Tìm hiểu về giao diện giao thức các hệ thống mạng trong công nghiệp

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THƠNG

----------

NGUYỄN HỒNG ĐỨC

TÌM HIỂU VỀ GIAO DIỆN GIAO THỨC CÁC HỆ THỐNG
MẠNG TRONG CÔNG NGHIỆP

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH

Thái ngun, 10/2011
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THƠNG

----------

NGUYỄN HỒNG ĐỨC

TÌM HIỂU VỀ GIAO DIỆN GIAO THỨC CÁC HỆ THỐNG
MẠNG TRONG CÔNG NGHIỆP

CHUYÊN NGÀNH: KHOA HỌC MÁY TÍNH
MÃ SỐ : 60 48 01

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TS. PHÍ MẠNH LỢI

Thái nguyên, 10/2011

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




i

LỜI CAM ĐOAN
Tơi tên là : Nguyễn Hồng Đức
Tơi cam đoan rằng, luận văn thạc sĩ “Tìm hiểu về giao diện, giao thức các
hệ thống mạng trong công nghiệp” là cơng trình nghiên cứu của riêng tơi. Các
thơng tin, số liệu được sử dụng trong luận văn là trung thực và chính xác, những số
liệu được sử dụng được chỉ rõ nguồn trích dẫn trong danh mục tài liệu tham khảo.
Kết quả nghiên cứu này chưa được công bố trong bất kỳ cơng trình nghiên cứu nào
từ trước đến nay.

Thái ngun, ngày 20/09/2011
Học viên

Nguyễn Hồng Đức

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

ii

LỜI CẢM ƠN
Để hồn thành chương trình cao học và viết luận văn này, tôi đã nhận được
sự hướng dẫn, giúp đỡ và góp ý nhiệt tình của q thầy cô Trường Đại Học Công
Nghệ Thông Tin và Truyền Thông, các Thầy trong Viện Công Nghệ Thông Tin
Việt Nam.
Tôi xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến Tiến sĩ Phí Mạnh Lợi đã dành rất nhiều
thời gian và tâm huyết hướng dẫn nghiên cứu và giúp tơi hồn thành luận văn tốt
nghiệp. Nhân đây, tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu Trường Đại Học
Công Nghệ Thông Tin và Truyền Thông – Đại học Thái Nguyên đã tạo rất nhiều
điều kiện để tơi học tập và hồn thành tốt khóa học.
Mặc dù tơi đã có nhiều cố gắng hồn thiện luận văn bằng tất cả sự nhiệt tình
và năng lực của mình, tuy nhiên khơng thể tránh khỏi những thiếu sót, rất mong
nhận được những đóng góp q báu của q thầy cơ và các bạn.

Thái ngun, tháng 10 năm 2011
Học viên

Nguyễn Hồng Đức

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




iii

MỤC LỤC
Trang phụ bìa
Lời cam đoan
Mục lục

i

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt

ii

Danh mục các bảng

iii

Danh mục các hình (hình vẽ, ảnh chụp, đồ thị...)

iv

Mở đầu

1

Chương 1: Hệ thống điều khiển phân tán

3

1.1. Hệ thống SCADA và phân cấp quản lý

3

1.2. Chức năng và một số giao thức chuẩn áp dụng trong hệ thống SCADA:

4

1.2.1. Chức năng chính của hệ thống SCADA:

4

1.2.2. Một số giao thức chuẩn áp dụng trong hệ thống SCADA:

5

1.3. Các thành phần của một hệ điều khiển phân tán.

5

1.3.1 Cấu hình cơ bản.

5

1.3.2 Trạm điều khiển cục bộ.

6

1.3.3 Bus trường và các trạm vào/ra từ xa

8

1.3.4 Trạm vận hành

9

1.3.5 Trạm kỹ thuật và các công cụ phát triển

11

1.3.6 Bus hệ thống

12

1.4 Phân loại các hệ DCS

13

1.4.1 Các hệ DCS truyền thống

13

1.4.2 Các hệ DCS trên nền PLC.

14

1.4.3 Các hệ DCS trên nền PC

16

1.4.4 DCS trên cơ sở RTU, PLC và IED

17

1.5 Các vấn đề kỹ thuật

17

1.6 Xử lý thời gian thực và xử lý phân tán

18

1.6.1 Hệ thống thời gian thực

18

1.6.2 Xử lý thời gian thực.

19

1.6.3 Hệ điều hành đa nhiệm và các ứng dụng thời gian thực

20

1.6.4 Xử lý phân tán

21

1.7 Đồng bộ hóa trong xử lý phân tán
1.7.1 Đồng bộ hóa các tín hiệu vào/ra
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

22

22



iv
1.7.2 Đồng bộ hóa thời gian

23

Chương 2 : Giao diện-giao thức và cấu hình mạng

24

2.1. Truyền tin nối tiếp

24

2.1.1. Truyền tin nối tiếp dị bộ

24

2.1.2. Truyền tin nối tiếp đồng bộ

25

2.2 Tín hiệu đơn và tín hiệu vi sai:

26

2.1.1. Truyền dẫn sử dụng tín hiệu đơn (Single-Ended)

26

2.1.2. Truyền dẫn sử dụng tín hiệu vi sai (Differential)

27

2.1.3. Khả năng chống nhiễu giữa tín hiệu đơn và tín hiệu vi sai

27

2.3 Đơn truy cập và đa truy cập

27

2.3.1. Đa truy cập trên giao diện RS485

28

2.3.2. Đa truy cập CSMA/CD

29

2.3.3. Đa truy cập CSMA/CA

30

2.3.4 Đa truy cập CDMA

30

2.3.5. Giả ngẫu nhiên, nén phổ và thơng tin trái phổ

31

2.4. Cấu hình mạng: Star, Ring, Bus, Optical Cable.

36

2.4.1 Cấu hình mạng Star.

36

2.4.2 Cấu hình mạng Ring

37

2.4.3 Cấu hình mạng Bus

38

2.4.4 Optical Cable

38

2.5 Giao diện và giao thức:

42

2.6. Giao diện.

42

2.6.1. Giao diện RS232

42

2.6.2 Giao diện RS485.

45

2.6.2.1 Đặc điểm giao diện RS485

45

2.6.2.2 Khả năng kết nối:

46

2.6.2.3 Mạng truyền nhận RS-485.

47

2.6.3 Sự khác nhau cơ bản giữa RS 232 và RS 485

48

2.6.4 Kết nối dùng chuẩn X.25

48

2.6.5 Ethernet

49

2.6.5.1. Ethernet là gì ?

49

2.6.5.2 Hệ thống Ethernet

50

2.6.5.3 Sự ra đời chuẩn Ethernet

50

2.6.5.4 Các thành phần của Ethernet

51

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




v
2.6.5.5 Hoạt động của Ethernet

51

2.7 Giao thức
2.7.1 Giao thức truyền tin

52

2.7.1.1 Thiết bị DTE và DCE

52

2.7.1.2 Kênh dữ liệu và liên kết dữ liệu:

52

2.7.1.3 Các loại giao thức truyền tin:

55

2.7.1.4 Đánh giá giao thức COP:

57

2.7.1.5 Đánh giá giao thức dạng BOP:

58

2.7.2. Giao thức MODBUS.

58

2.7.2.1 Lịch sử của Modbus protocol.

58

2.7.2.2 Cấu trúc thông điệp Modbus

59

2.7.2.3 Các chế độ truyền thông nối tiếp Modbus

60

2.7.2.4 Địa chỉ Modbus

61

2.7.2.5 Các mã chức năng của Modbus

61

2.7.2.6 Qui chiếu địa chỉ của Modbus

62

2.7.2.7 Ví dụ một số khung tin của Modbus

62

2.7.3. Giao thức Profinet.

63

2.7.4 Giao thức IEC870-5-101; 103; 104; ICCP và ELCOM90

64

2.7.5 Giao thức TCP/IP

68

2.7.6. Quan hệ giữa giao thức lớp thấp và lớp cao

71

2.7.7 So sánh TCP/IP với mơ hình OSI

78

Chương 3 : Hệ thống mạng công nghiệp và ứng dụng xây dựng bộ cảnh
báo 32 kênh sử dụng giao diện RS232/RS485

79

3.1. Mạng truyền thông cơng nghiệp là gì?

79

3.2. Phân loại và đặc trưng các hệ thống mạng công nghiệp

80

3.2.1. Các lớp dưới cùng (cấp chấp hành)

80

3.2.2. Lớp giữa (Điều khiển)

82

3.2.3. Lớp trên cùng (quản lý)

83

3.2.4. Lớp Scada

84

3.3. An toàn trong mạng

85

3.4. Ứng dụng xây dựng bộ cảnh báo 32 kênh sử dụng giao diện
RS232/RS485
PHẦN KẾT LUẬN
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

90
95

vi
KIẾN NGHỊ NHỮNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO

96

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CĨ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN

97

TÀI LIỆU THAM KHẢO

98

PHỤ LỤC

99

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




iv

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
Chữ viết tắt
LCS
LCU

OS
ES
PS
CPU
DCS
COP
BOP

I/O
ECC

Chữ đầy đủ, nghĩa
Local control station ; Trạm điều khiển cục bộ
local control unit ; Khối điều khiển cục bộ
operator station, trạm vận hành
engineering station, Trạm kỹ thuật
process station, trạm quá trình(xử lý)
Center Processing Unit; Bộ xử lý trung tâm
Distributed Control Systems; Hệ thống điều khiển phân tán
Character Oriented Protocol; Giao thức truyền tin dạng ký tự
Bit (Binary) Oriented Protocol ; Giao thức truyền tin dạng Bít
Reference Model for Open Systems Interconnection
Mơ hình tham chiếu cho việc kết nối các hệ thống mở
Supervisory Control and Data Acquisition
Hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu
Remote Terminal Unit ; Là một thiết bị được điều khiển bằng bộ vi xử lý
Programmable Logic Controller
là một thiết bị được điều khiển bằng chương trình (phần mềm)
(In put/Out put)
Error checking and correcting ; Kiểm tra lỗi và sửa lỗi

