Nghiên cứu ứng dụng PDA đo tín hiệu điện tim và độ ồn

Nghiên cứu ứng dụng PDA đo tín hiệu điện tim và độ ồn Giới thiệu cấu trúc một hệ thu thập giám sát và điều khiển. Mạng hệ thống mạng Field Point. Giới thiệu môi trường lập trình LabView. Chuẩn bị giao tiếp OPC. Thiết kế platform vào ra đo điều khiển phân tán trên cơ sở mạng Field Point. Kết quả và hướng nghiên cứu.

Trong thời gian vừa qua, với sự giúp đỡ bạn bè đồng nghiệp, gia đình với sự

nỗ lực của bản thân tôi đã hoàn thành bản luận án “ Nghtên cứu ứng dụng PDA đo

tín hiệu điện tim và độ ồn ” với tất cả lòng nhiệt tình của mình

Tôi xin chân thành cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp những người luôn ủng hộ,

giúp đỡ tôi trong lúc khó khăn Đặc biệt em xin chân thành cảm ơn TS Nguyễn Thị

Lan Hương đã hướng dẫn, giúp đỡ, tạo điều kiện giúp đỡ em hoàn thành luận án

này Tôi xin trân thành cảm ơn người thân trong gia đình những người luôn thông cảm tạo điều kiện cho tôi hoàn thành tốt công việc Một lần nữa, tôi xin chân thành cảm ơn

Hà Nội

Đặt vấn đề

Đặt vấn đề

Hệ thống mạng - mạng công nghiệp hiện nay ngày càng phát triển và đóng vai trò quan trọng trong hệ thống điều khiển Cùng với sự phát triển của công nghiệp

điện tử, kỹ thuật mạng máy tính, tin học, hệ thống ngày càng được tích hợp với trình

độ sâu hơn, mức độ tự động hoá cao hơn Việc phát triển hệ thống đo phân tán thu thập qua mạng máy tính cũng được quan tâm một cách đúng đắn Sự ra đời các card thu thập số liệu, hiển thị, điều khiển quá trình ngày càng được hoàn thiện nhờ mạng công nghiệp Hơn thế nữa, xu hướng phát triển tích hợp hệ thống trên cơ sở mạng máy tính giám sát, sử dụng các giao thức cấp cao như TCP/IP ngày càng được áp dụng rộng rãi Trong một nhà máy hiện đại, cơ cấu phân cấp chức năng cho tầng mạng thể hiện rõ rệt Các thông số kỹ thuật quá trình không những có thể truy cập thông qua mạng LAN công ty mà còn truy cập trên phạm vi toàn cầu qua mạng internet bằng cách sử dụng trình duyệt WEB Với mục đích tìm hiểu hệ thống mạng trong hệ thống điều khiển trên thực tế mục đích của đề tài gồm:

Mục đích thứ nhất của đề tài là sử dụng mạng Field - Point để hiển thị thông

số quá trình và việc áp dụng nó trong thực tế Các dịch vụ truyền thông, cấu hình,

đặt tham số, giao tiếp liên quá trình, và một số kỹ thuật lập trình trên các môi trường LabView Trên cơ sở hệ thống sẵn có các module Field - Point trong hệ thống mạng

NI (National Istrument) tìm hiểu các module, giao thức truyền thông xây dựng các giao diện giám sát đơn giản, đo và điều khiển quá trình qua mạng máy tính

Chương 3: Giới thiệu môi trường lập trình LabView, LabView DSC

Chương 4: Giới thiệu chuẩn giao tiếp OPC

Chương 5: Xây dựng module tín hiệu thu thập giao tiếp Field - Point và một số giao diện giám sát số liệu trên cơ sở mạng Field - Point

Cấu trúc hệ thu thập giám sát

Chương 1: Cấu trúc một hệ thu thập giám sát & điều khiển

1.1 Thiết bị đo lường, cơ cấu chấp hành

Trong hệ thống thu thập và giám sát các thiết bị đo lường, dẫn động đứng giao tiếp giữa hệ thống điều khiển và máy móc (cấp trường) Chúng đóng vai trò của thiết bị đơn lẻ, hoạt động độc lập Trong đó thiết bị đo lường thực hiện phép đo, xử

lý thông tin, truyền thông tin đến cấp điều khiển cơ sở Cấp cơ sở tính toán điều khiển xuống qua cơ cấu chấp hành Các thiết bị đo lường, chấp hành ngày càng thông minh hoá Hình 1-1 mô tả sơ đồ khối thiết bị đo thông minh ( Sensor, chuyển

đổi chuẩn hoá, vi xử lý, chỉ thị, điều khiển )

Đối tượng

đo Thu nhận

Gia công tín hiệu thông tin đo Lưu trữ truyền thông Hiển thị

Điều khiển

Hình 1-1 Sơ đồ khối khâu đo lường (sensor thông minh)

Thiết bị thu nhận là sensor: tín hiệu đo được thu nhận qua các sensor đo biến

đổi thành tín hiệu điện Thiết bị gia công: nhằm biến đổi và chuẩn hoá tín hiệu đo Các thông số quá trình đơn giản như nhiệt độ, áp suất, lưu tốc các đại lượng này có thể phức tạp (tín hiệu nhiệt độ thu thập bằng hình ảnh nhiệt, tín hiệu siêu âm ) và

Cấu trúc hệ thu thập giám sát

cần phải gia công lượng tử so sánh với mẫu Hiển thị thông tin đo ra lệnh điều khiển

và lưu trữ Thiết bị lưu trữ thông tin đo có có thể là băng từ, EEPROM Các thông tin lưu trữ có thể ngày tháng, thông số quá trình, ngày bảo dưỡng Chức năng hiển thị thông tin đo hiển thị giá đo và các tham số liên quan như thứ nguyên, ngày tháng Bên cạnh đó là giao diện kết nối cơ cấu điều khiển, giao diện này có thể là dòng vòng hay điện áp Giá trị điện này đại diện cho thông tin đo (thông tin quá trình – Process Value), được bộ điều khiển đọc làm cơ sở cho việc điều khiển

Trong một sensor thông minh, việc áp dụng vi xử lý là điều tất yếu, một

sensor thông minh không những thực hiện các phép đo mà còn có các tính năng sau:

chuẩn hoá, tuyến tính hoá, bù ảnh hưởng của nhiễu (nhiệt độ, áp suất ), tích hợp giao diện truyền thông HART1, RS232/485, GPIB2 lưu trữ số liệu Đặc biệt các thiết bị này có khả năng giao tiếp PC nhằm thu thập, xử lý, hiển thị thông tin đo Các đặc điểm này thể hiện kỹ thuật thông tin đo lường bao gồm:

- Kỹ thuật tính toán

- Kỹ thuật truyền thông

- Kỹ thuật giữ và lưu thông tin

- Kỹ thuật thông tin đo lường

Trong hệ thống hiện đại ngày nay do xu hướng phân tán về mặt chức năng kết hợp với kỹ thuật mạng công nghiệp các hệ thống đo và điều khiển có nhiều điểm khác biệt so với hệ thống cũ Trong hệ thống cũ các giá trị biến quá trình được thu nhận và biến đổi ghép nối vào hệ thống bằng phương pháp nối dây cổ điển (điểm -

điểm) Thông tin truyền đi từ các thiết bị đo đơn lẻ dưới dạng tương tự chuẩn áp (0 - 10V;+/-10V ) hay dòng (0 – 20mA, 4 – 20mA) Đặc biệt với các hệ thống lớn, việc thu thập thông tin đo, kiểm tra chất lượng sản phẩm hệ thống có số điểm đo

