Thiết kế hệ SCADA điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu mạng biến tần UNIDRIVE V3 ngôn ngữ lập trình VISUAL BASIC

Hệ thống điều khiển TĐH QTSX có dạng cấu trúc hình chóp và phân thành các cấpnhư sau: Cấp 0 : Là cấp tiếp xúc giữa hệ thống điều khiển HTĐK và cơ cấu chấp hành, sử dụng kỹ thuật truyền t

Khoa: ĐIỆN KỸ THUẬTBộ môn: TỰ ĐỘNG - ĐO LƯỜNG

NHIỆM VỤ THIẾT KẾ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Họ và tên sinh viên : TRẦN BÁ BÔNG

Ngành : Tự Động - Đo Lường

1/ Đề tài :

- Thiết kế hệ SCADA điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu mạng biến tần

UNIDRIVE V3 trên ngôn ngữ lập trình VISUAL BASIC và thiết bị lập trình

S7-300 hoặc S7-200

2/Các thiết bị và số liệu cần thiết :

- Thiết bị lập trình S7-300 hoặc S7-200 loại CPU 226

- Biến tần UNIDRIVE V3 loại UNI 1401 với các số liệu:

+Công suất : 0,75 Kw

+Dòng ra : 2.1 A

- Động cơ loại AC 3 công suất 0.3 Kw Với các số liệu:

+Đấu sao(Y) : U:400v; I:1A; Cos:0,6; W:1391vg/ph

+Đấu tam giác () : U:230v; I:1,75A; Cos:0,6; W:1381vg/ph

- Modul giao tiếp UD71

3/ Nhiệm vụ thiết kế chương trình:

- Thiết kế giao diện chương trình, dùng ngôn ngữ lập trình VISUAL BASIC

- Điều khiển ,thu thập dữ liệu và khảo sát quá độ thông qua giao diện và cơ sở

dữ liệu Microsoft Access

- Viết chương trình điều khiển mạng biến tần dùng ngôn ngữ lập trình Step7

MicroWin

- Kết nối thiết bị và điều khiển trên thiết bị cụ thể

- Viết chương trình ứng dụng dùng cho việc đồng bộ tốc độ hai động cơ

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH

KHOA

  

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc

  

4/Thiết minh chương trình :

 Chương I : Tổng quan về hệ thống Tự Động Hoá công nghiệp

 Chương II : Giới thiệu mạng truyền thông công nghiệp và hệ SCADA

 Chương III : Giới thiệu chung về ngôn ngữ và thiết bị lập trình

 Chương IV : Biến tần công nghiệp UNIDRIVE V3

 Chương V : Động cơ xoay chiều 3 pha lồng sóc

 Chương VI : Phương pháp truyền thông

 Chương VII : Chương trình điều khiển

 Chương VIII : Phụ lục

5/ Yêu cầu bản vẽ:

- Các bản vẽ lưu đồ thuật toán

- Giản đồ hình thang LAD

- Các bản vẽ hoạt động của biến tần

6/Cán bộ hướng dẫn:

- Thạc sĩ : Lâm Tăng Đức

7/ Cán bộ duyệt:

-

8/ Ngày giao nhiệm vụ:

9/ Ngày hoàn thành :

Thông qua bộ môn

Ngày tháng năm 2004

TỔ TRƯỞNG TỔ BỘ MÔN

Thạc sĩ : Lâm Tăng Đức

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

Thạc sĩ : Lâm Tăng Đức

CÁN BỘ DUYỆT

Ngày nay, cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật trên đà phát triển Đặc trưng là kỹthuật máy tính, cơng nghệ thơng tin và tự động hố Điều đĩ đã mang lại lợi ích to lớn vềnhiều mặt như đảm bảo và nâng cao chất lượng sản phẩm, tiết kiệm nguyên vật liệu, nângcao năng suất và hiệu quả sản xuất

Trên cơ sở phát huy những thành tựu khoa học kỹ thuật, con người đã từng bướcphát triển cơng nghệ cĩ thể xử lí nhuần nhuyễn số liệu Từ đĩ tạo ra những thiết bị hoạtđộng độc lập và thơng minh, cũng như cĩ khả năng liên kết và nối mạng với nhau Vớikhả năng này chúng ta cĩ thể giám sát và điều khiển một cách dễ dàng qua mạng

Dựa trên những kiến thức đã học , em sử dụng thiết bị lập trình S7- 200 để điềukhiển giám sát và thu thập dữ liệu mạng biến tần UNIDRIVE 1401 Đây là dịp để cũng cốlại kiến thức đã học , từng bước nắm bắt kiến thức thực tế trước khi ra trường hồ nhậpvào xã hội

Trong quá trình làm đề tài tốt nghiệp khơng thể tránh khỏi thiếu sĩt, em rất mong sựchỉ bảo tận tình của các thầy cơ

Em xin chân thành cảm ơn !

Đà Nẵng Ngày 25 Tháng 5 Năm 2004

Sinh Viên TRẦN BÁ BƠNG

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG

ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG HÓA QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT

I GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG HOÁ QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT

Ngày nay với xu hướng phát triển quá trình sản xuất, đặc biệt là sự phát triểncông nghiệp, vấn đề tự động hoá quá trình sản xuất có một ý nghĩa rất lớn quyếtđịnh đến sự phát triển kinh tế

Việc ứng dụng hệ thống điều khiển tự động hoá quá trình sản xuất đã mang lại hiệuquả kinh tế đáng kể như nâng cao chất lượng sản phẩm, tăng năng suất, giảm giá thành sảnphẩm đáp ứng phần lớn nhu cầu người dùng Vì vậy hệ thống điều khiển tự động hoá quátrình sản xuất (TĐH-QTSX) đã được ứng dụng rộng rãi vào các ngành sản xuất và đangtừng bước thay thế dần sức lao động của con người, tiến đến một hệ thống tự động hoáhoàn toàn

QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT

II.1 Định nghĩa

Hệ thống điều khiển TĐH - QTSX là một hệ thống lớn có cấu trúc phức tạp

và được phân thành các hệ con và tổ chức theo kiểu phân cấp Các thông tin trướctiên được xử lý ở cấp dưới, sau đó truyền về cấp cao hơn Ở cấp cao người điềukhiển nhận các thông tin này và các thông tin bổ sung để đưa ra các quyết định điềukhiển

Hệ thống điều khiển TĐH QTSX có dạng cấu trúc hình chóp và phân thành các cấpnhư sau:

Cấp 0 : Là cấp tiếp xúc giữa hệ thống điều khiển (HTĐK) và cơ cấu chấp

hành, sử dụng kỹ thuật truyền tin số để kết nối các thiết bị thuộc cấp điều khiển(PC, PLC) với nhau và với các thiết bị của cấp chấp hành, cấp 0 gồm các thiết bịnhư: cảm biến, các thiết bị đo, các cơ cấu chấp hành, động cơ, rơ le Cấp 0 còn gọi

là bus trường hay bus thiết bị Nhiệm vụ của cấp này là chuyển dữ liệu quá trìnhlên cấp điều khiển để xử lý và chuyển quyết định điều khiển xuống các cơ cấu chấphành

Cấp 1 : Là cấp điều khiển cục bộ, các hệ thống mạng công nghiệp được dùng

để kết nối các máy tính điều khiển và các máy tính điều khiển cấp trên với nhau.Các hệ thống điều khiển ở đây như PID, PLC sẽ nhận thông tin từ cấp dưới (cấp0) và thực hiện theo chương trình tự động đã được cài đặt trước Một số thông tin

về quá trình sản xuất và kết quả của việc điều khiển sẽ được đưa lên cấp trên Cấp 1còn gọi là bus hệ thống hay bus quá trình Qua bus hệ thống các máy tính điềukhiển có thể phối hợp hoạt động, cung cấp dữ liệu quá trình cho các trạm kỹ thuật

và trạm quan sát cũng như nhận mệnh lệnh, tham số điều khiển từ các trạm cấptrên Thông tin không những được trao đổi theo chiều dọc mà còn được trao đổitheo chiều ngang

Cấp 2 : Là cấp điều khiển tự động hoá quá trình công nghệ (TĐH-QTCN) tại

đây có các máy tính hay mạng máy tính có các chức năng kết nối các máy tính vănphòng thuộc cấp điều hành với cấp điều khiển giám sát Thông tin được gửi lên trênbao gồm các trạng thái làm việc của các quá trình kỹ thuật, các hệ thống điều khiển

tự động (ĐKTĐ), các số liệu tính toán, các số liệu thống kê về diễn biến quá trìnhsản xuất và chất lượng sản phẩm

Cấp 3Mạng công ty

C p 0ấp 2Bus tr ngường

Thông tin theo chiều ngược lại là các thông số thiết kế, phương thức điều khiển vàmệnh lệnh điều hành Ngoài ra thông tin cũng được trao đổi theo chiều ngang giữa cácmáy tính thuộc cấp điều hành sản xuất Thông qua máy tính người điều khiển có thể canthiệp vào quá trình công nghệ Như vậy hệ điều khiển ở đây thuộc hệ Người-Máy.

