CHƯƠNG II TỔNG QUAN VỀ MẠNG TRUYỀN THÔNG CÔNG NGHIỆP Mạng truyền thông công nghiệp hay mạng công nghiệp là một khái niệm chung để chỉ các hệ thống mạng truyền thông số, truyền bit dữ li
Trang 1CHƯƠNG II TỔNG QUAN VỀ MẠNG TRUYỀN THÔNG
CÔNG NGHIỆP
Mạng truyền thông công nghiệp hay mạng công nghiệp là một khái niệm chung để chỉ các hệ thống mạng truyền thông số, truyền bit dữ liệu nối tiếp được sử dụng để ghép nối các thiết bị công nghiệp
Các hệ thống truyền thông công nghiệp phổ biến hiện nay cho phép liên kết mạng ở nhiều mức khác nhau, từ các bộ cảm biến, cơ cấu chấp hành dưới cấp trường cho đến các máy tính điều khiển, thiết bị giám sát, máy tính điều khiển giám sát và các máy tính trên cấp điều hành xí nghiệp, quản lý công ty
Đối tượng của mạng truyền thông công nghiệp thuần tuý là các thiết bị công nghiệp Vì vậy dạng thông tin được quan tâm để truyền đi trong mạng công nghiệp
là dữ liệu
Cấu trúc phân cấp của 1 hệ thống tự động thường gặp hiện nay:
I TỔNG QUAN VỀ LỊCH SỬ TỰ ĐỘNG HOÁ CÔNG NGHIỆP VÀ CÁC MẠNG TRUYỀN THÔNG
Đầu thế kỷ 20, các hệ điều khiển quá trình và hệ chế tạo được thiết kế chủ yếu dựa trên công nghệ cơ khí và các thiết bị Analog
Việc sử dụng các hệ điều khiển tập trung cho các hệ thống lớn đã lan rộng vào những năm 1950 Nhiều hệ thống trao đổi dữ liệu công nghiệp đã được phát triển cho các hệ điều khiển Các hệ thống dùng công nghệ analog, và được dùng để kết nối bộ xử lý trung tâm tới các thiết bị ngoại vi và terminal
Đầu năm 1960 máy tính số được áp dụng làm điều khiển số Trong thập kỷ 60 việc áp dụng máy tính mini vẫn còn là một giải pháp khá đắt đỏ cho các bài toán
Quản lý công ty
Điều hành sản xuât Điều khiển giám sát
Chấp hành
Luồng
dữ liệu
Điều khiển
COROS OP15 K2K3 K4 K5 K6 K7 K8 K9 8
SH
I FT
DE L
LP
Mạng công ty
Mạng xí nghiệp
Bus hệ thống
Bus trường Bus chấp hành cảm biến
Trang 2điều khiển Trong khi đó, PLC ra đời và thay thế điều khiển dựa trên Rơle truyền thống có tính năng điều khiển hạn chế Việc áp dụng máy tính mini có khả năng truyền dữ liệu nhanh hơn đã dẫn tới sự phát triển của cáp truyền dữ liệu và các thiết
bị dữ liệu tốc độ cao trong cuối thập kỷ 60 và 70
Giữa thập kỷ 70, Honeywell sáng chế hệ điều khiển máy tính phân tán (DCCS-Distributed Computer Controller Systems) đầu tiên, nó là hệ điều khiển phân cấp với nhiều vi xử lý
Từ năm 1980, việc sử dụng các mạng LAN để kết nối các máy tính và các thiết
bị tự động hoá trong một hệ thống tự động hoá công nghiệp trở nên phổ biến Các mạng LAN đem lại khả năng trao đổi thông tin dung lượng cao, giá thành thấp, làm cho hệ điều khiển số trở thành hiện thực và tạo ra nhiều dịch vụ tự động hoá, các hệ
tự động công nghiệp thường được triển khai theo một kiến trúc phân tán mở với mạng truyền dữ liệu số
Hiện nay, những người dùng mạng LAN thường giao tiếp với các máy tính hay thiết bị tự động hoá thuộc mạng LAN khác qua các gateway liên kết nhờ mạng WAN Ở mạng cấp thấp hơn trong tự động hoá công nghiệp, các giải pháp mạng cục bộ công nghiệp MAP quá đắt đỏ hoặc không đáp ứng thời gian phản hồi nhanh, tuỳ theo ứng dụng Vì thế đã ra đời các mạng Fieldbus và người ta hiện cũng đang
nỗ lực để xây dựng các chuẩn Fieldbus cho các ứng dụng tự động hoá công nghiệp Vậy mạng truyền thông công nghiệp có vai trò quan trọng như thế nào trong các lĩnh vực đo lường, điều khiển và tự động hoá? Sử dụng mạng truyền thông công nghiệp, đặc biệt là bus trường để thay thế cách điểm nối điểm cổ điển giữa các thiết
bị công nghiệp mang lại hàng loạt những lợi ích sau:
Đơn giản hoá cấu trúc liên kết giữa các thiết bị công nghiệp
Giảm đáng kể giá thành dây nối và công lắp đặt hệ thống
Nâng cao độ tin cậy và độ chính xác của thông tin nhờ truyền thông
số
Nâng cao độ linh hoạt và tính năng mở của hệ thống
Đơn giản hoá, tiện lợi hoá việc chẩn đoán, định vị lỗi, sự cố của các thiết bị
Nâng cao khả năng tương tác giữa các thành phần (phần cứng và phần mềm) nhờ các giao diện chuẩn
Mở ra nhiều chức năng và khả năng ứng dụng mới của hệ thống như các ứng dụng điều khiển phân tán, điều khiển giám sát hoặc chuẩn đoán lỗi từ xa qua Internet
II CƠ SỞ KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG
Trang 3II.1 Cấu trúc mạng
1 Cấu trúc bus
Trong cấu trúc bus, tất cả các thành viên của mạng đều được nối trực tiếp với một đường dẫn chung, đặc điểm cơ bản của cấu trúc bus là việc sử dụng chung một đường dẫn duy nhất cho tất cả các trạm nên tiết kiệm được cáp dẫn và công lắp đặt
Có ba kiểu cấu trúc bus là Daisy-chain, Trunk-line/drop-line và mạch vòng không tích cực
Cấu trúc trunk line / drop line Cấu trúc mạch vòng không tích cực
2 Cấu trúc mạch vòng tích cực
Trong cấu trúc này được thiết kế sao cho các thành viên trong mạng được nối
từ điểm này đến điểm kia một cách tuần tự trong một mạch vòng khép kín Mỗi thành viên đều tham gia tích cực vào việc kiểm soát dòng tín hiệu, tín hiệu được truyền đi theo một chiều qui định, mỗi trạm nhận được dữ liệu từ trạm đứng trước
và chuyển tiếp sang trạm lân cận đứng sau Ưu điểm cơ bản của cấu trúc này là mỗi nút đồng thời có thể là một bộ khuyếch đại, vì vậy khi thiết kế mạng theo kiểu này
có thể thực hiện với khoảng cách và số trạm rất lớn
3 Cấu trúc hình sao
Trong cấu trúc này có một trạm quan trọng nhất, trạm này điều khiển sự truyền thông, các trạm khác được kết nối gián tiếp với nhau qua trạm trung tâm Nhược điểm của cấu trúc này là khi trạm trung tâm bị sự cố sẽ làm tê liệt toàn bộ các hoạt động truyền thông trong mạng
Cấu trúc hình sao
4 Cấu trúc cây
Một mạng có cấu trúc cây chính là sự liên kết của nhiều mạng con có cấu trúc đường thẳng, mạch vòng hoặc hình sao
Trang 4
Cấu trúc hình cây
II.2 Kiến trúc giao thức
Kiến trúc giao thức OSI
OSI là một mô hình kiến trúc phân lớp với mục đích phục vụ việc sắp xếp và đối chiếu các hệ thống truyền thông có sẵn, trong đó có cả việc so sánh, đối chiếu các giao thức và dịch vụ truyền thông, cũng như cơ sở cho việc phát triển các hệ thống mới
Theo mô hình OSI, chức năng hay dịch vụ của một hệ thống truyền thông được chia thành 7 lớp, tương ứng với mỗi lớp dịch vụ là một lớp giao thức Có thể
