Xây dựng đoạn mạng truyền thông công nghiệp sử dụng giao thức USS

LỜI CAM ĐOAN
Em xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng em, không sao
chép từ bất kỳ tài liệu nào.
Các số liệu, kết quả trong đồ án này là trung thực và chưa từng ai công
bố trong bất cứ công trình nào khác.
Sinh viên thực hiện

Tạ Duy Khương


LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên, em xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành tới thầy giáo Th.S Vũ
Văn Rực đã hướng dẫn, chỉ bảo nhiệt tình, giúp em có cơ hội được tiếp xúc với
các thiết bị thực tế và hoàn thành đồ án này.
Em cũng xin cảm ơn tất cả các thầy, cô trong tổ Bộ môn Điện điện tử
viễn thông Trường Đại học Hàng Hải Việt Nam đã truyền đạt kiến thức trong
suốt thời gian em học trong trường để em ứng dụng vào đồ án này.
Cuối cùng em xin gửi lời cảm ơn đến bố, mẹ và các bạn đã luôn động
viên, tạo điều kiện thuận lợi nhất cho em hoàn thành đồ án.


MỤC LỤC

DANH MỤC BẢNG
Số bảng

Tên bảng

Trang

Bảng 1.1

Chức năng các chân của cổng RS232 kiểu 9 chân

15

Bảng 1.2

Các thông số về mặt điện của chuẩn RS232

16

Bảng 1.3

Các thông số về mặt điện của chuẩn RS485

16

Bảng 2.1

Ý nghĩa các giá trị của thông số P910

18

Bảng 2.2

Các tốc độ truyền thông

19

Bảng 2.3

Ý nghĩa các bit điều khiển của bản tin trạm chủ gửi
xuống trạm tớ

25

Bảng 2.4

Ý nghĩa các bit điều khiển của bản tin trạm tớ gửi
về trạm chủ

25

Bảng 2.5

Ý nghĩa các bit trong 2 byte STW1 và STW2

26

Bảng 2.6

Ý nghĩa các bit trong 2 byte ZSW1 và ZSW2

27

Bảng 3.1

Chức năng các chân của MAX485

35

Bảng 3.2

Bảng trạng thái điều khiển truyền tin của MAX485

36

Bảng 3.3

Bảng trạng thái điều khiển nhận tin của MAX485

37

Bảng 3.4

Chức năng các chân của LCD

38

DANH MỤC HÌNH VẼ


Số hình

Tên hình

Trang
2

Hình 1.1

Mô hình phân cấp chức năng mạng công nghiệp

Hình 1.2

Truyền bit song song và truyền bit nối tiếp

5

Hình 1.3

Các chế độ truyền tải

6

Hình 1.4

Cấu trúc bus

8

Hình 1.5

Cấu trúc mạch vòng tích cực

9

Hình 1.6

Cấu trúc hình sao

9

Hình 1.7

Mô hình OSI

11

Hình 1.8

Các phương pháp truy nhập bus

13

Hình 1.9

Truyền dẫn chênh lệch không đối xứng và đối xứng

14

Hình 1.10 Sơ đồ chân của giắc cắm RS232 loại DB - 9
Các đầu nối điều khiển và các chân của đầu nối DB-9
Hình 2.1
ở bảng điều khiển phía trước cho giao diện RS485

