Đồ án tốt nghiệp Tổng quan mạng truyền thông công nghiệp CHƯƠNG II TỔNG QUAN VỀ MẠNG TRUYỀN THÔNG CÔNG NGHIỆP Mạng truyền thông công nghiệp hay mạng công nghiệp khái niệm chung để hệ thống mạng truyền thông số, truyền bit liệu nối tiếp sử dụng để ghép nối thiết bị công nghiệp Các hệ thống truyền thông công nghiệp phổ biến cho phép liên kết mạng nhiều mức khác nhau, từ cảm biến, cấu chấp hành cấp trường máy tính điều khiển, thiết bị giám sát, máy tính điều khiển giám sát máy tính cấp điều hành xí nghiệp, quản lý công ty Đối tượng mạng truyền thông công nghiệp tuý thiết bị công nghiệp Vì dạng thông tin quan tâm để truyền mạng công nghiệp liệu Cấu trúc phân cấp hệ thống tự động thường gặp nay: Luồng liệu Quản lý công ty Mạng công ty Điều hành sản xuât Mạng xí nghiệp Điều khiển giám sát Bus hệ thống Điều khiển Chấp hành COR OSOP 15 K1 K2 K3 K4 K5 K6 K7 K8 K9 D E L Bus trường Bus chấp hành S IHFT H E LP cảm biến I TỔNG QUAN VỀ LỊCH SỬ TỰ ĐỘNG HOÁ CÔNG NGHIỆP VÀ CÁC MẠNG TRUYỀN THÔNG Đầu kỷ 20, hệ điều khiển trình hệ chế tạo thiết kế chủ yếu dựa công nghệ khí thiết bị Analog Việc sử dụng hệ điều khiển tập trung cho hệ thống lớn lan rộng vào năm 1950 Nhiều hệ thống trao đổi liệu công nghiệp phát triển cho hệ điều khiển Các hệ thống dùng công nghệ analog, dùng để kết nối xử lý trung tâm tới thiết bị ngoại vi terminal Đầu năm 1960 máy tính số áp dụng làm điều khiển số Trong thập kỷ 60 việc áp dụng máy tính mini giải pháp đắt đỏ cho toán SVTH VŨ TIẾN ĐẠT – 01ĐTĐ Trang 13 Đồ án tốt nghiệp Tổng quan mạng truyền thông công nghiệp điều khiển Trong đó, PLC đời thay điều khiển dựa Rơle truyền thống có tính điều khiển hạn chế Việc áp dụng máy tính mini có khả truyền liệu nhanh dẫn tới phát triển cáp truyền liệu thiết bị liệu tốc độ cao cuối thập kỷ 60 70 Giữa thập kỷ 70, Honeywell sáng chế hệ điều khiển máy tính phân tán (DCCSDistributed Computer Controller Systems) đầu tiên, hệ điều khiển phân cấp với nhiều vi xử lý Từ năm 1980, việc sử dụng mạng LAN để kết nối máy tính thiết bị tự động hoá hệ thống tự động hoá công nghiệp trở nên phổ biến Các mạng LAN đem lại khả trao đổi thông tin dung lượng cao, giá thành thấp, làm cho hệ điều khiển số trở thành thực tạo nhiều dịch vụ tự động hoá, hệ tự động công nghiệp thường triển khai theo kiến trúc phân tán mở với mạng truyền liệu số Hiện nay, người dùng mạng LAN thường giao tiếp với máy tính hay thiết bị tự động hoá thuộc mạng LAN khác qua gateway liên kết nhờ mạng WAN Ở mạng cấp thấp tự động hoá công nghiệp, giải pháp mạng cục công nghiệp MAP đắt đỏ không đáp ứng thời gian phản hồi nhanh, tuỳ theo ứng dụng Vì đời mạng Fieldbus người ta nỗ lực để xây dựng chuẩn Fieldbus cho ứng dụng tự động hoá công nghiệp Vậy mạng truyền thông công nghiệp có vai trò quan trọng lĩnh vực đo lường, điều khiển tự động hoá? Sử dụng mạng truyền