Chương 5: Khái quát mạng PLC

ĐIỀU KHIỂN LẬP TÌNH PLC - MẠNG PLC
Chương 5 – Khái quát mạng PLC




PHẦN II

HỆ THỐNG MẠNG PLC



CHƯƠNG 5
KHÁI QUÁT MẠNG PLC

Chủ đề:
 Cơ sở truyền thông
 Các kiến trúc giao thức
 Kỹ thuật truy cập và ghép mạng
 Các bus truyền thông

Mục đích:
 Nắm rõ các khái niệm về truyền thông mạng PLC
 Các cấp và loại mạng chủ yếu của Simatic

131
ĐIỀU KHIỂN LẬP TÌNH PLC - MẠNG PLC
Chương 5 – Khái quát mạng PLC


5.1. MẠNG TRUYỀN THÔNG CÔNG NGHIỆP LÀ GÌ ?
Sự phổ biến của các giải pháp tự động hóa sử dụng hệ thống truyền thông số là kết
quả tổng hợp của các tiến bộ trong kỹ thuật vi điện tử, kỹ thuật máy tính, kỹ thuật thông
tin và kỹ thuật tự động hóa. Mạng truyền thông công nghiệp hay mạng công nghiệp là một
khái niệm chung chỉ các hệ thống mạng truyền thông số, truyền bit nối tiếp được sử dụng
để ghép nối các thiết bò công nghiệp. Các hệ thống truyền thông công nghiệp phổ biến
hiện nay cho phép liên kết mạng ở nhiều mức khác nhau, từ các bộ cảm biến, cơ cấu chấp
hành dưới mức trường cho đến các máy tính điều khiển, thiết bò quan sát, máy tính điều
khiển giám sát và các máy tính trên cấp điều hành xí nghiệp, quản lý công ty.Về cơ sở kỹ
thuật, mạng công nghiệp và các hệ thống mạng viễn thông có nhiều điểm tương đồng, tuy
nhiên cũng có những điểm khác biệt sau :
 Mạng viễn thông có phạm vi đòa lý và số lượng thành viên tham gia lớn nên các yêu
cầu kỹ thuật ( cấu trúc mạng, tốc độ truyền thông, tính năng thời gian thực, … ) rất
khác, cũng như phương pháp truyền thông ( truyền dải rộng / dải cơ sở, điều biên, dồn
kênh, chuyển mạch,… ) thường phức tạp hơn so với mạng công nghiệp.
 Đối tượng của mạng viễn thông bao gồm cả con người và thiết bò kỹ thuật, trong đó con
người đóng vai trò chủ yếu. Vì vậy các dạng thông tin cần trao đổi bao gồm cả tiếng

nói, hình ảnh, văn bản và dữ liệu.
 Đối với mạng công nghiệp thuần túy là các thiết bò công nghiệp, nên dạng thông tin
quan tâm duy nhất là dữ liệu. Kỹ thuật truyền thông dùng trong mạng viễn thông cũng
rất phong phú, trong khi kỹ thuật truyền dữ liệu theo chế độ bit nối tiếp là đặc trưng
của mạng công nghiệp.
Mạng truyền thông công nghiệp thực chất là một dạng đặc biệt của mạng máy tính,
có thể so sánh với mạng máy tính thông thường ở những điểm giống nhau và khác nhau
như sau :
 Kỹ thuật truyền thông số hay truyền dữ liệu là đặc trưng chung.
 Mạng máy tính sử dụng trong công nghiệp được coi là một phần ( ở các cấp điều khiển
giám sát, điều hành sản xuất và quản lý công ty ) trong mô hình phân cấp của mạng
công nghiệp.
 Yêu cầu về tính năng thời gian thực, độ tin cậy và khả năng tương thích trong môi
trường công nghiệp cao hơn so với mạng máy tính thông thường, trong khi đó mạng
máy tính thường đòi hỏi cao hơn về bảo mật thông tin.

Mạng máy tính có phạm vi trải rộng khác nhau, ví dụ có thể nhỏ như mạng LAN cho
một nhóm vài máy tính, hoặc rất lớn như mạng Internet. Trong nhiều trường hợp, mạng
máy tính gián tiếp sử dụng dòch vụ truyền dữ liệu của mạng viễn thông. Trong khi đó,
cho đến nay các hệ thống mạng công nghiệp thường có tính chất độc lập, phạm vi hoạt
động tương đối hẹp.


5.2. VAI TRÒ ỨNG DỤNG
Trong những năm gần đây bộ điều khiển lập trình PLC được sử dụng ngày càng rộng
rãi trong công nghiệp, là giải pháp lý tưởng cho việc tự động hóa các quá trình sản xuất.

132
ĐIỀU KHIỂN LẬP TÌNH PLC - MẠNG PLC
Chương 5 – Khái quát mạng PLC

PLC đóng vai trò trung tâm trong điều khiển, dễ dàng lập trình, cho phép nhanh
chóng thay đổi chương trình điều khiển, ứng dụng trong phạm vi rộng, chuẩn hóa được
điều khiển, giá thành thấp và dễ dàng trong bảo trì sửa chữa, độ chính xác cao trong môi
trường công nghiệp.
Tuy có nhiều ưu điểm về điều khiển nhưng PLC không đáp ứng được về phương
diện quản lý, thông tin và lưu trữ dữ liệu. Vì vậy để đáp ứng những yêu cầu này PLC thực
hiện truyền thông nối mạng ở nhiều cấp độ khác nhau nhằm đáp ứng yêu cầu vừa điều
khiển vừa giám sát hệ thống.
Hệ thống mạng hỗ trợ những nhà quản lý những người chòu trách nhiệm sản xuất
theo dõi được tình hình cụ thể quá trình sản xuất mà không cần trực tiếp trong khu vực sản
xuất.
Mạng thu nhận dữ liệu trên tất cả các dây chuyền sản xuất mà không làm chậm lại
quá trình sản xuất, thu nhận dữ liệu để phân tích quá trình sản xuất, chẩn đoán, giám sát
sự cố và độ tin cậy trong hoạt động của các thiết bò, quản lý nguyên liệu và lưu vào hệ
thống kế hoạch sản xuất của nhà máy.
Mạng làm tăng thêm tính sẵn sàng của các thiết bò nối mạng. Mạng thực thi thời báo
phản ứng nhanh với mức cao ổn đònh tránh những mức thấp hay thay đổi khi thực hiện
truyền thông. Thao tác mạng linh hoạt để điều khiển đảm bảo cho sự sản xuất liên tiếp.
Tính liên tục không gián đoạn và sẵn sàng đang dần trở thành điều quan trọng và ngày
càng tăng.
Chi phí thời gian cho việc ngừng quá trình sản xuất để phát hiện và sửa chữa sự cố
thì cao hơn chi phí cho sự lắp đặt những hệ thống cảnh báo, theo dõi, giám sát, kòp thời
phát hiện ra những sự cố để sửa chữa và tiếp tục sản xuất một cách nhanh chóng và công
cụ để làm điều này không khác hơn là sử dụng hệ thống mạng truyền thông mạnh để đònh
vò và chỉ báo lỗi một cách nhanh chóng.
Cùng với sự phát triển mạng toàn cầu, những nhà quản lý hoàn toàn có thể theo dõi
tình hình hoạt động của nhà máy và có thể đưa ra những quyết đònh thay đổi trong sản xuất
và quyết đònh sẽ được thực thi nhanh chóng, dù người quản lý đang ở bất cứ đòa điểm nào,

ở bất cứ một nước nào, thông qua việc kết nối mạng của nhà máy với mạng toàn cầu.
Sự xuất hiện của hệ thống mạng đã đem lại một cuộc đột phá mạnh mẽ trong công
nghiệp và cả trong đời sống, trong khi sự hợp tác toàn cầu được nhắc đến và những nhu
cầu của con người ngày càng đòi hỏi tốt hơn thì hệ thống mạng đã đáp ứng được tương đối
những yêu cầu này.

5.3. CƠ SỞ TRUYỀN THÔNG
5.3.1. Truyền thông giữa các PLC
Sự liên lạc truyền thông giữa các thiết bò, máy móc sản xuất càng ngày càng đóng
vai trò quan trọng hơn, bởi vì nó giúp cho việc tích hợp các thành phần riêng lẽ trong một
hệ thống sản xuất thành một hệ thống hoàn chỉnh. Các vấn đề của điều khiển, giám sát,
quản lý dữ liệu của một hệ thống sản xuất đều phụ thuộc vào các hệ thống truyền thông,
từ những kết nối đơn giản từ máy này đến máy khác tới những kết nối mạng cục bộ và cả

133
ĐIỀU KHIỂN LẬP TÌNH PLC - MẠNG PLC
Chương 5 – Khái quát mạng PLC


mạng diện rộng mà ở đó có đến hàng trăm máy móc thông minh phân bố ở các vò trí khác
nhau có khoảng cách xa nhau được liên lạc với nhau qua một xa lộ thông tin chung.
Các sử dụng thông thường của các cổng truyền thông PLC
 Thông báo dữ liệu điều hành và cảnh báo, thí dụ qua Printer hay VDU
 Ghi nhận các dữ liệu vào các hồ sơ lưu trữ (thường là Computer) để phân tích quá trình
và thông tin quản lý (qua các phần mềm ứng dụng).
 Chuyển các giá trò, các tham số vào chương trình PLC có sẵn từ các thiết bò đầu cuối
của người điều hành hoặc từ các bộ điều khiển giám sát.
 Thay đổi chương trình PLC từ bộ điều khiển giám sát.
 Áp đặt các ngõ I/O và các phần tử nhớ hay gán các thông số từ một thiết bò đầu cuối từ
xa.

 Nối kết PLC vào hệ phân cấp điều khiển có nhiều loại PLC, máy tính và thiết bò điều
khiển giám sát khác.
 Truyền nối tiếp và các chuẩn truyền
Hầu hết các phương tiện truyền thông PLC thường được thiết kế và chế tạo theo kiểu
truyền nối tiếp. Các chuẩn truyền nối tiếp thông dụng và phổ biến đó là: truyền thông
RS232, RS422/423 và RS485.

Giao tiếp Khoảng cách
(m)
Tốc độ truyền
tối đa (bps)
Giao tiếp Khoảng cách
(m)
Tốc độ truyền
tối đa (bps)
10 10.000 10 1.000.000
100 1000 100 100.000
RS232
1000 -
RS422/
RS482
1000 10.000
5.3.2. Mạng truyền dữ liệu
5.3.2.1. Các khái niệm cơ bản
Truyền thông (Communications)
Truyền thông được
dùng để chỉ sự truyền dữ
liệu, trao đổi dữ liệu giữa
hai hay các thành phần
truyền thông

(communications partner
– cộng sự truyền thông)
cùng kiểu hay khác kiểu
trong mạng truyền thông:
điều khiển các thành
phần, lấy thông tin trạng
thái, cài đặt tham số…
Tuyền thông có thể
truyền qua nhiều đường truyền thông khác nhau như: cổng truyền thông được tích hợp sẵn
ngay trong CPU, có thể là các vi xử lý truyền thông riêng CP ( Communications
Hình 5.1 – Các cộng sự truyền thông trong một mạng Ethernet

134
ĐIỀU KHIỂN LẬP TÌNH PLC - MẠNG PLC
Chương 5 – Khái quát mạng PLC


Processor)… Trong mạng truyền thông để biểu diễn mỗi thành phần truyền thông người ta
quy đònh cho nó là từ Nút (node).
Hệ thống truyền thông có dự phòng (Redundant Communications System).
Tính khả dụng của hệ thống truyền thông có thể được tăng thêm bằng sự dư thừa môi
trường, tăng gấp đôi các thành nhỏ, hoặc tăng gấp đôi các thành phần bus.
Các cơ chế giám sát và đồng bộ hóa đảm bảo cho nếu có một thành phần trên mạng bò
hỏng thì việc truyền thông vẫn xảy ra bằng sử dụng các thành phần dự phòng mà không
làm gián đoạn quá trình truyền thông.
Truyền thông có tính khả dụng cao (High – availability communications)
Truyền thông có tính khả dụng cao là truyền thông giữa hai hệ thống có tính khả
dụng cao. Nó chuyển qua hệ thống dự phòng khi có một thành phần bò hư hỏng ( ví dụ CP
hay cáp truyền thông). Điều này đảm bảo cho hệ thống truyền thông được liên tục.
Các nút thừa (Redundant nodes)

Các nút thừa cho thấy khả năng an toàn vốn có của truyền thông giữa các hệ thống
có tính khả dụng cao. Một hệ thống đa kênh được biểu diễn bằng các nút dự phòng. Nút dự
phòng có tính độc lập khi nếu có sự cố thành phần ở nút nào đó thì cũng không làm ảnh
hưởng đến nút khác.
Cộng sự truyền thông (Communications partner)
Cộng sự truyền thông là khối có khả năng thực hiện truyền thông. Cộng sự truyền
thông có thể cùng thực hiện trong một thiết bò hay là trong thiết bò ở xa.
Trạm (Station)
Trạm là thiết bò mà được kết nối như một đơn vò (thí dụ: PLC, thiết bò lập trình, giám
sát…) với một hay nhiều mạng con (subnet ).
Mạng con (Subnet)
Subnet là toàn bộ các thành phần vật lý cần thiết để xây dựng thành một đường
truyền dữ liệu cũng như các thủ tục cần thiết để chuyển dữ liệu.
Các kết nối giữa các trạm vào subnet không cần phải đi qua gateway. Toàn bộ
subnet (MPI, PROFIBUS, Industrial Ethernet) cũng được gọi là môi trường truyền. Mỗi
subnet đều có một subnetID duy nhất.
Mạng (Network)
Một mạng gồm một subnet hay nhiều subnet giống nhau hoặc khác nhau được nối
với nhau.
Gateway
Gateway

Gateway là thiết bò nối
kết hai hay nhiều subnet lại
với nhau theo khả năng truyền
thông của chúng. Gateway có
thê liên kết những subnet về
mặt vật lý giống nhau hoặc
khác nhau (như Ethernet và
Prfibus). Do đó những trạm

nối vào nhau nhiều hơn một
Hình 5.2 - thí dụ một Gateway

135
ĐIỀU KHIỂN LẬP TÌNH PLC - MẠNG PLC
Chương 5 – Khái quát mạng PLC


subnet đều phải có gateway.
Link
Link là phép gán logic của một cộng sự truyền thông đến một cộng sự truyền thông
khác để thực hiện một dòch vụ truyền thông nhất đònh. Link được gán trực tiếp vào một
dòch vụ truyền thông.
Một link có hai điểm đầu mút (end point) chứa các thông tin cần thiết để đònh đòa chỉ
cộng sự truyền thông cũng như các thuộc tính để thiết lập link.
Cũng có những link cò tính khả dụng cao mà tận dụng tính dư thừa của mạng vật lý
để duy trì truyền thông nếu có thành phần nào của truyền thông bò hỏng.
Routing (đònh lộ trình)
Những gateway cần thông tin để đi qua các kết nối từ subnet này sang subnet khác.
Thông tin được chứa trong các bảng chỉ đường đi đến cộng sự truyền thông, các bảng này
gọi là các dẫn đường (routing table) và chính cơ chế của nó được gọi là routing.
Có hai loại routing là tónh và động. Trong routing tónh thì bảng là cố đònh, nó chỉ
đường đi đến các subnet kế. Các bảng này phải khai báo lại khi co bổ sung thêm một trạm
truềyn thông vào mạng. Ngược lại routing động thì tự động đăng kí đi đến cộng sự truyền
thông mới và tự động cập nhật các bảng tương ứng.
Các chức năng truyền thông (Communications Functions)
Đây là các chức năng được cung cấp bởi các giao tiếp phần mềm mà có sử dụngcác
dòch vụ truyền thông. Có các chức năng truyền thông như : chuyển dữ liệu giữa các cộng
sự truyền thông có các dữ liệu làm việc liên quan, điều khiển cộng sự truyền thông các
trạng thái hoạt động của mạng.

Giao thức (Protocol)
Đây là sự sắp xếp cụ thể theo bit giữa các cộng sự truyền thông để thực thi một dòch
vụ truyền thông nhất đònh. Giao thức đònh nghóa cấu trúc của nội dung truyền thông dữ liệu
trên cáp vật lý và chỉ rõ chế độ hoạt động, thủ tục để thiết lập một link, tốc độ truyền.
Sự tương thích dữ liệu (Data Consistency)
Truyền dữ liệu giữa các thiết bò phải đảm bảo được tính tương thích dữ liệu. Sự
không tương thích dữ liệu có thể xảy ra khi truyền thông bò ngắt.
5.3.2.2. Phân loại các mạng
Có 3 loại mạng khác nhau được xếp loại theo mức độ bao phủ đòa lý của nó. Đó là
mạng cục bộ LAN (Local Area Network) mạng trung MAN (Metroplotain Area Network)
và mạng diện rộng WAN (Wide Area Network). Chúng được phân giới theo tầm khoảng
cách truyền thông được phủ như sau:
 LAN < 5km
 MAN < 25 km
 WAN > 25 km
Xuất phát từ mạng LAN và WAN, một mạng được giới thiệu đó là mạng FAN. FAN
được sử dụng trong tự động hóa các quá trình để truyền thông ở cấp trường (field level)
trong môi trường quá trình, trong khi đó các LAN và WAN chòu trách nhiệm liên lạc trong
và giữa các cấp của hệ phân cấp ( các cấp làm việc, sản xuất và quản lý).
Môi trường truyền

136