Mạng SCADA giám sát và thu thập số liệu điện năng

Luận Văn Tốt Nghiệp

MỞ ĐẦU
Điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu (SCADA) là một phần không
thể thiếu được trong một hệ thống tự động hoá hiện đại. Từ những năm gần
đây, sự tiến bộ trong lĩnh vực truyền thông công nghiệp và công nghệ phần
mền đã thực sự đem lại nhiều khả năng mới, giải pháp mới. Chưa bao giờ, việc
tạo dựng các ứng dụng SCADA lại đơn giản như bây giờ. Nếu như trước đây,
ngành điện cần phải có những panel điều khiển bằng cả một bức tường với chi
chít những đèn báo, cơng tắc, đồng hồ và vài người đứng xem xét, theo dõi
mạng lưới cung cấp điện: nơi non tải, hay những sự cố đứt dây, chập mạch thì
nay với giải pháp dùng hệ SCADA, ta chỉ dùng tay tác động vào “chuột” thì
các thơng số ở vùng nào muốn theo dõi sẽ hiện lên.Việc điều điện áp, cắt tải
hay mở rộng cửa xả nước để tăng cơng suất phát điện đó cịn được truyền đến
các nhà máy phát điện khác để cùng tham gia hòa điện lên trên mạng lưới điện
quốc gia.Với sự tiến bộ như vậy, em đã chọn đề tài này để củng cố nhiều kiến
thức. Và từ đó có nhiều khả năng để xây dựng nên các giải pháp SCADA mà
trọng tâm của việc xây dựng các giải pháp này trong thời điểm hiện nay là
dùng công cụ phần mềm thiết kế giao diện và tích hợp hệ thống.Vì vậy trong
đề tài về phần mềm em chọn phần mềm SCADA là WinCC. Còn các thiết bị
bao gồm các bộ đo điện năng là Mach 30, PLC S7-300 CPU 314IFM, PLC S7200 CPU 226, các contactor, các relay, và tải là các bóng đèn và động cơ
khơng đồng bộ ba pha. Trừ động cơ ra tất cả các thiết bị trên được gắn trên
panel.
Và với nhiệm vụ của đề tài là tìm hiểu về WinCC, Simatic S7-200/300,
chuẩn truyền thông Modbus, chuẩn truyền thơng Ducati (hỗ trợ cho việc truyền
thơng giữa máy tính với Mach 30), thiết kế hệ SCADA-giám sát và thu thập số
liệu điện năng. Nên trong luận văn này ở chương một em giới thiệu về SCADA
và HMI. Và vì hệ thống SCADA một phần phát triển trên cơ sở của sự phát
triển mạng máy tính và truyền thơng cơng nghiệp nên em giới thiệu khái quát
về mạng công nghiệp ở chương hai. Và trong chương ba giới thiệu về PLC S7200, PLC S7-300. Thêm vào đó trong chương bốn giới thiệu về Mach 30. Cuối
cùng trong chương năm giới thiệu về WinCC.

Vì thời gian thực hiện đề tài có hạn nên trong luận văn này không trách
khỏi những sai sót. Kính mong q thầy cơ và độc giả nhiệt tình bỏ qua.
Tp.HCM, ngày 12/1/2002
Sinh viên thực hiện


Luận Văn Tốt Nghiệp

MỤC LỤC

Trang

Chương 1
GIỚI THIỆU VỀ SCADA VÀ HMI ....................................... 1
I
Khái niệm về SCADA và HMI ........................................................ 1
II Nguyên tắc hoạt động của hệ thống SCADA .................................. 3
III Chức năng và nhiệm vụ cơ bản của hệ thống SCADA .................... 4
IV Phân loại hệ thống SCADA ............................................................. 5
V Tiêu chuẩn đánh giá ......................................................................... 6
VI SCADA lên WEB ............................................................................ 9
VII Nhìn về tương lai.............................................................................. 9
Chương 2
MẠNG TRUYỀN THƠNG CƠNG NGHIỆP........................ 11
I
Khái niệm ....................................................................................... 11
1 Khái niệm về mạng truyền thông công nghiệp .............................. 11
2 Phân loại và đặc trưng các hệ thống MCN ................................... 12
II Cơ sở kỹ thuật ................................................................................ 16
1 Khái niệm về thời gian thực ........................................................... 16

2 Kiến trúc giao thức ......................................................................... 17
3 Chuẩn truyền dẫn ........................................................................... 35
III Modbus ........................................................................................... 43
1 Cơ chế giao tiếp.............................................................................. 44
2 Chế độ truyền dẫn .......................................................................... 46
3 Cấu trúc bức điện ........................................................................... 47
4 Bảo toàn dữ liệu ............................................................................. 51
5 Modbus Plus ................................................................................... 52
IV Lập trình cổng COM(RS-485) ....................................................... 53
V Cáp chuyển đổi RS-232/485 .......................................................... 58
Chương 3
PLC ....................................................................................... 61
A.Giới thiệu VỀ PLC ............................................................................. 61
I Khái niệm về PLC .......................................................................... 61
II Đặc điểm bộ điều khiển lập trình ................................................... 61
III Cấu trúc .......................................................................................... 65
IV Cổng truyền thông .......................................................................... 66
V Ưu nhược điểm của PLC ................................................................ 67
VI Một vài lĩnh vực tiêu biểu ứng dụng PLC ..................................... 68
B.PLC SIEMENS S7-200 ...................................................................... 70
I Giới thiệu........................................................................................ 70
II Bộ nhớ ............................................................................................ 70
III Tập lệnh PLC S7-200 ..................................................................... 72
IV Bảng sự kiện ngắt và thứ tự ưu tiên ............................................... 76
V Vùng nhớ đặc biệt .......................................................................... 77
VI Giới thiệu về SIEMENS SIMATIC S7-200 (CPU 226) ................ 78
C.PLC Siemems S7-300 ........................................................................ 80
I Thiết bị điều khiển logic khả trình ................................................. 80