DTE

Data Terminal Equipement ; Thiết bị đầu cuối dữ liệu

DCE

Data Communication Equipement; Thiết bị đầu cuối viễn thông
Transmission Control Protocol/ Internet Protocol
Giao thức điều khiển/ Giao thức Internet
Cyclic Redundancy Check ; Phương pháp mã đa thức hay mã vịng
Spread Spectrum Communication - Thơng tin trải phổ
Pseudo Random - Giả ngẫu nhiên
Global Positioning Systeem - Hệ thống định vị toàn cầu (USA)

OSI
SCADA
RTU
PLC

TCP/IP
CRC
SSC
PR
GPS
GLONASS
CDMA
CSMA/CD
CSMA/CA
LAN

Глoбальная Нaвигационная Спутниковая Система –
Hệ thống dẫn đường vệ tinh tồn cầu (Liên xơ/Nga)
Code Division Multiple Access ; đa truy nhập (đa người dùng) phân chia theo mã
Carrier sense Multiple Access with Collision Detect
đa truy cập nhận biết sóng mang, phát hiện xung đột
Carrier sense Multiple Access with Collision Avoidance
đa truy cập nhận biết sóng mang , tránh xung đột
Local Area Network – Mạng cụ bộ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




v

Wireless LAN

LAN khơng dây

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Nội dung

Hình

Trang

Hình 1.1

Tổng quan hệ thống SCADA

4

Hình 1.2

Cấu hình cơ bản của một hệ điều khiển phân tán

6

Hình 1.3

Một số hình ảnh tủ điều khiển DCS

9

Hình 1.4

Các phương pháp bố trí trạm vận hành

10

Hình 1.5

Cấu hình tiêu biểu một hệ điều khiển phân tán hiện đại

12

Hình 1.6

Các thành phần chức năng chính của một PLC

15

Hình 2.1

Khả năng chống nhiễu giữa truyền tín hiệu đơn và tín hiệu vi sai

27

Hình 2.2

Phổ rời rạc của dãy bít số liệu.

31

Hình 2.3

Phổ liên tục của dãy giả ngẫu nhiên PN và PND

33

Hình 2.4

Ngẫu nhiên hóa số liệu

34

Hình 2.5

Các trường hợp trải phổ và nén phổ

34

Hình 2.6

Tạo kênh liên lạc bằng dãy giả ngẫu nhiên

35

Hình 2.7

Mơ hình mạng Star

36

Hình 2.8

Mơ hình mạng Ring

37

Hình 2-9

Cấu trúc mạng hình tuyến

38

Hình 2.10

Hình dạng cáp quang

38

Hình 2.11

Cổng nối tiếp 9 chân

42

Hình 2.12

Đường truyền cân bằng

46

Hình 2.13

Đường truyền khơng cân bằng

46

Hình 2.14

Sơ đồ giao thức Master/Slave

47

Hình 2.15

Kết nối WAN dùng mạng X25

48

Hình 2.16

Liên kết dữ liệu giữa DTE và DCE

52

Hình 2.17

Các cấu hình liên kết dữ liệu

53

Hình 2-18

Kiến trúc TCP/IP

68

Hình 2-19

Q trình đóng/mở gói dữ liệu trong TCP/IP

70

Hình 2-20

Cấu trúc dữ liệu trong TCP/IP

71

Hình 2.21

Mơ hình OSI

75

Hình 2.22

So sánh TCP/IP với mơ hình OSI

78

Hình 3.1

Mơ hình phân cấp chức năng cơng ty sản xuất cơng nghiệp

80

Hình 3.2

Phía trước bộ cảnh báo

92

Hình 3.3

Phía sau bộ cảnh báo

93

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




vi

Hình 3.4

Đấu nối nguồn ni, tín hiệu vào DI, tín hiệu ra SCADA và cổng RS232

93

Hình 3.5

Đấu nối cịi báo, nhấn nút TEST, RESET và ACK

94

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1

Phương pháp đa truy cập

Bảng 2.2

Cách đấu nối chuyển đổi cổng nối tiếp 9 chân sang 25 chân

43

Bảng 2.3

Giải thích các tín hiệu điều khiển lưu lượng

43

Bảng 2.4

Bảng quy chiếu tính năng của các giao diện cơ bản trong hệ thống
mạng cơng nghiệp

72

40,41

Bảng quy chiếu tính năng của các giao thức cơ bản trong hệ thống
Bảng 2.5
Bảng 3.1

