nghiệp người ta phân cấu trúc mạng Profibus ra làm nhiều dạngcấu trúc theo cách sắp xếp các thiết bị trên một Bus, gồm các cấu trúc như sau:

Với cấu hình dạng Daisy-chain, mỗi trạm được nối trực tiếp với nhau tại giaođiểm của hai đoạn dây dẫn, không qua một đoạn nối phụ nào:

Hình 1.6 Kiểu Daisy-chain.

Còn trong cấu hình Trunk-line/Drop-line mỗi trạm được nối với nhau quamột đường nhánh (drop-line) để qua đường trục (Trunk-line):

Hình 1.7 Kiểu Trunk-line/Drop-line

Và mạch vòng không tích cực là một cấu hình mà đường truyền liên kết giữacác thiết bị trong mạch được khép kín:

Hình 1.8 Kiểu mạch vòng không tích cực.

Ưu điểm của loại cấu trúc Bus là tiết kiệm được dây dẫn, lắp đặt thi công đơngiản, dễ thực hiện,… Vì vậy, cấu trúc Bus được sử dụng rộng rãi trong mạng côngnghiệp

Nguyên tắc truyền thông là tại một thời điểm nhất định chỉ có một thành viêntrong mạng được gửi tín hiệu, còn các thành viên khác chỉ có quyền nhận

Bên cạnh những ưu điểm trên cấu trúc Bus có những nhược điểm khi sử dụngchung đường truyền là:

+ Phải phân chia thời gian sử dụng Bus hợp lý:

- Một tín hiệu gửi đi có thể đến nhiều trạm khác nhau không kiểm soátđược nên cần phải gán địa chỉ cho từng trạm cụ thể

- Số trạm trong một đoạn mạng bị hạn chế, muốn mở rộng mạng phảidùng thêm các bộ lặp

- Việc sử dụng hai trở đầu cuối thường làm cho tải của hệ thống tăng lên

- Trong trường hợp đường dẫn bị đứt hoặc do ngắn mạch trong phần kếtnối Bus của một trạm bị hỏng đều dẫn đến ngừng hoạt động của cả hệ thống.Việc định vị lỗi gặp nhiều khó khăn

b Cấu Trúc Mạch Vòng Tích Cực

Cấu trúc mạch vòng tích cực là cấu trúc mà các trạm trong cùng một mạngđược nối tuần tự từ điểm này đến điểm kia tạo thành một mạch vòng khép kín giữacác trạm

Điều đó làm cho mỗi thành viên trong mạng đều tham gia tích cực việc kiểmsoát dòng tín hiệu trên đường truyền Trong cấu trúc này, mỗi trạm được nhận tínhiệu truyền từ trạm trước nó và chuyển sang một trạm kế sau nó Quá trình truyềntín hiệu theo một chiều cứ tiếp tục cho đến khi tín hiệu được truyền quay về trạmgửi ban đầu, khi đó tín hiệu sẽ bị hủy bỏ Cấu trúc mạch vòng tích cực được chialàm hai dạng:

- Dạng mạch vòng có điều khiển trung tâm, một trạm chủ sẽ kiểm soátviệc truy nhập đường dẫn của mạng :

Hình 1.9 Mạch vòng tích cực có điều khiển trung tâm.

- Dạng mạch vòng không có điều khiển trung tâm, các trạm đều bình đẳng nhưnhau trong việc gửi và nhận dữ liệu Việc kiểm soát đường dẫn do các trạm tự đảmnhận và phân chia:

Hình 1.10 Mạch vòng tích cực không có điều khiển trung tâm.

Ưu điểm của cấu trúc này là mỗi một nút mạng là một bộ khuếch đại, nênkhi

thiết kế mạng theo kiểu cấu trúc vòng có thể thực hiện với khoảng cách và sốtrạm lớn Mỗi trạm có thể vừa nhận và phát tín hiệu cùng một lúc Việc liên kếtđiểm- điểm đáp ứng được yêu cầu sử dụng các phương tiện truyền tin hiện đại nhưcáp quang, tia hồng ngoại,… để truyền dữ liệu Các kiểu liên kết mạch vòng tíchcực thì việc gán địa chỉ cho các thành viên trong mạng có thể được thực hiện bởimột máy chủ một cách tự động, căn cứ vào thứ tự sắp xếp vật lý của các trạm trongmạch vòng

Một ưu điểm khác của cấu trúc mạch vòng là khả năng xác định vị trí xảy ra sự

cố và cô lập vị trí đó để các trạm khác vẫn làm việc bình thường bằng một dây dựphòng trong mạng

Giả sử, một dây chính liên kết giữa các trạm bị đứt thì các trạm lân cận vớiđiểm xảy ra sự cố sẽ tự phát hiện lỗi đường dây rồi tự động chuyển qua đường dâyphụ và tín hiệu được đi vòng qua đường dây phụ

Hình 1.11 Sự cố đứt dây giữa hai trạm.

Trong trường hợp khác, khi một trạm bị hỏng thì hai trạm lân cận sẽ bị nối tắt:

Hình 1.12 Nối tắt hai trạm lân cận của trạm bị sự cố.