do phần cứng hay phần mềm thực hiện Một lớp trên thực hiện dịch vụ của mình trên cơ sở sử dụng các dịch vụ ở một lớp dưới và theo đúng giao thức qui định tương ứng Các dịch vụ cấp thấp thường do phần cứng thực hiện (các vi mạch điện tử) thực hiện, trong khi các dịch vụ cao cấp do phần mềm thực hiện
Các lớp trong mô hình OSI
Lớp ứng dụng (Application)
Có chức năng cung cấp các dịch vụ cao cấp cho người sử dụng và các chương trình ứng dụng Các dịch vụ thuộc lớp ứng dụng hầu hết được thực hiện bằng phần mềm
Lớp biểu diễn dữ liệu (Presentation)
Chức năng của lớp biểu diễn dữ liệu là chuyển đổi các dạng dữ liệu khác nhau
về cú pháp thành một dạng chuẩn, tạo điều kiện cho các đối tác truyền thông có thể hiểu được nhau mặc dù chúng sử dụng các kiểu dữ liệu khác nhau
Lớp kiểm soát nối (Session)
Lớp kiểm soát nối có chức năng kiểm soát mối liên kết truyền thông giữa các chương trình ứng dụng, bao gồm việc tạo lập, quản lý và kết thúc các đường nối giữa các ứng dụng đối tác
Lớp vận chuyển (Transport)
Trang 5Chức năng của lớp vận chuyển là cung cấp các dịch vụ cho việc thực hiện vận chuyển dữ liệu giữa các chương trình ứng dụng một cách tin cậy, bao gồm cả trách nhiệm khắc phục lỗi và điều khiển lưu thông
Lớp mạng (Network)
Lớp mạng có trách nhiệm tìm đường đi tối ưu cho việc vận chuyển dữ liệu, giải phóng sự phụ thuộc của các lớp bên trên vào phương thức chuyển giao dữ liệu
và công nghệ chuyển mạch dùng để kết nối các hệ thống khác nhau
Lớp liên kết dữ liệu (Data link)
Lớp liên kết dữ liệu có trách nhiệm truyền dẫn dữ liệu một cách tin cậy thông qua mối liên kết vật lý, trong đó bao gồm việc điều khiển việc truy nhập môi trường truyền dẫn và bảo toàn dữ liệu
Lớp vật lý (Physical)
Lớp vật lý đảm nhiệm toàn bộ công việc truyền dẫn tín hiệu bằng phương tiện vật lý như: cấu trúc mạng, chuẩn truyền dẫn, phương pháp mã hoá bit, chế độ truyền tải, tốc độ truyền, giao diện cơ học,
II.3 Truy cập bus
Trong một mạng có cấu trúc bus, tại mỗi thời điểm chỉ có thể có một thành viên được phép gửi thông tin nếu không sẽ xảy ra sự xung đột tín hiệu gây sai lệch
về thông tin Chính vì vậy mạng phải được điều khiển sao cho tại một thời điểm nhất định chỉ có một trạm gửi thông tin đi, còn số thành viên muốn nhận thông tin thì không hạn chế Kỹ thuật truy cập bus khác nhau có thể được phân loại thành nhóm các phương pháp tiền định và nhóm các phương pháp ngẫu nhiên
Với các phương pháp tiền định, trình tự truy cập bus được xác định rõ ràng Việc kiểm soát truy cập bus được kiểm soát chặt chẽ theo cách tập trung ở một trạm chủ (Master/Slave), theo sự qui định trước về thời gian (TDMA) hoặc phân tán bởi các thành viên (Token Passing) Ngược lại, trong các phương pháp ngẫu nhiên trình
tự truy cập bus không được quy định chặt chẽ trước, mà để xảy ra hoàn toàn theo nhu cầu của các trạm Mỗi thành viên trong mạng có thể thử truy cập bus để gửi thông tin bất cứ lúc nào Để loại trừ tác hại của việc xung đột gây nên, có những phương pháp phổ biến như nhận biết xung đột (CSMA/CD) hoặc tránh xung đột (CDMA/CA)
Trang 6II.4 Chuẩn truyền dẫn
1 Chuẩn RS-232
RS-232 sử dụng phương pháp truyền dẫn không đối xứng, mức điện áp được