1 Highway Addressable Remote Transducer (cho phép truyền thông tin số trên nền 4 – 20 mA)

2 General Purpose Interface Bus, IEEE 488

Cấu trúc hệ thu thập giám sát

lớn rất phức tạp do sử dụng các bộ đổi nối, (mux, demux) bộ biến đổi AD Do đó độ tin cậy không cao

Trong hệ thống hiện đại ngày nay các hệ thống thu thập tín hiệu bao gồm các PLC (programmable logic device), RTU ( remote terminal unit) và hệ thống truyền tin số (gọi chung Bus trường) PLC, RTU đóng vai trò các trạm thu thập số liệu truyền thông tin về máy tính PC, thông tin được gia công xử lý tại chỗ Các thiết bị

đo lường có thể nối mạng trực tiếp hoặc giao tiếp qua giao diện dòng điện, điện áp hình thành hệ hệ thống điều khiển

1.2 Hệ thống điều khiển - SCADA

SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) là một thuật ngữ chỉ hệ thống thu thập giám sát và điều khiển số liệu từ xa Bao gồm công việc xử lý số liệu quá trình tại bộ điều khiển cục bộ, hay máy tính trung tâm gồm một số chức năng

như sau:

• Kiểm tra các thông số của quá trình công nghệ

• Gia công các số liệu, báo hiệu sai lệch các thông số của quá trình so với các giá tri đặt trước, thực hiện một số chức năng tính toán như tổng ghi các lượng tiêu hao lưu trữ số liệu quá trình

• Điều chỉnh tự động các tham số quá trình (ổn định các tham số công nghệ điều khiển theo chương trình, điều khiển tầng)

• Điều khiển xa và thông báo các trạng thái của máy móc và thiết bị công nghệ

• Đảm bảo sự hoạt động đồng bộ, an toàn cho hệ thống

• Thực hiện điều khiển tối ưu các tham số hoặc các chỉ tiêu (kinh tế, kỹ thuật) của quá trình công nghệ

Cấu trúc hệ thu thập giám sát

Các thành phần trong một hệ SCADA gồm:

- Các trạm điều khiển giám sát trung tâm

o Trạm kỹ thuật (Engineer Station): Cài đặt các công cụ phát triển ứng dụng, như các chương trình lập trình, thay đổi cấu trúc điều khiển tham số điều khiển

o Trạm vận hành (Operator Station): Gồm giao diện người máy, mô tả sơ đồ hệ thống, hiển thị các biến quá trình (các thiết bị ảo), đồ thị thời gian thực, đồ thị dữ liệu tĩnh, phím thao tác, nút điều khiển

o Máy chủ (Server Station): Cài đặt các chương trình quản lý, lưu trữ thông tin thu thập, lập báo cáo, in ấn

- Các trạm thu thập giám sát trung gian

o Trạm thu thập số liệu từ xa (Remote Terminal Unit -RTU): Thay thế cho việc thu thập tín hiệu tập trung, việc dùng các RTU hỗ trợ cho trợ thu thập tín hiệu hiện trường tại chỗ, giảm chi phí lắp đặt, dây dẫn

o Trạm thu thập số liệu (Data Collection Unit (DCU)): PLC, I/O: Bên cạnh khả năng thu thập dữ liệu quá trình các bộ PLC còn đảm nhiệm, thực hiện các điều khiển cơ sở

- Hệ thống truyền thông

o Mạng truyền thông công nghiệp truyền thông tin phân tán trong công nghiệp thu thập qua các PLC, RTU, DCU đưa về trung tâm qua hệ thống Bus trường (truyền tin số)

o Mạng máy tính, thiết bị truyền đường dài như HUB, SWITCH hỗ trợ hệ thống các máy tính được kết nối với nhau Trợ giúp giám sát qua trình qua công cụ WEB

o Thiết bị chuyển đổi dồn kênh

- Các công cụ phát triển ứng dụng : gồm chương trình lập trình giao diện như WinCC, LabView, InTouch

Cấu trúc hệ thu thập giám sát

Trong hệ thống sẵn có hiện nay thường tồn tại các PLC đảm nhiệm việc điều khiển cục bộ Tuy nhiên các PLC điều khiển này có thể không nối mạng, hoặc nối mạng Việc thiết kế hệ SCADA dựa hệ thống mạng sẵn có đặt ra trên vấn đề sau:

- Công cụ phát triển, tạo dựng giao diện người máy: Yêu cầu giao diện giám sát áp dụng phát triển trên cơ sở phát triển của kỹ thuật máy tính, công nghệ phần mềm nhằm mục đích hỗ trợ tối đa người vận hành có cái nhìn trực quan quá trình công nghệ , vận hành tốt hơn Các chương trình tạo giao diện có thể

là WinCC, LabView, InTouch Trong đó với LabView, việc thiết lập giao diện nhanh chóng và hiệu quả nhờ phương pháp lập trình đồ họa

- Các phần mềm kết nối: Các thiết bị sẵn có trên hiện trường nhà máy cũ gồm các PLC, RTU các hãng khác nhau Nhằm mục đích kết nối chúng thành một

hệ thống phải dựa trên các phần mềm kết nối (driver) Việc chuẩn hóa phần mềm kết nối dựa trên các tiêu chuẩn mở ngày nay hỗ trợ giao tiếp các quá trình dễ dàng hơn trong đó chuẩn giao tiếp OPC là một ví dụ điển hình

- ứng dụng công nghệ mới (hướng đối tượng, phần mềm thành phần): Việc thiết kế giao diện nhanh chóng và hiệu qủa nhờ thành tựu công nghệ mới của tin học Các đối tượng như nút bấm, cần gạt, đồ họa, biểu đồ là phần mềm thành phần ActiveX, chúng cho khả năng sử dụng lại, hiển thị giao diện đồ họa đẹp

Cấu trúc hệ thu thập giám sát

1.2.1 Cấu trúc và thành phần cơ bản hệ thu thập giám sát

Các thành phần cơ bản của một hệ thống điều khiển và giám sát quá trình

được minh họa trên hình 1-2 Các cảm biến và cơ cấu chấp hành đóng vai trò là giao diện giữa các thiết bị điều khiển với quá trình kỹ thuật Trong khi đó, hệ thống

điều khiển giám sát đóng vai trò giao diện giữa người vận hành và máy Các thiết bị

có thể được ghép nối trực tiếp điểm-điểm, hoặc thông qua mạng truyền thông Cấu trúc hệ thống thu thập điều khiển số liệu (SCADA)

Phần mềm giao diện, điều khiển thu thập trên PC

PC

RTU PLC / IO Module

Hình 1-2 Cấu trúc thành phần hệ thu thập số liệu

Tùy theo loại cảm biến, tín hiệu đưa ra có thể là tín hiệu nhị phân, tín hiệu số hay tín hiệu tương tự theo các chuẩn điện học thông dụng khác nhau (1 10V, 0 5V, 4 20mA, 0 20mA, v.v ) Trước khi có thể xử lý trong máy tính số, các tín hiệu đo cần được chuyển đổi, thích ứng với chuẩn giao diện vào/ra của máy tính Bên cạnh

đó, ta cũng cần các biện pháp cách ly điện học để tránh sự ảnh hưởng xấu lẫn nhau giữa các thiết bị (ví dụ supply current loop, current isolate cho các tín hiệu đo

dòng) Đó chính là các chức năng của các module vào/ra (I/O) Các thành phần chức năng hệ thống điều khiển và giám sát:

• Giao diện quá trình: các cảm biến và cơ cấu chấp hành, ghép nối vào/ra, chuyển

đổi tín hiệu

Cấu trúc hệ thu thập giám sát

• Thiết bị điều khiển tự động: các thiết bị điều khiển như các bộ điều khiển chuyên dụng,

bộ điều khiển khả trình PLC (programmable logic controller), thiết bị điều chỉnh số đơn

lẻ (compact digital controller- Signal Digital Controller) và máy tính cá nhân cùng với

• Hệ thống bảo vệ, cơ chế thực hiện chức năng an toàn, khôi phục hệ thống

1.2.2 Mô hình phân cấp chức năng hệ thống thu thập giám sát

Mô hình phân cấp chức năng cho thấy mô hình tổng quát một hệ thống điều khiển Thường dùng nhất là mô hình phân cấp hình chóp Trong mô hình này từ dưới lên trên thể hiện cấp chức năng trong hệ thống điều khiển từ cấp chấp hành (các

sensors, instruments, actutors) đến cấp điều khiển (thực hiện các chức năng điều

khiển cơ sở PI, PID, các thuật toán logic), điều khiển giám sát (thu thập, giám sát giá trị quá trình, điều chỉnh tham số quá trình), điều hành sản xuất, và cấp cuối cùng

là cấp quản lý công ty

Phần dưới của cấp điều khiển (bao gồm điều khiển máy móc, thiết bị đơn lẻ)

và cấp chấp hành thường được gọi chung là cấp trường, phần còn lại của cấp điều khiển và cấp điều khiển giám sát được gọi chung là cấp điều khiển quá trình Càng ở những cấp dưới thì các chức năng càng mang tính chất cơ bản, đòi hỏi yêu cầu cao hơn về độ nhanh nhạy, thời gian phản ứng Một chức năng ở cấp trên được thực hiện dựa trên các chức năng cấp dưới, không đòi hỏi thời gian phản ứng nhanh như ở cấp dưới, nhưng ngược lại lượng thông tin cần trao đổi và xử lý lại lớn hơn nhiều, ba cấp dưới thuộc phạm vi của một hệ thống điều khiển và giám sát Biểu thị hai cấp trên cùng (quản lý công ty và điều hành sản xuất) giúp ta hiểu thêm một mô hình đầy đủ trong cấu trúc chức năng tổng thể cho các công ty sản xuất, tối ưu hóa quá trình công nghiệp

Cấu trúc hệ thu thập giám sát

Cấp điều khiển quá trình

Cấp truờng

Tính toán giá thành, lãi xuất, thống kê số liệu sản xuất

kinh doanh, xử lý đơn đặt hàng, kế hoạch tài nguyên

Đánh giá kết quả, lập kế hoạch sản xuất, tính toán tối

uu hoá máy móc.

Giám sát, vận hành, điều khiển cao cấp, lập báo cáo.

Điều khiển, điều chỉnh, bảo vệ, an toàn

Đo luờng truyền động,chuyển đổi tín hiệu

Hình 1-3 Mô hình phân cấp chức năng hệ thống giám sát số liệu

• Cấp chấp hành: Các chức năng chính của cấp chấp hành là đo lường, truyền

động và chuyển đổi tín hiệu trong trường hợp cần thiết Trong thực tế, đa số các thiết bị cảm biến (sensor) hay cơ cấu chấp hành (actuator) có phần điều

khiển riêng cho việc thực hiện đo lường/truyền động được chính xác và nhanh nhạy

o Thiết bị đo, Sensor và cơ cấu chấp hành

Sensor: là thiết bị cảm nhận đại lượng sự thay đổi của đại lượng vật lý cần đo dựa trên các hiệu ứng vật lý khác nhau Ví dụ hiệu ứng nhiệt điện trở: sự biến đổi điện trở khi nhiệt độ thay đổi, hiệu ứng cặp nhiệt điện: hiện tượng điện thế sinh ra trên hai đầu dây dẫn, khi hai đầu mối hàn hai kim loại khác nhau hàn ở hai nhiệt độ khác nhau, hiệu ứng áp điện Các

đại lượng vật lý thay đổi được biến đổi thành các đại lượng điện, được chuẩn hóa, biến đổi thành tín hiệu mang thông tin Tùy theo đại lượng cần

đo mà có thể có sự tham gia của các vi xử lý hay không Tuy nhiên các thiết bị đo thông minh hiện đại ngày này thực hiện xử lý sơ bộ thông tin như lọc nhiễu, tuyến tính hóa, chỉnh không, chỉnh dải đo Các tín hiệu mang thông tin ra của thiết bị đo được chuẩn hóa thành các tín hiệu chuẩn dòng hoặc áp [ 0 – 20mA, 4 – 20mA, +/- 10V, +/-5V,+/-18V], hay truyền thông tin số (HART) Do đó các trạm thu thập (RTU) được thiết kế

để có thể thiết lập cấu hình cho loại tín hiệu vào Công việc của người lập

Cấu trúc hệ thu thập giám sát

trình hệ thống chỉ còn là tính toán hệ số biến đổi từ thông tin điện thành

giá trị vật lý cần điều khiển Bên cạnh các thiết bị đo tương tự tín hiệu hiện trường trong nhà máy có rất nhiều tín hiệu logic (vào số, ra số) báo bởi các sensor logic Các sensor logic đơn thuần hoạt động nhằm thông

báo sự có mặt của đối tượng đo được gọi là các sensor vị trí (proximity)

Nói chung sensor vị trí có nhiều loại với các đặc tính khác nhau về dải

tần, tốc độ đáp ứng, dải nguồn nuôi, khoảng cách phát hiện và cả mặt nguyên lý Chúng có thể dựa trên hiện tượng điện cảm, điện dung hay

đơn giản là công tắc cơ tác động Đầu ra sensor vị trí là các đầu ra open “ collector loại PNP, hay NPN, ghép nối với module vào ra số

Hình 1-4 Đầu ra sensor logic

Các thông số đặt setpoint cho các biến quá trình, các cơ cấu chấp

hành, van dẫn động trong nhà máy công nghiệp được thiết kế với các

đầu vào tương tự hoặc truyền thông số, do đó thông tin điều khiển từ trên xuống thay đổi được đưa ra từ các module ra tương tự, module

số Các module này có khả năng nối mạng, giao tiếp bus trường trong các hệ thống vào ra phân tán

• Cấp điều khiển: Nhiệm vụ chính của cấp điều khiển là nhận thông tin từ các

cảm biến, xử lý các thông tin đó theo một thuật toán nhất định và truyền đạt lại kết quả xuống các cơ cấu chấp hành Thay thế điều khiển thủ công, hệ thống điều khiển tự động hiện đại, việc thực hiện thủ công những nhiệm vụ

đó được thay thế bằng máy tính, bộ điều khiển (PC, PLC)

Cấu trúc hệ thu thập giám sát

• Cấp điều khiển giám sát: Cấp điều khiển giám sát có chức năng giám sát và

vận hành một quá trình kỹ thuật Khi các chức năng như đo lường, điều khiển, điều chỉnh, bảo toàn hệ thống được các cấp cơ sở thực hiện, thì nhiệm

vụ của cấp điều khiển giám sát là hỗ trợ người sử dụng trong việc cài đặt ứng dụng, thao tác, theo dõi, giám sát vận hành và xử lý những tình huống bất thường Ngoài ra, trong một số trường hợp, cấp này còn thực hiện các bài toán điều khiển cao cấp như điều khiển phối hợp, điều khiển trình tự và điều khiển theo công thức (ví dụ trong chế biến dược phẩm, hoá chất) Khác với các cấp dưới, việc thực hiện các chức năng ở cấp điều khiển giám sát thường không đòi hỏi phương tiện, thiết bị phần cứng đặc biệt ngoài các máy tính thông thường (máy tính cá nhân, máy trạm, máy chủ, termimal, ) Phân cấp chức năng như trên tiện lợi cho việc thiết kế hệ thống, lựa chọn thiết bị

1.2.3 Cấu trúc hệ thống điều khiển

a Điều khiển tập trung

Cấu trúc tiêu biểu của một hệ điều khiển tập trung (centralized control system) được minh họa trên Hình 1-5 Một máy tính duy nhất được dùng để điều

khiển toàn bộ quá trình kỹ thuật Máy tính điều khiển ở đây (MTĐK) có thể là các

bộ điều khiển số trực tiếp (DDC), máy tính lớn, máy tính cá nhân hoặc các thiết bị

điều khiển khả trình Trong điều khiển công nghiệp, máy tính điều khiển tập trung thông thường được đặt tại phòng điều khiển trung tâm, cách xa hiện trường Các thiết bị cảm biến và cơ cấu chấp hành được nối trực tiếp, điểm-điểm với máy tính

điều khiển trung tâm qua các cổng vào/ra của nó Cách bố trí vào/ra tại máy tính

điều khiển như vậy cũng được gọi là vào/ra tập trung (central I/O) Các nhược điểm

cấu trúc này bao gồm : nối dây phức tạp, giá thành cao, mở rộng hệ thống khó khăn,

độ tin cậy thấp, thích hợp cho hệ thống nhỏ số điểm đo ít

Cấu trúc hệ thu thập giám sát

Hình 1-5 Hệ điều khiển tập trung, vào ra tập trung

b Điều khiển tập trung với vào ra phân tán

Cấu trúc vào/ra tập trung với cách ghép nối điểm-điểm có nhược điểm cơ bản là số lượng lớn các cáp nối, dẫn đến giá thành cao cho dây dẫn và công thiết kế, lắp đặt Một hạn chế khác nữa là phương pháp truyền dẫn tín hiệu thông thường giữa các thiết bị trường và thiết bị điều khiển dễ chịu ảnh hưởng của nhiễu, gây ra sai số lớn Vấn đề này được khắc phục bằng phương pháp dùng bus trường(truyền tin số) Trong cấu hình này các module vào/ra được đẩy xuống cấp trường gần kề với các cảm biến và cơ cấu chấp hành, vì vậy được gọi là các vào/ra phân tán (Distributed I/O) hoặc vào/ra từ xa (Remote I/O) với NI các module này là FP1000/1001 hay

FP1601 Một cách ghép nối khác là sử dụng các cảm biến và cơ cấu chấp hành

thông minh (màu xám trên hình vẽ), có khả năng nối mạng trực tiếp không cần thông qua các module vào/ra Bên cạnh khả năng xử lý giao thức truyền thông, các thiết bị này còn đảm nhiệm một số chức năng xử lý tại chỗ như lọc nhiễu, chỉnh

định thang đo, tự đặt chế độ, điểm làm việc, chẩn đoán trạng thái,v.v

Hình 1-6 Điều khiển tập trung với vào ra phân tán

Cấu trúc hệ thu thập giám sát

Sử dụng bus trường và cấu trúc vào/ra phân tán mang lại các ưu điểm sau:

• Tiết kiệm dây dẫn và công đi dây, nối dây

• Giảm kích thước hộp điều khiển

• Tăng độ linh hoạt hệ thống nhờ sử dụng các thiết bị có giao diện chuẩn và khả năng ghép nối đơn giản

• Thiết kế và bảo trì dễ dàng nhờ cấu trúc đơn giản

• Khả năng chẩn đoán tốt hơn (các thiết bị hỏng được phát hiện dễ dàng)

• Tăng độ tin cậy của toàn hệ thống

c Điều khiển phân tán

Một dây chuyền sản xuất thường được phân chia thành nhiều phân đoạn, có thể được phân bố tại nhiều vị trí cách xa nhau Để khắc phục sự phụ thuộc vào một máy tính trung tâm trong cấu trúc tập trung và tăng tính linh hoạt của hệ thống, ta có thể điều khiển mỗi phân đoạn bằng một hoặc một số máy tính cục bộ Các máy tính

điều khiển cục bộ thường được đặt rải rác tại các phòng điều khiển/phòng điện của từng phân đoạn, phân xưởng, ở vị trí không xa với quá trình kỹ thuật Các phân đoạn

có liên hệ tương tác với nhau, vì vậy để điều khiển quá trình tổng hợp cần có sự điều khiển phối hợp giữa các máy tính điều khiển Trong nhiều trường hợp, các máy tính

điều khiển được nối mạng với nhau và với một hoặc nhiều máy tính giám sát (MTGS) trung tâm qua bus hệ thống Giải pháp này hình thành các hệ thống có cấu trúc điều khiển phân tán, hay được gọi là các hệ điều khiển phân tán (HĐKPT)

Hình 1-7 Điều khiển phân tán

Cấu trúc hệ thu thập giám sát

Ưu điểm của cấu trúc điều khiển phân tán là độ linh hoạt cao so với cấu trúc tập trung, hiệu năng và độ tin cậy của hệ thống được nâng cao nhờ sự phân tán chức năng điều khiển xuống các cấp dưới Việc phân tán chức năng xử lý thông tin và phối hợp điều khiển có sự giám sát từ các trạm vận hành trung tâm tạo ra các khả năng ứng dụng mới, tích hợp trọn vẹn trong hệ thống như lập trình cao cấp, điều khiển trình tự, điều khiển theo công thức và ghép nối với cấp điều hành sản xuất

d Điều khiển phân tán với vào ra phân tán

Giải pháp sử dụng các hệ điều khiển phân tán với cấu trúc vào/ra phân tán và các thiết bị trường thông minh chính là xu hướng trong xây dựng các hệ thống điều khiển và giám sát hiện đại Bên cạnh độ tin cậy cao, tính năng mở và độ linh hoạt cao thì yếu tố kinh tế cũng đóng vai trò quan trọng

Hệ thống cổ điển được thay thế bởi các hệ thống vào ra phân tán dựa trên cơ

sở kỹ thuật truyền thông số Nền tảng kỹ thuật truyền thông ngày càng được phát triển dựa trên các tiến bộ của kỹ thuật điện tử, vi xử lý, tin học Việc sử dụng cấu trúc vào ra phân tán góp phần đáng kể trong việc đấu dây, giảm chi phí hệ thống, chẩn đoán, cài đặt Vậy một hệ thống mạng trong công nghiệp có các đặc điểm như thế nào so với hệ thống mạng, máy tính thông thường Ta xem xét, so sánh mô hình quy chiếu OSI, và hệ thống mạng công nghiệp trong phần sau

Thành phần hệ thống mạng Field – Point

Chương 2: Mạng – Hệ thống mạng Field -

Point

2.1 Mô hình quy chiếu OSI và mạng công nghiệp

Mô hình tham chiếu OSI cung cấp cho các nhà chế tạo một tập các tiêu chuẩn

đảm bảo tương thích và liên kết hoạt động tốt hơn giữa các kỹ thuật mạng khác nhau Mô hình có bảy lớp, mỗi lớp mô tả một phần chức năng mạng Mỗi lớp trong mô hình OSI có một tập các chức năng cần phải thực hiện để cho các gói dữ liệu di chuyển từ nguồn đến một đích trên mạng Tuy nhiên mạng công nghiệp có các đặc

điểm khác với mạng máy tính Sau đây là mô tả ngắn gọn mô hình OSI khi so sánh

nó với hệ thống mạng công nghiệp

• Lớp ứng dụng (Application)

Lớp ứng dụng là lớp trên cùng trong mô hình OSI, 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 được thực hiện bằng phần mềm Ví dụ trong tập giao thức TCP/IP các dịch vụ cấp cao gồm FTP, TELNET, SMTP, SNMP, DNS 3

3 FTP(file transfer Protocol) dùng truyền file, TELNET dùng làm việc trạm chủ từ xa SMTP (simple mail transfer Protocol) dùng truyền thư điện tử SNMP (Simple Network Managerment Protocol) dùng quản trị mạng DNS(Domain Name Service) dùng quản lý tra cứu danh sách tên và địa chỉ Internet

Thành phần hệ thống mạng Field – Point

Tuy nhiên các thiết bị trường trong mạng truyền thông công nghiệp các dịch

vụ này có thể là đọc/ ghi cấu hình, thiết lập tham số Chúng được cung cấp như các thư viện hoặc khối hàm dùng trong các phần mềm SCADA, hay ngôn ngữ lập trình

thông thường Tùy theo các hệ thống mạng khác nhau mà tập dịch vụ hàm cung cấp

là khác nhau

Hình 2-1 Cấu trúc mạng theo mô hình qui chiếu OSI

• Lớp biểu diễn số liệu (Presentation)

Lớp biểu diễn mã hoá số liệu nhằm đáp ứng cho việc thao tác số liệu trên các mạng khác nhau (do cấu trúc vi xử lý khác nhau nên việc biểu diễn dữ liệu cũng khác nhau như: thứ tự, số lượng byte, biểu diễn kiểu dữ liệu ) Nhiệm vụ lớp biểu diễn dữ liệu là chuyển đổi các dạng biểu diễn dữ liệu khác nhau về cú pháp thành một dạng chuẩn nhằm tạo điều kiện cho các đối tác truyền thông có thể hiểu được nhau Trong hệ thống mạng công nghiệp tích hợp trên hệ của một nhà sản xuất, các dữ liệu được biểu diễn thống nhất, chuẩn hoá do đó lớp này không tồn tại trong hệ thống mạng công nghiệp Một số chức năng lớp này có thể ghép với lớp ứng dụng

• Lớp kiểm soát nối (Session)

Thành phần hệ thống mạng Field – Point

Lớp thực hiện chức năng kiểm soát mối liên kết truyền thông giữa hai chương trình ứng dụng bao gồm: tạo lập, quản lý, kết thúc các đường nối giữa các ứng dụng Mối quan hệ giữa các ứng dụng là quan hệ logic Có thể có nhiều quan hệ logic trên một quan hệ vật lý Tuy nhiên trong hệ thống mạng công nghiệp, quan hệ nối các chương trình ứng dụng được xác định sẵn (quan hệ tĩnh) nên lớp này không thể hiện

• Lớp vận chuyển (Transport)

Là cơ chế đảm bảo dữ liệu được vận chuyển một cách tin cậy hoàn toàn không phụ thuộc vào các đặc tính các ứng dụng sử dụng dữ liệu Các gói tin được vận chuyển lưu thông trên mạng, nhưng không đảm bảo về trình tự chúng đến Cơ chế quản lý, khắc phục lỗi được sắp xếp vào một lớp độc lập để tất cả các ứng dụng khác nhau có thể sử dụng chung được gọi là lớp vận chuyển Trong hệ thống mạng công nghiệp, do đặc điểm về hệ thống mạng, hiệu suất truyền dữ liệu, nên lớp này cũng không thể hiện

• Lớp truy nhập mạng (Network)

Một hệ thống mạng được hiểu là mạng của các mạng, mỗi mạng có một giao thức khác nhau Nhiệm vụ lớp mạng quản lý để đảm bảo các gói tin được xử lý truyền tin trong các mạng khác nhau Một router chính là một thiết bị xử lý giao

thức dùng để liên kết hai mạng, có chức năng chuyển giao dữ liệu từ một mạng này sang mạng khác, trong đó có cả nhiệm vụ tìm đường tối ưu Trong hệ thống mạng công nghiệp, lớp mạng không thể hiện

• Lớp liên kết dữ liệu (Datalink)

Đảm bảo việc truyền dẫn dữ liệu tin cậy thông qua mối liên kết vật lý, trong

đó bao gồm điều khiển truy nhập đường truyền, điều khiển logic Bản thân lớp được chia thành hai lớp con : MAC (media access control), LLC (logical link control)

Trong đó MAC đảm nhận việc điều khiển truy nhập đường truyền, còn tầng LLC

đảm bảo tính độc lập của việc quản lý các liên kết dữ liệu đối với đường truyền vật

lý Trong hệ thống mạng công nghiệp lớp liên kết dữ liệu thực hiện đóng gói dữ liệu,

bổ xung thông tin kiểm lỗi, kiểm soát lưu thông và đồng bộ hóa

Thành phần hệ thống mạng Field – Point

• Lớp vật lý (Physical)

Lớp vật lý đề cập tới giao diện vật lý giữa một thiết bị truyền dữ liệu (máy tính) và môi trường truyền dẫn hay mạng trong đó có đặc tính tín hiệu chế độ truyền, tốc độ truyền và cấu cơ học các phích cắm / rắc cắm (tuy nhiên không định nghĩa môi trường truyền thông)

2.2 Thành phần hệ thống mạng Field - Point

2.2.1 Phần cứng

NI phát triển một hệ thống mạng Field - Point thực hiện thu thập số liệu đo,

giám sát và điều khiển các thông số quá trình Hệ thống mạng của National Instrument (NI) gồm 2 loại FieldPoint và Compact FieldPoint, giống như các hệ

thống mạng khác, một mạng các thiết bị ghép nối với nhau thể hiện trên kết nối vật

lý, và tập các giao thức truyền thông, hệ thống FiledPoint cũng tương tự như vậy

Một hệ thống đơn giản có thể chỉ là một module thu thập, một module tín hiệu, điều khiển thực hiện truyền qua cổng RS - 232, RS - 485 Các trạm kết nối với nhau qua mạng truyền thông nối tiếp hay mạng ethernet

Hệ thống Field - Point gồm các module phân tán đặt dưới hiện trường kết nối

với các sensor, thiết bị chấp hành (tín hiệu digital, tương tự, lực, nhiệt độ ) Trong

đó bản thân các module được kết nối với nhau và nối với cả hệ thống mạng

Hệ thống mạng Field - Point đơn giản, dễ lắp đặt, tham số hoá Sự đơn giản thể hiện không chỉ ở mức độ cài đặt hệ thống, thiết lập cấu hình, lập trình cho đến triển khai cả một hệ thống Các vấn đề liên quan đến hệ thống thu thập số liệu qua mạng như :

- Giao thức mạng

- Hệ thống thiết bị phần cứng, phần mềm

- Lập trình giao diện, thu thập giám sát và điều khiển, lưu trữ

Thành phần hệ thống mạng Field – Point

Có thể giải quyết trực tiếp, dễ dàng trong điều kiện hiện nay Công việc thiết

kế giao diện, cấu hình mạng, truyền thông có thể thực hiện nhanh chóng trong một vài giờ

Module giao diện mạng (FP- 1000,FP -1001,FP- 1601) theo như tên đặt, chỉ

đóng vai trò giao diện một bộ thu thập và chuyển tiếp số liệu Điều này có nghĩa là các giá trị số liệu trên hiện trường (field signal) được thu thập và truyền lên mạng

qua module giao diện mạng Thực chất module này đóng vai trò truyền thông (xử lý giao thức), cũng vậy tín hiệu điều khiển trên máy tính được truyền xuống hiện trường qua các module giao diện, module này thiết lập số liệu ở đầu ra các module tín hiệu trên “bank/slot“ tương ứng Như vậy module giao diện không thực hiện

chức năng điều khiển, nó chỉ đóng vai trò chuyển tiếp số liệu giữa bộ điều khiển và cơ cấp chấp hành thông qua module tín hiệu Với các module này ta thiết lập thành

hệ điều khiển tập trung với vào ra phân tán (distributed I/O)

FP – 1000 có hai cổng truyền thông RS “ 232 và RS “ 485 Cổng RS “ 232

kết nối với máy tính PC, cổng RS – 485 đóng vai trò cổng chuyển tiếp (RS “ 485

repeater port) kết nối với moudle FP - 1001 tạo thành hệ thống mạng nối tiếp 485

FP – 1001 có một cổng truyền thông RS – 485 kết nối với mạng nối tiếp 485 Cả

FP – 1000 và FP – 1001 đều đóng vai trò một trạm trong mạng RS232/485

FP – 1600I module giao diện mạng ethernet, nó đóng vai trò một trạm trong

hệ thống mạng ethernet, kết nối một mạng LAN thành hệ thống vào ra phân tán

Hình 2-2 Module giao diện mạng FP 1000, FP 1001

Thành phần hệ thống mạng Field – Point

Module điều khiển: Hệ thống Field - Point, module FP – 20xx đóng vai trò

của bộ điều khiển Chương trình điều khiển được đổ (download) xuống bộ điều khiển,

bộ điều khiển thực hiện giao tiếp mạng, điều khiển quá trình theo thuật toán lập trình

Nó không chỉ đóng vai trò của bộ xử lý giao thức mà còn đóng vai trò bộ điều khiển

Với module này có thể thực hiện hệ điều khiển phân tán Chức năng điều khiển

được phân tán xuống tận hiện trường Tuy không tuân theo phương pháp lập trình

chuẩn như cho PLC theo chuần IEC61131.3 4 nhưng các chương trình phức tạp có thể

xử lý trực tiếp trên module này như PID, Fuzzy thực hiện dễ dàng nhờ phương pháp

lập trình đồ họa

FP – 2015 (Ethernet controller) có vai trò như bộ điều khiển thuộc dòng

RealTime, có hai cổng giao diện RS – 232 và ethernet Giao diện Ethernet

(10/100Mbps) kết nối moudle với hệ thống ethernet, giao diện còn lại FP – 2015

điều khiển hệ thống mạng các trạm FP khác ngoài bản thân các module tín hiệu lắp trên trạm (bank) Một số đặc điểm FP – 2015 như sau:

FP “ 2015 trong trạng thái như một bộ giao diện mạng

Các chức năng moudle giao diện mạng gồm:

- Thiết lập các đồng hồ watchdog kiểm soát giao tiếp hệ thống, kiểm tra lỗi

truyền thông

- Thiết lập điạ chỉ trạm, tốc độ truyền thông

4 Phàn 3 , chuẩn về ngôn ngữ lập trình cho PLC

Thành phần hệ thống mạng Field – Point

- Thiết lập các chức năng snapshot, power up

Module vào ra tín hiệu: Các moduel tín hiệu thuộc thành phần hệ thống

mạng Field - Point gồm module vào số (FP – DI – 300, FP – RLY – 420), module ra số (FP – DO – 400) module vào tương tự (FP – AI – 100), module ra tương tự (FP – AO – 200), module đo nhiệt độ Pt100, TC, module phát độ rộng xung, đếm, đo lực Đáp ứng các yêu cầu điều khiển trong tự động hoá

Cấu trúc một trạm Field “ Point được thiết kế kiểu module Tùy theo sự

phân chia chức năng trên các thành phần thiết bị, một trạm Field - Point có thiết kế

module, tăng độ linh hoạt khi thiết kế, mở rộng hệ thống Module giao diện thực hiện chức năng xử lý giao thức, các module tín hiệu giao tiếp với module giao diện qua hệ thống bus nội bộ (internal bus) Đối với loại thiết kế gọn, tất cả các chức

năng được tích hợp gọn trong một thiết bị, loại này có sẵn một số cổng vào/ra cố

định, một số đầu vào chức năng nhất định như High Speed Counter

Hình 2-3 Cấu trúc một trạm theo thiết kế module

Tổ chức dữ liệu: module giao diện có địa chỉ cơ sở, sau đó địa chỉ module tín hiệu = địa chỉ cơ sở cộng với vị trí module tín hiệu Mỗi loại module tín hiệu lại có các kênh dữ liệu khác nhau Việc truy xuất đến các kênh này qua một hoặc hai byte

tham số (gọi byte mặt nạ) sử dụng trong các SubVI truy xuất đến kênh dữ liệu

Bên cạnh đó NI gồm các sản phẩm hỗ trợ hệ thống mạng CAN (Control area network), DeviceNet, ProfiBus, Foudation Field Bus Trong đó hiện tại Ni hỗ trợ hệ

vào ra phân tán cho Foundation Field Bus(FP – 3000) Còn lại là card vào ra thời gian thực (RealTime) cắm cho máy PC hoặc các sản phẩm hỗ trợ chuẩn PCI của

máy PC

Thành phần hệ thống mạng Field – Point

2.2.2 Phần mềm

Gói phần mềm dành riêng cho hệ thống mạng Field - Point của NI bao gồm:

- LabView : Môi trường lập trình chính tạo ứng dụng, giao diện HMI (human machine interface), đồng thời tạo mã điều khiển

- Field - Point Explorer : Thiết lập cấu hình mạng, kiểu tín hiệu, dải đo Gói

công cụ này sử dụng các lệnh cao cấp như thiết lập dải, chẩn đoán

- LabView datalogging and Supervisory Control Module : Hỗ trợ tạo, lập các

giao tiếp điều khiển, giám sát hệ thống quá trình bao gồm cảnh báo, báo

động, đồ thị quá khứ, đồ thị xu hướng, lưu trữ, giao tiếp OPC

- LabView real time : tạo ứng dụng điều khiển thời gian thực

Chương trình ứng dụng cho thu thập giám sát số liệu được lập trình và xử lý trong LabView Khi cài đặt Field - Point Explorer, các tool set cài thêm vào

LabView với mục đích hỗ trợ lập trình mạng Field “ Point Với LabView

Datalogging and Supervisory control module giúp thiết lập cơ sở dữ liệu quá trình, lập các báo cáo, hỗ trợ giao tiếp sản phẩm tự động hóa các hãng khác nhau vào một quá trình tương tự như WinCC của Siemens

2.2.3 Kết nối RS 232 / RS485

Các module giao diện FP 1000/1001 sử dụng cấu trúc mạng nối tiếp trên cơ

sở RS 232/RS485 RS 232/RS485 đều là chuẩn truyền tin nối tiếp, không đồng bộ, hai chiều toàn phần

2.2.3.1 Giao diện RS 232

Chuẩn kết nối điểm điểm này dành cho các thiết bị đầu cuối số liệu như máy

in, modem Chuẩn này tương ứng chuẩn châu âu: CCITT V24 Dùng trong kết nối

điểm điểm giữa hai thiết bị DTE (2PC, 2PLC) hoặc một thiết bị DTE với một DCE (PC , modem)

- Chế độ truyền thông 2 chiều toàn phần (full duplex)