73, 74

mạng công nghiệp.
So sánh mạng công nghiệp và các hệ thống mạng khác

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

79


1

MỞ ĐẦU
Ngày nay với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ trong công
nghiệp, hoạt động sản xuất đã được tự động hóa ở mức độ cao, ở đó sự tham gia rất
hiệu quả của cơng nghệ thơng tin.
Các dây chuyền sản xuất công nghiệp được cấu thành từ nhiều phân hệ độc
lập nhưng được tự động liên kết thống nhất với nhau trong sự kiểm soát chặt chẽ
khơng chỉ ở qui trình cơng nghệ cụ thể mà cịn ở trình độ quản lý từ tối ưu sản xuất
đến tối ưu về công tác tiêu thụ (thị trường).
Điều đó được thực hiện trên cơ sở kết nối tất cả cả các phân hệ trong dây
chuyền sản xuất và tiêu thụ qua hệ thống mạng, được gọi là mạng cơng nghiệp.
Về cơ bản mạng cơng nghiệp có cùng chức năng như các loại mạng nói
chung khác. Tuy nhiên do đặc thù của sản xuất công nghiệp, các sự kiện xảy ra trên
toàn bộ dây chuyền sản xuất hoàn toàn trong thời gian thực, đỏi hỏi độ tin cậy, xác
thực, mở và thống nhất rất cao. Một lỗi kết nối có thể là bình thường ở một mạng
văn phịng, nhưng có thể phải trả giá rất lớn về ở một mạng công công nghiệp.
Lý do chọn đề tài:
- Hiện nay công nghệ thông tin tham gia rất sâu vào các dây chuyền sản xuất
cơng nghiệp.
- Tại đó có sử dụng công nghệ mạng,
- Tuy nhiên các giải pháp mạng trong sản xuất cơng nghiệp có đặc thù riêng,
được phân chia thành nhiều lớp, tuân thủ các chuẩn quốc tế, đảm bảo dây chuyền
sản xuất làm việc tin cậy, an toàn, địi hỏi tính mở rất cao và thỏa mãn tính thời gian
gian thực của các q trình tự động hóa sản xuất.

- Các dây chuyền sản xuất của hệ thống điều khiển tự động ngày nay được
xây dựng dưới dạng các hệ thống điều khiển phân tán DCS.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




2

- Ở đó hệ thống được phân chia thành các phân hệ liên kết với nhau bởi
công nghệ mạng theo các tiêu chuẩn khác nhau.
- Việc trao đổi thông tin giữa các phân hệ được thông qua các giao diện,
giao thức truyền tin.
Xuất phát từ những lý do đó nên em chọn đề tài: ―Tìm hiểu về giao diện,
giao thức các hệ thống mạng trong Công nghiệp‖ với sự hướng dẫn của Thầy
giáo TS. Phí Mạnh Lợi Viện CNTT Việt Nam.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu.
- Đối tượng nghiên cứu của đề tài là các giao diện, giao thức và các hệ thống
mạng và khả năng áp dụng trong các ứng dụng công nghiệp.
- Phạm vi nghiên cứu của đề tài là:
 Các giao diện: RS232, RS485, Ethernet, ….
 Các phương pháp nâng cao độ tin cậy kết nối
 Các phương pháp truy cập
 Các giao thức : MODBUS, IEC870-5-101, IEC870-5-103, IEC870-5104, ICCP, ELCOM90, TCP/IP, ....
 Cấu hình các hệ thống SAS/DCS, SCADA,..
Hướng nghiên cứu của đề tài
 Tìm hiểu về yêu cầu và cấu trúc cơ bản của một hệ thống điều khiển
giám sát.
 Tìm hiểu về các giao diện, các phương thức truyền tin

 Tìm hiểu về các giao thức truyền tin áp dụng trong các hệ thống
mạng trong cơng nghiệp.
 Tìm hiểu các ưu, nhược điểm và đặc điểm của các hệ thống mạng
trong công nghiệp
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




3

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




4

Chương 1
Hệ thống điều khiển phân tán
Hệ thống SCADA và phân cấp quản lý
Hiểu theo nghĩa đầy đủ, hệ thống Điều khiển kiểm soát và thu thập dữ liệu
(SCADA) trong công nghiệp cho phép điều khiển giám sát hoạt động của các hệ
thống cơng nghệ, bao gồm q trình sản xuất tại các nhà máy xí nghiệp trong tồn
ngành, cho tới giám sát từ xa tại các Trung tâm điều hành các cấp và cả công tác
điều hành thị trường.
Do được cấu thành từ rất nhiều phân hệ và được trải ra trên không gian địa lý
rộng lớn, hệ thống SCADA là điển hình của hệ thống điều khiển phân tán.
Hệ thống SCADA thường có phân cấp quản lý như sau:
a. Cấp hiện trường

b. Cấp nhà máy
c. Cấp vùng miền
d. Cấp ngành
Cấp hiện trường quản lý dây chuyền công nghệ sản xuất trong một nhà máy xí
nghệp nhất định.
Cấp nhà máy quản lý tồn bộ q trình sản xuất của nhà máy, bao gồm quản lý
cấp hiện trường và các quản lý khác thuộc nhà máy xí nghiệp.
Vị trí của cấp hiện trường và cấp nhà máy đặt tại nhà máy xí nghiệp.
Cấp vùng miền quản lý nhiều nhà máy xí nghiệp trong vùng được phân cơng
quản lý. Ở Việt nam cấp này có vị trí đặt ở trung tâm vùng miền.
Cấp ngành quản lý chung quá trình sản xuất và thị trường của toàn ngành. Đây
là cấp quản lý cao nhất đối với ngành.
Nhà nước thực hiện công tác quản lý ngành thơng qua cấp này.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




5

Có 2 yêu cầu lớn đối với hệ thống SCADA:
a.

