ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG
----------
NGUYỄN HOÀNG ĐỨC
TÌM HIỂU VỀ GIAO DIỆN GIAO THỨC CÁC HỆ THỐNG
MẠNG TRONG CÔNG NGHIỆP
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH
Thái nguyên, 10/2011
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
http://www.lrc-tnu.edu.vn
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG
----------
NGUYỄN HOÀNG ĐỨC
TÌM HIỂU VỀ GIAO DIỆN GIAO THỨC CÁC HỆ THỐNG
MẠNG TRONG CÔNG NGHIỆP
CHUYÊN NGÀNH: KHOA HỌC MÁY TÍNH
MÃ SỐ : 60 48 01
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TS. PHÍ MẠNH LỢI
Thái nguyên, 10/2011
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
http://www.lrc-tnu.edu.vn
i
LỜI CAM ĐOAN
Tôi tên là : Nguyễn Hoàng Đức
Tôi cam đoan rằng, luận văn thạc sĩ “Tìm hiểu về giao diện, giao thức các
hệ thống mạng trong công nghiệp” là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các
thông tin, số liệu được sử dụng trong luận văn là trung thực và chính xác, những số
liệu được sử dụng được chỉ rõ nguồn trích dẫn trong danh mục tài liệu tham khảo.
Kết quả nghiên cứu này chưa được công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào
từ trước đến nay.
Thái nguyên, ngày 20/09/2011
Học viên
Nguyễn Hoàng Đức
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
http://www.lrc-tnu.edu.vn
ii
LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành chương trình cao học và viết luận văn này, tôi đã nhận được
sự hướng dẫn, giúp đỡ và góp ý nhiệt tình của quý thầy cô Trường Đại Học Công
Nghệ Thông Tin và Truyền Thông, các Thầy trong Viện Công Nghệ Thông Tin
Việt Nam.
Tôi xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến Tiến sĩ Phí Mạnh Lợi đã dành rất nhiều
thời gian và tâm huyết hướng dẫn nghiên cứu và giúp tôi hoàn thành luận văn tốt
nghiệp. Nhân đây, tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu Trường Đại Học
Công Nghệ Thông Tin và Truyền Thông – Đại học Thái Nguyên đã tạo rất nhiều
điều kiện để tôi học tập và hoàn thành tốt khóa học.
Mặc dù tôi đã có nhiều cố gắng hoàn thiện luận văn bằng tất cả sự nhiệt tình
và năng lực của mình, tuy nhiên không thể tránh khỏi những thiếu sót, rất mong
nhận được những đóng góp quí báu của quí thầy cô và các bạn.
Thái nguyên, tháng 10 năm 2011
Học viên
Nguyễn Hoàng Đức
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
http://www.lrc-tnu.edu.vn
iii
MỤC LỤC
Trang phụ bìa
Lời cam đoan
Mục lục
i
Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt
ii
Danh mục các bảng
iii
Danh mục các hình (hình vẽ, ảnh chụp, đồ thị...)
iv
Mở đầu
1
Chương 1: Hệ thống điều khiển phân tán
3
1.1. Hệ thống SCADA và phân cấp quản lý
3
1.2. Chức năng và một số giao thức chuẩn áp dụng trong hệ thống SCADA:
4
1.2.1. Chức năng chính của hệ thống SCADA:
4
1.2.2. Một số giao thức chuẩn áp dụng trong hệ thống SCADA:
5
1.3. Các thành phần của một hệ điều khiển phân tán.
5
1.3.1 Cấu hình cơ bản.
5
1.3.2 Trạm điều khiển cục bộ.
6
1.3.3 Bus trường và các trạm vào/ra từ xa
8
1.3.4 Trạm vận hành
9
1.3.5 Trạm kỹ thuật và các công cụ phát triển
11
1.3.6 Bus hệ thống
12
1.4 Phân loại các hệ DCS
13
1.4.1 Các hệ DCS truyền thống
13
1.4.2 Các hệ DCS trên nền PLC.
14
1.4.3 Các hệ DCS trên nền PC
16
1.4.4 DCS trên cơ sở RTU, PLC và IED
17
1.5 Các vấn đề kỹ thuật
17
1.6 Xử lý thời gian thực và xử lý phân tán
18
1.6.1 Hệ thống thời gian thực
18
1.6.2 Xử lý thời gian thực.
19
1.6.3 Hệ điều hành đa nhiệm và các ứng dụng thời gian thực
20
1.6.4 Xử lý phân tán
21
1.7 Đồng bộ hóa trong xử lý phân tán
1.7.1 Đồng bộ hóa các tín hiệu vào/ra
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
22
22
http://www.lrc-tnu.edu.vn
iv
1.7.2 Đồng bộ hóa thời gian
23
Chương 2 : Giao diện-giao thức và cấu hình mạng
24
2.1. Truyền tin nối tiếp
24
2.1.1. Truyền tin nối tiếp dị bộ
24
2.1.2. Truyền tin nối tiếp đồng bộ
25
2.2 Tín hiệu đơn và tín hiệu vi sai:
26
2.1.1. Truyền dẫn sử dụng tín hiệu đơn (Single-Ended)
26
2.1.2. Truyền dẫn sử dụng tín hiệu vi sai (Differential)
27
2.1.3. Khả năng chống nhiễu giữa tín hiệu đơn và tín hiệu vi sai
27
2.3 Đơn truy cập và đa truy cập
27
2.3.1. Đa truy cập trên giao diện RS485
28
2.3.2. Đa truy cập CSMA/CD
29
2.3.3. Đa truy cập CSMA/CA
30
2.3.4 Đa truy cập CDMA
30
2.3.5. Giả ngẫu nhiên, nén phổ và thông tin trái phổ
31
2.4. Cấu hình mạng: Star, Ring, Bus, Optical Cable.
36
2.4.1 Cấu hình mạng Star.
36
2.4.2 Cấu hình mạng Ring
37
2.4.3 Cấu hình mạng Bus
38
2.4.4 Optical Cable
38
2.5 Giao diện và giao thức:
42
2.6. Giao diện.
42
2.6.1. Giao diện RS232
42
2.6.2 Giao diện RS485.
45
2.6.2.1 Đặc điểm giao diện RS485
45
2.6.2.2 Khả năng kết nối:
46
2.6.2.3 Mạng truyền nhận RS-485.
47
2.6.3 Sự khác nhau cơ bản giữa RS 232 và RS 485
48
2.6.4 Kết nối dùng chuẩn X.25
48
2.6.5 Ethernet
49
2.6.5.1. Ethernet là gì ?
49
2.6.5.2 Hệ thống Ethernet
50
2.6.5.3 Sự ra đời chuẩn Ethernet
50
2.6.5.4 Các thành phần của Ethernet
51
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
http://www.lrc-tnu.edu.vn
v
2.6.5.5 Hoạt động của Ethernet
51
2.7 Giao thức
2.7.1 Giao thức truyền tin
52
2.7.1.1 Thiết bị DTE và DCE
52
2.7.1.2 Kênh dữ liệu và liên kết dữ liệu:
52
2.7.1.3 Các loại giao thức truyền tin:
55
2.7.1.4 Đánh giá giao thức COP:
57
2.7.1.5 Đánh giá giao thức dạng BOP:
58
2.7.2. Giao thức MODBUS.
58
2.7.2.1 Lịch sử của Modbus protocol.
58
2.7.2.2 Cấu trúc thông điệp Modbus
59
2.7.2.3 Các chế độ truyền thông nối tiếp Modbus
60
2.7.2.4 Địa chỉ Modbus
61
2.7.2.5 Các mã chức năng của Modbus
61
2.7.2.6 Qui chiếu địa chỉ của Modbus
62
2.7.2.7 Ví dụ một số khung tin của Modbus
62
2.7.3. Giao thức Profinet.
63
2.7.4 Giao thức IEC870-5-101; 103; 104; ICCP và ELCOM90
64
2.7.5 Giao thức TCP/IP
68
2.7.6. Quan hệ giữa giao thức lớp thấp và lớp cao
71
2.7.7 So sánh TCP/IP với mô hình OSI
78
Chương 3 : Hệ thống mạng công nghiệp và ứng dụng xây dựng bộ cảnh
báo 32 kênh sử dụng giao diện RS232/RS485
79
3.1. Mạng truyền thông công nghiệp là gì?
79
3.2. Phân loại và đặc trưng các hệ thống mạng công nghiệp
80
3.2.1. Các lớp dưới cùng (cấp chấp hành)
80
3.2.2. Lớp giữa (Điều khiển)
82
3.2.3. Lớp trên cùng (quản lý)
83
3.2.4. Lớp Scada
84
3.3. An toàn trong mạng
85
3.4. Ứng dụng xây dựng bộ cảnh báo 32 kênh sử dụng giao diện
RS232/RS485
PHẦN KẾT LUẬN
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
90
95
http://www.lrc-tnu.edu.vn
vi
KIẾN NGHỊ NHỮNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO
96
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÓ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN
97
TÀI LIỆU THAM KHẢO
98
PHỤ LỤC
99
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
http://www.lrc-tnu.edu.vn
iv
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
Chữ viết tắt
LCS
LCU
OS
ES
PS
CPU
DCS
COP
BOP
I/O
ECC
Chữ đầy đủ, nghĩa
Local control station ; Trạm điều khiển cục bộ
local control unit ; Khối điều khiển cục bộ
operator station, trạm vận hành
engineering station, Trạm kỹ thuật
process station, trạm quá trình(xử lý)
Center Processing Unit; Bộ xử lý trung tâm
Distributed Control Systems; Hệ thống điều khiển phân tán
Character Oriented Protocol; Giao thức truyền tin dạng ký tự
Bit (Binary) Oriented Protocol ; Giao thức truyền tin dạng Bít
Reference Model for Open Systems Interconnection
Mô hình tham chiếu cho việc kết nối các hệ thống mở
Supervisory Control and Data Acquisition
Hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu
Remote Terminal Unit ; Là một thiết bị được điều khiển bằng bộ vi xử lý
Programmable Logic Controller
là một thiết bị được điều khiển bằng chương trình (phần mềm)
(In put/Out put)
Error checking and correcting ; Kiểm tra lỗi và sửa lỗi
DTE
Data Terminal Equipement ; Thiết bị đầu cuối dữ liệu
DCE
Data Communication Equipement; Thiết bị đầu cuối viễn thông
Transmission Control Protocol/ Internet Protocol
Giao thức điều khiển/ Giao thức Internet
Cyclic Redundancy Check ; Phương pháp mã đa thức hay mã vòng
Spread Spectrum Communication - Thông tin trải phổ
Pseudo Random - Giả ngẫu nhiên
Global Positioning Systeem - Hệ thống định vị toàn cầu (USA)
OSI
SCADA
RTU
PLC
TCP/IP
CRC
SSC
PR
GPS
GLONASS
CDMA
CSMA/CD
CSMA/CA
LAN
Глoбальная Нaвигационная Спутниковая Система –
Hệ thống dẫn đường vệ tinh toàn cầu (Liên xô/Nga)
Code Division Multiple Access ; đa truy nhập (đa người dùng) phân chia theo mã
Carrier sense Multiple Access with Collision Detect
đa truy cập nhận biết sóng mang, phát hiện xung đột
Carrier sense Multiple Access with Collision Avoidance
đa truy cập nhận biết sóng mang , tránh xung đột
Local Area Network – Mạng cụ bộ
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
http://www.lrc-tnu.edu.vn
v
Wireless LAN
LAN không dây
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Nội dung
Hình
Trang
Hình 1.1
Tổng quan hệ thống SCADA
4
Hình 1.2
Cấu hình cơ bản của một hệ điều khiển phân tán
6
Hình 1.3
Một số hình ảnh tủ điều khiển DCS
9
Hình 1.4
Các phương pháp bố trí trạm vận hành
10
Hình 1.5
Cấu hình tiêu biểu một hệ điều khiển phân tán hiện đại
12
Hình 1.6
Các thành phần chức năng chính của một PLC
15
Hình 2.1
Khả năng chống nhiễu giữa truyền tín hiệu đơn và tín hiệu vi sai
27
Hình 2.2
Phổ rời rạc của dãy bít số liệu.
31
Hình 2.3
Phổ liên tục của dãy giả ngẫu nhiên PN và PND
33
Hình 2.4
Ngẫu nhiên hóa số liệu
34
Hình 2.5
Các trường hợp trải phổ và nén phổ
34
Hình 2.6
Tạo kênh liên lạc bằng dãy giả ngẫu nhiên
35
Hình 2.7
Mô hình mạng Star
36
Hình 2.8
Mô hình mạng Ring
37
Hình 2-9
Cấu trúc mạng hình tuyến
38
Hình 2.10
Hình dạng cáp quang
38
Hình 2.11
Cổng nối tiếp 9 chân
42
Hình 2.12
Đường truyền cân bằng
46
Hình 2.13
Đường truyền không cân bằng
46
Hình 2.14
Sơ đồ giao thức Master/Slave
47
Hình 2.15
Kết nối WAN dùng mạng X25
48
Hình 2.16
Liên kết dữ liệu giữa DTE và DCE
52
Hình 2.17
Các cấu hình liên kết dữ liệu
53
Hình 2-18
Kiến trúc TCP/IP
68
Hình 2-19
Quá trình đóng/mở gói dữ liệu trong TCP/IP
70
Hình 2-20
Cấu trúc dữ liệu trong TCP/IP
71
Hình 2.21
Mô hình OSI
75
Hình 2.22
So sánh TCP/IP với mô hình OSI
78
Hình 3.1
Mô hình phân cấp chức năng công ty sản xuất công nghiệp
80
Hình 3.2
Phía trước bộ cảnh báo
92
Hình 3.3
Phía sau bộ cảnh báo
93
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
http://www.lrc-tnu.edu.vn
vi
Hình 3.4
Đấu nối nguồn nuôi, tín hiệu vào DI, tín hiệu ra SCADA và cổng RS232
93
Hình 3.5
Đấu nối còi báo, nhấn nút TEST, RESET và ACK
94
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1
Phương pháp đa truy cập
Bảng 2.2
Cách đấu nối chuyển đổi cổng nối tiếp 9 chân sang 25 chân
43
Bảng 2.3
Giải thích các tín hiệu điều khiển lưu lượng
43
Bảng 2.4
Bảng quy chiếu tính năng của các giao diện cơ bản trong hệ thống
mạng công nghiệp
72
40,41
Bảng quy chiếu tính năng của các giao thức cơ bản trong hệ thống
Bảng 2.5
Bảng 3.1
73, 74
mạng công nghiệp.
So sánh mạng công nghiệp và các hệ thống mạng khác
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
http://www.lrc-tnu.edu.vn
79
1
MỞ ĐẦU
Ngày nay với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ trong công
nghiệp, hoạt động sản xuất đã được tự động hóa ở mức độ cao, ở đó sự tham gia rất
hiệu quả của công nghệ thông tin.
Các dây chuyền sản xuất công nghiệp được cấu thành từ nhiều phân hệ độc
lập nhưng được tự động liên kết thống nhất với nhau trong sự kiểm soát chặt chẽ
không chỉ ở qui trình công nghệ cụ thể mà còn ở trình độ quản lý từ tối ưu sản xuất
đến tối ưu về công tác tiêu thụ (thị trường).
Điều đó được thực hiện trên cơ sở kết nối tất cả cả các phân hệ trong dây
chuyền sản xuất và tiêu thụ qua hệ thống mạng, được gọi là mạng công nghiệp.
Về cơ bản mạng công nghiệp có cùng chức năng như các loại mạng nói
chung khác. Tuy nhiên do đặc thù của sản xuất công nghiệp, các sự kiện xảy ra trên
toàn bộ dây chuyền sản xuất hoàn toàn trong thời gian thực, đỏi hỏi độ tin cậy, xác
thực, mở và thống nhất rất cao. Một lỗi kết nối có thể là bình thường ở một mạng
văn phòng, nhưng có thể phải trả giá rất lớn về ở một mạng công công nghiệp.
Lý do chọn đề tài:
- Hiện nay công nghệ thông tin tham gia rất sâu vào các dây chuyền sản xuất
công nghiệp.
- Tại đó có sử dụng công nghệ mạng,
- Tuy nhiên các giải pháp mạng trong sản xuất công nghiệp có đặc thù riêng,
được phân chia thành nhiều lớp, tuân thủ các chuẩn quốc tế, đảm bảo dây chuyền
sản xuất làm việc tin cậy, an toàn, đòi hỏi tính mở rất cao và thỏa mãn tính thời gian
gian thực của các quá trình tự động hóa sản xuất.
- Các dây chuyền sản xuất của hệ thống điều khiển tự động ngày nay được
xây dựng dưới dạng các hệ thống điều khiển phân tán DCS.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
http://www.lrc-tnu.edu.vn
2
- Ở đó hệ thống được phân chia thành các phân hệ liên kết với nhau bởi
công nghệ mạng theo các tiêu chuẩn khác nhau.
- Việc trao đổi thông tin giữa các phân hệ được thông qua các giao diện,
giao thức truyền tin.
Xuất phát từ những lý do đó nên em chọn đề tài: ―Tìm hiểu về giao diện,
giao thức các hệ thống mạng trong Công nghiệp‖ với sự hướng dẫn của Thầy
giáo TS. Phí Mạnh Lợi Viện CNTT Việt Nam.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu.
- Đối tượng nghiên cứu của đề tài là các giao diện, giao thức và các hệ thống
mạng và khả năng áp dụng trong các ứng dụng công nghiệp.
- Phạm vi nghiên cứu của đề tài là:
Các giao diện: RS232, RS485, Ethernet, ….
Các phương pháp nâng cao độ tin cậy kết nối
Các phương pháp truy cập
Các giao thức : MODBUS, IEC870-5-101, IEC870-5-103, IEC870-5104, ICCP, ELCOM90, TCP/IP, ....
Cấu hình các hệ thống SAS/DCS, SCADA,..
Hướng nghiên cứu của đề tài
Tìm hiểu về yêu cầu và cấu trúc cơ bản của một hệ thống điều khiển
giám sát.
Tìm hiểu về các giao diện, các phương thức truyền tin
Tìm hiểu về các giao thức truyền tin áp dụng trong các hệ thống
mạng trong công nghiệp.
Tìm hiểu các ưu, nhược điểm và đặc điểm của các hệ thống mạng
trong công nghiệp
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
http://www.lrc-tnu.edu.vn
3
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
http://www.lrc-tnu.edu.vn
4
Chương 1
Hệ thống điều khiển phân tán
Hệ thống SCADA và phân cấp quản lý
Hiểu theo nghĩa đầy đủ, hệ thống Điều khiển kiểm soát và thu thập dữ liệu
(SCADA) trong công nghiệp cho phép điều khiển giám sát hoạt động của các hệ
thống công nghệ, bao gồm quá trình sản xuất tại các nhà máy xí nghiệp trong toàn
ngành, cho tới giám sát từ xa tại các Trung tâm điều hành các cấp và cả công tác
điều hành thị trường.
Do được cấu thành từ rất nhiều phân hệ và được trải ra trên không gian địa lý
rộng lớn, hệ thống SCADA là điển hình của hệ thống điều khiển phân tán.
Hệ thống SCADA thường có phân cấp quản lý như sau:
a. Cấp hiện trường
b. Cấp nhà máy
c. Cấp vùng miền
d. Cấp ngành
Cấp hiện trường quản lý dây chuyền công nghệ sản xuất trong một nhà máy xí
nghệp nhất định.
Cấp nhà máy quản lý toàn bộ quá trình sản xuất của nhà máy, bao gồm quản lý
cấp hiện trường và các quản lý khác thuộc nhà máy xí nghiệp.
Vị trí của cấp hiện trường và cấp nhà máy đặt tại nhà máy xí nghiệp.
Cấp vùng miền quản lý nhiều nhà máy xí nghiệp trong vùng được phân công
quản lý. Ở Việt nam cấp này có vị trí đặt ở trung tâm vùng miền.
Cấp ngành quản lý chung quá trình sản xuất và thị trường của toàn ngành. Đây
là cấp quản lý cao nhất đối với ngành.
Nhà nước thực hiện công tác quản lý ngành thông qua cấp này.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
http://www.lrc-tnu.edu.vn
5
Có 2 yêu cầu lớn đối với hệ thống SCADA:
a.
Là hệ thống phức tạp đắt tiền nên các thành phần của SCADA được cung
cấp bởi nhiều nhà sản xuất. Do đó có yêu cầu cao về chuẩn hóa thiết bị,
đặc biệt là về các giao diện và giao thức.
b.
Do được trải ra trên không gian địa lý rộng lớn nên cần nhiều dịch vụ
viễn thông để kết nối các phân hệ của hệ thống SCADA.
ICCP/ELCOM90
CC (Center)
IEC 870-5-101/104
CC (Center)
IEC 870-5-101/104
IEC 61850
RTU, PLC
870-5-103/MODBUS
SAS/DCS
IEC 870-5-103/MODBUS
Hình 1.1 – Tổng quan hệ thống SCADA
1.1 Chức năng và một số giao thức chuẩn áp dụng trong hệ thống SCADA:
1.2.1. Chức năng chính của hệ thống SCADA:
Hệ thống SCADA có một số chức năng chính sau đây:
+ Chức năng thu thập dữ liệu
+Chức năng điều khiển, điều chỉnh (tại chỗ và từ xa).
+ Chức năng tạo các cảnh báo
+ Chức năng tạo các biểu đồ, đồ thị
+Chức năng lưu trữ và truy xuất số liệu và thông tin.
+Chức năng trung chuyển số liệu và thông tin (lên cấp quản lý cao hơn)
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
http://www.lrc-tnu.edu.vn
6
+….
Ngày nay các hệ thống điều khiển kiểm soát không chỉ là hệ thống quản lý thuần
túy kỹ thuật. Vai trò của hệ thống SCADA cũng chỉ quản lý hạ tầng kỹ thuật với các
phần mềm tương ứng. Các hệ thống SCADA nói trên cần được tích hợp thêm các
ứng dụng kinh tế - kỹ thuật và thị trường. Đối với ngành năng lượng hệ thống như
vậy được gọi là SCADA/EMS (EMS tiếng Anh có nghĩa là Energy Management
System). Đây là chức năng mới và đang bắt đầu được ứng dụng tại Việt nam.
1.2.2. Một số giao thức chuẩn áp dụng trong hệ thống SCADA:
Kết nối dữ liệu trong hệ thống SCADA hiện nay thường tuân thủ một số giao thức sau
-
Giữa RTU với với dây chuyền công nghệ sử dụng giao thức IEC870-5-103
hoặc giao thức của nhà sản xuất
-
Giữa SAS/DCS với IED sử dụng giao thức MODBUS trên RS485/RS232,....
-
Giữa GateWay của SAS/DCS với CC sử dụng giao thức IEC870-5-101 trên
RS232/Modem hoặc giao thức IEC870-5-104 qua mạng TCP/IP (giao diện
Ethernet).
-
Giữa CC với CC sử dụng giao thức ICCP hoặc ELCOM90
-
Giữa CC với hệ thống quản lý thị trường sử dụng giao thức ICCP hoặc
ELCOM90,...
1.3. Các thành phần của một hệ điều khiển phân tán.
1.3.1 Cấu hình cơ bản.
Cấu hình cơ bản một hệ điều khiển phân tán được minh họa ở Hình 1-2,
bao gồm các thành phần sau:
- Các trạm điều khiển cục bộ (local control station, LCS), đôi khi còn được
gọi là các khối điều khiển cục bộ (local control unit, LCU) hoặc các trạm quá
trình (process station, PS).
- Các trạm vận hành (operator station, OS)
- Trạm kỹ thuật (engineering station, ES) và các công cụ phát triển
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
http://www.lrc-tnu.edu.vn
7
- Hệ thống truyền thông (field bus, system bus).
Hình 1.2: Cấu hình cơ bản của một hệ điều khiển phân tán
Đây là cấu hình tối thiểu, các cấu hình cụ thể có thể chứa các thành phần
khác như trạm vào/ra từ xa (remote I/O station), các bộ điều khiển chuyên dụng,...
1.3.2 Trạm điều khiển cục bộ.
Thông thường, các trạm điều khiển cục bộ được xây dựng theo cấu trúc
module. Các thành phần chính bao gồm:
- Bộ cung cấp nguồn, thông thường có dự phòng
- Khối xử lý trung tâm (CPU), có thể lựa chọn loại có dự phòng
- Giao diện với bus hệ thống, thông thường cũng có dự phòng
- Giao diện với bus trường nếu sử dụng cấu trúc vào/ra phân tán
- Các module vào/ra số cũng như tương tự, đặc biệt là các module vào/ra an
toàn cháy nổ
Trong cấu trúc vào/ra tập trung, các module vào/ra được nối với CPU thông
qua bus nội bộ đằng sau giá đỡ (backplane-bus). Chính vì vậy, các module này cũng
phải do nhà sản xuất cung cấp kèm theo CPU.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
http://www.lrc-tnu.edu.vn
8
Trong các hệ thống điều khiển quá trình, một trạm điều khiển cục bộ cũng
thường được cài đặt giao diện HART và các module ghép nối phụ kiện khác.
Các thiết bị này được lắp đặt trong tủ điều khiển cùng với các linh kiện hỗ
trợ khác như hàng kẹp đấu dây, các bộ chuyển đổi tín hiệu (transducers), các khối
đầu cuối (terminal blocka),... Các tủ điều khiển thường được đặt trong phòng điều
khiển/phòng điện ở bên cạnh phòng điều khiển trung tâm hoặc gần khu vực hiện
trường.
Các chức năng do trạm điều khiển cục bộ đảm nhiệm bao gồm:
- Điều khiển quá trình (process control): Điều khiển các mạch vòng kín
(nhiệt độ, áp suất, lưu lượng, độ pH, độ đậm đặc,...). Hầu hết các mạch vòng đơn
được điều khiển trên cơ sở luật PID, giải quyết bài toán điều khiển điều chỉnh, điều
khiển tỉ lệ, điều khiển tầng. Các hệ thống hiện đại cho phép điều khiển mờ, điều
khiển dựa mô hình (model-based control),điều khiển thích nghi, ...
- Điều khiển trình tự (sequential control, sequence control)
- Điều khiển logic
- Thực hiện các công thức (recipe control).
- Đặt các tín hiệu đầu ra về trạng thái an toàn trong trường hợp có sự cố.
- Lưu trữ tạm thời các tín hiệu quá trình trong trường hợp mất liên lạc với
trạm vận hành
- Nhận biết các trường hợp vượt ngưỡng giá trị và tạo các thông báo báo động
Chính vì đây là thành phần quan trọng nhất trong hệ thống, đại đa số các trạm
điều khiển cục bộ có tính năng kiểm tra và sửa lỗi (error checking and correcting,
ECC), cũng như cho phép lựa chọn cấu hình dự phòng. Một điều quan trọng là một
trạm điều khiển cục bộ phải có khả năng đảm bảo tiếp tục thực hiện các chức năng
nói trên trong trường hợp trạm vận hành hoặc đường truyền bus hệ thống có sự cố.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
http://www.lrc-tnu.edu.vn
9
Các máy tính điều khiển có thể là máy tính đặc chủng của nhà cung cấp
(vendor-specific controller), PLC hoặc máy tính cá nhân công nghiệp. Dựa trên cơ
sở này có thể phân loại các hệ thống điều khiển phân tán có mặt hiện nay trên thị
trường thành các hệ truyền thống (sau đây gọi là DCS truyền thống), các hệ trên nền
PLC (PLC-based DCS) và các hệ trên nền PC (PC-based DCS).
Bất kể chủng loại thiết bị nào được sử dụng, các yêu cầu quan trọng nhất về
mặt kỹ thuật được đặt ra cho một trạm điều khiển cục bộ là:
- Tính năng thời gian thực
- Độ tin cậy và tính sẵn sàng
- Lập trình thuận tiện, cho phép sử dụng/cài đặt các thuật toán cao cấp
- Khả năng điều khiển lai (liên tục, trình tự và logic).
1.3.3 Bus trường và các trạm vào/ra từ xa
Khi sử dụng cấu trúc vào/ra phân tán, các trạm điều khiển cục bộ sẽ được bổ
sung các module giao diện bus để nối với các trạm vào/ra từ xa (remote I/O station)
và một số thiết bị trường thông minh. Các yêu cầu chung đặt ra với bus trường là
tính năng thời gian thực, mức độ đơn giản và giá thành thấp.
Bên cạnh đó, đối với môi trường dễ cháy nổ còn các yêu cầu kỹ thuật đặc
biệt khác về chuẩn truyền dẫn, tính năng điện học của các linh kiện mạng, cáp
truyền,... Các loại bus trường được hỗ trợ mạnh nhất là Profibus-DP, Foundation
Fieldbus, DeviceNet và AS-I. Trong môi trường đòi hỏi an toàn cháy nổ thì
Profibus-PA và Foundation Fieldbus H1 là hai hệ được sử dụng phổ biến nhất.
Khác với cấu trúc vào/ra tập trung, cấu trúc vào/ra phân tán cho phép sử
dụng các trạm vào/ra từ xa của các nhà cung cấp khác với điều kiện có hỗ trợ loại
bus trường qui định. Tuy nhiên, để có thể khai thác tối đa khả năng các công cụ
phần mềm tích hợp và đảm bảo tương thích hoàn toàn giữa các thành phần trong
một hệ DCS, việc dùng trọn sản phẩm của một hãng vẫn là giải pháp an toàn nhất.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
http://www.lrc-tnu.edu.vn
- Xem thêm -