TÌM HIỂU VỀ MẠNG TRUYỀN THÔNG CỦA HÃNG ALLEN-BRADLEY VÀ ỨNG DỤNG Bao cao đồ án tốt nghiệp chuyên ngành tự động hóa BKHN (8)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN ĐIỆN
BỘ MÔN TỰ ĐỘNG HỐ CƠNG NGHIỆP
====o0o====

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
ĐỀ TÀI:

TÌM HIỂU VỀ MẠNG TRUYỀN THƠNG CỦA HÃNG
ALLEN-BRADLEY VÀ ỨNG DỤNG
Trưởng bộ mơn

:

PGS.TS. Trần Trọng Minh

Giáo viên hướng dẫn :

TS. Đỗ Trọng Hiếu

Sinh viên thực hiện

:

Trần Minh Điệp

Lớp

:

CN – ĐK & TĐH K59

MSSV

:

20186185

Giáo viên duyệt

:

Hà nội, 6-2018


Lời cam đoan

LỜI CAM ĐOAN
Em xin cam đoan bản đồ án tốt nghiệp: Tìm hiểu mạng truyền thơng của
hãng Allen Bradley và ứng dụng do em tự thiết kế dưới sự hướng dẫn của thầy giáo
TS. Đỗ Trọng Hiếu. Các số liệu và kết quả là hoàn toàn đúng với thực tế.
Để hoàn thành đồ án này em chỉ sử dụng những tài liệu được ghi trong danh
mục tài liệu tham khảo và không sao chép hay sử dụng bất kỳ tài liệu nào khác. Nếu
phát hiện có sự sao chép em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm.

Hà Nội, ngày 12 tháng 06 năm 2018
Sinh viên thực hiện

Trần Minh Điệp

Mục lục

MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH VẼ ............................................................................................... i
DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU ..................................................................................iii
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT..................................................................................... iv
LỜI NÓI ĐẦU ............................................................................................................. 1
Chương 1
1.1.

Tổng quan về mạng công nghiệp Allen Bradley ............................... 2
Giới thiệu mạng truyền thông công nghiệp ........................................ 2

1.1.1. Định nghĩa ........................................................................................ 2
1.1.2. Vai trị của mạng truyền thơng công nghiệp .................................... 2
1.1.3. Phân loại và đặc trưng của hệ thống mạng công nghiệp ................. 3
1.1.4. Cấu trúc điều khiển .......................................................................... 7
1.2.

Các phương thức truyền sử dụng trong đề tài ................................... 11

1.2.1. DeviceNet....................................................................................... 12
1.2.2. ControlNet ...................................................................................... 17
1.2.3. Ethernet/IP ..................................................................................... 20
1.3.
Chương 2
2.1.

Tổng kết về mạng.............................................................................. 26

Tìm hiểu hệ thống truyền thơng của bảng thí nghiệm ................... 27
Các thiết bị sử dụng trong mạng ....................................................... 27

2.1.1. ControlLogix 1756 và các module truyền thông ........................... 27
2.1.2. CompactLogix L32E và các module truyền thơng ........................ 33
2.1.3. Biến tần PowerFlex 700S............................................................... 36
2.1.4. Màn hình giám sát và điều khiển PanelView 600 ......................... 43
2.2.

Tìm hệ thống mạng trong bảng thí nghiệm....................................... 44

2.2.1. Hệ thống mạng Ethernet/IP ............................................................ 44
2.2.2. Hệ thống mạng ControlNet ............................................................ 49
2.2.3. Hệ thống mạng DeviceNet ............................................................. 50
2.2.4. Hệ thống mạng hoàn chỉnh cho bảng thí nghiệm .......................... 53
2.3.
Chương 3
3.1.

Kết quả thu được ............................................................................... 55
Điều khiển biến tần và mơ hình cắt vật liệu bằng bảng thí nghiệm56
Điều khiển biến tần ........................................................................... 56


Mục lục
3.1.1. Điều khiển 7 cấp tốc độ qua I/O mở rộng của mạng ControlNet .. 56
3.1.2. Điều khiển qua Module Analog của Compactlogic L32E ............. 58
3.1.3. Điều khiển qua mạng DeviceNet ................................................... 60
3.2.

Mơ hình cắt vật liệu .......................................................................... 62

3.2.1. Yêu cầu công nghệ ......................................................................... 62
3.2.2. Thiết kế mạch lực và mạch điều khiển .......................................... 63
3.2.3. Xây dựng chương trình ladder cho hệ ........................................... 66
3.2.4. Thiết kế dao diện điều khiển .......................................................... 70
3.3.

