Tài liệu Mạng truyền thông công nghiệp

H o à n g M i n h Sơn MẠNG TRUYỀN THÔNG CÔNG NGHIỆP NHÀ X U Ấ T BẢN KH O A HỌC VÀ K Ỹ T H U Ậ T -2 001 - ii M ã số: - , 6T6 5----1 2 3 - 1 8 3 - 6 / 4 / 2 0 0 1 K H K T - 2001 I II Lời nói đầu Tóc độ p h ú t triển nh a n h chóng của còng nghệ vi điện tử, k ỹ thuật truyền thòng và công nghệ p h ấ n mém trong nhữ ng nám gấn đày đã tạo s ự chuyển biến cơ hàn trong hư ờng đ i cho các g iá i p h á p tư đỏng hóa còng nghiệp Xu h ư ớng phản tán, mém hóa và chuẩn hóa là ba trong nhiều điểm đ ặc trứng cho s ự thay đổi này. N h ừ n g xu hướng mới đó khàng nằm ngoài m ục đích g iám #10 thanh g iá i p h á p và nàng cao chăt lượng hệ thong. S ự ứng dụng rộng rả i các hệ thòng m ạng truyền thòng công nghiệp, đặc biệt các hệ thòng bus trường, là một v i d ụ tiêu biếu. "M ạ n g tr u y ề n th ô n g c ô n g n g h iệ p " c ũ n g n h ư "Còng nghệ bus trư ờ n g " không phai là một lĩn h vự c k ỹ thuật hoàn toan mời, ma thực chất là cát còng nghê được k ể thừ a, chất lọc ua p h a t triển từ kỹ thu ật truyền thòng noi chung cho phù kưp với các yêu cấu trong còng nghiệp. Diều này thẻ'hiên ở chồ, mồi một người hoạt động trong lĩn h vự c điếu khiến • tự đông hóa đểu cùng đả biết ít nhiều về nó, có th ể nói về nó, ngay cả k h i chưa đọc một cuốn sách cụ thê nào về m ạng truyền thông cồng nghiệp , về công nghệ bus trường . T ừ hơn một thập k ỳ nay, công nghệ bus trường đả trò nên không thể thiếu được trong các hệ thông điều khiến vả giá m sá t hiện đ ại. Son g, thực t ế người s ử dụng trong còng nghiệp thường g ặ p p h á i hảng loạt các vàn đ ề khác nhau rát cơ ban - • m ặc dù như ng không được đè cập ở các tài liệu thuộc lĩn h vực m ạng tru y én thông p h ổ thông (m ạ n g m áy tín h , m ạng viền thống). Ván đ ề đặt ra trước tiên k h i xày dựng một g iả i p h á p tự động hóa không còn là nên hay không nên, mà là lự a chọn hệ thống m ạng truyền thông nào cho phù hợp với yêu cẩu và nhiệm vụ của ứng d ung thực tế. V i d ụ , g iá i pháp bu8 írương nào có th ế thỏa mãn yèu cấu về càu trú c hè thống vờ tinh năng thơi gian th ự c cùa ứng d ụ n g ? Hơn nửa, đ ế so sánh hai hệ thong phái dựa trên cơ sờ kỹ thuật nào? T iế p theo là bàỉ toán đ ặ t cẩu hình, tham sô và đưa hê thống đ i vao vận hành . Chàm nhàt là k h i các đèn bao lồi trên các module đỏ hàng loạt , người làm công việc tích hợp hệ thống sè thấy rằ n g không thè tim thấy một cách n h a n h chóng lờ i g iả i thích thỏa đ án g ở các tà i liệu hưởng (lẩn củng n h ư qua đ ư ờn g d à y hồ trợ nông của nhà cung cấp thiết b ị m ạng . Cuỏh sá ch được x á y d ự n g trên cơ sở nội d u n g bài giang cho sin h viên nhữ ng nám CUÔÎ cùa ngành Đ iếu khiên T ự động (Đ H B K Hà N ộ i), một mặt nhầm đáp ứng yêu cẩu cấp thiết uể g iá o trin h trong nhờ trương, m ặt khác iV nhấm m ục đ ích cung cáp thòng tin cập nhật cho dông đ áo g iớ i bạn đọc quan tâm tới lĩn h vực này. Cuốn sách là tài liệu tự học và tham kháo cho các sinh viên các trường đ ạ i học kỹ thuật, các học viên cao học và các kỵ SƯ làm việc tron g lỉn h vực tích hợp hệ thông. T ro n g khuôn k h ố có hạn của cuổn sách, việc chọn lọc va trìn h bẩy nội d u n g đè p h u hựp với nhiều nhỏm ban đọc khac nhau q u á thật khà ng dè dàng. Th eo quan điểm CÙCI tác g ià thi phán kỹ thu ật cơ ban đỏng vai trò quan trọ n g hơn cá, bới vi nó là nến táng cho mọi còng nghệ khác nhau. Phấn trìn h bày v ề các hệ thông bus trường tiêu biếu được biên soạn dự a theo xu hưởng ứng d ụng trong nước , g iú p bạn đọc hiếu sáu hơn p h á n kỹ th u ậ t cơ bán và n h a n h chóng nắm được thòng tin cô đọng uể một hệ thông ch i qua it tra n g sách m à kh ô n g p h á i m ất công tìm tòi trong các tài liệu ch u ổn . v é m ặt thuật ngữ, còn n h iều k h á i niệm mới chưa được thông nhất trong tiếng V iệt, VI vậy tác g iả s ử d ụ n g nguyên bán tiếng A n h kèm theo lời g iả i thích. T á c g iả chán thành cám ơn ch ị Phan X u â n M in h và anh Nguyễn Doãn Phước - nh ữ n g người đả luôn ”g áy sức é p " với tác g iá đẻ hoàn thành cuốn sách. T ro n g k h i hoàn thảnh ấn bán lán đàu tiên cua cuốn sách, tác g iá đã cỏ g ăn g rấ t n h iều trong việc biên soạn nội dung va cách trin h bày, tuy vậy không trá n h khỏi nhữ ng thiếu sót, bất cập. Với m ong m uốn cuốn sách sẽ ngày càng được hoàn thiện trong các lấn tái bán sau đê p h ụ c vụ tốt hơn nữa yêu cấu bạn đọc, tác g iả mong nhận được những gop ý sứ a đôi hay bỏ sung. Các ý k iế n p h ả n h ổi xin g ử i về: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Khoa Điện, Bộ môn Điều khiến Tự động. Sỏ 1 Đại Cổ Việt. C9/318-319 e-m ail: [email protected] hoặc Nhà Xuất bản Khoa học và Kỹ thuật 70 Trần Hưng Hạo - Hà Nội H à N ộ i, th á n g T ư nám 2001 T á c g iá Mục lục ■ • Danh mục hình vẽ ................................................................ ix Chương 1 Mỏ đáu ..... 1 11 Mang truyèn thòng còng nghiệp la gi7 1 1.2 Phàn loai va dâc trưng cac hệ Ihcong MCN ............. 3 1 3 Vè nội dung cuỏn sach ................................................................................... 7 14 Ghi chủ và tài liệu tham khảo .......................................................................................... 8 Chương 2 Cơ sỏ kỹ thuật ............................................................................................................10 21 Cảc khải niộm cơ bàn .....................................*................................................ 10 2.1.1 Thòng (in, dử liệu vả tinhiệu................................................................................................ 10 2.1.2 Truyén thõng, truyén dửliẻu và truyền tín hiệu........................................................ 14 213 Tinh nàng thời gian thưc . 18 2.2 Chẻ đỏ truyén tài ..................................... 