THIẾT kế hệ SCADA và lập TRÌNH điều KHIỂN các THAM số điển HÌNH của NHÀ máy vàng Bồng Miêu

Đồ án tốt nghiệp

GVHD: Đoàn Quang Vinh

CHƯƠNG I:
GIỚI THIỆU VỀ NHÀ MÁY KHAI THÁC VÀNG BỒNG MIÊU
I.1. Vị trí địa lý:
Nhà máy khai thác vàng Bồng Miêu thuộc thôn Bồng Miêu, xã Tam Lãnh,
huyện Phú Ninh, tỉnh Quảng Nam, Việt Nam. Nhà máy được xây dựng ven đồi rất
tiện cho việc khai thác nguyên liệu đầu vào và hạn chế được tình trạng ơ nhiểm mơi
trường tác động trực tiếp đến con người do xa dân cư.
I.2. Ảnh hưởng của nhà máy đối với tình hình kinh tế chính trị ở xã Tam Lãnh
Trước khi nhà máy xây dựng, tình hình chính trị ở đây rất phức tạp với nạn
khai thác vàng bừa bãi, nghiện hút, gái mại dâm, tình trạng sập hầm gây chết nhiều
người..v..v..
Sau khi nhà máy đi vào hoạt động đã giải quyết được việc làm cho không
những dân cư trong vùng mà nhiều người dân khác. Hiện nay, ở đây đã trở thành
một xã với đầy đủ điện, đường, trường trạm, cuộc sống dân cư khá giả lên. Nhà
máy đã đóng thuế cho tỉnh Quảng Nam với mức 50% số lượng vàng khai thác được.
Với nguồn thu từ nhà máy này tỉnh Quảng Nam đã đóng góp vào ngân sách nhà
nước một khoản rất lớn, và tỉnh cũng đã xây dựng được nhiều cơng trình phúc lợi.
Bên cạnh đó, việc sử dụng hóa chất độc hại như xianua, dioxil cũng ảnh
hưởng không nhỏ tới sức khỏe công nhân, nguồn nước, động thực vật xung quanh
nhà máy. Tuy nhiên ảnh hưởng này là dưới mức có thể kiểm soát được sau nhiều
lần đánh giá của sở tài ngun mơi trường.
I.3. Tình hình hoạt động của nhà máy:
Nhà máy vàng Bồng Miêu trước đây do công ty Gekko thiết kế và hệ thống
có tính tự động khơng cao. Việc điều khiển cịn mang tính rời rạc ở từng cụm. Khi
có lỗi xãy ra thì thường một thời gian sau mới phát hiện và khắc phục nên ảnh
hưởng lớn đến năng suất sản xuất. Cuối tháng 10/2006 nhà máy đã ký hợp đồng với
công ty Novas nhằm đưa các cụm điều khiển rời rạc đó về điều khiển giám sát tại

phòng điều khiển trung tâm. Dự án đã thành công.
Hiện nay mỗi năm nhà máy khai thác được khoảng 600kg vàng đạt tiêu
chuẩn. Với giá vàng đang tăng cao như hiện nay thì nhà máy đang phát triển khá
tốt.

Trang: 1


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: Đoàn Quang Vinh

CHƯƠNG II:
TỔNG QUAN QUY TRÌNH KHAI THÁC VÀNG
Xem xét một cách tổng thể, nhà máy vàng Bồng Miêu có các cụm sau:
GRAVITY

FEED

STRIPPING
And RESIN
GOLD
ROOM

FLOATATION
WEIGHING
BALL
MILL

ILR

DETOX

Hình 2.1: Tổng quan quy trình khai thác vàng
Đi vào chi tiết hơn, các cụm có cấu trúc cơ bản như sau:
II.1. Cụm FEED:

Xe chở đất
Băng tải

Nghiền cơn

Sàn rung lọc
Băng tải

Băng tải
Hình 2.2: Cụm FEED

Mô tả:

Trang: 2

WEIGHING


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: Đoàn Quang Vinh

Sau khi khai thác đất, đá trong núi bằng mìn và con người đất được chở về
đổ trên một bãi đất rộng trước khi đổ lên các băng tải. Đất theo băng tải đổ vào các

bộ nghiền côn. Đất rơi xuống, các hạt nhỏ sẽ lọt qua sang rung để rơi xuống băng
tải đi qua cụm WEIGHING. Các hạt lớn sẽ theo độ dốc của sàn rung tới băng tải
mang về nghiền lại. Thực tế q trình này qua rất nhiều cơng đoạn với kích cỡ hạt
khác nhau để khi đất tới cụm WEIGHING là tương đối nhỏ.
Như vậy vấn đề điều khiển ở đây là việc cho chạy/dừng các băng tải và bộ
nghiền bi.
II.2. Cụm WEIGHING:
FEED

Băng tải con

Băng tải tổng
Encoder

BALL MILL
Loadcell

Hình 2.3: Cụm WEIGHING

Mô tả:
Nguyên liệu từ cụm FEED sẽ tới cụm WEIGHING và đổ vào ba băng tải
con, trước khi tới băng tải tổng. Thực chất đây là hệ thống cân băng định lượng với
3 băng tải thành phần có nguyên liệu giống nhau. Thường thì băng tải tổng có tốc
độ khơng đổi. Phía dưới băng tải tổng có đặt một encoder dựa trên nguyên tắc đếm
xung để đo tốc độ băng tải, và một loadcell để cân khối lượng nguyên liệu chạy trên
băng tải tổng.

Trang: 3

Đồ án tốt nghiệp

GVHD: Đoàn Quang Vinh

Như vậy việc điều khiển ở đây là làm sau phối hợp được tốc độ cũng như
thời điểm đóng mở của ba băng tải nhỏ sao cho đạt được lưu lượng yêu cầu.
II.3. Cụm BALL MILL:

Hình 2.4: Cụm BallMill
Mơ tả:
Từ cụm WEIGHING ngun liệu cùng với nước sẽ được đổ vào một trong
hai (hoặc cả hai tùy theo công suất) bộ nghiền bi. Các viên bi sẽ làm cho nguyên
liệu nát mịn hơn trước khi đổ vào máng và bơm lên cụm GRAVITY. Ở hai đầu gối
trục của mỗi bộ nghiền bi có các cảm biến nhiệt độ để đo nhiệt độ của các gối trục.
Có cảm biến mức ở máng.
Như vậy vấn đề cần điều khiển ở đây là điều khiển lưu lượng nước bơm vào
thơng qua tín hiệu của cảm biến mức, điều khiển thời gian hoạt động của các bộ
nghiền bi để hai gối trục khơng bị q nóng.

Trang: 4


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: Đồn Quang Vinh

II.4. Cụm GRAVITY:

Hình 2.5: Cụm GRAVITY
Mô tả:

Nguyên liệu ở dạng bùn nước sẽ qua hai bộ cyclone có cấu trúc xoắn ốc.
Phần nhẹ được xem là ít đất đá hơn sẽ được đẩy lên trên bằng áp lực nước và qua
FALCON, phần nặng hơn sẽ qua hai bộ JIG ( PRIMARY và SECONDARY) để đến
cụm FLOATATION. Phía dưới mỗi bộ JIG có một cơ cấu được điều khiển bằng khí
nén tạo dao động tịnh tiến “dập” theo phương thẳng đứng. Phần nhẹ sẽ trào ra hai
bên và đi đến FLOATATION, còn phần nặng sẽ quay trở lại cụm BALL MILL.
Phần nặng của PRIMARY JIG sẽ quay trở lại trước hai bộ nghiền bi để nghiền lại
còn phần nặng của SECONDARY JIG sẽ quay lại máng phía sau hai bộ nghiền bi.
Như vậy việc điều khiển ở đây là các valve khí nén và các bơm.

Trang: 5


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: Đồn Quang Vinh

II.5. Cụm FLOATATION:

Hình 2.6: Cụm FLOATATION
Mô tả:
Nguyên liệu từ cyclone sẽ đi qua FALCON. Đây là thiết có cấu tạo phức tạp
hơn nhiều so với bộ JIG nhằm tách nguyên liệu thành hai phần. Một phần được coi
là nhẹ hơn sẽ đi xuống bể ghom cùng với nguyên liệu ra từ SECONDARY để đi tới
ILR. Phần còn lại được coi là nặng hơn sẽ đi tới bể trộn trên đó có ba động cơ
khuấy. Trong bể trộn người ta cho hóa chất tạo bọt vào với mục đích là để cho phần
nhẹ gồm nhiều vàng hơn dính ở phần này trào ra và qua ILR. Trên bể trộn có ba
cảm biến mức bằng tia hồng ngoại.
Như vậy việc điều khiển ở đây là ba động cơ khuấy và các valve mở hóa chất
cho đúng lưu lượng và các bơm sao cho thõa mãn mức nước trong bể vừa đủ tràn

bọt ra hai bên.

Trang: 6


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: Đồn Quang Vinh

II.6. Cụm ILR:

Hình 2.7: Cụm ILR
Mô tả:
Nguyên liệu từ FLOATATION và dung dịch dioxile sẽ đổ vào một cái thùng
nằm ngang đặt trên giá có các bánh răng ăn khớp làm cho thùng quay. Thùng quay
sẽ trộn đều nguyên liệu và dung dịch dioxile trước khi được bơm lên cụm RESIN
COLUM .
Vấn đề điều khiển ở đây là các valve làm sao cho đúng lưu lượng chất
dioxile và động cơ quay bánh răng dưới đế. Thêm nữa là bơm nguyên liệu trước và
sau khi trộn.

Trang: 7


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: Đồn Quang Vinh

II.7. Cụm RESIN COLUMN:

Hình 2.8: Cụm RESIN COLUMN
Mơ tả:
Đây có thể nói là cụm phức tạp và quan trọng hơn cả. Người ta sẽ cho các
hóa chất để làm cho chì bám vào bọt và tràn ra hai bên trong bể THICHNER. Phần
còn lại được đổ vào tầng thấp nhất trong bốn tầng của cột RESIN COLUMN. Các
hạt nhựa được đưa từ trên xuống trong khi nguyên liệu được bơm từ dưới lên sẽ
bám vàng vào trên nó. Nguyên liệu lấy ra từ tầng trên cùng sẽ được rữa bằng hóa
chất để tách hạt nhựa dùng lại cịn lượng có nhiều vàng sẽ qua bể điện phân. Các
tấm kẽm sau khi điện phân sẽ bám lên bề mặt nó một lớp vàng. Người ta đưa rữa
bằng nước rồi thu vàng.
Như vậy đối tượng điều khiển ở đây là các bơm, valve ở cột RESIN và dòng
điện để điện phân.

Trang: 8


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: Đồn Quang Vinh

II.8. Cụm VÀNG:

Hình 2.9: Cụm VÀNG
Mô tả:
Do không được phép vào khu vực này nên em chỉ biết chức năng của nó là
đúc kết vàng.
II.9. Cụm DETOX:

Hình 2.10: Cụm DETOX
Mơ tả:

Đây là q trình xử lý chất thải. Nếu chất chuẩn bị thải ra có các thành phần
hóa học dưới mức cho phép thì có thể thải trực tiếp ra mơi trường, cịn khơng thì
phải quay lại xử lý tiếp. Trong cụm này có sử dụng chất dioxile để xử lý chất thải.
II.10. Thiết bị điều khiển:
- Các biến tần của AB.
- Đồng hồ Giocokawa của Nhật.
- PLC của AB, Mitsubisy, Seimens ( Novas cung cấp).

Trang: 9


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: Đoàn Quang Vinh

CHƯƠNG III:
TỔNG QUAN VỀ MẠNG CƠNG NGHIỆP
Mạng truyền thơng cơng nghiệp hay mạng cơng nghiệp (MCN) là một khái
niệm chung để chỉ các hệ thống mạng truyền thông số, truyền bit dữ liệu nối tiếp
được sử dụng để ghép nối các thiết bị công nghiệp.
Các hệ thống truyền thông công nghiệp phổ biến hiện nay cho phép liên kết
mạng ở nhiều mức khác nhau, từ các bộ cảm biến, cơ cấu chấp hành dưới cấp
trường cho đến các máy tính điều khiển, thiết bị giám sát, máy tính điều khiển giám
sát và các máy tính trên cấp điều hành xí nghiệp, quản lý cơng ty.

Đối tượng của mạng công nghiệp thuần tuý là các thiết bị cơng nghiệp. Vì
vậy dạng thơng tin được quan tâm để truyền đi trong mạng công nghiệp là dữ liệu.
III.1. Tổng quan về lịch sử tự động hóa cơng nghiệp và các mạng truyền thông:
Đầu thế kỷ 20, các hệ điều khiển quá trình và hệ chế tạo được thiết kế chủ
yếu dựa trên cơng nghệ cơ khí và các thiết bị analog.

Việc sử dụng các hệ điều khiển tập trung cho các hệ thống lớn đã lan rộng
cùng với sự ra đời của các điều khiển điện tử vào những năm 1950 do chúng có
khoảng cách phát tín hiệu lớn. Nhiều hệ thống trao đổi dữ liệu công nghiệp đã được
phát triển cho các hệ điều khiển. Các hệ thống này đều là những mạng có bản quyền
dùng công nghệ analog, và được dùng để nối kết bộ xử lí trung tâm tới các thiết bị
ngoại vi và terminal. Các thiết bị ngoại vi điển hình dùng các cáp song song, nhiều
lõi và các phối ghép tuần tự như vòng lặp 20 mA ở tốc độ phát thấp.
Đầu năm 1960, lần đầu tiên máy tính số được áp dụng làm điều khiển số.
Khái niệm điều khiển số trực tiếp (DDC-Direct Digital Control) được dùng để nhấn
mạnh rằng máy tính trực tiếp điều khiển q trình. Trong thập kỷ 1960 việc ứng
dụng máy tính mini vẫn cịn là một giải pháp khá đắt đỏ cho các bài toán điều
khiển. Trong khi đó, PLC ra đời và thay thế điều khiển dựa trên Rơle truyền thống
có tính năng điều khiển hạn chế. Ngồi ra, nhiều cơng nghệ được phát triển cho các

Trang: 10


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: Đồn Quang Vinh

cơng cụ máy và các quá trình sản xuất rời rạc. Máy điều khiển số ( NCM
-Numercally Controlled Machine) có thể điều khiển nhờ máy tính, cũng trong thời
gian này, robot được phát triển.
Các kỹ thuật và thiết bị cần thiết cho truyền dữ liệu tốc độ cao được ra đời
cũng trong thập kỷ 1960. Các modem khố dịch tần số có thể phát dữ liệu qua các
đường truyền đặc biệt với tốc độ 1200 bit/s. Việc áp dụng máy tính mini có khả
năng truyền dữ liệu nhanh hơn đã dẫn tới sự phát triển của các truyền dữ liệu và các
thiết bị truyền dữ liệu tốc độ cao trong cuối thập kỷ 60 và 70.
Cuối những năm 1960, hãng Mollins của Anh giới thiệu một hệ thống được

thiết kế nhằm vận hành nhiều cơng cụ máy qua điều khiển của một máy tính duy
nhất. Người ta mong đợi hệ thống này sẽ tăng hiệu suất hơn nhiều so với việc cùng
một số máy móc đó làm việc độc lập. Khái niệm hệ thống sản xuất mềm (FMS Flexible Manufacturing System) ngày nay được quan tâm hơn, coi là một cấu trúc
thích hợp để tăng khả năng tận dụng máy, giảm thời gian chế tạo ban đầu và kho
thiết bị dùng trong quá trình. Với sự ra đời của FMS, khái niệm chế tạo dùng máy
tính tích hợp (CIM) bắt đầu được chú ý trong giới tự động hố cơng nghiệp nhằm
tích hợp tất cả các mặt của quá trình chế tạo bằng máy tính số. Ngày nay, khái niệm
CIM được dùng trong tất cả các loại hệ thống chế tạo với ý nghĩa là sự tích hợp
hồn tồn máy tính, mạng truyền dữ liệu và các hệ thống điều khiển quá trình vào
tất cả các chức năng sản xuất.
Với sự phổ biến ngày càng rộng của máy tính số và các cơng nghệ liên quan,
các mạng công nghiệp chuyển sang truyền dữ liệu số. Các mạng số có bản quyền ra
đời trong những năm 1960 , ban đầu chúng như là các máy tính cho các hệ tự động
hố được nối kết với nhau.
Giữa thập kỷ 70, Honeywell sáng chế hệ điều khiển máy tính phân tán
(DCCS) đầu tiên, nó là một hệ điều khiển phân cấp với nhiều vi xử lý. Từ đó khái
niệm DCCS phát triển ra nhiều hệ tự động hố cơng nghiệp như điều khiển nhà máy
điện, các hệ thống chế tạo,... Nhiều hãng đã lắp đặt các hệ thống điều khiển phân tán
trong các nhà máy mới hoặc để thay thế các hệ điều khiển tập trung hoặc analog cũ.

Trang: 11


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: Đoàn Quang Vinh

Từ năm 1980, việc sử dụng các mạng LAN để kết nối các máy tính và các
thiết bị tự động hố trong một hệ tự động hố cơng nghiệp trở nên phổ biến. Các
mạng LAN đem lại khả năng trao đổi thông tin dung lượng cao, giá thành thấp, làm

cho hệ điều khiển phân tán số trở thành hiện thực và tạo ra nhiều dịch vụ tự động
hố. Các hệ tự động hố cơng nghiệp thường được triển khai theo một kiến trúc
phân tán mở với mạng truyền dữ liệu số.
Hiện nay, những người dùng mạng LAN thường giao tiếp với các máy tính
hay thiết bị tự động hoá thuộc mạng LAN khác qua các gateway liên kết nhờ một
mạng WAN. Khi các hệ tự động hố cơng nghiệp trở nên lớn hơn và số thiết bị tự
động hố tăng lên, thì càng cần có các chuẩn để có thể nối kết nhiều thiết bị khác
nhau. Thế giới đã bỏ nhiều công sức cho cơng nghệ mạng LAN. Mơ hình mạng OSI
cho phép hai thiết bị tự động hố bất kỳ có thể giao tiếp với nhau, không phụ thuộc
vào nhà sản xuất. Khái niệm giao thức tự động hoá chế tạo MAP được phát triển để
tạo ra tính tương thích giữa các mạng truyền dữ liệu của nhiều nhà cung cấp khác nhau.
Ở mạng cấp thấp hơn trong tự động hố cơng nghiệp, các giải pháp mạng cục
bộ công nghiệp như MAP quá đắt đỏ hoặc không đáp ứng thời gian phản hồi nhanh,
tuỳ theo ứng dụng. Vì thế đã ra đời các mạng fieldbus và người ta hiện cũng đang
nổ lực để xây dựng các chuẩn fieldbus cho các ứng dụng tự động hố cơng nghiệp.
III.2. Cơ sở kỹ thuật truyền thơng:
III.2.1. Môi trường truyền dẫn:
Môi trường truyền dẫn ảnh hưởng lớn tới chất lượng tín hiệu, tới độ bền vững
của tín hiệu với nhiễu bên ngồi và tính tương thích điện từ của hệ thống truyền
thông. Tốc độ truyền và khoảng cách truyền tối đa cho phép cũng phụ thuộc vào sự
lựa chọn môi trường truyền dẫn.
Trong kỹ thuật truyền thông, người ta sử dụng các phương tiện truyền dẫn sau:
-

Cáp điện : Cáp đồng trục, đôi dây xoắn.

-

Cáp quang: Cáp sợi thuỷ tinh, cáp sợi chất dẻo.

Trang: 12


Đồ án tốt nghiệp
-

GVHD: Đồn Quang Vinh

Vơ tuyến : Vi sóng ( Microwave ), tia hồng ngoại, siêu âm.

1. Đơi dây xoắn:
Một đôi dây xoắn bao gồm hai sợi dây đồng được quấn cách li ôm vào nhau.
Tác dụng của việc quấn dây là trường điện từ của hai dây sẽ trung hồ lẫn nhau. Vì
thế, nhiễu xạ do mơi trường xung quanh cũng như tạp nhiễu do xuyên âm sẽ được
giảm thiểu.
Đôi dây xoắn thường được sử dụng đi kèm với chuẩn RS-485. Tuỳ theo cách
che chắn người ta phân biệt ra hai loại cáp dẫn : STP và UTP. Sự khác nhau của
chúng là ngoài vỏ bọc chung bên ngồi của cả cáp thì STP cịn có thêm một lớp che
chắn riêng.
2. Cáp đồng trục:
Một cáp đồng trục bao gồm một dây lõi bên trong và một dây kiểu ống bao
bọc phía ngồi được ngăn cách nhau bởi một lớp cách ly điện mơi. Nhờ có cấu trúc
đặc biệt cũng như tác dụng của lớp dẫn ngoài, các điện trường và từ trường được
giữ gần như hoàn toàn bên trong một cáp đồng trục. Vì thế hiện tượng xuyên âm
không đáng kể so với ở cáp đôi dây xoắn. Bên cạnh đó hiệu ứng bề mặt cũng làm
giảm sự tổn hao trên đường truyền.
Cáp đồng trục thích hợp cho cả truyền tín hiệu tương tự và truyền tín hiệu số.
Tốc độ truyền (tới 300 Mbit/s) và khoảng cách truyền tương đối lớn ( tới vài nghìn
mét khơng cần bộ lặp). Tuy nhiên nó có giá thành cao, việc lắp đặt và đấu dây phức
tạp. Vì vậy trong truyền thông công nghiệp, cáp đồng trục chủ yếu được dùng ở các

cấp trên (bus hệ thống, bus xí nghiệp) như controlnet và Ethernet.
3. Cáp quang:
Cáp quang được sử dụng trong các lĩnh vực ứng dụng đòi hỏi tốc độ truyền
tải cao, phạm vi truyền dẫn lớn hoặc trong các môi trường làm việc chịu tác động
của nhiễu mạnh. Các loại cáp quang có thể đạt tới tốc độ truyền 20 Gbit/s. Sự suy
giảm tín hiệu ở đây rất nhỏ, vì vậy chiều dài cáp dẫn có thể tới hàng chục, thậm chí
hàng trăm kilomet mà khơng cần bộ lặp hay một bộ khuyếch đại tín hiệu.

Trang: 13


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: Đoàn Quang Vinh

Một ưu điểm lớn của cáp quang là tính năng kháng nhiễu cũng như tính tương
thích điện từ. Bên cạnh đó, sử dụng cáp quang cũng nâng cao độ bảo mật của thông
tin được truyền.
III.2.2. Chuẩn truyền dẫn:
1. Chuẩn RS-232:
Chuẩn RS-232 được dùng chủ yếu trong việc giao tiếp điểm-điểm giữa hai
DTE, ví dụ giữa hai máy tính (PC, PLC...), giữa máy tính và máy in hoặc giữa một
DTE và một DCE như giữa PC và MODEM.
Chế độ làm việc của chuẩn RS-232 là hai chiều toàn phần, trong chế độ này
hai thiết bị tham gia có thể thu và phát tín hiệu cùng một lúc. Như vậy việc truyền
thơng cần ít nhất là 3 dây dẫn. Trong đó, hai dây dẫn tín hiệu nối chéo các đầu thu
phát của hai trạm và một dây đất. RS -232 sử dụng phương thức truyền dẫn khơng
đối xứng, tức là sử dụng tín hiệu điện áp chênh lệch giữa một dây dẫn với đất. Mức
điện áp được sử dụng dao động trong khoảng từ -15V đến +15V.
Trong đó:

 3V ÷ 15V: Ứng với giá trị logic 0.
 -15V ÷ -3V: Ứng với giá trị logic 1
Ưu điểm: Chuẩn RS-232 sử dụng công suất phát tương đối thấp, nhờ trở
kháng đầu vào và hạn chế trong phạm vi từ 3-7kΩ.
2. Chuẩn RS-422:
Khác với chuẩn RS-232, chuẩn RS-422 sử dụng tín hiệu điện áp chênh lệch
đối xứng giữa hai dây dẫn. Nhờ vậy giảm được nhiễu và cho phép tăng chiều dài
dây dẫn.
Tốc độ truyền dữ liệu khoảng 9 Kbit/s. RS-422 thích hợp cho phạm vi truyền
dẫn tới 1200m mà không cần bộ lặp. Điện áp chênh lệch dương tương ứng với trạng
thái logic 0, và âm ứng với trạng thái logic 1. Trong cấu hình ghép nối tối thiểu cho
RS-422 cần một đôi dây dùng để truyền dẫn tín hiệu. Lúc này chỉ có thể truyền một
chiều hoặc hai chiều gián đoạn. Ở chế độ này mỗi thời điểm chỉ có một tín hiệu duy

Trang: 14


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: Đoàn Quang Vinh

nhất được truyền đi. Để thực hiện truyền hai chiều toàn phần ta cần hai đôi dây. Cả
hai trường hợp sử dụng với cấu hình 2 dây hay 4 dây đều phải sử dụng thêm một
dây đất để giữ mức điện áp chung (Vcm) cho các trạm tham gia ở một giới hạn quy
định. Nếu không dữ liệu truyền đi sẽ bị mất và các cổng kết nối sẽ bị hỏng. Ngưỡng
giới hạn quy định cho Vcm với RS-422 là ±7V.
3. Chuẩn RS – 485:
Khác với RS-232, RS-485 sử dụng điện áp chênh lệch đối xứng giữa hai dây
dẫn, nhờ vậy giảm được nhiễu và cho phép tăng chiều dài dây dẫn một cách đáng
kể. Đặc điểm của RS-485 là khả năng ghép nối được nhiều điểm, vì thế được dùng

phổ biến trong các bus trường. Cụ thể, 32 trạm có thể ghép nối, được định địa chỉ và
giao tiếp đồng thời trong một đoạn RS-485 mà không cần bộ lặp. Để đạt được điều
này, trong một thời điểm chỉ có một trạm được phép kiểm sốt đường dẫn và phát
tín hiệu, vì thế mỗi bộ kích thích đều phải đưa về chế độ trở kháng cao mỗi khi rỗi,
tạo điều kiện cho các bộ kích thích ở các trạm khác tham gia. Chế độ này được gọi
là Tri - State. Một số vi mạch RS-485 tự động xử lý tình huống này, trong nhiều
trường hợp khác, việc đó thuộc về trách nhiệm của phần mềm điều khiển truyền thông.
Là chuẩn được cải tiến từ RS-422 nhưng RS-485 có thêm điều khiển ba trạng
thái ở mạch phát.
 Mức logic ‘’1’’ nằm trong khoảng từ -1,5V đến -6V.
 Mức logic ‘’0’’ nằm trong khoảng từ +1,5V đến +6V.
Khoảng cách tối đa giữa trạm đầu và trạm cuối trong một đoạn mạng là
1200m, không phụ thuộc vào số trạm tham gia. Tốc độ truyền dẫn có thể lên tới
10Mbit/s.
Có thể sử dụng bộ lặp để tăng chiều dài dây dẫn lên nhiều lần cũng như số
trạm trong một mạng, đồng thời đảm bảo được chất lượng tín hiệu.
Do tốc độ truyền thơng và chiều dài dây dẫn có thể khác nhau rất nhiều trong
các ứng dụng, hầu như tất cả các bus RS-485 đều yêu cầu sử dụng trở đầu cuối tại
hai đầu dây. Sử dụng trở đầu cuối có tác dụng chống các hiệu ứng phụ trong truyền
dẫn tín hiệu như sự phản xạ tín hiệu.

Trang: 15


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: Đoàn Quang Vinh

III.2.3. Cấu trúc mạng:
Là cấu trúc liên kết của một mạng hay chính là tổng hợp của các liên kết.

Topology có thể hiểu là cách sắp xếp, tổ chức về mặt vật lý của mạng nhưng cũng
có thể hiểu là cách sắp xếp logic của các nút mạng. Mạng truyền thông công nghiệp
bao gồm các cấu trúc cơ bản sau:
1. Cấu trúc bus:
Với cấu trúc này các thành viên của mạng đều được nối trực tiếp với một
đường dẫn chung. Đặc điểm cơ bản của cấu trúc bus là việc sử dụng chung một
đường dẫn duy nhất cho tất cả các trạm. Vì vậy, tiết kiệm được cáp dẫn và cơng lắp
đặt. Có ba kiểu cấu hình trong cấu trúc bus: Daisy-chain, Trunk-link/Drop-line và
mạch vịng khơng tích cực.

a. daisy-chain
drop-line drop-line drop-line
b. trunk -line/drop-line
c. Mạch vịng khơng tích cực
Hình 3.1: Cấu trúc bus
2. Cấu trúc mạch vịng ( tích cực ):
Với cấu trúc này các thành viên trong mạng được nối từ điểm này đến điểm
khác một cách tuần tự trong một mạch vòng khép kín. Ưu điểm cơ bản của cấu trúc
này là mỗi nút đồng thời có thể là một bộ khuếch đại. Vì vậy, khi thiết kế mạng theo
kiểu này có thể thực hiện với khoảng cách và số trạm rất lớn, mỗi trạm có khả năng
vừa nhận vừa phát tín hiệu cùng một lúc. Có hai kiểu mạch vịng phổ biến sau:

Trang: 16


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: Đồn Quang Vinh

Master

Khơng có điều khiển trung tâm

Có điều khiển trung tâm

Hình 3.2: Cấu trúc bus mạng vịng
- Kiểu mạch vịng khơng có điều khiển trung tâm: Các trạm đều bình đẳng
như nhau trong việc phát/nhận tín hiệu.
- Kiểu có điều khiển trung tâm: Một trạm chủ sẽ đảm nhiệm việc kiểm soát
truy cập đường dẫn.
3. Cấu trúc hình sao:
Cấu trúc hình sao là cấu trúc mà trong đó trạm trung tâm quan trọng hơn tất
cả các nút khác. Trạm trung tâm sẽ điều khiển sự truyền thơng của tồn mạng, các
thành viên được kết nối gián tiếp với nhau qua trạm trung tâm.
Nhược điểm của cấu trúc hình sao là khi sự cố trạm trung tâm sẽ làm tê liệt
hoàn toàn các hoạt động truyền thông trong mạng. Với cấu trúc này sẽ tốn số lượng
nhiều dây dẫn.
Trạm
Trạm

Trạm
Trạm

Trạm
Trạm


Trạm
Trạm
4. Cấu trúc cây:

Trạm
Trạm

Trạm
Trạm

Hình 3.3: Cấu trúc hình sao

Cấu trúc cây chính là sự liên kết của nhiều mạng con có cấu trúc đường
thẳng, mạch vịng hoặc hình sao. Đặc trưng của cấu trúc cây chính là sự phân cấp

Trang: 17


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: Đoàn Quang Vinh

đường dẫn. Cấu trúc cây dùng các bộ nối tích cực (Active coupler), nếu muốn tăng
số trạm cũng như phạm vi của một mạng đồng nhất có thể dùng các bộ lặp
(Repeater), trong trường hợp các mạng con hồn tồn khác loại thì phải dùng tới
các bộ liên kết mạng khác như Bridge, Router, và Gateway.
Bộ nối

Bộ lặp

Bộ nối sao

Bộ nối vịng

Hình 3.4: Cấu trúc hình cây
III.2.4. Kiến trúc giao thức:
1. Dịch vụ truyền thông:
Một hệ thống truyền thông cung cấp dịch vụ truyền thông cho các thành viên
tham gia nối mạng. Các dịch vụ đó được dùng cho các nhiệm vụ khác nhau như trao
đổi dữ liệu, báo cáo trạng thái, tạo lập cấu hình và tham số hố thiết bị trường, giám
sát thiết bị và cài đặt chương trình.
Có thể phân loại dịch vụ truyền thông dựa theo các cấp khác nhau: Các dịch
vụ sơ cấp (ví dụ tạo và ngắt nối), dịch vụ cấp thấp (ví dụ trao đổi dữ liệu) và các
dịch vụ cấp cao (tạo lập cấu hình, báo cáo trạng thái). Một dịch vụ ở cấp cao hơn có
thể sử dụng các dịch vụ cấp thấp để thực hiện chức năng của nó.
Việc thực hiện các dịch vụ được dựa trên các nguyên hàm dịch vụ (Service
Primitive), gồm có:
 Yêu cầu (Request) dịch vụ, ký hiệu là .Req, ví dụ connect.Req.

Trang: 18


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: Đoàn Quang Vinh

 Chỉ thị (Indication) nhận lời phục vụ, ký hiệu là .Ind, ví dụ connect.Ind.
 Đáp ứng (Response) dịch vụ, ký hiệu là .Res, ví dụ connect.Res.
 Xác nhận (Confirmation) đã nhận được đáp ứng, ký hiệu là .Con, ví dụ
connect.con

Bên cầu

Bên cung

Bên cầu

Bên cung

1: connect.req

1: disconnect.req

2: connect.ind

2:disconnect.ind

3: connect.res
4: connect.con
a. Dịch vụ có xác nhận

b. Dịch vụ khơng xác nhận

Hình 3.5: Dịch vụ có xác nhận và khơng xác nhận
2. Giao thức:
Giao thức chính là cơ sở cho việc thực hiện và sử dụng các dịch vụ truyền
thông. Một qui chuẩn giao thức bao gồm các thành phần sau:
 Cú pháp: Qui định về cấu trúc bức điện, gói dữ liệu dùng khi trao đổi,
trong đó có phần thơng tin hữu ích (dữ liệu) và các thông tin bổ trợ như địa chỉ,
thông tin điều khiển, thông tin kiểm lỗi...
 Ngữ nghĩa: Qui định ý nghĩa cụ thể của từng phần trong một bức điện, như
phương pháp định địa chỉ, phương pháp bảo toàn dữ liệu, thủ tục điều khiển dịng
thơng tin, xử lý lỗi...

 Định thời: Qui định về trình tự, thủ tục giao tiếp, chế độ truyền, tốc độ
truyền...
Việc thực hiện một dịch vụ truyền thông trên cơ sở các giao thức tương ứng
được gọi là xử lý giao thức. Quá trình xử lý giao thức có thể là mã hố (xử lý giao
thức bên gửi) và giải mã (xử lý giao thức bên nhận).

Trang: 19


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: Đoàn Quang Vinh

3. Kiến trúc giao thức OSI (Open System Interconnection):
Trên thực tế khó có thể xây dựng được một mơ hình chi tiết thống nhất về
chuẩn giao thức và dịch vụ cho tất cả các hệ thống truyền thông, nhất là khi các hệ
thống đa dạng và tồn tại độc lập. Chính vì vậy năm 1983 tổ chức tiêu chuẩn hoá
quốc tế ISO (International Standard Organization) đã đưa ra một kiến trúc giao thức
với chuẩn ISO 7498, được gọi là mơ hình qui chiếu OSI nhằm hỗ trợ việc xây dựng
các hệ thống truyền thông có khả năng tương tác. OSI chỉ là một mơ hình kiến trúc
phân lớp với mục đích phục vụ việc sắp xếp và đối chiếu các hệ thống truyền thơng
có sẵn, trong đó có cả việc so sánh, đối chiếu các giao thức và dịch vụ truyền thông
cũng như cơ sở cho việc phát triển các hệ thống mới.
Theo mô hình OSI, chức năng hay dịch vụ của một hệ thống truyền thông
được chia thành 7 lớp, tương ứng với mỗi lớp dịch vụ là một lớp giao thức. Các lớp
này có thể do phần cứng hay phần mềm thực hiện, tuy nhiên chuẩn này không đề
cập tới chi tiết một đối tác truyền thông phải thực hiện từng lớp đó như thế nào. Một
lớp trên thực hiện dịch vụ của mình trên cơ sở sử dụng các dịch vụ ở một lớp phía
dưới và theo đúng giao thức qui định tương ứng. Thông thường, các dịch vụ ở cấp
thấp do phần cứng (các vi mạch điện tử) thực hiện, trong khi các dịch vụ cấp cao do

phần mềm (hệ điều hành, phần mềm điều khiển, phần mềm ứng dụng) đảm nhiệm.
Một lớp bất kỳ trong 7 lớp có thể thay đổi cách thực hiện mà không ảnh
hưởng đến các lớp khác nếu nó giữ nguyên giao diện với các lớp trên và lớp dưới
nó. Đây là mơ hình dùng để quy chiếu có tính chất tham khảo, khơng phải hệ thống
truyền thông nào cũng thực hiện đầy đủ cả bảy lớp. Ví dụ, vì lý do hiệu suất trao đổi
thông tin và giá thành thực hiện, đối với các hệ thống bus trường thông thường chỉ
thực hiện các lớp 1, 2 và 7. Trong các trường hợp này, có thể một số lớp không thực
sự cần thiết hoặc chức năng của chúng được ghép với một lớp khác, ví dụ với lớp
ứng dụng.
Một mơ hình quy chiếu khơng đảm bảo khả năng tương tác giữa các hệ thống
truyền thông và các thiết bị truyền thông khác nhau. Với việc định nghĩa bảy lớp,
OSI đưa ra một mơ hình trừu tượng cho các quá trình giao tiếp phân cấp. Nếu hai hệ

Trang: 20


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: Đoàn Quang Vinh

thống thực hiện cùng các dịch vụ và trên cơ sở một giao thức giống nhau ở một lớp
thì có nghĩa là hai hệ thống có khả năng tương tác ở lớp đó. Mơ hình OSI có thể
xem như một cơng trình khung, hỗ trợ việc phát triển và đặc tả các chuẩn giao thức.
Tương ứng với mỗi lớp là một nhóm chức năng đặc trưng cho các dịch vụ và
giao thức, các lớp ở đây chính là các lớp chức năng trong thành phần giao diện
mạng của một trạm thiết bị, bao gồm cả phần cứng ghép nối và phần mềm cơ sở.
Chức năng của các lớp được mô tả như sau:


Lớp ứng dụng (application layer):

Lớp ứng dụng là lớp trên cùng của mơ hình OSI, có chức năng cung cấp các
dịch vụ cao cấp (trên cơ sở các giao thức cao cấp) cho người sử dụng và các chương
trình ứng dụng, các hàm chức năng trao đổi thông tin, các dịch vụ truyền thơng. Ví
dụ, có thể sắp xếp các dịch vụ và giao thức theo chuẩn MMS cũng như các dẫn suất
của nó sử dụng trong một số hệ thống bus trường thuộc lớp ứng dụng. Các dịch vụ
thuộc lớp ứng dụng hầu hết được thực hiện bằng phần mềm.


Lớp biểu diễn dữ liệu (presentation layer):

Trong một mạng truyền thơng, ví dụ mạng máy tính, các trạm máy tính có thể
có kiến trúc rất khác nhau, sử dụng các hệ điều hành khác nhau vì vậy cách biểu
diễn dữ liệu cũng có thể khác nhau, như độ dài hay cách sắp xếp các byte dữ liệu
khác nhau. Chức năng của lớp biểu diễn dữ liệu là chuyển đổi các dạng dữ liệu khác
nhau về cú pháp thành một dạng chuẩn, nhằm tạo điều kiện cho các đối tác truyền
thơng có thể hiểu được nhau mặc dù chúng sử dụng các kiểu dữ liệu khác nhau.
Ngồi ra, lớp này cịn có thể cung cấp một số dịch vụ bảo mật dữ liệu, ví dụ qua
phương pháp sử dụng mã khố.
Nếu như cách biểu diễn dữ liệu được thống nhất, chuẩn hố thì chức năng này
không nhất thiết phải tách riêng thành một lớp độc lập mà có thể kết hợp thực hiện
trên lớp ứng dụng để đơn giản hoá và nâng cao hiệu suất của việc xử lý giao thức.
Đây chính là một đặc trưng trong các hệ thống bus trường.
 Lớp kiểm soát nối (session layer)

Trang: 21


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: Đồn Quang Vinh

Lớp kiểm sốt nối có chức năng kiểm sốt mối liên kết truyền thơng giữa các
chương trình ứng dụng, bao gồm các việc tạo lập, quản lý và kết thúc các đường nối
giữa các chương trình ứng dụng, bao gồm các việc tạo lập, quản lý và kết thúc các
đường nối giữa các ứng dụng đối tác. Mối liên kết giữa các chương trình ứng dụng
mang tính chất logic. Một mối liên kết vật lý (giữa hai trạm hay giữa hai nút mạng)
có thể tồn tại song song dưới dạng nhiều đường nối logic. Thơng thường kiểm sốt
nối thuộc chức năng của hệ điều hành. Để thực hiện các đường nối giữa hai ứng
dụng đối tác, hệ điều hành có thể tạo các quá trình tính tốn song song. Như vậy,
nhiệm vụ đồng bộ hố các q trình tính tốn này đối với việc sử dụng chung một
giao diện mạng cũng thuộc chức năng của lớp kiểm sốt nối. Vì vậy lớp này cịn
được gọi là lớp đồng bộ hoá.
Trong hệ thống bus trường, quan hệ nối giữa các chương trình ứng dụng được
xác định sẵn nên lớp kiểm sốt nối khơng đóng vai trị gì quan trọng. Đối với một
số hệ thống khác lớp này được kết hợp với lớp ứng dụng để nhằm nâng cao hiệu
Bên gửi
Bên nhận
suất truyền thơng.
Các trình ứng dụng

Các trình ứng dụng

Lớp ứng dụng

7

7

Lớp biểu diễn

6

6

Lớp kiểm sốt nối

5

5

Lớp vận chuyển

4

4

Lớp mạng

3

3

Lớp liên kết

2

2

Lớp vật lý

1

1

Môi trường truyền dẫn
Đường của dữ liệu Trang: 22
Quan hệ giao tiếp logic giữa các lớp
Hình 3.6: Mơ hình quy chiếu ISO/OSI


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: Đoàn Quang Vinh

 Lớp vận chuyển (Transport layer)

Khi một khối dữ liệu được chuyển đi thành từng gói, cần phải đảm bảo tất cả
các gói đều đến đích và theo đúng trình tự lúc chúng được chuyển đi. Chức năng
của lớp vận chuyển là cung cấp các dịch vụ cho việc thực hiện vận chuyển dữ liệu
giữa các chương trình ứng dụng một cách tin cậy, bao gồm cả việc khắc phục lỗi và
việc điều khiển lưu thơng. Nhờ vậy mà các lớp trên có thể thực hiện được các chức
năng cao cấp mà không cần quan tâm tới cơ chế vận chuyển cụ thể. Các nhiệm vụ
cụ thể của lớp vận chuyển bao gồm:
 Quản lý về hình thức cho các trạm sử dụng.
 Định vị các đối tác truyền thơng qua tên hình thức và địa chỉ.
 Xử lý lỗi và kiểm sốt dịng tin, trong đó có cả việc lập lại quan hệ liên kết
và thực hiện các thủ tục gửi lại dữ liệu khi cần thiết.
 Dồn kênh các nguồn dữ liệu khác nhau.

Trang: 23


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: Đồn Quang Vinh

 Đồng bộ hố giữa các trạm đối tác.
Để thực hiện việc vận chuyển một cách hiệu quả, tin cậy, một dữ liệu được
chuyển đi có thể được chia thành nhiều đơn vị vận chuyển (Data segment unit) có
đánh số thứ tự kiểm sốt trước khi bổ sung các thơng tin kiểm sốt lưu thông.
 Lớp mạng (Network layer)

Trong mạng diện rộng WAN là sự liên kết của nhiều mạng tồn tại độc lập.
Mỗi mạng đều có một khơng gian địa chỉ và cách đánh địa chỉ riêng, sử dụng công
nghệ truyền thông khác nhau. Một bức điện từ đối tác này sang đối tác khác của
một mạng khác có thể có nhiều đường đi khác nhau. Vì vậy thời gian, quãng đường
vận chuyển và chất lượng cũng khác nhau. Chức năng của lớp mạng là tìm một
đường đi tối ưu cho việc vận chuyển dữ liệu, giải phóng sự phụ thuộc của các lớp
phía trên vào phương thức chuyển giao dữ liệu và công nghệ chuyển mạch dùng để
kết nối các hệ thống khác nhau. Điều này có ý nghĩa rất lớn nhằm giảm được thời
gian, qng đường truyền thơng từ đó giảm giá thành dịch vụ.
Đối với một hệ thống mạng truyền thơng cơng nghiệp lớp mạng khơng có ý
nghĩa vì trong mạng khơng có sự trao đổi dữ liệu giữa hai trạm thuộc hai mạng khác
nhau, hoặc việc trao đổi dữ liệu được thực hiện trực tiếp thơng qua chương trình
ứng dụng (khơng qua lớp nào trong mơ hình OSI).
 Lớp liên kết dữ liệu (Data link layer)

Lớp liên kết dữ liệu có chức năng truyền dẫn dữ liệu một cách tin cậy thơng
qua mối liên kết vật lý, trong đó bao gồm việc điều khiển truy cập môi trường

truyền dẫn và bảo toàn dữ liệu. Lớp liên kết dữ liệu thường được chia thành hai lớp
con tương ứng với hai chức năng trên.
 Lớp điều khiển truy nhập môi trường MAC (Midium Access Control).
 Lớp điều khiển liên kết logic LLC (Logical Link Control).
Trong một số hệ thống, lớp liên kết dữ liệu có thể đảm nhiệm thêm các chức
năng khác như kiểm sốt lưu thơng và việc đồng bộ hoá các khung dữ liệu.

Trang: 24


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: Đoàn Quang Vinh

Để thực hiện chức năng bảo tồn dữ liệu, thơng tin nhận được từ lớp phía trên
được đóng gói thành các bức điện có chiều dài hợp lý. Các khung dữ liệu này chứa
các thơng tin bổ sung phục vụ cho mục đích kiểm sốt lỗi, kiểm sốt lưu thơng và
đồng bộ hố. Lớp liên kết dữ liệu bên phía nhận thơng tin sẽ dựa vào các thơng tin
này để xác định tính chính xác của dữ liệu, sắp xếp các khung lại theo đúng trình tự
và khơi phục lại thơng tin để chuyển tiếp lên lớp trên nó.
 Lớp vật lý (Physical layer)

Lớp vật lý là lớp dưới cùng trong mơ hình phân lớp chức năng truyền thông
của một trạm thiết bị. Lớp này đảm nhiệm tồn bộ cơng việc truyền dẫn dữ liệu
bằng phương tiện vật lý. Các qui định sau đây mô tả giao diện vật lý giữa một trạm
thiết bị và môi trường truyền thông:
 Các chi tiết về cấu trúc mạng (bus, cây, hình sao...).
 Chuẩn truyền dẫn (RS 485, IEC 1158-2, truyền cáp quang...).
 Phương pháp mã hoá bit.
 Chế độ truyền tải (đồng bộ, không đồng bộ, dải rộng, dải mang...).

 Tốc độ truyền cho phép.
III.2.5. Thiết bị liên kết mạng:
Để cho dòng dữ liệu giữa hai phần mạng có thể truyền qua lại cho nhau được
người ta sử dụng các thiết bị liên kết đặc biệt. Đó là những thiết bị sau:


Bộ lặp (Repeater) : Dùng để nối hai đoạn mạng giống nhau hoàn toàn về

tất cả các lớp giao thức và kể cả đường truyền vật lý.


Cầu nối ( Bridge ) : Phục vụ cho việc liên kết các mạng con với nhau, chỉ

khi phần trên lớp 2 của chúng làm việc cùng một giao thức.


Router : Liên kết hai mạng với nhau trên cơ sở lớp 3 theo mơ hình OSI.

Gateway : Được sử dụng để liên kết các hệ thống mạng khác nhau. Nhiệm vụ
chính của Gateway là chuyển đổi giao thức ở cấp cao, thường được thực hiện bằng
các thành phần mềm.

Trang: 25