Khả năng xử lý lỗi như trên là nhờ vào một thiết bị gọi là thiết bị chuyển mạch(by-pass) tự động, khi bị sự cố thì bộ chuyển mạch tự động phát hiện và ngắn mạch

bỏ qua thiết bị được nối qua nó

Hình 1.13 Sử dụng bộ chuyển mạch khi thiết bị làm việc bình thường và lúc sự cố

c Cấu Trúc Hình Sao

Cấu trúc hình sao là sử dụng một trạm trung tâm làm nhiệm vụ truyền thôngcho cả mạng, các trạm khác được nối gián tiếp với nhau qua trạm trung tâm Vìvậy, trạm trung tâm có thể là một trạm chủ tích cực nếu nó kiểm soát toàn bộ truyềnthông của mạng hoặc chỉ là một bộ chuyển mạch thông thường

Sử dụng cấu trúc hình sao có nhược điểm lớn, đó là khi trạm trung tâm bị sự cốthì các thiết bị được nối với nó sẽ không hoạt động truyền thông được Chính vì thế

mà khi sử dụng cấu trúc hình sao thì trạm trung tâm phải có độ tin cậy rất cao

Gateway,…:

Hình 1.15 Mô hình cấu trúc cây

Vì thế cấu trúc hình cây là sự phân cấp đường dẫn

1.2.4 Truy nhập BUS

Trong một mạng có cấu trúc, các thành viên phải chia nhau sử dụng đườngtruyền Để tránh sự xung đột về tín hiệu gây ra sai lệch về thông tin, ở mỗi thờiđiểm trên một đường dẫn chỉ duy nhất một tín hiệu được phép truyền đi Vì vậy,mạch phải điều khiển sao cho tại một thời điểm nhất định thì chỉ có một thành viêntrong mạng được gửi thông tin, còn số lượng thành viên nhận thông tin trong mạngthì không hạn chế Một trong những vấn đề quan trọng hàng đầu ảnh hưởng đếnchất lượng của mỗi hệ thống Bus là phương pháp phân chia thời gian gửi thông tintrên đường dẫn hay còn gọi là phương pháp truy nhập Bus

Trong mạng truyền thông công nghiệp, các hệ thống có cấu trúc dạng Bus haycác hệ thống Bus có vai trò quan trọng nhất do đảm bảo được những lý do:

- Lắp đặt dễ dàng

- Chi phí dây dẫn thấp

- Làm việc linh hoạt

- Khoảng cách truyền vừa và nhỏ

Đối với một số cấu trúc khác dạng Bus, xung đột tín hiệu vẫn có thể xảy ra, tuykhông hiển nhiên như ở hệ thống Bus Như với cấu trúc mạch vòng, mỗi trạmkhông phải bao giờ cũng có khả năng khống chế hoàn toàn tín hiệu đi qua nó Hay

ở cấu trúc hình sao có thể trạm trung tâm không có vai trò chủ động mà chỉ là một

bộ phận chia tín hiệu nên khả năng xung đột tín hiệu là không thể tránh khỏi Vìthế, trong các hệ thống này ta vẫn cần một biện pháp phân chia quyền truy nhập,tuy có thể đơn giản hơn so với cấu trúc Bus

Phương pháp truy nhập Bus là một trong những vấn đề cơ bản đối với các hệ

thống Bus, bởi mỗi phương pháp có những ảnh hưởng khác nhau tới các tính năng

kỹ thuật của hệ thống Những yêu cầu cụ thể đối với một phương pháp truy nhậpBus là độ tin cậy, tính năng thời gian thực và hiệu suất sử dụng đường truyền

Đa số các hệ thống Bus được sử dụng trong lĩnh vực tự động hóa làm việc theochu kỳ Chỉ có một số hoạt động xảy ra bất thường như thông tin cảnh báo, dữ liệutham số,…, còn phần lớn các dữ liệu được trao đổi định kỳ theo chu kỳ tuần hoàncủa Bus Với chu kỳ Bus là khoảng thời gian tối thiểu mà sau đó các hoạt độngtruyền thông chính lặp lại như cũ Trong điều khiển tự động, chu kỳ quét là cơ sởcho việc chọn chu kỳ lấy mẫu tín hiệu đo hoặc chu kỳ vòng quét cho các PLC đóngvai trò trạm chủ

Các yêu cầu về điều khiển truy cập Bus, có hai yêu cầu quan trọng cần chú ý

đến là đối với truyền thông giữa các bộ PLC có cùng trạng thái (Master) phải đảmbảo rằng mỗi một trạm phải có đủ thời gian để thực hiện xong nhiệm vụ truyềnthông và đối với sự truyền thông trao đổi dữ liệu theo chu kỳ giữa Master và Slave

có càng ít yêu cầu càng tốt

Có thể phân loại cách truy nhập Bus theo các cấp sau:

Hình 1.16 Phân loại các phương pháp truy nhập Bus

a Phương pháp Tiền Định

Với phương pháp này, trình tự truy nhập Bus được quy định rõ ràng Quá trìnhtruy nhập Bus được kiểm soát theo cách tập trung ở trạm chủ (phương phápMaster/Slave), theo quy định trước về thời gian (phương pháp TDMA) hoặc phântán bởi các thành viên (Phương pháp Token Passing) Nếu mỗi hoạt động truyềnthông được hạn chế bởi một khoảng thời gian hoặc độ dài dữ liệu nhất định thì thờigian đáp ứng tối đa cũng như chu kỳ Bus có thể tính toán được Các hệ thống này vìthế được gọi là có khả năng thời gian thực

b Phương pháp Ngẫu Nhiên

Ngược lại, trong các phương pháp ngẫu nhiên trình tự truy nhập Bus khôngđược quy định chặt chẽ trước mà để xảy ra hoàn toàn theo nhu cầu của các trạm.Mỗi thành viên trong mạng đều có thể thử truy nhập Bus để gửi thông tin đi bất kỳlúc nào

Để loại trừ tác hại của việc xung đột dữ liệu gây nên ta có thể sử dụng cácphương pháp phổ biến nhận biết xung đột (CSMA/CD) hoặc tránh xung đột(CSMA/CA)

Nguyên tắc hoạt động của các phương pháp này là khi có xung đột tín hiệu xảy