Nghiên cứu và tổ chức các phương thức trao đổi dữ liệu trong hệ thống scada

Hệ thống SCADA Supervisory Control and Data Acquisition đa cấp thường bao gồm 5 cấp có, trong đó chức năng các cấp như sau: − Cấp chấp hành: Bao gồm các thiết bị chấp hành và các cơ cấu

Đại Học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

MAI VINH DỰ

NGHIÊN CỨU VÀ TỔ CHỨC CÁC PHƯƠNG THỨC TRAO ĐỔI DỮ LIỆU

TRONG HỆ THỐNG SCADA

Chuyên ngành: TỰ ĐỘNG HÓA

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Tp HỒ CHÍ MINH, tháng 10 năm 2007

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS TRƯƠNG ĐÌNH CHÂU

Cán bộ chấm nhận xét 1: TS NGUYỄN ĐỨC THÀNH

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS NGUYỄN THIỆN THÀNH

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày 18tháng 01 năm 2008

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

Tp.HCM, ngày tháng năm 200……

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:

1 Nghiên cứu hệ thống SCADA đa cấp

2 Nghiên cứu quá trình trao đổi dữ liệu giữa các cấp trong hệ thống SCADA đa cấp

3 Xây dựng “Giải pháp hệ thống bãi đậu xe tự động”, để tích hợp các thành phần trong

hệ thống bãi đậu xe tự động

4 Xây dựng mô hình và bộ phần mềm cho hệ thống bãi đậu xe tự động

3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : ………/………/ 2007

4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : ………/………/ 2007

5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ghi đầy đủ học hàm, học vị ):

TS.TRƯƠNG ĐÌNH CHÂU

Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua

(Họ tên và chữ ký) QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

(Họ tên và chữ ký)

Xin cảm ơn chân thành đến các bạn trong Lớp Cao học Tự Động Hóa khoá 2005

đã trao đổi kiến thức trong quá trình học và quá trình thực hiện luận văn

Cuối cùng xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Bố Mẹ, Vợ và tất cả những người thân trong gia đình đã quan tâm, động viên trong suốt quá trình học vừa qua

Tp Hồ Chí Minh, ngày 09 tháng 10 năm 2007

Học viên

Tóm tắt luận văn thạc sỹ

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

Tự động hóa đóng một vai trò to lớn trong các lĩnh vực khác nhau trên toàn thế giới cũng như tại Việt Nam Tại Việt Nam hiện nay đa số các giải pháp phần cứng và phần mềm của các hệ thống tự động hoá đều được nhập về từ các nước tiên tiến khác

Để phát triển bền vững và giảm thiểu sự phụ thuộc về công nghệ của các nước khác, chúng ta cần tiến hành nghiên cứu một cách toàn diện về bản chất của các hệ thống tự động hoá, từ đó chúng ta có thể xây dựng và thiết kế được các giải pháp tự động hoá tích hợp có tính khả thi cao nhằm đáp ứng nhu cầu phát triển hiện nay tại Việt Nam

Hiện nay tại Việt Nam các loại phương tiện giao thông đang phát triển rất nhanh, đặc biệt là các loại xe hơi tại các thành phố lớn, khi đó việc phải xây dựng các bãi đậu

xe hơi và việc gửi xe là một nhu cầu tất yếu của các nhà đầu tư và khách hàng, như vậy một vấn đề đặt ra là làm thế nào để đưa ra được các giải pháp ứng dụng tự động hóa nhằm quản lý các phương tiện tại các bãi đậu xe một cách hiệu quả nhất

Để giải quyết các vấn đề đặt ra ở trên, luận văn thực hiện việc nghiên cứu, phân tích bản chất hệ thống SCADA đa cấp, từ đó xây dựng Giải pháp hệ thống bãi đậu xe

tự động để quản lý các loại phương tiện xe ôtô một cách hiệu quả nhất phù hợp với điều kiện quản lý và môi trường tại Việt Nam, luận văn bao gồm 5 chương như sau:

Chương 1: Chương này giới thiệu tổng quan luận văn bao gồm:

− Đặt vấn đề

− Tính cấp thiết của luận văn

− Mục tiêu của luận văn

Chương 2: Chương này phân tích hệ thống SCADA đa cấp bao gồm:

− Nghiên cứu và tìm hiểu cấu trúc hệ thống SCADA đa cấp

− Phân tích các thành phần trong hệ thống SCADA đa cấp

− Phân tích các phương thức trao đổi dữ liệu giữa các cấp của hệ thống SCADA đa cấp

Chương 3: Chương này xây dựng giải pháp hệ thống bãi đậu xe tự động:

− Xây dựng cấu trúc hệ thống bãi đậu xe tự động

− Tổ chức các phương thức trao đổi dữ liệu giữa các cấp trong hệ thống

− Xây dựng giải pháp phần mềm cho hệ thống:

Chương 4: Chương này xây dựng mô hình kiểm nghiệm bao gồm:

− Xây dựng một mô hình bãi đậu xe tự động thu nhỏ, có cấu trúc như

đã đưa ra trong chương 3

− Lựa chọn các phương thức trao đổi dữ liệu trong hệ thống

− Thực hiện viết các chương trình phần mềm cho toàn bộ hệ thống Chương 5: Là chương kết luận bao gồm:

− Các kết quả đạt được

− Hướng phát triển

− Tài liệu tham khảo

Phụ lục

Tóm tắt luận văn thạc sỹ

ABSTRACT

The Automation Control is very important in various applications in the word as well as in Viet Nam Most of the automation systems which include hardware and software are imported from other advanced countries To minimize technology dependent we need to research the automation systems (such as SCADA, DCS Systems,

…), from there we can build and design integrated automatic solutions suitable for Vietnam

Nowadays, the vehicles and public transport are increasing very fast in the big cities of Vietnam So we should build many parkings to match the customer requirements and investments Therefore we have a question - how to issue the best system to manage the vehicles in the parking?

To solve the matter above, I research & analyse the modern SCADA system, and then I built “A Solution for the Automatic Parking System” witch is suitable for the specifically condition, environment and people in Vietnam to manage the vehicles in the parking This thesis included five chapters as following:

Chapter 1: Overview

− Problems

− Necessaries

− Goals of Thesis Chapter 2: SCADA System Description

− Research of modern SCADA system structure

− SCADA components analysis

− Data exchange between components Chapter 3: Automatic Parking System Solution

− Automatic parking system structure

− Data exchange between component organization

− System software solution Chapter 4: Real Implementation

− The automatic parking system model

− Data exchange mechanism

− System software development Chapter 5: Conclusion

− Results

− Perspectives

− References Appendix:

Mục lục

MỤC LỤC

Danh mục các chữ viết tắt ……….……… 8

Chương 1: TỔNG QUAN 11

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 11

1.2 TÍNH CẤP THIẾT CỦA LUẬN VĂN 12

1.3 MỤC TIÊU CỦA LUẬN VĂN 13

Chương 2: PHÂN TÍCH HỆ THỐNG SCADA ĐA CẤP 15

2.1 TỔNG QUAN HỆ THỐNG SCADA ĐA CẤP 15

2.1.1 Cấu trúc hệ thống SCADA đa cấp 15

2.1.2 Chức năng, nhiệm vụ các cấp trong hệ thống SCADA đa cấp 18

2.2 PHÂN TÍCH CÁC CẤP TRONG HỆ THỐNG SCADA ĐA CẤP 20

2.2.1 Phân tích cấp chấp hành với cấp điều khiển (RTUs) 20

2.2.2 Phân tích cấp điều khiển với cấp điều khiển giám sát (MTUs) 28

2.2.3 Phân tích cấp điều khiển giám sát với cấp điều hành sản xuất (MES) 33 2.2.4 Phân tích cấp điều hành sản xuất (MES) với cấp quản lý công ty (ERP).34 2.3 TRAO ĐỔI DỮ LIỆU TRONG HỆ THỐNG SCADA ĐA CẤP 35

2.3.1 Chuẩn trao đổi dữ liệu IEC 61131-5 35

2.3.2 Chuẩn trao đổi dữ liệu DDE 38

2.3.3 Chuẩn trao đổi dữ liệu OLE 40

2.3.4 Chuẩn trao đổi dữ liệu OPC (OLE for Process Control) 40

2.3.5 Trao đổi dữ liệu dựa trên cơ sở Internet 45

2.3.6 Trao đổi dữ liệu thông qua mạng không dây 48

2.3.7 Quản lý và lưu trữ dữ liệu trong hệ thống SCADA 49

Chương 3: GIẢI PHÁP HỆ THỐNG BÃI ĐẬU XE TỰ ĐỘNG 50

3.1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN GIẢI PHÁP 50

3.1.1 Đặt vấn đề 50

3.1.2 Phân tích yêu cầu của hệ thống bãi đậu xe tự động 51

3.1.3 Giải pháp hệ thống phần cứng 52

3.1.4 Lựa chọn các phương thức trao đổi dữ liệu giữa các cấp 52

3.1.5 Giải pháp phần mềm 52

3.1.6 Giải pháp quản lý và lưu trữ dữ liệu 53

3.2 XÂY DỰNG CẤU TRÚC HỆ THỐNG 53

3.2.1 Cấu trúc hệ thống bãi đậu xe tự động 53

3.2.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống 55

3.2.3 Chức năng nhiệm vụ của các cấp trong hệ thống 56

3.2.4 Phân tích cấu trúc các cấp trong hệ thống 57

3.3 LỰA CHỌN PHƯƠNG THỨC TRAO ĐỔI DỮ LIỆU 62

3.3.1 Yêu cầu đặt ra 62

3.3.2 Trao đổi dữ liệu giữa cấp cảm biến/chấp hành với cấp điều khiển 63

3.3.3 Trao đổi dữ liệu giữa cấp điều khiển với cấp điều khiển giám sát 64

3.3.4 Trao đổi dữ liệu giữa cấp điều khiển giám sát với cấp điều hành 67

3.4 GIẢI PHÁP PHẦN MỀM 71

3.4.1 Tổng quan hệ thống phần mềm 71

3.4.2 Chương trình kế toán vé 73

3.4.3 Chương trình thu nhận hình ảnh từ Camera lối vào 74

3.4.4 Chương trình đọc vé mã vạch lối vào 76

3.4.5 Chương trình đọc vé mã vạch lối ra 77

3.4.6 Chương trình điều khiển thiết bị của hệ thống 79

3.4.7 Chương trình tính toán phí tự động lối ra 82

3.4.8 Chương trình giám sát điều khiển trung tâm 85

3.4.9 Xây dựng Server dữ liệu thời gian thực (Realtime Data Server) 87

3.4.10 Xây dựng hệ cơ sở dữ liệu quan hệ (Database Server) 88

3.4.11 Giải pháp Internet 90

Chương 4: XÂY DỰNG MÔ HÌNH KIỂM NGHIỆM 93

4.1 XÂY DỰNG CẤU TRÚC HỆ THỐNG 93

4.1.1 Cấu trúc phần cứng của mô hình 93

4.1.2 Chức năng nhiệm vụ của các cấp 95

4.1.3 Phân tích quan hệ giữa các thành phần trong hệ thống 97

4.2 TỔ CHỨC QUÁ TRÌNH TRAO ĐỔI DỮ LIỆU 103

4.2.1 Trao đổi dữ liệu cấp cảm biến/chấp hành với cấp điều khiển 103

Mục lục

4.2.2 Trao đổi dữ liệu cấp điều khiển với cấp điều khiển giám sát 104

4.2.3 Trao đổi dữ liệu cấp điều khiển giám sát và cấp điều hành 105

4.3 XÂY DỰNG HỆ THỐNG PHẦN MỀM 106

4.3.1 Tổng quan hệ thống phần mềm 106

4.3.2 Xây dựng giao diện quản lý hệ thống 108

4.3.3 Xây dựng Server dữ liệu thời gian thực (Realtime Data Server) 109

4.3.4 Chương trình kết nối dữ liệu thời gian thực 111

4.3.5 Xây dựng hệ cơ sở dữ liệu quan hệ (Database Server) 113

4.3.6 Chương trình thu nhận hình ảnh từ Camera lối vào 116

4.3.7 Chương trình đọc vé mã vạch lối vào 118

4.3.8 Xây dựng giao diện quản lý lối vào 119

4.3.9 Chương trình điều khiển thiết bị lối vào và lối ra 121

4.3.10 Chương trình tính toán phí tự động lối ra 122

4.3.11 Chương trình giám sát, điều khiển trung tâm 124

4.3.12 Xây dựng WebServer 126

Chương 5: KẾT LUẬN 130

5.1 CÁC KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 130

5.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN 134

5.3 TÀI LIỆU THAM KHẢO 135

PHỤ LỤC 138

Danh mục các chữ viết tắt

ADO: ActiveX Data Object

ADSL: Asymmetric Digital Subscriber Line

ANSI: American National Standard Institute

ASCII: American Standard Code for Information Interchange

AS-i Actuator Sensor Interface

ASP: Active Server Page

ATM: Asynchronous Transfer Mode

CAN: Controller Area Network

COM: Component Object Model

CSDL: Cơ sở dữ liệu

CSMA/CD: Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection

DCOM: Distributed Component Object Model

DDE: Dynamic Data Exchange

DDEML: Dynamic Data Exchange Management Library

DHTML: Dynamic HyperText Markup Language

DLL: Dynamic Link Library

ERP: Enterprise Resource Planning

Ethernet: Là kiểu mạng cục bộ LAN, được chuẩn hoá trong IEEE 802.3 Fast Ethernet: Là phát triển tiếp theo của Ethernet, được chuẩn hoá trong IEEE 802.3u

FDDI: Fibre Distributed Data Interface

FDL: Fieldbus Data Link (Lớp liên kết dữ liệu ở Profibus)

FMS: Fieldbus Message Specification

FTP: File Transfer Protocol – Giao thức truyền tải tập tin

GPS: Global Position System

HMI: Human Machine Interface

HTTP: HyperText Transfer Protocol – Giao thức truyền tải siêu văn bản HTML: HyperText Markup Language

Hub: Là thiết bị dùng để kết nối mạng LAN

ID: Identify

IDL: Interface Definition language

IEC 61131-5: Chuẩn truyền thông giửa các PLC với nhau và PLC với thiết bị cấp trường

IEC 1158-2: Là chuần truyền thông của Profibus - PA

IEEE 802: Là chuẩn truyền thông cho mạng LAN

IEEE 802.3: Là chuẩn truyền thông cho mạng Ethernet

IEC/ISA DLL:International Electrotechnical Commission/ The International Society of Measurement and Control - Data Link Layer

IIS: Internet Information Service

Industrial Ethernet: Mạng Ethernet công nghiệp

IP: Internet Protocol

IPX/SPX: Internetwork Packet Exchange/Sequenced Packet Exchange (cho Foundation Fielbus

ISP: Internet Service Provider

JSP: JavaServer Pages hay Java Scripting Preprocessor

LAN: Local Area Network

LLC: Logical Link Control

MAC: Medium Access Control

MAP: Manufactoring Massage ProtocoL

MES: Manufacturing Execution Sysem

Modem: Modulator - Demodulator

MTUs: Master Terminal Unit

NetDDE: Network Dynamic Data Exchange

NTSC: National Television System Committee (USA)

ODBC: Open Database Connectivity

OLE: Object Linking and Embedding

OLE DB: Object Linking and Embedding Database

OPC: OLE for Process Control

OPC-AE: OLE for Process Control - Alarms & Events

OPC-DA: OLE for Process Control - Data Access

OPC-DX: OLE for Process Control - Data eXchange

OPC-HAD: OLE for Process Control - Historical Data Access

OPC XML-DA:OLE for Process Control - XML Data Access

OSI: Open Systems Interconnection

PAL: Phase Alternating lines (Chuẩn của châu âu và châu úc)

PC: Personal Computer

PID: Proportional Integral Derivative

PHP: Hypertext Preprocessor

PLC: Programmable Logic Controller

Profibus – DP: Decentralize Periphery – fast data exchange

Profibus – PA: Process Automation - intrinsically safe environment

Profibus – FMS: Fieldbus Message Specification - peer to peer communication Radio: Sóng Radio

RJ45: Registered Jack 45

RS232: Chuẩn truyền thông nối tiếp

RS422: Chuẩn truyền thông nối tiếp với khoảng cách và tốc độ cao hơn RS232

RS485 Chuẩn truyền thông nối tiếp truyền đa điểm chỉ dùng một đường dẫn

RTUs: Remote Terminal Units

SCADA: Supervisory Control and Data Acquisition

SDI: Single Document Interface

SOAP: Simple Object Access Protocol

SQL Server: Structured Query Language - Server

SQL: Structured Query Language

TCP: Transmission Control Protocol – Giao thức kiểm soát truyền dẫn TCP/IP: Transmission Control Protocol/Internet Protocol

TDMA: Time Division Multiple Access

TSAP: Transport Service Access Point

UDP: User Datagram Protocol – Giao thức sơ đồ dữ liệu người sử dụng USB: Universal Serial Bus

WAN: Wide Area Network

XML: Extensible Markup Language

XML-DA: Extensible Markup Language Data Access

10BASE2: Cáp đồng trục mỏng, chiều dài tối đa 200m

10BASE5: Cáp đồng trục dầy, chiều dài tối đa 500m

10BASE-T: Đôi dây xoắn, chiều dài tối đa 100m

10BASE-F: Cáp quang, chiều dài tối đa 2000m

1 Chương 1 TỔNG QUAN

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Tự động hóa đóng một vai trò hết sức to lớn trong các lĩnh vực khác nhau của

cuộc sống trên toàn thế giới cũng như tại Việt nam Có thể nói rằng hiện nay các giải

pháp tự động hoá có mặt hầu hết trong các lĩnh vực khác nhau như sản xuất công

nghiệp, viễn thông, giao thông, dân dụng, nông nghiệp, … Nhưng hiện nay tại Việt Nam

đa số các giải pháp phần cứng và phần mềm của các hệ thống tự động hoá đều được

nhập về từ các nước tiên tiến khác Để phát triển bền vững và giảm thiểu sự phụ thuộc

về công nghệ của các nước khác, chúng ta cần tiến hành nghiên cứu một cách toàn diện

về bản chất của các hệ thống tự động hoá, từ đó chúng ta có thể xây dựng và thiết kế

được các giải pháp tự động hoá tích hợp có tính khả thi cao nhằm đáp ứng nhu cầu phát

triển hiện nay tại Việt Nam

Hiện nay tại Việt Nam các loại phương tiện giao thông đang phát triển rất nhanh,

đặc biệt là các loại xe hơi tại các thành phố lớn, khi đó việc phải xây dựng các bãi đậu

xe hơi là một nhu cầu tất yếu của các cá nhân, tập thể, … như vậy một vấn đề đặt ra là

làm thế nào để đưa ra được các giải pháp ứng dụng tự động hóa nhằm quản lý các

phương tiện tại các bãi đậu xe một cách hiệu quả nhất

Nhằm giải quyết vấn đề đặt ra ở trên, học viên sẽ thực hiện việc nghiên cứu ,

phân tích bản chất hệ thống SCADA đa cấp, trên cơ sở đó ứng dụng vào việc xây dựng

một giải pháp tự động hoá tích hợp “Giải pháp hệ thống bãi đậu xe tự động” để quản lý

các loại phương tiện xe ôtô một cách hiệu quả nhất phù hợp với điều kiện quản lý và

môi trường tại Việt Nam

1.2 TÍNH CẤP THIẾT CỦA LUẬN VĂN

− Hiện nay Việt nam đang đẩy nhanh quá trình hiện đại hoá và công nghiệp hoá đất nước, đi đôi với quá trình này là việc ứng dụng mạnh mẽ các hệ thống điều khiển tự động vào trong các ngành sản xuất kinh doanh

− Có thể nói rằng do nhu cầu tất yếu là phải cải tiến, nâng cấp các hệ thống điều khiển đã cũ, cũng như đầu tư mới các hệ thống máy móc, cũng như công nghệ nhằm đáp ứng quá trình sản xuất hiện nay, nhằm tăng năng xuất, tăng chất lượng, và giảm giá thành,…chính vì vậy hiện nay các hệ thống SCADA đã, đang

và sẽ được ứng dụng rất rộng rãi trong quá trình sản xuất, kinh doanh trong các lĩnh vực khác nhau

− Do đó việc nghiên cứu bản chất hệ thống SCADA, từ đó thiết kế các giải pháp tự động hoá cho mọi lĩnh vực đang là một nhu cấp bách và không thể thiếu hiện nay tại Việt nam Một trong những lĩnh vực đang phát triển mạnh mẽ và đang rất cần ứng dụng các thành quả của điều khiển tự động đó là lĩnh vực giao thông

− Hiện tại cơ sở hạ tầng tại Việt Nam đang phát triển mạnh, và các phương tiện giao thông đặc biệt là loại xe hơi đang phát triển rất nhanh Do đó một nhu cầu khách quan là phải có các bãi đậu xe tự động trong các thành phố cũng như tại các toà nhà cao tầng để quản lý các loại xe hơi trong thời gian không hoạt động

− Hiện nay tại các nước phát triển và đang phát triển khác trên thế giới đã có rất nhiều hệ thống bãi đậu xe tự động các loại và hoạt động rất hiệu qủa

− Hiện tại ở Việt nam việc phát triển hệ thống các bãi đậu xe tự động chưa được nghiên cứu và ứng dụng, chỉ có một vài công ty bắt đầu kinh doanh các thiết bị phần cứng và phần mềm nhập về từ nước ngoài với giá rất cao

− Như vậy chúng ta phải nghiên cứu để xây dựng hệ thống các bãi đậu xe tự động phù hợp với điều kiện Việt Nam với chi phí vừa phải

− Chính vì thế học viên sẽ thực hiện việc nghiên cứu hệ thống SCADA đa cấp và

từ đó ứng dụng thiết kế hệ thống các bãi đậu xe tự động nhằm đáp ứng nhu cầu cấp thiết ở Việt nam trong hiện tại và tương lai

1.3 MỤC TIÊU CỦA LUẬN VĂN

− Nghiên cứu:

o Nghiên cứu và tìm hiểu cấu trúc hệ thống SCADA đa cấp

o Phân tích các thành phần trong hệ thống SCADA đa cấp

o Phân tích các phương thức trao đổi dữ liệu giữa các cấp của hệ thống SCADA đa cấp

− Xây dựng giải pháp hệ thống bãi đậu xe tự động

o Xây dựng cấu trúc hệ thống bãi đậu xe tự động

o Tổ chức các phương thức trao đổi dữ liệu giữa các cấp trong hệ thống

o Xây dựng giải pháp phần mềm cho hệ thống:

Phần mềm kế toán vé

Phần mềm đọc vé lối vào và lối ra

Phần mềm capture hình ảnh từ Camera

Phần mềm điều khiển các thiết bị của hệ thống

Phần mềm tính toán phí tự động tại lối ra

Phần mềm quản lý, giám sát và điều khiển trung tâm (SCADA)

Xây dựng hệ thống cơ sở dữ liệu

Giải pháp Internet

− Xây dựng mô hình kiểm chứng:

o Xây dựng cấu trúc phần cứng

o Tổ chức phương thức trao đổi dữ liệu giữa các cấp trong mô hình

o Xây dựng giải pháp phần mềm cho mô hình

Phần mềm đọc vé lối vào và lối ra

Phần mềm capture hình ảnh từ Camera

Phần mềm điều khiển các thiết bị của hệ thống

Phần mềm tính toán phí tự động tại lối ra

Phần mềm quản lý, giám sát và điều khiển trung tâm (SCADA)

Xây dựng hệ thống cơ sở dữ liệu

Xây dựng WebServer

2 Chương 2

PHÂN TÍCH HỆ THỐNG SCADA

ĐA CẤP

2.1 TỔNG QUAN HỆ THỐNG SCADA ĐA CẤP

2.1.1 Cấu trúc hệ thống SCADA đa cấp

2.1.1.1 Cấu trúc hệ thống phần cứng

Hệ thống SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) đa cấp thường

bao gồm 5 cấp có, trong đó chức năng các cấp như sau:

− Cấp chấp hành: Bao gồm các thiết bị chấp hành và các cơ cấu điều khiển

− Cấp điều khiển: Bao gồm các bộ điều khiển RTUs (Remote Terminal Unit), PLC

(Programmable Logic Controller) hay các máy tính trạm (operating stations)

− Cấp điều khiển giám sát: Các MTUs (Master Terminal Unit), PLC và các máy

tính đóng vai trò trạm trung tâm (central stations), phần mềm SCADA, dữ liệu

thời gian thực nằm ở cấp này

− Cấp điều hành sản xuất: Cấp MES (Manufacturing Execution Sysem), hệ cơ sở

dữ liệu quan hệ nằm ở cấp này

− Cấp quản lý công ty: Cấp ERP (Enterprise Resource Planning)

Cấu trúc hệ thống SCADA đa cấp có dạng như hình 2.1 vẽ sau:

Hình 2.2 Luồng thông tin trong hệ thống SCADA đa cấp

2.1.1.3 Hệ thống phần mềm

Phần mềm SCADA có 2 dạng cơ bản:

− Phần mềm độc quyền: Là do các nhà sản xuất phần cứng hay do các công ty phát triển phần mềm, họ xây dựng sẵn các phần mềm đi cùng với các phần cứng của

họ và cung cấp cho khách hàng theo dạng “chìa khóa trao tay - turnkey”

− Phần mềm mở: Do người sử dụng tự xây dựng bằng các công cụ lập trình phổ biến hay chuyên dụng:

Điều hành sản xuất (MES)

Giao diện giám sát hệ thống (MTUs)

Các thiết bị điều khiễn cục bộ (RTUs)

Các thiết bị máy móc của quá trình công nghệ

Kế hoạch sản xuất,

Yêu cầu kinh tế, …

Setup, Setpoint, thay đổi cấu hình hệ thống con

Cấp 1

Tín hiệu điều khiển

Thông tin về trạng thái quá trình,, chất lượng, quản lý thiết bị, …

Thông số quá trình điều khiển hệ thống

Thông số đo được

o Sử dụng các công cụ phần mềm lập trình phổ biến cơ bản (như C, C++, C#, VC++, VB,… và các hệ cơ sở dữ liệu như Oracle, MSSQL, SQL Server, MSACCESS, …) để xây dựng phần mềm SCADA cho hệ thống của mình

o Sử dụng các phần mềm xây dựng hệ thống SCADA chuyên dụng: hiện nay cách này được sử dụng rất phổ biến, có rất nhiều các hãng lớn như CiTechnologies, Wonderware, Advantech, Siemens, …có bán các phần mềm SCADA chuyên dụng cho khách hàng

Một số đặc điểm chính của phần mềm hệ thống SCADA:

− Giao diện người dùng (User Interface)

− Hiển thị đồ họa (Graphics displays)

− Thu thập dữ liệu (Data Acquisition)

− Các cảch báo (Alarms)

− Truy cập dữ liệu (Access to Data)

− Cơ sở dữ liệu (Database)

− Mạng máy tính (Networking)

− Báo cáo và chia sẻ thông tin (Report and Information sharing)

− Chuẩn đoán lỗi và dự phòng (Fault Diagnostic and Redundancy)

− Xử lý phân tán Client/Server (Client/Server distributed processing)

− Giám sát và điều khiển qua mạng Internet (Control & supervisory via the Internet), mạng điện thoại, radio, GPS, …

2.1.2 Chức năng, nhiệm vụ các cấp trong hệ thống SCADA đa cấp

2.1.2.1 Chức năng, nhiệm vụ của cấp chấp hành

Bao gồm các thiết bị máy móc, các cơ cấu chấp hành, như động cơ các loại, van khí nén, van thủy lực, lò nhiệt, và các cảm biến, … Nhận tín hiệu điều khiển từ các bộ điều khiển ở cấp trên, có thể là tín hiệu liên tục hay tín hiệu số Các cảm biến thu nhận trạng thái hiện tại của thiết bị, phản hồi cho các thiết bị điều khiển, các tín hiệu chuần công nghiệp (0 – 5V, 0 – 10V hay 0-20mA, 4 – 20mA, hoặc là các tín hiệu số

2.1.2.2 Chức năng, nhiệm vụ của cấp điều khiển

Chính là các RTUs, các RTUs có thể là PLC, hay là bộ điều khiển nhiệt độ, bộ điều khiển PID, bộ điều khiển tốc độ động cơ, …

Chức năng điều khiển: Các thiết bị RTU này thực chất là các bộ điều khiển dựa trên công nghệ vi xử lý và vi điều khiển, thu thập dữ liệu từ các thiết bị chấp hành thông qua các cảm biến ở cấp dưới và thực hiện các thuật toán điều khiển thiết bị theo yêu cầu, như các thuật toán PID, logíc mờ, …

Chức năng thu thập dữ liêu: Các RTU thu thập thông tin, dữ liệu từ các thiết bị của cấp chấp hành, và gửi thông tin, dữ liệu thu thập được lên cấp điều khiển giám sát

Các RTUs này còn có chức năng là nhận lệnh điều khiển từ cấp điều khiển giám sát, xử lý và điều khiển các các thiết bị cấp chấp hành Có thể mở rộng các RTUs này tạo thành một mạng RTUs

2.1.2.3 Chức năng, nhiệm vụ của cấp điều khiển giám sát

Là cấp trung tâm của hệ thống SCADA, quản lý toàn bộ hệ thống, tất cả thông tin, dữ liệu quá trình đều được thu thập, lưu trữ tại đây, và hệ thống cơ sở dữ liệu thời gian thực (realtime database) cũng nằm tại đây Cấp này bao gồm các bộ điều khiển PLC và các Máy tính, các thiết bị cấp này còn gọi chung là các MTUs Phần mềm hệ thống SCADA được cài đặt trên máy tính, quản lý giám sát toàn bộ hệ thống, xử lý, lưu trữ dữ liệu, chia sẻ dữ liệu và có chức năng điều khiển toàn bộ hệ thống thông qua các RUTs

Khả năng mở rộng: Ta có thể mở rộng cấp này theo chiều ngang nghĩa là kết nối nhiều MTUs với nhau tạo thành một hệ thống các MUTs theo chuẩn mạng công nghiệp hay mạng LAN (Ethernet, Token ring, Token Bus, …) Cấp này chứa phần mềm SCADA

2.1.2.4 Chức năng, nhiệm vụ của cấp điều hành sản xuất (MES)

MES (Manufacturing Execution Sysem) là cấp trên của cấp điều khiển giám sát,

nó là một hệ thống các máy tính nối mạng LAN, WAN

Quản lý nguồn tài nguyên của toàn bộ hệ thống, lập chương trình họat động, thu thập, lưu trữ dữ liệu (thu thập dữ liệu quá trình sản xuất từ các cấp dưới), quản lý lao động, quản lý chất lượng, quản lý quá trình, quản lý bảo dưỡng thiết bị máy móc

2.1.2.5 Chức năng, nhiệm vụ của cấp quản lý công ty (ERP)

Là cấp cao nhất trong hệ thống SCADA hiện đại, cũng bao gồm các máy tính nối mạng LAN, WAN Phân tích hoạt động kinh doanh, quản lý chiến lược phát triển, quản

lý điều hành kinh tế, quản lý điều hành tòan bộ nhà máy, quản lý nguồn nhân lực 2.2 PHÂN TÍCH CÁC CẤP TRONG HỆ THỐNG SCADA

2.2.1.2 Khái niệm bus trường, bus thiết bị

Các loại Bus được sử dụng để kết nối các thiết bị chấp hành với nhau và các thiết

bị chấp hành với các thiết bị cấp điều khiển, cũng như các thiết bị cấp điều khiển với nhau được gọi chung là Bus trường (FieldBus) Nhiệm vụ của Bus trường là chuyển dữ liệu quá trình lên cấp điều khiển để xử lý và chuyển quyết định điều khiển xuống các cơ

cấu chấp hành vì vậy yêu cầu tính năng thời gian thực được đặt lên hàng đầu, thời gian phản ứng tiêu biểu nằm trong phạm vi từ 0.1 miligiây tới vài miligiây, trong khi đó yêu cầu của lượng thông tin trong một bức điện chỉ hạn chế trong khoảng một vài Byte, chính vì vậy tốc độ truyền thường chỉ cần ở phạm vi Mbit/s Việc trao đổi thông tin về các biến quá trình chủ yếu mang tính chất định kỳ, tuần hoàn, chỉ có thông tin cảnh báo

là có tính bất thường Để đảm bảo tính năng thời gian thực một hệ thống Bus phải có những đặc điểm sau đây:

− Độ nhanh nhạy: Tốc độ truyền thông hữu ích phải đủ nhanh để đáp ứng nhu cầu trao đổi dữ liệu trong một giải pháp cụ thể

− Tính tiền định: Dự đoán trước được về thời gian phản ứng tiêu biểu và thời gian phản ứng chậm nhất với yêu cầu của từng trạm

− Độ tin cậy, kịp thời: Đảm bảo thời gian cần cho việc vận chuyển dữ liệu một cách tin cậy giữa các trạm nằm trong một khoảng xác định

− Tính bền vững: Có khả năng xử lý sự cố một cách thích hợp để không gây hại thêm cho toàn bộ hệ thống

Các loại Bus trường thường được sử dụng rộng rãi hiện nay cho cấp này là: PROFIBUS DP, PROFIBUS PA, Modbus, Foundation FieldBus, DeviceNet, Interbus-S, AS-I, CAN

2.2.1.3 Một số cấu trúc mạng tiêu biểu

Mạng PROFIBUS-DP (Decentralize Periphery):

− Xây dựng tối ưu dể kết nối các thiết bị vào ra phân tán và các thiết bị trường với các máy tính điều khiển, đáp ứng các yêu cầu cao về tính năng thời gian thực trong trao đổi dữ liệu dưới cấp trường, cấu trúc mạng Profibus-DP như hình 2.4:

PLC PLC VME/PC

Hình 2.4 - Cấu trúc mạng Profibus-DP

− Trao đổi dữ liệu này chủ yếu được thực hiện theo cơ chế chủ tớ, dịch vụ truyền thông được định nghĩa qua các chức năng DP cơ sở theo chuẩn EN 50170 Số trạm tối đa trong một mạng là 126 Profibus – DP chỉ thực hiện các lớp 1 và 2 trong mô hình OSI và sử dụng phương thức truyền thông không đồng bộ Các chuẩn truyền dẫn: RS485, RS-485-IS, và cáp quang Truy nhập bus: DP cho phép sử dụng cấu hình một trạm chủ (Mono-Master), hoặc nhiều trạm chủ (Multi-Master), sử dụng phương pháp Token-Passing và Master/Slave Dịch vụ truyền dữ liệu: thuộc 2 lớp trong mô hình OSI hay còn gọi là lớp FDL (Fieldbus Data Link)

PROFIBUS – PA (Process Automation):

− Là loại bus trường thích hợp với các hệ thống điều khiển yêu cầu cao về cháy nổ Cho phép nối mạng các thiết bị đo lường và điều khiển tự động bằng một cáp đôi dây xoắn duy nhầt, sử dụng kỹ thuật truyền dẫn MBP (Manchester code, Bus Powered) theo IEC 1158-2 Cấu trúc mạng Profibus-PA như hình 2.5 sau:

Hình 2.5 - Cấu trúc mạng Profibus-PA

− Sử dụng tốc độ truyền cố định là 31.25 Bit/s, Profibus-PA cho phép thực hiện bảo trì bảo dưỡng, thay thế trong khi vận hành Dịch vụ truyền dữ liệu: thuộc 2 lớp trong mô hình OSI (Open Systems Interconnection) hay còn gọi là lớp FDL (Fieldbus Data Link) Truy nhập bus: PA cho phép sử dụng cấu hình một trạm chủ (Mono-Master), hoặc nhiều trạm chủ (Multi-Master), sử dụng phương pháp Token-Passing và Master/Slave

Mang kết hợp Profibus – DP và Profibus – PA:

− Do có cùng dịch vụ truyền dữ liệu thuộc 2 lớp trong mô hình OSI hay còn gọi là lớp FDL (Fieldbus Data Link), nên để tích hợp các đoạn mạng DP và PA ta có thể dùng các bộ chuyển đổi (PD/PA link, DP/PA-coupler) Cấu hình ghép nối PROFIBUS-DP/PA như hình 2.6 sau:

− Hai phương tiện truyền dẫn sủ dụng là cáp điện và cáp quang, chiều dài tối đa phụ thuộc vào loại cáp Foundation Fieldbus hỗ trợ các cấu trúc mạng khác nhau như: trục – đường nhánh, daisy – chain và hình sao, cũng có thể là điểm – điểm Bên gửi và bên nhận có thể đồng bộ nhịp cho từng bức điện dựa vào chính tín

hiệu mang thông tin, vì thế chế độ truyền thông là không đồng bộ Phương pháp truy nhập bus: Kết hợp giữa Master/Slave, Token-Passing và TDMA Cấu trúc mạng Foundation FileBus như hình 2.7 sau:

PLC

ĐIỀU KHIỂN

CẤP CHẤP HÀNH

Bus điều khiển, bus hệ thống

PLC

Fieldbus I/O Hay PLC

đa đường trục là 500m, 250 kBit/s với chiều dài tối đa đường trục là 250m, 500 kBit/s chiều dài tối đa đường trục là 100m

− Mạng DeviceNet cho phép nối tối đa 64 trạm, và khác với CAN mỗi thành viên trong mạng DeviceNet được đặt một địa chỉ trong khoảng từ 0 – 63 Lớp ứng dụng của DeviceNet được xây dựng dựa trên mô hình hướng đối tượng, một thiết

bị DeviceNet được coi là một sưu tập các đối tượng đại diện các thành phần của trạm Cấu trúc mạng DeviceNet như hình 2.8 sau:

Hình 2.8 - Cấu trúc mạng DeviceNet Mạng Interbus-S

− Interbus-S là một phát triển riêng của hãng Phoenix Contact, nhưng đã nhanh chóng thành công trên cả phương diện ứng dụng và chuẩn hóa quốc tế trong IEC

61158, ưu thế của Interbus-S là khả năng kết nối mạng nhiều chủng loại thiết bị khác nhau, trong khi các đặc tính thời gian không thua các hệ thống khác, Interbus-S có thể dùng xuyên suốt trong một hệ thống điều khiển tự động phức tạp, không phụ thuộc vào mô hình phân cấp, tuy nhiên trọng tâm ứng dụng của Interbus-S nằm ở cấp chấp hành, vì vậy được xếp vào phạm trù bus cảm biến – chấp hành Tập giao thức Interbus-S được cấu trúc thành 3 lớp tương ứng với mô hình ISO/OSI, lớp vật lý, lớp liên kết dữ liệu và lớp ứng dụng

− Một hệ thống Interbus-S có cấu trúc mạnh vòng, trong mỗi thành viên đều đóng vai trò tích cực trên một đường truyền khép kín, thực chất phương pháp truy nhập bus được sử dụng là kết hợp giữa Master/Slave và TDMA, một trạm chủ duy nhất đóng vai trò kiểm soát toàn bộ hoạt động giao tiếp của cả hệ thống, còn các trạm khác được phân chia một khoảng thời gian thích hợp để trao đổi dữ liệu với trạm chủ và các trạm khác Interbus-S cho phép sử dụng cấu trúc mạnh vòng phân cấp, mạch vòng chứa trạm chủ được gọi là mạch vòng chính, từ mạch vòng chính có thề mở rộng thêm các hệ thống mạch vòng phụ qua các bộ nối đặc biệt (bus terminal module) Cách ghép nối điểm – điểm cũng như cấu trúc mạch vòng

ở Interbus-S cho phép sử dụng nhiều loại đường truyền khác nhau, như cáp đôi dây xoắn, cáp quang, hồng ngoại, … Tuy nhiên cáp đôi dây xoắn kết hợp với chuẩn truyền dẫn RS-485 được sử dụng rộng rãi hiện nay Mỗi thiết bị đóng vai

trò như một bộ lặp trên mạch vòng, làm cho chiều dài tổng cộng của một hệ thống Interbus-S lên tới 13km, số trạm tối đa có thề là 256 Interbus-S cho phép truyền dữ liệu hai chiều toàn phần, bởi một trạm vừa có thề nhận và gửi dữ liệu đồng thời (full-duplex) Cơ chế giao tiếp của Interbus-S dựa trên phương pháp truy nhập bus phân chia thời gian TDMA (Time Division Multiple Access), kết hợp với sự kiểm soát chủ / tớ Cấu trúc mạng Interbus-S như hình 2.9 sau:

PLC

Hình 2.9 - Cấu trúc mạng Interbus-S Mạng AS-i :

− Mục đích sử dụng duy nhất của AS-i là kết nối các thiết bị cảm biến và chấp hành số với cấp điều khiển, kỹ năng kỹ thuật được đặt ra cho việc kết nối các thiết bị chấp hành với nhau và thiết bị chấp hành với cấp điều khiển là, Cấu trúc mạng AS-i như hình 2.10 sau:

i không cần điện trở đầu cuối Chiều dài tổng cộng cáp truyền cho phép tối đa là

100 m, nều khoảng cách lớn phải dùng bộ lặp (repeater) hay bộ mở rộng (extender), số trạm tớ tối đa trong mạng là 31, tương ứng với tối đa 124 thiết bị (mỗi trạm tớ được ghép tối đa 4 thiết bị) Có nghĩa là thực hiện truyền 2 chiều sẽ cho phép một trạm chủ quản lý tối đa 124 kênh vào số và 124 kênh ra số, tốc độ truyền được quy định là 167 kBit/s, tương đương thời gian là 6µs Cáp truyền

AS-i qui định 2 loại cáp là cáp dẫn điện thông thường (cáp tròn), và cáp As-i đặc biệt (cáp dẹt)

2.2.2 Phân tích cấp điều khiển với cấp điều khiển giám sát (MTUs)

2.2.2.2 Khái niệm Bus hệ thống, bus điều khiển

Các hệ thống mạng được dùng để nối các bộ điều khiển với các máy tính cấp điều khiển giám sát được gọi là Bus hệ thống (System Bus) hay Bus quá trình (Process Bus) Thông qua hệ thống Bus này mà cấp điều khiền phối hợp hoạt động đồng thời trao đổi và cung cấp dữ liệu cho cấp điều giám sát, có thể gián tiếp thông qua các hệ thống quản lý cơ sở dữ liệu trên các trạm chủ, cũng như nhận mệnh lệnh, tham số điều khiển từ cấp điều khiển giám sát Thông tin không những được trao đổi theo chiều dọc mà còn theo chiều ngang, các trạm kỹ thuật, trạm thao tác, và các trạm chủ cũng trao đổi dữ liệu qua bus hệ thống Ngoài ra các máy in báo cáo và dữ liệu lưu trữ cũng được kết nối qua mạng này Đối với Bus hệ thống này tùy theo lĩnh vực ứng dụng mà đòi hỏi về tính năng thời gian thực có được đặt ra ngặt nghèo hay không Thời gian phản ứng tiêu biểu nằm trong khoảng một vài trăm miligiây, trong khi lưu lượng thông tin cần trao đổi lớn hơn nhiều so với bus trường Tốc độ truyền tiêu biểu của bus hệ thống nằm trong phạm vi từ vài trăm kBit/s đến vài Mbit/s Do yêu cầu về tốc độ truyền thông và khả năng kết nối dễ

dàng nhiều loại máy tính, các kiểu bus hệ thống thông dụng hiện nay là: Ethernet (Ethernet/IP, PROFInet, High-Speed Ethernet), Industrial Ethernet, PROFIBUS – FMS, Modbus Plus, Fieldbus Foundation’s High Speed Ethernet

2.2.2.3 Một số cấu trúc mạng tiêu biểu

Ethernet (Ethernet/IP, PROFInet, High-Speed Ethernet):

− Ethernet là một mạng LAN được sử dụng rộng rãi hiện nay cho 2 việc liên kết 2 cấp này, Ethernet chỉ là mạng cấp dưới (lớp vật lý và một phần lớp liên kết dữ liệu) vì vậy có thể sử dụng các giao thức khác nhau ở phía trên, trong đó tập giao thức TCP/IP là tập giao thức được sử dụng phổ biến nhất, tuy vậy các nhà cung cấp sản phẩm có thể thực hiện giao thức riêng hay theo một chuẩn quốc tế cho giải pháp của mình trên cơ sở Ethernet Cấu trúc cấp mậng Ethernet như hình 2.12 sau

Hình 2.12 - Cấu trúc cấp mậng Ethernet

− Kiến trúc giao thức: Của Ethernet / IEEE 802.3 trong tập chuẩn IEEE 802, lớp liên kết dữ liệu được chia thành 2 lớp con là lớp LLC (Logical Link Control) và MAC (Medium Access Control) Cấu trúc mạng, kỹ thuật truyền dẫn: Ethernet

có cấu trúc Bus, cấu trúc mạng vật lý có thể là đường thẳng hay hình sao tùy theo phương tiện truyền dẫn, có 4 loại cáp được sử dụng phổ biến đó là:

o 10BASE5 – Cáp đồng trục dầy, chiều dài tối đa 500m, số trạm tối đa 100, màu vàng, tốc độ truyền tối đa 10 Mbit/s, phương pháp truyền tải dải cơ

sở

o 10BASE2 – Cáp đồng trục mỏng, chiều dài tối đa 200m, số trạm tối đa là

30, card giao diện mạng được nối với cáp đồng trục thông qua bộ nối thụ động BNC hình chữ T

o 10BASE-T – Đôi dây xoắn, dài tối đa 100m, số trạm tối đa 1024

o 10BASE-F – Cáp quang, chiều dài tối đa 2000m, số trạm tối đa 1024 10BASE-F ghép nối duy nhất là điểm – điểm, cấu trúc mạng có thể là daisy – chain, hình sao hay hình cây

o Bộ nối gọi là vòi hút (vampire) đóng vai trò như một bộ thu phát (trasceiver), thực hiện cấu trúc bus, tuy nhiên các lỗi như đứt cáp, lỏng bộ nối khó phát hiện vì thế phương pháp tin cậy hơn là sử dụng cấu trúc hình sao với một bộ chia (Hub) hay một bộ chuyền mạch (Switch), cấu trúc này thường được áp dụng với đôi dây xoắn nhưng cũng áp dụng được với cáp đồng trục (như Industrial Ethernet)

o Trong nhiều trường hợp ta có thể phối hợp nhiều loại cáp trong một mạng Ethernet Các hệ thống theo chuẩn 802.3 sử dụng chế độ truyền đồng bộ với mã Manchester, mức tín hiệu với môi trường cáp điện là +0.85V và -0.85V, tạo mức trung hòa là 0V

− Cơ chế giao tiếp:

o Sự phổ biến có được của Ethernet là tính năng mở, thứ nhất Ethernet chỉ qui định lớp vật lý và lớp MAC, cho phép các hệ thống khác nhau tùy thực hiện các giao thức và dịch vụ phía trên Thứ 2 phương pháp truy cập bus ngẫu nhiên CSMA/CD không yêu cầu các trạm tham gia phải biết cấu hình mạng, nên có thể bổ xung hay tách một trạm ra khỏi mạng mà không ảnh hưởng đến phần mạng còn lại Thứ 3 là việc chuẩn hóa sớm trong IEEE 802.3 giúp cho các nhà cung cấp sản phẩm thực hiện dễ dàng hơn

o Trong một mạng Ethernet không kể tới bộ chia hay bộ chuyển mạch thì tất cả các trạm đều bình đẳng như nhau, mỗi trạm (module giao diện mạng, card mạng) có một địa chỉ Ethernet riêng biệt thống nhất toàn cầu, Việc giao tiếp giữa các trạm được thực hiện thông qua các giao thức phía trên như NetBUI, IPX/SPX hay TCP/IP

− Truy nhập bus: Phương pháp truy cập bus ngẫu nhiên CSMA/CD Mạng Ethernet bao gồm các loại mạng sau: Mạng LAN 802.3 chuyển mạch., Fast

Ethernet, High Speed Ethernet, Industrial Inthernet Ưu điểm của mạng Ethernet:

Là mạng tối ưu cho các thiết bị công nghiệp, hiệu quả kể cả mạng có nhiều nút

và khoảng cách lớn, truyền dữ liệu an toàn, không gây nhiễu do các thiết bị đảm bảo làm việc môi trường công nghiệp, chi phí thấp do giảm chi phí lắp đặt, hiện tại là mạng hàng đầu trên thế giới

PROFIBUS – FMS:

− PROFIBUS – FMS (Fieldbus Message Specification) được dùng chủ yếu cho việc nối mạng các thiết bị cấp điều khiển với cấp điều khiển giám sát, PROFIBUS – FMS chỉ thực hiện các lớp 1, 2 và 7, PROFIBUS – FMS sử dụng cùng một kỹ thuật truyền dẫn và phương pháp truy cập bus, vì vậy chúng cùng họat động trên một đuờng truyền vật lý duy nhất

− Truy nhập bus: Ba phương pháp được dùng là Token-Passing, Master/Slave và kết hợp Token-Passing với Master/Slave: Token-Passing: Thích hợp với các mạng FMS dùng ghép nối các thiết bị cấp điểu khiển với các máy tính giám sát đẳng quyền PROFIBUS –FMS sử dụng phương thức truyền không đồng bộ, việc đồng bộ hóa giữa bên gửi và bên nhận phải thực hiện với từng ký tự PROFIBUS –FMS cho phép thực hiện các hoạt động giao tiếp hướng đối tượng theo cơ chế Slient/Server, ý nghĩa của phương thức hướng đối tượng là quan điểm thống nhất trong giao tiếp giữ liệu, không phụ thuộc vào đặc điểm nhà sản xuất thiết bị hay của lĩnh vực ứng dụng cụ thể Cấu trúc mạng PROFIBUS – FMS như hình 2.13

Hình 2.13 - Cấu trúc mạng PROFIBUS – FMS

Modbus Plus:

− Modbus giao thức do hãng Modicon (sau này thuộc AEG và Schneider Automation) phát triển Theo mô hình ISO/OSI thì Modbus thực chất là một chuẩn giao thức và dịch vụ thuộc lớp ứng dụng vì vậy có thể thực hiện trên các

cơ chế vận chuyển cấp thấp như TCP/IP, MAP (Manufactoring Massage Protocol), và ngay cả qua đường truyền nối tiếp RS232 Modbus định nghĩa một tập hợp rộng các dịch vụ phục vụ trao đổi dữ liệu quá trình, dữ liệu điều khiển và

dữ liệu chuẩn đoán, Modbus mô tả quá trình giao tiếp giữa một bộ điều khiển với các thiết bị khác thông qua cơ chế yêu cầu / đáp ứng Đặc biệt trong các hệ thống SCADA, Modbus được sử dụng trên các đường truyền RS-232 ghép nối giữa các thiết bị dữ liệu đầu cuối (PLC, PC, RTU) với thiết bị truyền dữ liệu Modem Modbus phân chia ra hai loại mạng:

− Mạng Modbus chuẩn: Các cổng Modbus chuẩn trên các bộ điều khiển sử dụng giao diện nối tiếp RS-232C, các bộ điều khiển này có thể được nối mạng trực tiếp hay qua Modem Các trạm Modbus giao tiếp với nhau qua cơ chế chủ/tớ, trong đó chỉ thiết bị chủ có thể chủ động gửi yêu cầu, các thiết bị tớ sẽ đáp ứng bằng dữ liệu trả lại hoặc thực hiện một hành động nhất định theo như yêu cầu, các thiết bị chủ thông thường là các máy tính điều khiển trung tâm và các thiết bị lập trình, trong khi các thiếtt bị tớ có thể là PLC hay các bộ điều khiển số chuyên dùng khác Đối với mạng Modbus chuẩn các thiết bị có thể sử dụng một trong hai chế độ truyền là ASCII hay RTU, người sử dụng lựa chọn chế độ theo ý muốn cùng với các tham số truyền thông qua cổng nối tiếp như tốc độ, parity chẵn/lẻ, …, chế độ truyền cũng như các tham số phải giống nhau đối với tất cả các thành viên của một mạng Modbus

− Modbus trên các mạng khác (ví dụ TCP/IP, Modbus Plus hay MAP): Với một số mạng như Modbus Plus và MAP sử dụng Modbus là giao thức cho lớp ứng dụng, các thiết bị có thể giao tiếp theo cơ chế riêng của mạng đó, như giao tiếp điểm – điểm (peer-to-peer), mỗi bộ điều khiển đóng vai trò là chủ hay tớ trong các lần giao dịch khác nhau Đối với Modbus trên các mạng khác như Modbus Plus hay MAP thì các thông báo Modbus được đưa vào các khung theo giao thức vận chuyển/liên kết dữ liệu cụ thể

− Modbus Plus là một hệ thống bus dựa trên các giao thức Modbus, phục vụ nối mạng ở cấp trường cũng như cấp điều khiển, và sử dụng đôi dây xoắn là môi trường truyền, chiều dài cáp tối đa là 500m không cần bộ lặp, với kỹ thuật truyền dẫn RS-485, tốc độ truyền có thể lên tới 1 Mbit/s, kỹ thuật điều khiển truy nhập môi trường là Token-Passing Cấu trúc mạng ModeBus Plus như hình 2.14 sau:

Hình 2.14 - Cấu trúc mạng ModeBus Plus

2.2.3 Phân tích cấp điều khiển giám sát với cấp điều hành sản xuất

2.2.3.2 Khái niệm mạng xí nghiệp

Mạng xí nghiệp thực ra là một mạng LAN có chức năng kết nối các máy tính văn phòng thuộc cấp điều hành (MES) với cấp điều khiển giám sát Thông tin được đưa lên

từ cấp điều khiển giám sát bao gồm trạng thái làm việc của các quá trình kỹ thuật, các số liệu tính toán, thống kê về diễn biến quá trình sản xuất và chất lượng sản phẩm, … Thông tin theo chiều ngược lại là các thông số thiết kế, công thức điều khiển và mệnh lệnh điều hành, … Ngoài ra thông tin cũng được trao đổi mạnh theo chiều ngang giữa các máy tính thuộc cấp điều hành sản xuất với nhau, như hỗ trợ làm việc theo nhóm, cộng tác trong dự án hay sử dụng chung các tài nguyên nối mạng (như máy chủ, máy khách, máy in, …) Khác với các hệ thống ở cấp dưới, mạng xí nghiệp không yêu cầu nghiêm ngặt về tính năng thời gian thực

Việc trao đổi dữ liệu thường diễn ra không định kỳ, nhưng có khi với số lượng lớn tới hàng Mbyte Các loại mạng được dùng phổ biến cho cấp điều khiển giám sát và cấp điều hành sản xuất (FMS) có thể là: Ethernet, Token-Ring Ngoài ra việc truyền thông giữa cấp điều khiển giám sát với cấp điều hành sản xuất còn có thể được kết nối với nhau qua các loại mạng khác như: Internet, Radio, GPS, …

2.2.4 Phân tích cấp điều hành sản xuất (MES) với cấp quản lý công ty

(ERP)

2.2.4.1 Cấu trúc chung

Cấp điều hành sản xuất (FMS) và cấp quản lý công ty (ERP) như hình 2.16 sau:

Hình 2.16 - Cấu trúc mạng cấp MES và cấp ERP

2.2.4.2 Khái niệm mạng công ty

Mạng công ty nằm trên cùng trong mô hình phân cấp hệ thống SCADA đa cấp, đặc trưng của mạng công ty này gần với một mạng viễn thông hay một mạng máy tính diện rộng nhiều hơn trên các phương diện phạm vi và hình thức dịch vụ, phương pháp truyền thông và các yêu cầu về kỹ thuật Chức năng của mạng công ty là kết nối các máy tính văn phòng của các xí nghiệp, cung cấp các dịch vụ trao đổi thông tin nội bộ với các khách hàng như thư viện điện tử, thư điện tử, hội thảo từ xa qua điện thoại, hình ảnh, cung cấp dịch vụ truy cập Internet và thương mại điện tử, … Hình thức tổ chức ghép nối mạng cũng như các công nghệ được áp dụng rất đa dạng, tùy thuộc vào đầu tư của công ty Trong nhiều trường hợp mạng công ty và mạng xí nghiệp được thực hiện bằng một hệ thống mạng duy nhất về mặt vật lý, nhưng chia thành nhiều phạm vi và nhóm mạng làm việc riêng biệt Mạng công ty có vai trò như một đường cao tốc trong hệ thống hạ tầng cơ sở truyền thông của một công ty, vì vậy đòi hỏi tốc độ truyền thông và

độ an toàn, tin cậy

2.2.4.3 Một số cấu trúc mạng tiêu biểu

Các loại mạng được dùng phổ biến cho cấp điều khiển giám sát và cấp điều hành sản xuất (FMS) có thể là: Fast Ethernet, FDDI, ATM Ngoài ra việc truyền thông giữa cấp Điều hành sản xuất với cấp Quản lý công ty còn có thể được kết nối với nhau qua các loại mạng khác như: Internet, Radio, GPS, …

2.3 TRAO ĐỔI DỮ LIỆU TRONG HỆ THỐNG SCADA

ĐA CẤP

2.3.1 Chuẩn trao đổi dữ liệu IEC 61131-5

Mô hình giao tiếp mạng: Đối tượng của chuẩn IEC 61131-5 là các dịch vụ do các thiết bị điều khả trình PLC thực hiện, hoặc các dịch vụ các PLC có thể yêu cầu từ các thiết bị khác, thể hiện qua các hàm/khối chức năng sử dụng khi lập trình với IEC 61131-

5 Phạm vi của chuẩn này vì vậy bó hẹp ở việc giao tiếp giữa các PLC với nhau hay giữa PLC và một thiết bị khác

Dịch vụ giao tiếp: Thông tin trạng thái và chỉ thị sự cố của các thành phần

− Thiết bị điều khiển khả trình, vào/ra

Hình 2.17 - Mô hình giao tiếp mạng theo chuẩn IEC 61131

Các dịch vụ được liệt kê trong bảng 1 và bảng 2 dưới đây, tuy nhiên một PLC không nhất thiết phải cung cấp tất cả các dịch vụ này

Bảng 1: Các dịch vụ giao tiếp của PLC

STT Các dịch vụ giao tiếp cho PLC PLC

yêu cầu

PLC đáp ứng

Khối chức năng có sẵn