Cấp 3 : Là cấp nằm trên cùng trong mô hình phân cấp hệ thống truyền thông công

nghiệp Đây là cấp ĐK TĐH-QTSX, gồm các máy tính trung tâm có chức năng

kết nối các máy tính văn phòng của các xí nghiệp để xử lý các thông tin về QTSX cũngnhư tình hình cung ứng vật tư, nguyên liệu, tài chính Từ đó đưa ra những giải pháp tối

ưu để người điều khiển lựa chọn, người điều khiển có thể can thiệp sâu vào QTSX Hệthống điều khiển TĐH - QTSX cũng là hệ người-máy nhưng ở cấp cao hơn, phạm vi điềukhiển rộng hơn

II.2 Phân loại các HTĐK TĐH - QTSX

II.2.1 Phân loại theo cấu trúc phân cấp

Hệ thống ĐK TĐH-QTCN là điều khiển một quá trình công nghệ nhất địnhứng với cấp 2 trong cấu trúc phân cấp của hệ thống điều khiển

Hệ thống ĐK TĐH-QTSX điều khiển cả quá trình sản xuất bao gồm quá trình côngnghệ và kế hoạch sản xuất, tài chính, vật tư, lao động và phân phối sản phẩm

HTĐK TĐH ngành: Điều khiển một ngành kinh tế phối hợp với việc lập kế hoạchsản xuất, điều khiển tổ chức các bộ phận trong ngành

II.2.2 Phân loại theo mức độ tự động hoá

Các hệ thống tự động hoá hiện nay bao gồm các dạng sau:

 Tự động hoá cố định: Là hệ thống mà trong đó trình tự các quá trình được cốđịnh bởi cấu hình phần cứng, hệ thống này có thể điều khiển trọn bộ như một module Môhình này có vốn đầu tư lớn, chi tiết trong một sản phẩm khó thay đổi

Tự động hoá theo chương trình: Là hệ thống các thiết bị sản xuất được thiết kế để có thểthay đổi trình tự làm việc tuỳ theo sự thay đổi cấu hình của sản phẩm, quá trình tự độnghoá được thực hiện theo chương trình điều khiển Loại hình điều khiển này đòi hỏi vốnđầu tư thiết bị cao, năng suất sản xuất thấp hơn so với tự động hoá cố định Chương trình

có thể thay đổi dễ dàng tuỳ theo cấu trúc sản phẩm và hầu hết chúng thích hợp với kiểusản xuất theo từng giai đoạn riêng biệt

 Tự động hoá linh hoạt (FMS): Là hệ thống được cải tiến từ hệ thống tự động hoátheo chương trình Loại hình hệ thống này có thể sản xuất từng chi tiết riêng của sản phẩm

mà không mất thời gian thay đổi lại cấu hình của sản phẩm

Nó đòi hỏi vốn đầu tư cao tuỳ theo chất lượng sản phẩm, sản xuất liên tục và có thể đadạng hoá sản phẩm

II.3 Cấu trúc HTĐK TĐH – QTSX

II.3.1 Cấu trúc kiểu song song

Cấp thấp nhất là các thiết bị đầu cuối Đó là các thiết bị tiếp xúc giữa hệ thốngđiều khiển và QTSX, làm nhiệm vụ thu nhận thông tin từ các sensor, thiết bị đolường và lưu trữ, xử lý sơ bộ rồi truyền lên các trạm trung gian, các trạm trung gian

xử lý tiếp thông tin rồi chuyển lên trung tâm điều khiển Tại trung tâm điều khiển,thông tin được xử lý và truyền trở lại trạm trung gian để đưa tín hiệu điều khiểnxuống các thiết bị đầu cuối tác động đến quá trình sản xuất

TRUNG TÂM

I U KHI NĐIỀU KHIỂN ỀU KHIỂN ỂN

TRUNG TÂM TÍNH TOÁN

T: Đầu cuốiTG: trạm trung gian

Hình v 1.2 ẽ 1.2 : C u trúc phân c p song songấp 2 ấp 2

II.3.2 Cấu trúc hình tia

Không có trạm trung gian, do đó giảm được đường liên lạc giữa các bộ phậncủa hệ thống Tuy nhiên các thiết bị đầu cuối không trực tiếp trao đổi thông tin vớinhau được

II.3.3 Cấu trúc bus

Các bộ phận trong hệ thống có thể trao đổi trực tiếp thông tin với nhau Do đó hệ thống cótính linh hoạt và hiệu quả cao Vì vậy cấu trúc này được dùng rộng rãi nhất (hình vẽ 1.3b)

CHƯƠNG II

TỔNG QUAN VỀ MẠNG CÔNG NGHIỆP VÀ HỆ SCADA

I GIỚI THIỆU VỀ HỆ SCADA I.1 Định nghĩa

SCADA (Supervisory Control And Data Acquistion): Là hệ thống điều khiểngiám sát và thu thập dữ liệu Đây là phần không thể thiếu trong một hệ thống tựđộng hoá hiện đại

Cấu thành của một hệ thống SCADA bao gồm 3 phần chính:

 Phần cứng : Bao gồm các máy tính (PC), các thiết bị đầu cuối (RTU), cácthiết bị giao diện người sử dụng và các thiết bị giao diện thông tin

 Phần mềm : Bao gồm các phần mềm hệ thống, phần mềm trợ giúp, phầnmềm ứng dụng

 Phần hỗ trợ : Phần hỗ trợ sử dụng để kiến tạo sơ đồ hệ thống, trợ giúp tìnhtrạng sự cố trong hệ thống SCADA là công cụ trợ giúp cho việc điều hành kỹ thuật

ở các cấp trực ban, điều hành của sản xuất công nghiệp từ các cấp phân xưởng, xínghiệp cho tới cấp cao nhất của một công ty

I.2 Chức năng cơ bản của hệ SCADA

 Giám sát: Chức năng này cho phép người điều hành giám sát liên tục các hoạt

động trong hệ thống để điều khiển quá trình Hiển thị báo cáo tổng kết về quá trình sảnxuất, chỉ thị giá trị đo lường dưới dạng các trang màn hình, trang đồ thị, trang sự kiện,trang báo cáo sản xuất Từ đó có thể điều khiển từ xa các đối tượng từ các trạm vận hànhtrong hệ thống

 Điều khiển: Chức năng này cho phép người điều hành điều khiển các thiết

bị và giám sát mệnh lệnh điều khiển

 Thu thập dữ liệu: Thu thập dữ liệu qua đường truyền số liệu về quá trình sản

xuất, sau đó tổ chức lưu trữ số liệu như số liệu sản xuất, chất lượng sản phẩm, sự kiện thaotác, sự cố dưới dạng trang ghi chép hệ thống theo một cơ sở dữ liệu nhất định

Tuỳ theo lĩnh vực ứng dụng và theo thời gian mà SCADA được hiểu theo những ýnghĩa khác nhau Theo yêu cầu cụ thể của quá trình tự động hoá, một hệ SCADA thườngphải có đầy đủ các thành phần sau:

 Trạm điều khiển trung tâm: Có nhiệm vụ thu thập, lưu giữ, xử lý số liệu vàđưa ra các lệnh điều khiển xuống các trạm cơ sở

 Mạng lưới truyền tin: Được xây dựng trên cơ sở mạng máy tính và mạngtruyền thông công nghiệp có chức năng đảm bảo thông tin hai chiều giữa trạmtrung tâm và các trạm cơ sở

 Giao diện người - máy (sơ đồ công nghệ, đồ thị, phím thao tác )

 Cơ sở dữ liệu quá trình: Cơ sở hạ tầng truyền thông công nghiệp hay cácthiết bị phục vụ cho việc truyền thông

 Phần mềm kết nối với các nguồn dữ liệu (những bộ phận điều khiển chocác PLC, các module vào/ra cho các hệ thống bus trường)

 Các chức năng hỗ trợ trao đổi tin tức và xử lý sự cố, hỗ trợ cho việc lậpbáo cáo

I.3 Cấu trúc phân cấp của hệ SCADA

Thi t b giám sátết bị giám sát ị giám sát

CẤP QUẢN LÝ HIỆN TRƯỜNG

PLC

ng c

ĐIỀU KHIỂNột nhà máy công nghiệp ơ cấu chấp hành

CẤP QUẢN LÝ XÍ NGHIỆPM ng xí nghi pạng xí nghiệp ệp

Hình 2.1 : Mô hình phân cấp mạng xí nghiệp

Tr m v n hànhạng xí nghiệp ận hành

M ng đi u khi nạng xí nghiệp ều khiển ểu bus

Ngày nay, kỹ thuật tự động hoá đã đạt được nhiều tiến bộ cùng với sự pháttriển nhanh chóng của công nghệ chế tạo linh kiện bán dẫn IC, LSI, VLSI của kỹthuật số, kỹ thuật vi xử lý cũng như của các kỹ thuật tính toán và công nghiệp máytính, công nghệ mạng và kỹ thuật quản lý, xử lý thông tin Mô hình SCADA (hiểutheo nghĩa rộng) được phân thành các cấp như sau:

I.3.1 Cấp quản lý hiện trường

Trong cấp này các bộ điều khiển nối tiếp với các loại thiết bị tại hiện trườngnhư các thiết bị đo lường, các cơ cấu chấp hành, các thiết bị cảnh báo Để thựchiện các chức năng đo lường và điều khiển Đồng thời cấp này cũng được nối cấpquản lý quá trình để nhận thông tin quản lý và đồng thời chuyển lên cho cấp quản

lý quá trình các số liệu về đặc tính của các thiết bị cũng như số liệu về các tham sốtại hiện trường trong thời gian thực Hiện nay nhờ xuất hiện các thiết bị hiện trường

mà thông tin về trạng thái, thông số, cấu hình của thiết bị có được dễ dàng Toàn

bộ các thiết bị hiện trường cũng như các bộ điều khiển kết nối với nhau thành mộtmạng các thiết bị trường Tất cả các thông tin từ mạng này được cung cấp chongười sử dụng cũng như các chương trình ứng dụng một cách nhất quán

I.3.2 Cấp quản lý quá trình

Cấp này bao gồm các trạm quản lý như trạm thao tác, trạm giám sát Cấp này

có nhiệm vụ tự động thu thập, tổng hợp thông tin về hiện trường từ các trạm ở cấpquản lý hiện trường, hiển thị tập trung và thay đổi các tham số điều khiển

I.3.3 Cấp quản lý kinh doanh

Cấp này có trong các hệ SCADA mở rộng và thực hiện các nhiệm vụ như:Tích hợp các thông tin thu thập được từ cấp dưới vào hệ thống quản lý kinh doanhcủa doanh nghiệp, phân tích và thống kê đặt hàng lập kế hoạch sản xuất Doanhnghiệp có thể tích hợp hệ SCADA với các cơ sở dữ liệu và bảng tính sẵn có tạo ramột hệ thống đáp ứng được các yêu cầu cụ thể

II TỔNG QUAN VỀ MẠNG TRUYỀN THÔNG CÔNG NGHIỆP

II.1 Khái niệm

Mạng truyền thông công nghiệp hay mạng công nghiệp (MCN) là một kháiniệm chung để chỉ các hệ thống mạng truyền thông số, truyền bit dữ liệu nối tiếpđược 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 ởnhiều mức khác nhau, từ các bộ cảm biến, cơ cấu chấp hành dưới cấp trường cho đến cácmáy tính điều khiển, thiết bị giám sát, máy tính điều khiển giám sát và các máy tính trêncấp điều hành xí nghiệp, quản lý công ty

Đối tượng của mạng công nghiệp thuần tuý là các thiết bị công nghiệp Vì vậy dạngthông tin được quan tâm để truyền đi trong mạng công nghiệp là dữ liệu

II.2 Cấu trúc mạng

Để tìm hiểu cấu trúc thông dụng trong mạng truyền thông công nghiệp ta đưa

ra một số định nghĩa cơ bản sau:

 Liên kết: Liên kết là mối quan hệ vật lý hoặc logic giữa hai hoặc nhiều đối tác

truyền thông Đối với liên kết vật lý, các đối tác chính là các trạm truyền thông được liênkết với nhau qua một môi trường vật lý, ví dụ thẻ nối mạng trong máy tính điều khiển, các

bộ xử lý truyền thông của PLC Trong trường hợp này, ứng với một nút mạng chỉ có mộtđối tác duy nhất Đối tác truyền thông ngoài các thiết bị phần cứng ra nó còn có thể là mộtchương trình hệ thống hay một chương trình ứng dụng trên một trạm nên các quan hệ giữacác đối tác này chỉ mang tính logic Liên kết gồm các loại sau:

 Liên kết điểm - điểm (Point to Point): Là liên kết chỉ có hai đối tác thamgia.