Kết quả thu được ............................................................................... 72

KẾT LUẬN ................................................................................................................ 73
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................ 74
PHỤ LỤC ................................................................................................................... 75


Danh mục hình vé

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Mơ hình phân cấp chức năng công ty sản xuất công nghiệp. ........................ 4
Hình 1.2. Cấu trúc điều khiển tập trung với vào/ra tập trung. ....................................... 7
Hình 1.3. Cấu trúc điều khiển phân tán với vào/ra phân tán........................................ 11
Hình 1.4. Mạng truyền thơng Netlink. ......................................................................... 12
Hình 1.5. Mơ hình một mạng DeviceNet. .................................................................... 14
Hình 1.6. Cấu trúc bên trong của cáp. .......................................................................... 15
Hình 1.7. Mini-sealed connector và Micro-sealed connector. .................................... 16
Hình 1.8. DeviceBox Tap............................................................................................. 16
Hình 1.9. Cấu tạo bên trong của cable đồng trục. ........................................................ 19
Hình 1.10. Sự phụ thuộc của chiều dài dây với số lượng module. .............................. 20
Hình 1.11. Tỉ lệ sử dụng Ethernet trong cơng nghiệp. ................................................. 22
Hình 1.12. Các ngành sử dụng EtherNet...................................................................... 22

Hình 1.13. Các chuẩn EtherNet phổ biến..................................................................... 23
Hình 1.14. Kí hiệu của Cad. ......................................................................................... 23
Hình 1.15. Các loại cáp thơng dụng. ............................................................................ 23
Hình 1.16. Ba kiểu mang Ethernet vói cap đồng trục vá đơi dây xoắn. ...................... 24
Hình 2.1. Bộ điều khiển ControlLogix. ....................................................................... 27
Hình 2.2. Chassis 1756-A10 Power Supply. ................................................................ 29
Hình 2.3. CompactLogix L32E và module truyền thơng............................................. 33
Hình 2.4. Nguồn 1769-PA2. ........................................................................................ 35
Hình 2.5. Nguyên lý hoạt động của biến tần. ............................................................... 36
Hình 2.6. Biến tần PowerFlex 700s ............................................................................. 39
i


Danh mục hình vé

Hình 2.7. Màn hình HMI PowerView 600................................................................... 43
Hình 2.8. Vị trí chân cấp nguồn và các cổng truyền thơng của PV600. ...................... 44
Hình 2.9. Sơ đồ mạng EtherNet trong bảng thí nghiệm............................................... 45
Hình 2.10. Stratix 2000. ............................................................................................... 46
Hình 2.11. Router wifi. ................................................................................................ 47
Hình 2.12. Cáp EtherNet. ............................................................................................. 48
Hình 2.13. Nối đất trong mạng..................................................................................... 48
Hình 2.14. Sơ đồ mạng ControlNet trong bảng thí nghiệm. ....................................... 49
Hình 2.15. Sơ đồ mạng DeviceNet trong bảng thí nghiệm. ........................................ 51
Hình 2.16. Lớp vật lý của DeviceNet. ......................................................................... 52
Hình 2.17. Cách ghép nối tại nút.................................................................................. 52
Hình 2.18. Hệ thống mạng hồn chỉnh. ....................................................................... 53
Hình 3.1. Sơ đồ nối dây điều khiển biến tần bằng các I/0 mở rộng số. ....................... 56
Hình 3.2. Chế độ 3 dây qua ControlNet. ...................................................................... 58
Hình 3.3. Sơ đồ nối dây điều khiển biến tần bằng các Module Analog. ..................... 58

Hình 3.4. Chế độ điều khiển qua Analog. .................................................................... 59
Hình 3.5. Chế độ điều khiển qua DeviceNet................................................................ 61
Hình 3.6. Chế độ điều khiển qua máy tính................................................................... 62
Hình 3.7. Mơ hình cắt phơi tự động. ............................................................................ 62
Hình 3.8. Sơ đồ mạch lực. ............................................................................................ 64
Hình 3.9. Sơ đồ mạch điều khiển. ................................................................................ 65
Hình 3.10. Giản đồ Grafcet. ......................................................................................... 68
Hình 3.11. Chế độ điều khiển tự động. ........................................................................ 71
Hình 3.12. Chế độ điều khiển bằng tay. ....................................................................... 71
Hình 3.13. Màn hình điều khiển trên máy tính. ........................................................... 72
ii


