đồ án tốt nghiệp: Thiết kế hệ thống PLC S7 300 dùng WinCC và SCADA ở nhà máy DRC đà nẵng chuong2 mangtruyenthong MOI

Đồ án tốt nghiệp

Tổng quan mạng truyền thông công nghiệp

CHƯƠNG II
TỔNG QUAN VỀ MẠNG TRUYỀN THÔNG
CÔNG NGHIỆP
Mạng truyền thông công nghiệp hay mạng công nghiệp 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 công ty.
Đối tượng của mạng truyền thông công nghiệp thuần tuý là các thiết bị công
nghiệp. Vì vậy dạng thông tin được quan tâm để truyền đi trong mạng công nghiệp
là dữ liệu.
Cấu trúc phân cấp của 1 hệ thống tự động thường gặp hiện nay:
Luồng
dữ liệu
Quản lý
công ty

Mạng công ty

Điều hành
sản xuât

Mạng xí nghiệp

Điều khiển

giám sát
Bus hệ thống

Điều khiển
Chấp
hành

COR
OSOP
15

K1 K2 K3 K4
K5 K6 K7 K8
K9

D
E
L

8
3

Bus trường
Bus chấp hành

S
IHFT
H
E
LP

cảm biến

I. TỔNG QUAN VỀ LỊCH SỬ TỰ ĐỘNG HOÁ CÔNG NGHIỆP VÀ
CÁC MẠNG TRUYỀN THÔNG
Đầu thế kỷ 20, các hệ điều khiển quá trình và hệ chế tạo được thiết kế chủ yếu
dựa trên công 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 vào
những năm 1950. Nhiều hệ thống trao đổi dữ liệu công nghiệp đã được phát triển
cho các hệ điều khiển. Các hệ thống dùng công nghệ analog, và được dùng để kết
nối bộ xử lý trung tâm tới các thiết bị ngoại vi và terminal.
Đầu năm 1960 máy tính số được áp dụng làm điều khiển số. Trong thập kỷ 60
việc áp dụng máy tính mini vẫn còn là một giải pháp khá đắt đỏ cho các bài toán
SVTH VŨ TIẾN ĐẠT – 01ĐTĐ

Trang 13


Đồ án tốt nghiệp

Tổng quan mạng truyền thông công nghiệp

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. Việc áp dụng máy tính mini có khả năng
truyền dữ liệu nhanh hơn đã dẫn tới sự phát triển của cáp truyền dữ liệu và các thiết
bị dữ liệu tốc độ cao trong cuối thập kỷ 60 và 70 .
Giữa thập kỷ 70, Honeywell sáng chế hệ điều khiển máy tính phân tán (DCCSDistributed Computer Controller Systems) đầu tiên, nó là hệ điều khiển phân cấp
với nhiều vi xử lý.
Từ năm 1980, việc sử dụng các mạng LAN để kết nối các máy tính và các thiết
bị tự động hoá trong một hệ thống tự động hoá công 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 số trở thành hiện thực và tạo ra nhiều dịch vụ tự động hoá, các hệ
tự động công 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 mạng
WAN. Ở mạng cấp thấp hơn trong tự động hoá công nghiệp, các giải pháp mạng
cục bộ công nghiệp 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
nỗ lực để xây dựng các chuẩn Fieldbus cho các ứng dụng tự động hoá công nghiệp.
Vậy mạng truyền thông công nghiệp có vai trò quan trọng như thế nào trong
các lĩnh vực đo lường, điều khiển và tự động hoá? Sử dụng mạng truyền thông công
nghiệp, đặc biệt là bus trường để thay thế cách điểm nối điểm cổ điển giữa các thiết
bị công nghiệp mang lại hàng loạt những lợi ích sau:
 Đơn giản hoá cấu trúc liên kết giữa các thiết bị công nghiệp.
 Giảm đáng kể giá thành dây nối và công lắp đặt hệ thống.
 Nâng cao độ tin cậy và độ chính xác của thông tin nhờ truyền thông
số.
 Nâng cao độ linh hoạt và tính năng mở của hệ thống.
 Đơn giản hoá, tiện lợi hoá việc chẩn đoán, định vị lỗi, sự cố của các
thiết bị.
 Nâng cao khả năng tương tác giữa các thành phần (phần cứng và phần
mềm) nhờ các giao diện chuẩn.
 Mở ra nhiều chức năng và khả năng ứng dụng mới của hệ thống như
các ứng dụng điều khiển phân tán, điều khiển giám sát hoặc chuẩn
đoán lỗi từ xa qua Internet.
II. CƠ SỞ KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG

SVTH VŨ TIẾN ĐẠT – 01ĐTĐ

Trang 14


Đồ án tốt nghiệp

Tổng quan mạng truyền thông công nghiệp

II.1. Cấu trúc mạng
1. Cấu trúc bus
Trong cấu trúc bus, tất cả 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 nên tiết kiệm được cáp dẫn và công lắp đặt.
Có ba kiểu cấu trúc bus là Daisy-chain, Trunk-line/drop-line và mạch vòng không
tích cực.

Cấu trúc trunk line / drop line
Cấu trúc mạch vòng không tích cực
2. Cấu trúc mạch vòng tích cực
Trong cấu trúc này được thiết kế sao cho các thành viên trong mạng được nối
từ điểm này đến điểm kia một cách tuần tự trong một mạch vòng khép kín. Mỗi
thành viên đều tham gia tích cực vào việc kiểm soát dòng tín hiệu, tín hiệu được
truyền đi theo một chiều qui định, mỗi trạm nhận được dữ liệu từ trạm đứng trước
và chuyển tiếp sang trạm lân cận đứng sau. Ưu điểm cơ bản của cấu trúc này là mỗi
nút đồng thời có thể là một bộ khuyếch đại, vì vậy khi thiết kế mạng theo kiểu này
có thể thực hiện với khoảng cách và số trạm rất lớn.
3. Cấu trúc hình sao
Trong cấu trúc này có một trạm quan trọng nhất, trạm này điều khiển sự
truyền thông, các trạm khác được kết nối gián tiếp với nhau qua trạm trung tâm.
Nhược điểm của cấu trúc này là khi trạm trung tâm bị sự cố sẽ làm tê liệt toàn bộ
các hoạt động truyền thông trong mạng.

Cấu trúc hình sao
4. Cấu trúc cây
Một mạng có cấu trúc cây chính là sự liên kết của nhiều mạng con có cấu
trúc đường thẳng, mạch vòng hoặc hình sao.

SVTH VŨ TIẾN ĐẠT – 01ĐTĐ

Trang 15


Đồ án tốt nghiệp

Tổng quan mạng truyền thông công nghiệp

Cấu trúc hình cây
II.2. Kiến trúc giao thức
Kiến trúc giao thức OSI
OSI là một mô hình kiến trúc phân lớp với mục đích phục vụ việc sắp xếp và
đối chiếu các hệ thống truyền thông 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. Có thể
do phần cứng hay phần mềm thực hiện. Một lớp trên thực hiện dịch vụ của mình
trên cơ sở sử dụng các dịch vụ ở một lớp dưới và theo đúng giao thức qui định
tương ứng. Các dịch vụ cấp thấp thường do phần cứng thực hiện (các vi mạch điện
tử) thực hiện, trong khi các dịch vụ cao cấp do phần mềm thực hiện .
Các lớp trong mô hình OSI
 Lớp ứng dụng (Application)

Có chức năng cung cấp các dịch vụ cao cấp cho người sử dụng và các chương
trình ứng dụng. Các dịch vụ thuộc lớp ứng dụng hầu hết được thực hiện bằng phần
mềm.
 Lớp biểu diễn dữ liệu (Presentation)
Chức năng của lớp biểu diễn dữ liệu là chuyển đổi các dạng dữ liệu khác nhau
về cú pháp thành một dạng chuẩn, tạo điều kiện cho các đối tác truyền thông có thể
hiểu được nhau mặc dù chúng sử dụng các kiểu dữ liệu khác nhau.
 Lớp kiểm soát nối (Session)
Lớp kiểm soát nối có chức năng kiểm soát mối liên kết truyền thông giữa các
chương trình ứng dụng, bao gồm việc tạo lập, quản lý và kết thúc các đường nối
giữa các ứng dụng đối tác.
 Lớp vận chuyển (Transport)

SVTH VŨ TIẾN ĐẠT – 01ĐTĐ

Trang 16


Đồ án tốt nghiệp

Tổng quan mạng truyền thông công nghiệp

Chức 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 trách
nhiệm khắc phục lỗi và điều khiển lưu thông.
 Lớp mạng (Network)
Lớp mạng có trách nhiệm tìm đường đi tối ưu cho việc vận chuyển dữ liệu,
giải phóng sự phụ thuộc của các lớp bên trên vào phương thức chuyển giao dữ liệu
và công nghệ chuyển mạch dùng để kết nối các hệ thống khác nhau.
 Lớp liên kết dữ liệu (Data link)

Lớp liên kết dữ liệu có trách nhiệm truyền dẫn dữ liệu một cách tin cậy thông
qua mối liên kết vật lý, trong đó bao gồm việc điều khiển việc truy nhập môi trường
truyền dẫn và bảo toàn dữ liệu.
 Lớp vật lý (Physical)
Lớp vật lý đảm nhiệm toàn bộ công việc truyền dẫn tín hiệu bằng phương tiện
vật lý như: cấu trúc mạng, chuẩn truyền dẫn, phương pháp mã hoá bit, chế độ
truyền tải, tốc độ truyền, giao diện cơ học,...
II.3. Truy cập bus
Trong một mạng có cấu trúc bus, tại mỗi thời điểm chỉ có thể có một thành
viên được phép gửi thông tin nếu không sẽ xảy ra sự xung đột tín hiệu gây sai lệch
về thông tin. Chính vì vậy mạng phải được điều khiển sao cho tại một thời điểm
nhất định chỉ có một trạm gửi thông tin đi, còn số thành viên muốn nhận thông tin
thì không hạn chế. Kỹ thuật truy cập bus khác nhau có thể được phân loại thành
nhóm các phương pháp tiền định và nhóm các phương pháp ngẫu nhiên.
Với các phương pháp tiền định, trình tự truy cập bus được xác định rõ ràng.
Việc kiểm soát truy cập bus được kiểm soát chặt chẽ theo cách tập trung ở một trạm
chủ (Master/Slave), theo sự qui định trước về thời gian (TDMA) hoặc phân tán bởi
các thành viên (Token Passing). Ngược lại, trong các phương pháp ngẫu nhiên trình
tự truy cập bus không được quy định chặt chẽ trước, mà để xảy ra hoàn toàn theo
nhu cầu của các trạm. Mỗi thành viên trong mạng có thể thử truy cập bus để gửi
thông tin bất cứ lúc nào. Để loại trừ tác hại của việc xung đột gây nên, có những
phương pháp phổ biến như nhận biết xung đột (CSMA/CD) hoặc tránh xung đột
(CDMA/CA).

SVTH VŨ TIẾN ĐẠT – 01ĐTĐ

Trang 17


Đồ án tốt nghiệp

Tổng quan mạng truyền thông công nghiệp
Phương
Phươngpháp
pháp
truy
truynhập
nhậpbus
bus

Truy
Truynhập
nhậptiền
tiềnđịnh
định

Kiểm soat tập trung
Kiểm soat tập trung
Master/Slave
Master/Slave
TDMA
TDMA

Kiểm
Kiểmsoát
soátphân
phântán
tán
Token
Passing

Token Passing

Truy
Truynhập
nhậpngẫu
ngẫunhiên
nhiên

Nhận
Nhậnbiết
biếtxung
xungđột
đột
CSMA/CD
CSMA/CD

Tránh
Tránhxung
xungđột
đột
CSMA/CA
CSMA/CA

Các phương pháp truy nhập bus
II.4. Chuẩn truyền dẫn
1. Chuẩn RS-232
RS-232 sử dụng phương pháp truyền dẫn không đối xứng, mức điện áp được
sử dụng trong khoảng từ -15V tới 15V, khoảng từ 3V tới 15V tương ứng với mức
logic 0 ,khoảng từ -3V tới -15V ứng với mức logic 1. Tốc độ truyền tối đa phụ
thuộc vào chiều dài dây dẫn. Chế độ làm việc là hai chiều toàn phần nghĩa là hai

thiết bị tham gia có thể thu và phát tín hiệu cùng lúc .
2. Chuẩn RS-485
Chuẩn RS-485 sử dụng điện áp chênh lệch đối xứng giữa hai dây dẫn.Điện áp
chênh lệch dương ứng với trạng thái logic 0 và âm ứng với trạng thái logic 1.
RS-485 cho phép khoảng cách tối đa giữa trạm đầu và trạm cuối trong một
đoạn mạng là 1200 m, không phụ thuộc số trạm tham gia. Tốc độ truyền dẫn có thể
lên tới 10Mbit/s (thậm chí 12Mbit/s ) .Cấu hình phổ biến là sử dụng hai dây dẫn cho
việc truyền tín hiệu, trong trường hợp này hệ thống chỉ làm việc với chế độ hai
chiều gián đoạn.
II.5. Phương tiện truyền dẫn
Trong kỹ thuật truyền thông công nghiệp, sử dụng các phương tiện truyền
dẫn sau:
 Cáp điện : cáp đồng trục, đôi dây xoắn (có bọc và không có bọc).
 Cáp quang : cáp sợi thuỷ tinh, cáp sợi chất dẻo .
 Vô tuyến : vi sóng, tia hồng ngoại, siêu âm .
III. SO SÁNH CÁC HỆ THỐNG MẠNG TRUYỀN THÔNG CÔNG
NGHIỆP PHỔ BIẾN

SVTH VŨ TIẾN ĐẠT – 01ĐTĐ

Trang 18


Đồ án tốt nghiệp

Tổng quan mạng truyền thông công nghiệp

So sánh thông số kỹ thuật giữa các mạng:
Mạng

PROFIBUS

ETHERNET

SIEMENS
Procedure

PROFIBUS to EN
50170 Volume 2

Ethernet to IEEE
802.3

Những
dịch vụ
truyền
thông của
mạng

- Programming
device/OP
- S7 communication
- S7 basic
communication GD

- Programming
device/OP
- S7 communication
- S5 compatible
communication

- Standard
communication (FMS)

- Programming
device/OP
- S7 communication
- S5 compatible
communication
- Standard
communication
(MMS)

AS-Interface
functions

Kỹ thuật
truy nhập
mạng

Token Passing

- Token Passing with
subordinate
Master/Slave

CSMA/CD

Master / Slave

Dải tốc

độ truyền

19.2 kBit/s
or 187.5kBit/s
or 12 Mbit/s

9.6 kBit/s – 12MBit/s

10MBit/s
100MBit/s

167 kBit/s

Phương
tiện
truyền
dẫn

- Copper:
Shielded 2 –core
cable
- Fiber-optic:
(glass or plastic)

- Copper:
Double-shielded
coaxial cable or
Industrial Twisted
Pair
- Fiber-optic:

(glass)

- Copper:
Unshielded 2core cable

2 to 100
> 1000

14
32

- Copper:
1.5 km
- Fiber-optic:
up to 4.5 km
Worldwide with
TCP/IP

Cable length
max.
300 m
Line, tree

Chuẩn

Số trạm
- thông
thường
- lớn nhất

Chiều dài
mạng
Cấu trúc
mạng
Cấp hệ
thống áp
dụng
Các hệ
thống có
thể kết
nối

MPI

- Copper:
shielded 2-core cable
- Fiber-optic: (glass or
plastic)
- Wireless: Infrared

2 to 10
125 (126)

2 to 16
126

Electric: up to 50 m
(expandable using
RS485 repeaters or
optical

link modules)

- Copper:
up to 9.6 km
- Fiber-optic:
more than 90 km

Electric: line, Fiberoptic: tree, ring, star

Line, tree, ring, star

Line, tree, ring, star

Cell and field levels

Cell and field levels

Management level
and cell level

SIMATIC S7/M7/C7
SIMATIC PC/PG
SIMATIC HMI
SIMATIC S5

- SIMATIC
S7/M7/C7
- SIMATIC PC/PG
- SIMATIC HMI
- SIMATIC S5

Workstations/
computers

- SIMATIC
S7/M7/C7
- SIMATIC PC/PG
- SIMATIC HMI

SVTH VŨ TIẾN ĐẠT – 01ĐTĐ

AS-I
AS-Interface
specification to
EN 50295

Actuator/
sensor
Level
- SIMATIC S7
(200/300)
- SIMATIC C7
(C7-621 Asi)
- SIMATIC S5
- SIMATIC
PC/PG

Trang 19