Đồ án tốt nghiệp:Xây dựng hệ thống điều khiển và giám sát mức nước dùng PLC s7300,WinCC

MỤC LỤC

1


Lời nói đầu
Cùng với sự phát triển của xã hội, đời sống người dân ngày càng được nâng
cao, việc thay thế các hoạt động thủ công bằng các thiết bị tự động cũng được
người dân ứng dụng nhiều trong công nghiệp cũng như trong sinh hoạt.
Công nghệ tự động giám sát và điều khiển mức chất lỏng cũng được nhiều
công ty, xí nghiệp cũng như các nhà máy ứng dụng nhiều nhằm thay thế việc giám
sát và điều khiển mức chất lỏng bằng phương pháp thủ công, công nghệ tự động
giám sát mức chất lỏng đảm bảo việc kiểm soát, điều khiển lưu lượng chất lỏng sử
dụng, bơm, xả chất lỏng một cách tin cậy mà không cần sự kiểm tra trực tiếp của
con người. Công nghệ này được ứng dụng nhiều trong việc xứ lý nước thải, lọc hoá
dầu, nhà máy nước, nhà máy nhiệt điện, thuỷ điện, điện hạt nhân, các bể nước, tháp
nước tự động…
Từ những vấn đề trên đặt ra yêu cầu là dùng phương pháp nào để giám sát và
điều khiển mức chất lỏng một cách hợp lý nhất về chi phí, độ tin cậy, khả năng linh
hoạt, dễ vận hành và sử dụng nhất. Trong thực tế có nhiều phương pháp tự động
điều khiển mức chất lỏng, ở phần này em thực hiện đề tài “Xây dựng hệ thống
giám sát và điều khiển mức ”
Ngày nay, ai cũng biết rõ rằng công nghệ PLC đóng vai trò quan trọng trong
năng lượng cơ và làm bộ não cho các bộ phận cần tự động hoá và cơ giới hoá. Do
đó, điều khiển lập trình PLC rất cần thiết đối với các kỹ sư cơ khí cũng như các kỹ
sư điện, điện tử, từ đó giúp họ nắm được phạm vi ứng dụng rộng rãi và kiến thức về
PLC cũng như cách sử dụng thông thường.
Em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ nhiệt tình của thầy giáo Đỗ Duy Phú để
chúng em thực hiện tốt đồ án này. Tuy nhiên do kiến thức, kinh nghiệm chưa được
hoàn chỉnh nên còn có một số thiếu sót trong quá trình thực hiện đồ án, mong được
sự chỉ bảo, đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo và bạn đọc quan tâm đề tài này.

2


CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
1.1

Mục đích
Sau khi xác định được đối tượng, chủ thể nghiên cứu và giới hạn phạm vi

nghiên cứu, việc xác định mục tiêu sẽ là bước quan trọng kế tiếp nhằm định hướng
đúng đắn cho quy trình thực hiện đề tài. Mục tiêu cụ thể được thể hiện như sau:
•
•
•
•
•
•
•
•
1.2

Tìm hiểu phương pháp đo mức.
Tìm hiểu về PLC s7-300.
Tìm hiểu đầu vào, ra analog .
Tìm hiểu giao thức máy tính kết nối với PLC.
Thiết kế giao diện Wincc để đo và giám sát bồn nước.
Nghiên cứu PID điều khiển và ổn định mức nước.
Tìm hiểu về PWM điều khiển tốc độ động cơ.
Tìm hiểu các phương pháp và mạng truyền thông công nghiệp.

Phương pháp đo mức
Có nhiều phương pháp để đo mức chất lỏng trong thực tế, một số phương pháp

như: Phương pháp thuỷ tĩnh, phương pháp điện, phương pháp bức xạ… Trong từng
phương pháp cũng có nhiều nguyên lý đo khác nhau.
1.2.1 Cảm biến mức dùng phương pháp thuỷ tĩnh
• Cảm biến dùng phao nổi (Float Lever Meter)
Chỉ số cảm biến là hàm liên tục tỉ lệ với chiều cao của chất lưu trong bình
chứa, không phụ thuộc vào tỷ trọng và tính chất điện của chất lưu.
Phao nổi chuyển động lên xuống phụ thuộc vào mức chất lỏng trong bể chứa,
khi mức chất lỏng tăng thì phao nổi chuyển động lên, ngược lại khi mức chất lỏng
giảm thì phao nổi chuyển động xuống dưới.
Tuỳ vào các trường hợp sử dụng cụ thể mà sử dụng các loại phao nổi khác
nhau, cho các mục đích khác nhau.

3


a) Nguyên lý phao hình cầu

c) Nguyên lý phao dây

b) Nguyên lý dò

d) Hình ảnh cảm biến phao

nổi
Hình 1.1: Cảm biến sử dụng phao nổi
• Cảm biến dùng phao vị trí (Displacer Lever metter)

Trong bể chứa sử dụng 2 phao được nối với nhau, hoặc sử dụng một phao
nửa chìm nửa nổi để điều khiển công tắc điện

a)

b)

Hình 1.2: Nguyên lý (a) và cảm biến (b) dùng phao vị trí
4


• Cảm biến mức chênh áp (Differential Pressure Lever meter)
Một cảm biến chênh áp được đặt ở đáy bình chứa, cảm biến đóng vai trò là
vật trung gian, có một màng mỏng, một mặt chịu tác động của áp suất ở dưới đáy
bình, mặt kia chịu tác động của áp suất trên đỉnh bình, sự biến dạng của màng tỉ lệ
với chiều cao mức chất lỏng trong bình.

a)

b)
Hình 1.3: Nguyên lý (a) và cảm biến (b) mức vi sai áp suất
1.2.2 Cảm biến mức dùng phương pháp điện
• Cảm biến độ dẫn điện(Conductivity Probes)
Một điện cực được nối vào nguồn điện, hoặc 2 điện cựa bố trí sao cho khi
chất lỏng tiếp xúc với cả 2 điện cực thì có dòng điện chạy qua và khi chất lỏng tiếp
xúc với một trong hai điện cực thì không dẫn điện.(thực hiện chế độ on-off)
a)
b)
c)
Hình 1.4: Nguyên lý(a,b) và cảm biển mức(c) dùng độ dẫn điện

• Cảm biến mức điện dung(Capacitance probes)
Ở phương pháp này có thể sử dụng 2 tấm điện cực(đối với chất lỏng không
dẫn điện-chất lỏng đóng vai trò là chất điện môi), hoặc một điện cực có phủ lớp
cách điện bên ngoài đóng vai trò là chất điện môi và điện cực còn lại là chất lỏng.
Sự thay dòng điện qua tụ tỉ lệ với sự thay đổi mức chất lỏng trong bình.

5


a)

b)

c)
Hình 1.5: Nguyên lý(a,b) và cảm biến mức(c) điện dung
1.2.3 Cảm biến mức dùng phương pháp bức xạ: Sóng siêu âm, sóng viba,lazer
(ultrasonic, microwaves, laser)
Các loại cảm biến này sử dùng đo khoảng cách từ cảm biến đến bề mặt chất
lỏng, bộ phát và thu cùng nằm trên cảm biến, cảm biến đo khoảng cách (d) dựa trên
thời gian (t) từ khi cảm biến phát chùm tia đến khi đầu thu của cảm biến nhận được
chùm sóng phản xạ có vận tốc (v)

6


a)

b)

Hình 1.6: Nguyên lý (a) các cảm biến (b) dùng phương pháp bức xạ

• Phương pháp dùng sóng siêu âm

Hình 1.7: Phương pháp dùng sóng siêu âm
Đầu phát siêu âm (sensor) phát sóng có tần số 40 Khz . Sóng siêu âm khi gặp
bề mặt chất lỏng sẽ bị phản xạ trở lại. Sóng phản xạ được đầu thu thu. Như vậy nếu
xác định thời gian đi và về của sóng siêu âm thì ta sẽ xác định được khoảng cách từ
đầu thu-phát đến bề mặt chất lỏng trong bể.
7


Các phương pháp đo đã nêu trên đều được các nước trên thế giới sử dụng, mỗi
phương pháp đều có ưu và nhược điểm. Trong tất cả các phương pháp, phương
pháp dùng sóng siêu âm có có ưu điểm rất quan trọng so với các phương pháp khác
đó là: phương pháp khác phải được chế tạo đồng thời với việc chế tạo bề chứa vì
các kết cấu cơ khí phụ của thiết bị đo đòi hỏi như vậy. Trong khi đó phương pháp
dùng sóng siêu âm có thể chế tạo độc lập với việc chế tạo bể chứa. Một ưu điểm nữa
là sai số do sự thay đổi nhiệt độ của môi trường ở phương pháp này không đáng kể.
Chính vì vậy chúng em chọn phương pháp dùng sóng siêu âm để thực hiện đề tài.
1.3
Tìm hiểu về PLC S7-300
1.3.1 Khái quát chung về PLC S7-300
PLC là thiết bị điều khiển logic khả trình (Programmable Logic Control) là
loại thiết bị cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển số thông qua một
ngôn ngữ lập trình. PLC là một bộ điều khiển số nhỏ gọn, dễ thay đổi thuật toán và
đặc biệt dễ trao đổi thông tin với môi trường xung quanh ( với PLC khác hoặc với
máy tính). Toàn bộ chương trình điều khiển được lưu trong bộ nhớ của PLC dưới
dạng các khối chương trình ( Khối OB, FC hoặc FB) và được thực hiện theo chu kỳ
vòng quét.

Hình 1.8: Nguyên lí chung về cấu trúc của một bộ điều khiển logic khả

trình (PLC)
Để có thể thực hiện được một chươg trình điều khiển, tất nhiên PLC phải có
tính năng như một máy tính, nghĩa là phải có bộ vi xử lý (CPU), một hệ điều hành,
bộ nhớ để lưu chương trình điều khiển và tất nhiên phải có cổng vào/ ra để giao tiếp
8


được với đối tượng điều khiển và để trao đổi thông tin với môi trường xung quanh.
Bên cạnh đó, nhằm phục vụ bài toán điều khiển số, PLC cần phải có thêm các khối
chức năng đặc biệt khác như bộ đếm (Counter), bộ thời gian (Timer) và những khối
hàm chuyên dụng (hình 1.8).
1.3.2 Các module của PLC S7-300
Thông thường để tăng tính mềm dẻo trong ứng dụng thực tế mà ở đó phần lớn
các đối tượng điều khiển có số tín hiệu đầu vào/ra khác nhau mà các bộ điều khiển
PLC được thiết kế không được cứng hoá về cấu hình. Chúng được chia nhỏ thành
các module. Số các module được chia nhiều hay ít tuỳ theo từng bài toán, song tối
thiểu phải có một module chính là module CPU. Các module còn lại là các module
nhận/truyền tín hiệu với tín hiệu điều khiển, các module chức năng chuyên dụng
như các module PID, điều khiển động cơ....Chúng được gọi chung là modul mở
rộng. Tất cả các module được gá trên những thanh ray (Rack).

Hình 1.9: Cấu trúc một thanh Rack của PLC S7-300
•

Module CPU
Modul CPU là modul có chứa bộ vi xử lý, hệ điều hành, bộ nhớ, các bộ thời

gian, bộ đếm, cổng truyền thông (RS 485)... và có thể còn có một vài cổng vào/ra
số. Các cổng vào/ra số có trên modul CPU được gọi là cổng vào/ra onboard.
Trong họ PLC S7-300 có nhiều loại CPU khác nhau. Nói chung chúng được

đặt tên theo bộ vi xử lý có trong nó như modul 312, modul 314, modul 315...
Những modul cùng sử dụng một loại bộ vi xử lý, nhưng khác nhau về cổng
vào/ra onboard cũng như các khối hàm đặc biệt được tích hợp sẵn trong thư viện
của hệ điều hành phục vụ cho việc sử dụng các cổng vào/ra onboard này sẽ được
9


phân biệt với nhau trong tên gọi bằng thêm cụm chữ cái IFM (Intergrated Function
Module). Ví dụ modul 312 IFM, modul 314 IFM...
Ngoài ra còn có các loại modul CPU với hai cổng truyền thông, trong đó cổng
truyền thông thứ hai có chức năng chính là phục vụ việc nối mạng phân tán. Tất
nhiên kèm theo cổng truyền thông thứ hai này là những phần mềm tiện dụng thích
hợp cũng đã được cài sẵn trong hệ điều hành. Các loại CPU được phân biệt với
những modul CPU khác bằng thêm cụm từ DP (Distributed Port) trong tên gọi. Ví
dụ modul 315-DP, 315-2DP
• Module mở rộng
Module mở rộng được chia thành 5 loại chính :

Hình 1.10. Hình ảnh thực tế các module mở rộng của PLC S7-300
•

Module nguồn – PS ( Power supply)

-

Có chức năng cung cấp nguồn cho các module của hệ Simatic S7_300.
Module nguồn có 3 loại : 2A, 5A, 10A.
PS 307 2A, 5A, 10A dòng ra 2A,5A, 10A.
Điện áp ra: 24VDC, chống ngắn mạch.
Nối với hệ thống AC một pha (điện áp vào 120/230 VAC tần số 50/60

Hz).

•

Module tín hiệu SM (Signal module)
SM (Signal modul): modul mở rộng cổng tín hiện vào/ra bao gồm:
DI (digital input): modul mở rộng các cổng vào số. Số các cổng vào số mở

rộng có thể là 8, 16, hoặc 32 tuỳ theo từng loại module.
DO (digital output): modul mở rộng các cổng ra số. Số các cổng ra số mở rộng
có thể là 8, 16, hoặc 32 tuỳ theo từng loại modul

10


DI/DO (digital input/digital output): modul mở rộng các cổng vào/ra số. Số
các cổng vào/ra số mở rộng có thể là 8vào/8ra, 16vào/16 ra theo từng loại modul.
AI (analog input): Modul mở rộng các cổng vào tương tự. Về bản chất chúng
chính là các bộ chuyển đổi tương tự số12 bit (AD), tức là mỗi tín hiệu tương tự
được chuyển thành một tín hiệu số (nguyên) có độ dài 12 bit. Số các cổng vào tương
tự có thể là 2,4 hoặc 8 tuỳ từng loại modul.
AO (analog output): Modul mở rộng các cổng ra tương tự. Về bản chất chúng
chính là các bộ chuyển đổi số tương tự (DA). Số các cổng ra tương tự có thể là 2
hoặc 4 tuỳ từng loại modul.
AI/AO (analog input/analog output): Modul mở rộng các cổng vào/ra tương
tự. Số các cổng vào/ra tương tự có thể là 4 vào/2 ra hoặc 4vào/4 ra tuỳ từng loại
modul.
•

Module ghép nối IM (Interface module)

Modul ghép nối. đây là loại modul chuyên dụng có nhiệm vụ nối từng nhóm

các modul mở rộng lại với nhau thành một khối và được quản ly chung bởi modul
CPU. Thông thường các modul mở rộng được gá liền với nhau trên một thanh đỡ
gọi là rack. Trên mỗi một rack chỉ có thể gá được nhiều nhất 8 modul mở rộng
(không kể modul CPU, modul nguồn nuôi. Một modul CPU S7-300 có thể làm việc
trực tiếp được với nhiều nhất 4 Racks và các Racks này phải được nối với nhau
bằng modul IM
• Modul Analog
Module analog là một công cụ để xử lý các tín hiệu tương tự thông qua việc
xử lý các tín hiệu số
Analog input: Thực chất nó là một bộ biến đổi tương tự - số (A/D). Nó
chuyển tín hiệu tương tự ở đầu vào thành các con số ở đầu ra. Dùng để kết nối các
thiết bị đo với bộ điều khiển: chẳng hạn như đo nhiệt độ.
Analog output : Analog output cũng là một phần của module analog. Thực
chất nó là một bộ biến đổi số - tương tự (D/A). Nó chuyển tín hiệu số ở đầu vào
thành tín hiệu tương tự ở đầu ra. Dùng để điều khiển các thiết bị với dải đo tương
tự. Chẳng hạn như điều khiển Van mở với góc từ 0-100%, hay điều khiển tốc độ
biến tần 0-50Hz.

11


Thông thường đầu vào của các module analog là các tín hiệu điện áp hoặc
dòng điện. Trong khi đó các tín hiệu tương tự cần xử lý lại thường là các tín hiệu
không điện như nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, lưu lượng, khối lượng . . . Vì vậy người ta
cần phải có một thiết bị trung gian để chuyển các tín hiệu này về tín hiệu điện áp
hoặc tín hiệu dòng điện – thiết bị này được gọi là các đầu đo hay cảm biến.
Để tiện dụng và đơn giản các tín hiệu vào của module Analog Input và tín
hiệu ra của module Analog Output tuân theo chuẩn tín hiệu của công nghiệp.Có 2

loại chuẩn phổ biến là chuẩn điện áp và chuẩn dòng điện.
+ Điện áp : 0 – 10V, 0-5V,

±

5V…

+ Dòng điện : 4 – 20 mA, 0-20mA,

±

10mA.

Hình 1.11. Quá trình chuyển đổi ADC (analog to digital conveter)
1.3.3 Kiểu dữ liệu và phân chia bộ nhớ
• Kiểu dữ liệu
Một chương trình ứng dụng S7 – 300 có thể sử dụng các kiểu dữ liệu sau:
- BOOL: Với dung lượng 1 bit và có giá trị là 0 hoặc 1 ( đúng hoặc sai ). Đây

-

là kiểu dữ liệu cho biến hai trị.
BYTE: Gồm 8 bits, thường được dùng để biểu diễn một số nguyên dương
trong khoảng từ 0 đến 255 hoặc mã ASCII của một ký tự.
12


- WORD: Gồm 2 bytes để biểu diễn 1 số nguyên dương từ 0 đến 65535.
- INT: Cũng có dung lượng là 2 bytes, dùng để biểu diễn số nguyên trong
-

khoảng – 32768 đến 32767.
DINT: gồm 4 bytes, dùng để biểu diễn một số nguyên từ – 2147483648 đến

-

2147483647.
REAL: gồm 4 byte dùng để biểu diễn một số thực dấu phẩy động.
S5T (hay S5TIME): khoảng thời gian, được tính theo giờ/phút/giây/mini

giây.
- TOD: Biểu diễn giá trị thời gian tính theo giờ/phút/giây.
- DATE: Biểu diễn giá trị thời gian tính theo năm/tháng/ngày.
- CHAR: Biểu diễn một hoặc nhiều ký tự (nhiều nhất là 4 ký tự.
• Cấu trúc bộ nhớ của CPU
Bộ nhớ của S7–300 được chia làm 3 vùng chính:

- Vùng chứa chương trình ứng dụng
Vùng nhớ chương trình được chia thành 3 miền:
OB (Organisation Block ): Miền chứa chương trình tổ chức.
FC (Function): Miền chứa chương trình con được tổ chức thành hàm có biến
hình thức để trao đổi dữ liệu với chương trình đã gọi nó.
FB (Function Block): Miền chứa chương trình con, được tổ chức thành hàm và
có khả năng trao đổi dữ liệu với bất cứ một khối chương trình nào khác. Các dữ liệu
này phải được xây dựng thành khối dữ liệu riêng (gọi là DB – Data Block).

- Vùng chứa tham số của hệ điều hành và chương trình ứng dụng, được chia
thành 7 vùng khác nhau bao gồm :
I ( Process image input): Miền bộ đệm các dữ liệu cổng vào số. Trước khi bắt
đầu thực hiện chương trình PLC sẽ đọc giá trị logic của tất cả các cổng đầu vào và

cất giữ chúng tại vùng nhớ I, thông thường chương trình ứng dụng không đọc trực
tiếp trạng thái logic của cổng vào số mà chỉ lấy dữ liệu của cổng vào từ bộ đệm I.
Q ( Process image output): Miền bộ nhớ đệm các dữ liệu cổng ra số. Kết thúc
giai đoạn thực hiện chương trình, PLC sẽ chuyển giá trị logic của bộ đệm Q tới các
cổng ra số. Thông thường chương trình không trực tiếp gán giá trị tới cổng ra mà
chỉ chuyển chúng vào bộ nhớ đệm Q.

13


M ( Miền các biến cờ ): Chương trình ứng dụng sử dụng vùng nhớ này để lưu
giữ các tham số cần thiết và có thể truy cập nó theo bit(M) byte(MB), từ (MW) hay
từ kép (MD).
T : Miền nhớ phục vụ bộ thời gian (Timer ) bao gồm việc lưu trữ giá trị thời
gian đặt trước ( PV - Preset value ) ,giá trị đếm thời gian tức thời ( CV - Current
value ) cũng như giá trị logic đầu ra của bộ thời gian.
C : Miền nhớ phục vụ bộ đếm ( Counter ) bao gồm việc lưu giữ giá trị đặt
trước ( PV - Preset value ),giá trị đếm tức thời (CV - current value ) và giá trị logic
đầu ra của bộ đếm.
PI: Miền địa chỉ cổng vào các module tương tự (I/O: external input ).Các giá
trị tương tự tại cổng vào của module tương tự sẽ được module đọc và chuyển tự
động theo những địa chỉ. Chương trình ứng dụng có thể truy cập miền nhớ PI theo
từng byte (PIB), từng từ (PIW) hoặc từng kép (PID).
PQ: Miền địa chỉ cổng ra cho các module tương tự (I/O - external output). Các
giá trị theo những địa chỉ này sẽ được module tương tự chuyển tới các cổng ra
tương tự. Chương trình ứng dụng có thể truy cập miền nhớ PQ theo từng byte
(PQB), từng từ kép (PQD).

- Vùng chứa các khối dữ liệu, được chia thành 2 loại:
DB (Data block). Miền chứa các dữ liệu được tổ chức thành khối, kích thước

cũng như số lượng, khối do người sử dụng qui định và phù hợp với từng bài toán
điều khiển. Chương trình có thể truy cập miền này theo từng bit (DBX), byte
(DBB), từ (DBW), từ kép (DBD).
L ( Local data block ): Đây là miền dữ liệu địa phương được các khối chương
trình OB, FC, FB tổ chức và sử dụng cho các biến nháp tức thời và trao đổi dữ liệu
của biến hình thức với những khối chương trình đã gọi nó. Nội dung của một số dữ
liệu trong miền nhớ này sẽ bị xoá khi kết thúc chương trình tương ứng trong OB,
FC. FB.
Miền nhớ này có thể truy nhập từ chương trình theo bit (L), byte (LB), từ kép LD.
1.4
Tổng quan về hệ thu thập dữ liệu và điều khiển
1.4.1 Mạng truyền thông công nghiệp là gì ?
Mạng truyền thông công nghiệp 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
14


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.
1.4.2 Vai trò của mạng truyền thông công nghiệp
Sử dụng mạng truyền thông công nghiệp, đặc biệt là bus trường để thay thế
cách nối điểm-điểm cổ điển giữa các thiết bị công nghiệp mang lại những lợi ích
sau:
•
•
•
•
•

Đơn giản hóa cấu trúc liên kết giữa các thiết bị công nghiệp.
Tiết kiệm dây nối và công thiết kế, lắp đặt hệ thống trở nên dế dàng hơn.
Nâng cao độ tin cậy và độ chính xác của thông tin.
Nâng cao độ linh hoạt, tính năng mở của hệ thống.
Đơn giản hóa, tiện lợi hóa việc tham số hóa chuẩn đoán, định vị lỗi, sự cố của

các thiết bị.
• Mở ra nhiều chức năng và khả năng ứng dụng mới của hệ thống: Điều khiển
phân tán, điều khiển phân tán với các thiết bị trường, điều khiển giám sát hoặc
chuẩn đoán lỗi từ xa qua Internet, tích hợp thông tin của hệ thống điều khiển
giám sát với thông tin điều hành sản xuất và quản lý công ty.
1.4.3 Phân loại và đặc trưng các hệ thống Mạng Công Nghiệp
Để sắp xếp, phân loại và phân tích đặc trưng các hệ thống mạng truyền thông
công nghiệp, ta dựa vào mô hình phân cấp quen thuộc cho các công ty, xí nghiệp
như được minh họa trên hình :

Hình 1.12: Mô hình phân cấp chức năng công ty sản xuất công nghiệp
• Bus trường, bus thiết bị
Bus trường (fieldbus) 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
15


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 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.
• 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 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.
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.
16


• 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,...).
• 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...
1.4.3 Cấu trúc mạng
• Cấu trúc bus
Trong cấu trúc đơn giản này, 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, vì thế tiết kiệm được cáp dẫn và
công lắp đặt.
Có thể phân biệt ba kiểu cấu hình trong cấu trúc bus: daisy-chain và trunkline/drop-line và mạch vòng không tích cực.

17


Hình 1.13: Cấu trúc Bus
• Cấu trúc mạch vòng (tích cực)
Cấu trúc mạch vòng 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. Khác với cấu

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

Hình 1.14: Cấu trúc vòng
• Cấu trúc hình sao
Cấu trúc hình sao là một cấu trúc mạng có một trạm trung tâm quan trọng hơn
tất cả các nút khác, nút này sẽ điều khiển hoạt động truyền thông của toàn mạng.
Các thành viên khác được kết nối gián tiếp với nhau qua trạm trung tâm. Tương tự
như cấu trúc mạch vòng, có thể nhận thấy ở đây kiểu liên kết về mặt vật lý là điểmđiểm. Tuy nhiên, liên kết về mặt logic vẫn có thể là nhiều điểm. Nếu trạm trung tâm
18


đóng vai trò tích cực, nó có thể đảm đương nhiệm vụ kiểm soát toàn bộ việc truyền
thông của mạng, còn nếu không sẽ chỉ như một bộ chuyển mạch.

Hình 1.15: Cấu trúc sao
• Cấu trúc cây
Cấu trúc cây thực chất không phải là một cấu trúc cơ bản. 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. Đặc trưng của cấu trúc cây là sự phân cấp đường dẫn. Để chia
từ đường trục ra các đường nhánh, có thể dùng các bộ nối tích cực (active coupler),
hoặc nếu muốn tăng số trạm cũng như phạm vi của một mạng đồng nhất có thể
dùng các bộ lặp (repeater). Trong trường hợp các mạng con này hoàn toàn khác
loại thì phải dùng tới các bộ liên kết mạng khác như bridge, router và gateway.

Hình 1.16: Cấu trúc cây
1.4.4 Kỹ thuật truyền dẫn
Truyền dữ liệu nối tiếp, không đồng bộ là phương pháp được sử dụng chủ yếu

trong các hệ thống mạng truyền thông công nghiệp. Với phương pháp này, các bit
19


được truyền từ bên gửi tới bên nhận một cách tuần tự trên cùng một đường truyền.
Cũng chính vì không có một đường dây riêng biệt mang tín hiệu nhịp, nên việc
đồng bộ hóa thuộc trách nhiệm do bên gửi và bên nhận thỏa thuận trên cơ sở một
giao thức truyền thông.
• Phương thức truyền dẫn tín hiệu
Tín hiệu được dùng để truyền tải thông tin. Không kể tới môi trường truyền
dẫn thì các thành phần cơ bản trong một hệ thống truyền tín hiệu gồm có bộ phát
(transmitter, generator), hay còn gọi là bộ kích thích (driver, ký hiệu là D), và bộ
thu (receiver, ký hiệu là R). Một thiết bị vừa thu và phát, hay bộ thu phát được gọi
với cái tên ghép là transceiver.
Hai phương thức truyền dẫn tín hiệu cơ bản được dùng trong các hệ thống
truyền thông công nghiệp, đó là phương thức chênh lệch đối xứng (balanced
differential mode) và phương thức không đối xứng hay phương thức đơn cực
(unbalanced mode, single-ended mode)

- RS-232
RS-232 (tương ứng với chuẩn châu Âu là CCITT V.24) lúc đầu được xây
dựng phục vụ chủ yếu trong việc ghép nối điểm-điểm giữa hai thiết bị đầu cuối
(DTE, Data Terminal Equipment), ví dụ giữa hai máy tính (PC, PLC, v.v...), giữa
máy tính và máy in, hoặc giữa một thiết bị đầu cuối và và một thiết bị truyền dữ
liệu (DCE, Data Communication Equipment) , ví dụ giữa máy tính và Modem:

Hình 1.17: Giao tiếp giữa hai máy tính thông qua Modem và RS-232
20

Mặc dù tính năng hạn chế, RS-232 là một trong các chuẩn tín hiệu có từ lâu
nhất, vì thế được sử dụng rất rộng rãi. Ngày nay, mỗi máy tính cá nhân đều có một
vài cổng RS-232 (cổng COM), có thể sử dụng tự do để nối với các thiết bị ngoại vi
hoặc với các máy tính khác. Nhiều thiết bị công nghiệp cũng tích hợp cổng RS-232
phục vụ lập trình hoặc tham số hóa.
Đặc tính điện học:
RS-232 sử dụng phương thức truyền không đối xứng, tức là sử dụng tín hiệu
điện áp chênh lệch giữa một dây dẫn và đất. Mức điện áp được sử dụng dao động
trong khoảng từ -15V tới 15V. Khoảng từ 3V đến 15V ứng với giá trị logic 0,
khoảng từ -15V đến -3V ứng với giá trị logic 1
Chế độ làm việc:
Chế độ làm việc của hệ thống RS-232 là hai chiều toàn phần (full-duplex), tức
là hai thiết bị tham gia cùng có thể thu và phát tín hiệu cùng một lúc. Như vậy, việc
thực hiện truyền thông cần tối thiểu 3 dây dẫn - trong đó hai dây tín hiệu nối chéo
các đầu thu phát của hai trạm và một dây đất, như a minh họa. Với cấu hình tối
thiểu này, việc đảm bảo độ an toàn truyền dẫn tín hiệu thuộc về trách nhiệm của
phần

mềm.

Hình 1.19 minh họa một ví dụ ghép nối trực tiếp giữa hai thiết bị thực hiện chế độ
bắt tay (handshake mode) không thông qua modem. Qua việc sử dụng các dây dẫn
DTR và DSR, độ an toàn giao tiếp sẽ được đảm bảo. Trong trường hợp này, các
chân RTS và CTS được nối ngắn. Lưu ý rằng, trong trường hợp truyền thông qua
modem, cấu hình ghép nối sẽ khác một chút.

21


Hình 1.18: Một số ví dụ ghép nối với RS-232

- RS-422
Khác với RS-232, RS-422 sử dụng tín hiệu điện áp chênh lệch đối xứng giữa
hai dây dẫn A và B, nhờ vậy giảm được nhiễu và cho phép tăng chiều dài dây dẫn
một cách đáng kể. RS-422 thích hợp cho phạm vi truyền dẫn tới 1200 mét mà
không cần bộ lặp. Điện áp chênh lệch dương ứng với trạng thái logic 0 và âm ứng
với trạng thái logic 1. Điện áp chênh lệch ở đầu vào bên nhận có thể xuống tới
200mV.

- RS-485
Về các đặc tính điện học, RS-485 và RS-422 giống nhau về cơ bản. RS-485
cũng sử dụng tín hiệu điện áp chênh lệch đối xứng giữa hai dây dẫn A và B.
Ngưỡng giới hạn qui định cho VCM đối với RS-485 được nới rộng ra khoảng -7V
đến 12V, cũng như trở kháng đầu vào cho phép lớn gấp ba lần so với RS-422.
Đặc tính khác nhau cơ bản của RS-485 so với RS-422 là khả năng ghép nối
nhiều điểm, vì thế được dùng phổ biến trong các hệ thống bus trường. Cụ thể, 32
trạm có thể tham gia ghép nối, được định địa chỉ và giao tiếp đồng thời trong một
đoạn RS-485 mà không cần bộ lặp.
Để đạt được điều này, trong một thời điểm chỉ một trạm được phép kiểm soát
đường dẫn và phát tín hiệu, vì thế một bộ kích thích đều phải đưa về chế độ trở
kháng cao mỗi khi rỗi, tạo điều kiện cho các bộ kích thích ở các trạm khác tham gia.
Chế độ này được gọi là tri-state. Một số vi mạch RS-485 tự động xử lý tình huống
này, trong nhiều trường hợp khác việc đó thuộc về trách nhiệm của phần mềm điều
khiển truyền thông. Trong mạch của bộ kích thích RS-485 có một tín hiệu vào
“Enable” được dùng cho mục đích chuyển bộ kích thích về trạng thái phát tín hiệu
hoặc tri-state. Sơ đồ mạch cho bộ kích thích và bộ thu RS-485 được biểu diễn trên
Hình 1.20.

22

Hình 1.19: Sơ đồ bộ kích thích (driver) và bộ thu (receiver) RS-485
Tốc độ truyền tải và chiều dài dây dẫn
Cũng như RS-422, RS-485 cho phép khoảng cách tối đa giữa trạm đầu và
trạm cuối trong một đoạn mạng là 1200m, không phụ thuộc vào số trạm tham gia.
Tốc độ truyền dẫn tối đa có thể lên tới 10Mbit/s, một số hệ thống gần đây có khả
năng làm việc với tốc độ 12Mbit/s. Tuy nhiên có sự ràng buộc giữa tốc độ truyền
dẫn tối đa và độ dài dây dẫn cho phép, tức là một mạng dài 1200m không thể làm
việc với tốc độ 10MBd. Quan hệ giữa chúng phụ thuộc nhiều vào chất lượng cáp
dẫn được dùng cũng như phụ thuộc vào việc đánh giá chất lượng tín hiệu.
Cấu hình mạng
RS-485 là chuẩn duy nhất do EIA đưa ra mà có khả năng truyền thông đa
điểm thực sự chỉ dùng một đường dẫn chung duy nhất, được gọi là bus. Chính vì
vậy mà nó được dùng làm chuẩn cho lớp vật lý ở đa số các hệ thống bus hiện thời.
Cáp nối
RS-485 không phải là một chuẩn trọn vẹn mà chỉ là một chuẩn
về đặc tính điện học,vì vậy không đưa ra các qui định cho cáp nối
cũng như các bộ nối. Có thể dùng đôi dây xoắn, cáp trơn hoặc các
loại cáp khác, tuy nhiên đôi dây xoắn là vẫn là loại cáp được sử
dụng phổ biến nhất nhờ đặc tính chống tạp nhiễu và xuyên âm.
1.4.5 Các mô hình mạng truyền thông công nghiệp
• Kiểu tập trung
Toàn bộ các tiến trình xử lý diễn ra tại máy tính trung tâm. Các máy trạm cuối
(Terminals) được nối mạng với máy tính trung tâm và chỉ hoạt động như những
thiết bị nhập xuất dữ liệu cho phép người dùng xem trên màn hình và nhập liệu qua
bàn phím. Các máy trạm đầu cuối không lưu trữ và xử lý dữ liệu.
23


Hình 1.20 : Cấu trúc điều khiển tập trung với vào ra tập trung

• Kiểu phân tán
Trong đa số các ứng dụng có quy mô vừa và lớn phân tán là tính chất cố hữu
của hệ thống. Một dây chuyền sản xuất thường được phân chia thành nhiều đoạn, có
thể được phân bố tại nhiều vị trí cách xa nhau. Để khắc phục sự phụ thuộc vào một
máy tính trung tâm trong cấu trúc tập trung và tăng tính linh hoạt của hệ thống ta có
thể điều khiển mỗi phân đoạn bằng một hoặc một số máy tính cục bộ, như hình
minh họa.

Hình 1.21: Cấu trúc điều khiển phân tán với vào ra tập trung
Hình chỉ minh họa cách ghép nối điểm-điểm giữa một máy tính điều khiển
với các cảm biến và cơ cấu chấp hành, sử dụng vào/ra tập trung. Tuy nhiên, ta cũng
có thể sử dụng bus trường để thực hiện cấu trúc vào/ra phân tán như trên Hình 1.20.
Khi đó, máy tính điều khiển có thể đặt tại phòng điều khiển trung tâm hoặc tại các
phòng điều khiển cục bộ, tùy theo qui mô của hệ thống và khả năng kéo dài của bus
trường.

24


Hình 1.22: Cấu trúc điều khiển phân tán với vào ra phân tán
1.4.6 Giao thức
Bất cứ sự giao tiếp nào cũng cần một ngôn ngữ chung cho các
đối tác. Trong kỹ thuật truyền thông, bên cung cấp dịch vụ cũng
như bên sử dụng dịch vụ đều phải tuân thủ theo các qui tắc, thủ tục cho việc
giao tiếp, gọi là giao thức.Giao thức chính là cơ sở cho việc thực hiện và sử dụng
các dịch vụ truyền thông.
PROFINET:
Profinet là tiêu chuẩn tự động hóa của Profibus và Profinet quốc tế (PI).
Profinet tương thích hoàn toàn với chuẩn Ethernet của IEEE.

25