Là hệ thống phức tạp đắt tiền nên các thành phần của SCADA được cung
cấp bởi nhiều nhà sản xuất. Do đó có yêu cầu cao về chuẩn hóa thiết bị,
đặc biệt là về các giao diện và giao thức.

b.

Do được trải ra trên không gian địa lý rộng lớn nên cần nhiều dịch vụ

viễn thông để kết nối các phân hệ của hệ thống SCADA.
ICCP/ELCOM90

CC (Center)

IEC 870-5-101/104

CC (Center)

IEC 870-5-101/104

IEC 61850
RTU, PLC
870-5-103/MODBUS

SAS/DCS

IEC 870-5-103/MODBUS

Hình 1.1 – Tổng quan hệ thống SCADA

1.1 Chức năng và một số giao thức chuẩn áp dụng trong hệ thống SCADA:
1.2.1. Chức năng chính của hệ thống SCADA:
Hệ thống SCADA có một số chức năng chính sau đây:
 + Chức năng thu thập dữ liệu
 +Chức năng điều khiển, điều chỉnh (tại chỗ và từ xa).
 + Chức năng tạo các cảnh báo
 + Chức năng tạo các biểu đồ, đồ thị
 +Chức năng lưu trữ và truy xuất số liệu và thông tin.
 +Chức năng trung chuyển số liệu và thông tin (lên cấp quản lý cao hơn)

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




6

 +….
Ngày nay các hệ thống điều khiển kiểm soát không chỉ là hệ thống quản lý thuần
túy kỹ thuật. Vai trò của hệ thống SCADA cũng chỉ quản lý hạ tầng kỹ thuật với các
phần mềm tương ứng. Các hệ thống SCADA nói trên cần được tích hợp thêm các
ứng dụng kinh tế - kỹ thuật và thị trường. Đối với ngành năng lượng hệ thống như
vậy được gọi là SCADA/EMS (EMS tiếng Anh có nghĩa là Energy Management
System). Đây là chức năng mới và đang bắt đầu được ứng dụng tại Việt nam.
1.2.2. Một số giao thức chuẩn áp dụng trong hệ thống SCADA:
Kết nối dữ liệu trong hệ thống SCADA hiện nay thường tuân thủ một số giao thức sau
-

Giữa RTU với với dây chuyền công nghệ sử dụng giao thức IEC870-5-103
hoặc giao thức của nhà sản xuất

-

Giữa SAS/DCS với IED sử dụng giao thức MODBUS trên RS485/RS232,....

-

Giữa GateWay của SAS/DCS với CC sử dụng giao thức IEC870-5-101 trên
RS232/Modem hoặc giao thức IEC870-5-104 qua mạng TCP/IP (giao diện
Ethernet).

-

Giữa CC với CC sử dụng giao thức ICCP hoặc ELCOM90

-

Giữa CC với hệ thống quản lý thị trường sử dụng giao thức ICCP hoặc
ELCOM90,...

1.3. Các thành phần của một hệ điều khiển phân tán.
1.3.1 Cấu hình cơ bản.
Cấu hình cơ bản một hệ điều khiển phân tán được minh họa ở Hình 1-2,
bao gồm các thành phần sau:
- Các trạm điều khiển cục bộ (local control station, LCS), đôi khi còn được
gọi là các khối điều khiển cục bộ (local control unit, LCU) hoặc các trạm quá
trình (process station, PS).
- Các trạm vận hành (operator station, OS)
- Trạm kỹ thuật (engineering station, ES) và các công cụ phát triển
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




7

- Hệ thống truyền thơng (field bus, system bus).