sử dụng trong khoảng từ -15V tới 15V, khoảng từ 3V tới 15V tương ứng với mức logic 0 ,khoảng từ -3V tới -15V ứng với mức logic 1 Tốc độ truyền tối đa phụ thuộc vào chiều dài dây dẫn Chế độ làm việc là hai chiều toàn phần nghĩa là hai thiết bị tham gia có thể thu và phát tín hiệu cùng lúc
2 Chuẩn RS-485
Chuẩn RS-485 sử dụng điện áp chênh lệch đối xứng giữa hai dây dẫn.Điện áp chênh lệch dương ứng với trạng thái logic 0 và âm ứng với trạng thái logic 1
RS-485 cho phép khoảng cách tối đa giữa trạm đầu và trạm cuối trong một đoạn mạng là 1200 m, không phụ thuộc số trạm tham gia Tốc độ truyền dẫn có thể lên tới 10Mbit/s (thậm chí 12Mbit/s ) Cấu hình phổ biến là sử dụng hai dây dẫn cho việc truyền tín hiệu, trong trường hợp này hệ thống chỉ làm việc với chế độ hai chiều gián đoạn
II.5 Phương tiện truyền dẫn
Trong kỹ thuật truyền thông công nghiệp, sử dụng các phương tiện truyền dẫn sau:
Cáp điện : cáp đồng trục, đôi dây xoắn (có bọc và không có bọc)
Cáp quang : cáp sợi thuỷ tinh, cáp sợi chất dẻo
Vô tuyến : vi sóng, tia hồng ngoại, siêu âm
III SO SÁNH CÁC HỆ THỐNG MẠNG TRUYỀN THÔNG CÔNG NGHIỆP PHỔ BIẾN
Truy nhập ngẫu nhiên Truy nhập tiền định
Phương pháp truy nhập bus
Phương pháp truy nhập bus
Kiểm soat tập trung
Master/Slave
TDMA
Kiểm soat tập trung
Master/Slave
TDMA
Kiểm soát phân tán Token Passing
Kiểm soát phân tán Token Passing Nhận biết xung độtNhận biết xung đột CSMA/CD CSMA/CD Tránh xung độtCSMA/CA
Tránh xung đột CSMA/CA
Các phương pháp truy nhập bus
Trang 7So sánh thông số kỹ thuật giữa các mạng:
AS-Interface specification to
EN 50295
Những
dịch vụ
truyền
thông của
mạng
- Programming
device/OP
- S7 communication
- S7 basic
communication GD
- Programming device/
OP
- S7 communication
- S5 compatible communication
- Standard communication (FMS)
- Programming device/OP
- S7 communication
- S5 compatible communication
- Standard communication (MMS)
AS-Interface functions
Kỹ thuật
truy nhập
mạng
Token Passing
- Token Passing with subordinate
Master/Slave
Dải tốc
độ truyền
19.2 kBit/s
or 187.5kBit/s
10MBit/s
Phương
tiện
truyền
dẫn
- Copper:
Shielded 2 –core
cable
- Fiber-optic:
(glass or plastic)
- Copper:
shielded 2-core cable
- Fiber-optic: (glass or plastic)
- Wireless: Infrared
- Copper:
Double-shielded coaxial cable or Industrial Twisted Pair
- Fiber-optic:
(glass)
- Copper: Unshielded 2-core cable
Số trạm
- thông
thường
- lớn nhất
2 to 10
125 (126)
2 to 16 126
2 to 100
> 1000
14 32
Chiều dài
mạng
Electric: up to 50 m
(expandable using
RS485 repeaters or
optical
link modules)
- Copper:
up to 9.6 km
- Fiber-optic:
more than 90 km
- Copper:
1.5 km
- Fiber-optic:
up to 4.5 km Worldwide with TCP/IP
Cable length max.
300 m
Cấu trúc
mạng
Electric: line,
Cấp hệ
thống áp
dụng
Level
Các hệ
thống có
thể kết
nối
- SIMATIC S7/M7/
C7
- SIMATIC PC/PG
- SIMATIC HMI
SIMATIC S7/M7/C7 SIMATIC PC/PG SIMATIC HMI SIMATIC S5
- SIMATIC S7/M7/
C7
- SIMATIC PC/PG
- SIMATIC HMI
- SIMATIC S5 Workstations/
computers
- SIMATIC S7 (200/300)
- SIMATIC C7 (C7-621 Asi)
- SIMATIC S5
- SIMATIC PC/PG