- Tốc độ max đối với hệ thống Field - Point : 115.2KBPS

Module giao diện mạng FP – 1000 cho phép máy tính kết nối với hệ thống mạng FP qua cổng RS 232 Tốc độ truyền max 115200BPS

2.2.3.2 Giao diện RS 485

Hình 2-5 Kết cấu giao diện RS - 485 với trở đầu cuối

Chuẩn truyền thông dùng ghép nối đa điểm Sử dụng cấu trúc BUS (BUS topology), tín hiệu chênh lệch đối xứng trên 1 cặp dây, do đó giảm được điện áp nhiễu tác động lên dây dẫn

- Tín hiệu điện áp vi sai đối xứng

- Truyền thông 2 chiều toàn phần đối xứng (5dây)

- Số trạm lên tới 32

- Trở kháng đầu vào 12KΩ

- Mức tín hiệu min : 200mV

Thành phần hệ thống mạng Field – Point

- Chiều dài 1200m (tuỳ thuộc tốc độ truyền và loại cáp sử dụng(STP,UTP)

- Sử dụng trở đầu cuối 120Ω triệt tiêu sóng phản xạ

- Giao diện kết nối cho ở hình 4- 5

Một hệ thống RS232 – RS 485 cho trong Hình 2-6, trong đó mỗi module giao diện mạng đóng vai trò của một trạm Các module giao diện FP – 1001 có thể

đấu trực tiếp tới máy tính qua một card 485 cắm ở slot của PC

Hình 2-6 Cấu hình một hệ thống Field - Point

Trong đó mỗi module giao diện mạng đóng vai trò của một trạm Mỗi trạm gồm hệ thống các module tín hiệu ghép nối với nhau qua TB, và ghép vào moudle giao diện mạng

Cấu hình một trạm như sau:

- Mỗi một trạm có tối đa 9 module tín hiệu

- Mỗi module được kết nối thông qua Bus nội bộ của TeminalBase mà module

đó cắm vào Mỗi module I/O cắm vào TB sẽ tiêu thụ nguồn từ module giao

diện mạng (FP100, FP1001) (còn được gọi là tiêu thụ nguồn backplane) Do

đó khi thiết lập cấu hình cần tính toán đến khả năng tải của nguồn cấp cho module giao diện mạng Ví dụ công thức tính toán nguồn cấp cho module giao diện mạng FP1000, FP1001 như sau:

Do đó khả năng tải của nguồn phải đáp ứng được công suất tiêu thụ của tải Một lưu ý là công thức trên chưa tính đến công suất tiêu thụ từ TB do các thiết bị khác nối vào như sensor, cơ cấu chấp hành

- Đặt địa chỉ tạm trên module giao diện mạng, qua DIP SWITCH

Hình 2-9 DIP Switch thiết lập địa chỉ và tốc độ truyền

Các địa chỉ phải được thiết lập cứng trước khi cho hệ thống vào vận hành qua các DIP switch Sau đó dùng FieldPoint “ Explorer thiết lập cấu hình hệ thống

Thành phần hệ thống mạng Field – Point

cho từng trạm Field - Point Xem hình minh họa dải địa chỉ các module giao diện mạng

Hình 2-10 Dải địa chỉ module giao diện cấu hình mạng nối tiếp (RS – 232/ RS – 485)

2.2.4 Tập lệnh cấp thấp module Field - Point

2.2.4.1 Tập giao thức của mạng

Tập giao thức Field - Point xây dựng trên tập mã ký tự ASCII (mã hoá 7 bit ), Gồm hai tập giao thức: Tập giao thức chuẩn và tập giao thức mở rộng Tập giao thức chuẩn (standard) hỗ trợ tương thích giao thức của phiên bản phần cứng thế hệ trước

Optomux server, tập giao thức mở rộng (extended) hỗ trợ hoàn chỉnh cho tất cả các

module của Field - Point Trên thực tế khi sử dụng Field - Point server để thiết lập

Cú pháp giao thức Field - Point như sau:

[Start][Address][command][checksum][end]

- [Start] Một ký tự bắt đầu “>” (mã ASCII = 62)

- [Address] Hai ký tự địa chỉ trạm nhận lệnh Dải giá trị địa chỉ hợp lệ là: 00 – F9

- [command] Phần này được chia thành 4 trường nhỏ

[command] = [cmdchars][position][modifier][data]

Trong đó:

- [cmdchars]: Dài một hoặc hai ký tự ASCII, tất cả các lệnh FP đều có

trường này Xác định lệnh thực hiện Với tập giao thức chuẩn cmdchars là

1 ký tự ‘A’-‘Z’ hoặc ‘a’- ‘z’ Với tập giao thức mở rộng cmdchars là 2 ký

tự, bắt đầu bằng ‘!’, và ký tự ‘A’-‘Z’ hoặc ‘a’- ‘z’

- [position]: Dài 0 đến 4 ký tự ASCII Xác định địa chỉ, vị trí kênh mà

lệnh tác động đến Ví dụ đối với module 16 kênh, Bit 15 tương ứng kênh

16, bit 0 tương ứng kênh 1 Mỗi bit tương ứng một kênh Đối với tập giao thức chuẩn trường có từ 0 đến 4 ký tự Đối với tập giao thức mở rộng trường chỉ có 0 (không tác động đến kênh) hoặc 4 (tác động đến kênh) ký

tự

- [modifier]: Dài 0 hoặc nhiều ký tự ASCII Trường này sử dụng hỗ trợ

cho các lệnh có tính chất lặp đi lặp lại

Thành phần hệ thống mạng Field – Point

- [data]: Dài 0 hoặc nhiều ký tự ASCII Trường này chứa ký tự số liệu

mô tả lệnh

- [checksum]: Hai ký tự mã kiểm tra, tính bằng cách cộng tất cả các ký tự trong

trường [Address][command] tính chia modulo-256, phần dư là 2 byte checksum Khi không sử dụng checksum trường này chứa 2 ký tự “??” mục

đích nhằm thực hiện gỡ rối (debug)

- [end] Ký tự kết thúc bản tin (message): Có giá trị mã ký tự ASCII enter (13)

hoặc mã ASCII của ký tự : ’.’ (46)

2.2.4.2 Địa chỉ module trong một bank (Staion)

Địa chỉ mỗi trạm được đặt qua switch trên module giao diện mạng Địa chỉ

này được coi là địa chỉ cơ sở cho việc tính địa chỉ của các module tín hiệu kế tiếp trên cùng một bank Nói chung chỉ khi lập trình điều khiển cho Field - Point bằng tập lệnh FP chúng ta mới quan tâm đến cách xác định địa chỉ này Ví dụ địa chỉ của module giao diện là 180 (B4H) thì địa chỉ module tín hiệu kế tiếp liền trên bank là

181(B5H), tiếp nữa là 182(B6H) Trong một trạm (bank không có quá 9 module -

điều này có nghĩa là một trạm có tối đa 10 module kể cả module giao diện, chiếm

10 địa chỉ trong dải địa chỉ) nên địa chỉ module cuối cùng trên bank là 189 (BDH)

Qua phương pháp đánh địa chỉ này mỗi module tín hiệu trên một trạm có một địa chỉ duy nhất trên toàn mạng và hoàn toàn xác định khi biết địa chỉ module giao diện mạng

Tập lệnh của Field - Point cho trong phụ lục, Mỗi lệnh tương ứng một chữ cái, có thể đọc trong Help của LabView, hay trong thư mục C:\Program Files\ National Instrument \LabView\manuals\ FiledPoint Programmer.pdf Ví dụ module

FP – DI - 400 ) trên slot tương ứng trên bank Dùng chương trình LabView lập trình sử dụng tập lệnh Field - Point command Hoặc lập trình Visual Basic để điều

khiển thao tác số liệu

Ví dụ:

Thành phần hệ thống mạng Field – Point

Lệnh Write Analog Output chuẩn thể hiện dạng ASCII:

• >33J0011456??

• ‘>’ Ký tự bắt đầu bảng tin = [start]

• ‘33’ Địa chỉ module = [Address] = 51Decimal (tương ứng module kế tiếp ngay sau module giao diện mạng có địa chỉ 50)

• ‘J0011456’ = [command]

Trong đó:

• ‘J’ = [cmdchars] : Lệnh Write OutPut

• ‘0011’ = [position] : 0011H > 0000 0000 0001 0001B tương ứng với

2 kênh 0 và kênh 4 được set lên giá trị 456H = 1110 decimal

• ‘456H’ = [data] dạng Hexa = 1110 decimal

Trong đó error number tương ứng với các lỗi cho trong bảng sau:

Bảng 2-1 Thông báo lỗi tập lệnh chuẩn

error

number

error tag Mô tả

thái của cổng vào ra khôi phục ở chế độ

snapshot hoặc Programmable power –

up Khi nhận được lỗi này nên gửi lệnh power – up clear xuống

nhận

ASCII (Mã ASCII từ 33 đến 127 mới hợp lệ)

đối với lệnh gửi xuống

không được cấp nguồn)

liệu tương ứng

Thành phần hệ thống mạng Field – Point

Bảng 2-2 Thông báo lỗi tập lệnh mở rộng

error

number error tag Mô tả

không chuyển đổi được thành số

tương ứng không hỗ trợ lệnh

nối tiếp (serial framing)

hoặc không hỗ trợ thao tác lệnh tương ứng

không tồn tại hoặc không hỗ trợ các thiết lập tương ứng

tồn tại hoặc không hỗ trợ các thiết lập tương ứng

Cụ thể các lệnh trao dổi dữ liệu (giao thức) có thể xem trong phụ lục

Trong đồ án tôi xây dựng chương trình truyền thông với hệ thống mạng FP trên cơ sở tập lệnh chuẩn và mở rộng, Với mục đích test, thử nghiệm mã lệnh ASCII của tập lệnh Field-Point.Thiết lập FP một trạm FP với cấu hình như sau:

- Module FP – 1000 địa chỉ @0

- Module FP – AI – 100 địa chỉ @1

- Module FP – AO – 200 địa chỉ @2

- Module FP – DO – 400 địa chỉ @3

Kết nối với cổng Com 1 của máy tính, module FP – 1000 có tốc độ

11200BPS Đặt nút điều khiển ở chế độ Auto, điều khiển các nút gạt đặt trạng thái

Thành phần hệ thống mạng Field – Point

cổng ra số quan sát mã ASCII truyền xuống module và lệnh trả về ở text box: Send

và Recieve

Trong chế độ send data manual soạn thảo mã lệnh ASCII, truyền xuống điều

khiển (đọc/viết) tới các địa chỉ vào, ra dưới các module Giao diện chương trình test tập lệnh Field – Point chuẩn cho trong Hình 2-11

Hình 2-11 Giao diện màn hình test tập lệnh chuẩn viết trên Visual Basic

Giao diện chương trình test tập lệnh Field – Point mở rộng cho trong Hình 2-12

LAN (Local Area Network): mạng LAN hiện nay còn được gọi là Intranet,

hay ethernet thường được dùng trong một khu nhỏ như công ty, trường học Tốc độ 10Mbps, hay fast ethernet 100Mbps Tốc độ và khoảng cách của mạng hoàn toàn phụ thuộc vào môi trường truyền dẫn, cáp đồng trục có bảo vệ hay không có bảo vệ (10Mbps), cáp đôi dây xoắn hiện nay cáp truyền cho ethernet dùng 4 cặp dây xoắn (8 dây), tốc độ lên 100Mbps, khoảng cách 100m cho cấu mạng hình sao Mạng ethernet có cấu trúc hình sao, bus, ring Hiện tại với Fast ethernet sử dụng cấu trúc sao, tốc độ 100Mbps Lan cùng với các đường truyền vật lý (cáp xoắn, cáp đồng

Thành phần hệ thống mạng Field – Point

trục, cáp quang) phương thức truy nhập Bus khác nhau (CSMA/CD, Token Bus, Token Ring ) hình thành nên các chuẩn khác nhau Trong phần này chỉ nói qua về CSMACD còn các chuẩn khác có thể xem trong tài liệu về mạng máy tính

FP – 1600, FP – 20xx hỗ trợ ghép nối ethernet, cấu trúc mạng hình sao, sử dụng kiến trúc giao thức TCP/IP, phương pháp truy cập đường truyền CSMA/CD,Token Bus, Token Ring

CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision): Trong đó mỗi

trạm đều có quyền truy nhập Bus mà không cần một sự kiểm soát nào Phương pháp truy cập ngẫu nhiên này sử dụng trong trong cấu trúc BUS, trong đó tất cả các trạm

được nối trực tiếp vào BUS Mọi trạm đều có thể truy cập vào BUS chung một cách ngẫu nhiên và do vậy có khả năng hai trạm cùng truyền tín hiệu trên đường dây (xảy

ra xung đột), cần có biện pháp phát hiện khả năng này Dữ liệu được truyền đi theo khuôn dạng chuẩn trong đó có vùng thông tin điều khiển chứa địa chỉ của dữ liệu

- Một trạm cần truyền cần nghe đường truyền rỗi hay bận,

- Nếu rỗi thì truyền dữ liệu đi,

- Nếu bận thì :

o Hoặc: Tạm thời đợi một thời gian ngẫu nhiên rồi nghe và truyền lại

o Hoặc: Tiêp tục nghe đến khi đường truyền rỗi thì truyền đi với xác suất =1

o Hoặc: Tiêp tục nghe đến khi đường truyền rỗi thì truyền đi với xác suất =

Thành phần hệ thống mạng Field – Point

- DA (Destination Addrress) (2/6byte): địa chỉ của các trạm đích của frame, nó

có thể là một địa chỉ vật lý duy nhất một trạm hoặc một địa chỉ nhóm (nhiều trạm), hoặc một địa chỉ tổng thể (tất cả các trạm trên mạng) Khi cài đặt có thể lựa chọn thống nhất địa chỉ 16 bit hoặc địa chỉ 32 bit

- SA (Source Addrress) (2/6byte): địa chỉ của các trạm nguồn của frame gửi đi,

độ dài của SA phải giống DA

- Length (2byte) chỉ độ dài tính theo byte của phần LLC data tiếp theo

- LLC data: đơn vị dữ liệu của LLC

- PAD: Các byte thêm vào đảm bảo rằng frame đủ dài để phát hiện xung đột chính xác

- FCS: (2/6byte)(Frame Check Sequence) mã kiểm tra lỗi CRC 32 bit cho tất cả các vùng, trừ Preamble, SFD, và bản thân FCS

Token Bus các trạm sử dụng một bản tin đặc biệt làm thẻ bài Một trạm chỉ

có quyền truyền tin khi nó nắm giữ thẻ bài Các trạm khác ở trạng thái đợi, nhận tin

Hệ thống phải có cơ chế kiểm soát trạng thái mất thẻ bài, cấp phát thẻ bài

Địa chỉ IP có dạng: ###.###.###.### Ví dụ: 150.166.42.111, Để xác định

địa chỉ một nút trong mạng ta dùng một con số gọi là subnetmask Vấn đề về đánh

điạ chỉ IP xem trong tài liệu hệ thống mạng