Tài liệu Tìm hiểu về giao diện, giao thức các hệ thống mạng trong công nghiệp

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