THIẾT KẾ, CÀI ĐẶT VÀ KHẮC PHỤC SỰ CỐ MẠNG TRUYỀN THÔNG CÔNG NGHIỆP

THIẾT KẾ, CÀI ĐẶT VÀ KHẮC PHỤC SỰ
CỐ MẠNG TRUYỀN THÔNG CÔNG NGHIỆP:
Steve Mackay CPEng, BSc(ElecEng), BSc(Hons), MBA
Edwin Wright MIPENZ, BSc(Hons), BSc(Elec Eng)
Deon Reynders Pr.Eng, BSc(ElecEng)(Hons), MBA
John Park ASD
All with IDC Technologies, Perth, Australia
Newnes
Một dấu ấn của Elsevier
200 Đường Wheeler, Burlington, MA 01803
Xuất bản lần thứ nhất năm 2004
Bản quyền 2004, Công nghệ IDC. Độc quyền
ISBN 07506 5807X
Để biết thông tin trên tất cả các ấn phẩm Newnes, hãy truy cập trang web của
chúng tôi tại www.newnespress.com
Soạn thảo và Biên tập bởi Vivek Mehra, Mumbai, Ấn Độ
()
Được in và liên kết ở Anh
MỤC LỤC
Lời nói đầu
1 Lời giới thiệu 1
1.1 Giới thiệu 1
1.2 Thiết bị đo đạc hiện đại và hệ thống điều khiển 2
1.3 Kết nối các hệ thống mở (OSI) mô hình 6 6
1.4 Các giao thức 7 7
1.5 Tiêu chuẩn 8
2 Phương pháp chung 17
2.1
2.2 Vấn đề chung và các giải pháp 17
2.3 Nhận xét chung về khắc phục sự cố 18
2.4 Một phương pháp cụ thể 19

2.5 Nối đất / che chắn và tiếng ồn 20
2.5.1 Các nguồn nhiễu điện 20
2.5.2 Ghép nối điện của tiếng ồn 20
2.5.3 Tay Che 25
2.5.4 Cáp ống dẫn hoặc dây cáp 27
2.5.5 Cáp khoảng cách 27
2.5.6 Nối đất và yêu cầu nền tảng 28
2.5.7 Kỹ thuật ngăn chặn 29
2.5.8 Bộ lọc 30
3 EIA-232 Tổng q uan 32
3.1 EIA-232 tiêu chuẩn (CCITT V.24 tiêu chuẩn giao diện) 32
3.1.1 Các phần chính của EIA-232
3.2 Hoạt động một chiều của giao diện EIA-232 40
3.3 Tóm tắt các EIA/TIA-232 các phiên bản 41
3.4 Hạn chế 42
3.5 Khắc phục sự cố 42
3.5.1 Giới thiệu 42
3.5.2 Điển hình cách tiếp cận 43
3.5.3 Thiết bị kiểm tra 44
3.5.4 Vấn đề tiêu biểu EIA-232 47
3.5.5 Tóm tắt các xử lý sự cố 51
4 EIA-485 Tổng Quan 53
4.1 Tiêu chuẩn giao diện
4.2 Xử lý sự cố 58
4.2.1 Giới thiệu 58
4.2.2 EIA-485 vs EIA-422 59
4.2.3 EIA- 485 lắp đặt 60
4.2.4 Vấn đề tiếng ồn 61
4.2.5 Thiết bị kiểm tra 65
4.2.6 Tóm tắt 68

5 Vòng lặp hiện tại và Tổng quan bộ chuyển đổi EIA-485 69
5.1 Dòng điện 20mA 69
5.2 Chuyển đổi giao diện liên tiếp 70
5.3 Khắc phục sự cố 72
5.3.1 Chuyển đổi Khắc phục sự cố 72
6 Sợi quang học tổng quan 74
6.1 Giới thiệu 74
6.1.1 Ứng dụng cho cáp quang 75
6.2 Thành phần sợi cáp quang 75
6.3 Thông số sợi cáp quang 77
6.4 Các loại sợi quang 78
6.5 Các loại cáp cơ bản 80
6.5.1 Cáp Aerial 80
6.5.2 Cáp ngầm 81
6.5.3 Cáp Sub-dung dịch nước 81
6.5.4 Cáp trong nhà 81
6.6 Sợi kết nối 82
6.6.1 Tổn thất kết nối 82
6.6.2 Nối sợi 82
6.6.3 Bộ kết nối 83
6.6.4 Xử lý kết nối 84
6.6.5 Ghép quang 84
6.7 Máng nối / tổ chức và đầu cuối tủ 84
6.7.1 Máng nối 85
6.7.2 Thùng nối 85
6.7.3 đầu cuối trong bảng vá lỗi và khung phân phối 86
6,8 Khắc phục sự cố 88
6.8.1 Giới thiệu 88
6.8.2 Cách tiếp cận xử lý sự cố chuẩn 88
6.8.3 Yêu cầu công cụ 89