Hình 1.2: Cấu hình cơ bản của một hệ điều khiển phân tán

Đây là cấu hình tối thiểu, các cấu hình cụ thể có thể chứa các thành phần
khác như trạm vào/ra từ xa (remote I/O station), các bộ điều khiển chuyên dụng,...
1.3.2 Trạm điều khiển cục bộ.
Thông thường, các trạm điều khiển cục bộ được xây dựng theo cấu trúc
module. Các thành phần chính bao gồm:
- Bộ cung cấp nguồn, thơng thường có dự phịng
- Khối xử lý trung tâm (CPU), có thể lựa chọn loại có dự phịng
- Giao diện với bus hệ thống, thơng thường cũng có dự phịng
- Giao diện với bus trường nếu sử dụng cấu trúc vào/ra phân tán
- Các module vào/ra số cũng như tương tự, đặc biệt là các module vào/ra an
toàn cháy nổ
Trong cấu trúc vào/ra tập trung, các module vào/ra được nối với CPU thông
qua bus nội bộ đằng sau giá đỡ (backplane-bus). Chính vì vậy, các module này cũng
phải do nhà sản xuất cung cấp kèm theo CPU.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




8

Trong các hệ thống điều khiển quá trình, một trạm điều khiển cục bộ cũng
thường được cài đặt giao diện HART và các module ghép nối phụ kiện khác.
Các thiết bị này được lắp đặt trong tủ điều khiển cùng với các linh kiện hỗ
trợ khác như hàng kẹp đấu dây, các bộ chuyển đổi tín hiệu (transducers), các khối
đầu cuối (terminal blocka),... Các tủ điều khiển thường được đặt trong phòng điều
khiển/phòng điện ở bên cạnh phòng điều khiển trung tâm hoặc gần khu vực hiện
trường.
Các chức năng do trạm điều khiển cục bộ đảm nhiệm bao gồm:

- Điều khiển q trình (process control): Điều khiển các mạch vịng kín
(nhiệt độ, áp suất, lưu lượng, độ pH, độ đậm đặc,...). Hầu hết các mạch vòng đơn
được điều khiển trên cơ sở luật PID, giải quyết bài toán điều khiển điều chỉnh, điều
khiển tỉ lệ, điều khiển tầng. Các hệ thống hiện đại cho phép điều khiển mờ, điều
khiển dựa mơ hình (model-based control),điều khiển thích nghi, ...
- Điều khiển trình tự (sequential control, sequence control)
- Điều khiển logic
- Thực hiện các cơng thức (recipe control).
- Đặt các tín hiệu đầu ra về trạng thái an toàn trong trường hợp có sự cố.
- Lưu trữ tạm thời các tín hiệu quá trình trong trường hợp mất liên lạc với
trạm vận hành
- Nhận biết các trường hợp vượt ngưỡng giá trị và tạo các thơng báo báo động
Chính vì đây là thành phần quan trọng nhất trong hệ thống, đại đa số các trạm
điều khiển cục bộ có tính năng kiểm tra và sửa lỗi (error checking and correcting,
ECC), cũng như cho phép lựa chọn cấu hình dự phịng. Một điều quan trọng là một
trạm điều khiển cục bộ phải có khả năng đảm bảo tiếp tục thực hiện các chức năng
nói trên trong trường hợp trạm vận hành hoặc đường truyền bus hệ thống có sự cố.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




9

Các máy tính điều khiển có thể là máy tính đặc chủng của nhà cung cấp
(vendor-specific controller), PLC hoặc máy tính cá nhân cơng nghiệp. Dựa trên cơ
sở này có thể phân loại các hệ thống điều khiển phân tán có mặt hiện nay trên thị
trường thành các hệ truyền thống (sau đây gọi là DCS truyền thống), các hệ trên nền
PLC (PLC-based DCS) và các hệ trên nền PC (PC-based DCS).

Bất kể chủng loại thiết bị nào được sử dụng, các yêu cầu quan trọng nhất về
mặt kỹ thuật được đặt ra cho một trạm điều khiển cục bộ là:
- Tính năng thời gian thực
- Độ tin cậy và tính sẵn sàng
- Lập trình thuận tiện, cho phép sử dụng/cài đặt các thuật toán cao cấp
- Khả năng điều khiển lai (liên tục, trình tự và logic).
1.3.3 Bus trường và các trạm vào/ra từ xa
Khi sử dụng cấu trúc vào/ra phân tán, các trạm điều khiển cục bộ sẽ được bổ
sung các module giao diện bus để nối với các trạm vào/ra từ xa (remote I/O station)
và một số thiết bị trường thông minh. Các yêu cầu chung đặt ra với bus trường là
tính năng thời gian thực, mức độ đơn giản và giá thành thấp.
Bên cạnh đó, đối với mơi trường dễ cháy nổ cịn các u cầu kỹ thuật đặc
biệt khác về chuẩn truyền dẫn, tính năng điện học của các linh kiện mạng, cáp
truyền,... Các loại bus trường được hỗ trợ mạnh nhất là Profibus-DP, Foundation
Fieldbus, DeviceNet và AS-I. Trong mơi trường địi hỏi an tồn cháy nổ thì
Profibus-PA và Foundation Fieldbus H1 là hai hệ được sử dụng phổ biến nhất.
Khác với cấu trúc vào/ra tập trung, cấu trúc vào/ra phân tán cho phép sử
dụng các trạm vào/ra từ xa của các nhà cung cấp khác với điều kiện có hỗ trợ loại
bus trường qui định. Tuy nhiên, để có thể khai thác tối đa khả năng các cơng cụ
phần mềm tích hợp và đảm bảo tương thích hồn tồn giữa các thành phần trong
một hệ DCS, việc dùng trọn sản phẩm của một hãng vẫn là giải pháp an tồn nhất.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




