Nghiên cứu thiết kế mô hình điều khiển giám sát hệ thống đèn giao thông ứng dụng PLC S71200 của Siemens’

MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH ............................................................................................... 4
.............................................................................................................................. 6
DANH MỤC BẢNG.............................................................................................. 7
LỜI CẢM ƠN....................................................................................................... 1
LỜI NÓI ĐẦU........................................................................................................ 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THU THẬP DỮ LIỆU, ĐIỀU
KHIỂN VÀ GIÁM SÁT SỬ DỤNG PLC S7 1200.................................................2
1.1Tổng quan về hệ thống thu thập dữ liệu, điều khiển và giám sát.....................2
1.1.1 Mạng truyền thông công nghiệp.............................................................2
1.1.1.1 Giới thiệu mạng truyền thông công nghiệp......................................2
1.1.1.2 Đặc trưng của mạng truyền thông công nghiệp................................3
1.1.2 Hệ điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu SCADA...............................6
1.1.2.1 Định nghĩa và phân loại hệ thống SCADA......................................6
1.1.2.2 Cấu trúc chung của hệ SCADA.......................................................7
1.1.2.3 Cấu trúc phần mềm điều khiển giám sát của hệ thống SCADA........8
1.1.2.4 Mô hình phân cấp chức năng...........................................................9
1.1.3 Mạng Ethernet...................................................................................... 11
1.1.3.1 Khái niệm về Ethernet...................................................................11
1.1.3.2 Các thành phần và đặc tính kỹ thuật của Ethernet..........................11
1.1.3.3 Chuẩn IEEE 802............................................................................12
1.1.3.4 Họ giao thức TCP/IP.....................................................................13
1.1.3.5 Cấu trúc Bus(Linear Bus Topology)..............................................16
1.2Giới thiệu chung S7 1200............................................................................. 18
1.2.1 Các thông số của các dòng CPU thông dụng ........................................19
1.2.2 Các module mở rộng CPU S7 1200......................................................21
1.2.3 Trạng thái của các đèn báo tín hiệu của PLC S7-1200..........................23
1.2.4 Cách cài đặt PLC S7-1200....................................................................26
1.2.4.1 Cách cài đặt phần cứng cho CPU chính.........................................27
1.2.4.2 Cách cài đặt module mở rộng........................................................28
1.3Phần mềm Tia Portal.................................................................................... 31

1.3.1 Giới thiệu phần mềm Tia Portal...........................................................31
1.3.2 Khởi tạo dự án và cấu hình...................................................................31
1.3.3 Websever............................................................................................. 35
CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT SỬ DỤNG
S7-1200................................................................................................................ 40
2.1 Đặt vấn đề và phương hướng giải quyết .....................................................40
2.1.1 Đặt vấn đề............................................................................................ 40
2.1.2 Khảo sát tình trạng giao thông tại một số nút giao thông.......................41
2.1.2.1 Đồng Quốc Bình (Lạch Tray – Đồng Quốc Bình – Nguyễn Bình).41
2.1.2.2 Ngã tư Thành Đội (Cầu Đất–Lạch Tray–Lê Lợi–Tô Hiệu )............42
2.1.2.3 Ngã Tư Quán Mau (Lạch Tray – An Đà – Đình Đông)............42
2.1.2.4 Cầu vượt Lạch Tray (Lạch Tray – Nguyễn Văn Linh–Nguyễn
Bỉnh Khiêm)............................................................................................. 43
2.1.3 Phương hướng giải quyết phần mềm....................................................45
2.1.3.1 Nguyên tắc hoạt động....................................................................45
2.1.3.2 Phương pháp điều khiển tín hiệu giao thông theo làn sóng xanh. . .45
2.1.3.3 Giải pháp SCADA cho Điều khiển giám sát bài toán giao thông....50
2.1.4 Phương hướng giải quyết phần cứng.....................................................51
2.1.4.1 Giải pháp điều khiển đèn giao thông sử dụng IC số........................51
2.1.4.2 Giải pháp điều khiển đèn giao thông với vi mạch dùng kỹ thuật
VXL......................................................................................................... 52
2.2 Các thiết bị sử dụng trong hệ thống.............................................................53
2.3 Sơ đồ đấu dây.............................................................................................. 54
2.4 Lưu đồ thuật toán........................................................................................ 57
2.4.1 Chương trình chính............................................................................... 57
2.4.2 Chương trình con.................................................................................. 58
2.5 Chương trình điều khiển và giám sát hệ thống đèn giao thông sử dụng S71200........................................................................................................... 59
2.5.1 Chương trình chính............................................................................... 59

2.5.2 Chương trình con.................................................................................. 69
2.5.2.1 Chế độ tự động:............................................................................70
2.5.2.2 Chế độ bằng tay:............................................................................ 72
2.6 Thiết kế giao diện HMI............................................................................... 74


2.7 Thiết kế Webserver .................................................................................... 79
2.7.1 Khái niệm cơ bản về Webserver...........................................................79
2.7.2 Cấu trúc chung của trang HTML..........................................................80
2.7.3 Các tập lệnh AWP được hỗ trợ cho Webserver.....................................82
2.7.4 Code Web............................................................................................ 83
2.7.5 Cấu hình User- defined Web pages ......................................................85
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM MÔ PHỎNG.....................................88
3.1 Mô hình thực nghiệm..................................................................................88
3.2 Kết quả mô phỏng ...................................................................................... 89
3.3 Kết quả thiết kế Web................................................................................... 90
3.4 Đánh giá tổng quan..................................................................................... 92


DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1 Mô hình phân cấp chức năng công ty sản xuất xí nghiệp...........3
Hình 1.2 Cấu trúc chung của 1 hệ SCADA.............................................................8
Hình 1.3 Cấu trúc phần mềm điều khiển giám sát của SCADA...............................9
Hình 1.4 Mô hình phân cấp chức năng của hệ thống điều khiển và giám sát..........10
Hình 1.5 Kiến trúc giao thức TCP/IP....................................................................13
Hình 1.6 Các cấu trúc dạng bus............................................................................. 16
Hình 1.7 Cấu trúc hình sao.................................................................................... 17
Hình 1.6 CPU S7 1200 – 1214C...........................................................................19
Hình 1.7 Hình ảnh của CPU S7-1200....................................................................19
Hình 1.8 Hình ảnh của các module kết nối qua network.......................................21

Hình 1.9 Hình ảnh của các module mở rộng SMS, GPRS, Wifi............................23
Hình 1.10 Không gian cần thiết khi cài đặt PLC....................................................27
Hình 1.11 Giao diện của phần mềm Tia Portal......................................................32
Hình 1.12 Tạo New project................................................................................... 32
Hình 1.13 Cấu hình cho thiết bị............................................................................33
Hình 1.14 Chọn loại CPU cho PLC S7-1200.........................................................33
Hình 1.15 Giao diện làm việc mới của Tia Portal .................................................34
Hình 1.16 Kiểm tra IP của PC............................................................................... 34
Hình 1.17 Cài đặt IP cho PLC S7-1200.................................................................35
Hinh 1.18 Trang chủ của S7- 1200........................................................................35
Hình 1.19 Trang Identification trên Web Sever.....................................................36
Hình 1.20 Trang Diagnastic Bufer trên Web Sever...............................................36
Hình 1.21 Trang Module Information trên Web Sever.........................................37
Hình 1.22 Trang Communication trên Web Server................................................38
Hình 1.23 Trang Variable Status trên Web Server.................................................38
Hình 1.24 Trang Data Logs trên Web Server........................................................39
Hình 1.25 Trang web của người dùng...................................................................39
Hình 2.1 Phân cấp chức năng của hệ SCADA.......................................................40
Hình 2.2 Nút tham gia giao thông Đồng Quốc Bình..............................................41
Hình 2.3 Nút giao thông ngã tư Thành Đội...........................................................42


Hình 2.4 Phương tiện tham gia giao thông tại nút giao thông Quán Mau......43
Hình 2.5 Hình ảnh nút giao thông tại cầu vượt Lạch Tray.....................................44
Hình 2.6 Sơ đồ các các nút giao thông từ ngã tư Thành Đội đến cầu Rào..............44
Hình 2.7 Chu kỳ 1 thời gian đèn sáng tại Ngã tư Lạch Tray và Đồng Quốc Bình 48
Hình 2.8 Chu kỳ 2 đèn sáng tại Ngã tư Lạch Tray và Đồng Quốc Bình ...............49
Hình 2.9 Sơ đồ khối hệ thống................................................................................ 51
Hình 2.10 Cấu trúc giám sát hệ thống...................................................................53
Hình 2.11 Hub loại S105....................................................................................... 53

Hình 2.12 Dây cáp CAT 5e................................................................................... 53
Hình 2.13 CPU S7-1200 1214C AC/DC/Relay.....................................................54
Hình 2.14 Đèn Led 220V-AM..............................................................................54
Hình 2.15 Nút ấn PR-25L-2..................................................................................54
Hình 2.16 Aptomat BKN C20............................................................................... 54
Hình 2.18 Lưu đồ thuật toán chương trình chính..................................................57
Hình 2.19 Lưu đồ thuật toán chế độ chạy tự động.................................................58
Hình 2.20 Lưu đồ thuật toán chế độ chạy bằng tay................................................59
Hình 2.21 Tập hợp hình ảnh chương trình OB1.....................................................69
Hình 2.22 Tập hợp hình ảnh chương trình chạy chế độ tự động.............................72
Hình 2.23 Tập hợp hình ảnh chương trình chạy chế độ bằng tay...........................74
Hình 2.24 Tạo đường liên kết giữa WinCC Professional với PLC1.......................74
Hình 2.25 Tạo kết nối giữa WinCC Professional với PLC 1..................................75
Hình 2.26 Kết nối 1 WinCC với 2 PLC................................................................75
Hình 2.27 Tạo Screen_1........................................................................................ 75
Hình 2.28 Cửa sổ liên kết Screen_ 1 với Screen _2..............................................76
Hình 2.29 Tạo Tag ngoại......................................................................................76
Hình 2.30 Tạo thuộc tính cho nút ấn Start.............................................................77
Hình 2.31 Thiết lập hiệu ứng điều khiển cho nút ấn Start......................................78
Hình 2.32 Tạo thuộc tính cho đèn.........................................................................78
Hình 2.33 Hiệu ứng của đèn.................................................................................. 79
Hình 2.34 Tạo hình ảnh trang trí cho WinCC .......................................................79
Hình 2.35 Phần mềm viết code Web....................................................................80


Hình 2.36 Cấu trúc cơ bản của một trang HTML .................................................81
Hình 2.37 Viết code cho trang web đơn giản.........................................................81
Hình 2.38 Kết quả khi truy cập.............................................................................82
Hình 2.39 Code Web............................................................................................ 84
Hình 2.40 Đặc tính của CPU S7-1200 ..................................................................85

Hình 2.41 Kích hoạt tính năng Websever trên S7- 1200........................................85
............................................................................................................................. 85
Hình 2.42 Thiết lập User- defined Web pages.............................86
Hình 2.43 lập trình lệnh WWW........................................................86
Hình 2.44 Truy cập vào Web chuẩn của PLC.......................................................86
Hình 2.45 Trang chủ của Siemens.........................................................................87
Hình 2.46 Trang Web người dùng.........................................................................87
Hình 3.1 Mô hình thực nghiệm.............................................................................88
Hình 3.2 Kết quả mô phỏng PLC_1......................................................................89
Hình 3.3 Kết quả mô phỏng PLC_2......................................................................90
Hình 3.4 Kết quả thiết kế Web cho PLC_1............................................................90
Hình 3.5 Kết quả thiết kế Web cho PLC_2............................................................91


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1: Thông số kĩ thuật của CPU 1211C/ 1212C/ 1214C...............................19
Bảng 1.2: Bảng thông số tín hiệu của các module.................................................21
Bảng 1.3: Bảng thông số tín hiệu..........................................................................22
Bảng 1.4: Bảng thông số tín hiệu Module.............................................................23
Bảng 1.5: Bảng tóm tắt chức năng của đèn............................................................24
Bảng 1.6: Bảng miêu tả chức năng khi đèn sáng...................................................26
Bảng 1.7: Cách gắn CPU lên giá đỡ.....................................................................27
Bảng 1.8: Cách cài đặt các module SB, CB, BB....................................................28
Bảng 1.9: Cách cài đặt module mở rộng SM.........................................................28
Bảng 1.10: Cách cài đặt module mở rộng CM và CP............................................29
Bảng 1.11: Cách lắp đặt module mở rộng SMS....................................................30
Bảng 1.12: Hình ảnh cài đặt Sim Card cho CPU...................................................30
Bảng 2.1: Thời gian chênh lệch giữa các ngã tư....................................................48
Bảng 2.2: Bảng tính thời gian đèn hướng 1 (trục đường chính Lạch Tray)............49
Bảng 2.3: Khai báo địa chỉ PLC_1........................................................................54

Bảng 2.4: Khai báo địa chỉ PLC_2........................................................................55
Bảng 2.3: Khai báo Tag PLC_1...........................................................................59
Bảng 2.4: Địa chỉ chương trình hàm FB................................................................69


Lời cảm ơn

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

LỜI CẢM ƠN
Trải qua 4 năm học dưới mái trường đại học, một khoảng thời gian mà em và
các bạn trong nhóm lớp Tự động hóa 2 được gặp gỡ và học tập với các thầy cô giáo.
Những người vô cùng tâm huyết, tận tụy với nghề đã truyền thụ những kiến thức thật
quý giá và bổ ích cho tất cả chúng em. Vì vậy lời đầu tiên chúng em xin chân thành
cảm ơn toàn bộ những giảng viên đã truyền đạt kiến thức cho chúng em trong những
năm qua.
Tiếp theo chúng em muốn gửi lời cảm ơn đến cô Tống Thị Lý, người đã trực
tiếp và tận tình hướng dẫn chúng em trong suốt thời gian làm đồ án. Chúng em xin
chân thành cảm ơn cô.
Cuối cùng, chúng em cũng xin trân thành cảm ơn các bạn bè của chúng em
nhiệt tình giúp đỡ để hoàn thành đồ án tốt hơn.
CHÚNG EM XIN TRÂN THÀNH CẢM ƠN!

Hà Nội, Ngày…..tháng …..năm 2016
Nhóm thực hiện
Tự Động Hóa 2_K7


LỜI NÓI ĐẦU
---o0o---

T

rong những năm gần đây cùng với sự phát triển của nền kinh tế là tốc độ ra
tăng không ngừng về các loại phương tiện giao thông. Sự phát triển nhanh
chóng của các phương tiện giao thông đã dẫn đến tình trạng tắc nghẽn giao

thông xảy ra rất thường xuyên.Vấn đề đặt ra ở đây là làm sao để đảm bảo giao thông
thông suốt và sử dụng đèn điều khiển giao thông ở những ngã tư những nơi giao nhau
của các làn đường là một giải pháp. Để viết chương trình điều khiển đèn giao thông ta
có thể viết trên nhiều hệ ngôn ngữ khác nhau. Nhưng với những ưu điểm vượt trội của
PLC S7-1200 như: giá thành rẻ, dễ thi công, sửa chữa, chất lượng làm việc ổn định
linh hoạt, nên ở đây chúng em đã chọn hệ thống điều khiển có thể lập trình được PLC
(Programmble Logic Control) với ngôn ngữ lập trình của S7-1200 cùng nhu cầu thực
tế và những ham muốn hiểu biết về về lĩnh vực này, chúng em xin chọn đề tài làm đồ
án tốt nghiệp về “ Nghiên cứu thiết kế mô hình điều khiển giám sát hệ thống đèn giao
thông ứng dụng PLC S7-1200 của Siemens’’. Mục tiêu của quá trình thực hiện đồ án
là tìm hiểu hệ thống thu thập dữ liệu - điều khiển - giám sát, PLC S7-1200 và quan
trọng nhất là những ứng dụng thực tế của PLC trong cuộc sống.


CHƯƠNG 1
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THU THẬP DỮ
LIỆU, ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT SỬ DỤNG PLC S7 1200
1.1 Tổng quan về hệ thống thu thập dữ liệu, điều khiển và giám sát
1.1.1 Mạng truyền thông công nghiệp
1.1.1.1 Giới thiệu mạng truyền thông công nghiệp
Ngày nay với sự phát triển mạnh mẽ của ngành công nghiệp, đòi hỏi phải có sự

cải tiến và áp dụng công nghệ mới vào trong quá trình sản xuất nhằm nâng cao hiệu
quả sản xuất. Một trong những giải pháp tốt nhất, đó là áp dụng quy trình tự động hóa
vào sản xuất. Các dây truyền không hoạt động độc lập mà cần có sự liên kết với nhau
tạo nên một mô hình thống nhất. Sự kết nối các thiết bị công nghiệp đó với nhau tạo
thành một hệ thống mạng gọi là mạng truyền thông công nghiệp.
Mạng truyền thông công nghiệp là một khái niệm chỉ các hệ thống mạng truyền
thông số, truyền bit nối tiếp, được sử dụng để ghép nối các thiết bị công nghiệp
Do đặc thù của các ngành công nghiệp mà tạo ra nhiều loại mạng truyền thông
khác nhau. Mặt khác, mạng truyền thông công nghiệp cũng có đặc thù riêng, có thể
phân biệt chúng với mạng thông tin quảng đại thông qua một số khía cạnh sau:
- Về phạm vi hoạt động
- Độ tin cậy khi truyền
Vai trò của mạng truyền thông công nghiệp:
- Đơn giản hóa cấu trúc liên kết giữa các thiết bị công nghiệp vì trong hệ thống, số
lượng lớn các thiết bị thuộc chủng loại khác nhau, nhà sản xuất khác nhau được
ghép nối với nhau qua một đường truyền
- 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 truyền duy nhất, giảm chi phí
đáng kể cho nguyên liệu và công lắp đặt.
- Nhờ kĩ thuật truyền thông số, không những thông tin truyền đi khó sai lệch mà các
thiết bị nối mạng còn có thêm khả năng phát hiện lỗi và chuẩn đoán lỗi nếu có
- Nâng cao độ linh hoạt, tính năng mở của hệ thống. Một hệ thống mạng chuẩn hóa
quốc tế tạo điều kiện cho việc sử dụng các thiết bị của nhiều hãng khác nhau. Việc
thay thế các thiết bị, nâng cấp và mở rộng chức năng của hệ cũng dễ dàng hơn


CHƯƠNG 1
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
- Việc cấu hình hệ thống, lập trình, tham số hóa, chỉnh định thiết bị đưa vào vận
hành có thể thực hiện từ xa qua một trạm kỹ thuật trung tâm

1.1.1.2 Đặc trưng của mạng truyền thông công nghiệp
PC: Personal Computer
HIS: Human interface station
FCS: Field Control Station
S: Sensor
A: Actuator
PC
PC

P

Fast ethernet

Quản lý kinh tế
PC
PC

PC
PC

PC
PC

Ethernet

Quản lý kỹ thuật
HIS
HI
HIS

HI
SS

HIS
HIS

HIS
HIS

System bus

Điều khiển & giám sát
FCS
FCS

FCS
FCS

FCS
FCS

Fielbus

Điều khiển
Cấp hiện
trường

FCS
FCS

A

S

A

S

Hình 1.1 Mô hình phân cấp chức năng công ty sản xuất xí nghiệp
Tương ứng với năm cấp chức năng là bốn cấp của hệ thống truyền thông. Từ
cấp điều khiển giám sát trở xuống thuật ngữ “bus” thường được dùng thay cho
“mạng”, với lý do phần lớn các hệ thống mạng phía dưới đều có cấu trúc vật lý hoặc
logic kiểu bus
-

Bus trường, bus thiết bị: Bus trường (fieldbus) thực ra là một khái niệm chung

được dùng trong các ngành công nghiệp 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.

3


CHƯƠNG 1
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Các thiết bị có khả năng nối mạng là các vào/ra phân tán (distributed I/O), các thiết bị
đo lường (sensor, transducer, transmitter) hoặc cơ cấu chấp hành (actuator, valve) có
tích hợp khả năng xử lý truyền thông. Một số kiểu bus trường chỉ thích hợp nối mạng

các thiết bị cảm biến và cơ cấu chấp hành với các bộ điều khiển, cũng được gọi là bus
chấp hành/cảm biến.
Trong công nghiệp chế tạo (tự động hóa dây chuyền sản xuất, gia công, lắp ráp)
hoặc ở một số lĩnh vực ứng dụng khác như tự động hóa tòa nhà, sản xuất xe hơi, khái
niệm bus thiết bị lại được sử dụng phổ biến. Có thể nói, bus thiết bị và bus trường có
chức năng tương đương, nhưng do những đặc trưng riêng biệt của hai ngành công
nghiệp, nên một số tính năng cũng khác nhau. Tuy nhiên, sự khác nhau này ngày càng
trở nên không rõ rệt, khi mà phạm vi ứng dụng của cả hai loại đều được mở rộng và
đan chéo sang nhau. Trong thực tế, người ta cũng dùng chung một khái niệm là bus
trường.
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. Thời gian phản ứng tiêu biểu nằm
trong phạm vi từ 0,1 tới vài miligiây. Trong khi đó, yêu cầu về lượng thông tin trong
một bức điện thường chỉ hạn chế trong khoảng một vài byte, vì vậy tốc độ truyền
thông thường chỉ cần ở phạm vi Mbit/s hoặc thấp hơn. Việc trao đổi thông tin về các
biến quá trình chủ yếu mang tính chất định kỳ, tuần hoàn, bên cạnh các thông tin tham
số hóa hoặc cảnh báo có tính chất bất thường.
Các hệ thống bus trường được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay là
PROFIBUS,ControlNet, INTERBUS, CAN, WorldFIP, P-NET, Modbus và gần đây
phải kể tới Foundation Fieldbus. DeviceNet, AS-i, EIB và Bitbus là một vài hệ thống
bus cảm biến/chấp hành tiêu biểu có thể nêu ra ở đây.
-

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 (System bus) hay bus quá trình (Process bus). 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

4


CHƯƠNG 1
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
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 phía
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. 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 ngặt nghèo hay không. Thời gian phản ứng tiêu
biểu nằm trong khoảng một vài trăm mili giây, 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 dùng
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 khắt khe. Do các yêu cầu về tốc độ truyền thông và khả năng kết nối
dễ dàng nhiều loại máy tính, hầu hết các kiểu bus hệ thống thông dụng đều dựa trên
nền Ethernet, ví dụ Industrial Ethernet, Fieldbus Foundation’s High Speed Ethernet
(HSE), Ethernet/IP.
- Mạng xí nghiệp: 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 các 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 quá 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, ví dụ hỗ trợ kiểu làm việc theo nhóm, cộng tác trong dự án, sử
dụng chung các tài nguyên nối mạng (máy in, máy chủ...). 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 với số lượng lớn tới

5


CHƯƠNG 1
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
hàng Mbyte. Hai loại mạng được dùng 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 trao đổi thông tin nội bộ và với các khách hàng như thư
viện điện tử, thư điện tử, hội thảo từ xa qua điện thoại, hình ảnh, cung cấp 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 của công ty. Trong
nhiều trường hợp, mạng công ty và mạng 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 có vai trò như một đường cao tốc trong hệ thống hạ tầng cơ
sở truyền thông của một công ty, vì vậy đòi hỏi về tốc độ truyền thông và độ an toàn,
tin cậy đặc biệt cao. Fast Ethernet, FDDI, ATM là một vài ví dụ công nghệ tiên tiến
được áp dụng ở đây trong hiện tại và tương lai.

1.1.2 Hệ điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu SCADA

1.1.2.1 Định nghĩa và phân loại hệ thống SCADA
SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) là một hệ thống điều
khiển giám sát và thu thập dữ liệu, nói cách khác là một hệ thống hỗ trợ con người
trong 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 thống giao diện người máy HMI
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 HMI để phục vụ cho việc quan sát và thao tác vận hành ở cấp điều khiển cục bộ.
Nếu nhìn nhận SCADA theo quan điểm truyền thống thì nó là một hệ thống
mạng và thiết bị có nhiệm vụ thuần túy là thu thập dữ liệu từ các trạm ở xa và truyền
tải về khu trung tâm để xử lý. Trong các hệ truyền thống như vậy thì hệ truyền thông

6


CHƯƠNG 1
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
và phần cứng 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 thiêt 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
Phân loại hệ thống SCADA
Các hệ thống SCADA được phân bố theo chức năng:
- Hệ thống SCADA mờ (Blind): Đây là hệ thống đơn giản, nó không có bộ phận
giám sát. Nhiệm vụ chủ yếu của hệ thống này là thu thập và xử lý dữ liệu bằng đồ thị.
Do tính đơn giản nên giá thành thấp.
- Hệ thống SCADA xử lý đồ họa thông tin thời gian thực: hệ thống SCADA có
khả năng giám sát và thu thập dữ liệu. Nhờ tập tin cấu hình của máy khai báo trước

đấy mà hệ có khả năng mô phỏng tiến trình hoạt động của hệ thống sản xuất. Tập tin
cấu hình ghi lại trạng thái hoạt động của hệ thống. Khi xảy ra sự cố thì hệ thống có thể
báo cho người vận hành để xử lý kịp thời. Cũng có thể hệ sẽ phát ra tín hiệu điều khiển
dừng hoạt động của tất cả máy móc.
- Hệ thống SCADA độc lập: hệ thống có khả năng giám sát và thu thập dữ liệu
với một bộ xử lý. Hệ này chỉ có thể điều khiển được một hoặc hai máy móc. Vì vậy hệ
này chỉ phù hợp với những sản xuất nhỏ, sản xuất chi tiết.
- Hệ thống SCADA mạng: hệ thống có khả năng giám sát và thu thập dữ liệu với
nhiều bộ vi xử lý. Các máy tính được nối mạng với nhau. Hệ này có khả năng điều
khiển được nhiều nhóm máy móc tạo nên dây chuyền sản xuất. Qua mạng truyền
thông, hệ thống được nối với phòng quản lý, phòng điều khiển, có thể nhận quyết định
điều khiển trực tiếp từ phòng quản lý hoặc từ phòng thiết kế. Từ phòng điều khiển có
thể điều khiển hoạt động của các thiết bị ở xa.

1.1.2.2 Cấu trúc chung của hệ SCADA

7


CHƯƠNG 1
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Hình 1.2 Cấu trúc chung của 1 hệ SCADA
Trong hệ thống điều khiển giám sát, các cảm biến và cơ cấu chấp hành đóng vai
trò là giao diện giữa thiết bị điều khiển với quá trình kỹ thuật. Còn hệ thống điều khiển
giám sát đóng vai trò là giao diện giữa người và máy. Các thiêt bị và các bộ phận của
hệ thống được ghép nối với nhau theo kiểu điểm- điểm (point to point) hoặc qua mạng
truyền thông…
 Các thành phần chính của hệ thống SCADA bao gồm:
- Giao diện quá trình: gồm các cảm biến, thiết đo, thiết bị chuyển đổi, cơ cấu

-

chấp hành, ghép nối vào/ra và chuyển đổi tín hiệu
Thiết bị điều khiển tự động: gồm các bộ điều khiển chuyên dụng (PID), các bộ
điều khiển PLC, các thiết bị điều chỉnh số đơn lẻ CDC (Compact Digital

-

Controller) và máy tính PC với các phần mềm tương ứng
Hệ thống điều khiển giám sát: gồm các thiết bị, phần mềm giao diện HMI, các

-

trạm kỹ thuật, trạm vận hành, giám sát và điều khiển cao cấp
Hệ thống truyền thông: ghép nối điểm- điểm, bus cảm biến/chấp hành, bus

-

trường, bus hệ thống
Hệ thống bảo vệ, cơ chế thực hiện chức năng an toàn

1.1.2.3 Cấu trúc phần mềm điều khiển giám sát của hệ thống SCADA

8


CHƯƠNG 1
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Hình 1.3 Cấu trúc phần mềm điều khiển giám sát của SCADA

Cơ sở dữ liệu quá trình có chức năng quản lý và lưu trữ :
- Dữ liệu quá trình
- Dữ liệu tình trạng hệ thống
- Dữ liệu quá khứ
- Dữ liệu cảnh báo
- Dữ liệu vận hành
Giao diện người máy (HMI) có chức năng :
- Hiển thị các thiết bị, máy móc
- Hiển thị các giá trị quá trình, các hình ảnh động minh họa, các phím điều khiển
- Hiển thị và can thiệp chi tiết vào quá trình điều khiển các tham số, tình trạng
báo động
- Hiển thị các quá trình theo thời gian thực
Chức năng cảnh báo báo động
- Phát hiện tình trạng cảnh báo, báo động tại các trạm vận hành hoặc trạm chủ
- Gửi cảnh báo, báo động theo phạm vi hệ thống, trạm được quyền can thiệp hoặc
tính ưu tiên cấp thiết
- Lưu trữ cảnh báo, báo động
- Hiển thị cảnh báo /báo động theo:
+ Sắp xếp theo mức ưu tiên, tính cấp thiết
+ Sắp xếp theo thời gian xảy ra
+ Sắp xếp theo loại cảnh báo/báo động
+ Sử dụng màu sắc và hiệu ứng nhâp nháy
Xác nhận cảnh báo/báo động: theo quyền người sử dụng hoặc xác nhận theo nhóm
Xóa cảnh báo/báo động

1.1.2.4 Mô hình phân cấp chức năng
Toàn bộ hệ thống điều khiển giám sát được phân chia thành các cấp chức năng
như hình vẽ minh họa dưới đây:

9

CHƯƠNG 1
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Hình 1.4 Mô hình phân cấp chức năng của hệ thống điều khiển và giám sát
Để sắp xếp, phân loại các chức năng tự động hóa của hệ thống điều khiển và
giám sát người ta thường sử dụng mô hình như trên. Với loại mô hình này các chức
năng được phân thành nhiều cấp khác nhau, từ dưới lên trên. Càng ở những cấp dưới
thì các chức năng càng mang tính chất cơ bản hơn, đòi hỏi yêu cầu cao hơn về độ
nhanh nhạy, thời gian phản ứng. Một chức năng ở cấp trên được thực hiện dựa trên các
chức năng ở cấp dưới nhưng ngược lại lượng thông tin cần trao đổi và xử lý lại lớn
hơn nhiều
Việc phân cấp chức năng sẽ thuận lợi cho việc thiết kế hệ thống và lựa chọn
thiết bị. Tùy thuộc vào mức độ tự động hóa và cấu trúc hệ thống cụ thể mà ta có mô
hình phân cấp chức năng:
- Cấp trường: các chức năng chính của cấp chấp hành là đo lường, dẫn động và
chuyển đổi tín hiệu trong trường hợp cần thiết. Thực tế, đa số các thiết bị cảm biến hay
chấp hành cũng có phần điều khiển riêng cho việc thực hiện đo lường/ truyền động
được chính xác và nhanh nhạy. Các thiết bị thông minh (có bộ vi xử lý riêng) cũng có
thể đảm nhận việc xử lý và chuẩn bị thông tin trước khi đưa lên cấp trên điều khiển.
- Cấp điều khiển: nhiệm vụ chính của cấp điều khiển là nhận thông tin từ các bộ
cảm biến, xử lý các thông tin đó theo một thuật toán nhất định và truyền đạt lại kết quả

10


CHƯƠNG 1
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
xuống các bộ chấp hành. Máy tính đảm nhận việc theo dõi các công cụ đo lường, tự

thực hiện các thao tác như ấn nút mở/ đóng van, điều chỉnh cần gạt, núm xoay... Đặc
tính nổi bật của cấp điều khiển là xử lý thông tin. Cấp điều khiển và cấp chấp hành hay
gọi chung là cấp trường (Fieid level) chính vì các bộ điều khiển, cảm biến và chấp
hành được cài đặt trực tiếp tại hiện trường gần kề với hệ thống kỹ thuật.
- Cấp điều khiển giám sát: có chức năng giám sát và vận hành một quá trình kỹ
thuật, có nhiệm hỗ trợ người sử dụng trong việc cài đặt ứng dụng, thao tác theo dõi,
giám sát vận hành và xử lý những tình huống bất thường. Ngoài ra trong một số
trường hợp, cấp này còn thực hiện các bài toán điều khiển cao cấp như điều khiển phối
hợp, điều khiển trình tự và điều khiển theo công thức. Việc thực hiện các chức năng ở
cấp điều khiển và giám sát thường không đòi hỏi phương tiện, thiết bị phần cứng đặc
biệt ngoài máy tính thông thường.

1.1.3 Mạng Ethernet
1.1.3.1 Khái niệm về Ethernet
Ethernet là kiểu mạng cục bộ (LAN) được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay. Thực
chất, Ethernet chỉ là mạng cấp dưới (lớp vật lý và một phần lớp liên kết dữ liệu), vì
vậy có thể sử dụng các giao thức khác nhau ở phía trên, trong đó TCP/IP là tập giao
thức được sử dụng phổ biến nhất. Tuy vậy, mỗi nhà cung cấp sản phẩm có thể thực
hiện giao thức riêng hoặc theo một chuẩn quốc tế cho giải pháp của mình trên cơ sở
Ethernet. High Speed Ethernet (HSE) của Fieldbus Foundation chính là một trong tám
hệ bus trường được chuẩn hóa quốc tế theo IEC 61158.

1.1.3.2 Các thành phần và đặc tính kỹ thuật của Ethernet
-

Một mạng Ethernet gồm 3 thành phần :
+ Data terminal equiment(DTE): các thiết bị truyền và nhận dữ liệu DTEs

thường là PC, file sever, Print sever,…
+ Data Communication Equipment(DCE): các thiết bị kết nối mạng cho phép

nhận và chuyển khung trên mạng. DCE có thể là các thiết bị độc lập như
Repeter( không quá 4 Repeter), Switch, router hoặc các khối giao tiếp thông tin như
card mạng, Modem,…
+ Interconnecting media: Cáp có thể dài nhất là 500m và ngắn nhất là 2,5m. Có
thể sử dụng cáp xoắn đôi, cáp đồng trục mỏng, cáp đồng trục dày, cáp sợi quang

11


CHƯƠNG 1
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
-

Các đặc tính kĩ thuật của mạng Ethernet:
+ Cấu hình truyền thông: có cấu trúc dạng tuyến phân đoạn, đường truyền dùng

cáp đồng trục, tuy nhiên mỗi thành phần của nó có thể là cấu trúc start (star-wired
bus). Tín hiệu truyền trên mạng được mã hóa theo kiểu đồng bộ.
+ Quy cách kỹ thuật 802.3
+ Vận tốc truyền : 10Mbps, 100Mbps,…10Gbps
+ Loại cáp: cáp đồng trục mảnh, cáp đồng trục dày, cáp xoắn đôi, cáp sợi quang
+ Chiều dài tối đa của một cáp tuyến là 500m, các đoạn tuyến này có thể được
kết nối lại bằng cách dùng các bộ chuyển tiếp và khoảng cách lớn nhất cho phép giữa
2 nút là 2.8km
+ Sử dụng tín hiệu băng tần cơ bản, truy xuất tuyến hoặc tuyến token(token
bus), giao thức là CSMA/CD)
- Ngày nay khái niệm ethernet thường được sử dụng để chỉ một mạng LAN
CSMA/CD, phù hợp với tiêu chuẩn 802.3, đặc điểm:
+ Hoạt động ở mức liên kết dữ liệu
+ Theo nguyên tắc CSMA/CD cảm biến sóng mang có phát hiện đụng độ

+ Thành phần chính:
• Phần cứng mạng: các thiết bị nối mạng
• Giao thức điều khiển truy xuất đường truyền
• Khung Ethernet: đơn vị truyền dữ liệu trên mạng

1.1.3.3 Chuẩn IEEE 802
IEEE 802 là họ các chuẩn IEEE dành cho các mạng LAN và mạng MAN
(Metropolitan Area Network). Cụ thể hơn, các chuẩn IEEE 802 được giới hạn cho các
mạng mang các gói tin có kích thước đa dạng. (Khác với các mạng này, dữ liệu trong
các mạng cell-based được truyền theo các đơn vị nhỏ có cùng kích thước được gọi là
cell. Các mạng Isochronous, nơi dữ liệu được truyền theo một dòng liên tục các octet,
hoặc nhóm các octet, tại các khoảng thời gian đều đặn, cũng nằm ngoài phạm vi của
chuẩn này). Con số 802 chỉ đơn giản là con số còn trống tiếp theo mà IEEE có thể
dùng, đôi khi "802" còn được liên hệ với ngày mà cuộc họp đầu tiên được tổ chức –
tháng 2 năm 1980.
Các dịch vụ và giao thức được đặc tả trong IEEE 802 ánh xạ tới hai tầng thấp
(tầng liên kết dữ liệu và tầng vật lý của mô hình 7 tầng OSI. Thực tế, IEEE 802 chia
tầng liên kết dữ liệu OSI thành hai tầng con LLC (điều khiển liên kết lôgic) và MAC

12


CHƯƠNG 1
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
(điều khiển truy nhập môi trường truyền), do đó các tầng này có thể được liệt kê như
sau:
-

Tầng liên kết dữ liệu
Tầng con LLC

Tầng con MAC
Tầng vật lý
Họ chuẩn IEEE 802 được bảo trì bởi Ban Tiêu chuẩn LAN/MAN IEEE 802

(IEEE 802 LAN/MAN Standards Committee (LMSC)). Các chuẩn được dùng rộng rãi
nhất là dành cho họ Ethernet, Token Ring, mạng LAN không dây, các mạng LAN
dùng bridge và bridge ảo (Bridging and Virtual Bridged LANs). Mỗi lĩnh vực có một
Working Group tập trung nghiên cứu.

1.1.3.4 Họ giao thức TCP/IP
TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol) là kết quả nghiên
cứu và triển giao thức trong mạng chuyển mạch gói thử nghiệm mang tên Arpanet do
ARPA (Advanced Reseach Projecs Agency). Khái niệm TCP/IP dùng để chỉ cả một
lớp tập giao thức và dịch vụ truyền thông được công nhận thành chuẩn cho Internet.
Cho tới nay TCP/IP đã xâm nhập tới rất nhiều phạm vi ứng dụng khác nhau, trong đó
có các máy tính cục bộ và mạng truyền thông công nghiệp.
TCP/IP bao gồm 5 lớp độc lập: lớp ứng dụng, lớp vận chuyển, lớp Internet, lớp
truy nhập và mạng vật lí.
Lớp ứng dụng
TELNET
SNMP

FTP
SMTP
DNS

Lớp vận chuyển
TCP

UDP

Lớp Internet

ICMP

IP

ARP

RARP

Lớp truy nhập mạng
Lớp vật lí

Hình 1.5 Kiến trúc giao thức TCP/IP
Lớp ứng dụng: thực hiện các chức năng hỗ trợ cần thiết cho nhiều ứng dụng
khác nhau: SMTP (Simple Mail Transfer Protocol) cho chuyển thư điện từ, FTP (File
13


CHƯƠNG 1
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Transfer Protocol) cho chuyển giao file, TELNET là chương trình mô phỏng thiết bị
đầu cuối cho phép người dùng login vào một máy chủ từ một máy tính nào đó trên
mạng, SNMP (Simple Network Management Protocol) giao thức quản trị mạng cung
cấp những công cụ quản trị mạng, DNS (Domain Name Server) là dịch vụ tên miền
cho phép nhận ra máy tính từ một tên miền thay cho chuỗi địa chỉ Internet.
Lớp ứng dụng trao đổi dữ liệu với lớp dưới (lớp vận chuyển) qua cổng. Việc
dùng cổng bằng số cho phép giao thức của lớp vận chuyển biết loại nội dung nào chứa
bên trong gói dữ liệu. Những cổng được đánh bằng số và những ứng dụng chuẩn
thường dùng cùng cổng. Ví dụ: giao thức FTP dùng cổng 20 cho dữ liệu và cổng 21

cho điều khiển, giao thức SMTP dùng cổng 25…
Lớp vận chuyển: có chức năng cung cấp các dịch vụ cho việc thực hiện vận
chuyển dữ liệu giữa các chương trình ứng dụng một cách tin cậy hoàn toàn. TCP là
giao thức tiêu biểu nhất, phổ biến nhất phục vụ việc thực hiện chức năng nói trên. TCP
hỗ trợ việc trao đổi dữ liệu trên cơ sở dịch vụ có nối. Khi dữ liệu nhận, giao thức TCP
lấy những gói được gửi từ lớp Internet và đặt chúng theo thứ tự của nó, bởi vì những
gói có thể đến vị trí đích theo phương thức không theo một thứ tự, và kiểm tra nếu nội
dung của gói nhận có nguyên vẹn hay không và gửi tín hiệu Acknowledge – chấp nhận
– tới bên gửi, cho biết gói dữ liệu đã đến đích an toàn. Nếu không có tín hiệu
Acknowledge của bên nhận (có nghĩa là dữ liệu chưa đến đích hoặc có lỗi), bên truyền
sẽ truyền lại gói dữ liệu bị mất. Bên cạnh TCP, một giao thức khác cũng được sử dụng
cho lớp vận chuyển đó là UDP (User Data Protocol). Khác với TCP, UDP cung cấp
dịch vụ không hướng kết nối cho việc gửi dữ liệu mà không đảm bảo tuyệt đối đến
đích, không đảm bảo trình tự đến đích của các gói dữ liệu.
Như vậy TCP được coi là một giao thức tin cậy, trong khi UDP được coi là giao
thức không đáng tin cậy. Tuy nhiên UDP lại đơn giản hơn và có hiệu suất nhanh hơn
TCP, chỉ đòi hỏi một cơ chế xử lí giao thức tối thiểu và thường được dùng làm cơ sở
thực hiện các giao thức cao cấp theo yêu cầu riêng của người sử dụng, ví dụ tiêu biểu
là giao thức SNMP. Cả hai giao thức UDP và TCP sẽ lấy dữ liệu từ lớp ứng dụng và
thêm header vào khi truyền dữ liệu. Khi nhận dữ liệu, header sẽ bị gỡ trước khi gửi dữ
liệu đến cổng thích hợp. Trong header này có một vài thông tin điều khiển liên quan

14


CHƯƠNG 1
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
đến số cổng nguồn, số cổng tới đích, chuỗi số (để hệ thống sắp xếp lại dữ liệu và hệ
thống Acknowledge sử dụng trong TCP) và Checksum (dùng để tính toán xem dữ liệu
đến đích có bị lỗi hay không).

Header của UDP có 8 byte trong khi header của TCP có 20 hoặc 24 byte (tùy
theo kiểu byte lựa chọn). Dữ liệu ở lớp này sẽ được chuyển tới lớp Internet nếu truyền
dữ liệu hoặc được gửi từ lớp Internet tới nếu nhận dữ liệu.
Lớp Internet: có chức năng chuyển giao dữ liệu giữa nhiều mạng được liên kết
với nhau. Có một vài giao thức mà làm việc ở lớp Internet như: IP (Internet Protocol)
có chức năng gán địa chỉ cho dữ liệu trước khi truyền và định tuyến chúng tới đích,
ICMP (Internet Control Message Protocol) có chức năng thông báo lỗi trong trường
hợp truyền dữ liệu bị hỏng, ARP (Address Resolution Protocol) có chức năng lấy địa
chỉ MAC từ địa chỉ IP.
Với giao thức IP, lớp Internet được sử dụng có nhiệm vụ thêm header tới gói dữ
liệu được nhận từ lớp vận chuyển, là một loại dữ liệu điều khiển khác, nó sẽ thêm địa
chỉ IP nguồn và địa chỉ IP đích – có nghĩa là địa chỉ IP của bên gửi dữ liệu và bên nhận
dữ liệu. Mỗi datagram của IP có kích thước lớn nhất là 65.535 byte, bao gồm cả
header mà có thể dùng 20 hoặc 24 byte, phụ thuộc vào sự lựa chọn trong chương trình
sử dụng. Như vậy datagram của IP có thể mang 65.515 byte hoặc 65.511 byte, giao
thức IP sẽ cắt gói xuống thành nhiều datagram nếu thấy cần thiết.
Đối với mạng Ethernet, dữ liệu có thể lên tới 1500 byte, nghĩa là kích thước lớn
nhất trường dữ liệu của frame được gửi lên mạng MTU (Maximum Transfer Unit) có
giá trị 1500 byte. Như vậy hệ điều hành tự động cấu hình giao thức IP để tạo ra
datagram của IP có chiều dài 1500 byte mà không phải là 65.535 byte.
Hình dưới minh họa datagram được tạo ra từ lớp Internet bằng giao thức IP.
Như chúng ta đã đề cập header được giao thức IP thêm vào bao gồm địa chỉ IP nguồn,
địa chỉ IP đích và một vài thông tin điều khiển.
Lớp truy cập mạng: liên quan tới việc trao đổi dữ liệu giữa hai trạm thiết bị
trong cùng một mạng. Các chức năng bao gồm việc kiểm soát truy nhập môi trường
truyền dẫn, kiểm soát lỗi và lưu thông dữ liệu. Datagram được tạo từ lớp Internet sẽ
được gửi xuống tới lớp truy nhập mạng nếu truyền dữ liệu, hoặc lớp truy nhập mạng sẽ

15

CHƯƠNG 1
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
lấy dữ liệu từ mạng và gửi nó tới lớp Internet nếu chúng ta nhận dữ liệu. Như đã đề
cập ở phần trên, Ethernet là giao thức cấp dưới có ba lớp LLC (Logic Link Control),
MAC (Media Access Control) và lớp vật lí Physical.
Lớp MAC (điều khiển truy nhập phương tiện truyền thông) có nhiệm vụ lắp ráp
frame mà sẽ được gửi lên mạng, thêm địa chỉ MAC nguồn và địa chỉ MAC đích. Địa
chỉ MAC là địa chỉ vật lí của cạc mạng. Những frame mà là đích tới mạng khác sẽ
dùng địa chỉ MAC của router như là địa chỉ đích.
Lớp vật lí: đề cập tới giao diện vật lí giữa một thiết bị truyền dữ liệu với môi
trường truyền dẫn hay mạng, trong đó có các đặc tính tín hiệu, chế độ truyền, tốc độ
truyền và cấu trúc cơ học của các phích cắm, giắc cắm. Lớp này có nhiệm vụ chuyển
đổi frame do lớp MAC tạo ra thành tín hiệu điện (đối với hệ thống dây dẫn mạng bằng
cable) hoặc thành song từ trường (đối với hệ thống mạng không dây).

1.1.3.5 Cấu trúc Bus(Linear Bus Topology)
Trong cấu trúc đơn giản này, tất cả các thành viên của mạng đều được nối trực
tiếp với một đường dẫn chung. Hai cấu trúc đầu cũng được xếp vào kiểu cấu trúc
đường thẳng, bởi hai đầu đường truyền không khép kín. Loại hình mạng này dùng dây
cáp ít nhất, dễ lắp đặt. Tuy vậy cũng có những bất lợi đó là sẽ có sự ùn tắckhi di
chuyển dữ liệu với lưu lượng lớn và khi có sự hỏng hóc ở đoạn nào đó thì rất khó phát
hiện, một sự ngừng trên đường dây để sửa chữa sẽ ngừng toàn bộ hệ thống..
Có thể phân biệt ba kiểu cấu hình trong cấu trúc bus: daisy-chain; truckline/drop- line và mạch vòng không tích cực.
Truck-line
dropline

Daisy-chain

Mạch vòng không tích cực

Hình 1.6 Các cấu trúc dạng bus
 Cấu trúc mạch vòng

16

Truck-line/drop line


CHƯƠNG 1
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Cấu trúc mạch vòng thiết kế sao
cho các thành viên trong mạng được nối

Trạm 1

Trạm 2

Trạm 6

Trạm

Trạm 3

từ điểm này tới điểm kia một cách tuần
tự trong một mạch vòng khép kín. Khác
với cấu trúc đường thẳng, tín hiệu được
truyền đi theo một chiều quy định. Một
trạm nhận dữ liệu từ trạm đứng trước và
chuyển tiếp sang trạm lân cận đứng sau.

5

Trạm

4

Quá trình này lặp lại tới khi dữ liệu quay
trở về trạm đã gửi, nó sẽ được hủy bỏ.

Hình 1.7 Cấu trúc hình sao

 Cấu trúc hình sao

Cấu trúc hình sao bao gồm một trạm trung tâm và các nút thông tin. Trạm
trung tâm có nhiệm vụ nhận tín hiệu từ các trạm và chuyển tín hiệu đến trạm đích
với phương thức điểm-điểm. Trạm này có thể là một bộ chuyển mạch, một bộ chọn
đường, hoặc đơn giản là một bộ phân kênh.
Trạm

Trạm trung tâm

Trạm

Trạm

trung tâm
Trạm trung tâm
trung tâm

Trạm

Trạm

Trạm

Trạm

Trạm

Trạm

Trạm

Ưu điểm của cấu trúc này là không bị ách tắc thông tin trên đường truyền,
lắp đặt đơn giản, dễ dàng cấu hình lại (thêm, bớt trạm), có trục trặc trên một trạm
cũng không ảnh hưởng đến toàn mạng, nhanh kiểm soát và khắc phục sự cố. Nhược
điểm là tốn nhiều cáp, độ dài đường truyền đến trạm trung tâm bị hạn chế.
17