Nội dung vii
6.8.4 Quy định cài đặt sợi quang 89
6.8.5 Đầu nối quang sạch 91
6.8.6 Định vị trí sợi bị hỏng 91
7 Tổng quan Modbus 96
7.1 Tổng quan chung 96
7.2 Cấu trúc giao thức Modbus 97
7.3 Mã chức năng 98
7.3.1 Ðọc cuộn hoặc trạng thái đầu ra kỹ thuật số (mã chức năng 01) 99
7.3.2 Đọc trạng thái đầu vào kỹ thuật số (mã chức năng 02) 99
7.3.3 Ðọc sổ đăng ký đang nắm giữ (mã chức năng 03) 100
7.3.4 Đọc đăng ký đầu vào (mã chức năng 04) 101
7.3.5 Lực cuộn dây đơn (mã chức năng 05) 102
7.3.6 Preset đăng ký duy nhất (mã chức năng 06) 103
7.3.7 Tình trạng ngoại lệ đã đọc (mã chức năng 07) 104
7.3.8 Thử nghiệm lặp (mã chức năng 08) 105
7.3.9 Lực lượng nhiều cuộn dây hoặc kết quả đầu ra kỹ thuật số (mã
chức năng 0F) 106
7.3.10 Quân nhiều đăng ký (chức năng mã 10) 107
7.4 Khắc phục sự cố 109
7.4.1 Vấn đề thường gặp và lỗi 109
7.4.2 Mô tả các công cụ sử dụng 109
7.4.3 Xử lý sự cố chi tiết 110
7.4.4 Kết luận 114
8 Tổng quan về giao thức Modbus Plus 115
8.1 Khái quát tổng quan 115
8.2 Khắc phục sự cố 118
8.2.1 Vấn đề thường gặp và lỗi 118
8.2.2 Mô tả các công cụ sử dụng 119
8.2.3 Xử lý sự cố chi tiết 119

8.2.4 Kết luận 123
9 Tổng quan dữ liệu đường cao tốc Plus/DH485 125
9.1 Giao thức dữ liệu đường cao tốc (Plus)Allen Bradley 125
9.1.1 Tổng quan về giao thức Allen Bradley 125
9.1.2 Lớp vật lý (lớp phần cứng) 126
9.1.3 Lớp liên kết dữ liệu Full-duplex 126
9.2 Khắc phục sự cố 134
9.2.1 Giới thiệu 134
9.2.2 Dữ liệu xa lộ Plus xử lý sự cố dây 134
9.2.3 Dữ liệu xa lộ Plus chẩn đoán mạng 136
10 Tổng quan HART 137
10.1 Giới thiệu về HART và thiết bị thông minh 137
10.2 Giao thức HART 138
10.3 Lớp vật lý 139
10.4 Liên kết dữ liệu 141
10,5 Ứng dụng lớp 142
10.6 Khắc phục sự cố 144
11 Tổng quan giao diện-AS (AS-i) 145
11.1 Giới thiệu 145
11.2 Lớp 1 - lớp vật lý 146
11.3 Lớp 2 - liên kết lớp dữ liệu 149
11.4 Đặc điểm hoạt động 152
11.5 Khắc phục sự cố 152
11.5.1 Giới thiệu 152
11.5.2 Công cụ của giao dịch 153
12 Tổng quan mạng thiết bị 155
12.1 Giới thiệu 155
12.2 Vật lý lớp 156
12.2.1 Cấu trúc liên kết 156
12.3 Đầu nối 157

12.3.1 Cắm (chưa phủ) kết nối 158
12.3.2 Mạng cứng(chưa phủ) kết nối 158
12.3.3 Đầu nối nhỏ (đóng dấu) 159
12.3.4 Micro (đóng dấu) kết nối 160
12.4 Lượng cáp 160
12.5 TAP 161
12.5.1 Tap kín 161
12.5.2 Tap IDC 162
12.5.3 Mở tap 162
12.5.4 Mở tap nhiều cổng 163
12.5.5 Tap nhiều cổng 164
12.6 Mô tả cáp 165
12.6.1 Cáp dày 165
12.6.2 Đặc điểm kỹ thuật cáp mỏng 165
12.6.3 Cáp phẳng 166
12.7 Mạng lưới điện 167
12.7.1 Phương pháp tiếp cận chung 167
12.7.2 Nguồn cung cấp đơn- kết nối cuối 168
12.7.3 Nguồn cung cấp đơn - trung tâm kết nối 168
12.7.4 Gợi ý để tránh các lỗi và các tùy chọn nguồn cung cấp điện 170
12.8 Hệ thống nối đất 170
12.9 Tín hiệu 170
12.10 Liên kết dữ liệu 171
12.10.1 Định dạng khung 171
12.10.2 Truy cập trung bình 172
12.10.3 Sự phân mảnh 173
12.11 Lớp ứng dụng 174
12.12 Khắc phục sự cố 174
12.12.1 Giới thiệu 174
12.12.2 Công cụ của thương mại 174

12.12.3 Các thủ tục tìm sự cố 177
13 Tổng quan về ProfiBus PA/DP/FMS 181
13.1 Giới thiệu 181
13.2 Chồng giao thức ProfiBus 183
13.2.1 Lớp vật lý (lớp 1) 183
13.2.2 Liên kết dữ liệu (lớp 2) 184
13.2.3 Lớp ứng dụng 187
13.2.4 Đặc điểm kỹ thuật thông báo Fieldbus (FMS) 187
13.2.5 Giao diện lớp thấp hơn (LLI) 188
13.2.6 Lớp quản lý Fieldbus (FMA 7) 189
13.3 Các mô hình truyền thông ProfiBus 190
13.4 Mối quan hệ giữa quá trình ứng dụng và thông tin liên lạc 190
13.5 Đối tượng truyền thông 191
13.6 Hiệu suất 192
13.7 Vận hành hệ thống 192
13.7.1 Cấu hình 192
13.7.2 Truyền dữ liệu giữa DPM1 và DP-thụ động 194
13.7.3 Đồng bộ và phương thức đóng băng 194
13.7.4 An toàn và bảo vệ trạm 195
13.7.5 Hoạt động hỗn hợp của trạm FMS và DP 195
13.8 Khắc phục sự cố 195
13.8.1 Giới thiệu 195
13.8.2 Các công cụ khắc phục sự cố 195
13.8.3 Lời khuyên 198
14 Tổng quan xây dựng Fieldbus 200
14.1 Giới thiệu về xây dựng Fieldbus 200
14.2 Các lớp vật lý và các quy định hệ thống dây điện 201
14.3 Các lớp liên kết dữ liệu 204
14.4 Lớp ứng dụng 205
14.5 Lớp người dùng 206

14.6 Phát hiện lỗi và chẩn đoán 207
14.7 Ethernet tốc độ cao (HSE) 207
14.8 Hệ thống dây điện tốt và thực hành cài đặt với Fieldbus 208
14.8.1 Chuẩn bị chấm dứt 208
14.8.2 Lắp đặt hệ thống hoàn chỉnh 208
14.9 Khắc phục sự cố 210
14.9.1 Giới thiệu 210
14.9.2 Vấn đề điện 211
14.9.3 Vấn đề truyền thông 212
14.9.4 Thiết bị kiểm tra thiết lập Fieldbus 215
15 Tổng quan về công nghiệp Ethernet 216
15.1 Giới thiệu 216
15.2 Ethernet 10 Mbps 217
15.2.1 Hệ thống truyền thông 217
15.2.2 Phương pháp tín hiệu 223
15.2.3 Kiểm soát truy cập trung bình 223
15.2.4 Truyền tải khung 223
15.2.5 Tiếp nhận khung 224
15.2.6 Định dạng khung MAC 224
15.2.7 IEEE 802.2 LLC 226
15.2.8 Giảm sự va chạm 227
15.2.9 Các quy định thiết kế 227
15.3 Ethernet 100 Mbps 230
15.4 Gigabit Ethernet 233
15.4.1 Giới thiệu 233
15.4.2 Bộ lặp song công hoàn toàn Gigabit Ethernet 234
15.4.3 Xem xét thiết kế Gigabit Ethernet 234
15.5 Công nghiệp Ethernet 236
15.5.1 Giới thiệu 236
15.5.2 Cổng kết nối và cáp 236

15.5.3 Xác định so với vận hành ngẫu nhiên 237
15.5.4 Kích thước và chi phí của khung Ethernet 237
15.5.5 Tiếng ồn và nhiễu sóng 237
15.5.6 Phân vùng của mạng lưới 238
15.5.7 Chuyển đổi công nghệ 238
15.5.8 Điện tử đăng nhập 239
15.5.9 Nhanh và Gigabit Ethernet 239
15.5.10 TCP / IP và hệ thống công nghiệp 240
15.5.11 Kiến trúc Ethernet công nghiệp cho độ sẵn sàng cao 240
15.6 Khắc phục sự cố 241
15.6.1 Giới thiệu 241
15.6.2 Vấn đề thường gặp và lỗi 241
15.6.3 Công cụ của thương mại 241
15.6.4 Những vấn đề và những giải pháp 243
15.6.5 Khắc phục sự cố chuyển mạch mạng lưới 255
15.6.6 Khắc phục sự cố nhanh Ethernet 256
15.6.7 Khắc phục sự cố gigabit Ethernet 256
16 Tổng quan TCP/IP 257
16.1 Giới thiệu 257
16.1.1 Lớp mạng Internet 259
16.1.2 Lớp cơ sơ 259
16.1.3 Quy trình / ứng dụng lớp 259
16.2 Lớp giao thức mạng Internet (chuyển gói) 259
16.2.1 Phiên bản IP 4 (IPv4) 259
16.2.2 Địa chỉ phân giải giao thức (ARP) 262
16.2.3 ICMP 265
16.2.4 Gói dữ liệu ICMP 265
16.2.5 Tuyến 267
16.3 Lớp cơ sở: giới hạn độ bền 270
16.3.1 TCP 270

16.3.2 UDP 271
16.4 Khắc phục sự cố 272
16.4.1 Giới thiệu 272
16.4.2 Vấn đề thường gặp 272
16.4.3 Công cụ của thương mại 272
16.4.4 Đặc trưng vấn đề lớp mạng 273
16.4.5 Vấn đề lớp vận tải 275
17 Tổng quan đài phát thanh và truyền thông không dây 277
17.1 Giới thiệu 277
17.2 Các thành phần của một liên kết vô tuyến 278
17.3 Quang phổ radio và tần suất phân bổ 279
17.4 Tóm tắt các đặc điểm phát thanh của VHF / UHF 281
17.5 Đài phát thanh modem 282
17.5.1 Chế độ modem phát thanh 285
17.5.2 Tính năng của một modem phát thanh 286
17.5.3 Lượng phân bổ quang phổ modem vô tuyến 287
17.6 Biến điệu và làm thế nào để ngăn chặn nó 287
17.6.1 Giới thiệu 287
17.6.2 Biến điệu 288
17.7 Thực hiện một liên kết vô tuyến 289
17.7.1 Mẫu đường dẫn 289
17.7.2 Đường dẫn RF tính toán thiệt hại 292
17.7.3 Phát điện / bộ phận độ nhạy 293
17.7.4 Tín hiệu đến tỷ lệ tiếng ồn và SINAD 294
17.7.5 Biên độ 295
17.7.6 Tóm tắt các tính toán 296
17.7.7 Xem xét khác 296
17.8 Khắc phục sự cố 297
Phụ lục A Bảng thuật ngữ 298
Phụ lục B Thuật ngữ cơ bản 316

Phụ lục C Thực hành 343
Phụ lục D Tổng quan về giao thức công nghiệp khác 402
Phụ lục E Các dịch vụ khu vực, các quy định và tiêu chuẩn 406
Chỉ số 415
LỜI NÓI ĐẦU
Đây là một cuốn sách toàn diện bao gồm các yếu tố cần thiết về xử lý sự cố và giải
quyết vấn đề của các hệ thống truyền thông dữ liệu công nghiệp bao gồm các lĩnh
vực như RS-232, RS-485, các giao thức công nghiệp như Modbus, sợi quang học,
công nghiệp Ethernet, TCP / IP, DeviceNet (thiết bị mạng) và các giao thức
Fieldbus như Profibus và Foundation Fieldbus. Nó có thể được sử dụng rất có lợi
kết hợp với công nghệ IDC trên hệ thống thông tin vi tính.
Chúng tôi đã đưa ra tất cả các quá trình xử lý sự cố và kỹ năng giải quyết vấn đề từ
các kỹ sư giàu kinh nghiệm và tổng hợp lại thành cuốn sách, để người sử dụng có
thể giải quyết được các vấn đề thực tế thông tin liên lạc trong công nghiệp.
Mục tiêu tổng thể của cuốn sách là giúp xác định, ngăn chặn và sửa chữa các vấn
đề chung về truyền thông công nghiệp. Trọng tâm là “bên ngoài chiếc hộp “. Điểm
nhấn mạnh là các ứng dụng thực tế vượt xa các vấn đề thông tin liên lạc thông
thường. Ngoài ra, lý luận và tập trung vào việc cung cấp các công cụ cần thiết về
kỹ năng trong việc giải quyết các vấn đề truyền thông công nghiệp, đó là RS-
232/RS-485, Modbus, Fieldbus và DeviceNet hoặc một mạng cục bộ như Ethernet.
Ngày nay, hệ thống truyền thông công nghiệp đang được lắp đặt trong toàn bộ các
nhà máy, từ kết nối các công cụ đơn giản để điều khiển logic lập trình đến các máy
tính, trong suốt một phần kinh doanh của nhà máy. Phạm vi của vấn đề truyền
thông là từ vấn đề nối dây đơn giản đến chuyển giao liên tục các thông điệp giao
thức.
Hệ thống truyền thông trong các nhà máy làm cơ sở cho toàn bộ hoạt động. Điều
quan trọng là cần phải có những kiến thức và công cụ để nhanh chóng xác định và
sửa chữa các vấn đề khi chúng xảy ra, để đảm bảo rằng có một hệ thống an toàn và
đáng tin cậy. Cuốn sách này chắt lọc tất cả những lời khuyên và bí quyết với những
lợi ích của nhiều năm kinh nghiệm. Nó cung cấp một phương pháp phổ biến bao

gồm tất cả các phần được liệt kê dưới đây với mỗi tiêu chuẩn / giao thức có cấu
trúc như sau:
• Tổng quan về các tiêu chuẩn
• Các vấn đề chung và các lỗi có thể xảy ra
• Mô tả các công cụ sử dụng
• Từng lỗi và cách sửa chữa chúng sau đó sẽ được trình bày cụ thể
Mục đích là để cung cấp đủ kiến thức để khắc phục sự cố và sửa chữa các vấn đề,
càng nhanh càng tốt.
Khi kết thúc cuốn sách này, bạn sẽ có thể:
• Xác định, ngăn chặn và khắc phục sự cố các vấn đề truyền thông công
nghiệp
• Sửa chữa trên 60 lỗi trên tổng số những vấn đề phổ biến nhất xảy ra trong
RS-232/RS-485,
giao thức công nghiệp (bao gồm cả Modbus / dữ liệu Highway Plus), Ethernet công
nghiệp,
TCP / IP, DeviceNet và Fieldbus (như Profibus và Foundation Fieldbus)
• Có được nhiều công cụ thực tế về kỹ năng để khắc phục sự cố trong hệ thống
truyền thông công nghiệp từ RS-232, RS-485, sợi quang học, Fieldbus đến
Ethernet.
• Phân tích tất cả các vấn đề truyền thông công nghiệp và sửa chữa chúng
• Tìm lỗi của mạng Ethernet và TCP / IP
Cuốn sách này dành cho các kỹ sư và kỹ thuật viên là:
• Kỹ sư / kỹ thuật viên kiểm soát
• Kỹ sư điều khiển quá trình
• Kỹ sư điện
• Tích hợp hệ thống
• Nhà thiết kế
• Kỹ sư thiết kế
• Kỹ sư hệ thống
• Quy hoạch mạng

• Kỹ sư kiểm tra
• Kỹ sư kỹ thuật điện tử
• Kỹ sư tư vấn
• Quản lý nhà máy
• Thợ điện
Kiến thức cơ bản của truyền thông dữ liệu là rất hữu ích.
Cấu trúc của cuốn sách được liệt kê dưới đây. Mỗi chương được chia thành hai
phần :
• Nguyên tắc cơ bản của tiêu chuẩn hoặc giao thức
• Khắc phục sự cố
Chương 1: Giới thiệu . Giới thiệu về truyền thông công nghiệp và các tiêu chuẩn,
các giao thức khác nhau được sử dụng, cũng như được thảo luận trong cuốn sách
này .
Chương 2: Phương pháp tổng thể. Xem xét các triệu chứng điển hình và các vấn đề
xảy ra trong truyền thông công nghiệp. Phương pháp điển hình sửa chữa vấn đề xảy
ra .
Chương 3: Tổng quan về EIA-232. Đánh giá của các nguyên tắc cơ bản của EIA-
232 và cách sửa chữa các vấn đề xảy ra .
Chương 4: Tổng quan về EIA -485. Thảo luận về RS-485 trong phạm vi hệ thống
cáp, chế độ điện áp phổ biến, bộ chuyển đổi, cách điện, chấm dứt và kiếm soát
trạng thái không làm việc.
Chương 5 : Tổng quan về vòng lặp hiện tại và chuyển đổi EIA -485. Vấn đề về cáp
và cách điện và làm thế nào để sửa chữa chúng .
Chương 6: Tổng quan về sợi quang. Đánh giá về ghép nối, giao diện cáp, kết nối,
đa chế độ, laser so với các máy phát LED, trình điều khiển không tương thích, cong
bán kính và giật và các vấn đề cài đặt.
Chương 7: Tổng quan về Modbus. Thảo luận về các vấn đề với Modbus, như:
không có phản ứng, báo cáo ngoại lệ, tiếng ồn và giao diện vô tuyến và thiếu
lớp vật lý và ứng dụng trong định nghĩa.
Chương 8: Tổng quan về giao thức Modbus Plus. Xem xét các vấn đề điển hình

như cáp, đất, bảo vệ, đầu nối và mã thông báo.
Chương 9: Tổng quan về dữ liệu Highway Plus/DH485. Xem xét các vấn đề điển
hình như cáp, đất, bảo vệ, đầu nối và mã thông báo.
Chương 10: Tổng quan về HART. Thảo luận về hệ thống cáp, cấu hình và độ an
toàn.
Chương 11: AS-giao diện (AS-i) tổng quan. Yếu tố cần thiết của hệ thống cáp, kết
nối và các cổng.
Chương 12: Tổng quan về thiết bị mạng. Xem xét các vấn đề điển hình như cấu
trúc liên kết, năng lượng
và tiếp đất, mức độ tín hiệu điện áp, điện áp thường gặp, thiết bị đầu cuối, dây cáp,
tiếng ồn,
vấn đề truyền thông và các lỗi.
Chương 13: Tổng quan về ProfiBus PA / DP / FMS. Thảo luận về hệ thống cáp, cáp
quang, bảo hộ, tiếp đất, phân khúc, mã màu, địa chỉ bus, điều chỉnh điện trở đầu
cuối, giảm độ dài các file GSD và đảm bảo độ an toàn.
Chương 14: Tổng quan về Bus trường. Xem xét lại hệ thống dây điện, bảo hộ, hệ
thống dây điện cực, điện, kết nối đảm bảo an toàn, giảm điện áp, điều hoà năng
lượng, bảo vệ tăng áp và cấu hình.
Chương 15: Tổng quan về Ethernet công nghiệp. Thảo luận về các vấn đề như tiếng
ồn, độ mỏng và dày của cáp đồng trục, cáp UTP, loại dây điện, linh kiện, lựa chọn
phương tiện truyền thông không chính xác, Jabber, quá nhiều nút, phát sóng quá
nhiều, khung hình xấu, 10/100 Mbps không phù hợp, trung tâm bị lỗi và tải.
Chương 16: Tổng quan về TCP/IP. Xem xét các giao thức Internet, giao thức điều
khiển truyền dẫn, địa chỉ, mạng, bộ định tuyến.
Chương 17: Tổng quan về đài phát thanh và truyền thông. Thảo luận về độ tin cậy,
tiếng ồn, nhiễu sóng, năng lượng, khoảng cách, tần số, biên độ trên và dưới.
CHƯƠNG 1
LỜI GIỚI THIỆU
Mục đích:
Khi bạn đã học xong chương này, bạn sẽ có thể:

• Mô tả các thiết bị hiện đại và hệ thống điều khiển
• Liệt kê các hệ thống thông tin liên lạc công nghiệp chủ yếu
• Mô tả các thành phần thiết yếu của hệ thống truyền thông công nghiệp
Giới thiệu:
Truyền thông dữ liệu liên quan đến việc chuyển giao thông tin từ điểm này đến
điểm khác. Trong cuốn sách này, chúng tôi đặc biệt quan tâm đến việc truyền dữ
liệu kỹ thuật số. Trong tài liệu này, "dữ liệu" đề cập đến các thông tin được thể hiện
bởi một chuỗi các số không và một, giống như một loại dữ liệu được xử lý bởi máy
tính. Nhiều hệ thống truyền thông xử lý dữ liệu tương tự, ví dụ là hệ thống điện
thoại, đài phát thanh và truyền hình. Thiết bị hiện đại đã liên quan đến việc chuyển
dữ liệu kỹ thuật số.
Bất kỳ hệ thống thông tin liên lạc nào cũng đều cần thiết bị chuyển phát để gửi
thông tin, một máy thu để chấp nhận nó và một đường liên kết giữa chúng. Các loại
liên kết bao gồm dây đồng, cáp quang, vô tuyến và sóng.
Một số liên kết khoảng cách ngắn, sử dụng kết nối song song, có nghĩa là nhiều dây
được yêu cầu phải mang một tín hiệu. Đây là loại kết nối được giới hạn trong các
thiết bị như máy in địa phương. Hầu như tất cả các thông tin liên lạc dữ liệu hiện
đại sử dụng các liên kết nối tiếp trong đó dữ liệu được truyền theo thứ tự trên một
mạch đơn.
Kỹ thuật số dữ liệu đôi khi được chuyển giao sử dụng một hệ thống được thiết kế
chủ yếu cho truyền thông tương tự. Một modem, ví dụ, hoạt động bằng cách sử
dụng một dòng dữ liệu kỹ thuật số để điều chỉnh một tín hiệu tương tự được gửi
qua đường dây điện thoại. Modem khác demodulates tín hiệu để sao chép các dữ
liệu kỹ thuật số ban đầu vào đầu cuối nhận. Từ "modem" có nguồn gốc từ điều biến
và bộ giải điều chế. Có nghĩa là phải thống nhất với nhau về cách dữ liệu được mã
hóa, đó là thiết bị nhận phải có khả năng hiểu được những gì máy tính gửi. Cấu trúc
này là của thiết bị giao tiếp được biết đến như một giao thức.
Vào thập kỷ trước, nhiều tiêu chuẩn và các giao thức đã được thành lập, cho phép
công nghệ truyền dữ liệu sử dụng có hiệu quả hơn trong công nghiệp. Nhà thiết kế
và người sử dụng bắt đầu nhận ra những lợi ích kinh tế và năng suất rất lớn có thể

đạt được với sự tích hợp của hệ thống đã đi vào hoạt động.
Các giao thức là cấu trúc sử dụng trong một hệ thống thông tin liên lạc, ví dụ, một
máy tính có thể nói chuyện với một máy in. Theo truyền thống, phát triển giao thức
phần mềm và phần cứng nền tảng đã cho rằng chỉ có sản phẩm của mình có thể sử
dụng. Để phát triển hơn thiết bị tích hợp và hệ thống kiểm soát, tiêu chuẩn hóa các
giao thức truyền thông là rất cần thiết.
Tiêu chuẩn có thể phát triển từ việc sử dụng loại giao thức của một nhà sản xuất
(một tiêu chuẩn de facto) hoặc có thể được phát triển đặc biệt bởi các cơ quan đại
diện cho các ngành công nghiệp cụ thể. Tiêu chuẩn cho phép các nhà sản xuất để
phát triển sản phẩm sẽ giao tiếp với các thiết bị đã được sử dụng. Đối với các khách
hàng này giúp đơn giản hoá việc tích hợp các sản phẩm từ các nguồn khác nhau.
Thị trường truyền thông công nghiệp được đặc trưng bởi sự thiếu tiêu chuẩn hóa.
Tuy nhiên, một vài tiêu chuẩn chi phối. Modbus là một tiêu chuẩn cho mười lăm
năm qua và các tiêu chuẩn thử nghiệm như EIA-232 và EIA-485 đã được sử dụng
rộng rãi. Các lĩnh vực đó đã tạo nên cảm giác lo lắng (mà chúng ta ít khi nói – khó
chịu) trong số các nhà cung cấp và người sử dụng là sự lựa chọn của một Fieldbus
chấp nhận được, mà sẽ kết hợp chặt chẽ các công cụ để điều khiển logic lập trình
và máy tính cá nhân. Nỗ lực này đã dẫn đến một vài tiêu chuẩn chi phối cạnh tranh
như Profibus, ASi, DeviceNet và Foundation Fieldbus được sử dụng trong các lĩnh
vực khác nhau của ngành công nghiệp.
Các tiêu chuẩn đó đã tạo ra một số lượng lớn sự quan tâm trong vài năm qua là
Ethernet. Sau khi ban đầu bị từ chối vì không xác định, có nghĩa là không thể đảm
bảo một thông điệp quan trọng được giao trong một thời gian xác định, vấn đề gai
góc này đã được giải quyết với các tiêu chuẩn mới nhất trong Ethernet và việc sử
dụng công nghệ chuyển mạch. Các giao thức khác, phù hợp vào Ethernet rất tốt là
TCP / IP. Được xuất phát từ Internet, nó rất phổ biến và sử dụng rộng rãi.
• Thiết bị hiện đại và hệ thống điều khiển
Trong một hệ thống thiết bị đo đạc và điều khiển, dữ liệu được thu lại bởi dụng cụ
đo lường và
chuyển đến một bộ điều khiển, thường là một máy tính. Bộ điều khiển sau đó

truyền dữ liệu (tín hiệu điều khiển) để điều khiển các thiết bị, mà hoạt động theo
một quy trình nhất định.
Sự tích hợp của hệ thống với nhau cho phép dữ liệu được chuyển một cách nhanh
chóng và có hiệu quả giữa các hệ thống khác nhau trong một nhà máy cùng một
liên kết truyền thông dữ liệu. Điều này giúp loại bỏ sự không cần thiết cho các máy
có hệ thống dây điện tốn kém và khó sử dụng.
Năng suất và chất lượng là mục tiêu chính trong việc quản lý tốt của bất kỳ hoạt
động sản xuất. Quản lý có thể được cải thiện đáng kể bởi sự sẵn có của dữ liệu
chính xác và kịp thời. Từ đó, chúng ta có thể phỏng đoán rằng một thiết bị tốt và
hệ thống điều khiển có thể tạo điều kiện cả về chất lượng và năng suất.
Mục đích chính của một hệ thống thiết bị đo đạc và kiểm soát, trong một môi
trường công nghiệp, là để cung cấp những yếu tố sau:
Kiểm soát các quy trình và báo động
Theo truyền thống, điều khiển các quá trình như nhiệt độ và lưu lượng được cung
cấp bởi các bộ điều khiển tương tự hoạt động trên tiêu chuẩn 4-20 mA. Các tiêu
chuẩn 4-20 mA được sử dụng bởi thiết bị từ nhiều nhà cung cấp và nó được phổ
biến cho các thiết bị từ các nguồn khác nhau được trộn lẫn trong hệ thống điều
khiển tương tự. Bộ điều khiển độc lập và các công cụ phần lớn đã được thay thế
bằng hệ thống tích hợp như hệ thống điều khiển phân tán (DCS), mô tả dưới đây.
Kiểm soát trình tự, khoá liên động và báo động
Thông thường, điều này được cung cấp bởi bộ chuyển tiếp, bộ đếm thời gian và các
thành phần khác vào bảng điều khiển và các trung tâm điều khiển động cơ. Các
điều khiển trình tự, lồng khóa liên động và yêu cầu báo động phần lớn được thay
thế bằng PLC.
Một giao diện điều khiển cho màn hình hiển thị và kiểm soát
Theo truyền thống, quy trình và nhà máy sản xuất được vận hành từ bảng điều
khiển địa phương của một số nhà khai thác, từng chịu trách nhiệm một phần của
quá trình tổng thể. Hệ thống điều khiển hiện đại có xu hướng sử dụng phòng điều
khiển trung tâm để theo dõi toàn bộ nhà máy. Phòng điều khiển được trang bị với
các máy trạm điều hành trên máy tính, trong đó thu thập dữ liệu từ các thiết bị đo

đạc hiện trường và sử dụng nó để hiển thị đồ họa cho quy trình kiểm soát, giám sát
báo động, kiểm soát trình tự và khóa liên động.
Thông tin quản lý
Thông tin quản lý theo truyền thống được cung cấp bằng cách đọc từ thiết bị đo,
ghi biểu đồ, và đối chiếu từ các mẫu lấy từ quá trình sản xuất. Dữ liệu này là cần
thiết để giám sát hiệu suất tổng thể của một nhà máy hoặc xử lý và cung cấp các dữ
liệu cần thiết để quản lý quá trình này. Thu thập dữ liệu hiện đang được tích hợp
vào hệ thống kiểm soát tổng thể. Điều này giúp giảm thời gian thu thập thông tin và
làm giảm thời gian cần thiết để tương quan và sử dụng thông tin. Quản lý tốt có thể
đạt được năng suất đáng kể.
Khả năng của các thiết bị điều khiển để thực hiện các yêu cầu này đã phụ thuộc vào
những thuận lợi chính đã diễn ra trong các lĩnh vực điện tử tích hợp, bộ vi xử lý và
truyền dữ liệu. Bốn thiết bị đã thực hiện các tác động quan trọng nhất trong nhà
máy được để điều khiển là:
• Hệ thống điều khiển phân tán (DCS)
• Bộ điều khiển logic lập trình (PLC)
• Các hệ thống SCADA (điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu)
• Các công cụ thông minh
Hệ thống điều khiển phân tán (DCS)
Một hệ thống điều khiển phân tán DCS là một phần cứng và phần mềm (kỹ thuật
số) dựa trên điều khiển quá trình và hệ thống thu thập dữ liệu. DCS dựa trên một
đường truyền dữ liệu và có cấu trúc phân tán, nhưng tích hợp mô-đun. Mỗi module
thực hiện công việc chuyên dụng cụ thể như các nhà điều hành giao diện / tương tự
hoặc điều khiển / kiểm soát kỹ thuật số vòng lặp. Thường có một giao diện đơn vị
nằm trên đường dữ liệu cho phép kết nối dễ dàng với các thiết bị khác như PLC và
các thiết bị máy tính giám sát.
Bộ điều khiển logic lập trình (PLC)
PLC được phát triển sau những năm sáu mươi để thay thế các bộ sưu tập của các
rơle điện từ, đặc biệt là trong ngành công nghiệp sản xuất ô tô. Họ đã sử dụng chủ
yếu để điều khiển trình tự và khóa liên động với giá đỡ, mở/đóng đầu vào và đầu

ra, được gọi là kỹ thuật số I / O. Được điều khiển bởi một bộ xử lý trung tâm sử
dụng dễ dàng viết các chương trình gõ “thang logic”. PLC hiện đại hiện nay bao
gồm các modul I / O tương tự và kỹ thuật số cũng như khả năng lập trình tinh vi
tương tự như một DCS, ví dụ như PID lập trình vòng lặp.
Liên kết tốc độ cao giữa các PLC cũng có sẵn, chẳng hạn như 10/100 Mbps
Ethernet. Một sơ đồ của một hệ thống PLC điển hình được đưa ra trong hình 1.1.