14
20

Hình 2.2

Điện trở mạng cơ sở

21

Hình 2.3

Cấu trúc của bức điện

21

Hình 2.4

Khung truyền của một ký tự

23

Hình 2.5

Cấu trúc bức điện trạm chủ gửi xuống trạm tớ

24

Hình 2.6

Cấu trúc bức điện trạm tớ gửi về trạm chủ

24

Hình 2.7

Cấu trúc của ADR

24

Hình 2.8

Cấu trúc của PKE

25

Hình 3.1

Sơ đồ chân của ATMEGA16L

31

Hình 3.2

Mạch điện tối thiểu của ATmega16L

32

Hình 3.3

Sơ đồ các chân của MAX232

33

Hình 3.5

Sơ đồ nguyên lý MAX232

33

Hình 3.6

Sơ đồ ghép nối ATmega16L với RS232

35

Hình 3.7

Sơ đồ chi tiết của MAX485

36

Hình 3.8

Sơ đồ nguyên lý của IC 74LS257

37

Hình 3.9

Màn hình LCD 16×2

38

Hình 3.10 Ghép nối vi điều khiển với LCD

40

Hình 3.11 Khối nguồn của card truyền thông

40


Hình 3.12 Sơ đồ nguyên lý card truyền thông

41

Hình 3.13 Sơ đồ mạch in lớp TOP

42

Hình 3.14 Sơ đồ mạch in lớp BOTTOM

42

Hình 3.15 Bàn thí nghiệm mạng truyền thông

43

Hình 3.16 Biến tần MicroMaster Vecter

43

Hình 3.17 Biến tần MicroMaster ECO

43

Hình 3.18 Mặt trước của card truyền thông

44

Hình 3.19 Mặt sau của card truyền thông

44

Hình 3.20 Lưu đồ thuật toán trong hàm ngắt nhận dữ liệu

45

Hình 3.21 Lưu đồ thuật toán điều khiển biến tần

46

Hình 3.22 Form giới thiệu

47

Hình 3.23 Form giao diện điều khiển và giám sát

47

Hình 3.24 Form xây dựng bản tin truyền thông

48

Hình 3.25 Form cài đặt thông số cho biến tần

48


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Hiện nay công nghệ bus trường đã trở thành lĩnh vực kỹ thuật rất phát
triển. Mạng truyền thông gần như có mặt ở tất cả các nhà máy, xí nghiệp công
nghiệp dưới nhiều dạng, quy mô khác nhau nhất là trong lĩnh vực điều khiển
và tự động hoá. Khi xây dựng một giải pháp tự động hoá, vấn đề đầu tiên
được đưa ra đó là chọn hệ thống mạng truyền thông nào để phù hợp với nhu
cầu và nhiệm vụ của từng ứng dụng cụ thể. Do đó việc tìm hiểu, nghiên cứu về
lĩnh vực mạng truyền thông công nghiệp đã và đang trở thành một vấn đề hết
sức cấp thiết.
2. Mục đích của đề tài
Đề tài “ Xây dựng đoạn mạng truyền thông công nghiệp sử dụng giao
thức USS” để điều khiển và giám sát hệ thống các biến tần thuộc dòng
MicroMaster của hãng Siemen.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của đề tài là dòng biến tần MicroMaster Vecter
và MicroMaster ECO trong phòng thí nghiệm của bộ môn Điện tự động công
nghiệp. Trong đề tài em thực hiện việc sử dụng giao thức USS để điều khiển và
giám sát hoạt động của các biến tần thông qua máy tính và vi điều khiển.
4. Phương pháp nghiên cứu khoa học
Trước tiên, em nghiên cứu lý thuyết về giao thức USS của dòng biến tần
MicroMaster để hiểu về cấu trúc bức điện, sau đó xây dựng và tổng hợp các
bức điện để có thể điều khiển biến tần thông qua giao thức này. Sau đó, em
tiến hành thiết kế card truyền thông và xây dựng phần mềm điều khiển.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Việc xây dựng mạng truyền thông công nghiệp giữa các biến tần giúp
việc điều khiển, giám sát hoạt động của biến tần được thuận lợi hơn. Ngoài ra
còn có thể phát triển thêm để phối hợp hoạt động của các biến tần trong cùng
6


một mạng để giải quyết các bài toán công nghệ phức tạp trong thực tế.

7


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MẠNG TRUYỀN THÔNG
CÔNG NGHIỆP
1.1. Mạng truyền thông công nghiệp là gì ?
Hiện nay mạng truyền thông công nghiệp là khái niệm chung đưa ra để
chỉ các hệ thống mạng truyền thông số, truyền bit nối tiếp, được sử dụng để
ghép nối các thiết bị công nghiệp. Các mạng truyền thông công nghiệp ngày
nay mở ra khả năng liên kết mạng ở nhiều mức khác nhau từ các cảm biến,
các cơ cấu chấp hành ở cấp trường cho đến các máy tính điều khiển và các
máy tính cấp điều hành xí nghiệp và quản lý công ty.
Đặc điểm của mạng truyền thông công nghiệp rất đơn giản, sử dụng ít
dây dẫn vì thế chi phí cho việc lắp đặt và giá thành đầu tư rẻ. Mạng truyền
thông công nghiệp có cấu hình linh hoạt, dễ lắp đặt, có khả năng nâng cao độ
chính xác và tăng tính tin cậy. Vì lý do đó mà mạng truyền thông công nghiệp
phù hợp với các nhà máy hiện đại như: hoá dầu, thực phẩm, điện, luyện kim,…
1.2. Vai trò của mạng truyền thông công nghiệp
Trong thời đại phát triển như vũ bão của khoa học kỹ thuật, nước ta
đang trong giai đoạn hội nhập kinh tế quốc tế thì các giải pháp tự động hoá,
nâng cao trình độ khoa học công nghệ luôn là vấn đề mang tính thời sự. Việc
ghép nối thiết bị, truyền và nhận thông tin giữa chúng là một trong những

vấn đề cơ bản của bất kỳ một hệ thống tự động hoá nào. Việc sử dụng mạng
truyền thông công nghiệp đã đem lại nhiều lợi ích như:
+ Đơn giản hóa sự liên kết giữa các thiết bị, một số lượng lớn các thiết
bị thuộc các chủng loại khác nhau có thể ghép nối với nhau thông qua một
đường truyền duy nhất.
+ Tiết kiệm cáp nối và dễ dàng trong việc thiết kế, lắp đặt hệ thống, nhờ
có cấu trúc đơn giản mà việc thiết kế hệ thống trở nên dễ dàng hơn rất nhiều.
+ Nâng cao tính tin cậy, tính chính xác của thông tin, nhờ kỹ thuật
truyền thông số mà thông tin truyền đi ít bị sai lệch, đồng thời các thiết bị nối
8


mạng còn có thêm khả năng tự phát hiện lỗi và chuẩn đoán lỗi nếu có.
+ Nâng cao độ linh hoạt và tính mở của hệ thống, một hệ thống mạng
theo chuẩn quốc tế sẽ tạo điều kiện cho việc sử dụng các thiết bị của nhiều
hãng khác nhau. Việc thay thế thiết bị, nâng cấp và mở rộng phạm vi chức
năng của hệ thống cũng sẽ dễ dàng hơn rất nhiều.
+ Đơn giản hoá trong việc tham số hoá, chuẩn đoán và xác định vị trí
xảy ra lỗi trong các thiết bị. Với một đường truyền duy nhất, các thiết bị
không những 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 chẩn đoán.
+ Mạng truyền thông công nghiệp được sử dụng mở ra nhiều khả năng
ứng dụng mới của hệ thống. Sử dụng mạng truyền thông công nghiệp cho
phép áp dụng các kiến trúc điều khiển mới như điều khiển phân tán, điều
khiển giám sát và chuẩn đoán lỗi qua mạng Internet.
1.3. Phân loại và đặc trưng của các hệ thống mạng trong công nghiệp
Để phân loại và phân tích các đặc trưng của các hệ thống mạng truyền
thông công nghiệp ta căn cứ vào thứ tự phân cấp như sau:
Quản lý công ty
Mạng công ty

Điều hành sản xuất
Mạng xí nghiệp
Điều khiển giám sát
Điều khiển
Chấp hành

Bus hệ thống, Bus quá
trình Bus điều khiển
Bus trường, Bus thiết bị
Bus cảm biến/chấp hành

Hình 1.1. Mô hình phân cấp chức năng mạng công nghiệp
Ta thấy càng ở các cấp dưới thì chức năng càng mang tính chất cơ bản
hơn, tính tác động nhanh và thời gian phản ứng cũng cao hơn. Các cấp trên
9


không nhất thiết phải có thời gian phản ứng nhanh như ở cấp dưới nhưng
lưu lượng dữ liệu cần truyền thông và xử lý lại nhiều hơn rất nhiều.
Tương ứng với năm cấp chức năng là bốn cấp của hệ thống truyền
thông. Từ mô hình trên ta thấy các cấp ở dưới cấp điều khiển giám sát thì
thuật ngữ “bus” thường được dùng thay cho “mạng” vì phần lớn các hệ thống
mạng phía dưới đều có cấu trúc vật lý hoặc logic kiểu bus.
Bus trường (Fieldbus): là một khái niệm dùng trong 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 nhiều cấp điều khiển với nhau và với các thiết bị ở
cấp chấp hành, các thiết bị trường hay cảm biến hoặc các bộ vào ra phân tán.
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.
Đặc điểm của bus trường:

+ Có tính thời gian thực rất cao.
+ Thường điều khiển theo chu kỳ vòng kín..
+ Dữ liệu trao đổi và lượng thông tin trong một bức điện thường chỉ
hạn chế trong khoảng một vài byte.
+ Tốc độ truyền thông thấp (dưới 1Mb/s).
+ Việc trao đổi thông tin về các biến quá trình chủ yếu mang tính chất
định kỳ, tuần hoàn.
Bus hệ thống (System bus): các hệ thống mạng công nghiệp dùng để
kết nối các giữa các máy tính điều khiển và các máy tính ở cấp điều khiển
giám sát được gọi là bus hệ thống. Các trạm kỹ thuật, trạm vận hành và các
trạm chủ cũng trao đổi thông tin qua bus hệ thống này. Đặc điểm của bus hệ
thống:
+ Tốc độ truyền thông tương đối nhanh (khoảng vài Mbit/s).
+ Tính thời gian thực trung bình.
+ Điều khiển theo chu trình (vòng đáp ứng cỡ vài chục ms).
10


+ Các trạm điều khiển giám sát có sự liên hệ theo hàng ngang (thường
các cụm điều khiển sẽ giám sát một phần công việc).
+ Các trạm điều khiển giám sát thường điều khiển một vài trạm điều
khiển ở cấp dưới, nó có thể có thêm chức năng tạo lập cấu hình.
+ Trong một số trường hợp ta có thể ghép bus trường và bus hệ thống
làm một nhằm mục đích giảm giá thành và tối ưu hoá hệ thống.
Mạng xí nghiệp: mạng xí nghiệp là một mạng LAN, nó thường là một
mạng máy tính nhỏ ghép một vào máy tính chủ hoặc một bộ điều khiển có quy
mô xí nghiệp. Thông tin đưa trên mạng bao gồm trạng thái làm việc, các số
liệu tính toán, thống kê về diễn biến quá trình sản xuất và chất lượng sản
phẩm. Đặc điểm của mạng xí nghiệp là:
+ Tính thời gian thực thấp.

+ Sử dụng mạng máy tính nên yêu cầu về độ an toàn và chống nhiễu
đường truyền là thấp hơn.
+ Mỗi phiên truyền thông sẽ truyền từ hàng chục đến hàng trăm bit.
Mạng công ty: là mạng dùng để kết nối các máy tính ở văn phòng của
các công ty, nó cung cấp các dịch vụ trao đổi thông tin nội bộ với các khách
hàng, ghép nối giữa các cấp quản lý với các xí nghiệp và các cụm công nghệ.
Đặc điểm của mạng công ty gần giống mạng viễn thông hay một mạng máy
tính trên diện rộng, nó có thể ghép nối với các máy in và máy tính phòng ban.
Dạng mạng sẽ là mạng máy tính, mạng internet. Đặc điểm của mạng công ty:
+ Thường sử dụng mạng Ethernet, Fast Ethernet.
+ Tốc độ truyền cao đạt hàng trăm Mb/s.
+ Không mang tính năng thời gian thực.
+ Khối lượng dữ liệu được truyền lớn.
+ Trong hệ thống hạ tầng cơ sở của một công ty thì mạng công ty như
một đường cao tốc truyền thông vì vậy đòi hỏi độ an toàn và độ tin cậy đặc
biệt cao.
11


1.4. Chế độ truyền tải
Chế độ truyền tải là cách mà các bit dữ liệu được trao đổi giữa các đối
tác truyền thông với nhau. Dựa trên các đặc điểm cụ thể người ta chia ra các
chế độ truyền tải như sau:
+ Chế độ truyền bit song song và truyền bit nối tiếp.
+ Chế độ truyền đồng bộ và không đồng bộ.
+ Chế độ truyền một chiều và truyền hai chiều.
+ Chế độ truyền tải dải cơ sở, dải mang và dải rộng.
1.4.1. Truyền bit song song và truyền bit nối tiếp
Truyền bit song song: là phương pháp được dùng phổ biến trong các
bus nội bộ của máy tính như bus địa chỉ, bus dữ liệu và bus điều khiển. Tốc độ

truyền tải phụ thuộc vào số các đường dẫn hay độ rộng của một bus song
song. Việc truyền và nhận bit được thực hiện đồng thời vì vậy việc đồng bộ
hoá tại nơi phát và nơi nhận phải được giải quyết, điều này gặp trở ngại khi
khoảng cách giữa các đối tác truyền thông lớn. Do đó mà phạm vi ứng dụng
của truyền bit song song chỉ hạn chế trong khoảng cách nhỏ, nơi có yêu cầu
rất cao về thời gian và tốc độ truyền.

Hình 1.2. Truyền bit song song và truyền bit nối tiếp
Truyền bit nối tiếp: là phương pháp mà các bit được truyền đi một
cách tuần tự trên một đường truyền duy nhất. Phương pháp này có đặc điểm
là tốc độ truyền thấp nhưng cách thực hiện và độ tin cậy của dữ liệu lại rất

12


cao, phạm vi ứng dụng của phương pháp này rất lớn trong tất cả các mạng
truyền thông công nghiệp hiện nay.
1.4.2. Truyền đồng bộ và không đồng bộ
Truyền đồng bộ: là chế độ truyền tải mà ở đó các đối tác truyền thông
thực hiện theo cùng một nhịp, hay có cùng một tần số và độ lệch pha. Ta quy
ước một trạm có nhiệm vụ tạo xung nhịp và sử dụng một đường dây riêng để
phát xung nhịp đồng bộ tới các mạng khác.
Truyền không đồng bộ: là chế độ truyền tải mà bên gửi và bên nhận
không làm việc theo một nhịp chung. Dữ liệu trao đổi được chia thành từng
nhóm khoảng 7 hoặc 8 bit gọi là ký tự. Các ký tự được chuyển đi vào các thời
điểm khác nhau do đó cần phải có thêm hai bit để đánh dấu khởi đầu và kết
thúc cho mỗi ký tự truyền và nhận.
1.4.3. Truyền một chiều và truyền hai chiều
Thông thường một đường truyền chỉ có thể làm việc ở một trong các
chế độ một chiều, hai chiều gián đoạn hoặc hai chiều toàn phần.

Hình 1.3. Chế độ truyền một chiều, hai chiều gián đoạn, hai chiều toàn phần
Truyền một chiều (Simplex): hay còn gọi là truyền đơn công, ở chế
độ này thông tin chỉ được truyền đi theo một chiều, một trạm chỉ có thể đóng
vai trò là bên truyền hoặc bên nhận (ví dụ giao tiếp giữa chuột hoặc bàn phím
với máy tính).
Truyền hai chiều: được chia thành truyền song công (Duplex) và
13


truyền bán song công (Half – Duplex). Trong chế độ truyền song công, mỗi
trạm có thể truyền và nhận thông tin đồng thời. Chế độ này yêu cầu phải có
hai đường dây độc lập, nó chỉ thích hợp với dạng liên kết điểm - điểm, hay phù
hợp với cấu trúc mạch vòng và cấu trúc hình sao. Chế độ truyền hai chiều cho
phép các trạm có thể gửi hoặc nhận thông tin nhưng không đồng thời. Ưu
điểm của chế độ này là tốc độ truyền có thể cao mà không cần hệ thống có cấu
hình phức tạp. Với đặc điểm này, chế độ truyền hai chiều gián đoạn phù hợp
với dạng liên kết điểm - nhiều điểm hay cấu trúc bus và được dùng rộng rãi
trong mạng công nghiệp.
1.4.4. Truyền tải dải cơ sở, dải mang và dải rộng
Truyền tải dải cơ sở: là chế độ truyền tải mà tín hiệu truyền đi nằm
trong một dải tần tương đối hẹp nào đó được gọi là dải cơ sở. Tại mỗi thời
điểm chỉ có một kênh thông tin duy nhất được truyền do vậy tốc độ truyền bị
hạn chế. Tuy nhiên phương pháp này rất đơn giản, tin cậy và được sử dụng
chủ yếu trong các mạng truyền thông công nghiệp hiện nay.
Truyền tải dải mang: chế độ truyền tải này không thích hợp trong một
số trường hợp do bị gây nhiễu hoặc gây nhiễu cho thiết bị khác. Tín hiệu cần
truyền tải sẽ được điều chế theo tần số, biên độ hoặc pha của một tín hiệu
khác có tần số lớn hơn rất nhiều gọi là sóng mang. Khi đó bên nhận muốn
phục hồi thông tin gốc đã được điều chế cần thực hiện việc giải điều chế.

Truyền tải dải rộng: để tăng hiệu suất truyền thông người ta kết hợp
các tín hiệu cần truyền có tần số khác nhau theo một cách thức nhất định sau
đó đưa vào điều chế thành một tín hiệu khác có dải tần rộng rồi truyền đi. Ưu
điểm của phương pháp truyền tải này là tốc độ cao và có khả năng truyền
song song nhiều nguồn thông tin. Tuy nhiên vì đặc điểm phạm vi mạng, giá
thành thực hiện, tính năng thời gian thực nên truyền tải dải rộng hầu như
không mấy có ý nghĩa trong các hệ thống truyền thông công nghiệp.
1.5. Cấu trúc mạng
14


1.5.1. Cấu trúc bus
Trong cấu trúc này, tất cả các thành viên của trạm đều được nối trực
tiếp với đường dây dẫn chung. Đặc điểm cơ bản nhất của cấu trúc bus là sử
dụng chung một đường dẫn duy nhất cho tất cả các trạm. Các cấu trúc dạng
bus bao gồm Daisy-Chain, Trunk-line/Drop-line và mạch vòng không tích cực.
Daisy-chain: với cấu trúc này mỗi trạm sẽ được kết nối mạng trực tiếp
tại giao của 2 đoạn dây dẫn mà không qua đường dây dẫn phụ nên ưu điểm là
rất đơn giản. Nhược điểm của phương pháp này là khoảng cách vào ra tương
đối dài làm cho khoảng cách truyền thông tăng, tốn dây và thời gian truyền
thông lớn.
Trunk-line/drop-line: mỗi trạm được nối qua một nhánh (drop-line)
để đến đường trục (trunk-line). Phương pháp này hay được sử dụng, đường
dây ngắn. Nhược điểm là đấu nối phức tạp, khoảng cách giữa trục chính và
trục phụ là (0,5 ÷ 1) mét.

Hình 1.4. Cấu trúc bus
Mạch vòng không tích cực: trong phương pháp này đường bus chung
được nối thành một vòng kín nên đơn giản, dễ lắp đặt và tiết kiệm dây dẫn.
15

Việc thêm hoặc bớt trạm là khá đơn giản. Trường hợp có một trạm hỏng thì
không ảnh hưởng đến các trạm khác mà hệ thống vẫn hoạt động bình
thường.
1.5.2. Cấu trúc mạch vòng tích cực
Cấu trúc mạch vòng tích cực 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. Khác với cấu trúc đường thẳng, trong mạch vòng tích cực tín
hiệu được truyền đi theo một chiều nhất định. Mạch vòng tích cực có hai dạng
chính là không có điều khiển trung tâm và có điều khiển trung tâm.
Với dạng không có điều khiển trung tâm thì các trạm đều bình đẳng
trong việc truyền và nhận thông tin, việc kiểm soát quá trình truyền tin sẽ do
các trạm tự phân chia. Với dạng có điều khiển trung tâm thì việc điều khiển
truyền thông sẽ do trạm trung tâm đảm nhiệm, tuy nhiên các trạm vẫn tham
gia vào quá trình kiểm soát dòng thông tin.

Hình 1.5. Cấu trúc mạch vòng tích cực
1.5.3. Cấu trúc hình sao
Cấu trúc sao là cấu trúc mà trong đó có một trạm trung tâm có vai trò
quan trọng hơn các trạm khác, trạm này sẽ điều khiển hoạt động truyền
thông của toàn mạng, các thành viên của mạng sẽ được kết nối gián tiếp với
nhau thông qua trạm trung tâm. Cấu trúc trạm trung tâm có hai dạng:
+ Dạng 1: trạm trung tâm đóng vai trò một bộ chuyển mạch tốc độ cao.

16


+ Dạng 2: trạm trung tâm đóng vai trò tích cực kiểm soát toàn bộ hoạt
động truyền thông trên toàn mạng.

Hình 1.6. Cấu trúc hình sao
Ưu, nhược điểm:
+ Trạm trung tâm đóng vai trò rất quan trọng nên việc hỏng hóc ở trạm
trung tâm sẽ làm cho toàn mạng ngừng hoạt động. Do vậy trạm trung tâm
phải được thiết kế với tốc độ xử lý thông tin và độ tin cậy rất cao.
+ Nếu khoảng cách trung bình giữa các trạm nhỏ hơn khoảng cách từ
chúng tới trạm trung tâm thì cấu trúc hình sao sẽ rất tốn dây dẫn.
+ Mạng có cấu trúc hình sao chỉ phù hợp với cấu trúc vừa và nhỏ,
thường được sử dụng cho mục đích mở rộng đoạn mạng.
+ Trong một số trường hợp cấu trúc này tương tự cấu trúc bus.
1.6. Kiến trúc giao thức
1.6.1. Dịch vụ truyền thông và giao thức
Đối với mỗi hệ thống truyền thông, kiến trúc giao thức là nền tảng để
việc tìm hiểu các dịch vụ cũng như các hình thức giao tiếp trong hệ thống.
Một hệ thống truyền thông sẽ cung cấp dịch vụ truyền thông cho các
thành viên tham gia trong hệ thống mạng. Các dịch vụ đó dùng để thực hiện
các trao đổi dữ liệu, báo cáo trạng thái, tạo lập cấu hình và tham số hoá thiết
bị trường, giám sát thiết bị và cài đặt chương trình. Mỗi hệ thống truyền
thông có thể quy ước các chuẩn riêng về tập hợp các dịch vụ truyền thông.
Trong thực tế, các dịch vụ truyền thông thường được chia thành các cấp khác
nhau. Các dịch vụ ở cấp thấp sẽ được dịch vụ ở cấp cao hơn sử dụng để thực
hiện chức năng của mình. Sự phân cấp dịch vụ sẽ tạo sự linh hoạt và dễ dàng

17


cho người sử dụng. Các dịch vụ được xây dựng dựa trên các nguyên hàm dịch
vụ bao gồm:
+ Yêu cầu (request) dịch vụ.

+ Chỉ thị (indication) nhận lời phục vụ.
+ Đáp ứng (response) dịch vụ.
+ Xác nhận (confirmation) đã được đáp ứng.
Giao thức là các quy tắc, thủ tục phải tuân theo trong việc giao tiếp
giữa bên cung cấp dịch vụ và bên sử dụng dịch vụ, hay đây chính là ngôn ngữ
chung cho các đối tác tham gia truyền thông. Giao thức cấp cao gần với người
sử dụng thường thực hiện bằng phần mềm. Giao thức cấp thấp gần với phần
cứng thường được thực hiện trực tiếp bởi các mạch điện tử. Một chuẩn giao
thức bao gồm các thành phần:
+ Cú pháp (syntax): là quy ước về cấu trúc bức điện, gói dữ liệu dùng
khi trao đổi, bao gồm các thông tin như địa chỉ, thông tin điều khiển, kiểm
soát lỗi.
+ Ngữ nghĩa (semantic): là ý nghĩa của các phần trong một bức điện
(như cách gán địa chỉ, bảo toàn dữ liệu và xử lý lỗi).
+ Định thời (timing): là quy ước về thứ tự và thủ tục giao tiếp, chế độ và
tốc độ truyền thông.
1.6.2. Kiến trúc giao thức OSI
Vào năm 1983, tổ chức chuẩn hoá quốc tế ISO đã đưa ra mô hình quy
chiếu OSI (Open System Interconnection - Reference Model) để dễ dàng trong
việc xây dựng các mạng truyền thông có khả năng tương tác.
OSI chỉ là một chuẩn kết nối hệ thống mở, nó cho phép các hệ thống do
các nhà sản xuất khác nhau có thể được phép nối với nhau thông qua các giao
diện chuẩn. Ngoài ra nó cũng cho phép phần mềm và phần cứng kết hợp hài
hoà và đa dạng trên các hệ thống khác nhau.

18


Hình 1.7. Mô hình OSI
Theo đó chức năng hay dịch vụ của một hệ thống truyền thông gồm 7

lớp, bao gồm:
+ Lớp ứng dụng.
+ Lớp biểu diễn dữ liệu.
+ Lớp kiểm soát nối.
+ Lớp vận chuyển.
+ Lớp mạng.
+ Lớp liên kết dữ liệu.
+ Lớp vật lý.

19


Mỗi lớp dịch vụ tương ứng với một lớp giao thức, các lớp có thể được
đảm nhiệm bởi phần cứng hoặc phần mềm. Dữ liệu được chuyển giao từ lớp
phía trên của bộ truyền (bên gửi) tới lớp đáy sau đó lại chuyển từ lớp đáy lên
lớp phía trên ở nơi nhận. Tuy nhiên, mỗi lớp trên của bên gửi lại truyền thông
trực tiếp với lớp tương ứng ở bên nhận, quá trình này tạo ra một luồng dữ
liệu ảo giữa các lớp.
1.7. Truy nhập bus
Các hệ thống có cấu trúc dạng bus đóng vai trò quan trọng nhất trong
các hệ thống mạng truyền thông công nghiệp. Cấu trúc dạng bus có một số ưu
nhược điểm sau đây:
+ Ưu điểm: dễ dàng lắp đặt, bảo trì bảo dưỡng, chi phí thấp, linh hoạt
dễ thêm bớt thiết bị, thích hợp với phạm vi vừa và nhỏ.
+ Nhược điểm: có nhiều thiết bị cùng nối chung vào một đường truyền
nên tại cùng một thời điểm chỉ có một đối tượng được truyền tin, do đó cần có
cơ chế phân chia thời gian truy nhập sao cho hợp lý nhất.
Yêu cầu của phương pháp truy nhập bus bao gồm:
+ Độ tin cậy của hệ thống phản ánh khả năng làm việc của hệ thống
trong suốt thời gian hoạt động, nó được thể hiện qua việc khắc phục khi trạm

có sự cố.
+ Tính năng thời gian thực là khả năng đáp ứng nhu cầu trao đổi thông
tin kịp thời và tin cậy.
+ Chu kỳ bus là thời gian tối thiểu mà sau đó các hoạt động truyền
thông được lặp lại như cũ. Trong hệ thống điều khiển thì đa số các hoạt động
truyền thông làm việc theo chu kỳ, các dữ liệu thường được trao đổi định kỳ
theo chu kỳ tuần hoàn của bus.
+ Hiệu suất sử dụng đường truyền là phần trăm thời gian đường truyền
được sử dụng thực sự hiệu quả vào việc truyền tải dữ liệu, nó phụ thuộc vào
mật độ lưu thông và phương pháp truy nhập bus.
20


Ta có các phương pháp truy nhập bus:

Hình 1.8. Các phương pháp truy nhập bus
Trong đó phương pháp truy nhập tiền định gồm:
+ Kiểm soát tập trung: Master/Slave.
+ Kiểm soát phân tán: Token Passing.
Phương pháp truy nhập ngẫu nhiên bao gồm:
+ Tránh xung đột: CSMA/CA.
+ Nhận biết xung đột: CSMA/CD.
1.8. Các phương thức truyền dẫn tín hiệu
1.8.1. Phương thức truyền dẫn tín hiệu
Để truyền dẫn thông tin giữa hai đối tác cần quy định rõ các chuẩn về
điện học, vật lý và tín hiệu, các chuẩn này được gọi chung là chuẩn truyền
dẫn. Để truyền dẫn thông tin ta cần phải kết nối một bộ phát ở trạm truyền
tin và một bộ thu ở trạm nhận tin. Có hai phương thức truyền dẫn cơ bản là
truyền chênh lệch đối xứng và truyền chênh lệch không đối xứng.

21


Hình 1.9. Truyền dẫn chênh lệch không đối xứng và đối xứng
Truyền chênh lệch đối xứng: là phương pháp sử dụng sự chênh lệch
điện áp giữa hai dây dẫn để biểu diễn trạng thái logic, nó không phụ thuộc
vào đất và trong điều kiện làm việc bình thường thì hai dây dẫn sẽ có sự cân
bằng tương đối so với đất.
Truyền chênh lệch không đối xứng: là phương pháp truyền dẫn sử
dụng điện áp của một dây dẫn so với đất để thể hiện trạng thái logic của tín
hiệu số .
1.8.2. Phương pháp truyền dẫn không đối xứng theo chuẩn RS232
Chuẩn RS232 là một trong các kỹ thuật truyền dẫn được sử dụng rộng
rãi nhất để ghép nối các thiết bị ngoại vi với máy tính. Chuẩn RS232 sử dụng
phương pháp truyền thông theo kiểu nối tiếp, theo đó ở một thời điểm chỉ có 1
bit được gửi đi dọc theo một đường dẫn. Giao diện cơ học của giắc cắm 9
chân:

22


Hình 1.10. Sơ đồ chân của giắc cắm RS232 loại DB – 9
Chuẩn RS232 quy định cụ thể điện áp cực tiểu và cực đại của các mức
logic “0” và “1”. Mức điện áp được sử dụng dao động trong khoảng từ -15V
đến +15V. Từ 3V đến 15V tương ứng với giá trị logic 0, từ -15V đến -3V tương
ứng với giá trị logic 1. Từ -3V đến +3V là dải không xác định, khi thay đổi giá
trị logic từ 0 lên 1 hoặc từ 1 xuống 0 thì tín hiệu phải vượt qua khoảng quá độ
đó trong một thời gian ngắn hợp lý. Chế độ làm việc của RS232 là hai chiều
toàn phần, hay hai thiết bị tham gia có thể cùng thu và phát tín hiệu một lúc.
Bảng 1.1. Chức năng các chân của cổng RS232 kiểu 9 chân

Chân
1
2
3
4
5
6
7
8

Tên
Data carrier
Detect
Receive Data
Nhận dữ liệu
Transmit Data
Truyền dữ liệu
Data Terminal
Readly Đầu cuối
dữ liệu sẵn sàng
Signal Ground
Tín hiệu đất
Data Set Readly
Dữ liệu sẵn sàng
Request to Send
Yêu cầu gửi
Clear to Send

Viết
tắt

DCD
RxD
TxD
DTR
GND
DSR
RTS
CTS

Chức năng: Lối vào, lối ra
Phát hiện tín hiệu mang dữ liệu
Dữ liệu gửi từ thiết bị về máy tính
Dữ liệu truyền từ máy tính đến thiết
bị
Kích hoạt khi muốn truyền dữ liệu
Tất cả các tín hiệu được so sánh với
đất
Kích hoạt khi sẵn sàng nhận dữ liệu
Kích hoạt khi sẵn sàng tham gia
truyền dữ liệu
Kích hoạt khi sẵn sàng nhận dữ liệu
23


Xoá để gửi
Ring Indicate
Báo chuông

9

RI

Báo đang nhận dữ liệu

Bảng 1.2. Các thông số về mặt điện của chuẩn RS232
Thông số
Điện áp đầu ra hở mạch
Điện áp đầu ra khi có tải
Trở kháng đầu ra khi ngắt nguồn
Dòng ra ngắn mạch
Điện dung tải
Trở kháng đầu vào
Ngưỡng cho giá trị logic 0
Ngưỡng cho giá trị logic 1

Điều kiện

Tối thiểu

3kΩ ≤ RL ≤ 7kΩ
-2V ≤ VO ≤ 2V

5V

3V ≤ VO ≤ 25V

3kΩ

Tối đa
25V

15V
300Ω
500mA
2500p
F
7kΩ
3V

-3V

1.8.3. Phương pháp truyền dẫn đối xứng theo chuẩn RS485
Khi sử dụng RS485 và kết nối đa điểm, nếu có một trạm chuyển sang
chế độ phát thì cần đảm bảo các trạm khác phải ở trạng thái thu hoặc trạng
thái trở kháng cao. Số trạm tham gia cho phép tối đa 32 tải đơn vị, một trạm
phát phải đủ công suất để cấp cho một trở đầu cuối (120Ω) với điện áp tối
thiểu ± 1,5V và dòng 25mA, cấp cho 32 tải đơn vị mỗi tải 1mA, phần còn lại để
dự trữ.
Bảng 1.3. Các thông số về mặt điện của chuẩn RS485
Thông số
Điện áp ra hở mạch
Điện áp đầu ra khi có tải
Dòng ra ngắn mạch
Thời gian quá độ đầu ra

Điều kiện
RLOAD = 54Ω
RLOAD = 54Ω
CLOAD = 54pF
RLOAD = 54Ω

Tối thiểu
±1,5V
±1,5V

Tối đa
± 6V
±5V
±250mA
30%TB*

Điện áp chế độ chung đầu ra
-1V
3V
VOC
Độ nhạy cảm đầu vào
-7V ≤ VCM ≤ 12V
±200mV
Điện áp chế độ chung
-7V
12V
Trở kháng đầu vào
12kΩ
CHƯƠNG 2. GIAO THỨC USS (Universal Serial Interface Protocol)
2.1. Khái quát chung về giao thức USS
24


Sự ra đời và phát triển của biến tần làm cho việc điều khiển động cơ
không đồng bộ ba pha dễ dàng hơn rất nhiều do vậy mà số lượng động cơ
không đồng bộ ba pha được sử dụng trong các hệ truyền động điện ngày càng

phổ biến. Hiện nay phòng thí nghiệm của bộ môn Điện tự động công nghiệp
được trang bị hai biến tần Micromaster Vecter và một biến tần Micromaster
ECO. Ta có thể điều khiển biến tần trực tiếp bằng việc cài đặt thông số trên
bảng điều khiển, ngoài ra biến tần còn có thể được điều khiển từ xa thông qua
giao diện nối tiếp RS485 sử dụng giao thức USS bằng cách ghép nối biến tần
với máy tính và thiết lập một giao thức chung cho hai thiết bị này. Phần sau
đây ta sẽ tìm hiểu kỹ hơn về giao thức USS được xây dựng bởi hãng Siemens,
đây là một giao thức truyền thông nối tiếp đơn giản, nó phù hợp với mục đích
và điều kiện truyền thông của các thiết bị điều khiển.
USS cung cấp phương tiện truyền thông nối tiếp cho hệ thống gồm một
trạm chủ và một vài trạm tớ. Các bộ điều khiển PLC hoặc PC có thể được sử
dụng một cách linh hoạt và thuận tiện trong truyền thông USS. Các thiết bị
hiển thị và thiết bị tự động hoá cũng có thể được sử dụng với giao thức USS
này. Nó đảm bảo sự an toàn và tin cậy trong truyền thông cả với những bức
điện có độ dài lớn. Giao thức USS có thể sử dụng cho hệ thống truyền thông
kiểu đa điểm (như phần cứng RS485) hoặc truyền thông kiểu điểm - điểm
(như giao diện EIA RS232).
Ưu điểm của giao thức USS:
+ Sử dụng phương pháp truy nhập bus Master/Slave.
+ Chỉ sử dụng một trạm chủ.
+ Sử dụng được tối đa 32 trạm trên một đoạn mạng (bao gồm 1 trạm
chủ và 31 trạm tớ).
+ Giao tiếp đơn giản, dễ thực hiện.
+ Phù hợp về hình dáng, dịch vụ và mục đích tự động hoá.
+ Bức điện có chiều dài cố định hoặc thay đổi tùy theo nhu cầu sử dụng.
25