10

Bên cạnh phương pháp ghép nối thiết bị điều khiển với q trình kỹ thuật
thơng qua các module vào/ra, ta có thể sử dụng các cảm biến hoặc cơ cấu chấp hành

có giao diện bus trường. Qua đó có thể đơn giản hóa cấu trúc hệ thống hơn nữa, tiết
kiệm chỗ trong tủ điều khiển và nâng cao tính năng thời gian thực của hệ thống do
tận dụng được khả năng xử lý thơng tin của các thiết bị trường.
Hình 1-3 là hình ảnh một số tủ điều khiển DCS. Hình bên trái là một trạm
PCS7 (Siemens) với bộ điều khiển lắp đặt cùng các module vào/ra phân tán. Hình
giữa minh họa một trạm vào/ra từ xa lắp độc lập. Tủ điều khiển bên phải minh họa
trạm điều khiển cục bộ DeltaV (Fisher-Rosermount) sử dụng giải pháp Foundation
Fieldbus (không cần các module các vào/ra).

Hình 1-3 : Một số hình ảnh tủ điều khiển DCS

1.3.4 Trạm vận hành
Trạm vận hành và trạm kỹ thuật được đặt tại phòng điều khiển trung tâm.
Các trạm vận hành có thể hoạt động song song, độc lập với nhau. Để tiện cho việc
vận hành hệ thống, người ta thường sắp xếp mỗi trạm vận hành tương ứng với một
phân đoạn hoặc một phân xưởng. Tuy nhiên, các phần mềm chạy trên tất cả các
trạm hoàn tồn giống nhau, vì thế trong trường hợp cần thiết mỗi trạm đều có thể
thay thế chức năng của các trạm khác.
Các chức năng tiêu biểu của một trạm vận hành gồm có:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




11

- Hiển thị các hình ảnh chuẩn (hình ảnh tổng quan, hình ảnh từng mạch vịng,
hình ảnh điều khiển trình tự, các đồ thị thời gian thực và đồ thị quá khứ)
- Hiển thị các hình ảnh đồ họa tự do (lưu đồ cơng nghệ, các phím điều khiển)
- Hỗ trợ vận hành hệ thống qua các công cụ thao tác tiêu biểu.

- Tạo và quản lý các công thức điều khiển (cho điều khiển mẻ)
- Xử lý các sự kiện, sự cố
- Chẩn đoán hệ thống, hỗ trợ người vận hành và bảo trì hệ thống
- Xử lý, lưu trữ và quản lý dữ liệu, Hỗ trợ lập báo cáo tự động.
Khác với các trạm điều khiển, hầu hết các hệ DCS hiện đại đều sử dụng các sản
phẩm thương mại thơng dụng như máy tính cá nhân (cơng nghiệp) chạy trên nền
WindowsNT/2000, hoặc các máy tính trạm chạy trên nền UNIX.
Cùng với các màn hình màu lớn (thường là 19inch) với độ phân giải cao để
theo dõi quá trình sản xuất, một trạm vận hành hiện đại bao giờ cũng có các thiết bị
thao tác chuẩn như bàn phím và chuột. Một trạm vận hành có thể bố trí theo kiểu
một người sử dụng (một hoặc nhiều màn hình), hoặc nhiều người sử dụng với với
nhiều Terminals (Hình 1-4).
Các phần mềm trên trạm vận hành bao giờ cũng đi kèm đồng bộ với hệ
thống, song thường hỗ trợ các chuẩn phần mềm và chuẩn giao tiếp công nghiệp như
TCP/IP, DDE (Dynamic Data Exchange), OLE (Object Linking and Embedding),
ODBC (Open Data Base Connection), OPC (OLE for Process Control).