thông công nghiệp, đặc biệt bus trường để thay cách điểm nối điểm cổ điển thiết bị công nghiệp mang lại hàng loạt lợi ích sau:  Đơn giản hoá cấu trúc liên kết thiết bị công nghiệp  Giảm đáng kể giá thành dây nối công lắp đặt hệ thống  Nâng cao độ tin cậy độ xác thông tin nhờ truyền thông số  Nâng cao độ linh hoạt tính mở hệ thống  Đơn giản hoá, tiện lợi hoá việc chẩn đoán, định vị lỗi, cố thiết bị  Nâng cao khả tương tác thành phần (phần cứng phần mềm) nhờ giao diện chuẩn  Mở nhiều chức khả ứng dụng hệ thống ứng dụng điều khiển phân tán, điều khiển giám sát chuẩn đoán lỗi từ xa qua Internet II CƠ SỞ KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG SVTH VŨ TIẾN ĐẠT – 01ĐTĐ Trang 14 Đồ án tốt nghiệp Tổng quan mạng truyền thông công nghiệp II.1 Cấu trúc mạng Cấu trúc bus Trong cấu trúc bus, tất thành viên mạng nối trực tiếp với đường dẫn chung, đặc điểm cấu trúc bus việc sử dụng chung đường dẫn cho tất trạm nên tiết kiệm cáp dẫn công lắp đặt Có ba kiểu cấu trúc bus Daisy-chain, Trunk-line/drop-line mạch vòng không tích cực Cấu trúc trunk line / drop line Cấu trúc mạch vòng không tích cực Cấu trúc mạch vòng tích cực Trong cấu trúc thiết kế cho thành viên mạng nối từ điểm đến điểm cách mạch vòng khép kín Mỗi thành viên tham gia tích cực vào việc kiểm soát dòng tín hiệu, tín hiệu truyền theo chiều qui định, trạm nhận liệu từ trạm đứng trước chuyển tiếp sang trạm lân cận đứng sau Ưu điểm cấu trúc nút đồng thời khuyếch đại, thiết kế mạng theo kiểu thực với khoảng cách số trạm lớn Cấu trúc hình Trong cấu trúc có trạm quan trọng nhất, trạm điều khiển truyền thông, trạm khác kết nối gián tiếp với qua trạm trung tâm Nhược điểm cấu trúc trạm trung tâm bị cố làm tê liệt toàn hoạt động truyền thông mạng Cấu trúc hình Cấu trúc Một mạng có cấu trúc liên kết nhiều mạng có cấu trúc đường thẳng, mạch vòng hình SVTH VŨ TIẾN ĐẠT – 01ĐTĐ Trang 15 Đồ án tốt nghiệp Tổng quan mạng truyền thông công nghiệp Cấu trúc hình II.2 Kiến trúc giao thức Kiến trúc giao thức OSI OSI mô hình kiến trúc phân lớp với mục đích phục vụ việc xếp đối chiếu hệ thống truyền thông có sẵn, có việc so sánh, đối chiếu giao thức dịch vụ truyền thông, sở cho việc phát triển hệ thống Theo mô hình OSI, chức hay dịch vụ hệ thống truyền thông chia thành lớp, tương ứng với lớp dịch vụ lớp giao thức Có thể phần cứng hay phần mềm thực Một lớp thực dịch vụ sở sử dụng dịch vụ lớp theo giao thức qui định tương ứng Các dịch vụ cấp thấp thường phần cứng thực (các vi mạch điện tử) thực hiện, dịch vụ cao cấp phần mềm thực Các lớp mô hình OSI  Lớp ứng dụng (Application) Có chức cung cấp dịch vụ cao cấp cho người sử dụng chương trình ứng dụng Các dịch vụ thuộc lớp ứng dụng hầu hết thực phần mềm  Lớp biểu diễn liệu (Presentation) Chức lớp biểu diễn liệu chuyển đổi dạng liệu khác cú pháp thành dạng chuẩn, tạo điều kiện cho đối tác truyền thông hiểu chúng sử dụng kiểu liệu khác  Lớp kiểm soát nối (Session) Lớp kiểm soát nối có chức kiểm soát mối liên kết truyền thông chương trình ứng dụng, bao gồm việc tạo lập, quản lý kết thúc đường nối ứng dụng đối tác  Lớp vận chuyển (Transport) SVTH VŨ TIẾN ĐẠT – 01ĐTĐ Trang 16 Đồ án tốt nghiệp Tổng quan mạng truyền thông công nghiệp Chức lớp vận chuyển cung cấp dịch vụ cho việc thực vận chuyển liệu chương trình ứng dụng cách tin cậy, bao gồm trách nhiệm khắc phục lỗi điều khiển lưu thông  Lớp mạng (Network) Lớp mạng có trách nhiệm tìm đường tối ưu cho việc vận chuyển liệu, giải phóng phụ thuộc lớp bên vào phương thức chuyển giao liệu công nghệ chuyển mạch dùng để kết nối hệ thống khác  Lớp liên kết liệu (Data link) Lớp liên kết liệu có trách nhiệm truyền dẫn liệu cách tin cậy thông qua mối liên kết vật lý, bao gồm việc điều khiển việc truy nhập môi trường truyền dẫn bảo toàn liệu  Lớp vật lý (Physical) Lớp vật lý đảm nhiệm toàn công việc truyền dẫn tín hiệu phương tiện vật lý như: cấu trúc mạng, chuẩn truyền dẫn, phương pháp mã hoá bit, chế độ truyền tải, tốc độ truyền, giao diện học, II.3 Truy cập bus Trong mạng có cấu trúc bus, thời điểm có thành viên phép gửi thông tin không xảy xung đột tín hiệu gây sai lệch thông tin Chính mạng phải điều khiển cho thời điểm định có trạm gửi thông tin đi, số thành viên muốn nhận thông tin không hạn chế Kỹ thuật truy cập bus khác phân loại thành nhóm phương pháp tiền định nhóm phương pháp ngẫu nhiên Với phương pháp tiền định, trình tự truy cập bus xác định rõ ràng Việc kiểm soát truy cập bus kiểm soát chặt chẽ theo cách tập trung trạm chủ (Master/Slave), theo qui định trước thời gian (TDMA) phân tán thành viên (Token Passing) Ngược lại, phương pháp ngẫu nhiên trình tự truy cập bus không quy định chặt chẽ trước, mà để xảy hoàn toàn theo nhu cầu trạm Mỗi thành viên mạng thử truy cập bus để gửi thông tin lúc Để loại trừ tác hại việc xung đột gây nên, có phương pháp phổ biến nhận biết xung đột (CSMA/CD) tránh xung đột (CDMA/CA) SVTH VŨ TIẾN ĐẠT – 01ĐTĐ Trang 17 Đồ án tốt nghiệp Tổng quan mạng truyền thông công nghiệp Phương Phươngpháp pháp truy truynhập nhậpbus bus Truy Truynhập nhậptiền tiềnđịnh định Kiểm soat tập trung Kiểm soat tập trung Master/Slave Master/Slave TDMA TDMA Kiểm Kiểmsoát soátphân phântán tán Token Passing Token Passing Truy Truynhập nhậpngẫu ngẫunhiên nhiên Nhận Nhậnbiết biếtxung xungđột đột CSMA/CD CSMA/CD Tránh Tránhxung xungđột đột CSMA/CA CSMA/CA Các phương pháp truy nhập bus II.4 Chuẩn truyền dẫn Chuẩn RS-232 RS-232 sử dụng phương pháp truyền dẫn không đối xứng, mức điện áp sử dụng khoảng từ -15V tới 15V, khoảng từ 3V tới 15V tương ứng với mức logic ,khoảng từ -3V tới -15V ứng với mức logic Tốc độ truyền tối đa phụ thuộc vào chiều dài dây dẫn Chế độ làm việc hai chiều toàn phần nghĩa hai thiết bị tham gia thu phát tín hiệu lúc Chuẩn RS-485 Chuẩn RS-485 sử dụng điện áp chênh lệch đối xứng hai dây dẫn.Điện áp chênh lệch dương ứng với trạng thái logic âm ứng với trạng thái logic RS-485 cho phép khoảng cách tối đa trạm đầu trạm cuối đoạn mạng 1200 m, không phụ thuộc số trạm tham gia Tốc độ truyền dẫn lên tới 10Mbit/s (thậm chí 12Mbit/s ) Cấu hình phổ biến sử dụng hai dây dẫn cho việc truyền tín hiệu, trường hợp hệ thống làm việc với chế độ hai chiều gián đoạn II.5 Phương tiện truyền dẫn Trong kỹ thuật truyền thông công nghiệp, sử dụng phương tiện truyền dẫn sau:  Cáp điện : cáp đồng trục, đôi dây xoắn (có bọc bọc)  Cáp quang : cáp sợi thuỷ tinh, cáp sợi chất dẻo  Vô tuyến : vi sóng, tia hồng ngoại, siêu âm III SO SÁNH CÁC HỆ THỐNG MẠNG TRUYỀN THÔNG CÔNG NGHIỆP PHỔ BIẾN SVTH VŨ TIẾN ĐẠT – 01ĐTĐ Trang 18 Đồ án tốt nghiệp Tổng quan mạng truyền thông công nghiệp So sánh thông số kỹ thuật mạng: Mạng PROFIBUS ETHERNET SIEMENS Procedure PROFIBUS to EN 50170 Volume Ethernet to IEEE 802.3 Những dịch vụ truyền thông mạng - Programming device/OP - S7 communication - S7 basic communication GD - Programming device/OP - S7 communication - S5 compatible communication - Standard communication (FMS) - Programming device/OP - S7 communication - S5 compatible communication - Standard communication (MMS) AS-Interface functions Kỹ thuật truy nhập mạng Token Passing - Token Passing with subordinate Master/Slave CSMA/CD Master / Slave Dải tốc độ truyền 19.2 kBit/s or 187.5kBit/s or 12 Mbit/s 9.6 kBit/s – 12MBit/s 10MBit/s 100MBit/s 167 kBit/s Phương tiện truyền dẫn - Copper: Shielded –core cable - Fiber-optic: (glass or plastic) - Copper: Double-shielded coaxial cable or Industrial Twisted Pair - Fiber-optic: (glass) - Copper: Unshielded 2core cable to 100 > 1000 14 32 - Copper: 1.5 km - Fiber-optic: up to 4.5 km Worldwide with TCP/IP Cable length max 300 m Line, tree Chuẩn Số trạm - thông thường - lớn Chiều dài mạng Cấu trúc mạng Cấp hệ thống áp dụng Các hệ thống kết nối MPI - Copper: shielded 2-core cable - Fiber-optic: (glass or plastic) - Wireless: Infrared to 10 125 (126) to 16 126 Electric: up to 50 m (expandable using RS485 repeaters or optical link modules) - Copper: up to 9.6 km - Fiber-optic: more than 90 km Electric: line, Fiberoptic: tree, ring, star Line, tree, ring, star Line, tree, ring, star Cell and field levels Cell and field levels Management level and cell level SIMATIC S7/M7/C7 SIMATIC PC/PG SIMATIC HMI SIMATIC S5 - SIMATIC S7/M7/C7 - SIMATIC PC/PG - SIMATIC HMI - SIMATIC S5 Workstations/ computers - SIMATIC S7/M7/C7 - SIMATIC PC/PG - SIMATIC HMI SVTH VŨ TIẾN ĐẠT – 01ĐTĐ AS-I AS-Interface specification to EN 50295 Actuator/ sensor Level - SIMATIC S7 (200/300) - SIMATIC C7 (C7-621 Asi) - SIMATIC S5 - SIMATIC PC/PG Trang 19