Luận Văn Tốt Nghiệp

II Ngơn ngữ lập trình ......................................................................... 87
III Tổ chức bộ nhớ CPU ...................................................................... 88
IV Giới thiệu về CPU 314IFM ............................................................ 90
Chương IV
MACH 30 ........................................................................ 98
I Giới thiệu........................................................................................ 98
1 Các tính năng của MACH 30 ...................................................... 99
2 Các thông số của MACH 30 ........................................................ 99
3 Công suất trung bình ................................................................... 99
4 Hệ số dạng THDF ........................................................................ 99
5 Các giá trị đo được hiển thị sẵn ................................................. 100
6 Mạng nối kết các thiết bị và máy tính ....................................... 101
7 Ứng dụng ................................................................................... 102
II Cách sử dụng MACH 30 ........................................................... 102
1 Các menu và các phím chức năng ............................................. 102
2 Cách kết nối nguồn cung cấp..................................................... 103
3 Cách kết nối MACH 30 với tải.................................................. 103
4 Cogeneration .............................................................................. 104
5 Hai ngõ vào analog .................................................................... 105
6 Bốn ngõ ra cực thu hở ............................................................... 106
7 Các thơng số trong menu đặt cấu hình ...................................... 107
III Giao thức truyền thông của Ducati ............................................ 108
1 Giới thiệu ................................................................................... 108
2 Ứng dụng ................................................................................... 108
3 Diễn tả ........................................................................................ 108
4 Frame yêu cầu dữ liệu ............................................................... 111
5 Những frame lệnh ...................................................................... 119
Chương 5

SIMATIC WINCC CONTROL CENTER ....................... 124
A.Giới thiệu ......................................................................................... 124
I Control Center trong hệ thống WinCC...................................... 124
II Project ........................................................................................ 133
B.Cách lập trình WinCC ...................................................................... 136
I Khái niệm .................................................................................. 136
1 Cấu trúc...................................................................................... 136
2 Giao diện của WinCC ................................................................ 136
II Cách lập trình............................................................................. 138
1 Khái niệm về tag của WinCC .................................................... 138
2 Driver của WinCC ..................................................................... 139
3 Tạo picture ................................................................................. 139
4 Cách tạo thư viện liên kết động ................................................. 140
5 Sử dụng tập tin liên kết động ..................................................... 143


Luận Văn Tốt Nghiệp

BÁO CÁO KẾT QUẢ THI CƠNG VÀ HƯỚNG
PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI
1.Kết quả thi công
Thu thập tốt dữ liệu từ các bộ đo Mach 30 về máy tính thơng qua bộ
chuyển đổi RS-232/485 và phần mềm WinCC và đồng thời từ máy tính thơng
qua phần mềm này đã điều khiển được các ngõ ra của Mach 30
Vì WinCC có hỗ trợ Driver cho PLC S7-300 nên việc kết nối giữa máy
tính với S7-300 CPU 314IFM rất dễ dàng nên em đă kết nối thành công trong
việc đọc dữ liệu cũng như điều khiển . Cịn S7-200 thì WinCC khơng hỗ trợ
nên em viết chương trình con riêng và viết theo frame truyền của Ducati cho
PLC S7-200 và WinCC. Kết quả đã kết nối thành cơng
WinCC có hỗ trợ trong việc lưu trữ xử lý dữ liệu (ví dụ như các giá trị

đo và các thông tin báo động)và nên em đã tìm hiểu được các thức mà WinCC
lưu dữ liệu và có thể đọc các dữ liệu mà WinCC thu thập được từ Mach 30
cũng như PLC S7-220 và S7-300 từ các phần mềm khác như Excel, Access,
ISQL…Và em đã thực hiện trên các phần mềm này thành cơng trong việc đọc
và xử lý dữ liệu đó
Cụ thể:
Đây là hình chụp panel:


Luận Văn Tốt Nghiệp

Kết quả thu thập được từ Mach30 các giá trị:tần số, điện áp tương đương
ba pha, áp dây 1-2, áp dây 2-3, áp dây 3-1:

Đồ thị U12(t),U23(t),U31(t):


Luận Văn Tốt Nghiệp


Luận Văn Tốt Nghiệp


Luận Văn Tốt Nghiệp

2.Hướng phát triển của đề tài
Đề tài này một phần khẳng định tính năng mở, độ linh hoạt trong hệ
thống SCADA tức là có thể dùng mạng truyền thông dựa theo giao thức
Modbus và chuẩn RS-485 này có thể ghép nối nhiều thiết bị (có hỗ trợ giao
thức và chuẩn này) thuộc các hãng khác nhau. Hơn nữa với sự hỗ trợ mạnh về

cơ sở dữ liệu của như khả năng tích hợp của WinCC nên ta có thể ghép nối với
các hệ thống khác và có khả năng mở rộng đến cấp quản lý, chứ không nhất
thiết là ở cấp chấp hành và cấp điều khiển. Vì vậy hệ thống SCADA này có
khả năng mở rộng và ứng dụng vào nhiều lĩnh vực như: khu công nghiệp,
khách sạn, nhà hàng, bảo tàng, trung tâm thương mại, hệ thống chuyển mạch
ATS, hệ thống kho chứa và phân phối xăng dầu,…


Luận Văn Tốt Nghiệp

TÀI LIỆU THAM KHẢO
 WinCC Configuration Manual(Volume1/Volume2) –Edition February 1999
(Siemens)
 WinCC Getting Started Manual -Edition August 1997 (Siemens)
 Tự động hố với SIMATIC S7-300 (Nguyễn Đỗn Phước-Phan Xuân
Minh-Vũ Văn Hà )
 Tự động hoá với SIMATIC S7-200 (Nguyễn Đỗn Phước-Phan Xn
Minh)
 Tạp chí Tự Động Hố Ngày Nay(Automation Today)
 Mạng Truyền Thơng Cơng Nghiệp (Hồng Minh Sơn)
 SIMATIC Loadable Driver for Point-to-Point CPs: MODBUS Protocol, S7
is master/slave manual Edition 2(Siemens)
 SIMATIC Data Highway Reference Manual (Siemens)
 SIMATIC S7-300 Programmable Controller Hardware and Installation
Manual(Siemens)
 SIMATIC S7-300 Programmable Controller Integrated Functions CPU 312
IFM/314 IFM Manual (Siemens)
 SIMATIC S7-200 Programmable Controller System Manual (Siemens)
 Các Kỹ Xảo Lập Trình Với Visual Basic Và Borland Delphi (Lê Hữu Đạt)
 Kỹ Thuật Lập Trình C (Phạm Văn At)

 Tin Học II (Đặng Thành Tín)
 Serial Port Complete (Jan Alexlson)
 Kỹ Thuật Ghép Nối Máy Tính (Ngơ Diên Tập)
 Các Luận Văn Tốt Nghiệp của các khố trước trong bộ mơn ĐKTĐ


Luận Văn Tốt Nghiệp

Chương 1

GVHD: Nguyễn Đức Thành

GIỚI THIỆU VỀ SCADA VÀ HMI

I.Khái niệm về SCADA và HMI
Thị trường tiêu thụ hàng hoá luôn đòi hỏi không ngừng nâng cao chất
lượng, giảm giá thành, đổi mới kết cấu, mẫu mã sản phẩm. Nhu cầu đó đặt
ra yêu cầu tìm kiếm một phương thức sản xuất mới để tạo nên các dây
chuyền sản xuất tự động cho phép nhanh chóng thay đổi mẫu mã, loại sản
phẩm. Dây chuyền tự động “cứng” gồm nhiều thiết bị tự động chuyên dùng
đòi hỏi vốn đầu tư lớn, nhiều thời gian để thiết kế và chế tạo, trong lúc quy
trình công nghệ luôn cải tiến, nhu cầu đối với chất lượng và quy cách của
sản phẩm luôn thay đổi. Bởi vậy nhu cầu mền hoá hay linh hoạt dây chuyền
sản xuất ngày càng tăng. Các dây chuyền sản xuất có khả năng thay đổi
nhanh chóng lại không tốn nhiều công suất để chuyển sang sản xuất sản
phẩm mới, sang một quy trình công nghệ mới. Để đáp ứng được nhu cầu
trên, yêu cầu phải có một hệ thống sản xuất mới. Hệ thống sản xuất tự
động linh hoạt hay gọi tắt là hệ thống sản xuất linh hoạt (FMS) áp dụng
thành tựu khoa học và kỹ thuật về tin học, kỹ thuật điều khiển số, điều
khiển người máy. Đặt biệt là mô hình sản xuất tự động Workcell –tế bào

sản xuất tự động –là đơn vị cơ bản có khả năng làm việc độc lập hoàn toàn
với các bộ phận khác trong nhà máy, nó đảm đương việc thực hiện hoàn tất
một công đoạn trong quy trình sản xuất. Một workcell hiện đại còn có thể
biến đổi chức năng làm việc để phù hợp với nhu cầu mới cũng như kết nối
với các workcell khác để tạo nên dây chuyền sản xuất linh hoạt. Dây
chuyền công nghiệp dùng người máy được điều khiển bằng máy tính điện
tử cùng với các thiết bị gia công điều khiển số dạng NC và CNC tạo ra khả
năng dễ dàng thay đổi quy trình làm việc, sự thuyên chuyển công việc có
thể thực hiện chủ yếu chỉ bằng sự thay đổi chương trình cho máy tính . Các
thiết bị này thay thế dần các máy tự động “cứng” .Hệ thống sản xuất linh
hoạt bao gồm nhiều vấn đề phức tạp như: cấu trúc tổ chức, quản lý các
phần tử cơ bản trong hệ thống đến việc đánh giá lợi ích, các vấn đề xã hội
mà hệ thống sản xuất gây ra. Hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ
liệu (SCADA) là một phương thức tiên tiến điều khiển hệ thống sản xuất tự
động trong công nghiệp và phương thức điều khiển SCADA có thể được
ứng dụng vào việc giám sát và điều khiển tế bào sản xuất workcell. Vậy ta
sẽ giới thiệu sơ lược về hệ thống SCADA
Hệ SCADA ra đời vào những năm 80 trên cơ sở ứng dụng kỹ thuật tin
học, mạng máy tính và truyền thông công nghiệp

SVTH: Lưu Văn Khoa

Trang 1


Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD: Nguyễn Đức Thành

Giống như nhiều từ viết tắt có tính truyền thống khác, khái niệm

SCADA ( Supervisory Control And Acquisition) cũng được hiểu với những ý
nghóa khác nhau, tuỳ theo lónh vực ứng dụng và theo thời gian. Có thể, khi
nói tới SCADA người ta chỉ liên tưởng tới một hệ thống mạng và thiết bị có
nhiệm vụ thuần tuý là thu thập dữ liệu từ các trạm ở xa và truyền tải về một
khu trung tâm để xử lý. Các hệ thống ứng dụng trong công nghiệp khai thác
dầu khí và phân phối năng lượng là những ví dụ tiêu biểu. Theo cách hiểu
này, vấn đề truyền thông được đặt lên hàng đầu. Trong nhiều trường hợp,
các khái niệm SCADA và “None-SCADA “ lại được dùng để phân biệt các
giải pháp điều khiển giám sát dùng công cụ phần mềm chuyên dụng (ví dụ
FIX, InTouch, WinCC, Lookout,…) hay phần mềm phổ thông (Acess, Excel,
Visual Basic, Delphi, Jbuilder,…). Ở đây, công nghệ phần mềm là vấn đề
quan tâm chủ yếu
Nói một cách tổng quát, một hệ SCADA không có gì khác là một hệ
thống điều khiển giám sát, tức là một hệ thống hỗ trợ con người trong việc
quan sát và điều khiển từ xa, ở cấp cao hơn hệ điều khiển thông thường.
Đương nhiên, để có thể quan sát và điều khiển từ xa cần phải có một hệ
thống truy cập ( không chỉ thu thập! ) và truyền tải dữ liệu, cũng như cần
phải có giao diện người -máy (Human - Machine Interface, HMI). Tuỳ theo
trọng tâm của nhiệm vụ mà người ta có những cách nhìn khác nhau. Tuy
nhiên một hệ SCADA thường phải có đủ những thành phần sau đây :
+Giao diện người – máy (sơ đồ công nghệ, đồ thị, phím thao tác,…)
+Cơ sở hạ tầng truyền thông công nghiệp
+Phần mềm kết nối với các nguồn dữ liệu (drivers cho các PLC, các
module vào/ra , cho các hệ thống bus trường
+Cơ sở dữ liệu quá trình
+Các chức năng hỗ trợ trao đổi tin tức(Messaging ) và xử lý sự cố (Alarm).
Hỗ trợ lập báo cáo (Reporting)
Hay nói một cách tổng quát hơn, hệ SCADA bao gồm các thành phần
chính như sau:
+Trạm điều khiển trung tâm (Master Station ): Có nhiệm vụ thu thập, lưu

trữ, xử lý số liệu và đưa ra các lệnh điều khiển xuống các trạm cơ sở
+Hệ thống trạm cơ sở (Operation Station ): là các trạm được đặt tại hiện
trường có nhiệm vụ thu thập, xử lý số liệu trong một phạm vi nhất định và
gửi các số liệu về trạm trung tâm đồng thời thực hiện các lệnh điều khiển từ
trạm trung tâm

SVTH: Lưu Văn Khoa

Trang 2


Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD: Nguyễn Đức Thành

+Mạng lưới truyền tin: Được xây dựng trên cơ sở mạng máy tính và truyền
thông công nghiệp có chức năng đảm bảo thông tin hai chiều giữa trạm điều
khiển trung tâm và các trạm cơ sở
Như ta thấy, HMI là một thành phần trong hệ SCADA, tuy nhiên
không phải chỉ ở cấp điều khiển giám sát, mà ngay ở các cấp thấp hơn
người ta cũng cần giao diện người –máy phục vụ việc quan sát và thao tác
vận hành cục bộ. Vì lý do giá thành, đặc tính kỹ thuật cũng như phạm vi
chức năng, ở các cấp gần với quá trình kỹ thuật này các OP (Operator
Panel) chuyên dụng chiếm vai trò quan trọng hơn
Sự tiến bộ trong công nghệ phần mềm và kỹ thuật máy tính PC, đặc
biệt là sự chiếm lónh thị trường của hệ điều hành Windows NT cùng với các
công nghệ của Microsoft đã thúc đẩy sự phát triển của các công cụ tạo
dựng phần mềm SCADA theo một hướng mới, sử dụng PC và Windows NT
làm nền phát triển và cài đặt. Từ phạm vi chức năng thuần tuý là thu thập
dữ liệu cho việc quan sát, theo dõi quá trình, một hệ SCADA ngày nay có

thể đảm nhiệm vai trò điều khiển cao cấp, điều khiển phối hợp. Phương
pháp điều khiển theo mẻ, điều khiển theo công thức (batch control, recipe
control) là những ví dụ tiêu biểu. Hơn thế nữa, khả năng tích hợp hệ thống
điều khiển giám sát với các ứng dụng khác nhau trong một hệ thống thông
tin, các phần mềm quản lý, tối ưu hoá hệ thống,..của toàn công ty cũng trở
nên dễ dàng hơn.
Trong giải pháp điều khiển phân tán, hệ thống truyền thông ở cấp
dưới (bus trường, bus chấp hành – cảm biến) đã có sẵn. Nếu như mạng máy
tính của một công ty cũng đã được trang bị (chủ yếu dùng Ethernet),thì cơ
sở hạ tầng cho việc truyền thông không còn là vấn đề lớn phải giải quyết.
Chính vì vậy, trọng tâm của việc xây dựng các giải pháp SCADA trong thời
điểm hiện nay là vấn đề lựa chọn công cụ phần mềm thiết kế giao diện và
tích hợp hệ thống.
II.Nguyên tắc hoạt động của hệ thống SCADA
Hệ thống SCADA hoạt động dựa trên nguyên tắc lấy tín hiện từ các
cơ cấu cảm biến được gắn trên các thiết bị công tác hoặc trên dây truyền
sản xuất gửi về cho máy tính (thực hiện phần thu nhận dữ liệu ) . Máy tính
xử lý, kiểm tra trạng thái hoạt động của hệ thống, các yêu cầu kỹ thuật của
sản phẩm đã được cài sẵn trong bộ nhớ. Đồng thời, máy tính sẽ hiển thị lại
những thông tin kỹ thuật của hệ thống trên màn hình, cho phép tự động
giám sát và điều khiển hệ thống và phát ra tín hiệu điều khiển đến máy

SVTH: Lưu Văn Khoa

Trang 3


Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD: Nguyễn Đức Thành

công tác tạo nên vòng tín hiệu kín (thực hiện chức năng giám sát và điều
khiển)
Việc điều khiển giám sát ở đây bao hàm hai ý nghóa :
+Con người theo dõi và điều khiển
+Máy tính giám sát và điều khiển
Đối với các hệ thống sản xuất tự động trước đây, việc kiểm tra giám
sát hoàn toàn do con người đảm trách. So với máy tính, tốc độ xử lý tính
toán của con người rất chậm và dễ nhầm lẫn .Việc tính toán điều khiển của
máy tính sẽ tránh được những hậu quả trên. Những sai sót nhỏ, đơn giản
thường xuyên gặp phải sẽ được máy tính giám sát và xử lý theo chương
trình được đặt sẵn. Đối với những sự cố lớn máy tính sẽ báo cho người theo
dõi biết và tạm dừng hoạt động của hệ thống để chờ quyết định của người
điều hành.
Vì vậy, bên cạnh khả năng hoạt động toàn hệ thống theo một chương
trình định trước, hệ SCADA còn cho phép người vận hành quan sát được
trạng thái làm việc của từng thiết bị tại các trạm cơ sở, đưa ra các cảnh báo,
báo động khi hệ thống có sự cố và thực hiện các lệnh điều khiển can thiệp
vào hoạt động của hệ thống khi có tình huống bất thường hay có sự cố
III.Chức năng và nhiệm vụ cơ bản của hệ thống SCADA:
1.Giám sát và phân tích hoạt động sản xuất:
Ngay khi nhận biết được những thông tin về hoạt động của hệ thống
từ các bộ phận cảm biến gửi về, máy tính sẽ phân tích những tín hiệu đó và
so sánh với những tín hiệu chuẩn, với những tín hiệu yêu cầu từ các tập tin
về cấu hình hoạt động của hệ thống sản xuất, hay các bảng cơ sở dữ liệu về
sản phẩm, quy trình sản xuất, các thông số công nghệ của các máy công
tác(dữ liệu tham khảo). Nhờ các bộ phận cảm biến, các thiết bị đo lường
mà trong quá trình sản xuất luôn thông báo cho người giám sát biết được
các thông tin về tiến trình hoạt động sản xuất, các thông số kỹ thuật ,số
lượng sản phẩm...

Việc giám sát ở đây bao hàm hai ý nghóa:
+Máy tính giám sát
+Con người giám sát
Việc theo dõi giám sát chủ yếu là do máy tính, con người chỉ đóng
vai trò phụ, chuyên theo dõi những biến cố lớn nguy hiểm đến hệ thống sản
xuất. Những trục trặc nhỏ hay những sai lệch thường xuyên gặp phải sẽ
được máy tính sửa chữa theo chương trình được cài sẵn

SVTH: Lưu Văn Khoa

Trang 4


Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD: Nguyễn Đức Thành

2.Hoạt động theo chương trình điều khiển
Ngoài các chức năng truyền thống là so sánh để điều khiển cơ cấu tác
động, ta còn có thể cho hệ thống hoạt động theo một chương trình đã lập từ
trước. Nhờ có bộ vi xử lý ta có thể lập trình cho hệ thống hoạt động theo
những chu trình phức tạp, máy tính sẽ đọc chương trình và xuất tín hiệu điều
khiển cho các cơ cấu hoạt động theo chương trình
Việc thay đổi chu trình hoạt động của máy tính hay thay đổi kích
thước mẫu mã sản phẩm chỉ là việc thay đổi chương trình. Mẫu mã, kích
thước được vẽ trên máy tính bằng các phần mềm chuyên dụng (Cimatron,
Pro Engineer..) rồi máy tính sẽ dịch lại theo mã máy để cho các máy điều
khiển số (NC,CNC) hiểu được.
3.Kiểm tra và đảm bảo chất lượng
Nhờ các thiết bị cảm ứng, các thiết bị đo lường được gắn trên máy mà

ta có thể đo, kiểm tra sản phẩm, loại bỏ các phế phẩm ngay từ nguyên nhân
hỏng, nhờ đó mà chất lượng sản xuất được nâng cao và giảm bớt chi phí sản
xuất; kịp thời phát hiện, báo động những biến cố xảy ra
4.Quản lý quá trình sản xuất
Các thông tin về hệ thống sản xuất đều được truyền về cho máy tính
giám sát và thống kê, tổng kết quá trình sản xuất: số lượng sản phẩm, số
lượng nguyên vật liệu còn tồn trữ, giúp người quản lý ra quyết định. Đặt
biệt là khả năng liên kết động (DDE-Dynamic Data Exchange) cho phép
các thông tin trên được kết nối, trao đổi cơ sở dữ liệu với các hệ thống
SCADA tương tự khác trên một mạng TCP/IP (Transfer Control
Protocol/Intenet Protocol)-một tập tiêu chuẩn (các giao thức) dùng cho quá
trình phát truyền và sửa lỗi đối với các dữ liệu, cho phép máy tính được
ghép mạng Internet sang máy tính khác). Điều này cho phép các hệ thống
có thể truy xuất dữ liệu cũng như xuất ra tín hiệu điều khiển lẫn nhau.
Hệ thống SCADA còn có khả năng liên kết với các hệ thống thương
mại có cấp độ cao hơn, cho phép đọc /viết theo cơ sở dữ liệu chuẩn ODBC
như Oracle , Access , Microsoft SQL…
IV. Phân loại hệ thống SCADA
Có nhiều loại hệ thống SCADA khác nhau nhưng trên cơ bản chúng
được chia làm 4 nhóm với những tính năng cơ bản sau :
+SCADA độc lập/SCADA nối mạng

SVTH: Lưu Văn Khoa

Trang 5


Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD: Nguyễn Đức Thành

+SCADA không có chức năng đồ hoạ(Blind)/SCADA có khả năng xử lý đồ
hoạ thông tin thời gian thực(real time)
1.Hệ thống SCADA mờ (Blind) :
Là hệ thống thu nhận, xử lý dữ liệu thu được bằng hình ảnh hoặc đồ
thị . Do không có bộ phận giám sát nên hệ thống rất đơn giản và giá thành
thấp
2.Hệ thống SCADA xử lý đồ hoạ thông tin thời gian thực (run time) :
Là hệ thống giám sát và thu nhận dữ liệu có khả năng mô phỏng tiến
trình hoạt động của hệ thống sản xuất nhờ các tập tin cấu hình của máy đã
được khai báo trước đó. Tập tin cấu hình sẽ ghi lại khả năng hoạt động của
hệ thống, các giới hạn không gian hoạt động, giới hạn về khả năng, công
suất làm việc của máy. Nhờ biết trước khả năng hoạt động của hệ thống
sản xuất mà khi có tín hiệu vượt quá tải hay có vấn đề đột ngột phát sinh,
hệ thống sẽ báo cho người giám sát biết trước để họ can thiệp vào hoặc tín
hiệu vượt quá mức cho phép hệ thống sẽ lập tức cho máy công tác ngưng
hoạt động
3.Hệ thống SCADA độc lập:
Là hệ thống giám sát và thu nhận dữ liệu với một bộ xử lý, thông
thường loại hệ thống SCADA này chỉ điều khiển một hoặc hai máy công cụ
hay còn gọi là workcell. Do khả năng điều khiển ít máy công tác nên hệ
thống sản xuất chỉ đáp ứng được cho việc sản xuất chi tiết, không tạo nên
được dây chuyền sản xuất lớn
4.Hệ thống SCADA mạng:
Là hệ thống giám sát và thu nhận dữ liệu với nhiều bộ xử lý có nhiều
bộ phận giám sát được kết nối với nhau thông qua mạng. Hệ thống này cho
phép điều khiển phối hợp được nhiều máy công tác hoặc nhiều nhóm
workcell tạo nên một dây chuyền sản xuất tự động. Đồng thời hệ thống có
thể kết nối tới nơi quản lý – nơi ra quyết định sản xuất hay có thể trực tiếp
sản xuất theo yêu cầu của khách hàng từ nơi bán hàng hay phòng thiết kế.

Do được kết nối mạng nên chúng ta có thể điều khiển từ xa các thiết bị
công tác mà điều kiện nguy hiểm (như làm việc ở nơi có môi trường phóng
xa, nơi có từ trường mạnh …) không cho phép con người đến gần
V.Tiêu chuẩn đánh giá
SVTH: Lưu Văn Khoa

Trang 6


Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD: Nguyễn Đức Thành

Mục đích trong việc đánh giá và lựa chọn của một người thiết kế hệ
thống không phải là tìm ra giải pháp tốt nhất, mà là một giải pháp đủ thoả
mãn các nhu cầu về mặt kỹ thuật với giá thành hợp lý, trong phạm vi ngân
sách cho phép. Để đánh giá một giải pháp SCADA, ta cần đặc biệt chú ý
đến những yếu tố sau:
+Khả năng hỗ trợ của công cụ phần mềm đối với việc thực hiện các màn
hình giao diện, chất lượng của các thành phần đồ hoạ có sẵn
+Khả năng truy cập và cách thức kết nối dữ liệu từ các quá trình kỹ thuật
(trực tiếp từ các cơ cấu chấp hành, cảm biến, các module vào / ra, qua các
thiết bị điều khiển khả trình PLC hay các hệ thống bus trường)
+Tính năng mở rộng của hệ thống
+Khả năng hỗ trợ xây dựng các chức năng trao đổi tin tức (Messaging), xử
lý sự kiện và sự cố (Event and Alarm), lưu trữ thông tin (Archive and
History) và lập báo cáo (Reporting)
+Tính năng thời gian, hiệu suất trao đổi thông tin
+Giá thành hệ thống phần mềm bao gồm công cụ phát triển ( Development
Tool ), chương trình chạy (Runtime Engine), tài liệu sử dụng, công đào tạo

và dịch vụ hỗ trợ, bảo trì
Sau đây, ta sẽ đi sâu bàn luận các vấn đề liên quan ba yếu tố đầu
tiên, hay nói cách khác là vấn đề liên quan tới công nghệ phần mềm. Đó
cũng là những khía cạnh làm nổi bật những đặc tính của các giải pháp
SCADA thế hệ mới
Tạo dựng một ứng dụng SCADA tối thiểu đòi hỏi hai phần việc
chính: xây dựng màn hình hiển thị và thiết lập mối quan hệ giữa các hình
ảnh trên màn hình với các biến quá trình. Như vậy, công việc tạo dựng một
ứng dụng SCADA trên nguyên tắc sẽ phức tạp hơn nhiều so với việc lập
trình giao diện đồ hoạ trong các ứng dụng thông thường. Có hai phương
pháp để tạo dựng:
Phướng pháp thứ nhất là sử dụng công cụ lập trình phổ thông như
Visual C++, Visual Basic, Jbuilder, Delphi và người lập trình phải tự làm từ
đầu, giống như việc phát triển các ứng dụng thông thường. Không kể đến
việc phải lập trình để kết nối dữ liệu qua các cổng truyền thông, thì công
việc lập trình đồ họa mặc dù có các công cụ hỗ trợ rất mạnh cũng gặp
nhiều khó khăn. Thứ nhất là phương pháp này đòi hỏi mức kiến thức lập
trình khá cao ở người lập trình. Thứ hai, việc lập trình các biểu tượng, ký
hiệu đồ hoạ thường dùng trong kỹ thuật (van, đường ống, bình nước, đồng
hồ, núm xoay…) đòi hỏi nhiều công sức. Để giải quyết vấn đề này, ta có thể
sử dụng các thư viện phần mềm dưới dạng thư viện lớp(class library) hay
SVTH: Lưu Văn Khoa

Trang 7


Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD: Nguyễn Đức Thành

thư viện thành phần (component library) có sẵn. Đặc biệt, việc sử dụng các
thư viện thành phần như ActiveX –controls hay JavaBeans nâng cao hiệu
suất lập trình một cách đáng kể. Tuy nhiên trong bất cứ trường hợp nào,
việc phải biên dịch lại toàn bộ ứng dụng (tức là phải sử dụng một compiler)
là điều không thể tránh khỏi. Do những hạn chế trên đây, phương pháp lập
trình này chỉ nên sử dụng trong các ứng dụng quy mô nhỏ và ít có yêu cầu
phải thay đổi.
Phương pháp thứ hai là sử dụng một công cụ phần mềm chuyên dụng
(ví dụ FIX, InTouch,WinCC,Lookout,…), gọi tắt là phần mềm SCADA. Các
công cụ này có chứa các thư viện thành phần cho việc xây dựng giao diện
người –máy cũng như phần mềm kết nối với các thiết bị cung cấp dữ liệu
thông dụng. Nhiều công cụ định nghóa một ngôn ngữ riêng (thường gọi là
script) phục vụ các mục đích này , tuy nhiên độ phức tạp của chúng cũng rất
khác nhau. Gần nay, xu hướng đơn giản hoá việc tạo dựng một ứng dụng
SCADA thể hiện ở sự kết hợp phương pháp lập trình hiển thị với sử dụng
một ngôn ngữ script thông dụng như Visual Basic for Application(VBA) và
VBScript, tương tự như việc soạn thảo một văn bản. Một số công cụ còn đi
xa hơn nữa, cho phép ta sử dụng các biểu tượng, ký hiệu đồ hoạ vừa để xây
dựng giao diện người – máy vừa để biểu diễn sự liên quan logic giữa các
thành phần của một chương trình dưới dạng biểu đồ khối chức năng (FBD)
quen thuộc, không cần tới một dòng lệnh kể cả script. Người ta cũng nói
đến khái niệm tạo lập cấu hình (configuring) thay cho lập trình (
programming)
Công nghệ đối tượng thành phần và tính năng mở:
Hiện nay, có lẽ không một phần mềm SCADA nào tự nhận là tiên
tiến mà không đưa từ khóa hướng đối tượng vào danh sách các đặc tính ưu
việt để quảng cáo. Mặc dù trong đại đa số các trường hợp, cách sử dụng
thuật ngữ như vậy mang tính chất lạm dụng, nhưng qua đó ít hay nhiều ta
cũng thấy tầm quan trọng của công nghệ đối tượng. Thực chất các thư viện
phần sẵn có trong những sản phẩm thuộc thế hệ mới thường được xây dựng

trên cơ sở một mô hình đối tượng, đặc biệt phải nói tới mô hình COM của
Microsoft. Việc sử dụng một mô hình đối tượng thành phần chuẩn công
nghiệp như COM mang lại nhiều ưu thế như:
+Nâng cao hiệu suất công việc thiết kế, xây dựng giao diện người –máy
bằng cách sử dụng ActiveX –Controls
+Nâng cao khả năng tương tác và khả năng mở rộng, hay nói cách khác là
tính năng mở rộng của hệ thống

SVTH: Lưu Văn Khoa

Trang 8


Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD: Nguyễn Đức Thành

+Thuận lợi trong việc sử dụng một chuẩn giao diện quá trình như OPC
(OLE for Process Control) để kết nối với các thiết bị cung cấp dữ liệu
quả thật, hầu hết (nếu không nói đến tất cả ) các phần mềm SCADA tiên
tiến nhất hiện nay điều hỗ trợ COM, cụ thể là đều có ba đặc điểm nêu trên.
Nếu trước đây để tạo dựng được một màn hình giao diện đồ hoạ, một người
lập trình có kinh nghiệm cần trung bình một vài ngày, thì nay thời gian có
thể giảm xuống tới một vài giờ. Sử dụng một công cụ tích hợp, ta có thể
hoàn toàn tập trung vào công việc chính mà không cần kiến thức chuyên
sâu về lập trình. Công nghệ đối tượng thành phần và các phương pháp
không lập trình đã mở ra khả năng này
VI. SCADA lên WEB
Một phép tính cho học sinh phổ thông: để cài đặt một ứng dụng
SCADA lên 10 trạm máy tính quan sát cần bao nhiêu thời gian? Mười lần

thời gian cài lên một máy !?Không, cũng chỉ bằng một lần! Công nghệ Web
cho phép chúng ta làm như vậy
Sử dụng Web làm nền cho các ứng dụng SCADA không chỉ mang lại
hiệu quả về thời gian cài đặt phần mềm mà trước tiên là mở khả năng mới
cho việc tích hợp hệ thống tự động hoá trong một hệ thống thông tin thống
nhất của công ty. Điều khiển giám sát không còn là chức năng độc quyền
của các chuyên viên kỹ thuật. Một giám đốc điều hành sản xuất, hay một
tổng giám đốc công ty đều có thể quan sát và tham gia điều hành quá trình
sản xuất từ phòng làm việc riêng, chỉ qua màn hình, bàn phím và chuột.
Tương tự như các báo cáo về tình hình sản xuất cũng như các chỉ thị không
nhất thiết phải đi theo con đường giấy tờ hay truyền miệng, mà trực tiếp
diễn ra “on-line”
Đưa SCADA lên Web cũng tạo điều kiện thuận lợi cho các dịch vụ
bảo trì hệ thống từ xa. Các nhà cung cấp giải pháp tự động hoá không cần
phải trực tiếp đến cơ sở sản xuất, mà có thể theo dõi toàn bộ diễn biến quá
trình kỹ thuật qua một trình duyệt như Internet Explorer hay Netscape
Navigator, trên cơ sở đó có thể chuẩn đoán, xác định lỗi và đưa ra phương
hướng giải quyết thích hợp
VII. Nhìn về tương lai
Điều khiển giám sát hay SCADA không còn là những khái niệm mới
mẻ, những tiến bộ trong công nghệ để thực hiện thì luôn luôn đổi mới. Bên
cạnh các xu hướng mới như việc sử dụng các thiết bị cảm biến và cơ cấu
chấp hành thông minh, mạng truyền thông công nghiệp và mềm hoá các
SVTH: Lưu Văn Khoa

Trang 9


Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD: Nguyễn Đức Thành

giải pháp điều khiển, thì các hệ SCADA sẽ chiếm vai trò quan trọng trong
nhiều lónh vực ứng dụng khác nhau.Tầm nhìn cho một công ty trong tương
lai với một hệ thần kinh số (DNS), tích hợp toàn bộ hệ thống điều khiển tự
động, điều khiển giám sát với các hệ thống điều hành sản xuất và quản lý
công ty, có thể sẽ rất nhanh chóng trở thành hiện thực. Đó chính là hướng
chiến lược cho các công ty trên con đường phát triển ở thời đại kinh tế trí
tuệ và xã hội thông tin trong thế kỷ XXI.

SVTH: Lưu Văn Khoa

Trang 10


Luận Văn Tốt Nghiệp

Chương 2

GVHD: Nguyễn Đức Thành

MẠNG TRUYỀN THÔNG CÔNG NGHIỆP

I. Khái niệm
1. Khái niệm về mạng truyền thông công nghiệp
Sự phổ biến của các giải pháp tự động hoá 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 đương nhiên là của cả kỹ thuật tự động
hoá. Mạng truyền thông công nghiệp hay mạng công nghiệp ( MCN ) 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 bị công nghiệp. Các hệ thống
truyền thông công nghiệp phổ biến hiện nay cho phép liên kết mạng ở
nhiều mức khác nhau, từ các bộ cảm biến, cơ cấu chấp hành dưới cấp
trường cho đến các máy tính điều khiển, thiết bị quan sát, máy tính điều
khiển quan 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 địa lý và số lượng thành viên tham gia
lớn hơn rất nhiều, nên các yêu cầu kỹ thuật (cấu trúc mạng, tốc độ
truyền thông, tính năng thời gian thực,…) rất khác, cũng như các
phương pháp truyền thông ( truyền tải dải rộng / dải cơ sở, điều biến,
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 bị 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 tượng của mạng công nghiệp thuần tuý là các thiết bị công
nghiệp, nên dạng thông tin được quan tâm duy nhất là dữ liệu. Kỹ
thuật truyền thông được 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 được so sánh với mạng máy tính thông thường ở
những điểm giống nhau và khác nhau 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.

SVTH: Lưu Văn Khoa

Trang 11


Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD: Nguyễn Đức Thành

• Yêu cầu về tính năng thời gian thực, độ tin cậy và khả năng tương
thích trong môi trường công nghiệp của mạng truyền thông công
nghiệp cao hơn so với một mạng máy tính thông thường, trong khi đó
mạng máy tính thường đòi hỏi cao hơn về bảo mật của thông tin.
• Mạng máy tính có phạm vi trải rộng rất khác nhau, ví dụ có thể nhỏ
như mạng LAN cho một nhóm vài máy, hoặc rất lớn như mạng
Internet. Trong nhiều trường hợp, mạng máy tính gián tiếp sử dụng
dịch 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.
Vậy, mạng truyền thông công nghiệp có vai trò quan trọng như thế nào
trong các lónh vực đo lường, điều khiển và tự động hoá ngày nay ? Sử dụng
mạng truyền thông công nghiệp, đặc biệt là bus trường để thay thế cách nối
điểm-tới – điểm cổ điển giữa các thiết bị công nghiệp mang lại hàng loạt
những lợi ích như sau:
• Đơn giản hoá cấu trúc liên kết giữa các thiết bị công nghiệp
• Giảm đáng kể giá thành dây nối và công lắp đặt hệ thống
• Nâng cao độ tin cậy và độ chính xác của thông tin nhờ truyền thông
số
• Nâng cao độ linh hoạt, tính năng mở của hệ thống
• Đơn giản hóa, tiện lợi hoá việc chuẩn đoán, định vị lỗi, sự cố của các
thiết bị

• Nâng cao khả năng tương tác giữa các thành phần (phần cứng và
phần mềm) nhờ các phần mềm chuẩn
• Mở ra nhiều chức năng và khả năng ứng dụng mới của hệ thống, ví
dụ như các ứng dụng điều khiển phân tán, điều khiển giám sát hoặc
chuẩn đoán lỗi từ xa qua Internet.
Trong điều khiển quá trình, các hệ thống bus trường cũng đã dần dần
thay thế các mạch dòng tương tự (current loop) 4-20mA. Ưu thế của giải
pháp dùng mạng công nghiệp không những nằm ở phương diện kỹ thuật,
mà còn ở khía cạnh hiệu quả kinh tế. Chính vì vậy, ứng dụng của nó rộng
rãi trong hầu hết các lónh vực công nghiệp, như điều khiển quá trình, tự
động hoá xí nghiệp, tự động hoá toà nhà, điều khiển giao thông,v.v… Nói
tóm lại, sử dụng mạng truyền thông công nghiệp là không thể thiếu được
trong việc tích hợp các hệ thống tự động hóa hiện đại.
2. Phân loại và đặc trưng các hệ thống MCN

SVTH: Lưu Văn Khoa

Trang 12


Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD: Nguyễn Đức Thành

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 các cho
công, ty xí nghiệp sản xuất. Với loại mô hình này các chức năng đươc phân
thành nhiều cấp khác nhau, như được minh họa trên hình dưới

Càng ở cấp dưới thì các chức năng càng mang tính chất cơ bản hơn và

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 của cấp dưới, tuy
nhiên không đòi hỏi thời gian phản ứng nhanh như ở cấp dưới, nhưng ngược
lại lượng thông tin cần trao đổi và xử lý lại lớn hơn nhiều. Có thể coi đây là
một mô hình phân cấp chức năng cho cả hệ thống tự động hoá nói chung
cũng như cho hệ thống truyền thông nói riêng của một công ty.
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 lí hoặc logic kiểu bus
Như ta sẽ thấy, mô hình phân cấp chức năng sẽ tiện lợi cho việc thiết
kế hệ thống và lựa chọn thiết bị. Trong thực tế ứng dụng, sự phân cấp chức
năng có thể hơi khác so với trình bày ở đây, tuỳ thuộc vào mức độ tự động
hoá và cấu trúc hệ thống cụ thể. Trong trường hợp ứng dụng đơn giản như
điều khiển trang thiết bị dân dụng (máy giặt, máy lạnh, điều hoà độ ẩm,…),
sự phân chia nhiều cấp có thể hoàn toàn không cần thiết. Ngược lại, trong
tự động hoá một nhà máy lớn hiện đại như điện nguyên tử, sản xuất xi

SVTH: Lưu Vaên Khoa

Trang 13


Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD: Nguyễn Đức Thành

măng, lọc dầu, ta có thể chia nhỏ hơn nữa các cấp chức năng để tiện theo
dõi.
a. Bus trường, bus thiết bị

Bus trường (fieldbus) thực ra là một khái niệm chung được sử dụng
trong các 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 cấp điền khiển (PC,
PLC) với nhau và với các thiết bị ở cấp chấp hành, các thiết bị trường. Các
chức năng chính của cấp chấp hành là đo lường, dẫn động và chuyển đổi tín
hiệu trong trường hợp cần thiết. Các thiết bị có khả năng nối mạng là các
bộ vào / ra phân tán (distributed I/O) , các thiết bị cảm biến ( sensor ), hoăc
cơ cấu chấp hành ( actuator) 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 hoá dây chuyền sản xuất, gia
công, lắp ráp ) hoặc ở một số lónh vực ứng dụng khác như tự động hoá toà
nhà, sản xuất xe hơi, khái niệm bus thiết bị lại được dùng 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
rất 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 mili giây.
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 cảnh báo
có tính chất bất thường.
Các hệ thống bus trường được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay là

PROFIBUS , ControlNet, Interbus-S , CAN , WorldFIP , P-NET , Modbus
và gần đây phải kể tới Foundation Fieldbus, DeviceNet, AS-I, EIB và

SVTH: Lưu Văn Khoa

Trang 14


Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD: Nguyễn Đức Thành

Bitbus là một vài hệ thống bus cảm biến / chấp hành tiêu biểu có thể nêu
ra ở đây.
b. Bus hệ thống , Bus quá trình
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 lónh 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 giám 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 thao tác và các trạm chủ cũng trao đổi dữ liệu qua hệ thống bus
. Ngoài ra các máy in báo cáo và dữ liệu lưu trữ cũng được kết nối qua
mạng này
Chú ý, sự phân biệt giữa các khái niệm bus trường và bus hệ thống
không bắt buộc nằm ở sự khác nhau về kiểu bus được sử dụng, mà ở mục
đích sử dụng hay nói cách khác là ở các thiết bị được ghép nối. Trong một

số giải pháp, một kiểu bus duy nhất được dùng cho cả ở hai cấp này
Đối với bus hệ thống, tuỳ theo lónh 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
Do các yêu cầu về tốc độ truyền thông và khả năng kết nối dễ dàng
nhiều loại máy tính, kiểu bus hệ thống thông dụng nhất là Ethernet cũng
như Industrial Ethernet. Bên cạnh đó phải nói đến PROFIBUS-FMS,
Modbus Plus và Fieldbus Foundation’s High Speed Ethernet
c. 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 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,
SVTH: Lưu Văn Khoa

Trang 15


Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD: Nguyễn Đức Thành

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 như :máy in , máy chủ,…
Khác với 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 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.
d. 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 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, tuỳ 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 và 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 đại và tương
lai.
II. Cơ sở kỹ thuật
1. Khái niệm về tính năng thời gian thực

SVTH: Lưu Văn Khoa

Trang 16