Nghiên cứu ứng dụng mạng thông tin trong hệ thống tự động hóa tòa nhà

Mạng truyền thông công nghiệp hay mạng công nghiệp là một khái niệm chung chỉ hệ thống mạng truyền thông số, truyền Bit nối tiếp, được sử dụng để ghép nối các thiết bị công nghiệp.. Các

bộ giáo dục và đào tạo trường đại học bách khoa hà nội

-[[ \\ -NguyễN áNH ĐOAN

NGHIấN CỨU ỨNG DỤNG MẠNG THễNG TIN TRONG HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HOÁ TOÀ NHÀ

luận văn thạc sĩ kỹ thuật

ngành : điện tử – viễn thông

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :

PGS TS NGUYỄN VĂN KHANG

LỜI CAM ĐOAN

TRONG HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HOÁ TOÀ NHÀ" là do tôi tự nghiên cứu và

hoàn thành dưới sự hướng dẫn của PGS.TS NGUYỄN VĂN KHANG

Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm về lời cam đoan này

Hà Nội, Ngày 25 tháng 03 năm 2012

Học viên

Nguyễn Ánh Đoan

MỤC LỤC Trang

Chương 1: Tổng quan về mạng truyền thông Công nghiệp và hệ SCADA 71.1 Tổng quan về mạng truyền thông công nghiệp 71.1.1 Mạng truyền thông Công nghiệp là gì? 71.1.2 Vai trò của mạng truyền thông Công nghiệp 81.1.3 Phân loại các hệ thống mạng Công nghiệp 111.2 Hệ thống điều khiển giám sát và thu nhập dữ liệu SCADA 14

1.2.2 Phân loại hệ thống SCADA 151.2.3 Cấu trúc hệ thống SCADA 161.2.4 Ứng đụng hệ SCADA ở Việt Nam 18Chương 2: Một số mạng công nghiệp tiêu biểu 202.1 Mạng công nghiệp của hãng Siemens - SIMATIC NET 20 2.1.1 Industrial Ethernet: 21

2.1.7 Các bộ chuyển tiếp mạng 302.2 Hệ thống của hãng Allen-Bradleey

2.2.2 DeviceNet 37

2.2.4 DH+ (Data Highway Plus) 41

Chương 3: Ứng dụng hệ SCADA trong hệ thống quản lý tòa nhà 42

3.1 Tổng quan về hệ thống quản lý toà nhà 42

3.1.1 Hệ thống quản lý toà nhà là gì ? 42

3.1.2.Vai trò của hệ thống quản lý toà nhà 43

3.1.3 Các lĩnh vực quản lý của hệ thống quản lý tòa nhà 43

3.1.4 Cấu trúc của hệ thống quản lý toà nhà 44

3.2 Một số mạng quản lý toà nhà tiêu biểu 46

4.1 Sơ đồ mặt bằng và yêu cầu thiết kế 59

4.2 Xây dựng mô hình quản lý dùng mạng công nghiệp của hãng

4.3 Các thiết bị được sử dụng trong hệ thống 61

4.4 Xây dựng giao diện quản lý sử dụng phần mềm WinCC 64

4.4.1 Giới thiệu về phần mềm WinCC 64

4.4.2 Xây dựng giao diện quản lý 65

DANH MỤC HÌNH VẼ TrangHình 1-1: Nối dây truyền thống (a) và nối dây công nghiệp (b) 10Hình 1-2: Mô hình phân cấp chức năng công ty sản xuất công nghiệp 11Hình 1-3: Sơ đồ bố trí các thiết bị của hệ thống SCADA tại nhà máy thủy

điện Hòa Bình

18

Hình 2-1: Mạng công nghiệp SIMATIC NET 21Hình 2-2: Kiến trúc giao tức của Profibus 25Hình 2-3: Hệ thống KNX của hãng Siemens 30Hình 2-4: Các bộ chuyển tiếp mạng giữa Profibus và AS-interface 31Hình 2-5: Các bộ chuyển tiếp mạng giữa Industrial Ethernet và Profibus 32Hình 2-6: Các bộ chuyển tiếp mạng giữa Profibus và MODBUS 32Hình 2-7: Các bộ chuyển tiếp mạng giữa Industrial Ethernet và AS-

interface

33

Hình 2-8: Các bộ chuyển tiếp mạng giữa IWLAN và Industrial Ethernet 33Hình 2-9: Mô hình truyền thông nhà sản xuất /người tiêu dùng 35Hình 2-10: Cấu trúc hình sao 36Hình 2-11: Cấu trúc đường trục/ đường nhánh 36Hình 2-12: Cấu trúc dạng vòng 36Hình 2-13: Cấu trúc mạng đường trục/ đường nhánh của DeviceNet 38Hình 2-14: Cấu trúc hình sao tích cực 41Hình 3-1: Mô hình 3 cấp của hệ thống quản lý tòa nhà 45Hình 3-2: Những giới hạn của giao thức LonWorks đơn giản 53Hình 3-3: Cấu trúc node mạng LonWorks đơn giản 54Hình 3-4: Kiến trúc giao thức BACnet 55Hình 4-1: Mô hình mạng quản lý hệ thống báo cháy và cứu hỏa 61Hình 4-2: Giao diện màn hình chào 66Hình 4-3: Giao diện màn hình hệ thống cung cấp nước

Hình 4-5: Giao diện màn hình phòng 101 (báo cháy ở cả 2 vị trí 1 và 2) 68Hình 4-6: Giao diện màn hình phòng 101 (báo cháy ở vị trí 1) 68Hình 4-7: Giao diện màn hình phòng 101 (trạng thái bình thường) 69

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

ANSI American National Standards Institute

ASHRAE American society of heating retridgeratinh and air conditioning

engineers

AS-Interface

Actuator Sensor Interface

ATM Asynchromous Transfer Mode

BAS Building Automatic System

BACnet Building Automation and Control Network

BMS Building Management System

CAN Control Area Network

CTDMA Concurrent Time Domain Multiple Access

ERP Enterprise Resource Planning

Ethernet/IP Ethernet Industrial Protocol

FDL Fieldbus Data Link

FMS Fieldbus Message Specification

HMI Human Machine Interface

HVAC Heating, Ventilating, and Air Conditioning

IE/PB Industrial Ethernet/Profibus

IP Internet Protocol

IWLAN Industrial Wireless LAN

LAN Local Area Network

LON Local Operating Network

MAC-ID Media Access Control Identifier

MES Manufacturing Excution System

PLC Programmable Logic Controlle

RTU Remote Terminal Unit

SCADA Supervisory Control And Data Acquisition

TCP Transmission Control Protocol

LỜI NểI ĐẦU Ngày nay việc xõy dựng cỏc toà nhà cao tầng làm cụng sở, trung tõm thương mại, khỏch sạn… trở nờn phổ biến, chỳng ngày càng trở nờn hiện đại, tiện nghi để phục vụ cỏc yờu cầu ngày càng cao của con người Giải phỏp kết hợp hệ thống cỏc thiết bị cơ điện sử dụng trong toà nhà với cụng nghệ tự động hoỏ nhằm đem lại khả năng tự hoạt động (hệ thống thụng giú điều hũa khụng khớ, hệ thống chiếu sỏng…)

đó khụng cũn là điều mới mẻ nữa Tuy nhiờn vấn đề đặt ra là làm sao cú thể quản lý chỳng trong một hệ thống thống nhất? Trong thời gian làm luận văn tốt nghiệp dưới

sự hướng dẫn của PGS-TS Nguyễn Văn Khang tụi đó tỡm hiểu một hệ thống mạng cụng nghiệp tiờn tiến và đang được ứng dụng nhiều ở Việt Nam hiện nay, đú là hệ thống SCADA (Hệ thống giỏm sỏt và thu thập dữ liệu), bao gồm từ tổng quan cho đến những hệ thống SCADA cụ thể của một số hóng trờn thế giới Bản thõn tụi hiện đang cụng tỏc tại Trường Cao đẳng nghề Kỹ Thuật cụng nghiệp Việt Nam - Hàn Quốc Nghệ An nờn cũng rất quan tõm đến Hệ thống giỏm sỏt và thu thập dữ liệu SCADA Chớnh vỡ vậy sau khi hoàn thành khúa cao học tại trường Đại học Bỏch

Khoa Hà Nội tụi đó chọn đề tài tốt nghiệp: “Nghiên cứu ứng dụng mạng thông tin

trong hệ thống tự động hóa tòa nhà” Mục đớch của đề tài được thể hiện rừ qua tờn

của đề tài Trong đú chỳ trọng đến tớnh năng ứng dụng hệ thống SCADA trong tũa

nhà thụng minh, đặc biệt là thiết kế một ứng dụng cụ thể: Hệ thống bỏo chỏy và cứu hỏa của tũa nhà Kiểm toỏn khu vực Bắc miền trung Cấu trỳc của luận văn gồm: Phần mở đầu; Chương 1, 2, 3 và 4; Phần kết luận; Tài liệu tham khảo

Nội dung chớnh của luận văn:

Chương 1: “Tổng quan về mạng truyền thông Công nghiệp và hệ SCADA” Chương 2: “Một số mạng Công nghiệp tiêu biểu”

Chương 3: “ Ứng dụng hệ SCADA trong hệ thống quản lý tòa nhà”

Chương 4: “Thiết kế hệ SCADA quản lý tòa nhà Kiểm toán khu vực Bắc

Trung Bộ”

Hệ thống tự động hoỏ toà nhà là một lĩnh vực mới ở Việt Nam, mặc dự đó rất

giá, lập luận còn mang tính chủ quan rất mong nhận được sự góp ý và bổ sung của các thầy cô giáo để luận văn được hoàn thiện hơn Tuy vậy, nội dung luận văn tốt nghiệp có thể làm tài liệu tham khảo cho những ai muốn tìm hiểu và nắm rõ một số vấn đề cơ bản về ứng dụng của hệ SCADA

Qua đây tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đối với PGS TS Nguyễn Văn Khang và các thầy trong Viện Điện tử - Viễn thông, gia đình cùng bạn bè đồng nghiệp đã tận tình chỉ bảo, giúp đỡ và tạo điều kiện cho tôi hoàn thành bản luận văn này

Học viên

Nguyễn Ánh Đoan

Chương 1 Tổng quan về mạng truyền thông Công nghiệp và hệ SCADA

1.1 Tổng quan về mạng truyền thông công nghiệp

1.1.1 Mạng truyền thông Công nghiệp là gì?

Sự phổ biến của các giải pháp tự động hóa sử dụng hệ thống truyền thông số

là kết quả tổng hợp của các tiến bộ trong kỹ thuật Vi điện tử, kỹ thuật máy tính, kỹ thuật thông tin và kỹ thuật tự động hóa Mạng truyền thông công nghiệp hay mạng công nghiệp là một khái niệm chung chỉ hệ thống mạng truyền thông số, truyền Bit nối tiếp, được sử dụng để ghép nối các thiết bị công nghiệp Các hệ thống truyền thông công nghiệp phổ biến hiện nay cho phép liên kết mạng ở nhiều mức khác nhau, từ các cảm biến, cơ cấu chấp hành dưới cấp trường cho tới các máy tính điều khiển, thiết bị giám sát và các máy tính cấp điều hành xí nghiệp, quản lý công ty

Nhìn một cách tổng thể, mạng công nghiệp và hệ thống mạng viễn thông có nhiều điểm tương đồng, nhưng cũng có một vài điểm khác biệt sau:

- Mạng Viễn thông có phạm vi địa lý và số lượng thành viên tham gia lớn hơn rất nhiều, nên các yêu cầu kỹ thuật (Cấu trúc mạng, tốc độ truyền thông, tính năng thời gian thực ) rất khác, cũng như các phương pháp truyền thông (truyền tải dải rộng/dải cơ sở, điều biến, dồn kênh, chuyển mạch ) thường phức tạp hơn nhiều

so với mạng công nghiệp

- Đối tượng của mạng viễn thông bao gồm cả con người và thiết bị kỹ thuật, trong đó con người đóng vai trò chủ yếu Vì vậy các thông tin cần trao đổi bao gồm

cả tiếng nói, hình ảnh, văn bản và dữ liệu Đối tượng của mạng công nghiệp thuần túy là thiết bị công nghiệp, nên dạng thông tin được quan tâm duy nhất là dữ liệu Các kỹ thuật và công nghệ được dùng trong mạng viễn thông rất phong phú, trong khi kỹ thuật truyền dữ liệu theo chế độ Bit nối tiếp là đặc trưng của mạng công nghiệp

Mạng truyền thông công nghiệp thực chất là dạng đặc biệt của mạng máy tính, so với những mạng máy tính thông thường, mạng công nghiệp có những điểm

+ Kỹ thuật truyền thông số hay truyền dữ liệu là đặc trưng chung của cả hai lĩnh vực

+ Trong nhiều trường hợp, mạng máy tính sử dụng trong công nghiệp được

coi là một phần (ở các cấp điều khiển giám sát, điều hành sản xuất và quản lý công ty) trong mô hình phân cấp của mạng công nghiệp

+ Yêu cầu về tính năng thời gian thực, độ tin cậy và khả năng tương thích trong môi trường công nghiệp của mạng truyền thông công nghiệp cao hơn so với mạng máy tính thông thường đòi hỏi cao hơn về độ bảo mật

+ Mạng máy tính có phạm vi trải rộng rất khác nhau, chẳng hạn: Có thể nhỏ như mạng LAN cho một nhóm vài máy tính, hoặc rất lớn như mạng Internet Trong nhiều trường hợp, mạng máy tính gián tiếp sử dụng dịch vụ truyền dữ liệu của mạng viễn thông Trong khi đó cho đến nay các hệ thống mạng công nghiệp có tính chất độc lập, phạm vi hoạt động tương đối hẹp

Sự khác nhau trong phạm vi và mục đích sử dụng giữa các hệ thống mạng truyền thông công nghiệp với các hệ thống mạng viễn thông và mạng máy tính dẫn đến sự khác nhau trong các yêu cầu về mặt kỹ thuật cũng như kinh tế Ví dụ: Do yêu cầu kết nối nhiều nền máy tính khác nhau và cho nhiều phạm vi ứng dụng khác nhau, kiến trúc giao thức của các mạng máy tính phổ thông thường phức tạp hơn so với kiến trúc giao thức của các mạng công nghiệp Đối với các hệ thống truyền thông công nghiệp, đặc biệt là ở các cấp dưới thì các yêu cầu về tính năng thời gian thực, khả năng thực hiện đơn giản, giá thành hạ lại luôn được đặt lên hàng đầu

1.1.2 Vai trò của mạng truyền thông Công nghiệp

Ghép nối thiết bị, trao đổi thông tin là một trong những vấn đề cơ bản trong bất cứ một giải pháp tự động hoá nào Một bộ điều khiển cần được ghép nối với các cảm biến và cơ cấu chấp hành, giữa các bộ điều khiển trong một hệ thống điều khiển phân tán cũng cần trao đổi thông tin với nhau để phối hợp thực hiện điều khiển cả quá trình sản xuất ở một cấp cao hơn, các trạm vận hành trong trung tâm điều khiển cũng cần được ghép nối và giao tiếp với các bộ điều khiển để có thể theo

a b

Hình 1-1: Nối dây truyền thống (a) và nối mạng công nghiệp (b)

Mạng truyền thông công nghiệp hiện đại sử dụng công nghệ BUS thường thay đổi cho cách nối điểm - điểm cổ điển đã mang lại những lợi ích to lớn:

+ Đơn giản hoá cấu trúc liên kết giữa các thiết bị công nghiệp: Một số lượng lớn các thiết bị thuộc các chủng loại khác nhau được ghép nối với nhau thông qua một đường truyền duy nhất

+ Tiết kiệm dây nối và công thiết kế, lắp đặt hệ thống: Nhờ cấu trúc đơn giản, việc thiết kế hệ thống trở nên dễ dàng hơn nhiều Một số lượng lớn cáp truyền được thay thế bằng một đường duy nhất, giảm chi phí đáng kể cho nguyên vật liệu và công lắp đặt

+ Nâng cao độ tin cậy và độ chính xác của thông tin: Khi dùng phương pháp truyền tín hiệu tương tự cổ điển, tác động của nhiễu dễ làm thay đổi nội dung thông tin mà các thiết bị không có cách nào nhận biết Nhờ kỹ thuật truyền thông số, không những thông tin truyền thông khó bị sai lệch hơn, mà các thiết bị nối mạng

có thêm khả năng tự phát hiện lỗi và chẩn đoán lỗi nếu có Hơn thế nữa, việc bỏ qua nhiều lần chuyển đổi qua lại tương tự - số và số - tương tự nâng cao độ chính xác của thông tin

+ Nâng cao độ linh hoạt, tính năng mở của hệ thống: Một hệ thống mạng chuẩn hoá Quốc tế tạo điều kiện cho việc sử dụng các thiết bị của nhiều hãng khác

1.1.3 Phân loại các hệ thống mạng Công nghiệp

Để sắp xếp, phân loại và phân tích các đặc trưng của hệ thống mạng truyền thông công nghiệp, ta dựa vào mô hình phân cấp quen thuộc cho các công ty, xí nghiệp sản xuất Với loại mô hình này, các chức năng được phân chia thành nhiều cấp khác nhau(như ở hình 2) Hệ thống điều khiển trong công nghiệp có thể chia thành 5 cấp như sau:

Hình 1-2: Mô hình phân cấp chức năng công ty sản xuất công nghiệp Càng ở cấp dưới thì các chức năng càng mang tính chất cơ bản hơn và 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, tuy 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 Thông thường, người ta chỉ coi ba cấp dưới thuộc phạm vi của một hệ thống điểu khiển và giám sát Tuy nhiên, biểu thị hai cấp trên cùng (quản lý công ty và điều hành sản xuất) giúp ta hiểu thêm mô hình lý tưởng về cấu trúc chức năng tổng thể cho các công ty sản xuất công nghiệp

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

cho việc thực hiện đo lường/ truyền động được chính xác và nhanh nhạy Các thiết

bị trường thông minh cũng có thể đảm nhận việc xử lý thô thông tin trước khi đưa lên cấp điều khiển

- 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 Khi còn điều khiển thủ công, thì các nhiệm vụ đó được các người đứng máy thao tác trực tiếp đảm nhận qua việc theo dõi các thiết bị

đo lường, sử dụng kiến thức và kinh nghiệm để thực hiện những thao tác cần thiết như: Đóng mở van, bấm nút, điều chỉnh cần gạt, núm xoay Trong một hệ thống điều khiển tự động hiện đại những nhiệm vụ đó được thực hiện thông qua điều khiển bằng máy tính

- Cấp điều khiển giám sát: Có chức năng giám sát và vận hành một quá trình

kỹ thuật Khi đa số các chức năng như đo lường, điều khiển, điều chỉnh, bảo toàn hệ thống được các cấp dưới thực hiện, thì nhiềm 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 cấp dưới cấp điều khiển giám sát không đòi hỏi phương tiện đặc biệt, thiết

bị phần cứng đặc biệt ngoài các máy tính thông thường (máy tính cá nhân, máy trạm, máy chủ, terminal ) Việc phân cấp chức năng sẽ tiện lợi cho việc thiết kế hệ thống

và lựa chọn thiết bị

- Cấp điều hành sản xuất: Nhiệm vụ của cấp điều hành sản xuất là nhận các

thông tin về trạng thái làm việc của các quá trình kỹ thuật, các giàn máy, cũng như của hệ thống điều khiển tự động, các số liệu tính toán, thống kê về diễn biến quá trình sản xuất và chất lượng sản phẩm Đồng thời cấp điều hành sản xuất có nhiệm

vụ xử lý các số liệu, lập kế hoạch sản xuất, ra quyết định bảo dưỡng máy móc, tối

ưu hoá sản xuất và đưa các thông tin về các thông số thiết kế, công thức điều khiển,

chức năng là trao đổi thông tin với cấp quản lý công ty Cấp điều hành sản xuất bao gồm các máy tính văn phòng nối mạng cục bộ với nhau

- Cấp quản lý công ty: Cấp quản lý công ty là cấp trên cùng trong mô hình

phân cấp hệ thống Nhiệm vụ của cấp này trao đổi thông tin giữa công ty và khách hàng thông qua thư điện tử, hội thảo từ xa, dịch vụ truy cập Internet và thương mại điện tử Cấp quản lý công ty còn có nhiệm vụ tính toán giá thành, kế hoạch sản xuất, thống kê tài nguyên, xử lý đơn đặt hàng

Để kết nối các thành phần trong hệ thống với nhau ta sử dụng các hệ thống bus

- Bus trường: Là các hệ thống bus nối tiếp, 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, hay các thiết bị trường Đặc trưng cơ bản của bus trường là tính năng thời gian thực phải cao, yêu cầu về lượng thông tin thì không cao Các hệ thống bus trường thường sử dụng là: Profibus, ControlNet, Modbus, Foundation Fieldbus, DeviceNet, AS-i, EIB

- Bus hệ thống, Bus quá trình: Dùng để kết nối các máy tính điều khiển và các

máy tính trên cấp điều khiển giám sát với nhau Qua bus hệ thống các máy tính điều khiển có thể phối hợp hoạt động, cung cấp dữ liệu quá trình cho trạm kỹ thuật và trạm quan sát Đối với Bus hệ thống, tuỳ theo lĩnh vực ứng dụng mà đòi hỏi về tính năng thời gian thực có được đặt ra một cách ngặt nghèo hay không Thời gian phản ứng thông thường trong khoảng vài trăm miligiây Trong khi đó lưu lượng thông tin lớn hơn nhiều so với bus trường Các hệ thống bus trường tiêu biểu: Ethernet, Industrial Ethernet, Profibus-FMS, Fieldbus Foundation’s High Speed Ethernet

- Mạng xí nghiệp: Là một mạng LAN bình thường, có chức năng kết nối các

máy tính văn phòng thuộc cấp điều hành sản xuất với cấp điều khiển giám sát Mạng xí nghiệp không yêu cầu nghiêm ngặt về tính năng thời gian thực Việc trao đổi dữ liệu diễn ra không định kỳ, nhưng có khi với số lượng lớn tới hàng Mbyte Hai loại mạng chủ yếu được dùng là Ethernet và Token-Ring trên cơ sở các giao thức chuẩn như TCP/IP và IPX/SPX

- Mạng công ty: Đặc trưng của mạng công ty là gần với một mạng viễn thông

hoặc 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.Mạng công ty thường sử dụng các loại mạng có tốc độ truyền thông và độ an toàn tin cậy đặc biệt cao, chẳng hạn như: Fast Ethernet, FDDI, ATM

Mô hình phân cấp chức năng sẽ tiện lợi cho việc điều khiển hệ thống và lựa chọn thiết bị Trong thực tế ứng dụng, sự phân cấp chức năng có thể khác nhau một chút so với trình bày ở đây, tùy thuộc vào mức độ tự động hóa và cấu trúc của hệ thống cụ thể Trong những trường hợp ứng dụng đơn giản như điều khiển trang thiết

bị dân dụng ( máy giặt, máy lạnh, điều hòa độ ẩm ), sự phân chia nhiều cấp có thể hoàn toàn không cần thiết Ngược lại, trong tự động hóa một nhà máy lớn hiện đại như diện nguyên tử, sản xuất xi măng, lọc dầu, ta có thể chia nhỏ hơn nữa các cấp chức năng để tiện theo dõi

1.2 Hệ thống điều khiển giám sát và thu nhập dữ liệu - SCADA

1.2.1 SCADA là gì?

SCADA- Supervisory Control And Data Acquisition là một hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu, nói cách khác là một hệ thống hỗ trợ con người trong giám sát và điều khiển từ xa, ở cấp cao hơn hệ điều khiển tự động thông thường, phục vụ công tác quản lý, vận hành hệ thống

Nếu nhìn nhận SCADA theo quan điểm truyền thống thì nó là một hệ thống mạng và thiết bị có nhiệm vụ thuần túy là thu thập dữ liệu từ các trạm ở xa và truyền tải về các khu vực trung tâm để xử lý Trong các hệ thống như vậy thì các hệ truyền thông và phần cứng được đặt lên hàng đầu và cần sự quan tâm nhiều hơn Trong những năm gần đây, sự tiến bộ vượt bậc của công nghệ truyền thông công nghiệp và công nghệ phần mềm trong công nghiệp đã đem lại nhiều khả năng và giải pháp mới nên trọng tâm của công việc thiết kế xây dựng xây dựng hệ thống SCADA là lựa chọn công cụ phần mềm thiết kế giao diện và các giải pháp tích hợp

hệ thống

Đây là hệ thống đơn giản không có bộ phận giám sát Nhiệm vụ chủ yếu của

hệ thống này là thu thập và xử lý dữ liệu bằng đồ thị Do tính đơn giản iiêri hệ thống có giá thành thấp

- Hệ thống SCADA xử lý đồ hoạ thông tin thời gian thực:

SCADA có khả năng giám sát và thu thập dữ liệu Nhờ tập tin cấu hình của

máy đây là hệ thống khai báo trước đấy mà hệ thống có khả năng mô phỏng tiến

trình hoạt động của hệ thống sản xuất Tập tin cấu hình ghi lại trạng thái hoạt động của hệ thống Khi xảy ra sự cố, hệ thống có thể báo cho người vận hành để xử lý kịp thời, hoặc phát tín hiệu điều khiển ngừng hoạt động của tất cả các máy móc

- Hệ thống SCADA độc lập:

Đây là hệ thống có khả năng giám sát và thu thập dữ liệu với một bộ vi xử lý

Hệ này chỉ có thể điều khỉển một hoặc hai máy móc, vì vậy nên chỉ phù hợp với những sản xuất nhỏ, sản xuất chi tịết

- Hệ thống SCADA mạng:

Đây là hệ thống có khả năng giám sát và thu thập dữ liệu với nhiều bộ vi xử

lý Các máy tính giám sát được nổi mạng với nhau Hệ này có khả năng điều khiển được nhiều nhóm máy móc tạo nên dây chuyền sản xuất Qua mạng truyền thông,

hệ thống được kết nối với phòng quản lý, phòng điều khiển, có thể nhận quyết định điều khiển trực tiếp từ phòng quản lý hoặc từ phòng thiểt kế Trong quá trình vận hành hệ thống, người điều khiển có thể ngồi trong phòng điều khiển để vận hành

1.2.3 Cấu trúc hệ thống SCADA

Một hệ thống SCADA đơn giản bao gồm ba thành phần:

- Các máy tính ở phòng điều khiển trung tâm

- Các bộ thu thập dữ liệu (RTU, PLC, controller.,.)

- Các thiết bị truyền tin

Các máy tính ở phòng điều khiển trung tâm được chia làm hai loại:

+ SCADA Server: là máy Server của hệ thống SCADA ở trung tâm thường được nối với các RTU hay các PLC Trong cấu trúc phần mềm, máy chủ này có chức năng thu thập, chia sẻ dữ liệu vói các máy Client thông qua mạng Ethernet và gửi mệnh lệnh từ các Client trực tiếp tới eác bộ điều khiển Vì vậy trên các máy Server thường được cài đặt các phần mềm phát triển thiết lập cấu hình truyền thông

để kết nối với thiết bị hiện trường

+ SCADA Client: Gồm các máy tính công nghiệp được nối với máy Server thông qua mạng Ethernet Các máy tính này được cải các phần mềm giao diện người máy (HMI - Human Machine Interface) kết nối với dữ liệu của Server để hiển thị hoặc điều khiển, tức là các máy Client này sẽ thu thập các trạng thái và điều khiển các bộ Controller gián tiếp thông qua máy Serve Mối quan hệ giữa Client và Server do các kỹ sư lập trình thiết lập, tuỳ thuộc vào từng loại phần mềm công nghiệp được sử dụng

Các bộ điều khiển thông tin với các thiết bị trường và các cơ cấu chấ hành Những bộ điều khiển này có thể có một vài hay tất cả những chức năng sau:

+ Nhận thông tin từ các thiết bị trường (thông tin về quá trình vận hành độ

Các bộ điều khiển thường là PLC (Programmable Logic Controlle hay RTU (Remote Terminal Unit)

RTU được định nghĩa là thiết bị được điều khiển bàng bộ vi xử lý, có khả năng xử lý các đầu ra và đầu vào theo thời gian thực, thu thập dữ liệu \ báo động, báo cáo về SCADA Server và thi hành các mệnh lệnh từ SCADA Server đưa xuống

Những hệ thống SCADA truyền thống thường sử dụng RTU Nhưng ngày nay, các nhà tích hợp hệ thống đã sử dụng PLC thay cho RTU trong nhiều hệ thống SCADA

Các RTU hay PLC được nối với các đầu vào/ra tại các trạm Các đầu vào qua RTU hay PLC cho thiết bị SCADA ở phòng điều khiển trung tâm biết trạng thái của

hệ thống tại hiện trường Thiết bị SCADA có thể điều khiển hệ thống bằng cách thao tác các đầu ra, cũng thông qua RTU hay PLC

Ngoài các thiết bị trên, một thành phần rất quan trọng trong hệ thống

SCADA là các thiết bị truyền tin Nó liện quan đến sự ổn định và tính chính xác của

hệ thống Vì vậy, một hệ truyền tin được chọn trong một hệ thống SCADA phải thoả mãn các tiêu chuẩn như dải tốc độ truyền, giao thức truyền thông, phương thức truyền… Hệ thống truyền thông được chọn phải tương thích với các thiết bị trường

và máy chủ Tuỳ từng trường hợp cụ thể, người thiết kế hệ thống có thể sử đụng các thiết bị truyền tin khác nhau

Các thiết bị thông tin gần: truyền tin giữa các bộ điều khiển và các thiết bị trường và các cơ cấu chấp hành Trường hợp này thường sử dụng cáp hoặc kết nối không dây

Các thiết bị thông tin xa: có nhiệm vụ thông tin giữa các bộ điều khiển và máy chủ Hình thức thông tin này thường trải dài hàng trăm mét hoặc hom nữa, do

đó thường sử dụng đường truyền điện thoại, thông tin vệ tinh, sóng vi ba hoặc sử dụng công nghệ Frame delay

1.2.4 Ứng đụng hệ SCADA ở Việt Nam

Hệ thống SCADA tại nhà máy thuỷ điện Hoà Bình

Những thông tin về trạng thái, tình trạng các thiết bị tại các nhà máy và tổ máy thuỷ điện được thụ thập nhờ những thiết bị ở cấp trường Sau đó, những thông tin về điện áp (U), dòng điện (I), tần số (f) các đại lượng công suất (P) được biến đổi về dạng tín hiệu để chuyển lên các tủ IC Các tủ IC thực chất là các tủ trung gian, bên trong gồm các kẹp, các bộ biến đổi P, Q, U, I, F, các rơle trung gian lặp lại các lệnh điều khiển từ xa Các mạch dòng, mạch điện áp và các mạch logic từ tất cả các thiết bị của nhà máy thuỷ điện Hoà Bình đưa đến các tủ trung gian này Tín hiệu

từ các tủ IC dưới dạng mã và dạng logic được đưa sang các tủ RTU

Thực chất, tủ RTU là một máy tính, có các đầu vào AI và DI Cá thông tin được RTU xử lý, chế biến và gửi về trung tâm điều độ quốc gia qua Modem và hệ thống Viba số đặt tại trạm 500 kv nhà máy thủy điện Hoà Bình

Hình 1-3: Sơ đồ bố trí các thiết bị của hệ thống SCADA tại nhà máy thuỷ điện Hoà Bình

Modem

Modem

Với hệ thống SCADA này, các máy tính đã được nối mạng trong ngành nếu được nạp phần mềm tương ứng đều có thể truy cập từ xa để xem các sơ đồ nối điện chính, các tham số vận hành, tình trạng và trạng thái thiết bị của các nhà máy điện

và các trạm điện

Tuy nhiên, hệ thống SCADA hiện tại sẽ không thể đáp ứng những yêu cầu vận hành hệ thống trong tương lai Hệ thống SCADA mới sẽ phải thu thập rất nhiều thông tin cụ thể cho mỗi một đối tượng, có tốc độ xử lý dữ liệu cực nhanh và chính xác, đáp ứng yêu cầu thời gian thực thì các mạch điều khiển, chẳng hạn như đóng cắt các máy cắt, đóng cắt các dao cách ly, khởi động hay dừng các tổ máy phát điện, tăng giảm công suất vô công, hữu công mới có thể đưa vào sử dụng được Để làm được việc này, cần phải có chiến lược lớn trong việc thiết lập hệ thống SCADA bao gồm:

- Nâng cấp và thiết lập lại mạng lưới truyền thông trong ngành điện, đảm bảo đường truyền tín hiệu cho SCADA

- Thay thế và nâng cấp các tủ IC vả RTU bằng thiết bị hiện đại nhất thế giới

ở thời điểm hiện tại Thiết kế bổ xung thu thập lượng thông tin về các thiết bị tại các nhà máy và các trạm thật chi tiết, tỉ mỉ để từ xa có thể nắm bắt được thiết bị tại chỗ

- Đào tạo nguồn nhân lực quản lý thiết bị này có trình độ chuyên môn cao

(theo tạp chí TĐHNN)

Chương 2 Một số mạng công nghiệp tiêu biểu

Sau khi đã tìm hiểu về tổng quan của mạng công nghiệp cũng như hệ thống SCADA, trong chương này, chúng ta sẽ cùng tìm hiểu một số hệ SCADA của các hãng nổi tiếng trên thế giới bao gồm: Hệ SCADA của hãng Siemens và hệ SCADA của hãng Allen-Bradley

2.1 Mạng công nghiệp của hãng Siemens - SIMATIC NET

Trong lĩnh vực mạng truyềh thông công nghiệp, Siemens là một nh chuyên cung cấp các giải pháp mạng công nghiệp trên thế giới Một giải phá mạng hoàn hảo bao gồm:

+ Hệ thống bus với:

- Các thiết bị mạng thụ động, ví dụ như cáp

- Các thiết bị mạng chủ động, ví dụ như switch

+ Giao diện kết nối các thiết bị vào hệ thống bus

- Những giao diện tích hợp

- Giao tiếp với các bộ xử lý

+ Các thiết bị chuyển đổi mạng (Network Transition)

+ Phần mềm để cấu hình mạng

+ Các công cụ để bảo trì và chẩn đoán

SIMATIC NET cung cấp tất cả các thành phần cần thiết để xây dựr nên một giải pháp hệ thống hoàn hảo và đề xuất sử dụng những hệ thống bus sau:

+ Industrial Ethernet (IEEE 802.3 và 802.3u) là tiêu chuẩn quốc tế trong Iĩnh vực mạng Hiện nay, Industrial Ethernet là sự lựa chọn hàng đầu với các nhà thiết

kế mạng công nghiệp, chiếm tới hơn 80% thị phần Industrial Ethernet phù hợp với những mạng truyền thông khoảng cách xa

+ Profinet: là sự phát triển của Industrial Ethernet trong lĩnh vực tự động hoá công nghiệp

+ Profibus (IEC 61158/EN 50170): là chuẩn quốc tế cho cấp trường

+ AS-Interface (IEC 62026/EN 50295): Kết nối các cảm biến và cơ cấu chấp hành thông qua cáp xoắn đôi

+ KNX/IB (EN 50090, ANSI EIA 776): Sử dụng trong các toà nhà thông minh

Hình 2-1: Mạng công nghiệp SIMATIC NET

trong công nghiệp hay trong các quá trình tự động Chiếm tới hơn 80% thị phần, hiện tại Ethernet lả sự lựa chọn hàng đầu trong việc thiết kế các mạng LAN, những

ưu điểm của Ethernet chính là nguyên nhân dẫn tới thành công của nó:

- Các thiết bị dễ dàng được đưa vào hoạt động do công nghệ kết nối đơn giản

- Dễ dàng mở rộng hệ thống mà không gây ảnh hưởng tới những phần còn lại

- Khả năng truyền thông gần như không hạn chế nhờ công nghệ chuyển mạch

và tốc độ truyền dữ liệu cao

- Có thể sử dụng với nhiều dạng ứng dụng như ứng dụng trong văn phòng hay trong sản xuất

- Có thể truyền thông với những khoảng cách xa nhờ sự kết hợp của mạng, diện rộng (WAN-Wide Area Network) như ISDN hay Internet

- Lưu trữ dữ liệu cho mạng LAN không dây công nghiệp (IWLAN-Industrial Wireless LAN)

- SIMATIC NET sử dụng công nghệ đáng tin và đã được kiểm chứng này Tuy nhiên, để sử dụng công nghệ Ethernet trong môi trường công nghiệp, SIMATIC NET cũng đã có những cải tiến với công nghệ Ethernet truyền thống

- Cải tiến các thiết bị mạng để có thể sử dụng trong môi trường công nghiệp

- Bộ phận lắp ráp cáp ngay trên mặt bầng sản xuất sử dụng hệ thống nối cáp kết nối nhanh (FastConnect) với công nghệ RJ 45

- Dễ dàng mở rộng hệ thống nhờ các đầu chờ sẵn có

- Điều khiển liên tục các thiết bị mạng nhờ phương thức truyền tin đơn giải nhưng hiệu quả Các thiết bị mạng hướng tới tương lai với thế hệ mới SCALANCEX

Những công nghệ mới khi được ứng dụng trong công nghệ Inđustria Ethernet

có thể làm tăng hiệu quả hoạt động của hệ thống:

Fast Ethernet với tốc độ truyền đữ liệu 100 Mbit/s nhờ đó thời gian truyền đữ liệu sẽ được thu ngắn

Gigabit Ethernet với tốc độ truyền dữ liệu 1 Gbit/s: so với Fast Ethernet, tốc

độ truyền dữ liệu cùa Gigabit Ethernet nhanh gấp 10 lần, do đó thời gian truyền dữ liệu chỉ bằng 1/10

Chế độ truyền song công ngăn chặn xung đột (FulI-Duplex excludes collisions): Dữ liệu có thể được gửi và nhận một cách đồng thời giữa 2 trạm Nhờ

đó, tốc độ truyền dữ liệu thông qua kết nối song công có thể lên 200 Mbit/s với Fast

Ethernet và 2 Gbit/s với Gigabit Ethernet

Switching cho phép truyền thông song song: việc chia mạng thảnh nhiều

phân đoạn bằng switch có thể làm giảm sự tải của mạng Lưu lượng dữ liệu trong mỗi phân đoạn không phụ thuộc vào lưu lượng của các phân đoạn khác, nhờ đó, nhiều frame có thể được truyền trong cùng một thời điểm, qua đó giúp nâng cao

hiệu suất của hệ thống

Autosensing là thuật ngữ được sử dụng cho các Node mạng (các thiết bị đầu cuối và các linh kiện mạng) có khả năng tự động phát hiện tốc độ truyền của tín hiệu (10 Mbit/s, 100 Mbit/s hay 1 Gbit/s) và cung cấp khả năng tự dàn xếp

Hệ thống cáp Gigabit: Hệ thống cáp nối FastConnect 8 dây của SIMATIC NET đảm bảo rằng tốc độ truyền dữ liệu 1 Gbit/s là hoàn toàn có thể thực hiện được

2.1.2 Profinet

Profinet là sự phát triển của chuẩn Industrial Ethernet (IEC 61158) trong lĩnh vực tự động hoá công nghiệp

Profmet cho phép kết nối các thiết bị từ cấp trường lên cấp quản lý

Profinet cho phép tích hợp những hệ thống bus trường đang có Một thiết bị đa nhỉệm được sử dụng để thực hiện nhiệm vụ này một mặt nó là bộ phận chủ (master) của hệ thống Profibus hay AS- Interface, mặt khác nó lại là một trạm (station) của Industrial Ethernet để thông tin với Profinet Profinet cho phép các thiết bị trường phân tán kết nối thẳng với Industrial Ethernet Những module đang có, có thể được

2.1.3 Thiết bị thông tin đi động công nghiệp (Industrial Mobile communication )

Chìa khoá của thành công trong tương lai nằm ở khả năng cung cấp thông tin

vả truy nhập vào hệ thống không phụ thuộc vào thời gian và địa điểm Hiện nay, với những thiết bị di động kết nối thông qua mạng không dây (Wireless LAN), điều này

là hoàn toàn có thể thực hiện được Ưu điểm chính của phương pháp kết nối không dây này là tính dễ dàng và linh hoạt Phương pháp này dựa trên những phương pháp kết nối không dây như GPRS, GSM, IEEE 802.11, hay trong tương lai là UMTS

SCALANCE W - truyền thông không dây

Những sản phẩm SCALANCE W cung cấp một sự kết hợp của tírih tin cậy, đơn giản và bảo mật ừong một sản phẩm

Sự mở rộng của chuẩn IEEE 802.11 đã dẫn đến sự ra đời của hệ thống mạng LAN không dây công nghiệp (Industrial Wireless LAN) Đây là lần đầu tiên, người

sử dụng cỏ thể có một hệ thống mạng không dây có thể sử dụng cho những dữ liệu quá trình quan trọng (như tín hiệu cảnh báo) hay là phương thức truyền thông không dây tiêu chuẩn như dịch vụ và chấn đoán Các thiết bị SCALANCE W cung cấp một giải pháp di động cho các ứng dụng mới ở cấp trường

2.1.4 Profibus

Profibus (Process Field Bus) là một hệ thống bus trường được phát triển tại Đức từ năm 1987 Sau khi được

chuẩn hoá quốc gia với DIN 19245, Profibus đã trở

hành chuẩn châu Âu EN 50 170 trong năm 1996 và chuẩn quốc tế IEC 61158 vào cuối năm 1999 Bên cạnh đó, Profibus còn được đưa vào trong chuẩn IEC 61784 - một chuẩn mở rộng trên cơ sở IEC 61158 cho các hệ thống sản xuất công nghiệp Với sự ra đời của các chuẩn mới 1EC 61158 và IEC 61784 cũng như các phát triển mới gân đây, Profibus không chỉ dừng lại là một hệ thống truyền thông, mà còn được coi là một công nghệ tự động hoá

Profibus định nghĩa các đặc tính của một hệ thống bus cho phép kết nổi

nhiều thiết bị khác nhau, từ các thiết bị trường cho tớỉ vào / ra phân tán, các thiết bị

điều khiển và giám sát Profibus định nghĩa ba loại giao thức: Profibus-FMS,

Profibus-DP và Profibus-PA FMS là giao thức nguyên bản của Profibus, được

dùng chủ yếu cho việc giao tiếp giữa các máy tính điều khiển và điều khiển giám

sát Năm 1993, DP - một giao thức đơn giản và nhanh hơn nhiều so với FMS - ra

đời Profibus DP được xây dựng tối ưu cho việc kết nối các thiết bị vào / ra phân tán

và các thiết bị trường với các máy tính điều khiển Profibus-FMS và Profibus-DP

lúc đầu được sử đụng phổ biến trong các ngành công nghiệp chế tạo, lắp ráp Tuy

nhiên, gần đấy vai trò của FMS ngày càng mờ nhạt do sự cạnh tranh của các hệ dựa

trên nền Etheme (Ethernet/IP, PROFINet, High-Speed Ethernet ) Trong khi đó,

phạm vi ứng dụng của ProfIbus-DP ngày càng lan rộng sang nhiều lĩnh vực khác

Profibu; PA là kiểu đặc biệt được sử dụng để ghép nối trực tiếp các thiết bị trườnị

trong các lĩnh vực tự động hoá các quả trình có môi trường dễ cháy nổ, đặt biệt là

trong công nghiệp chế biển

Lớp 7

Fieldbus message Specification(FMS) Không thể hiện

LỚP 3-6

LỚP 2 Fiedbuas data link (FDL)

Lớp 1 RS-485/RS-485IS/CAP QUANG MBP(IEC 1158-2)

So với mô hình quy chiếu OSI, Profibus chỉ thể hiện các lớp 1, lớp 2 và lớp

7 Tuy nhiên, Profìbus-DP và -PA còn bỏ qua cả lóp 7 nhằm tối ưu hơn việc trao đổi

dữ liệu quá trình giữa cấp điều khiển  và cấp chấp hành Một Số  chức năng còn thiếu

được bổ xung qua lớp giao điện sử dụng nằm trên lớp 7

Cả ba giao thức FMS, DP, PA đều có chung lóp liên kết dữ liệu (lớp FDL) Profìbus-PA có cùng giao điện sử dụng như DP, nhưng tính năng của các thiết bị được quy định khác nhằm phù hợp với môi trường làm việc dễ cháy nổễ Kỹ thuật truyền dẫn MBP (Manchester code, Bus Powered) theo IEC 1158-2 cũ được áp dụng nhằm đảm bảo vấn đề an toàn và cung cấp nguồn cho các thiết bị qua cùng dây dẫn bus

Lớp ứng dụng của FMS bao gồm 2 lớp con FMS (Fieldbus Message Specification) và LLI (Lower Layer Interface) Lớp FMS đảm nhiệm việc xử lý giao thức sử dụng và cung cấp các dịch vụ truyền thông Trong khi LLI có vai trò trung gian cho FMS kết nối với lớp 2 mà không phụ thuộc vào các thiết bị riêng biệt Lớp LLI còn có nhiệm vụ thực hiện các chức năng bình thường thuộc các lớp 3

- 6, ví dụ tạo và ngắt nối, kiểm soát lưu thông Profibus-FMS và Profĩbus-DP sử dụng cùng một kỹ thuật truyềnn dẫn và phương pháp truy nhập bus, vì vậy có thể cùng hoạt động trên một đường truyền vật lý duy nhất

Lớp vật lý của Profibus quy định về kỹ thuật truyền đẫn tín hiệu, môi trường truyền dẫn, cấu trúc mạng và các giao diện cơ học Các kỹ thuật truyền dẫn được sử dụng ờ đây là RS-485, RS 485 IS và cáp quang (với FMS và DP) cũng như MBP (đối với PA) RS-485 IS được phát triển trên cơ sở RS-485 để có thể sử dụng trong môi trường đòi hỏi an toàn cháy nổ

Lớp liên kết dữ liệu ở Profibus được gọi ià FDL (Fieldbus Data Link), có chức năng kiểm soát truy nhập bus, cung cấp các dịch vụ cơ bản (cấp thấp) cho việc trao đối dữ liệu một cách tin cậy, không phụ thuộc vào phương pháp truyền đẫn ở lớp vật lý

2.1.4.2 Cấu trúc mạng và kỹ thuật truyền dẫn

a Truyền dẫn với RS-485

Chuẩn Profibus theo IEC 61158 quy định các đặc tính điện học và cơ học cho giao diện RS-485 cũng như môi trường truyền thông, trên cơ sở đó các ứng dụng có thể lựa chọn các thông số ỉhích hợp:

- Tốc độ truyền thông từ 9,6 kbit/s đến 12 Mbit/s

- Cấu trúc đường thẳng kiểu đường trục/đường nhánh hoặc daisy-chain trong

đó các tốc độ truyền từ 1,5 Mbit/s trở lên yêu cầu cấu trúc daisy chain

- Cáp truyền được sử dụng là đôi dây xoắn có bảo vệ (STP)

- Trở kết thúc có dạng tin cậy với các điện trở lần lượt là 390Ω-220Ω -390Ω

- Chiều dài tối đa một đoạn mạng từ 100 đến 1200m, phụ thuộc vảo tối độ truyền được lựa chọn

- Số lượng tối đa các trạm trong mỗi đoạn mạng là 32 Có thể dùng tối đi

- Bộ lặp tức là 10 đoạn mạng Tổng số trạm tối đa trong một mạng L 126

- Chế độ truyền tải không đồng bộ và hai chiều không đồng thời

- Phương pháp mã hóa bit NRZ

b Truyền dẫn với RS-485 IS

RS-485 IS là sự phát triển của RS-485 trong những môi trường đòi hỏi an toàn cháy nổ Mỗi trạm trong mang đều là một nguồn tích cực Khi ghép nối tất cả các nguồn tích cực, dòng tổng cộng của tất cả các trạm không đượ phép vượt quá một giá trị tối đa cho phép

c Truyền dẫn với cáp quang

Cáp quang đặc biệt thích hợp vởi các lĩnh vực ứng dụng có môi trường làm việc nhiễu mạnh hoặc đòi hỏi phạm vi phủ mạng lớn cấu trúc mạng ch có thể sử đụng dạng hình sao hoặc mạch vòng Thực tế, cáp quang thường được sử dụng hỗn hợp với RS-485 nên cấu trúc mạng phức tạp hơn

d Truyền dẫn với MBP

Trong một số ngành công nghiệp chế biến, đặc biệt là công nghiệp xăng dầu,

chuẩn truyền dẫn RS-485 không thích hợp Profĩbus-PA XI đụng lớp vật lý theo phương thức MBP Phương pháp mã hóa bit Mancheste rất bền vững với nhiễu nên cho phép sử dụng mức tín hiệu thấp hơm nhiều so với RS-485, đồng thời cho phép các thiết bị tham gia bus được cung cấp vói cùng đường dẫn tín hiệu

Cấu trúc mạng có thể sử đụng là đường thẳng (đường trục/đường nhánh), hình cây hoặc hình sao Cáp truyền thông dụng là đôi dây xoắn STP với trở đầu cuối dạng RC (100Ωvà 2µf) Số lượng trạm tối đa trong một đoạn mạng là 32, tuy nhiên số lượng thực tế phụ thuộc vào công suất bộ nạp nguồn bus số lượng bộ lặp tối đa là 4, tương ứng vói 5 đoạn mạng Với chiều dài tối đa mỗi đoạn mạng là 1900m, tổng chiều dài của mạng sử dụng kỹ thuật MBP có thể lên tới 9500m

Hai phương pháp truy nhập bus có thể được áp dụng độc lập hoặc kết hợp là Token-Passing và Master/Slave Nếu áp dụng độc lập, Token-Passing thích hợp với các mạng FMS dùng ghép nối các thiết bị điều khiển và máy tính giám sát đẳng quyền, trong khi Master/Slave thích hợp với việc trao đổi dữ liệu giữa một thiết bị điều khiển với các thiết bị trường cấp dưới sử dụng mạng DP hoặc PA Khi sử dụng kết hợp, nhiều trạm tích cực có thể tham gia giữ Token Một trạm tích cực nhận được Token sẽ đóng vai trò là chủ để kiểm soát việc giao tiếp với các trạm tớ

nó quản lý, hoặc có thể tự do giao tiếp với các trạm tích cực khác trong mạng, cấu hình mạng kết hợp này còn được gọi là nhiều chủ (Multi-Master)

2.1.5 AS-Interface

AS-lnterface (Actuator Sensor Interface) là kết quả sự phát triển hợp tác của

nghiệp, trong đó có Siemens AG, Festo KG, Pepperl & Fuchs GmbH Như tên gọi của nó phần nào diễn tả, mục đích sử dụng duy nhất của AS-Interface là kết nối các thiết bị cảm biến và cơ cấu chấp hành so với cấp điều khiển Từ một thực tế là hơn 80% cảm biến và cơ cấu chấp hành trong một hệ thống máy móc làm việc với các biến logic, cho nên việc nối mạng chúng trước hết phải đáp ứng được yêu cầu về giá thành thấp cũng như lắp đặt, vận hành và bảo dưỡng đơn giản

Các tính năng kỹ thuật được đặt ra là:

- Khả năng đồng tải nguồn, tức là dữ liệu và dòng nuôi cho toàn bộ các cảm biến và một phần lớn các cơ cấu chấp hành phải được truyền tải trên cùng một cáp hai dây

- Phương pháp truyền phải thật bền vững trong môi trường công nghiệp nhưng không đòi hỏi cao về chất lượng đường truyền

- Cho phép thực hiện cấu trúc mạng đường thẳng cũng như hình cây

- Các thành phần giao diện mạng có thể thực hiện với giá cả rất thấp

- Các bộ nối phải nhỏ, gọn, đơn giản và giá cả rất hợp lý

Thế mạnh của AS-Interface là sự đơn giản trong thiết kế, lắp đặt và bảo dưỡng cũng như giá thành thấp, nhờ một phương pháp truyền thông đặc biệt cũng như một kỹ thuật điện cơ mới Khác với các phương pháp kết nối điểm nối điểm truyền thống hay các phương pháp sử dụng hệ thống bus khác, AS- Interface nối PLC trực tiếp với các cảm biến và cơ cấu chấp hành

a Kiến trúc giao thức

Để nâng cao hiệu suất vả đơn giản hoá việc thực hiện các vi mạch, toàn bộ việc xử

lý giao thức được gói gọn chỉ trong lớp 1 (lớp vật lý) theo mô hình OSI

b Cấu trúc mạng và cáp truyền

Cấu trúc của một mạng AS-lnterface có thể được lựa chọn tuỳ ý, theo quan điểm kỹ thuật cũng như đặc điểm vị trí hay phạm vi đi dây, vì thế việc thiết kế cấu hình và thực hiện dự án trở nên dễ dàng

Trong một mạng AS-Interface có một trạm chủ duy nhất đóng vai trò kiểm

khiển, như PLC, PC hay CNC, hoặc có thể là một bộ nối bus trường (fieldbus coupler) Trong trường hợp trạm chủ là một bộ nối bus trường, nó có nhiệm vụ chuyển đổi giao thức giữa một đoạn bus trường (ví dụ Profibus- DP) với mạng AS-Interface Các trạm tớ còn lại có thể là module tích cực ghép nối với tối đa 4 bộ cảm bién hoặc cơ cấu chấp hành thông thường, hoặc chính là một cảm biến / cơ cấu chấp hành có tích họp giao diện AS-Interface được nối trực tiếp hay qua một bộ chia với đường truyền

2.1.6 KONNEX (KNX)

KNX là hệ thống bus trường được sử dụng phổ biến trong các toà nhà, được phát, triển bởi Konnex Association từ: EIB, ESH và BatiBUS Vì vậy, những sản phẩm của KNX đảm bảo được tính tương thích, chức năng và chất lượng sản phẩm tương tự như sản phẩm của EIB

Hình 2-3: Hệ thống KNX của hãng Siemens

2.1.7 Các bộ chuyển tiếp mạng

Các hệ thống bus trường khác nhau có thể kết nối với nhau trong cùng một

hệ thống là nhờ các bộ chuyển tiếp mạng

Các bộ chuyển tiếp mạng bao gồm:

- IE/PB Link chuyển tiếp giữa Industrial Ethernet và Profibus.

- IWLAN/PB Link PNIO chuyển tiếp giữa IWLAN và Profibus

- DP/AS-Interface Link 20E chuyển tiếp giữa Profibus và AS-Interface

- DP/EIB Link chuyển tiếp giữa Profibus và KNX/EIB

Khi sử dụng các PLC nhu S7-200, S7-300, S7-400, dữ liệu được trao đổi giữa các mạng thông qua các bộ xử lý truyền tin (communication: processor) hay các giao diện tích hợp

Kết nối Profinet với chức năng uỷ nhiệm (proxy functionality)

Các phân đoạn Profibus có thể kết nối với Industrial Ethernet bằng những thiết bị có chức năng đặc biệt gọi là các thiết bị uỷ nhiệm Profine (Profinet proxy) Điều này có thể thực hiện bằng cách sử dụng một giải pháp bao gồm SIMATIC WinAC PN, SIMATIC S7-300 (CPU 317-2 PN/DP Với CPU 315-2 PN/DP) hay thông qua một IE/PB Link PNIO Một điểm truy cập (access point) SCALANCE W-700 với IWLAN/PB Link PN IO có thể được sir dụng cho một bộ chuyển tiếp mạng không dây

Hình 2-4: Các bộ chuyển tiếp giữa Profibus và AS-Interface

Hình 2-5: các bộ chuyển tiếp mạng giữa industrial ethernet và profibus

Hình 2-6: Các bộ chuyển tiếp giữa Profibus và Modbus

Hình 2-7: Các bộ chuyển tiếp giữa Industrial và AS-Interface

2.2 Hệ thống của hãng Allen-Bradleey

Cũng như hệ thống SIMATIC NET, hệ thống mạng công nghiệp Rockwell Automation của hãng Allen-Bradley cũng là một hệ thống có tên ruổi và đã được cả thế giới thừa nhậnễ Rockwell Automation cung cấp nhiều giải pháp mạng và các sản phẩm thông tin đáp ứng yêu cầu của các ứng dụng trong công nghiệp

2.2.1 Control Net

ControlNet là mạng điều khiển thời gian thực cung cấp khả năng truyền tải tốc độ cao cho các thông số vào ra, dữ liệu phối hợp (interlocking data) và dữ liệu tin nhắn (messaging data), bao gồm cả đường lên/đường xuống cho dữ liệu chương trình và dữ liệu cấu hình trên cùng mệt đường truyền vật lý

- Phương pháp truy nhập đường truyền

ControlNet hoạt động dựa trên mô hình nhà sản xuất/người tiêu dùng (Producer/Consumer), cho phép nhiều bộ điều khiển có thể điều khiển các cổng vào

ra trên cùng một đường dây Đây là cải tiến đáng kể so với những mạng khác, chi cho phép một thiết bị chủ điều khiển trên đường dây ControlNet cũng cho phép gửi theo nhóm (multỉcast) các thông số đầu vào và dữ liệu ngang hàng, nhờ đó iàm giảm lưu lượng trên đường dây và nâng cao hỉệu suất hệ thống

ControlNet cung cấp:

- Băng thông cho các thông số vào ra, sự phối hợp thời gian thực, tin nhắn ngang hàng và chương trình - tất cả đều trên cùng một dường dây

- Nhiều bộ điều khiển điều khiển các cổng vào ra trên cùng một đường

- -Chế độ multicast cho các thông sổ đầu vào và dữ liệu ngang hàng

- -Dự phòng đường truyền và các chức năng an toàn riêng

- Dễ dàng lắp đặt mà không cần các công cụ đặc biệt để cài đặt hay điều chỉnh mạng

- Có thể truy cập vào mạng từ các node bất kỳ

- Linh hoạt trong lựa chọn topo mạng (dạng bus dạng cây, dạng sao) và dạng kênh truyền (cáp đồng trục, cáp quang )

Phương thức truy cập mạng được điều khiển bằng một thuật toán chia thời

gian (time-slice) gọi là  Concurrent Time Domain Multiple Access (CTDMA), làm

nhiệm vụ điều hoà cơ hội của node để truyền trong mỗi khoảng thời gian tạm dừng hoạt động của mạng Người sử dụng có thể điều chỉnh khoảng thời gian này, nhanh nhất là 2 ms

- Truyền thông nhà sản xuất/người tiêu dùng (Producer/Consumer)

Trước đây, các hệ thống mạng cũ thường sử dụng mô hình truyền thông nguồn/đích (Source/Destination) hay là mô hình truyền thông điểm-điểm Mô hình này gây lãng phí băng thông do dữ liệu phải được gửi ở những khoáng thời gian khác nhau do địa chỉ đích khác nhau Do đó, sự đồng bộ giữa các node là rất khó khăn do dữ liệu tới nơi vào những thời điểm khác nhau

ControlNet được xây dựng trên một mô hình mới: mô hình nhả sản xuất người tiêu dùng Khác với những mô hĩnh cũ, mô hình nhà sản xuất/người tiêu dùng cho phép mọi node trên mạng truy cập cùng một lúc vảo cùng một cơ sở dữ liệu trên một nguồn đơn

Hình 2-9: Mô hình truyền thông nhà sản xuất/người tiêu dùng

Mô hình này cho phép:

- Hiệu suất hệ thống cao hơn cho năng suất cao hơn

- Tăng hiệu quả do nhiều node có thế cùng truy cập vào một nguồn dữ liệu

- Sự đồng bộ hoá đặc biệt chính xác do dữ liệu tới mỗi node cùng một thời điểm ControlNet là một hệ thống đơn giản và dễ lắp đặt Mặc dù được xây dựng trên công nghệ bus, người thiết kế mạng có thể sử dụng các repeater để xây dựng các

Hình 2-10: Cấu trúc hình sao

Hình 2-11: Cấu trúc đường trục / đường nhánh

Hình 2-12: Cấu trúc dạng vòng Mỗi mạng ControlNet hỗ trợ tới 99 node Một số bộ điều khiển Allen- Bradley còn hỗ trợ liên mạng ControlNet, cho phép người sử dụng có thể lắp đặt nhiều node hơn cho mạng ControlNet hay tăng hiệu suất hệ thống

Chiều dài tối đa của mạng ControlNet phụ thuộc vào số lượng node trong mạng Sử dụng các repeater, chúng ta có thể tăng thêm số lượng node trong mạng hay tăng chiều dài mạng

Mạng ControlNet sử đụng cáp bọc RG-6, một loại cáp có giá thành rẻ ngoài

ra còn hỗ trợ cả cáp quang Hệ tbống có thể chọn phương thức giao tiếp chủ/tớ (master/slave) hay ngang hàng (peer-to-peer), hoặc cả hay đồng thời Thực tế, các thiết bị có thể giao tiếp với nhau mà không cần sự có mặt của một trạm chủ

Tin nhắn từ một node trong mạng ControlNet có thể gửi tới một node trong một mạng ControlNet khác, một mạng DeviceNet, mạng DH+ hay một mạng Ethemet/IP thông qua cổng mạng ControlLogix

2.2.2 DeviceNet

DeviceNet là một giải pháp mạng mở, đơn giản, cho phép giảm chi phí và thời gian cần thiết để đi dây và lắp đặt các thiết bị tự động hoá công nghiệp, trong khi vẫn cung cấp khả năng hoán đổi giữa các thỉết bị từ các nhà cung cấp khác nhau

Được hãng Allen-Bradley phát trỉển trên cơ sở công nghệ CAN (Control Area Network), DeviceNet là hệ thống bus dùng nối mạng cho các thiết bị đơn giản

ở cấp chấp hành DeviceNet không chỉ đơn thuần là chuẩn giao thức cho lớp ứng dụng của CAN mà còn bổ xung một số chi tiết thực hỉện lớp vật lý và đưa ra các phương thức giao tiếp kiểu tay đôi (peer-to-peer) hoặc chủ /ớ (Master/Slave), cấu trúc mạng là đường trục/đường nhánh, trong có chiều dài đường nhánh hạn chế dưới 6 mét Ba tốc độ truyền được quy định là 125 kbit/s, 250 kbit/s và 500 kbit/s, tương ứng với chiều dài tối đa của các đường trục là 500m, 250m và 100m

Một mạng DeviceNet cho phép nối tối đa là 64 trạm Mỗi thành viên trong mạng DeviceNet được đặt một địa chỉ trong khoảng từ 0 đến 63, được gọi là MAC-

ID (Media Access Control Identifier) Việc bổ sung hay bỏ đi một trạm có thể thực hiện ngay trong khi mạng còn đang đóng nguồn