19 2 2.1 Truyẻn bít song song và truy/én bit nối tiẻp.................................................................20 2.2.2 Truyén dóng bộ và không đõỉ>g bộ........................................................................................21 223 Truyén một chiẻu. hai chiéu toàn phán và giản đoạn............... ........22 2 2 4Truyẻn tài dải cơ sở. truyèn ùả' dải mang và truyéntải dải rộng........................23 2.3 Cấu trúc mạng - Topology...................................................................................................25 2 3.1 Cấu trúc bus....................... ............................... 26 2.3.2 Cấu trúc mạch vỏng (tích cựt) .................................................................................. 28 2.3.3 Cấu trúc hinh sao .......................................................................................31 2 3 4 Cấu true cây 32 2 4 Kién trúc giao thức 33 2 4 1 Dịch vụ truyẻn thông ................................ 33 2 4 2 Giao thức ........................ ........ 34 24 3 Mộhinhỉớp 37 2.4.4 Kiến trúc giao thức OSI ........... ......................................................... 39 2.4.5 Kién trúc giao thức TCP/IP ........................................................................................ 48 2 5 Truy nhập bus...................................................................................................................................51 2.5.1 Đặt ván đé 51 2.5.2 Master/Slave............................... ....................................................................................... 54 2.5.3 TDMA.............................. ........................................ ....................................... 56 2.5.4 Token Passing. ............... 57 2.5.5 CSMA/CD.................................................................................................................................59 2 5.6 CSMA/CA........................ . ...........................................................................................62 2.6 Bào toàn dử liệu.................. ............... ..........................................................64 2.6.1 Đạt ván đé.......... .....................................................................................................64 2 6.2 Parity bit................................................................................................................................... 68 2 6.3 Parity bit 2 chiếu.................................................................................................................... 68 2.6.4 C R C ...........................................................................................................................................71 2.6.5 Bit Stuffing ........................................................... .73 2 7 Mã hóa bit ............................................. 74 2.7 1 Các tiêu chuẩn trong mà hóa b»it 75 2.7.2 NRZ. R Z ......... ......................................................................................76 2 73 Mả Manchester ...................................... ...77 2.7.4 AFP 78 2.7.5 F S K ................................................................................................................................ 78 2.8 Chuẩn truyén dẵn........................................................................................ 79 2.8.1 Phương thức truyén dãn tin hiệu.................................................................................. 80 2.8.2 RS-232............. ................................................................................. 84 2.8.3 RS-422....................................................................................................................................86 2.8.4 RS-485................................................................................................*.................................. 87 2 8.5 IEC 1158-2.......................................................... 95 2.9 Mỏi truởng truyén dẳn................................................................................. 97 2.9.1 Đỏỉ dày xoắn.........................................................................................................................98 2.9.2 Cáp đong trục................................................................................... ............. 100 2.9.3 Cảp quang...................................................................................................................... 102 2.9.4 Vô tuyến .7.................................................................................................................... 104 2.10 Thiết bị liên két mạng.................................................................................... ........................106 2.10 1 Bộ lập.............................................................................................................. 106 2.10.2 Cáu nỗi............................................................................................................................. 107 2 10.3 Router................................................... 108 2.10.4 Gateway............................. 110 2.11 Ghi chú và tài liệu tham khảo..................................... ..................................... 111 Chương 3 Các hệ thống bus tiéu biểu............................................................................................113 3.1 P R O FIB U S...........7....................................................................................................................... 113 3.1.1 Kién trúc giao thức............................................................................................................. 114 3.1.2 Cáu trúc mạng và kỹ thuật truyén dãn......................................................................115 3.1.3 Truy nhập b us......... .......................................................................................................... 117 3.1.4 Dịch vụ truyền dử liệu.............................................................................................. 117 3.1.5 Cấu trúc bứt điện..............................................................................................................120 3.1.6 PRO FIBUS-FM S........................................................................................................... 122 3.1.7 PROFIBUS-DP................................................................................................................... 128 3.1.8 PROFIBUS-PA....................................................................................................................133 3.1.9 Ghi chủ và tài liệu tham k h ả o ................................................................................. 135 3.2 C A N ........................................................................................................................ ....................... 137 3.2.1 Kiến trúc giao thức.................................................................................................... 137 3.2.2 Cấu trúc mạng và kỹ thuật truyén dán................................................................ 138 3.2.3 Cơ chế giao tiếp.................................................................................................................139 3.2.4 Cấu trúc bửc điện.................................................. ... 140 3.2.5 Truy nhập bus ...................................................................................................... 144 3.2.6 Bảo toàn dử liệu.................................................................................................................145 3.2.7 Mả hỏa bit............................................. 146 3.2 8 Cảc hệ thóng tiêu biểu ơựa trén CAN 146 3.2.9 Ghi chủ và tài liệu tham khào.......................................................................................149 3 3 DeviceNet............................................................................... ..........................................150 3.3.1 Cơ chế giao tiếp.................................................... 150 3.3.2 Mô hinh đổi tượng...................................................................................... ........................151 3.3.3 Mỏ hinh địa ch ỉ................................................................................................................ 152 3.3.4 Cáu trúc bức đỉện...........................................................................................................153 3.3.5 Dịch vụ thông bao ..........................................................................................................154 3.3.6 Ghi chú và tài liệu tham khảo....................................................................................157 3.4 Modbus .................................................................................. 158 3.4 .1 Cơ ché giao tiếp...................................................... 158 3.4.2 Chế độ truyổn.................................................................................................................. 160 3.4.3 Cấu trúc bức điện........................................................................................................... 162 3.4.4 Bảo toàn dữ liệu.......................................................................................................... 165 3 4 5 Modbus Plus 167 3 4 6 Ghi chu vá tài liệu tham khảo 168 3.5 Interbus-S...................................................................................................... 170 3.5.1 Kiên trúc giao thửc...............................................................................................................170 3 5 2 Cáu trúc mạng và kỹ thuật truyén dản 171 3.5.3 Cơ chê giao tiép............................................................................. 174 3.5.4 Cáu trúc bức điện............................................. .............................................. 176 3.5.5 Dịch vụ giao tiểp. ......................................................... .......................................................177 3.5 6 Ghi chú và tài liệu tham khảo........................................................................................ 179 3.6 A S -L ....................................... ..........................................................................................................180 3.6.1 Kiến trúc giao thức.......................................... .....................................................................181 3.6.2 Cáu trúc mạng và cảp truyén ........................................................................................182 3.6.3 Cơ chế giao tiếp...................................................................................................................184 3.6.4 Cảu trúc bức điện................................................................................................................ 184 3.6.5 Mảhỏabit........... ....................................................................................................................186 3.6.6 Bảo toàn dữ liệu ................................................................................................................... 187 3.6.7 Ghi chú và tải liệu tham khảo........................................................................................ 188 Chương 4 Các thầnh phấn hệ thống mạng...................................................... ;....................... 190 4.1 Phán cứng giao diện mạng...................................................................................................... 191 4 1 1 Cáu trúc chung cảc phán cửng giao diên mang 191 4 12 Ghep nói P LC ......... ................... . ............................ ............................. 193 4 1.3 Ghép nói P C ...........................................................................................................................196 4.1.4 Ghép nồi vào/ra phản tản .......................... 198 4.1.5 Ghép nối các thiết bị trường............................................................................................ 199 4.2 Phán mém giao diện mạng............................................................................ ......................... 200 4 3 Chuẩn giao tiếp công nghiệp..................................................................................................202 4 3.1 Chuẩn M M S...................................................................................................................... 202 4.3.2 Chuẩn IEC 61131-5.................................................................. ................................... 206 4.3.3 OPC (OLE for Process Control)...................................................................................209 4.4 Ghi chủ và tài liệu tham khảo.................................... ............................................. 215 Danh mục thuật ngữ....................................................................................................................................217 IX D a n h m ụ c h ìn h v ẻ Hình 1.1. Hình 1.2. Nối dày truyén thống (a) và nối mạng cõng nghiệp (b).............................................. 3 Mô hinh phàn cấp chức nâng cùa một nhà mảy côngnghiệp 4 Hinh 2 1. Vai trò cùa thông tin trong các hệ thống kỹ thuật.................................................... 10 Hinh 2.2. Một sô dạng tín hiệu thông dụng....................................................................................... 13 Hinh 2.3. Nguyèn tảc cơ bản của truyền thỏng............................................................................... 15 Hình 2,4 Ví dụ mả hóa bít................................................ 16 Hình 2.5 Truyẻn bit song song và truyẻn bit nổi tiếp....................................................................20 Hình 2.6. Nguyên tắc truyền bit nối tiếp............................................................................................... 21 Hình 2.7. Truyền simplex, half-duplex và duplex............................................................................ 22 Hình 2 8 Cẩu trúc bus.................................................................................................................................27 Hình 2.9. Cấu trúc mach vòng................................................................................................................. 29 Hình 2.10 Xử lỷ sự cố trong mạch vòng đúp.......................................................................................30 Hình 2.11. Sừ dụng bộ chuyển mạch by-pass Irong mạch vòng.................................................31 Hình 2,12. Cấu trúc hình sao...................................................................................................................... 32 Hình 2.13. Cấu trúc cày.................................................................................................................................32 Hình 2.14. Dịch vụ có xảc nhận và dịch vụ không xác nhận........................................................ 34 Hinh 2.15. Xử lý giao thức theo mô hình lớp........................................................................................ 38 Hình 2 16. Mỏ hinh qui chiếu ISO /O SI................................................................................................... 41 Hình 2.17. Ví dụ giao tiếp theo mỏ hinh O S I.......................................................................................47 Hình 2 18 So sảnh TCP/IP với OSI ...................... 49 Hinh 2 19. Phân loại các phương pháp truy nhập bus.....................................................................53 Hinh 2.20 Phương pháp chủ/tớ.................................................................................................................54 Hình 2.21. Cải Ihiện trao đổi dữ liệu giữa hai trạm tớ....................................................................... 56 Hình 2.22 Hình 2 23 Hình 2 24 Hình 2 25 Hmh 2.26 Phương pháp TDMA................................................................................................................ 57 Hai dạng của phương pháp Token Passing 58 Truy nhập bus kết hợp nhiéu chủ (Multi-Master) 59 Phương phảp CSMA/CD ................................ 60 Phương phảp CSMA/CA ............................... 62 Hinh 2 27 NRZ và R Z ................................................................................................................................... 77 Hinh 2.28. Manchester-ll và A F P ............................................................................................................. 78 Hình 2 29 Frequency Shift Keying...........................................................................................................79 Hinh 2.30. Truyén dẫn không đối xứng (3 kênh, 4 dây dản).......................................................... 81 Hình 2.31. Truyén dẳn chènh lệch đói xứng (3 kênh, 7 dày dãn)............................................... 82 Hình 2.32 Điện ảp chênh lệch đáu ra Vqo và điện áp lệch Vos................................................... 83 Hinh 2.33 Điện áp chế đố chung VCMvà chênh lệch điện áp đất VGP0 84 .r Hình 2 34 Hinh 2.35 Hình 2 36 Hình 2.37 Qui định trang thải logic của tin hiệu RS-232 MỘI sỏ ví dụ ghép nỗi với RS-232 Sơ đó bộ kích thích (driver) và bộ thu (receiver) RS-485 Qui định trạng thải logic của tin hièu RS-485 84 85 89 89 Hình 2 38 Định nghĩa một tải đơn vị 90 Hinh 2.39. Quan hệ giữa tóc độ truyẻn vả chiẻu dái day dán tối da trong RS-422/RS-485 sử dung đỏi dảy xoàn AWG 24 91 Hinh 2 40 Cấu hinh mạng RS-485 2 dây 92 Hinh 2.41. cáu hinh mạng RS-485 sử dụng 4 dây............................................................................92 Hinh 2.42. Cảc phương pháp chận đáu cuỏi RS-485/RS-422...................................................... 94 Hinh 2.43 Đôi dáy xoán và lác dụng trung hòa trường điên từ 98 Hinh 2.44 Hai kiểu cáp đỏi dày xoắn - Shielded Twisted Pair (STP) và Unshielded Twisted Pair (U TP)............................................................... ....................................................99 Hinh 2.45. Cap đỏi dảy xoắn STP (Siemens)................................................................................ 100 Hinh 2.46. cáu tạo cáp đóng trục........................................................................................................... 100 Hình 2 47. Suy giảm đường truyén của đỏi dây xoán và cáp đóng trục 101 Hình 2.48 Nguyèn tắc phản xạ loàn phán (n, > n2) ...................................................... Hình 2.49. Nguyên tắc làm việc của cáp quang............ 102 ............................................... 103 Hình 2.50. Vi dụ một sản phầm cáp sợi thủy tinh............................................................................ 103 Hình 2.51. Repeater trong mỏ hinh O S I...............................................................................................107 Hình 2.52. Bridge trong mò hinh O S I....................... .............. 108 Hinh 2.53. Router trong mô hinh OSI ............................ 109 Hình 2.54 Gateway trong mô hinh OSI 110 Hinh 3.1 Kiến trúc giao thửc của PROFIBUS . Hinh 3.2. Cáu hinh Multi-Master Irong Profibus 115 117 Hình 3.3. Các dịch vụ truyén dữ liệu P R O FIB U S........................... 118 Hình 3.4. Ký tự khung UART sử dụng trong PROFIBUS 121 Hinh 3.5 Kién trúc FMS trong mỏ hinh O S I.....................................................................................122 Hình 3.6. Các kiểu quan hệ giao tiếp PROFIBUS ................................... Hình 3.7. Nguyên tác trao đổi dữ liệu tuấn hoàn Master/Slave 126 131 Hinh 3.6. cáu hinh ghép nối PR O FIBUS-DP/PA Hinh 3.9. Phạm vi định nghĩa của CAN trong mỏ hinh OSI 134 138 Hình 3.10. Cấu trúc khung dử liệu ỏ CAN............................................................................................. 141 Hình 3.11 Cáu trúc khung lỗi à C A N .................................................................................................... 143 Hinh 3.12. cáu trúc khung quả tài ở CAN 144 Hinh 3 13. Mô hinh đối tượng một tram thiết bi DeviceNet ................................................. 152 Hình 3 14 Nguyên tắc định địa chỉ thuộc tinh và dịch vụ DeviceNel 153 Hình 3 15 Chu trinh yêu cấu-đáp ứng giứa master vá slave Modbus Hinh 3.16 Khung thông bảo Modbus chẻ đô ASCII 160 162 Hinh 3.17 Khung thòng bảo Modbus chẻ độ RTU 163 Hinh 3.18 Khung thông báo Modbus trên Modbus Plus..............................................................167 Hình Hinh Hinh Hình 3.19 Kiên Irủc giao thức Interbus-S.................................................................... ......... 171 3.20. cấu trúc mạng Interbus-S tiêu biểu ................................................................................. 172 3.21 Nguyên tác làm việc của Interbus-S..................................................................................174 3.22 Giao thức tryẻn Interbus-S.....................................................................................................175 Hinh 3.23. cấ u trúc khung giao thức Interbus-S (lớp 2 ) ..................................................................176 Hinh 3 24 cấu trúc bức điện Interbus-S (lớp 1 )............................................................. .... 177 Hình 3.25 Ghép nổi cảm biến và cd cấu chấp hành số với AS-i.................................................181 Hinh 3.26 Nguyên tắc ghép nối thiết bị trong một hệ AS-i......................................................... 182 Hình 3.27 Ví dụ cảu hinh mạng AS-i với bộ điẻu khiển PLC S7-300 và module giao diện C P 342-2 (Siemens) ................. ...................................... 183 Hmh 3 28 Cáu trúc bức điện AS-I....................... 185 Hinh 3 29. Cấu trúc các lệnh gọi từ tram chủ AS-i............................................................................. 185 Hình 3.30. Mả hóa đường truyẻn AS-i sử dụng phương pháp APM ...........................................186 Hình 4.1 Phạm vỉ thực hiện chức năng của cảc thành phán mạng........................................ 190 Hình 4.2 Cấu trúc tiêu biểu mạch giao diện bus............................................................................. 192 Hình 4.3. Giao diện bus cho PLC với module truyền thông........................................................ 193 Hinh 4.4. Sơ đó bẽ mãt các module giao diện mạng TOSLINE cho họ PLC P R O SEC T3 (Toshiba).................................7................................................................................................... 194 Hình 4.5. Sử dụng CPU tích hợp giao diện PROFIBUS-DP.........................................................195 Hình 4 6. Ví dụ cấu hinh mạng PLC phối hợp các module giao diện mạng với các CPU tích hợp truyẻn thòng (Allen-Bradley)................................................................................195 Hình 4.7: Card giao diện Profibus CP5412 (Siemens).................................................................197 Hình 4.8 Ghép nôi PC với bus trường qua cổng RS-232.............................................................198 Hình 4 9 Ghép nối vảo/ra phản tản qua module giao diện D P .................................................198 Hinh 4 10. Ghep nối thiét bị trưởng sử dụng module giao diện DeviceNet............................ 199 Hình 4.11 Ghép nổi thiết bị trường tích hợp giao diện DeviceNet 199 Hình 4.12. Quan hệ giữa các thành phân phẩn mém hệ thống mạng 200 Hình 4 13 MỖ hinh giao tiếp mạng theo IEC 61131... 206 Hình 4 14 Kiến trúc sơ lược của O P C .................................................................................................... 210 Hình 4 15 Ví du mõt cấu hình hệ thóng điếu khiển phản tản sử dụng PC và OPC 211 Hình 4 1 6 OPC Custom Interfaces..........................................................................................................212 Hình 4 17 Láp trinh với đói tượng thảnh phấn và OPC ............................................ 215 Chương 1 1.1 Mơ đôu Mạng truyền thông công nghiệp là g ì? Sư phó biến của các giai pháp tự động hóa sư dung hê thồng truyén thỏng sỏ là kéi quá tổng hợp cùa các tiến bộ trong kỷ thuậl vi diện tử, kỹ thuật máy tính, kỹ thuật thổng un và dương nhiên là cùa cá kỹ thuật tự động hóa. M ạng truyền thồniị công nghiệp hay mạng côniỊ nghiệp (M C N ) là môt khái niêm chung chi các hệ thỏng mạng truyẻn thồng sô, truyẻn bit nối tiếp, được sử dung dẻ ghép nối các thiết bị công nghiệp. C ác hệ thống truyẻn thòng công nghiệp phố biến hiện nay cho phép liên kết mạng ớ nhiểu mức khác nhau, từ các bổ cảm biến, cơ cấu chấp hành dưới cáp trường cho đén các máy tính điéu khiến, thiết bị quan sát, m áy tính diổu khiển giám sát và các máy tính trên cấp điểu hành x í nghiệp, quản lý công ỉy. V é cơ sở kỹ thuật, mạng công nghiệp và các hệ thông mạng viễn thỏmị có nhiéu diém tương đổng, tuy nhiên cũng có những điểm khác biéi sau: • Mạng vicn thõng cỏ phạm vi địa lý và sò lượng thành viên tham gia lớn hơn rát nhiẻu, nén các yeu cáu kỹ thuật (càu trúc mạng, tốc độ ỉruyẻn ĩhỏng, lính nâng thời gian thực,...) rát khác, cõng như các phương pháp truyèn thông (truyén tải dài rộng/dài cơ sở, diéu biến, dón kênh, chuyên m ạch,...» thường phức tạp hơn so với mang công nghiệp. • Đôi tượng cùa mạng viẻn thông bao gổm cả con người và thiết bị kỹ thuật, trong đó con người đóng vai trò chú yếu. V ì vậy các dạng thống tin cán trao đổi bao gồm cả tiếng nói, hình ảnh, văn bản vù dữ liệu. Đối tượng của mạng cồng nghiệp thuàn túy là các thiết bị công nghiệp, nên dạng thổng tin được quan tâm duy nhất là dữ liệu. K ỹ thuủt truyền thông dược dùng trong mạng viền thõng cũng rất phong phú, trong khi kỹ thuật truyẻn dữ liệu theo chế độ bii nối tièp là đặc trưng cua mạng công nghiệp M a n g tru y ề n thòng còn g nghiệp 2 M ạng Iruyẻn thông công nghiệp thực chát là một dạng đạc biệl củii mạny máy tính, có thể được so sánh với mạng máy tính thỏng thường ờ những thòm giỏng nhau và khác nhau như sau: • K ỹ thuài truyén thỏng số hay truyển dử liệu là đặc trưng chung. • Mạng máy tính sử dụng trong công nghiệp được coi là I1 1 ỘI phan (ớ cac cấp điéu khiển giám sát, điéu hành sàn xuất và quản lý công ty) trong mò hình phân cẫp của mạng còng nghiệp. • Y ê u cầu vể tính năng thời gian thực, độ tin cậy và khù năng tương thích trong môi trường công nghiệp của mạng truyẻn thòng công nghiệp cao hơn so với một mạng m áy tính thông thường, trong khi dó mạng máv tính thường đòi hỏi cao hơn vể độ báo mật của thõng tin. • Mạng máy tính có phạm vi trài rộng rất khác nhau, ví dụ có thế nhò như mạng L A N 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 Iruyén dữ liệu của mạng vién thống. Trong khi đó, cho đén nay các hệ thổng mạng còng nghiệp thường có tính chất độc lập, phạm vi hoại động tương đối hẹp. V ậ y , mạng truyển thông công nghiệp có vai trò quan trọng như the nào Uoiiịi các lĩn h vực đo lường, điéu khiển và tự động hóa ngày nay? Sử dụng mạng trụyển thông cống nghiệp, đặc biệt là bus trường để thay the cách nối điếm-tớiđiếm cổ đién giữa các thiết bị cổng nghiệp (như được minh họa trên H ình I I ) mang lại hàng loạt những lợi ích như sau: • Đơn gián hóa cấu trúc liên kết giữa các thiết bị cỏng nghiệp • G iảm đáng kể giá thành dây nối và công lắp đặt hẹ thống • Nâng cao độ tin cậy và độ chính xác của thông tin nhờ truyển thông số • Nâng cao độ linh hoạt, tính nâng mớ của hệ thông • Đơn giản hóa/tiện lợi hóa việc chẩn đoán, định vị lỗi, sự cố của các thici bị • Nâng cao khá năng tưcmg tác giữa các thành phán (phần cứng và phán m ểm ) nhờ các giao diện chuẩn • M ờ ra nhiểu chức năng và khà nảng ứng dung mới cùa hệthống, ví du các úng dung điéu khiển phán tán. điểu khiến giám sá! hoác chân đoán lỗi từ xa qua Internet. C h ư(fng 1 M ờ đ á u 3 Hình 1 1 Nói dảy truyẻn thóng (a) và nối mạng công nghiệp (b) Trong điéu khiến quá trình, các hệ thống bus trường cũng đà dán thay thế các mạch dòng tương tự {current loop) 4-20m A. ưu thế của giải pháp dùng mạng công nghiệp không những nằm ở phương diện kỹ thuật, mà còn ờ khía cạnh hiệu quả kinh tế. Chính vì vây, ứng dụng của nó rộng rãi trong hầu hết các lĩnh vực cóng nghiệp, như điéu khiển quá trình, tự động hóa x í nghiệp, lư động hóa tòa nhà. diếu khiển giao ihông, v .v ... Nói tóm lại, sử dụng mạng truyền thổng cóng nghiệp là khỏng thể thiêu được trong việc tích hợp các hệ thống lự động hóa hiện đại. 1.2 Phân loại và đặc trung c á c hệ thống MCN Đê sáp xếp, phản loại và phủn tích đạc trưng các hệ thõng mạng truyẻn thông cõng nghiệp, ta dựa vào mỏ hình phủn cấp quen thuộc cho các cóng ly . x í nghiệp sản xuất. V ớ i loại mỏ hình này, các chức nãng được phủn thành nhiêu cắp khác nhau, như được minh họa trẽn Hình 2. Càng ờ những cấp dưới thì các chức nâng càng mang tính chất cơ bản hơn và dòi hỏi yêu cầu cao hơn vé độ nhanh nhạy, thời gian phàn ứng- Một chức nủng ờ cáp trên dược thục hiện dựa trên các chức nảng cấp dirới. tuy không đòi hỏi thời gian phản ứng nhanh như ờ cấp dưới, nhưng ngược lại lượng thông tin cán trao đỏi và xử lý lại lớn hơn nhiều. C ó thê coi đây là một mô hình phân cáp chức nàng cho cả hệ ihỏng tự động hóa nói chung cũng như cho hệ thống truyền thòng nói riẽng cùa một cồng ty. M ạ n g truyền í hỏng công nghiệp 4 Quản lý công ty Mang công ty Điẻu hành sản xuát Mạng xí nghiệp Điẻu khiển giàm sát Bus hê thông (Bus quả trinh) Điéu khiển f& Ti e Cháp hành É É Sũ É é Bus trường (Bus thiết bị) Hinh 1.1. Mỏ hinh phản cấp chức năng cúa một nhà mảy còng nghiệp Tương ứng với năm cấp chức năng là bốn cấp của hệ thống truyền thông. Từ cấp điẻu khiển giám sát trờ xuống thuật ngữ “ bus” thường được dùng thay cho “ mạng” , với lý do phần lớn các hệ thống mạng phía dưới đểu có cấu trúc vậi lý hoậc logic kiêu bus (xem phấn 2.5). Như ta sè thấy, mỏ hình phán cáp chức năng sẻ tiện lựi cho việc thiét ké hệ thống và lựa chọn thiết bị. Trong thực tế ứng dụng, sự phân cấp chức nâng có thế khác một chút so với trình bày ớ đây, tùy thuộc vào mức độ tự động hoá và cáu trúc hệ thống cụ thế. Trong những trường hợp ứng dụng đơn giản như diéu khiển trang thiết bị dân dụng (m áy giật, máy lạnh, điẻu hòa độ á m ,...), sự phân chia nhiéu cấp có thê hoàn toàn không cân thiết. Ngược lại, trong tự động hóa mội nhà máy lớn hiện đại như điên nguyên tử, sản xuất xi mãng, lọc dáu, ta có thê chia nhỏ hơn nừa các cấp chức nâng để tiện theo dỏi. B u s trường, bus thiết bị B us trường ự ielílb us) ihực ra là một khái niệm chung được dùng trong các ngành công nghiệp chế biến để chi các hệ thống bus nổi tiếp, sử dụng kỹ thuật truyén tin số đé két nồi các thiết bị thuộc cấp điểu khiển (P C , P L C ) với nhau và với các thiét bị ờ cáp chấp hành, hay các Ihiét bị trường. Các chức năng chính cùa cấp chấp hành là đo lường, dản dộng và chuyển đối tín hiệu trong trường hợp cần thiết. Các thiết bị có khả năng nổi mạng là các bộ vào/ra phan tán ChươnỊỊỈ: Mit dàn 5 [distributed I/O ), các I h ici hl câm biên (sensor) hoặc cư cáu chấp hành ị(u tiu iỉo r) có tích hợp khá nâng xử lý truyển thông. Một sổ kiêu bus trường chi thích hợp nối mạng các thiết bị cảm biến và cơ cấu chấp hành với các bộ điểu khiển, cũng được gọi là bus i hấp hành/cam hiến. Trong cổng nghiệp ché tạo (tư dộng hóa dày chuyén sÊri xuất, gia cóng, lắp ráp) hoặc ớ một sổ lình vực ứng dụng khác như tư dộng hóa tòa nhà. sản xuất xe hơi, khái niệm bus thiết bị lại dược sứ dụng phổ biến. Có thế nói, bus thiét bị và bus trường có chức nâng tương đương, nhưng do những đác trưng riêng biệt cùa hai ngành cổng nghiệp, nên một sô tính nâng củng khác nhau. T u y nhiên, sự khác nhau này ngày càng trờ nén không rỏ rệt. khi mà phạm vi ứng dụng cua ca hai loại đểu dược mờ rộng và đan chéo sang nhau. Trong thực tế. người ta cũng dùng chung một khái niệm là bus trường Do nhiệm vụ của bus trường là chuyến dử liệu quá trình lẻn cẩp điéu khiến dé xử lý và chuyên quyếl định diẻu khiển xuống các cơ cáu chảp hành, vì vậy yêu cáu vé tinh tumỊỊ thời ỊỊÌíỉtỉ thực được đãt lên hàng dầu. Thời gian phán ứng liêu biếu nằm trong phạm vi từ 0.1 tới vài m ilig iây. Trong khi dó, yéu cáu vé lượng chông tin trong một bức điện thường chi hạn chế trong khoảng một vài byte, vì vậy lốc độ truyén thòng thường chi cần ờ phạm vi Mbit/s hoặc thấp hơn. Việc trao đòi (hổng tin vể các biến quá trình chủ yếu mang tính chát định kỳ, tuán hoàn, bén cạnh các thỏng tin cành báo .có tính chài bát thường. Các lìệ thống bus trường được sử dung lỏng rãi nhất hiện nay là P R O F IB U S , ControlNet. Interbus-S, C A N , W o rld FlP . P -N ET , Modbus và gần dAy phãi kể tới Foundation Fieldbus. D eviccN ct, A S -i, E IB và Bitbus là một vài hệ thòng bus câm bicn/chấp hành lieu biểu có thế nêu ra ờ dây. B u s hệ thõng, bus quá trình Các hệ thòng mạng công nghiệp được dùng dê két nôi các máy tính diêu khiển và các máy lính trẽn cáp điéu khiến giám sát với nhau được gọi là lilts hệ thống (system has) hay hits qua trình (process has). K h á i niệm sau thường chi dươc dùng trong lĩnh vực điéu khiển quá trình. Qua bus hệ thống mà các máy tính dieu khiển có thẻ phối hợp hoại động, cung cáp dữ liệu quá trình cho các trạm kỹ thuật và tram quan sát (có thể gián tiếp thông qua hệ thòng quản lý cơ sà dừ liệu irẽn các trạm chù) củng như nhận mệnh lệnh, tham số dieu khién từ M (1tig truyền thòng công nghiệp 6 các trạm phía trén. Thông ein không những được trao dổi theo chiỏu dọc. mã còn theo chiẻu ngang. C ác tram kỹ thuật, trạm thao tác và các trạm chủ cùng trao đổi dừ liệu qua bus hộ thống1. Ngoài ra các máy in báo cáo và dữ liệu lưu irừ cùng được* két nối qua mạng này. Chú ý sự phân biẻt giửa các khái niệm bus trường VÌI bus hệ thòng không bá! buộc H ầm ờ sư khác nhau vé kiểu bus được sử dụng, mà ỡ mục dich SƯ dung - hay nói cách khác là ớ các thiếi bị dược ghcp nổi. Trong mội sỏ giai pháp, moi kiểu bus duy nhát được dùng cho cà ờ hai cấp này. Đôi với bus hà thông, tùy theo lình vực ứng dung mà đòi hỏi vé lính nâng thời gian thực có được dại ra một cách ngặt nghco hay khỏng. Thời gian phan ứng tiêu biéu nằm trong khoảng một vài trám m ỉlig iây. trong khi lưu lượng thông tin cán trao dòi lỏn hưn nhiéu so với bus trường. T ố c dộ iruyén thổng tiêu biểu cùa bus hệ thống nẳm trong phạm vi từ vài trảm k Bit/s đến vài Mbit/s. Do các yêu cẩu vé tốc độ truyén ihóng và khả nàng két nổi dẻ dàng nhiều loại m áy tính, kiểu bus hệ thống thòng dụng nhất là Ethernet cung như Industrial Ethernet. Bên cạnh đó phái kể đến P R O F IB U S -F M S , Modbus Plus và Fieldbus Foundation’s High Speed Ethernet. M ạ n g x í nghiệp Mạng x i nghiệp thực ra là mộ! mạng L A N bình thường, có chức »ảng kẽt lỉỏi các máy lín h văn phòng thuộc cấp dieu hành với cấp diêu khién giám sál. Thông tin được đưa lẻn Iren bao gổm trạng thái làm việc của các quá (rình kỷ thuật' các giàn máy cũng như cùa hộ thống điéu khiên tự động, các sổ liệu lính loán, thống kẻ vé diễn biến quá trình sản xuất và chất lượng sản phẩm. Thông fin Iheo chicu ngược lại là các thổng số thiết ké, công thức điéu khiến và mệnh lệnh điểu hành Ngoài ra, thông tin cùng dượt* trao đổi mạnh theo chiéu ngang giữa các máy tính thuộc cấp điểu hành sản xuất, v í dụ hỗ Irợ kicu làm việc Iheo nhóm, cộng lác trong dự án. sứ dụng chung các tài nguyên nối mạng (m áy in, máy ch u ....). Khác với các hệ thông bus cáp dưới, mạng x í nghiệp không yêu cáu nghiêm ngặt vé tính nãng ihời gian chực. V iệ c trao dổi dử liệu thường dien ra không định 1 Trong một số giãi pháp hệ Ihỏng. mỏt mang riẽng - gọi lã te rm in a l h u s - dược SƯ dụng nói nu i) ch ủ với các Irạm k ỳ ihu ậl và irạm vận hành T u y n h itn đây lá m ỏi vân iìé Ih ic i k c g iái ph.ip. Ihirc ra t r im n n il h u s không c ỏ đậc Irtmg gí khác so vớ i bus he thống. C h ương 1 M ớ đá u 7 k ỳ , nil ưng có khi với sò lượiig lớiì tới hàng Mbyte. Hai loại mạng dược dùng phổ biến cho mục đích này là Ethernet và Token-Ring, trẽn cơ sở các giao thức chuẩn như T C P /IP và IP X /S P X . M ạ n g còn g ty Mạng công ty, nằm trên cùng trong mô hình phàn cấp hệ thông truyển thỏng của mội cóng ty sàn xuất cống nghiệp. Đặc trưng của mạng cóng ty gán với một mạng viễn thông hoặc một mạng máy tính diện rộng nhiểu hơn trên các phương diện phạm vi và hình thức dịch vụ, phương pháp truyén thông và các yêu cầu vé kỹ thuật. Chức nâng của mạng công ty là két nối các máy tính văn phòng của các x í nghiệp, cung cấp các dịch vụ trao đổi thông tin nôi bộ và với các khách lìàng như thư viện điện tử. thư điện từ. hội thảo lừ xa qua điện thoại, hình ảnh, ¿-•ung cap dịch vụ truy cập Interne! và thương mại điên từ, v .v ... Hình thức tố chức ghép nôi mạng, cũng như các còng nghệ dược áp dụng rất đa dạng, tùy thuộc váo đẩu tư cùa công ty. Trong lìhiẻu trường hợp, mạng công ty và mạng xí nghiệp dược ihưc hiện bằng một hệ thống mạng duy nhất vé mặt vật lý , nhưng t hiu thành nhiêu phạm vi và nhóm mạng làm việc riêng biệt. Mạng cồng ty có vai trò như một đường cao tốc trong hệ thống hạ tầng cơ sớ truyén thông cua mộ! công ty, vì vậy đòi hỏi vê tốc độ truyền thông và độ an loàn, tin cậ y đặc biệ! cao. Fast Ethernet, F D D I, A T M là một vài ví dụ công nghệ tiên tiến được áp dụng ở đây trong hiện tại và tương lai. 1.3 V ế nội dung cuốn sá ch Cuốn sánh dô cập tới hai màng nội dung chính là cơ sớ kỹ ỉhuật truyén thòng công nghiệp và thiết kế hệ thổng với các hệ thống mạng công nghiệp tiêu biểu. M ật tlii Irọng tâm ứng dụng nằm ở các lĩnh vực điéu khiên quá trình và tự động hóa x í nghiệp, một sổ hệ thòng thông dụng đối với các phạm vi ứng dụng khác cùng được giới thiệu. Chương 2 tiếp theo trình bày những vấn để cơ sờ trong kỹ thuật truyén thông nói chung và phân tích những yẻu cầu đặc trưng vé khả nàng ứng dung trong tự động hóa công nghiệp nói riêng. Phẩn này mang nặng tính chất lý thuyết cơ sờ, đưa ra và cùng cố các khái niệm, thuật ngữ, giới thiệu các mô hình truyẻn thõng. 8 Mạng truy én thòng công nghii'p phương pháp truy nhập môi trường, mã hóa hit. hiện pháp bảo toàn dữ liệu, mỏi trường truyèn chông và chuán iruyén dẩn tín hiệu. Chương 3 giơi thicu một sỏ hê thỗng mạng công nchiép neu biếu, trong dỏ có các hc thông bus trường theo chuấn quóc lé IE C 6 1 I5K như Profibus và Intcrbus, cùng như các hệ thống bus thông dung khác như A S -i, C A N , DcviceN ei và Modbus. Các ưu điếm và nhược điểm vé tính nâng kỹ thuật cũng nhơ lĩnh vực ứng dung liêu biểu được bàn chi liât. C á c thành phẩn của một hệ thống mạng được giới thiệu một cách hệ thông irong chương 4. Bên cạnh các phàn cứng ghép nói, chương này cũng đé cập tới các ván đé của phán mém giao diện và chuẩn giao liếp công nghiệp. Đ e tiện theo dõi, sau mói chương và mục lớn đéu có phấn chú thích và hướng dán đọc tham khào tài liệu. Chi tiết vé các tài liệu tham kháo vé mồi de tài công được liệt kê ờ cuối mỏi chương mục. 1.4 Ghi chú và tài liệu tham khảo “ Mạng công nghiệp" là một đé tài thu hút nhiéu sự quan tùm cùa người SƯ dụng trong công nghiệp. Tuy nhiên, khái niệm này dỏi kill củng bị lạm dung dẽ chi cả một hệ thống diéu khiển và giám sát phùn tán, một nghĩa cách xa với bân chất thưc cùa nó chi là hẹ thông truyén thông, hay nói cách khác chỉ là ha táng cơ sờ cho việc giao tiêp giữa các thiét bị còng nghiệp. Tống quan vé các hệ thống bus dùng trong lự động hóa dược trình bày khá đáy đù trong | l ] hoặc [2 ]. Một nguồn tài liệu thuận tiện là các trang trên Internet. Phán lớn các hệ thống mạng công nghiệp déu có các trang W eb riỏng. như được liệt ké ờ cuối mỏi chương mục tương ứng. C ác nhà sản xuất thiét hị cùng thường cung cấp các tài liộu kỹ thuật liên quan tới hộ thống bus mình hổ trợ, tuy thuật ngữ sử dung khó có sự thớng nhất và độ thổng lin ò mỏi tài liệu cũng rất khác nhau. K h á i niệm bus trường được định nghĩa, giài thích trong nhiều tài liệu, tuy nhiên không có sự thống nhất. Cũng như vậy, mô hình phân cấp chức nâng được đé cập nhiêu, song cách phân cấp và gọi tên các cấp tương dối đa dạng, bạn dọc có thể tham khảo 13 1và |4 |. C h ương 1: M ờ dấu 9 T à i liệ u thum khán 111 W erner K ric se l. T . Heimbolđ, D. Telschow: Bustet hnologien f u r (He Automation. Hũthig, Heidelberg, 2000. (2 1 Gerhard Schnell: B us sySterne in d e r Automatisientn iỊSỉei hnik. View eg, Braunschweig/Wiesbaden, 1999. 13] R u d o lf Lauber, Peter Gohncr: Prozessaurom atisierunx I . Springer, 1999. 14 1 Hoàng M. Sơn: “ Đ iẻu khiển phán tán” , T ự động hỏa ngày nay, số 2, 1999.