 Liên kết điểm - nhiều điểm (multi - drop): Là liên kết có nhiều đối táctham gia, tuy nhiên chỉ có một đối tác cố định duy nhất (trạm chủ) có chức năngphát trong khi nhiều đối tác còn lại (các trạm tớ) thu nhận thông tin cùng một lúc

 Liên kết nhiều điểm (multipoint): Trong một mối liên kết có nhiều đối táctham gia và có thể trao đổi thông tin qua lại tự do theo bất kỳ hướng nào Bất kỳmột đối tác nào cũng có thể phát và nhận được

 Topology: Là cấu trúc liên kết của một mạng hay chính là tổng hợp của các liên

kết Topology có thể hiểu là cách sắp xếp, tổ chức về mặt vật lý của mạng nhưng cũng cóthể hiểu là cách sắp xếp logic của các nút mạng

Mạng truyền thông công nghiệp bao gồm các cấu trúc cơ bản sau:

II.2.1 Cấu trúc bus

Với cấu trúc này các thành viên của mạng đều được nối trực tiếp với mộtđường dẫn chung Đặc điểm cơ bản của cấu trúc bus là việc sử dụng chung mộtđường dẫn duy nhất

cho tất cả các trạm Vì vậy tiết kiệm được cáp dẫn và công lắp đặt Có ba kiểu cấuhình trong cấu trúc bus: Daisy-chain, Trunk-link/Drop-line và mạch vòng khôngtích cực

này là mỗi nút đồng thời có thể là một bộ khuếch đại Vì vậy, khi thiết kế mạngtheo kiểu này có thể thực hiện với khoảng cách và số trạm rất lớn, mỗi trạm có khảnăng vừa nhận vừa phát tín hiệu cùng một lúc Có hai kiểu mạch vòng phổ biếnsau:

II.2.3 Cấu trúc hình sao

Cấu trúc hình sao là cấu trúc mà trong đó trạm trung tâm quan trọng hơn tất

cả các nút khác Trạm trung tâm sẽ điều khiển sự truyền thông của toàn mạng, cácthành viên được kết nối gián tiếp với nhau qua trạm trung tâm

Nhược điểm của cấu trúc hình sao là khi sự cố trạm trung tâm sẽ làm tê liệt hoàntoàn các hoạt động truyền thông trong mạng Hơn nữa với cấu trúc này sẽ tốn số lượngnhiều dây dẫn

Tr m 1ạng xí nghiệp Tr m 2ạng xí nghiệp Tr m 3ạng xí nghiệp

II.2.4 Cấu trúc cây

Cấu trúc cây chính là sự liên kết của nhiều mạng con có cấu trúc đường thẳng,mạch vòng hoặc hình sao Đặc trưng của cấu trúc cây chính là sự phân cấp đườngdẫn Cấu trúc cây dùng các bộ nối tích cực (Active coupler), nếu muốn tăng số trạmcũng như phạm vi của một mạng đồng nhất có thể dùng các bộ lặp (Repeater),trong trường hợp c mạng con hoàn toàn khác loại thì phải dùng tới các bộ liên kếtmạng khác như Bridge, Router, và Gateway

Hình 2.5 : C u trúc cây ấu trúc bus

b n i vòngột nhà máy công nghiệp ống

B n iột nhà máy công nghiệp ống b l pột nhà máy công nghiệp ặp b n i saoột nhà máy công nghiệp ống

II.3 Kiến trúc giao thức

II.3.1 Dịch vụ truyền thông

Một hệ thống truyền thông cung cấp dịch vụ truyền thông cho các thành viêntham gia nối mạng Các dịch vụ đó được dùng cho các nhiệm vụ khác nhau nhưtrao đổi dữ liệu, báo cáo trạng thái, tạo lập cấu hình và tham số hoá thiết bị trường,giám sát thiết bị và cài đặt chương trình

Có thể phân loại dịch vụ truyền thông dựa theo các cấp khác nhau: Các dịch vụ sơcấp (ví dụ tạo và ngắt nối), dịch vụ cấp thấp (ví dụ trao đổi dữ liệu) và các dịch vụ cấp cao(tạo lập cấu hình, báo cáo trạng thái) Một dịch vụ ở cấp cao hơn có thể sử dụng các dịch

vụ cấp thấp để thực hiện chức năng của nó

Việc thực hiện các dịch vụ được dựa trên các nguyên hàm dịch vụ (ServicePrimitive), gồm có:

 Yêu cầu (Request) dịch vụ, ký hiệu là Req, ví dụ connect.Req

 Chỉ thị (Indication) nhận lời phục vụ, ký hiệu là Ind, ví dụ connect.Ind

 Đáp ứng (Response) dịch vụ, ký hiệu là Res, ví dụ connect.Res

 Xác nhận (Confirmation) đã nhận được đáp ứng, ký hiệu là .Con, ví dụconnect.con

1: disconnect.req2:disconnect.ind

b D ch v không xác nh nị giám sát ụ không xác nhận ận hành

a D ch v có xác nh nị giám sát ụ không xác nhận ận hành

Hình 2.6 : D ch v có xác nh n và d ch v không xác nh n ịch vụ có xác nhận và dịch vụ không xác nhận ụ có xác nhận và dịch vụ không xác nhận ận và dịch vụ không xác nhận ịch vụ có xác nhận và dịch vụ không xác nhận ụ có xác nhận và dịch vụ không xác nhận ận và dịch vụ không xác nhận

Bên c uầu Bên cung

Giao thức chính là cơ sở cho việc thực hiện và sử dụng các dịch vụ truyềnthông Một qui chuẩn giao thức bao gồm các thành phần sau:

 Cú pháp: Qui định về cấu trúc bức điện, gói dữ liệu dùng khi trao đổi, trong đó

có phần thông tin hữu ích (dữ liệu) và các thông tin bổ trợ như địa chỉ, thông tin điềukhiển, thông tin kiểm lỗi

 Ngữ nghĩa: Qui định ý nghĩa cụ thể của từng phần trong một bức điện, nhưphương pháp định địa chỉ, phương pháp bảo toàn dữ liệu, thủ tục điều khiển dòng thôngtin, xử lý lỗi

 Định thời: Qui định về trình tự, thủ tục giao tiếp, chế độ truyền, tốc độ truyền

Việc thực hiện một dịch vụ truyền thông trên cơ sở các giao thức tương ứngđược gọi là xử lý giao thức Quá trình xử lý giao thức có thể là mã hoá (xử lý giaothức bên gửi) và giải mã (xử lý giao thức bên nhận)

HDLC cho phép chế độ truyền bít nối tiếp đồng bộ hoặc không đồng bộ Mộtbức điện, hay còn gọi là khung có cấu trúc như sau:

01111110 8/16 bit 8bit n bit 16/32 bit 01111110

Mỗi khung được mở đầu và kết thúc bằng một cờ hiệu với dãy bit 01111110 Dãybit này đảm bảo không bao giờ xuất hiện trong các phần thông tin khác qua phương phápnhồi bit, tức là cứ sau một dãy 5 bit có giá trị 1 thì một bit 0 được bổ sung vào

Ô địa chỉ tiếp theo chứa địa chỉ bên gửi và bên nhận Tuỳ theo cách gán địa chỉ 4hoặc 8 bit (tương ứng với 32 hoặc 256 địa chỉ khác nhau), ô này có chiều dài là 8 hoặc 16bit

 Giao thức UART

UART (Universal Asynchronous Receiver Transmitter) là một vi mạch điện tử được

sử dụng rộng rãi cho việc truyền bit nối tiếp cũng như chuyển đổi song song/nối tiếp giữađường truyền và bus máy tính UART cho phép lựa chọn giữa chế độ truyền một chiều,hai chiều đồng bộ hoặc hai chiều không đồng bộ Việc truyền tải được thực hiện theo từng

ký tự 7 hoặc 8 bit, được bổ sung 2 bit đánh dấu đầu cuối và một bit kiểm tra lỗi chẵn lẻ Ví

dụ với ký tự 8 bít được minh hoạ dưới đây

 Nếu chọn parity chẵn, thì P bằng 0 khi tổng số bit 1 là chẵn

 Nếu chọn parity lẻ, thì P bằng 0 khi tổng số bit 1 là lẻ

II.3.3 Kiến trúc giao thức OSI (Open System Interconnection)

Trên thực tế khó có thể xây dựng được một mô hình chi tiết thống nhất vềchuẩn giao thức và dịch vụ cho tất cả các hệ thống truyền thông, nhất là khi các hệthống đa dạng và tồn tại độc lập Chính vì vậy năm 1983 tổ chức tiêu chuẩn hoáquốc tế ISO (International Standard Organization) đã đưa ra một kiến trúc giaothức với chuẩn ISO 7498, được gọi là mô hình qui chiếu OSI nhằm hỗ trợ việc xâydựng các hệ thống truyền thông có khả năng tương tác OSI chỉ là một mô hìnhkiến trúc phân lớp với mục đích phục vụ việc sắp xếp và đối chiếu các hệ thốngtruyền thông có sẵn, trong đó có cả việc so sánh, đối chiếu các giao thức và dịch vụtruyền 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 chiathành 7 lớp, tương ứng với mỗi lớp dịch vụ là một lớp giao thức Các lớp này có thể dophần cứng hay phần mềm thực hiện, tuy nhiên chuẩn năy không đề cập tới chi tiết mộtđối tác truyền thông phải thực hiện từng lớp đó như thế nào Một lớp trên thực hiện dịch

vụ của mình trên cơ sở sử dụng các dịch vụ ở một lớp phía dưới và theo đúng giao thứcqui định tương ứng Thông thường, các dịch vụ ở cấp thấp do phần cứng (các vi mạchđiện tử) thực hiện, trong khi các dịch vụ cấp cao do phần mềm (hệ điều hành, phần mềmđiều khiển, phần mềm ứng dụng) đảm nhiệm

Một lớp bất kỳ trong 7 lớp có thể thay đổi trong cách thực hiện mà không ảnh hưởngđến các lớp khác nếu nó giữ nguyên giao diện với các lớp trên và lớp dưới nó Đây là môhình dùng để quy chiếu có tính chất tham khảo, không phải hệ thống truyền thông nào

cũng thực hiện đầy đủ cả bảy lớp Ví dụ, vì lý do hiệu suất trao đổi thông tin và giá thànhthực hiện, đối với các hệ thống bus trường thông thường chỉ thực các lớp 1, 2 và 7 Trongcác trường hợp này, có thể một số lớp không thực sự cần thiết hoặc chức năng của chúngđược ghép với một lớp khác, ví dụ với lớp ứng dụng

Một mô hình quy chiếu không đảm bảo khả năng tương tác giữa các hệ thống truyềnthông và các thiết bị truyền thông khác nhau Với việc định nghĩa bảy lớp, OSI đưa ra một

mô hình trừu tượng cho các quá trình giao tiếp phân cấp Nếu hai hệ thống thực hiện cùngcác dịch vụ và trên cơ sở một giao thức giống nhau ở một lớp thì có nghĩa là hai hệ thống

có khả năng tương tác ở lớp đó Mô hình OSI có thể xem như một công trình khung, hỗtrợ việc phát triển và đặc tả các chuẩn giao thức

Các lớp trong mô hình quy chiếu OSI và quan hệ giữa chúng được minh hoạ tronghình vẽ 2.7

Tương ứng với mỗi lớp là một nhóm chức năng đặc trưng cho các dịch vụ và giaothức, các lớp ở đây chính là các lớp chức năng trong thành phần giao diện mạng của mộttrạm thiết bị, bao gồm cả phần cứng ghép nối và phần mềm cơ sở Chức năng của các lớpđược mô tả như sau:

 Lớp ứng dụng (application layer)

Lớp ứng dụng là lớp trên cùng của mô hình OSI, có chức năng cung cấp cácdịch vụ cao cấp (trên cơ sở các giao thức cao cấp) cho người sử dụng và cácchương trình ứng dụng, các hàm chức năng trao đổi thông tin, các dịch vụ truyềnthông Ví dụ, có thể sắp xếp các dịch vụ và giao thức theo chuẩn MMS cũng nhưcác dẫn suất của nó sử dụng trong một số hệ thống bus trường thuộc lớp ứng dụng.Các dịch vụ thuộc lớp ứng dụng hầu hết được thực hiện bằng phần mềm Để có thể

sử dụng dễ dàng một chương trình ứng dụng, ví dụ như điều khiển cơ sở hay điềukhiển giám sát, nhiều hệ thống cung cấp các dịch vụ này thông qua các khối hàm(function block) Một số thiết bị trường hiện nay không những mang tính chất củadịch vụ truyền thông mà còn được tích hợp một số chức năng như xử lý thông tin,điều khiển tại chỗ còn được gọi là các thiết bị trường thông minh Đây chính xuhướng mới trong việc chuẩn hoá lớp ứng dụng cho các hệ thống bus trường, hướngtới cấu trúc điều khiển phân tán

 Lớp biểu diễn dữ liệu (presentation layer)

Trong một mạng truyền thông, ví dụ mạng máy tính, các trạm máy tính có thể

có kiến trúc rất khác nhau, sử dụng các hệ điều hành khác nhau vì vậy cách biểudiễn dữ liệu cũng có thể khác nhau, như độ dài hay cách sắp xếp các byte dữ liệukhác nhau Chức năng của lớp biểu diễn dữ liệu là chuyển đổi các dạng dữ liệukhác nhau về cú pháp thành một dạng chuẩn, nhằm tạo điều kiện cho các đối táctruyền thông có thể hiểu được nhau mặc dù chúng sử dụng các kiểu dữ liệu khácnhau Ngoài ra, lớp này còn có thể cung cấp một số dịch vụ bảo mật dữ liệu, ví dụqua phương pháp sử dụng mã khoá

Nếu như cách biểu diễn dữ liệu được thống nhất, chuẩn hoá thì chức năng nàykhông nhất thiết phải tách riêng thành một lớp độc lập mà có thể kết hợp thực hiện trênlớp ứng dụng để đơn giản hoá và nâng cao hiệu suất của việc xử lý giao thức Đây chính làmột đặc trưng trong các hệ thống bus trường

7654321

Môi tr ng truy n thôngường ều khiển

L p ng d ngớp ứng dụng ức năng của một nhà máy công nghiệp ụ không xác nhận

L p bi u di n d li uớp ứng dụng ểu bus ễn dữ liệu ữ liệu ệp

L p ki m soát n iớp ứng dụng ểu bus ống

L p v n chuy nớp ứng dụng ận hành ểu bus

Quan h giao ti p logic gi a các l p ệp ết bị giám sát ữ liệu ớp ứng dụng

Bên nh n ận và dịch vụ không xác nhận

Các ch ng trình ng d ng ươ cấu chấp hành ức năng của một nhà máy công nghiệp ụ không xác nhận Các ch ng trình ng d ng ươ cấu chấp hành ức năng của một nhà máy công nghiệp ụ không xác nhận

 Lớp kiểm soát nối (session layer)

Lớp kiểm soát nối có chức năng kiểm soát mối liên kết truyền thông giữa cácchương trình ứng dụng, bao gồm các việc tạo lập, quản lý và kết thúc các đườngnối giữa các chương trình ứng dụng, bao gồm các việc tạo lập, quản lý và kết thúccác đường nối giữa các ứng dụng đối tác Mối liên kết giữa các chương trình ứngdụng mang tính chất logic Một mối liên kết vật lý (giữa hai trạm hay giữa hai nútmạng) có thể tồn tại song song dưới dạng nhiều đường nối logic Thông thườngkiểm soát nối thuộc chức năng của hệ điều hành Để thực hiện các đường nối giữahai ứng dụng đối tác, hệ điều hành có thể tạo các quá trình tính toán song song.Như vậy, nhiệm vụ đồng bộ hoá các quá trình tính

toán này đối với việc sử dụng chung một giao diện mạng cũng thuộc chức năng củalớp kiểm soát nối Vì vậy lớp này còn được gọi là lớp đồng bộ hoá

Trong hệ thống bus trường, quan hệ nối giữa các chương trình ứng dụng được xácđịnh sẵn nên lớp kiểm soát nối không đóng vai trò gì quan trọng Đối với một số hệ thốngkhác lớp này được kết hợp với lớp ứng dụng để nhằm nâng cao hiệu suất truyền thông

Lớp vận chuyển (Transport layer)

Khi một khối dữ liệu được chuyển đi thành từng gói, cần phải đảm bảo tất cảcác gói đều đến đích và theo đúng trình tự lúc chúng được chuyển đi Chức năngcủa 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 việc khắc phục lỗi vàviệc điều khiển lưu thông Nhờ vậy mà các lớp trên có thể thực hiện được các chứcnăng cao cấp mà không cần quan tâm tới cơ chế vận chuyển cụ thể Các nhiệm vụ

cụ thể của lớp vận chuyển bao gồm:

 Quản lý về hình thức cho các trạm sử dụng

 Định vị các đối tác truyền thông qua tên hình thức và địa chỉ

 Xử lý lỗi và kiểm soát dòng tin, trong đó có cả việc lập lại quan hệ liên kết vàthực hiện các thủ tục gửi lại dữ liệu khi cần thiết

 Dồn kênh các nguồn dữ liệu khác nhau

 Đồng bộ hoá giữa các trạm đối tác

Để thực hiện việc vận chuyển một cách hiệu quả, tin cậy, một dữ liệu đượcchuyển đi có thể được chia thành nhiều đơn vị vận chuyển (Data segment unit) cóđánh số thứ tự kiểm soát trước khi bổ sung các thông tin kiểm soát lưu thông

 Lớp mạng (Network layer)

Trong mạng diện rộng WAN là sự liên kết của nhiều mạng tồn tại độc lập.Mỗi mạng đều có một không gian địa chỉ và cách đánh địa chỉ riêng, sử dụng côngnghệ truyền thông khác nhau Một bức điện từ đối tác này sang đối tác khác củamột mạng khác có thể có nhiều đường đi khác nhau Vì vậy thời gian, quãng đườngvận chuyển và chất lượng cũng khác nhau Chức năng của lớp mạng là tìm mộtđường đi tối ưu cho việc vận chuyển dữ liệu, giải phóng sự phụ thuộc của các lớpphía trên vào phương thức chuyển giao dữ liệu và công nghệ

chuyển mạch dùng để kết nối các hệ thống khác nhau Điều này có ý nghĩa rất lớnnhằm giảm được thời gian, quãng đường truyền thông từ đó giảm giá thành dịch

vụ

Đối với một hệ thống mạng truyền thông công nghiệp lớp mạng không có ý nghĩa vìtrong mạng không có sự trao đổi dữ liệu giữa hai trạm thuộc hai mạng khác nhau, hoặcviệc trao đổi dữ liệu được thực hiện trực tiếp thông qua chương trình ứng dụng (không qualớp nào trong mô hình OSI)

 Lớp liên kết dữ liệu (Data link layer)