Hình
CácThái
phương
Số hóa bởi Trung tâm Học
liệu 1-4
– Đại: học
Nguyên pháp

bố trí trạm vận
hành

12

Đặc điểm tiêu biểu của các trạm vận hành hiện đại là sử dụng kỹ thuật giao
diện người-máy kiểu đa cửa sổ với các phần tử giao diện chuẩn. Tuy nhiên, việc
thiết kế các màn hình giao diện cơng nghiệp khác với các giao diện ứng dụng văn
phòng, đòi hỏi kiến thức tổng hợp về q trình cơng nghệ, mỹ thuật công nghiệp,
tâm lý học công nghiệp và công nghệ phần mềm.
1.3.5 Trạm kỹ thuật và các công cụ phát triển
Trạm kỹ thuật là nơi cài đặt các công cụ phát triển, cho phép đặt cấu hình
cho hệ thống, tạo và theo dõi các chương trình ứng dụng điều khiển và giao diện
người máy, đặt cấu hình và tham số hóa các thiết bị trường. Việc tạo ứng dụng điều
khiển hầu hết được thực hiện theo phương pháp khai báo, đặt tham số và ghép nối
các khối chức năng có sẵn trong thư viện. Cũng như các trạm vận hành, thiết bị sử
dụng thơng thường là các máy tính cá nhân (công nghiệp) chạy trên nền
Windows95/98/NT/2000 hoặc UNIX.
Một số đặc tính tiêu biểu của các cơng cụ phát triển trên trạm kỹ thuật là:
- Các công cụ phát triển được tích hợp sẵn trong hệ thống
- Cơng việc phát triển (Engineering) khơng u cầu có phần cứng DCS tại chỗ
- Các ngơn ngữ lập trình thơng dụng là sơ đồ khối hàm (FBD-Function Block
Diagram, hoặc CFC-Continuous Function Chart) và biểu đồ tiến trình (SFCSequential Function Chart), tương tự IEC61131-3 FBD () và SFC
- Một dự án có thể do nhiều người cùng phối hợp phát triển song song
- Giao diện với các hệ thống cấp trên (CAD/CAM, MES, PPS, ERP,...)
Để việc phát triển hệ thống phần mềm được thuận lợi, các nhà sản xuất cung
cấp các thư viện khối hàm chuyên dụng. Bên cạnh đó, nhiều nhà sản xuất cũng cung
cấp phần mềm mô phỏng để người phát triển hệ thống có thể tạo các đầu vào/ra mơ
phỏng, giúp cho việc phát triển phần mềm được chắc chắn, an toàn hơn.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

13

1.3.6 Bus hệ thống

Hình 1-5 : Cấu hình tiêu biểu một hệ điều khiển phân tán hiện đại

Bus hệ thống có chức năng nối mạng các trạm điều khiển cục bộ với nhau và
với các trạm vận hành và trạm kỹ thuật. Trong đa số các hệ thống ứng dụng, người
ta lựa chọn cấu hình có dự phịng cho bus hệ thống. Thêm nữa, để cải thiện tính
năng thời gian thực, nhiều khi một mạng riêng biệt (có thể có cả dự phòng) được sử
dụng để ghép nối các trạm điều khiển cục bộ (bus điều khiển, control bus). Giải
pháp mạng có thể đặc chủng của riêng cơng ty, hoặc dựa trên một mạng chuẩn quốc
tế. Các hệ thống mạng được sử dụng nhiều nhất là Ethernet, Profibus-FMS và
ControlNet.
Đặc điểm của việc trao đổi thông tin qua bus hệ thống là lưu lượng thơng tin
lớn, vì vậy tốc độ đường truyền phải tương đối cao. Tính năng thời gian thực cũng
là một yêu cầu được đặt ra (nhất là đối với bus điều khiển), tuy nhiên khơng nghiêm
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




14

ngặt như với bus trường. Thời gian phản ứng thường chỉ yêu cầu nằm trong phạm vi
0,1s trở lên. Số lượng trạm tham gia thường không lớn và nhu cầu trao đổi dữ liệu
khơng có đột biến lớn. Vì vậy đối với mạng Ethernet, tính bất định của phương
pháp truy nhập bus CSMA/CD thường không phải là vấn đề gây lo nghĩ.

1.4 Phân loại các hệ DCS
1.4.1 Các hệ DCS truyền thống
Các hệ này sử dụng các bộ điều khiển quá trình đặc chủng theo kiến trúc riêng
của nhà sản xuất. Các hệ cũ thường đóng kín, ít tn theo các chuẩn giao tiếp công
nghiệp, các bộ điều khiển được sử dụng cũng thường chỉ làm nhiệm vụ điều khiển
quá trình, vì vậy phải sử dụng kết hợp PLC cho các bài tốn điều khiển logic và
điều khiển trình tự. Các hệ mới có tính năng mở tốt hơn, một số bộ điều khiển lai
đảm nhiệm cả các chức năng điều khiển quá trình, điều khiển trình tuần tự và điều
khiển logic (hybrid controller).
Để hỗ trợ các bài toán điều khiển quá trình diễn ra đồng thời, khối xử lý trung
tâm được cài đặt một hệ điều hành thời gian thực, đa nhiệm - hoặc của riêng nhà sản
xuất phát triển hoặc một sản phẩm thông dụng như pSOS, TSOS, VRTX,... Chu kỳ
thời gian nhỏ nhất thực hiện các mạch vòng điều khiển thường nằm trong khoảng
10-100ms, trong trường hợp đặc biệt (ví dụ cho nhà máy điện) có thể tới 1ms.
Một số sản phẩm tiêu biểu cùng với tên trạm điều khiển cục bộ được liệt kê
dưới đây:
- AdvantOCS (ABB): Advant Controller, hệ điều hành riêng
- Freelance 2000 (ABB): D-PS hợc D-FC, hệ điều hành pSOS
- Symphonie (ABB): Melody, hệ điều hành pSOS
- DeltaV (Fisher-Rosermount): Visual Controller, hệ điều hành TSOS
- PlantScape (Honeywell): PlantScape Controller, hệ điều hành riêng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên