Đề tài Nghiên cứu hệ điều khiển CENTUM CS3000 và ứng dụng trong công đoạn trộn bột nhà máy xeo Công ty giấy Bãi Bằng

Nghiên cứu hệ điều khiển CENTUM CS3000 và ứng dụng trong công đoạn trộn bột nhà máy xeo Công ty giấy Bãi Bằng lời nói đầu Ngày nay trên thế giới, sự phát triển không ngừng của công nghệ chế tạo thiết bị tự động hoá và những thành tựu trong kỹ thuật vi mạch, công nghệ thông tin đã cho phép các chuyên gia tích hợp hệ thống có các giải pháp kỹ thuật linh hoạt, tối ưu, an toàn và hoàn toàn tự động hoá. Người sử dụng có khả năng điều hành, quan sát và quản lý toàn bộ dây chuyền sản xuất trong nhà máy bằng các thiết bị gọn nhẹ, làm việc thông minh và có độ tin cậy cao. Mét trong các giải pháp kỹ thuật hiện đại nhất để tích hợp hệ thống là tích hợp các mạng công nghiệp (Industrial Network). Mạng công nghiệp của các hãng tự động hoá hàng đầu trên thế giới đều được tích hợp theo chuẩn ISO. Điều đó có nghĩa là các thiết bị trong mạng không chỉ riêng của một hãng chế tạo mà còn là thiết bị của hãng khác có thể tích hợp thành một mạng hoàn chỉnh. Do vậy sẽ đạt được một kết quả tốt nhất về kỹ thuật và kinh tế. Việc trao đổi thông tin giữa các hệ thống tự động hoá với các thiết bị phân tán được thông qua các mạng thông tin công nghiệp chuẩn. Với ứng dụng của mạng thông tin trong nhiều lĩnh vực của các nghành công nghiệp khác nhau đã chứng minh công nghệ này đạt được độ tin cậy cao. Mạng công nghiệp trong những năm gần đây đã được sử dụng trong nhiều lĩnh vực như hàng không, dầu khí, điện năng, chế biến thực phẩm, công nghiệp sản xuất xi măng, công nghiệp giấy, công nghiệp khai thác mỏ ... Những hãng công nghiệp chế tạo thiết bị tự động hoá, mà giải pháp kỹ thuật của họ được định hướng như trên là ABB, Honeywell, Siemens và Yokogawa. Ở Việt Nam mạng công nghiệp cũng được sử dụng trong nhiều nhà máy nh­: Phả Lại, Lâm Thao, Bãi Bằng ,…...Do đó, để có được các định hướng theo hướng phát triển mới, trong đề tài tốt nghiệp của mình em tập chung nghiên cứu ứng dụng Centum CS3000. Trong phạm vi của đề tài, chúng em đã thực hiện những nội dung sau: Phần 1: Nghiên cứu hệ thống điều khiển phân tán CENTUM CS3000: Đề cập đến các vấn đề cơ bản của mạng truyền thông và thông tin công nghiệp, đưa ra mô hình phân cấp, các thiết bị phần cứng, chức năng liên kết mạng trong hệ thống, đồng thời còn đưa ra quá trình tạo một dự án mới. Phần 2: Phần xây dựng hệ thống điều khiển CENTUM CS3000 cho công đoạn trộn bột cho nhà máy xeo, nhà máy giấy Bãi Bằng: Đưa ra được thực trạng của nhà máy và quá trình xây dựng hệ điều khiển cho công đoạn này, bao gồm cả chọn thiết bị phần cứng và các điểm đo lường điều khiển PHẦN 1 NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN CENTUM CS3000 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CHUNG VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN CÔNG NGHIỆP I. KHÁI NIỆM CƠ BẢN. Hệ thống Truyền thông thông tin công nghiệp thực chất là một quá trình trao đổi thông tin giữa hai thiết bị với nhau theo kiểu truyền thông được quy định trước, được gọi là các đối tác truyền thông. Đối tác này có thể điều khiển hoặc quan sát các trạng thái của đối tác kia có thể thực hiện theo nhiều cách khác nhau. Đối tác truyền thông thực chất là các thiết bị có khả năng tham gia vào quá trình truyền thông. Các đối tác truyền thông có thể cùng nằm trong một thiết bị, ví dụ nh­ các CPU, các module,... là các thiết bị có khả năng tham gia vào quá trình truyền thông. Trạm là thiết bị (nh­ các hệ thống tự động hoá, thiết bị lập trình, panel điều hành OP, các thiết bị ngoại vi khác) được ghép nối vào một hay nhiều mạng con (Subnetwork ). Mạng con (Subnetwork ) là sự liên kết thống nhất của các phần tử vật lý tham gia vào quá trình truyền thông trong mạng, cũng như của phương pháp truyền thông chung để đảm bảo sự trao đổi dữ liệu trong mạng được thực hiện. Các thành viên trong mạng Subnetwork không nối với nhau theo kiểu truyền thông qua lại, mà có một cấu trúc vật lý chung của một mạng Subnetwork ( MPI, PROFIBUS, ModBus, DeviceNet, ControlNet, Industrial Ethernet ) cấu trúc này được gọi là môi trường truyền thông (Tranfer medium). Mạng (Network) là sự liên kết thông nhất của một hay nhiều mạng con kiểu khác nhau, nó liên kết tất cả các trạm để có thể truyền thông với nhau. Subnetwork Subnetwork Hình 1.1 Mạng truyền thông Nối là tổ chức logic giữa hai đối tác truyền thông trong mạng để thực hiện một dịch vụ truyền thông nhất định nào đó. Nối liên kết trực tiếp với dịch vụ truyền thông. Mỗi một nối có có hai điểm kết thúc, hai điểm này có chứa đựng thông tin về địa chỉ của đối tác truyền thông về cấu trúc đường truyền. Những hàm truyền thông được sử dụng cho điểm cuối cục bộ để chỉ đường nối. Những hàm truyền thông được thiết lập sẵn ở các phần mềm chuyên dụng để đáp ứng các đòi hỏi của dịch vụ truyền thông. Các hàm truyền thông thực hiện việc truyền dữ liệu giữa các đối tác truyền thông, có thể điều khiển các đối tác truyền thông ( ví dụ nh­ ngừng truyền thông ) hoặc giám sát các trạng thái tức thời. Dịch vụ truyền thông và phần mềm chuyên dụng mô tả các hàm truyền thông với các tiêu chuẩn định trước, nh­ trao đổi dữ liệu, điều khiển thiết bị, giám sát các thiết bị và cài đặt chương trình. Một phần mềm chuyên dụng không cần phải thoả mãn tất cả các nhiệm vụ mà dịch vụ truyền thông yêu cầu. Dịch vụ truyền thông có thể chấp nhận các phần mềm truyền thông chuyên dụng khác nhau. Trong khi thực hiện truyền thông, một việc không thể thiếu được là khai báo giao thức truyền thông ( Protocol). Protocol thực chất là sự thoả thuận xác định một quy tắc trao đổi dữ liệu nhất định giữa các đối tác truyền thông để xác định dịch vụ truyền thông được sử dụng. Trong giao thức truyền thông cấu trúc truyền dữ liệu được định nghĩa: đường truyền vật lý, kiểu lắp đặt các đường nối, bảo vệ dữ liệu và tốc độ truyền. Đường truyền vật lý dùng để chuyển các tín hiệu điện tử giữa các trạm. Các tín hiệu điện tử đó biểu thị các giá trị dữ liệu dưới dạng xung nhị phân. Khi lựa chọn đường truyền vật lý cần chú ý tới các đặc trưng cơ bản của chúng là dải thông (dải thông của đường truyền chính là phương truyền - được tính bằng số lượng bit được truyền đi trong một giây. Thông lượng còn được đo bằng một đơn vị khác là baud. Baud biểu thị số lượng thay đổi tín hiệu trong một giây. Độ suy giảm là độ đo sự suy yếu của tín hiệu trên đường truyền. Nó cũng phụ thuộc vào độ dài của cáp. Nhiễu điện từ (EMI- Electromagnetic Interference ) gây ra bởi nhiễu điện từ bên ngoài làm ảnh hưởng Mật độ dữ liệu là độ lớn của phạm vi lưu trữ dữ liệu không thay đổi với quá trình. Phạm vi lưu trữ dữ liệu mà lớn hơn mật độ dữ liệu có thể làm sai dữ liệu tổng thể. Điều đó có nghĩa phạm vi lưu giữ số liệu mà lớn hơn mật độ dữ liệu thì có thể xẩy ra tại một thời điểm nào đó mật độ dữ liệu bao gồm cả khối dữ liệu cũ và khối dữ liệu mới. II. NHIỆM VỤ CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN CÔNG NGHIỆP 1. Khái niệm hệ thống thông tin công nghiệp Hệ thống thông tin công nghiệp là một khái niệm mới trong kỹ thuật thông tin hiện đại. Nó làm nhiệm vụ thu nhận, biến đổi thông tin trong quá trình đo lường điều khiển và đang là xu hướng của nền công nghiệp tự động hoá các quá trình. Hệ thống bao gồm các quá trình: Thu thập thông tin từ đối tượng Gia công, xử lý thông tin Truyền thông tin trên kênh liên lạc Lưu giữ thông tin Tìm kiếm thông tin để chọn ra những thông tin khác nhau…. Từ đó ta có thể đưa ra định nghĩa về một hệ thống thông tin công nghiệp nh­ sau : Một hệ thống tự động đo, điều khiểu và gia công thông tin theo mét Algorithm nào đấy, được kết nối trong hệ thống mạng thực hiện việc truyền tin giữa các đối tác truyền thông trong hệ thống đó theo mét giao thức công nghiệp thì được gọi là hệ thống thông tin công nghiệp Sơ đồ khối của hệ thống: §èi t­îng nghiªn cøu Bé ®iÒu khiÓn Ng­êi thao t¸c ThiÕt bÞ gia c«ng th«ng tin BiÕn truyÒn vµ l­u gi÷ HiÓn thÞ ThiÕt bÞ thu nhËn th«ng tin Đối tượng nghiên cứu: Là các quá trình công nghệ Thiết bị thu nhận thông tin: Quá trình đo và biến đổi thành tín hiệu chuẩn như các sensor, các tranmiter... Thiết bị gia công: Chíp vi xử lý hoặc máy tính PC Biến truyền và thiết bị lưu giữ : Thông tin được truyền trên các đường dây nhờ các thủ tục giao thức mạng Thiết bị thể hiện: Thông tin được thể hiện theo nhiều cách + Các thiết bị cũ nh­: - Dụng cô kim chỉ - Dụng cụ tự ghi - Dụng cụ số + Các thiết bị hiện đại: Màn hình giám sát, Các hiển thị số... - Bộ điều khiển: Bộ điều khiển dùng cho các hệ thống nhỏ là các Microcontroller, còn các hệ thống lớn là các CPU làm việc nh­ một máy tính công nghiệp 2. Nhiệm vụ của hệ thống thông tin công nghiệp : Hệ thống thông tin công nghiệp thực hiện các nhiệm vụ sau : 2.1. Đo lường: Sử dụng phương pháp thực nghiệm để nhận được ước lượng về số lượng của đối tượng thông qua việc so sánh với mẫu . Đây là quá trình quan trọng nhất bởi từ kết quả này sẽ phục vụ cho các bước tiếp theo trong hệ thống 2.2. Kiểm tra: Là so sánh trạng thái của đại lượng kiểm tra với mẫu và đưa ra tín hiệu để đánh giá . 2.3. Nhận dạng: Xác định xem có sự tương ứng giữa đại lượng cần kiểm tra với mẫu hay không 2.4 . Điều khiển: Từ các kết quả đo nhận được chúng sẽ được tính toán theo các luật điều khiển để đưa tín hiệu ra điều khiển đối tượng 2.5 . Chuẩn đoán: Để giúp cho hệ thống làm việc hiệu quả cần thiết phải chuẩn đoán tình trạng thiết bị. Một hệ thống chuyên kiểm tra tình trạng hoạt động của thiết bị thì được gọi là hệ thống chuẩn đoán kỹ thuật . 2.6 . Tính toán: Đây là quá trình tính toán theo các Algorithm từ các đại lượng đầu vào để đưa ra quyết định. 2.7. Truyền thông: Đây là quá trình rất quan trọng trong hệ thống thông tin công nghiệp bởi ngày nay khi các đối tác tham gia truyền thông là rất lớn thì vấn đề truyền thông tin đảm bảo không lỗi và hiệu quả là vấn đề đặt lên hàng đầu . 3. Các loại hệ thống thông tin công nghiệp . 3.1. Phân loại hệ thống theo sơ đồ cấu trúc. 3.1.1. Hệ thống với cấu trúc song song. ®èi t­îng s C§CH C§CH C§CH MUX Xö lý th«ng tin ®o HiÓn thÞ - Đặc điểm : Các kênh làm việc độc lập với nhau. Ưu điểm : Độ tin cậy cao, tốc độ truyền thông tin cao, nếu hỏng một kênh các kênh kia vẫn hoạt động. - Nhược điểm tốn kém dây dẫn, hệ thống rất phức tạp và chỉ kinh tế trong phạm vi một nhà máy. ®èi t­îng s §o l­êng §o l­êng §o l­êng MUX C§CH H Xö lý th«ng tin ®o HiÓn thÞ 3.1.2. Hệ thống với cấu trúc nối tiếp. - Đặc điểm: Hệ thống biến tín hiệu song song thành nối tiếp, mỗi tín hiệu chiếm một khoảng thời gian do người thiết kế quyết định và phụ thuộc vào sai số, tốc độ của hệ thống yêu cầu Ưu điểm : tiết kiệm dây dẫn dẫn đến giá thành rẻ Nhược điểm: Độ tin cậy thấp 3.1.3. Hệ thống với cấu trúc song song nối tiếp. §èi t­îng §L §L §L §L §L §L MUX MUX C§CH C§CH MUX Xö lý th«ng tin ®o HiÓn thÞ Ưu điểm : Độ tin cậy tăng số kênh tăng Nhược điểm : Phức tạp , thường được sử dụng trong các hệ thống lớn 3.1.4. Hệ thống kiểm tra tự động . Đại lượng đo được so sánh với mẫu cho toàn hệ thống, sau đó được đưa về để xử lý kết quả đo phân tích và điều khiển 3. 2. Phân loại theo môi trường truyền đẫn. Hệ thống hữu tuyến: Là hệ thống sử dụng các đường truyền thông tin thông thường nh­ cáp đôi dây xoắn, cáp đồng trục...Tốc độ truyền có thể lên tới hàng Mb/s - Hệ thống truyền vô tuyến: Là hệ thống sử dụng sóng vô tuyến truyền đi trong không gian, đường truyền này rất thích hợp với những khu vực địa hình phức tạp mà ở đó khả năng thực hiện một đường truyền hữu tuyến là không hiện thực. Tốc độ truyền có thể lên đến hàng Gb/s Hệ thống cáp quang: Đây là môi trường truyền dẫn đặc biệt, tín hiệu truyền trên đường truyền là tín hiệu quang sử dụng các bước sóng trong vùng hồng ngoại. Cáp quang có rất nhiều ưu điểm nh­: khả năng chống nhiễu điện từ cao, tính bảo mật, tốc độ truyền... 3. 3. Phân loại theo mục đích . Hệ thống đo lường: Đó là các hệ thống có nhiệm vụ đo lường các đại lượng vật lý, thông tin ra bằng số hoặc mang tính chất số lượng Hệ thống kiểm tra tự động và điều khiển: Để thực hiện việc kiểm tra (hay điều khiển ) cần thiết phải có giá trị đặt và so sánh đại lượng kiểm tra với chúng Hệ thống chẩn đoán kỹ thuật: Trên cơ sở của kết quả đo so sánh với mẫu để đưa ra các cảnh báo về tình trạng thiết bị Hệ thống nhận dạng : Là hệ thống nhận biết thông tin đo có giống mẫu không 3. 4. Phân loại hệ thống theo khoảng cách. Hệ thống gần: Là hệ thống hoạt động trong phạm vi nhà máy bán kính 2 Km. Nó thường sử dụng các chuẩn thông tin nh­ RS422, RS485.... Hệ thống xa: Là hệ thống hoạt động với bán kính lớn hơn 2 Km. Người ta thường sử dụng các phương pháp điều chế tín hiệu nh­ điều chế tần số, điều chế pha... 3. 5. Phân loại theo quy mô hiện đại hoá 3.5.1. Hệ thống tập trung quy mô nhỏ: Cấu trúc tiêu biểu của một hệ thống điều khiển tập trung được minh hoạ nh­ hình bên. Một máy tính duy nhất để điều khiển các quá trình con. Các bộ cảm biến và cơ cấu chấp hành được nối trực tiếp điểm - điểm với các máy tính điều khiển trung tâm qua các cổng vào ra của nó. Đặc điểm chung nhất của hệ thống này là toàn bộ quá trình xử lý tập chung ở một thiết bị điều khiển duy nhất Ưu điểm của hệ thống này là thích hợp với các loại máy móc và thiết bị và các điểm đo Ýt bởi sự đơn giản, dễ thực hiện và giá thành một lần cho máy tính điều khiển. Tuy nhiên cấu trúc này cũng có hạn chế nh­: Viếc nối dây phức tạp, giá thành cao, việc mở rộng hệ thống gặp khó khăn. Độ tin cậy của hệ thống phụ thuộc hoàn toàn vào một máy tính điều khiển duy nhất. Nếu muốn nâng cao độ tin cậy của hệ thống phải dùng thêm một máy tính dự phòng cho máy tính điều khiển dẫn đến giá thành cao Điển hình cho các hệ thống có cấu trúc tập trung là các hệ thống: CAMAC : Computer Application for Measurement and Control. SCADA : Supervisory Control and Data Acquisition. Cấu trúc của một hệ thống điều khiển tập trung : M¸y tÝnh ®iÒu khiÓn trung t©m C¬ cÊu chÊp hµnh C¬ cÊu chÊp hµnh C¬ cÊu chÊp hµnh C¶m biÕn C¶m biÕn Qu¸ tr×nh con 2 Qu¸ tr×nh con 1 Qu¸ tr×nh con n C¶m biÕn 3.5.2. Hệ thống có cấu trúc phân tán : Để khắc phục sự phụ thuộc vào một máy tính điều khiển và tăng tính linh hoạt ổn định của hệ thống, trong cấu trúc phân tán mỗi quá trình con ( hay một nhóm quá trình con ) được điều khiển, giám sát bởi một máy tính riêng Đặc điểm của hệ thống có cấu trúc phân tán là việc phân bố chức năng theo chiều rộng và theo chiều sâu, kết hợp với việc sử dụng mạng truyền thông thay cho phương pháp dùng dây nối và bảng điện cổ điển. Bên cạnh việc sử dụng các cụm vào ra tại chỗ và các thiết bị chấp hành thông minh, người ta còn đưa ra các loại máy tính chấp hành nhỏ (ví dụ như các bộ điều khiển chuyên dụng, các loại vi điều khiển...) xuống các vị trí liền kề với các quá trình kỹ thuật. Sơ đồ chung của hệ thống có cấu trúc phân tán nh­ dưới. Trong cấu trúc này, trung tâm điều khiển bao gồm các trạm kỹ thuật (ES – Engineering Station), trạm thao tác vận hành OS (Operation Station) và trạm phục vụ SS (Server Station) là các máy tính công nghiệp kết hợp với trung tâm điều hành sản xuất. Tại cấp điều khiển và giám sát bao gồm các thiết bị điều khiển tại chỗ nh­ các bộ vi điều khiển, các module vào ra tại chỗ, các thiết bị cảm ứng và cơ cấu chấp hành được nối lên trung tâm. Nhìn chung, hệ thống cấu trúc điều khiển phân tán ra đời khắc phục được tính năng thời gian thực, tiết kiệm dây dẫn, độ ổn định cao, linh hoạt và phạm vi quản lý rộng. Hệ thống này được giới thiệu chi tiết ở phần sau. Tr¹m thao t¸c OS M¸y tÝnh ®iÒu khiÓn Tr¹m kü thuËt ES Tr¹m phôc vô SS M¸y tÝnh ®iÒu khiÓn M¸y tÝnh ®iÒu khiÓn Bé ®iÒu khiÓn Qu¸ tr×nh I/O Qu¸ tr×nh I/O A S A S Cấu trúc hệ thống phân tán 3.5.3.Hệ thống tích hợp. Ngoài nhiệm vụ đo lường và điều khiển ra, hệ còn có chức năng quản lý kỹ thuật và kinh tế CHƯƠNG 2 KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN DCS I. MỘT SỐ LÝ THUYẾT VỀ HỆ THỐNG MẠNG. 1. Cấu trúc mạng và giao thức công nghiệp. 1.1 Cấu trúc mạng (topology). Topology là cấu trúc liên kết mạng, là tổng hợp của các mối liên kết, ở đây liên kết được hiểu là mối liên hệ vật lý hoặc logic giữa các đối tác truyền thông. Liên kết vật lý các đối tác là các trạm truyền thông được liên kết qua môi trường vật lý. Liên kết logic thì các đối tác là các trạm truyền thông không nhất thiết phải là phần cứng mà có thể là chương trình hệ thống, ứng dụng trên một trạm nên quan hệ có tính logic. Với một đối tác vật lý ứng dụng thường có nhiều đối mối liên kết logic được xây dụng trên cơ sở một mối liên kết vật lý. * Các kiểu liên kết logic : + liên kết điểm - điểm : chỉ có 2 đối tác tham gia, về vật lý thì 2 trạm này được nối chung 1 đường dây. + liên kết điểm - nhiều điểm : nhiều trạm nối chung với 1 trạm chủ. Các đối tác sẽ nối chung 1 đường dây. + liên kết nhiều điểm – nhiều điểm : nhiều đối tác tham gia và thông tin được trao đổi theo nhiều hướng. Chúng đều nối trên 1 đường dây. Đây là đặc trưng của mạng truyền thông trong điều khiển phân tán. Topology được hiểu là cách sắp xếp, tổ chức về mặt vật lý của mạng và cũng là sắp xếp logic của các nút mạng. *Một số kiểu topology: - Topology hình sao Cấu trúc hình sao là một cấu trúc mà có một trạm trung tâm quan trọng hơn tất cả các nút khác, nút này sẽ điều khiển sự truyền thông toàn mạng. Các thành viên khác được kết nối với nhau qua trạm trung tâm. Kiểu liên kết vật lý ở đây là điểm - điểm nhưng về mặt liên kết logic thì có thể là điểm – nhiều điểm. Cấu trúc này có nhược điểm là tốn dây dẫn, nếu có sự cố ở trung tâm sẽ làm tê liệt toàn bộ các mạng truyền thông trong mạng vì vậy trạm trung tâm thường phải có độ tin cậy rất cao Cấu trúc này thường được áp dụng trong các phạm vi nhỏ thường được dùng để mở rộng cấu trúc khác D B C A - Topology vòng lặp: Trong cấu trúc này các đối tác được nối thành vòng kín. Thông tin truyền theo 1 chiều, ưu điểm là tín hiệu được truyền đi xa và ngăn khả năng xảy ra xung đột. Có hai loại mạng vòng là mạch vòng có điều khiển trung tâm và loại mạch vòng không có điều khiển trung tâm. Với mạch vòng có điều khiển trung tâm một trạm chủ sẽ đảm nhận việc truy cập đường truyền. Với mạch vòng không có điều khiển trung tâm, các trạm đều bình đẳng như nhau trong quyền nhận và phát tín hiệu. Nh­ vậy, việc kiểm soát đường truyền do các trạm tự phân chia CÊu tróc trunk – line/drop line CÊu tróc daisy chain - Topology bus: Trong cấu trúc này các đối tác truyền thông được nối trên cùng một dây dẫn chung. Với cấu trúc daisy chain các đối tác truyền thông được nối trực tiếp vào đường truyền. Cấu trúc trunk- line/ drop-line thì có các dây nối từ các thiết bị tới đường bus chung. Cấu trúc này có ưu điểm là đơn giản và tiết kiệm dây dẫn do dùng chung một đường dẫn duy nhất, bên cạnh đó còn có ưu điểm là tính đơn giản, dễ thực hiện. Vì vậy mà cấu trúc này rất phổ biến trong mạng công nghiệp. Tuy nhiên việc dùng chung một đường dẫn đòi hỏi việc phân chia thời gian sử dụng thích hợp để tránh xung đột tín hiệu gọi là phương pháp truy cập đường truyền. Tuy nhiên một nhược điểm dễ thấy là tất cả các trạm có khả năng phát và luôn lắng nghe đường dẫn để phát hiện ra một thông tin có phải gửi cho mình hay không nên phải thiết kế sao cho đủ tải và số trạm tối đa. Đây chính là lý do phải hạn chế số trạm trong một đoạn, khi cần mở rộng mạng thì phải lắp thêm bộ lặp. Một số ví dụ mạng công nghiệp tiêu biểu sử dụng cấu trúc bus là PROFIBUS, CAN , FOUNDATION FielBus, Ethernet.... Topology cây Bé nèi vßng Bé lÆp Bé nèi sao Bé nèi Cấu trúc cây. Là cấu trúc tổng hợp của nhiều liên kết với các cấu trúc trên. Đây là cấu trúc thường gặp. Một mạng có cấu trúc cây chính là sự liên kết của nhiều mạng con có cấu trúc đường thẳng, mạch vòng hoặc hình sao. Đặc trưng của cấu trúc này là sự phân cấp đường dẫn. Để chia từ đường trục ra tới các nhánh có thể dùng các bộ nối tích cực hay các bộ lặp để mở rộng phạm vi của mạng. Trong trường hợp các mạng con này hoàn toàn khác nhau thì phải dùng tới các bộ liên kết mạng nh­ Bridge, Router và Gateway. Một số ví dụ các hệ thống cho phép xây dựng cấu trúc cây cho mạng đồng nhất là Foundation Fieldbus, LonWorks, DeviceNets và AS-I. 1.2 Giao thức công nghiệp. a. Khái niệm: Để trao đổi thông tin trên mạng, các đối tác truyền thông phải tuân theo các thủ tục chung để phục vụ cho việc giao tiếp gọi là giao thức. Giao thức chính là cơ sở cho việc thực hiện và sử dụng các dịch vụ truyền thông. Mét giao thức sẽ bao gồm những quy định: Định thời: Quy định về các thủ tục giao tiếp, chế độ truyền dẫn, tốc độ truyền. Ngữ nghĩa: Quy định về nội dung của từng phần trong mét khung truyền. Cú pháp: Quy định về cấu trúc Frame. Quá trình xử lý các giao thức có thể là mã hoá tín hiệu hoặc giải mã. Xử lý giao thức là quá trình thực hiện 1 quá trình truyền thông dựa trên cơ sở giao thức đã định. Giao thức chia làm 2 loại : Cấp cao: gồm người sử dụng và thực hiện bằng phần mềm. Ví dụ nh­ FTP (File Tranfer Protocol) dùng trao đổi dữ liệu và truyền xa, HTTP (Hyper Text Tranfer Protocol) để trao đổi dữ liệu truyền xa, MMS (Manuafactory Message Specification) dùng cho giải pháp về đo lường, điều khiển. Cấp thấp: thực hiện nhờ phần cứng. Ví dụ TCP/IP (Transmission Control Protocol / Internet Protocol) dùng cho mạng Internet, HDLC (High-lever Data Link Control) dùng cho giao diện vật lý của bus trường. Đây là giao thức sử dụng rộng rãi trong hệ thống bus trường. b. Các giao thức công nghiệp hiện đang sử dụng. * Yêu cầu: Dễ dàng cho các hệ thống xử lý: chọn giao thức đơn giản, ví dụ nh­ ASCII. Tính bảo toàn dữ liệu cao: chọn phương thức kiểm tra lỗi hiệu quả, ví dụ CRC. Chuẩn hoá các giao thức: cần phải có giao thức truyền thông công nghiệp chung do yêu cầu trao đổi thông tin từ các thiết bị khác nhau, ví dụ Modbus. Tốc độ truy cập cao: yêu cầu cập nhật đồng thời các thông số từ các thiết bị trường là đồng thời. b.1. Giao thức ASCII: Đây là giao thức đơn giản nhưng nhược điểm là chậm và khó sử dụng đối với các hệ thống lớn, nhiều nút mạng. Giao thức ASCII chỉ sử dụng trong hệ thống không đòi hỏi tốc độ trao đổi thông tin nhanh với 1 trạm chủ và nhiều trạm tớ. ASCII cho Transmitter sè: Các Transmitter số có thể coi là các thiết bị đo thông minh, chúng được tích hợp các cổng ghép nối truyền thông nh­ RS232, RS485 … S > DAC µP CT DAC I/O Hình : Cấu trúc Transmitter Các chuẩn này được sử dụng trong việc truyền số liệu giữa trạm chủ-tớ. Sơ đồ ghép nối được mô tả nh­ hình dưới: Master Slave Slave Bus hÖ thèng +Phần cứng truyền thông: Được ghép theo chuẩn RS232, chế độ truyền đơn công. Trạm chủ sẽ gửi thông báo cho các trạm tớ, trong thông báo có mang địa chỉ trạm nhận. Trạm nào mang địa chỉ này sẽ được nhận và hồi đáp tới trạm chủ. Master Slave1 TxD Slave2 TxD TxD TxD Slave n RxD RxD RxD • Ghép nối phần cứng theo chuẩn RS485: chế độ truyền bán song công. Master Slave1 Slave2 Trạm chủ phát thông báo để các trạm tớ cùng nghe, nếu trạm tớ they địa chỉ đó là của mình thì tiếp nhận và gửi lại cho trạm chủ. Cấu tróc giao thức ASCII : Phương thức hoạt động của giao thức ASCII là cơ chế hỏi / đáp. Chúng được áp dụng truyền thông giữa các trạm chủ (PC/PLC) với các transmitter. Trạm chủ luôn phát tín hiệu 1 cách tuần tự. Độ dài cực đại của mỗi mã trả lời là 20 kí tự. Phương pháp kiểm soát lỗi tổng để kiểm tra giá trị các số HEX trong bản tin. Các thiết bị nối mạng sẽ kiểm tra Bus liên tục để phát hiện ra đầu khung truyền (bắt đầu) thời gian nghỉ đến 1s nhưng nếu quá thì sẽ lỗi. b.2. Giao thức Modbus. Là giao thức được phát triển bởi Modicol. Thực chất là 1 chuẩn giao thức mà dịch vụ thuộc tầng ứng dụng. Vì vậy, nó được thực hiện trên các cơ chế vận chuyển cấp thấp: TCP/IP, MAP (Manuafacturing Message Protocol). Modbus định nghĩa là một tập hợp rộng lớn các dịch vụ trao đổi dữ liệu quá trình - điều khiển. Modbus thực hiện việc trao đổi giao tiếp giữa bộ điều khiển và thiết bị truyền thông qua cơ chế hỏi đáp. Modbus sử dụng trên các đường truyền RS232 ghép nối với các thiết bị đầu cuối DTE và DCE. Cách thức giao tiếp phụ thuộc vào hệ thống cấp thấp, chia làm 2 loại: + Modbus chuẩn: sử dụng giao diện RS232, các bộ điều khiển có các cổng giao tiếp này có thể được nối mạng với nhau trực tiếp hay qua moderm. Chóng giao tiếp theo cơ chế chủ / tớ, ở đó trạm chủ chủ động gửi yêu cầu cho trạm tớ. + Modbus Plus: là giao thức cho lớp ứng dụng, các thiết bị có thể giao tiếp theo cơ chế riêng. Ví dụ trong giao tiếp điểm-điểm, các bộ điều khiển có thể thay nhau đóng vai trò chủ / tớ. Cơ chế hỏi / đáp: - Thông báo hỏi tới các trạm tớ gồm: + Địa chỉ trạm nhận: 0-247, trong đó 0 là gửi đồng loạt. + Mã hàm: gọi chỉ thị hoạt động trạm tớ cần thực hiện yêu cầu. + Dữ liệu: chứa thông tin bổ xung mà trạm tớ cần thực hiện cho việc trạm gọi. + Thông tin kiểm tra lỗi: giúp trạm tớ kiểm tra sự toàn vẹn của nội dung thông tin. Chu trình hỏi / đáp: Yêu cầu từ trạm chủ địa chỉ địa chỉ mã hàm mã hàm dữ liệu dữ liệu kiểm tra lỗi kiểm tra lỗi trả lời từ trạm tớ Trả lời từ trạm tớ: + Địa chỉ: trạm nhận là trạm chủ. + Mã hàm: trả lời trạng thái của mình. + Chế độ truyền: có thể sử dụng ASCII hay RTU. Chế độ truyền : Đối với các thiết bị ghép nối qua mạng Modbus chuẩn, có thể sử dụng một trong hai chế độ truyền là: