Giáo trình mạng truyền thông nghề điện tử công nghiệp trình độ cao đẳng (tổng cục dạy nghề)

BỘ LAO ĐỘNG THƯƠNG BINH XÃ HỘI
TỔNG CỤC DẠY NGHỀ

GIÁO TRÌNH

Mô đun: MẠNG TRUYỀN THÔNG
NGHỀ: ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP
TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG
Ban hành kèm theo Quyết định số:120/QĐ-TCDN ngày 25 tháng 02 năm
2013 của Tổng cục trưởng Tổng cục Dạy nghề

Năm 2013


2

TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN
Tài liệu này thuộc loại giáo trình nên các nguồn thông tin có thể được
phép dùng nguyên bảng hoặc trích dùng cho các mục đích về đào tạo và tham
khảo.
Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc hoặc sử dụng với mục đích kinh
doanh thiếu lành mạnh sẽ bị nghiêm cấm.

2


3

LỜI GIỚI THIỆU
Để thực hiện biên soạn giáo trình đào tạo nghề Điện tử công nghiệp ở
trình độ Cao Đẳng Nghề và Trung Cấp Nghề, giáo trình Mạng truyền thông

công nghiệp là một trong những giáo trình mô đun đào tạo chuyên ngành
được biên soạn theo nội dung chương trình khung được Bộ Lao động Thương
binh Xã hội và Tổng cục Dạy Nghề phê duyệt. Nội dung biên soạn ngắn gọn,
dễ hiểu, tích hợp kiến thức và kỹ năng chặt chẽ với nhau, logíc.
Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ trong hầu
hết mọi lĩnh vực nói chung, và lĩnh vực điều khiển công nghiệp nói riêng.
Chính vì vậy, việc hiểu biết và nắm bắt kiến thức về việc điều khiển và giám
sát hệ thống công nghiệp từ xa,… là một nhu cầu kiến thức cần thiết cho cán
bộ kỹ thuật điện tử, tự động hoá,…
Nội dung giáo trình được bố cục bao gồm 9 bài với nội dung như sau:
Bài 1: Giới thiệu tổng quan
Bài 2: Nhiễu và giải pháp xử lý
Bài 3: Chuẩn truyền thông RS232
Bài 4: Chuẩn truyền thông RS485
Bài 5: Cáp quang
Bài 6: Mạng Modbus
Bài 7: Mạng AS-I Actuator Sensor Interface
Bài 8: Mạng Industrial Enthernet
Bài 9: Mạng truyền thông Radio và Wireless
Trong giáo trình này tác giả đã sử dụng nhiều tài liệu tham khảo và
biên soạn theo một trật tự logic nhất định. Tuy nhiên, tùy theo điều kiện cơ sở
vật chất và trang thiết bị, các trường có thề sử dụng cho phù hợp. Mặc dù đã
cố gắng tổ chức biên soạn để đáp ứng được mục tiêu đào tạo nhưng không
tránh được những khiếm khuyết.Rất mong nhận được đóng góp ý kiến của
các thầy, cô giáo, bạn đọc để nhóm biên soạn sẽ hiệu chỉnh hoàn thiện
hơn.Các ý kiến đóng góp xin gửi về Trường Cao đẳng nghề Lilama 2, Long
Thành Đồng Nai.
Hà Nội, ngày 10 tháng 06 năm 2013
Tham gia biên soạn
Chủ Biên: TS. Lê Văn Hiền

Th.S Đỗ Văn Cần
Ks. Trần Diễm
3


4

MỤC LỤC
ĐỀ MỤC
TRANG

MÔ ĐUN
MẠNG TRUYỀN THÔNG CÔNG NGHIỆP
Mã mô đun: MĐ 34
VỊ TRÍ, Ý NGHĨA,VAI TRÒ VÀ TÍNH CHẤT CỦA MÔ ĐUN:
- Vị trí: Mô đun được bố trí học sau các môn học, mô đun kỹ thuật cơ sở
và các mô đun chuyên môn nghềđặc biệt như PLC cơ bản, PLC nâng cao
- Ý nghĩa : Mô dun cho tao có cái nhìn thực tế hơn về lĩnh vực điều
khiển trong công nghiệp
4


5

- Vai trò : đóng vai trò quan trong sản xuất công nghiệp đặt biệt những
nước có nền công nghiệp phát triển và đang phát triển.
- Tính chất: Là mô đun chuyên môn nghề điện tự động hóa
MỤC TIÊU MÔ ĐUN:
+ Về kiến thức
- Mô tả được cấu trúc mạng truyền thông trong công nghiệp

- Trình bày được các chuẩn truyền thông
- Trình bày được nguồn gốc nhiễu và các giải pháp xử lý.
- Chống được nhiễu trong truyền thông
- Phân tích được các tính năng chính của chuẩn RS232, RS485
- Trình bày được các tính năng chính của cáp quang
+ Về kỹ năng
- Kết nối được các thiết bị dùng cáp quang.
- Trình bày được cấu trúc mạng Modbus, Mạng AS-i, Mạng Industrial
Ethernet
- Xác định và xử lý được một số vấn đề đơn giản
+ Về thái độ:
- Chủ động, sáng tạo và an toàn trong quá trình học tập.
NỘI DUNG MÔ ĐUN:
1. Nội dung tổng quát và phân phối thời gian:
Thời gian
Số
Tên các bài trong mô đun
Tổng
Lý
Thực
Kiểm
TT
số
thuyết
hành
tra+
1
Giới thiệu tổng quan
5
5

0
2
Nhiễu và giải pháp
10
4
6
3
Chuẩn truyền thông RS232
10
4
6
4
Chuẩn truyền thông RS485
10
10
0
5
Cáp quang
10
4
6
6
Mạng Modbus
20
4
14
2
7
Mạng AS-i
20

4
14
2
8
Mạng Industrial Ethernet
20
4
14
2
9
Truyền thông Radio và
15
5
10
wireless
Tổng cộng
120
44
70
6
+ Ghi chú: Thời gian kiểm tra được tích hợp giữa lý thuyết với thực hành
được tính bằng giờ thực hành.

5


6

BÀI 1
GIỚI THIỆU TỔNG QUAN

Mã bài: MĐ34-01
Giới thiệu
Trong bài nêu lên khái quát vấn đề điều khiển trong công nghiệp, giúp
sinh viên có thêm một tầm nhìn mới mẽ về một cách thức điều khiển công
nghiệp trong một tương lai gần ở nước ta.
Mục tiêu:
- Hiểu các vấn đề cơ bản trong mạng truyền thông.
- Phân biệt được các mạng trong công nghiệp, các ứng dụng và tầm
quang trong của hệ mở.
- Chủ động, sáng tạo an toàn cẩn thận trong quá trình học tập.
Nội dung chính :
1. Giới thiệu
1.1. Mạng truyền thông công nghiệp là gì?:
Mạng truyền thông công nghiệp hay mạng công nghiệp là một khái niệm
chung chỉ các hệ thống thông số, truyền bít nối tiếp, được sử dụng để ghép
nối các thiết bị công nghiệp. Các hệ thống mạng truyền thông công nghiệp
phổ biến hiện nay cho phép liên kết mạng ở nhiều mức khác nhau, từ các cảm
biến, thiết bị quan sát, máy tính điều khiển giám sát và các máy tính cấp điều
hành xí nghiệp, quản lý công ty.
Tuy nhiên mạng truyền thông công nghiệp không hẳn là mạng máy tính
và cũng không là mạng viễn thông. Giữa chúng có một số điểm chung và vài
điểm khác biệt sau:
+ Mạng viễn thông có phạm vi địa lý và số lượng thành viên tham gia lớn
hơn rất nhiều, nên các yêu cầu kỹ thuật ( cấu trúc mạng, tốc độ truyền thông,
tính năng thời gian thực …) rất khác, cũng như các phương pháp truyền
thông( truyền tải dải rộng) dải cơ sở, điều biến, dồn kênh, chuyển mạch,..)
thường phức tạp hơn nhiều so với mạng truyền thông công nghiệp.
+ Đối tượng của mạng viễn thông bao gồm cả con người và thiết bị kỹ
thuật, trong đó cong người đóng vai trò chủ yếu. Vì vậy các dạng thông tin
cần trao đổi bao gồm cả tiếng nói, hình ảnh, văn bản và dư liệu. Đối tượng

của mạng công nghiệp thuần túy là các thiết bị công nghiệp nên dạng thông
tin quan tâm duy nhất là dữ liệu.
+Mạng truyền thông công nghiệp thực chất là một dạng đặc biệt của mạng
máy tính, có thể so sánh với mạng máy tính thông thường ở các điểm giống
nhau và khác nhau như sau:
6


7

+ Kỹ thuật truyền thông số hay truyền dữ liệu là đặc trưng chung của 2
lĩnh vực
+ Trong nhiều trường hợp, mạng máy tính sử dụng trong công nghiệp
được coi là một phần( ở các cấp điều khiển giám sát, điều hành sản xuất và
quản lý công ty) trong mô hình phân cáp của mạng công nghiệp.
+ Yêu cầu về tính năng thời gian thực, độ tin cậy và khả năng tương thích
trong môi trường công nghiệp của mạng truyền thông công nghiệp cao hơn so
với một mạng máy tính thông thường, trong khi đó mạng máy tính thường
yêu cầu cao hơn về độ bảo mật,
+ Mạng máy tính có phạm vi trải rộng rất khác nhau có thể nhỏ như mạng
Lan cho một nóm vài máy tính hoặc lớn như mạng Internet. Trong nhiều
trường hợp mạng máy tính gián tiếp sử dụng dịch vụ truyền dữ liệu của mạng
viễn thông. Trong khi đó, cho đến nay các hệ thống mạng công nghiệp thường
có tính chất độc lập, phạm vi hoạt động tương đối hẹp.
Đối với hệ thống truyền thông công nghiệp, đặc biệt là ở các cấp dưới thì
các yêu cầu về tính năng thời gian thực, khả năng thực hiện đơn giản, giá
thành hạ lại được đặt ra hàng đầu.
1.2. Vai trò của mạng truyền thông công nghiệp:
Một bộ điều khiển cần được ghép nối với các cảm biến và cơ cấu chấp
hành. Giữa các bộ điều khiển trong một hệ thống điều khiển phân tán cũng

cần trao đổi thông tin với nhau để phối hợp thực hiện điều khiển cả quá trình
sản xuất. Ở một cấp cao hơn, các trạm vận hành trong trung tâm điều khiển
cũng cần được ghép nối và giao tiếp với các bộ điều khiển để có thể theo dõi,
giám sát toàn bộ quá trình sản xuất và hệ thống điều khiển. Vậy nếu sử dụng
mạng truyền thông trong công nghiệp sẽ có những lợi ích sau:
- Đơn giản hóa cấu trúc liên kết giữa các thiết bị công nghiệp: một số
lượng lớn các thiết bị thuộc các chủng loại khác nhau được ghép nối với nhau
thông qua một đường truyền duy nhất.
- Tiết kiệm dây nối và công thiết kế, lắp đặt hệ thống: nhờ cấu trúc đơn
giản, việc thiết kế hệ thống trở nên dễ dàng hơn nhiều. Một số lượng lớn cáp
truyền được thay thế bằng một đường duy nhất, giảm chi phí đáng kế cho
nguyên vật liệu và công lắp đặt.
- Nâng cao độ tin cậy và độ chính xác của thông tin: Khi dung phương
pháp truyền tín hiệu tương tự cổ điển, tác động của nhiễu dễ làm thay đổi nội
dung thông tin mà các thiết bị không có cách nào nhận biết. Nhờ kỹ thuật
truyền thông số, không những thông tin truyền đi khó bị sai lệch hơn mà các
thiết bị nối mạng còn có them khả năng tự phát hiện lỗi và chuẩn đoán lỗi nếu
7


8

có. Hơn thế nữa, việc bỏ qua nhiều lần chuyển đổi qua lại tương tự số và số
tương tự nâng cao độ chính xác của thông tin.
- Nâng cao độ linh hoạt, tính năng mở của hệ thống: Một hệ thống
mạng chuẩn hóa quốc tế tạo điều khiện cho việc sử dụng các thiets bị nhiều
hang khác nhau. Việc thay thế thiết bị, nâng cấp và mở rộng phạm vi chức
năng của hệ thống cũng dễ dàng hơn nhiều. Khả năng tương tác giữa các
thành phần được nâng cao nhờ giao diện chuẩn.
- Đơn giản hóa/ tiện lợi hóa việc tham số hóa, chuẩn đoán, định vị lỗi,

sự cố các thiết bị: Với một đường truyền duy nhất, không những các thiết bị
có thể trao đổi dữ liệu quá trình mà còn có thể gửi cho nhau các dữ liệu tham
số, dữ liệu trạng thái, dữ liệu cảnh báo và dữ liệu chuẩn đoán. Các thiết bị có
thể tích hợp khả năng tự chuẩn đoán, các trạm trong mạng cũng có thể có khả
năng cảnh giới lẫn nhau. Việc cấu hình hệ thống, lập trình, tham số hóa, chỉnh
định thiết bị và đưa vào vận hành có thể thực hiện từ xa qua một trạm kỹ thuật
trung tâm.
- Mở ra nhiều chức năng và khả năng ứng dụng mới của hệ thống: Sử
dụng mạng truyền thông công nghiệp cho phép áp dung các kiến trúc điều
khiển mới như điều khiển phân tán, điều khiển giám sát hoặc chuẩn đoán lỗi
từ xa qua Internet, tích hợp thông tin của hệ thống điều khiển và giám sát với
thông tin điều hành sản xuất và quản lý công ty.
1.3. Phân loại và đặc trưng các hệ thống mạng truyền thông công nghiệp:
Để phân loại và phân tích đặc trưng của các hệ thống mạng truyền
thông công nghiệp, ta dựa vào mô hình phân cấp quen thuộc cho các công ty,
xí nghiệp sản xuất. Mô hình này thể hiện nhiều phân cấp khác nhau theo từng
chức năng:

8


9

Hình1.1 : Tháp mạng truyền thông công nghiệp
Ta nhận thấy càng ở những cấp dưới thì các chức năng càng mang tính
chất cơ bản hơn và đòi hỏi yêu cầu cao hơn về độ nhanh nhạy, về thời gian
phản ứng. Một chức năng ở cấp trên được thực hiện dựa trên các chức năng
cấp dưới tuy không đòi hỏi thời gian phản ứng nhanh nhưng lượng thông tin
cần trao đổi và xử lý lớn hơn nhiều.
Tương ứng với năm cấp chức năng là bốn cấp của hệ thống truyền

thông. Từ cấp điều khiển giám sát trở xuống thì thuật ngữ “bus” thường được
dùng thay cho “mạng” với lý do phần lớn hệ thống mạng phía dưới đều có
cấu trúc vật lý hoặc logic kiểu bus.
Mô hình phân cấp chức năng sẽ rất tiện lợi cho việc thiết kế hệ thống
và lựa chọn thiết bị. Trong thực tế ứng dụng, sự phân cấp chức năng có thể
khác một chút so với trình bày ở đây, tùy thuộc vào mức độ tự động hóa và
cấu trúc hệ thống cụ thể.
Bus trường, bus thiết bị:
Bus trường thực ra là một khái niệm chung được dùng trong các ngành
công nghiệp chế biến để chỉ các hệ thống bus nối tiếp, sử dụng kỹ thuật
truyền tin số để kết nối các thiết bị thuộc cấp điều khiển ( PC, PLC) với nhau
và với các thiết bị ở cấp chấp hành hay các thiết bị trường. Các chức năng
chính của cấp chấp hành là đo lường, truyền động và chuyển đổi tín hiệu
trong trường hợp cần thiết. Các thiết bị có khả năng nối mạng là các ngõ
vào/ra phân tán, các thiết bị đo lường hoặc cơ cấu chấp hành có tích hợp khả
năng sử lý truyền thông. Một số kiểu bus trường chỉ thích hợp nối mạng các
9


10

thiết bị cảm biến và cơ cấu chấp hành với các bộ điều khiển cũng được gọi là
bus chấp hành/cảm biên.
Do nhiệm vụ của bus trường là chuyển dữ liệu quá trình lên cấp điều
khiển để xử lý và chuyển quyết định điều khiển xuống các cơ cấu chấp hành,
vì vậy yêu cầu về tính năng thời gian thực được đặt lên hàng đầu. Các hệ
thống bus trường được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay là: FROFIBUS, CAN,
Modbus, Internetbus và gần đây phải kể tới: Foundation Fieldbus, AS-i..
Bus hệ thống, bus điều khiển:
Các hệ thống mạng công nghiệp được dùng để kết nối các máy tính

điều khiển và các máy tính trên cấp điều khiển giám sát với nhau được gọi là
bus hệ thống hay bus quá trình. Khái niệm sau thường chỉ được dùng trong
lĩnh vực điều khiển quá trình. Qua bus hệ thống mà các máy tính điều khiển
có thể phối hợp hoạt động, cung cấp dữ liệu quá trình cho các trạm kỹ thuật
và trạm quan sát ( có thể gián tiếp thông qua hệ thống quản lý cơ sở dữ liệu
trên các trạm chủ) cũng như nhận mệnh lệnh, tham số điều khiển từ các trạm
phí trên. Thông tin không những được trao đổi theo chiều dọc mà còn theo
chiều ngang. Các trạm kỹ thuật, trạm vận hành và các trạm chủ cũng trao đổi
dữ liệu qua bus hệ thống. Ngoài ra các máy in báo cáo và lưu trữ dữ liệu cũng
có thể được kết nối qua mạng này.
Khái niệm bus trường và bus hệ thống không bắt buộc nằm ở sự khác
nhau về kiểu bus được sử dụng mà ở mục đích sử dụng hay nói cách khác là ở
các thiết bị ghép nối. Trong một số giải pháp, một kiểu bus duy nhất dung cho
cả hai cấp này.
Đối với bus hệ thống, tùy theo lĩnh vực ứng dụng mà đòi hỏi về tính
năng thời gian thực có được đặt ra một cách nghiêm ngặt hay không. Thời
gian phản ứng tiêu biểu nằm trong khoảng một vài trăm miligiây, trong khi
lưu lượng thông tin cần trao đổi lớn hơn nhiều so với bus trường. Tốc độ
truyền thông tiêu biểu của bus hệ thống nằm trong phạm vi từ vài trăm kbit/s
đến vài Mbit/s.
Khi bus hệ thống được sử dụng chỉ để ghép nối theo chiều ngang giữa
các máy tính điều khiển, người ta thường dung khái niệm bus điều khiển. Vai
trò của bus điều khiển là phục vụ trao đổi dữ liệu thời gian thực giữa các trạm
điều khiển trong một hệ thống có cấu trúc phân tán. Bus điều khiển thông
thường có tốc độ truyền không cao, nhưng yêu cầu về tính năng thời gian thực
thường rất khắc khe.
Mạng xí nghiệp:

10

11

Mạng xí nghiệp thực ra là một mạng LAN bình thường có chức năng
kết nối các máy tính văn phòng thuộc cấp điều hành sản xuất với cấp điều
khiển giám sát. Thông tin được đưa lên trên bao gồm trạng thái làm việc của
quá trình kỹ thuật, các giàn máy cũng như của hệ thống điều khiển tự động,
các số liệu tính toán, thống kê về diễn biến qua trình sản xuất và chất lượng
sản phẩm. Thông tin theo chiều ngược lại là các thông số thiết kế, công thức
điều khiển và mệnh lệnh điều hành. Ngoài ra, thông tin cũng được trao đổi
mạnh theo chiều ngang giữa các máy tính thuộc cấp điều hành sản xuất.
Khác với các hệ thống bus cấp dưới, mạng xí nghiệp không yêu cầu
nghiêm ngặt về tính năng thời gian thực. Việc trao đổi dữ liệu thường diễn ra
không định kỳ, nhưng có khi số lượng lớn tới hang Mbyte. Hai loại mạng
được dung phổ biến cho mục đích này là Ethernet và Token-Ring trên cơ sở
các giao thức chuẩn như TCP/IP và IPX/SPX.
Mạng công ty:
Mạng công ty nằm trên cùng trong mô hình phân cấp hệ thống truyền
thông của một công ty sản xuất công nghiệp. Đặc trưng của mạng công ty gần
với một mạng viễn thông hoặc một mạng máy tính diện rộng nhiều hơn trên
các phương diện phạm vi và hình thức dịch vụ, phương pháp truyền thông và
các yêu cầu về kỹ thuật. Chức năng của mạng công ty là kết nối các máy tính
văn phòng của các xí nghiệp, cung cấp các dịch vụ kết nối các máy tính văn
phòng với xí nghiệp, cung cấp các dịch vụ trao đổi thông tin nội bộ và với
khách hàng như thư viện điện tử, thư điện tử, hội thảo từ xa qua điện thoại,
hình ảnh, cung cấp các dịch vụ truy cập Internet và thương mại điện tử, v..v..
Hình thức tổ chức ghép nối mạng cũng như các công nghệ được áp dụng rất
đa dạng, tùy thuộc vào đầu tư xí nghiệp được thực hiện bằng một hệ thống
mạng duy nhất về mặt vật lý nhưng chia thành nhiều phạm vi và nhóm mạng
làm việc riêng biệt. Mạng công ty đòi hỏi về tốc độ truyền thông và độ an

toàn tin cậy cao.
2. Các hệ thống và thiết bị điều khiển hiện đại:
2.1. Hệ điều khiển phân tán(Distributed Control System, DCS):

DCS là một giải pháp điều khiển và giám sát có cấu trúc phân cấp và
phân tán, được cung cấp trọn gói từ một nhà sản xuất, được sử dụng chủ yếu
trong các ngành công nghiệp chế biến. Trạm điều khiển trong một hệ DCS là
các máy tính chuyên dụng trong điều khiển quá trình, có cấu trúc module, khả
năng xử lý số thực lớn. Tương tự như PLC, các trạm điều khiển DCS cũng
cho phép lập trình và thay đổi chương trình một cách rất linh hoạt bằng các
công cụ phần mềm mạnh. Sản phẩm DCS đầu tiên là hệ TDC2000 do
Honeywell đưa ra vào năm 1975. Từ đó tới nay, các sản phẩm DCS liên tục
11


12

được phát triển và tiến hoá, nhiều sản phẩm mới ra đời thậm chí không còn
được gắn cái tên DCS .DCS là một giải pháp điều khiển phân tán, tuy nhiên
không phải bất cứ giải pháp điều khiển phân tán nào cũng là DCS. Ta hoàn
toàn có thể xây dựng các hệ thống tự động hoá có cấu trúc phân tán dựa trên
nền DCS, PLC, IPC… Cũng phải nói rằng, đôi khi cũng khó có sự phân biệt
rạch ròi giữa các loại thiết bị điều khiển nói trên. Ví dụ, một giải pháp DCS
có thể sử dụng PLC (PLC-based DCS) hoặc IPC (PC-based DCS) cho các
trạm điều khiển của nó. Do có sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ máy tính,
các thiết bị điều khiển ngày càng giống nhau hơn về bản chất. Một khái niệm
được dùng rộng rãi gần đây là hệ điều khiển lai (hybrid control system), trong
đó mỗi trạm điều khiển có thể mang dáng dấp của một DCS kinh điển, một
PLC hoặc một IPC hiện đại. Sự phát triển các giải pháp điều khiển đương
nhiên cũng không chỉ dừng ở đó. Xu thế sử dụng bus trường và các thiết bị

trường thông minh tích hợp chức năng điều khiển cơ sở đã tạo ra các giải
pháp điều khiển hoàn toàn mới. Và khi không biết phải gọi tên giải pháp đó
chính xác là gì, người ta sẽ dùng các khái niệm chung chung như hệ thống tự
động hoá quá trình (Process Automation System), hệ thống tự động hoá xí
nghiệp (Factory Automation System) hoặc hệ thống tự động hoá kỹ thuật số
(Digital Automation System)

Hình 1.2 : Hệ thống điều khiển bằng DCS YOKOGAWA
12


13

2.2. Hệ thống điều khiển quá trình:

SCADA – Supervisory Control And Data Acquisition là một hệ thống
điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu, nói một cách khác là một hệ thống hỗ
trợ con người trong việc giám sát và điều khiển từ xa, ở cấp cao hơn hệ điều
khiển tự động thông thường. Để có thể điều khiển và giám sát từ xa thì hệ
SCADA phải có hệ thống truy cập, truyền tải dữ liệu cũng như hệ giao diện
người – máy (HMI – Human Machine Interface).
Trong hệ thống điều khiển giám sát thì HMI là một thành phần quan
trọng không chỉ ở cấp điều khiển giám sát mà ở các cấp thấp hơn người ta
cũng cần giao diện người – máy để phục vụ cho việc quan sát và thao tác vận
hành ở cấp điều khiển cục bộ. Vì lý do giá thành, đặc điểm kỹ thuật nên các
màn hình vận hành (OP – Operator Panel), màn hình sờ (TP – Touch Panel),

Hình 1.3 : Hệ thống điều khiển bằng SCADA
13

14

Multi Panel chuyên dụng được sử dụng nhiều và chiếm vai trò quan trọng
hơn.Nếu nhìn nhận SCADA theo quan điểm truyền thống thì nó là một hệ
thống mạng và thiết bị có nhiệm vụ thuần tuý là thu thập dữ liệu từ các trạm ở
xa và truyền tải về khu trung tâm để xử lý. Trong các hệ thống như vậy thì hệ
truyền thông và phần cứng được đặt lên hàng đầu và cần sự quan tâm nhiều
hơn. Trong những năm gần đây sự tiến bộ vượt bậc của công nghệ truyền
thông công nghiệp và công nghệ phần mềm trong công nghiệp đã đem lại
nhiều khả năng và giải pháp mới nên trọng tâm của công việc thiết kế xây
dựng hệ thống SCADA là lựa chọn công cụ phần mềm thiết kế giao diện và
các giải pháp tích hợp hệ thống.
2.3. Hệ điều khiển lai (SCADA và DCS) :
Xuất phát từ nhu cầu các ứng dụng công nghiệp và xu hướng làm giảm
chi phí cho các hệ thống điều khiển, gần đây các nhà cung cấp đã cho ra đời
hệ thống điều khiển mới gọi là hệ thống điều khiển lai (Hybrid Control
System).
Do ra đời sau, kế thừa nền tảng công nghệ của cả PLC và DCS nên cả
hai hệ lai là sự pha trộn PLC và DCS. Hai hệ lai có khả năng thực hiện được
các quá trình liên tục và gián đoạn, có khả năng quản lý được khoảng 10000
ngõ vào/ra.Hệ thống lai có các thiết bị nhỏ hơn các hệ DCS thương phẩm
nhưng tận dụng các ưu điểm thiết kế của hệ DCS thương phẩm.Các hệ lai
cung cấp việc sử dụng công nghệ Bus bao gồm Foundation Fieldbbus, AS-i,
Profibus và Device Net.Các hệ lai thường hỗ trợ các chuẩn mực OPC (OLE
for Process Control), XML và ODBC.Chúng cũng có rất ưu thế trong việc
tích hợp hệ thống lập kế hoạch cho doanh nghiệp các cấp thiết bị như điện
thoại không dây, máy nhắn tin và PDA.
Hầu hết các hệ lai đều được trang bị các chức năng điều khiển theo mẻ
theo khối và điều khiển giám sát. Ngoài ra, các công cụ hỗ trợ phát triển ứng

dụng với nhiều chức năng, giao diện thân thiện, ngôn ngữ lập trình bậc cao đã
được chuẩn hóa giúp cho các kỹ sư xây dựng phát triển một ứng dụng dễ dàng
và nhanh chóng hơn.
Hạn chế của ứng dụng điều khiển lai là do các thiết bị điều khiển nhỏ
dẫn tới lưu lượng truyền thông lớn và nó sẽ hạn chế số lượng điểm vào ra, đặc
biệt khi hệ thống đòi hỏi chu trình điều khiển nhỏ. Với khả năng mở rộng dữ
liệu hạn chế, các hệ thống lai cũng không đủ phục vụ cho các ứng dụng lớn.
Một số hệ điều khiển lai có thể kể ra như: Delta V (Fisher-rosemount),
Plantcape (Holley well), Micro I/A (Foxboro), Simatic PCS7 (Siemens),
stardom (Yokogawa), Inductrial IT (ABB).
14


15

Hình 1.4 : Hệ thống điều khiển bằng FCS
2.4. Cáchệ điều khiển khác:
Hệ điều khiển FCS (Field control system) là hệ đều khiển cao cấp sử
dụng các bus trường xử lý các tín hiệu thông minh.Khi sử dụng hệ điều khiển
FCS có thể tiết kiệm vật liệu công suất lắp đặt và nâng cao hiệu năng độ tin
cậy của hệ thống nhờ điều khiển tại chổ giảm tải bus.

Hình 1.5 : Hệ thống điều khiển bằng FCS

15


16
-

Ngoài ra trong công nghiệp còn có hệ điều khiển giám sát cục bộ, hệ thống
điều khiển giám sát trung tâm phẳng và phân cấp.

Hình 1.6 : Điều khiển giám sát cục bộ

Hình 1.7 : Điều khiển giám sát trung tâm phẳng

16


17

Hình 1.8 : Điều khiển giám sát trung tâm phân cấp
2.5. Thiết bị điều khiển khả trình:
Thiết bị khả trình PLC (Programmable Logic Controller) là thiết bị điều
khiển logic có khả năng lập trình được, cho phép thực hiện linh hoạt các lệnh
điều khiển logic thông qua ngôn ngữ lập trình.Các PLC đầu tiên xuất hiện vào
năm 1968, là hệ thống đơn giản và cồng kềnh, người sử dụng gặp nhiều khó
khăn trong việc vận hành.Vì vậy các nhà thiết kế đã từng bước cải tiến chúng
gọn nhẹ, dễ vận hành hơn. Tuy nhiên việc lập trình cho hệ thống còn khó
khăn do lúc này không có các thiết bị ngoại vi hỗ trợ cho công việc lập
trình.Các PLC hiện nay đã đáp ứng đầy đủ yêu cầu của người sử dụng, từ kích
thước gọn nhẹ, kết nối lập trình đơn giản, cho đến khả năng điều khiển đa
dạng.
3 Các mô hình kết nối hệ thống mở:
Mô hình OSI (Open Systems Interconnection Reference Model, viết
ngắn là OSI Model hoặc OSI Reference Model) - tạm dịch là Mô hình tham
chiếu kết nối các hệ thống mở - là một thiết kế dựa vào nguyên lý tầng cấp, lý
giải một cách trừu tượng kỹ thuật kết nối truyền thông giữa các máy vi tính và
thiết kế giao thức mạng giữa chúng. Mô hình này được phát triển thành một

phần trong kế hoạch Kết nối các hệ thống mở (Open Systems

17


18

Interconnection) do ISO và IUT-T khởi xướng. Nó còn được gọi là Mô hình
bảy tầng của OSI.
3.1. Các tầng hệ thống mở:
Mô hình OSI mô tả phương thức truyền tin từ các chương trình ứng dụng
của một hệ thống máy tính đến các chương trình ứng dụng của một hệ thống
khác thông qua các phương tiện truyền thông vật lý. Thông tin từ một ứng
dụng trên hệ thống máy tính A sẽ đi xuống các lớp thấp hơn, cuối cùng qua
các thiết bị vật lý đến hệ thống máy tính B. Sau đó ở hệ thống B, thông tin sẽ
đi từ lớp thấp nhất đến cao nhất - chính là ứng dụng của hệ thống máy tính B.
Như vậy mỗi lớp trong hai hệ thống máy tính A, B đều truyền thông với nhau
qua một giao thức (Protocol) nào đó.
Mô hình OSI gồm có 7 lớp: Lớp ứng dụng, lớp biểu diễn dữ liệu, lớp
kiểm soát nối, lớp vận chuyển, lớp mạng, lớp liên kết dữ liệu và lớp vật lý.
Sau đây là mô tả các lớp trong mô hình OSI.

Hình 1.9 : Mô hình hệ thống mở
3.2. Nguyên tắc định nghĩa các tầng trong hệ thống mở
Sau đây là các nguyên tắc mà ISO quy định dùng trong quá trình xây dựng
mô hình OSI

18

19

Không định nghĩa quá nhiều tầng để việc xác định và ghép nối các tầng
không quá phức tạp.
• Tạo các ranh giới các tầng sao cho việc giải thích các phục vụ và số các
tương tác qua lại hai tầng là nhỏ nhất.
• Tạo các tầng riêng biệt cho các chức năng khác biệt nhau hoàn toàn về
kỹ thuật sử dụng hoặc quá trình thực hiên.
• Các chức năng giống nhau được đặt trong cùng một tầng.
• Lựa chọn ranh giới các tầng tại các điểm mà những thử nghiệm trong
quá khứ thành công.
• Các chức năng được xác định sao cho chúng có thể dễ dàng xác định
lại, và các nghi thức của chúng có thể thay đổi trên mọi hướng.
• Tạo ranh giới các tầng mà ở đó cần có những mức độ trừu tượng khác
nhau trong việc sử dụng số liệu.
• Cho phép thay đổi các chức năng hoặc giao thức trong tầng không ảnh
hưởng đến các tầng khác.
• Tạo các ranh giới giữa mỗi tầng với tầng trên và dưới nó.
3.3. Các giao thức trong mô hình
•

Trong mô hình OSI có hai loại giao thức chính được áp dụng: giao thức có
liên kết (connection - oriented) và giao thức không liên kết (connectionless).
•

•

Giao thức có liên kết: trước khi truyền dữ liệu hai tầng đồng mức cần
thiết lập một liên kết logic và các gói tin được trao đổi thông qua liên
kết náy, việc có liên kết logic sẽ nâng cao độ an toàn trong truyền dữ

liệu.
Giao thức không liên kết: trước khi truyền dữ liệu không thiết lập liên
kết logic và mỗi gói tin được truyền độc lập với các gói tin trước hoặc
sau nó.

Như vậy với giao thức có liên kết, quá trình truyền thông phải gồm 3 giai
đoạn phân biệt:
•

•

19

Thiết lập liên kết (logic): hai thực thể đồng mức ở hai hệ thống thương
lượng với nhau về tập các tham số sẽ sử dụng trong giai đoạn sau
(truyền dữ liệu).
Truyền dữ liệu: dữ liệu được truyền với các cơ chế kiểm soát và quản
lý kèm theo (như kiểm soát lỗi, kiểm soát luồng dữ liệu, cắt/hợp dữ
liệu...) để tăng cường độ tin cậy và hiệu quả của việc truyền dữ liệu.


20
•

Hủy bỏ liên kết (logic): giải phóng tài nguyên hệ thống đã được cấp
phát cho liên kết để dùng cho liên kết khác.

Đối với giao thức không liên kết thì chỉ có duy nhất một giai đoạn truyền dữ
liệu mà thôi.
3.4. Truyền dữ liệu trong mô hình

Gói tin của giao thức: Gói tin (Packet) được hiểu như là một đơn vị
thông tin dùng trong việc liên lạc, chuyển giao dữ liệu trong mạng máy tính.
Những thông điệp (message) trao đổi giữa các máy tính trong mạng, được tạo
dạng thành các gói tin ở máy nguồn. Và những gói tin này khi đích sẽ được
kết hợp lại thành thông điệp ban đầu. Một gói tin có thể chứa đựng các yêu
cầu phục vụ, các thông tin điều khiển và dữ liệu.

Hình 1.10 :Phương thức xác lập các gói tin trong mô hình OSI
Trên quan điểm mô hình mạng phân tầng tầng mỗi tầng chỉ thực hiện một
chức năng là nhận dữ liệu từ tầng bên trên để chuyển giao xuống cho tầng bên
dưới và ngược lại.Chức năng này thực chất là gắn thêm và gỡ bỏ phần đầu
(header) đối với các gói tin trước khi chuyển nó đi.Nói cách khác, từng gói tin
bao gồm phần đầu (header) và phần dữ liệu. Khi đi đến một tầng mới gói tin
sẽ được đóng thêm một phần đầu đề khác và được xem như là gói tin của tầng
mới, công việc trên tiếp diễn cho tới khi gói tin được truyền lên đường dây
mạng để đến bên nhận.Tại bên nhận các gói tin được gỡ bỏ phần đầu trên
từng tầng tướng ứng và đây cũng là nguyên lý của bất cứ mô hình phân tầng
nào.

20


21

3.5. Vai trò và chức năng chủ yếu của các tầng

Tầng 1: Vật lý (Physical)
Tầng vật lý (Physical layer) là tầng dưới cùng của mô hình OSI là. Nó mô tả
các đặc trưng vật lý của mạng: Các loại cáp được dùng để nối các thiết bị, các

loại đầu nối được dùng , các dây cáp có thể dài bao nhiêu v.v... Mặt khác các
tầng vật lý cung cấp các đặc trưng điện của các tín hiệu được dùng để khi
chuyển dữ liệu trên cáp từ một máy này đến một máy khác của mạng, kỹ thuật
nối mạch điện, tốc độ cáp truyền dẫn.
Tầng vật lý không qui định một ý nghĩa nào cho các tín hiệu đó ngoài các giá
trị nhị phân 0 và 1. Ở các tầng cao hơn của mô hình OSI ý nghĩa của các bit
được truyền ở tầng vật lý sẽ được xác định.
Ví dụ: Tiêu chuẩn Ethernet cho cáp xoắn đôi 10 baseT định rõ các đặc trưng
điện của cáp xoắn đôi, kích thước và dạng của các đầu nối, độ dài tối đa của
cáp…
Khác với các tầng khác, tầng vật lý là không có gói tin riêng và do vậy không
có phần đầu (header) chứa thông tin điều khiển, dữ liệu được truyền đi theo
dòng bit. Một giao thức tầng vật lý tồn tại giữa các tầng vật lý để quy định về
phương thức truyền (đồng bộ, phi đồng bộ), tốc độ truyền…
Các giao thức được xây dựng cho tầng vật lý được phân chia thành phân chia
thành hai loại giao thức sử dụng phương thức truyền thông dị bộ
(asynchronous) và phương thức truyền thông đồng bộ (synchronous).
•

•

21

Phương thức truyền dị bộ: không có một tín hiệu quy định cho sự đồng
bộ giữa các bit giữa máy gửi và máy nhận, trong quá trình gửi tín hiệu
máy gửi sử dụng các bit đặc biệt START và STOP được dùng để tách
các xâu bit biểu diễn các ký tự trong dòng dữ liệu cần truyền đi. Nó cho
phép một ký tự được truyền đi bất kỳ lúc nào mà không cần quan tâm
đến các tín hiệu đồng bộ trước đó.
Phương thức truyền đồng bộ: sử dụng phương thức truyền cần có đồng

bộ giữa máy gửi và máy nhận, nó chèn các ký tự đặc biệt như SYN
(Synchronization), EOT (End Of Transmission) hay đơn giản hơn, một
cái "cờ " (flag) giữa các dữ liệu của máy gửi để báo hiệu cho máy nhận
biết được dữ liệu đang đến hoặc đã đến.


22

Tầng 2: Liên kết dữ liệu (Data link)
Tầng liên kết dữ liệu (data link layer) là tầng mà ở đó ý nghĩa được gán cho
các bít được truyền trên mạng. Tầng liên kết dữ liệu phải quy định được các
dạng thức, kích thước, địa chỉ máy gửi và nhận của mỗi gói tin được gửi
đi.Nó phải xác định cơ chế truy nhập thông tin trên mạng và phương tiện gửi
mỗi gói tin sao cho nó được đưa đến cho người nhận đã định.
Tầng liên kết dữ liệu có hai phương thức liên kết dựa trên cách kết nối các
máy tính, đó là phương thức "một điểm - một điểm" và phương thức "một
điểm - nhiều điểm".Với phương thức "một điểm - một điểm" các đường
truyền riêng biệt được thiết lâp để nối các cặp máy tính lại với nhau. Phương
thức "một điểm - nhiều điểm " tất cả các máy phân chia chung một đường
truyền vật lý.Các đường truyền kết nối kiểu "một điểm - một điểm" và "một
điểm - nhiều điểm".

Hình 1.11: Các kiểu liên kết dữ liệu
Tầng liên kết dữ liệu cũng cung cấp cách phát hiện và sửa lỗi cơ bản để đảm
bảo cho dữ liệu nhận được giống hoàn toàn với dữ liệu gửi đi.Nếu một gói tin
có lỗi không sửa được, tầng liên kết dữ liệu phải chỉ ra được cách thông báo
cho nơi gửi biết gói tin đó có lỗi để nó gửi lại.
Các giao thức tầng liên kết dữ liệu chia làm 2 loại chính là các giao thức
hướng ký tư và các giao thức hướng bit. Các giao thức hướng ký tự được xây
dựng dựa trên các ký tự đặc biệt của một bộ mã chuẩn nào đó (như ASCII hay

EBCDIC), trong khi đó các giao thức hướng bit lại dùng các cấu trúc nhị phân
(xâu bit) để xây dựng các phần tử của giao thức (đơn vị dữ liệu, các thủ
tục…) và khi nhận, dữ liệu sẽ được tiếp nhận lần lượt từng bit một.
Tầng 3: Mạng (Network)

22


23

Tầng mạng (network layer) nhắm đến việc kết nối các mạng với nhau bằng
cách tìm đường (routing) cho các gói tin từ một mạng này đến một mạng
khác.Nó xác định việc chuyển hướng, vạch đường các gói tin trong mạng, các
gói này có thể phải đi qua nhiều chặng trước khi đến được đích cuối cùng.Nó
luôn tìm các tuyến truyền thông không tắc nghẽn để đưa các gói tin đến đích.
Tầng mạng cung các các phương tiện để truyền các gói tin qua mạng, thậm
chí qua một mạng của mạng (network of network).Bởi vậy nó cần phải đáp
ứng với nhiều kiểu mạng và nhiều kiểu dịch vụ cung cấp bởi các mạng khác
nhau.hai chức năng chủ yếu của tầng mạng là chọn đường (routing) và chuyển
tiếp (relaying). Tầng mạng là quan trọng nhất khi liên kết hai loại mạng khác
nhau như mạng Ethernet với mạng Token Ring khi đó phải dùng một bộ tìm
đường (quy định bởi tầng mạng) để chuyển các gói tin từ mạng này sang
mạng khác và ngược lại.
Đối với một mạng chuyển mạch gói (packet - switched network) - gồm tập
hợp các nút chuyển mạch gói nối với nhau bởi các liên kết dữ liệu. Các gói dữ
liệu được truyền từ một hệ thống mở tới một hệ thống mở khác trên mạng
phải được chuyển qua một chuỗi các nút.Mỗi nút nhận gói dữ liệu từ một
đường vào (incoming link) rồi chuyển tiếp nó tới một đường ra (outgoing
link) hướng đến đích của dữ liệu.Như vậy ở mỗi nút trung gian nó phải thực
hiện các chức năng chọn đường và chuyển tiếp.

Việc chọn đường là sự lựa chọn một con đường để truyền một đơn vị dữ liệu
(một gói tin chẳng hạn) từ trạm nguồn tới trạm đích của nó. Một kỹ thuật
chọn đường phải thực hiện hai chức năng chính sau đây:
•
•

23

Quyết định chọn đường tối ưu dựa trên các thông tin đã có về mạng tại
thời điểm đó thông qua những tiêu chuẩn tối ưu nhất định.
Cập nhật các thông tin về mạng, tức là thông tin dùng cho việc chọn
đường, trên mạng luôn có sự thay đổi thường xuyên nên việc cập nhật
là việc cần thiết.


24

Hình 1.12 :Mô hình chuyển vận các gói tin trong mạng chuyễn mạch gói
Người ta có hai phương thức đáp ứng cho việc chọn đường là phương thức xử
lý tập trung và xử lý tại chỗ.
• Phương thức chọn đường xử lý tập trung được đặc trưng bởi sự tồn tại
của một (hoặc vài) trung tâm điều khiển mạng, chúng thực hiện việc lập
ra các bảng đường đi tại từng thời điểm cho các nút và sau đó gửi các
bảng chọn đường tới từng nút dọc theo con đường đã được chọn đó.
Thông tin tổng thể của mạng cần dùng cho việc chọn đường chỉ cần cập
nhập và được cất giữ tại trung tâm điều khiển mạng.
• Phương thức chọn đường xử lý tại chỗ được đặc trưng bởi việc chọn
đường được thực hiện tại mỗi nút của mạng. Trong từng thời điểm, mỗi
nút phải duy trì các thông tin của mạng và tự xây dựng bảng chọn
đường cho mình. Như vậy các thông tin tổng thể của mạng cần dùng

cho việc chọn đường cần cập nhập và được cất giữ tại mỗi nút.
Thông thường các thông tin được đo lường và sử dụng cho việc chọn đường
bao gồm:
•
•
•
•

24

Trạng thái của đường truyền.
Thời gian trễ khi truyền trên mỗi đường dẫn.
Mức độ lưu thông trên mỗi đường.
Các tài nguyên khả dụng của mạng.


25

Khi có sự thay đổi trên mạng (ví dụ thay đổi về cấu trúc của mạng do sự cố
tại một vài nút, phục hồi của một nút mạng, nối thêm một nút mới... hoặc thay
đổi về mức độ lưu thông) các thông tin trên cần được cập nhật vào các cơ sở
dữ liệu về trạng thái của mạng.
Hiện nay khi nhu cầu truyền thông đa phương tiện (tích hợp dữ liệu văn
bản, đồ hoạ, hình ảnh, âm thanh) ngày càng phát triển đòi hỏi các công nghệ
truyền dẫn tốc độ cao nên việc phát triển các hệ thống chọn đường tốc độ cao
đang rất được quan tâm.
Tầng 4: Vận chuyển (Transport)
Tầng vận chuyển cung cấp các chức năng cần thiết giữa tầng mạng và các
tầng trên.nó là tầng cao nhất có liên quan đến các giao thức trao đổi dữ liệu
giữa các hệ thống mở. Nó cùng các tầng dưới cung cấp cho người sử dụng các

phục vụ vận chuyển.
Tầng vận chuyển (transport layer) là tầng cơ sở mà ở đó một máy tính của
mạng chia sẻ thông tin với một máy khác.Tầng vận chuyển đồng nhất mỗi
trạm bằng một địa chỉ duy nhất và quản lý sự kết nối giữa các trạm.Tầng vận
chuyển cũng chia các gói tin lớn thành các gói tin nhỏ hơn trước khi gửi đi.
Thông thường tầng vận chuyển đánh số các gói tin và đảm bảo chúng chuyển
theo đúng thứ tự.
Tầng vận chuyển là tầng cuối cùng chịu trách nhiệm về mức độ an toàn trong
truyền dữ liệu nên giao thức tầng vận chuyển phụ thuộc rất nhiều vào bản chất
của tầng mạng. Người ta chia giao thức tầng mạng thành các loại sau:
•

•

•

25

Mạng loại A: Có tỷ suất lỗi và sự cố có báo hiệu chấp nhận được (tức là
chất lượng chấp nhận được). Các gói tin được giả thiết là không bị mất.
Tầng vận chuyển không cần cung cấp các dịch vụ phục hồi hoặc sắp
xếp thứ tự lại.
Mạng loại B: Có tỷ suất lỗi chấp nhận được nhưng tỷ suất sự cố có báo
hiệu lại không chấp nhận được. Tầng giao vận phải có khả năng phục
hồi lại khi xẩy ra sự cố.
Mạng loại C: Có tỷ suất lỗi không chấp nhận được (không tin cậy) hay
là giao thức không liên kết. Tầng giao vận phải có khả năng phục hồi
lại khi xảy ra lỗi và sắp xếp lại thứ tự các gói tin.