Lớp liên kết dữ liệu có chức năng truyền dẫn dữ liệu một cách tin cậy thôngqua mối liên kết vật lý, trong đó bao gồm việc điều khiển truy cập môi trườngtruyền dẫn và bảo

toàn dữ liệu Lớp liên kết dữ liệu thường được chia thành hai lớp con tươngứng với hai chức năng trên

 Lớp điều khiển truy nhập môi trường MAC (Midium Access Control)

 Lớp điều khiển liên kết logic LLC (Logical Link Control)

Trong một số hệ thống, lớp liên kết dữ liệu có thể đảm nhiệm thêm các chức năngkhác như kiểm soát lưu thông và việc đồng bộ hoá các khung dữ liệu

Để thực hiện chức năng bảo toàn dữ liệu, thông tin nhận được từ lớp phía trên đượcđóng gói thành các bức điện có chiều dài hợp lý Các khung dữ liệu này chứa các thông tin

bổ sung phục vụ cho mục đích kiểm soát lỗi, kiểm soát lưu thông và đồng bộ hoá Lớpliên kết dữ liệu bên phía nhận thông tin sẽ dựa vào các thông tin này để xác định tínhchính xác của dữ liệu, sắp xếp các khung lại theo đúng trình tự và khôi phục lại thông tin

để chuyển tiếp lên lớp trên nó

 Lớp vật lý (Physical layer)

Lớp vật lý là lớp dưới cùng trong mô hình phân lớp chức năng truyền thôngcủa một trạm thiết bị Lớp này đảm nhiệm toàn bộ công việc truyền dẫn dữ liệubằng phương tiện vật lý Các qui định sau đây mô tả giao diện vật lý giữa một trạmthiết bị và môi trường truyền thông:

 Các chi tiết về cấu trúc mạng (bus, cây, hình sao )

 Chuẩn truyền dẫn (RS 485, IEC 1158-2, truyền cáp quang )

 Phương pháp mã hoá bit

 Chế độ truyền tải (đồng bộ, không đồng bộ, dải rộng, dải mang )

và nhỏ Trong phạm vi đề tài em chỉ trình bày về phương pháp truy cập bus tức ứngvới các mạng có cấu trúc dạng bus

Trong một mạng có cấu trúc bus, các thành viên trong mạng phải phân chia thờigian để sử dụng đường truyền Để tránh sự xung đột về đường truyền gây sai lệch vềthông tin, mỗi thời điểm trên đường truyền chỉ có duy nhất một bức điện được phép truyền

đi Chính vì vậy mạng phải được điều khiển sao cho tại một thời điểm nhất định chỉ cómột thành viên trong mạng được gửi thông tin đi

Phương pháp truy nhập bus là một trong những vấn đề cơ bản đối với các hệ thốngbus Mỗi phương pháp có những ảnh hưởng khác nhau tới các tính năng kỹ thuật của hệthống đặc biệt là độ tin cậy, tính năng thời gian thực và hiệu suất sử dụng đường truyền

 Độ tin cậy ở đây chính là độ tin cậy của cả hệ thống

 Hiệu suất sử dụng đường truyền chính là khả năng có thể khai thác, sử dụngđường truyền

Tính năng thời gian thực chính là khả năng đáp ứng nhu cầu trao đổi thông tin một cáchkịp thời và tin cậy Hai yếu tố liên quan đến việc đánh giá tính năng thời gian thực là thờigian đáp ứng tối đa và chu kỳ bus

Thời gian đáp ứng tối đa với một trạm là thời gian tối đa mà hệ thống truyềnthông cần để đáp ứng một nhu cầu trao đổi dữ liệu của trạm đó với một trạm bất kỳkhác.

Chu kỳ bus là khoảng thời gian tối thiểu mà sau đó các hoạt động truyền thôngchính lặp lại như cũ Chu kỳ bus chính là cơ sở cho việc chọn chu kỳ vòng quét cho cácPLC đóng vai trò trạm chủ

Có thể phân loại cách truy nhập bus thành hai phương pháp là phương pháp tiềnđịnh và phương pháp ngẫu nhiên Được minh hoạ trong hình vẽ sau (hình 2.8):

 Với các phương pháp tiền định có trình tự truy nhập bus được xác định rõ ràng.Việc truy nhập bus được kiểm soát chặt chẽ theo cách tập trung ở một trạm chủ (đối vớiphương pháp Master/Slave) và theo sự qui định trước về thời gian (đối với phương pháp

đa truy nhập phân chia thời gian TDMA) hoặc phân tán bởi các thành viên (phương phápToken Passing)

 Các phương pháp ngẫu nhiên có trình tự truy nhập bus không được qui định chặtchẽ mà để xảy ra hoàn toàn theo nhu cầu của các trạm Mỗi thành viên trong mạng có thểtruy nhập bus để gửi thông tin đi bất cứ lúc nào Có những phương pháp để tránh sự xungđột như phương pháp 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 ra thì ítnhất một trạm phải ngừng gửi và phải chờ một khoảng thời gian trước khi thử lại Sau đây

là cụ thể về các phương pháp

II.4.2 Phương pháp chủ tớ (Master/Slave)

Theo phương pháp này, một trạm chủ (Master) có trách nhiệm chủ động phânchia quyền truy nhập bus cho các trạm tớ (Slave) Các trạm tớ đóng vai trò là bịđộng, chỉ có quyền truy nhập bus và gửi tín hiệu đi khi có yêu cầu Trạm chủ có thểdùng phương pháp hỏi tuần tự (Polling) theo chu kỳ để kiểm soát toàn bộ hoạt động

Truy nh p ng u nhiênận hành ẫu nhiên

Truy nh p ng u nhiênận hành ẫu nhiên

Truy nh p ti n đ nhận hành ều khiển ị giám sát

Truy nh p ti n đ nhận hành ều khiển ị giám sát

Ph ng pháp truy nh p busươ cấu chấp hành ận hành

Ph ng pháp truy nh p busươ cấu chấp hành ận hành

Ki m soát t p trungẻm soát tập trung ận hành

giao tiếp của cả hệ thống Nhờ vậy mà các trạm tớ có thể gửi các dữ liệu thu thậptới trạm chủ cũng như nhận thông tin điều khiển từ trạm chủ Trạm chủ có thể làmột PLC hay một PC

đó chờ được phục vụ Trình tự được tham gia giao tiếp, hay trình tự được hỏi của các trạm

tớ có thể do người sử dụng qui định trước (tiền định) bằng các công cụ tạo lập cấu hình.Nếu chỉ có một trạm chủ duy nhất thì thời gian cần thiết để trạm chủ hoàn thành việc hỏituần tự một vòng cũng chính là thời gian tối thiểu của chu kỳ bus

 Ưu điểm: Phương pháp Master/Slave là phương pháp có kết nối đơn giản,

kinh tế, trạm chủ thường là các thiết bị điều khiển do đó dễ dàng tích hợp thêmchức năng xử lý truyền thông

hầu như chỉ diễn ra giữa trạm chủ là thiết bị điều khiển và các trạm tớ là cácthiết bị trường hay các module vào/ra phân tán

Master

Hình 2.9 : Ph ương pháp truy nhập bus ng pháp truy nh p ch /t ận và dịch vụ không xác nhận ủ/tớ ớ

Slave

II.4.3 Phương pháp đa truy nhập phân chia thời gian TDMA (Time Division

Multiple Access)

Trong phương pháp đa truy nhập phân chia thời gian TDMA Mỗi trạm đượcphân một thời gian truy nhập bus nhất định Các trạm có thể lần lượt thay nhau gửithông tin trong khoảng thời gian cho phép gọi là khe thời gian hay lát thời gian(time slot, time slice) theo một tuần tự qui định sẵn Việc phân chia thời gian nàyđược thực hiện trước khi hệ thống đi vào hoạt động (tiền định) Khác với phươngpháp chủ/tớ, phương pháp này có thể có hoặc không có trạm chủ Nếu có một trạmchủ thì trạm chủ chỉ thực hiện việc giữ đúng lát thời gian của các trạm khác Mỗitrạm đều có khả năng đảm nhiệm vai trò chủ động trong giao tiếp trực tiếp với cáctrạm khác Hình vẽ sau đây minh hoạ cách phân chia thời gian cho các trạm trongmột chu kỳ bus

do đó phương pháp thích hợp cho các ứng dụng thời gian thực

II.4.4 Phương pháp Token Passing

Token là một bức điện ngắn không mang dữ liệu, có cấu trúc đặc biệt để phânbiệt với các bức điện mang thông tin nguồn, được dùng đặc biệt như một chìa khoá.Một trạm nào đó trong mạng đang giữ thông tin thì nó có quyền truy nhập bus vàgửi thông tin đi Khi không còn nhu cầu gửi thông tin, trạm đang có token phải gửitoken tới một trạm khác theo một trình tự nhất định Nếu trình tự này đúng vớitrình tự sắp xếp vật lý trong một mạch vòng thì ứng với phương pháp Token Ring.Còn nếu sắp xếp có tính chất logic như ở cấu trúc bus thì ta dùng khái niệm TokenBus

N

Chu k bus (chu k TDMA)ỳ bus (chu kỳ TDMA) ỳ bus (chu kỳ TDMA)

Hình 2.10 : Hai d ng c a ph ại các phương pháp truy nhập bus ủ/tớ ương pháp truy nhập bus ng pháp Token Passing

Slave

MasterMaster

(1) Token Passing gi a các tr m tích c cữ liệu ạng xí nghiệp ực

(2) Master/slave gi a m t tr m tích c c và tr m không tích c cữ liệu ột nhà máy công nghiệp ạng xí nghiệp ực ạng xí nghiệp ực

Hình 2.11 : Truy nh p bus k t h p nhi u ch ận và dịch vụ không xác nhận ếu ISO/OSI ợp nhiều chủ ều chủ ủ/tớ

Slave

Một trạm đang giữ token không những được quyền gửi thông tin đi, mà còn có thể

có vai trò kiểm soát sự hoạt động của một số trạm khác, ví dụ như kiểm tra sự cố của cáctrạm Việc kiểm soát bao gồm các công việc sau:

 Giám sát token: Nếu token bị mất do lỗi thì cần phải xoá token cũ và tạo mộttoken mới

 Khởi tạo token: Sau khi khởi động mỗi trạm có nhiệm vụ tạo một token mới

 Phát hiện và tách một trạm ra khỏi mạch vòng logic khi trạm đó có sự cố

 Bổ sung trạm mới: Khi một trạm mới được kết nối hay một trạm cũ được đưavào sử dụng lại thì phải được bổ sung vào mạch vòng logic để có quyền nhận token

II.4.5 Phương pháp thâm nhập ngẫu nhiên phân tán CSMA/CD

Theo phương pháp CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with CollisionDetection), mỗi trạm đều có quyền truy nhập bus mà không cần một sự kiểm soátnào Phương pháp được tiến hành như sau:

 Mỗi trạm phải tự nghe đường dẫn (Carrier sense), nếu đường dẫn rỗi (không cótín hiệu) thì mới được phát

 Trong khi phát thì mỗi trạm vẫn phải nghe đường dẫn để so sánh tín hiệu phát đivới tín hiệu nhận được xem có xảy ra xung đột hay không

 Trường hợp xảy xung đột thì mỗi trạm đều phải huỷ bỏ bức điện

1 Carrier sense

2 Multiple access

3 Collision

Phát hi n xung đ t, hu b b c đi n ệp ột nhà máy công nghiệp ỷ bỏ bức điện ỏ bức điện ức năng của một nhà máy công nghiệp ệp

Ch m t th i gian ng u nhiên và l p ờng ột nhà máy công nghiệp ờng ẫu nhiên ặp

Hình 2.12 : Ph ương pháp truy nhập bus ng pháp CSMA/CD

 Ưu điểm: Phương pháp đơn giản, linh hoạt Việc ghép thêm hay bỏ đi một trạm

trong mạng không ảnh hưởng tới hoạt động của hệ thống Vì vậy phương pháp được ứngdụng rộng rãi trong mạng Ethernet

 Nhược điểm: Vì các trạm đều như nhau trong mạng nên quá trình chờ ở một

trạm có thể lặp đi lặp lại, không xác định được thời gian chính xác Hiệu suất sử dụngđường truyền thấp

II.5 Thiết bị liên kết mạng

Để cho dòng dữ liệu giữa hai phần mạng có thể truyền qua lại cho nhau đượcngười ta sử dụng các thiết bị liên kết đặc biệt Thông thường mỗi phần mạng đượcthiết lập các giao thức truyền thông riêng, các giao thức này có thể giống nhau hoặckhác nhau so với phần mạng còn lại Do vậy cần phải liên kết hai mạng lại màngười sử dụng không cần phải thiết lập lại giao thức truyền thông Tuỳ theo nhữngđặc điểm

giống và khác nhau giữa hai phần mạng cần liên kết ta có thể chọn các loạithiết bị liên kết cho phù hợp như bộ lặp (Repeater), cầu nối (Bridge), bộ định tuyến(Router) và gateway Các thiết bị liên kết này được chọn theo nhiệm vụ của chúngtheo mô hình ISO/OSI

II.5.1 Bộ lặp (Repeater)

Bộ lặp thực chất là một bộ sao chép thông tin trên đường truyền và khuếchđại thông tin đó Vì thông tin phát ra trên đường truyền khi tới các trạm khác baogiờ cũng bị suy giảm và biến dạng tuỳ thuộc vào đặc tính của cáp truyền và đặctính tần số của tín hiệu Vì vậy bộ lặp được dùng trong mạng để mở rộng khoảngcách truyền cũng như nâng cao số trạm tham gia

VD: Profibus segment 1 VD: Profibus segment 2

L p v t lýớp ứng dụng ận hành

L p liên k t d li uớp ứng dụng ết bị giám sát ữ liệu ệp

L p m ngớp ứng dụng ạng xí nghiệp

L p v n chuy nớp ứng dụng ận hành ểu bus

L p ki m soát k t ớp ứng dụng ểu bus ết bị giám sát

n iống

L p bi u di n d li uớp ứng dụng ều khiển ễn dữ liệu ữ liệu ệp

L p ng d ngớp ứng dụng ức năng của một nhà máy công nghiệp ụ không xác nhận

L p v n chuy nớp ứng dụng ận hành ểu bus

L p ki m soát k t ớp ứng dụng ểu bus ết bị giám sát

n iống

L p bi u di n d li uớp ứng dụng ều khiển ễn dữ liệu ữ liệu ệp

L p ng d ngớp ứng dụng ức năng của một nhà máy công nghiệp ụ không xác nhận

Vai trò của bộ lặp là sao chép, khuếch đại và phục hồi tín hiệu mang thông tin trênđường truyền, ngoài ra bộ lặp còn có khả năng chỉnh dạng và tái tạo tín hiệu trong trườnghợp tín hiệu bị méo dạng do nhiễu Hai phần mạng có thể liên kết với nhau qua một bộ lặpđược gọi là các phân đoạn mạng, chúng phải giống nhau hoàn toàn cả về các lớp giao thức

và đường truyền vật lý Mặc dù các đoạn mạng về mặt logic vẫn thuộc một mạng duynhất, tức các trạm địa chỉ của chúng phải có địa chỉ riêng biệt, mỗi đoạn mạng được xemnhư cách ly về mặt điện học Vì vậy, số lượng các trạm trong toàn mạng có thể lớn hơnchuẩn truyền dẫn quy định

Chức năng của một bộ lặp có thể xem như thuộc phần dưới của lớp vật lý nếu đốichiếu với mô hình OSI Bộ lặp chỉ có thể nối được hai đoạn dẫn của cùng một hệ thốngtruyền thông, thực hiện cùng một giao thức và môi trường truyền dẫn cũng hoàn toàngiống nhau Trong trường hợp thiết bị có chức năng kết nối hai đoạn mạng có môi trườngtruyền dẫn khác nhau (ví dụ một bên dùng cáp quang, một bên dùng cáp đồng trục), tadùng khái niệm bộ chuyển đổi hoặc bộ thích ứng

Một bộ lặp không chỉ làm nhiệm vụ khuếch đại các tín hiệu bị suy giảm, mà cònchỉnh định và tái tạo tín hiệu trong trường hợp tín hiệu bị biến dạng do nhiễu Mỗi bộ

lặp tuy không có địa chỉ riêng, không tham gia trực tiếp vào các hoạt động giao tiếp nhưngvẫn được xem là một trạm, hay một thành viên trong mạng Ví dụ, nếu số lượng hạn chếtrong một đoạn mạng là 32 thì việc sử dụng 3 bộ lặp để nối 4 đoạn mạng sẽ nâng tổng sốthiết bị có thể tham gia giao tiếp thực sự lên 125 chứ không phải 128

II.5.2 Cầu nối (Bridge)

Cầu nối phục vụ cho việc liên kết các mạng con với nhau được dùng khi ở phần trên

lớp 2 của chúng (được gọi là lớp điều khiển logic, Logic Link Control-LLC ) làm việc với

cùng một giao thức Môi trường truyền dẫn và phương pháp điều khiển truy nhập đườngdẫn cho mỗi một mạng con có thể khác nhau Cầu nối được sử dụng khi cần liên kết cácmạng con có cấu trúc khác nhau hoặc do một yêu cầu thiết kế đặc biệt nào đó

Nhiệm vụ của cầu nối nhiều khi chỉ để giải quyết vấn đề điều khiển truy nhập môitrường (MAC), còn chức năng của các lớp LLC không bị thay đổi gì Trong trường hợpnày, cầu nối có thể được sử dụng cho ghép nối các mạng con mà môi trường truyền dẫn cóthể khác nhau

II.5.3 Bộ định tuyến (Router)

Router có nhiệm vụ liên kết hai mạng với nhau trên cơ sở lớp 3 theo mô hìnhOSI Router cũng có chức năng xác định đường đi tối ưu cho một gói dữ liệu chohai đối tác thuộc các mạng khác nhau Các mạng liên kết có thể khác nhau ở hailớp 1 và 2, nhưng bắt buộc giống nhau ở lớp 3 Mỗi mạng có một không gian địachỉ riêng, nghĩa là hai trạm thuộc hai mạng khác nhau có thể có cùng một địa chỉ,

tuy nhiên chúng được phân biệt bởi địa chỉ mạng Nếu một router ghép nối với nmạng thì bản thân nó có n địa chỉ Các trạm trong một mạng chỉ có thể nhìn thấymột địa chỉ của router.

Trong việc giao tiếp liên mạng thì mã địa chỉ trong một bức điện bao gồmnhiều thành phần, trong đó có các địa chỉ nơi gửi, nơi nhận cũng như các thànhphần mô tả địa chỉ mạng mà bức điện cần đi qua

Để thực hiện được việc tìm đường đi tối ưu, router phải thay đổi các thành phần liênquan trong mã địa chỉ này trước khi truyền tiếp dữ liệu đi, nhờ một thuật toán cho trước vàmột bảng chứa những thông tin cần thiết của các mạng tham gia

Tiêu chuẩn cho đường đi tối ưu phụ thuộc vào quy định cụ thể, ví dụ đường truyềnđến địa chỉ là ngắn nhất, thời gian truyền thông tin ngắn nhất, qua ít thiết bị truyền tintrung gian nhất hay giá thành hợp lý nhất, hoặc cũng có thể kết hợp nhiều yếu tố khácnhau

II.5.4 Gateway

Gateway được sử dụng để liên kết các hệ thống mạng khác nhau (các hệthống bus khác nhau) Nhiệm vụ chính của gateway là chuyển đổi giao thức ở cấpcao, thường được thực hiện bằng các thành phần phần mềm Như vậy, gatewaykhông nhất thiết phải là một thiết bị đặc biệt, mà có thể là một máy tính PC với cácphần mềm cần thiết Tuy nhiên cũng có phần cứng chuyên dụng thực hiện chứcnăng gateway

Nếu như mục đích của việc liên kết chỉ là khả năng truy nhập dữ liệu xuyên suốtmạng, thì không nhất thiết phải dùng chuyển đổi “ trực tuyến” (on-line) Một giải phápđơn giản thông dụng hơn nhiều là sử dụng một thiết bị trung gian có vai trò tương tự nhưmột gateway, ví dụ như PLC hay một PC, như trong các cấu hình hệ thống phân cấpthường gặp trong thực tế

Hình 2.15 : Router trong mô hình OSI

L p v n chuy nớp ứng dụng ận hành ểu bus

L p ki m soát k t n iớp ứng dụng ểu bus ết bị giám sát ống

L p bi u di n d li uớp ứng dụng ều khiển ễn dữ liệu ữ liệu ệp

L p ng d ngớp ứng dụng ức năng của một nhà máy công nghiệp ụ không xác nhận

L p v t lýớp ứng dụng ận hành

L p liên k t d li uớp ứng dụng ết bị giám sát ữ liệu ệp

L p m ngớp ứng dụng ạng xí nghiệp

L p v n chuy nớp ứng dụng ận hành ểu bus

L p ki m soát k t n iớp ứng dụng ểu bus ết bị giám sát ống

L p bi u di n d li uớp ứng dụng ều khiển ễn dữ liệu ữ liệu ệp

L p ng d ngớp ứng dụng ức năng của một nhà máy công nghiệp ụ không xác nhận

II.5.5 Card mạng

Một mạng công nghiệp luôn được đặc trưng bởi cấu trúc ghép nối vật lý vàphương thức thực hiện truyền thông giữa các phần tử trong mạng Trong một mạngtruyền thông các trạm giao tiếp với môi trường truyền thông qua Card mạng Cardmạng đảm nhận nhiệm vụ truyền dữ liệu từ một nút mạng này đến một nút mạngkhác và theo chiều ngược lại nó nhận dữ liệu từ một trạm khác gửi đến Để đảmnhận được nhiệm vụ đó, card có các chức năng sau:

 Nhận dữ liệu song song từ thiết bị chủ biến đổi thành gói thông tin nối tiếp đồngthời nhận dữ liệu dạng nối tiếp từ các trạm khác biến đổi thành dạng thông tin hữu dụngphù hợp với hệ điều hành của thiết bị chủ

 Thêm vào các gói thông tin một số bits dữ liệu sao cho nó có khuôn dạng phùhợp với các thủ tục truy cập mạng

 Có giao diện kết nối vật lý với môi trường truyền thông theo một qui định chặtchẽ định trước

III CÁC CHUẨN TRUYỀN THÔNG CÔNG NGHIỆP

Phương pháp truyền dữ liệu nối tiếp, không đồng bộ là phương pháp được sửdụng chủ yếu trong các hệ thống mạng truyền thông công nghiệp Với phươngpháp này các bit dữ liệu được truyền từ bên gửi đến bên nhận một cách tuần tự trêncùng một đường truyền Có một số chuẩn truyền thông công nghiệp phổ biến nhưsau:

III.1 Phương thức truyền dẫn tín hiệu

Tín hiệu được dùng để truyền tải thông tin Nếu không kể môi trường truyềndẫn thì các thành phần cơ bản trong một hệ thống truyền tín hiệu gồm có:

 Bộ phát (Transmitter): Hay còn gọi là bộ kích thích (Driver), ký hiệu là D

 Bộ thu (Receiver), ký hiệu là R

Một thiết bị vừa có khả năng thu và phát tín hiệu còn gọi là bộ thu-phát(Transceiver) Có hai phương thức truyền dẫn tín hiệu cơ bản được dùng trong các

hệ thống truyền thông công nghiệp Đó là phương pháp chênh lệch đối xứng vàphương pháp không đối xứng.

 Truyền dẫn không đối xứng

Truyền dẫn không đối xứng sử dụng điện áp của một dây dẫn so với đất để thể hiệncác trạng thái logic (0 và 1) của một tín hiệu số Một trong những ưu điểm của phươngpháp truyền dẫn không đối xứng là chỉ cần một đường dây đất chung cho nhiều kênh tínhiệu trong trường hợp cần thiết Nhờ vậy tiết kiệm được số lượng dây dẫn và các linh kiệnghép nối

Việc sử dụng đất làm điểm tựa cho việc đánh giá mức tín hiệu có nhược điểm cơ bản là:khả năng chống nhiễu kém Nguyên nhân gây nhiễu là do môi trường xung quanh, sựxuyên âm hoặc do chênh lệch điện áp đất của các đối tác truyền thông

 Truyền dẫn chênh lệch đối xứng

Truyền dẫn chênh lệch đối xứng sử dụng điện áp giữa hai dây dẫn để biểudiễn trạng thái logic (0 và 1) của tín hiệu Phương pháp truyền này không phụthuộc vào đất và có khả năng chống nhiễu tốt

D: Bên phát

R: Bên thu

RD

RD

Hình 2.17: Truy n d n không ều chủ ẫn không đối xứng đối xứng ứng i x ng

(3 kênh, 4 dây d n) ẫu nhiên

III.2 Chuẩn truyền dẫn TIA /EIA

EIA (Electronic Industry Assiciation) và TIA (Telecomunication IndustryAssiciation) là các hiệp hội đã xây dựng và phát triển một số chuẩn giao diện chotruyền thông công nghiệp, trong đó có các chuẩn truyền dẫn nối tiếp Theo nghĩatruyền thống một chuẩn truyền dẫn trước hết được hiểu là các quy định được thốngnhất về giao diện vật lý giữa các thiết bị đầu cuối xử lý dữ liệu DTE (DataTerminal Equipment) và các thiết bị truyền dẫn dữ liệu DCE (Data

Hình 2.18 : Truy n d n chênh l ch ều chủ ẫn không đối xứng ệch đối xứng đối xứng ứng i x ng ( 3 kênh, 7 dây d n)ẫu nhiên

A’

B’

T

T T

 Chuẩn RS-232

Chuẩn RS-232 tương ứng với chuẩn Châu Âu là CCITT Được dùng chủ yếutrong việc giao tiếp điểm-điểm giữa hai DTE, ví dụ giữa hai máy tính (PC, PLC ),giữa máy tính và máy in hoặc giữa một DTE và một DCE như giữa PC vàMODEM

Chế độ làm việc của chuẩn RS 232 là hai chiều toàn phần, trong chế độ này hai thiết

bị tham gia cùng có thể thu và phát tín hiệu cùng một lúc Như vậy việc truyền thông cần

ít nhất là 3 dây dẫn Trong đó 2 dây dẫn tín hiệu nối chéo các đầu thu phát của hai trạm vàmột dây đất như hình vẽ I.22 RS-232 sử dụng phương thức truyền dẫn không đối xứng,tức là sử dụng tín hiệu điện áp chênh lệch giữa một dây dẫn với đất Mức điện áp được sửdụng dao động trong khoảng từ -15V đến +15V Trong đó:

 3V(15V: Ứng với giá trị logic 0

 15V(-3V: Ứng với giá trị logic 1

Ưu điểm: Chuẩn RS-232 sử dụng công suất phát tương đối thấp, nhờ trở

kháng đầu vào và hạn chế trong phạm vi từ 3-7k

Hình 2.19 : M t s ví d ghép n i v i RS-232 ột số ví dụ ghép nối với RS-232 ối xứng ụ có xác nhận và dịch vụ không xác nhận ối xứng ớ

TxDRxDRTSCTSDTRDSRGND

TxDRxDRTSCTSDTRDSRGND

TxDRxDRTSCTSDTRDSRGND

TxDRxDRTSCTSDTRDSRGND

b Ch đ b t tayết bị giám sát ột nhà máy công nghiệp ắt tay

TxDRxDRTSCTSDTRDSRGND

TxDRxDRTSCTSDTRDSRGND

+ 25V

Giao di nệpRS-232

+ 15V +3V

Hình 2.20 : Qui nh tr ng thái logic c a tín hi u RS-232 địch vụ có xác nhận và dịch vụ không xác nhận ại các phương pháp truy nhập bus ủ/tớ ệch đối xứng

Bảng các thông số cơ bản của RS-232:

Điện áp đầu ra khi có tải 3k  Rl  7k 5V 15V

Trở kháng đầu ra khi cắt nguồn -2V  Vo  2V 300

 Chuẩn RS-422

Khác với chuẩn RS-232, chuẩn RS-422 sử dụng tín hiệu điện áp chênh lệch đốixứng giữa hai dây dẫn Nhờ vậy giảm được nhiễu và cho phép tăng chiều dài dây dẫn.Tốc độ truyền dữ liệu khoảng 9 Kbít/s RS-422 thích hợp cho phạm vi truyền dẫn tới1200m mà không cần bộ lặp Điện áp chênh lệch tương ứng với trạng thái logic 0, và âmứng với trạng thái logic 1 Trong cấu hình ghép nối tối thiểu cho RS-422 cần một đôi dâydùng để truyền dẫn tín hiệu Lúc này chỉ có thể truyền một chiều hoặc hai chiều gián đoạn

Ở chế độ này mỗi thời điểm chỉ có một tín hiệu duy nhất được truyền đi Để thực hiệntruyền hai chiều toàn phần ta cần hai đôi dây Cả hai trường hợp sử dụng với cấu hình 2dây hay 4 dây đều phải sử dụng thêm một dây đất để giữ mức điện áp chung (Vcm) chocác trạm tham gia ở một giới hạn quy định Nếu không dữ liệu truyền đi sẽ bị mất và cáccổng kết nối sẽ bị hỏng Ngưỡng giới hạn quy định cho Vcm với RS-422 là (7V Sau đây

là bảng các thông số kỹ thuật của chuẩn RS-422:

Bảng các thông số cơ bản của RS 422

10VĐiện áp đầu ra khi có tải RT = 100 2V

Điện áp chế độ chung đầu ra VOC RT = 100  3V

Là chuẩn được cải tiến từ RS-422 nhưng RS-485 có thêm điều khiển ba trạng thái ởmạch phát.

 Mức logic ‘’1’’ nằm trong khoảng từ -1,5V đến -6V

 Mức logic ‘’0’’ nằm trong khoảng từ +1,5V đến +6V

 RS-485 cũng sử dụng tín hiệu điện áp chênh lệch đối xứng giữa hai dây dẫn

Khoảng cách tối đa giữa trạm đầu và trạm cuối trong một đoạn mạng là1200m, không phụ thuộc vào số trạm tham gia Tốc độ truyền dẫn có thể lên tới10Mbit/s

Có thể sử dụng bộ lặp để tăng chiều dài dây dẫn lên nhiều lần cũng như số trạmtrong một mạng, đồng thời đảm bảo được chất lượng tín hiệu

Do tốc độ truyền thông và chiều dài dây dẫn có thể khác nhau rất nhiều trong cácứng dụng, hầu như tất cả các bus RS-485 đều yêu cầu sử dụng trở đầu cuối tại hai đầu dây

Sử dụng trở đầu cuối có tác dụng chống các hiệu ứng phụ trong truyền dẫn tín hiệu như sựphản xạ tín hiệu

Bảng các thông số quan trọng của RS 485

Điện áp chế độ chung đầu ra VOC RLOAD = 54 -1V 3V

III.3 Bộ chuyển đổi từ RS-232 / RS-485 (RS-422)

Thực tế hầu hết các máy tính hiện nay đều trang bị cổng nối tiếp RS-232 Vìvậy khi ghép nối máy tính với các giao diện ghép nối khác như PLC ta phải chuyểnđổi từ RS-232 sang RS-422 hay RS-485 Sơ đồ khối bộ chuyển đổi như sau:

Nguyên tắc hoạt động: Sơ đồ mạch gồm 2 phần:

 Phần chính: Đặt gần máy tính (PC), có chức năng chuyển đổi tín hiệu ở cổngRS-232 thành tín hiệu vi sai RS-422 (RS-485)

 Phần phụ: Có thể đặt cách xa máy tính đến hàng ngàn mét, có bộ cách ly về điệnbằng cách ghép nối quang và biến đổi ngược lại thành tín hiệu điện theo chuẩn ghép nốiRS-232 và đấu nối vào cổng ra RS-232 của PC

+6V+5V

+1.5V/

+0.2V-1.5V/ -0.2V

V24

TTL RS

422/485TTL

Ph n chínhầu ĐIỀU KHIỂNết bị giám sátn Ph n phầu ụ không xác nhận

1000m

TTLV24

V24

TTL

RS422/

485TTL

RS42/

485TTL

TTLV24

Hình 2.23: S ơng pháp truy nhập bus đồ khối bộ biến đổiRS-232/RS-485 kh i b bi n ối xứng ột số ví dụ ghép nối với RS-232 ếu ISO/OSI đổiRS-232/RS-485 iRS-232/RS-485.

IV MỘT SỐ MẠNG CÔNG NGHIỆP PHỔ BIẾN

 Bitbus

Bitbus ra đời sớm nhất và do hãng INTEL thiết kế vào đầu năm 1990 Đếnnăm 1991 Bitbus trở thành chuẩn hoá quốc tế theo chuẩn IEEE-1118 và hiện nayđược duy trì bởi hiệp hội người dùng BEUG (Bitbus European Users Group).Bitbus dựa trên công nghệ truyền dẫn của RS-485 sử dụng đôi cáp xoắn (cho tốc độtruyền 375 Kbit/s hoặc 62.5 Kbit/s) hoặc cáp quang (1.5 Mbit/s) Cấu trúc củamạng Bitbus bao giờ cũng bao gồm một trạm chủ, các trạm tớ, có thể có đến 249Slave và các bộ lặp khi cần mở rộng đường truyền

 Mạng CAN (Controller Area Network)

Giao thức truyền thông của CAN là giao thức theo chuẩn hoá ISO 11898.Giao thức này đầu tiên được phát triển do hãng BOSCII với mục đích ứng dụngcho ngành sản xuất ôtô ở Châu Âu Tuy nhiên ngày nay CAN được sử dụng rộngrãi trong lĩnh vực tự động hoá công nghiệp cũng như công nghiệp chế tạo sản xuấtôtô Giao thức CAN có thể sử dụng tốt trong các hệ điều khiển phân tán Tốc độtruyền trên mạng của CAN phụ thuộc vào khoảng cách truyền

DeviceNet là giải pháp mạng của các thiết bị công nghiệp ở cấp trường (fieldlevel, như mạng ghép nối các sensor, các công tắc giới hạn, van điều khiển, các bộkhởi động motor ) và hãng Allen Bradley phát triển từ năm 1994

DeviceNet dựa trên cấu trúc giao thức truyền CAN và được xem là một chuẩnhoá bus trường mở

ControlNet là mạng công nghiệp mở đảm bảo yêu cầu về truyền tốc độ theothời gian thực khi liên kết giữa các thiết bị điều khiển trong mạng Khi sử dụng cápđồng trục tốc độ truyền lớn nhất có thể lên đến 5Mbit/s, ở khoảng cách truyền1000m giữa hai trạm hoặc 250m khi số trạm sử dụng là 48 Khoảng cách truyền cóthể lên đến 3000m khi dùng cáp quang khi số lượng trạm làm việc có thể định địachỉ tới 99 trạm Với tốc độ truyền nhanh, ControlNet thích hợp cho việc trao đổi sốliệu theo thời gian thực giữa các trạm điều khiển

 Mạng Industrial Ethernet (IE)

Mạng Industrial Ethernet (IEEE-802.2) dựa trên Ethernet thường được thiết

kế lại sao cho sử dụng phù hợp với môi trường công nghiệp và do tổ chức IEA/(Industrial Ethernet Association) quản lý Mạng IE phục vụ cho lớp quản lý và lớpđiều khiển để thực hiện việc truyền thông giữa máy tính và các hệ thông tự độnghoá Nó phục vụ cho việc trao đổi một dung lượng thông tin lớn và truyền trongmột

khoảng cách lớn Về phương diện vật lý mạng IE cũng là một mạng điện Cáccáp dùng trong mạng là cáp đồng trục có trán cách điện và có bọc hay cáp quang

 Mạng AS-I (Actuator Sensor Interface)

AS-I là một giải pháp mạng công nghiệp tự động đơn giản nhất chủ yếu dùngcho mạng các điểm đo và cơ cấu chấp hành ở cấp trường Mạng AS-I có đặc điểmcấu trúc mạng hình cây sử dụng đôi dây cáp không cần bọc nhiễu cho truyền tảithông tin và năng lượng (nguồn 24V DC) Độ dài cáp có thể lên đến 100m và chophép tải trên nó một trạm chủ với lớn nhất là 31 trạm tớ, với thời gian thực chu kỳquét trên mạng khoảng 5ms Mục đích sử dụng duy nhất của AS-I là kết nối cácthiết bị cảm biến và cơ cấu chấp hành số với cấp điều khiển

Profibus là bus trường mở theo chuẩn hoá châu Âu EN 50170 năm 1996 vàchuẩn hoá quốc tế IEC 61158 năm 2000 Được phát triển dựa trên cơ sở mạng côngnghiệp SINEC-L2 của hãng SIEMENS và hiện do tổ chức PNO (Profibus UserOrganization) kiểm soát Đây là bus trường đã được ứng dụng nhiều và xuất hiệnkhá sớm ở Việt Nam Profibus là một hệ thống bus dùng để kết nối thiết bị trườngvới các thiết bị điều khiển và giám sát Profibus là hệ thống bus nhiều chủ, cho

phép các thiết bị điều khiển tự động, các trạm kỹ thuật và hiển thị quá trình cũngnhư các phụ kiện phân tán cùng làm việc trên cùng một bus

Sau khi qua nghiên cứu đặc tính các hệ thống bus tiêu biểu Ta chọn hệ thống bus đểthành lập mạng cho để tài, đó là mạng PROFIBUS DP Sau đây ta đi khảo sát kỹ mạngnày

IV.1 Mạng PROFIBUS

PROFIBUS có các đặc điểm sau:

 Các thiết bị chủ có khả năng kiểm soát quá trình truyền thông trên bus, nó sẽ gởithông tin cho các thành viên trong mạng khi nó được quyền truy cập ta gọi đó là mạng tíchcực

 Các thiết bị tớ là các thiết bị trường như vào/ra phân tán, cảm biến và cơ cấuchấp hành Chúng không được nhận quyền truy cập bus mà chỉ được phép xác nhận hoặctrả lời thông tin nhận từ trạm chủ khi được yêu cầu Một trạm tớ còn được gọi là trạm thụđộng

 Profibus cho phép ứng dụng trong các bài toán đòi hỏi thời gian truyền với tốc

độ cao cũng như các ứng dụng trong các môi trường truyền thông phức tạp

 Ưu điểm:

 Vì được chuẩn hoá theo chuẩn Châu Âu EN 50170 nên có thể bảo đảmviệc ghép các thiết bị của các hãng khác nhau trong cùng một bus mà không cầnphải có các bộ chuyển đổi riêng

 Độ tin cậy cao và phạm vi ứng dụng rộng rãi trên nhiều lĩnh vực khác nhau.Hiện nay Profibus chiếm tới hơn 40% thị trường điện tử ở Châu Âu và ở nước ta hầu hếtcác dây chuyền tự động trong công nghiệp đều có sử dụng Profibus

 Nhược điểm:

Nhược điểm lớn nhất của Profibus là giá thành thiết bị cao

Tuỳ theo từng ứng dụng cụ thể mà có thể sử dụng các dạng chuẩn Profibus tươngthích với nhau sau đây:

 PROFIBUS-FMS (Fieldbus Message Specification): Được dùng chủ yếu choviệc nối mạng các máy tính điều khiển và điều khiển giám sát Ở mức này việc thông tinchủ yếu diễn ra giữa các thiết bị điều khiển trong trường (như PLC, PC ) PROFIBUS-FMS có tốc độ truyền trung bình với thời gian vòng quét số liệu trong bus nhỏ hơn 100ms

 PROFIBUS-DP (Decentralized Periphery): Chuẩn này dựa trên cơ sở chuẩn hoáDIN 19 245 với những chức năng mở rộng thêm thích hợp cho các bài toán yêu cầu về tốc

độ truyền cao Chuẩn hoá này được thiết kế cho mạng ghép nối giữa các hệ thống tự độnghoá với các thiết bị phân tán bằng việc thay thế các đường tín hiệu song song(Digital/Analog, 24V, 0 -20mA)

 PROFIBUS-PA (Process Automation): Chuẩn này được thiết kế đảm bảo việcghép nối các hệ thống tự động hoá các quá trình có môi trường dễ cháy nổ, đặc biệt trongcông nghiệp chế biến, ghép nối các hệ thống tự động hoá và điều khiển quá trình với cácthiết bị trường và đang dùng để thay thế kỹ thuật dòng truyền 4-20mA PROFIBUS-PA