Danh mục bảng số liệu

DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU
Bảng 1.1. Bảng quy định màu và chức năng của từng sợi. .......................................... 15
Bảng 1.2. Mối quan hệ giữa tốc độ truyền và chiều dài của cáp. ................................ 16
Bảng 2.1. Cổng kết nối va chức năng. ......................................................................... 40
Bảng 2.2. Các cổng kết nối TB1 Terminals. ................................................................ 41
Bảng 2.3. Các cổng kết nối TB2 Terminals. ................................................................ 42
Bảng 3.1. Bảng đặt tốc độ biến tần qua I/O số............................................................. 57
Bảng 3.2. Hệ thống thanh ghi input và output trong biến tần ...................................... 60
Bảng 3.3. Ý nghĩa của các kí hiệu trong giản đồ. ........................................................ 66

iii


Danh mục từ viết tắt

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

Từ viết tắt

Tiếng Anh

Tiếng Việt

I/O

Input/Output

Đầu vào /đầu ra

DC

Direct Current

Dòng một chiều

AC

Voltage Alternating Current

Dòng xoay chiều

CPU

Central Processing Unit

Bộ xử lý trung tâm

LAN

Local Area Network

Mạng cục bộ

SCADA

Supervisory Control And Data

Hệ thống điều khiển giám sát và

Acquisition

thu thập dữ liệu

PLC

Programmable Logic Controller

Thiết bị điều khiển lập trình được

HMI

Human Machine Interface

Dao diện người và máy

PID

Proportional Integral Derivative

Bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ

IP

Industrial Protocal

Giao thức công nghiệp

iv


Lời nói đầu

LỜI NĨI ĐẦU
Trong thời buổi khoa học kỹ thuật về tự động hóa ngày càng phát triển vượt bậc
và được ứng dụng rộng rãi trong hầu hết các xí nghiệp, phân xưởng... Các hệ thống
điều khiển dùng PLC ngày càng được sữ dụng rộng rãi và phổ biến để thay thế cho các
thao tác chân tay không đạt đựơc độ chính xác cao.
Xu hướng phân tán, mềm hóa và chuẩn hóa là ba trong nhiều điểm đặc trưng cho
sự thay đổi này. Sự ứng dụng rộng rãi các hệ thông mạng truyền thông công
nghiệp,đặc biệt các hệ thống điều khiển và giám sát , là một ví dụ tiêu biểu. Mạng
truyền thông công nghiệp không phải là một lĩnh vực hồn tồn mới, mà thực chất là
các cơng nghệ được kế thừa, chắt lọc và phát triển từ kỹ thuật truyền thơng nói chung
cho phù hợp với các yêu cầu trong công nghiệp. Từ thực tế trên chúng em xin tìm hiểu
đề tài: “Tìm hiểu, thiết kế panel thí nghiệm mạng truyền thơng và ứng dụng” và
dưới sự hướng dẫn của thầy giáo TS. Đỗ Trọng Hiếu . Nội dung đồ án gồm:

Chương 1 Tổng quan về mạng cơng nghiệp Allen Bradley.
Chương 2 Tìm hiểu hệ thống truyền thơng cho bảng thí nghiệm.
Chương 3 Điều khiển biến tần và mơ hình cắt bằng bảng thí nghiệm.
Sau một thời gian được sự hướng dẫn của thầy TS.Đỗ Trọng Hiếu em cùng
các bạn trong nhóm đã hồn thành đồ án tốt nghiệp này. Tuy nhiên do thời gian và
năng lực cịn nhiều hạn chế nên khơng tránh khỏi những sai sót. Vì vậy em rất
mong nhận được sự chỉ dạy và những ý kiến đóng góp của thầy cơ và các bạn.
Em xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày 12 tháng 06 năm 2018.
Sinh viên thực hiện.

Trần Minh Điệp

1


Chương 1 Tổng quan về mạng công nghiệp Allen Bradley

Chương 1
Tổng quan về mạng công nghiệp Allen Bradley
1.1.

Giới thiệu mạng truyền thông công nghiệp
1.1.1.

Định nghĩa

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 phổ biến hiện nay cho
phép liên kết mạng ở nhiều mức khác nhau, từ các cảm biến, cơ cấu chấp hành dưới
cấp trường cho đến các máy tính điều khiển, thiết bị quan sát, máy tính điều khiển
giám sát và các máy tính cấp điều hành xí nghiệp, quản lý cơng ty.
Sự khác nhau trong phạm vi và mục đích sử dụng giữa các hệ thống mạng truyền
thông công nghiệp với các hệ thống mạng viễn thơng và mạng máy tính dẫn đến sự
khác nhau trong các yêu cầu về mặt kỹ thuật cũng như kinh tế. Ví dụ, do yêu cầu kết
nối nhiều nền máy tính khác nhau và cho nhiều phạm vi ứng dụng khác nhau, kiến trúc
giao thức của các mạng máy tính phổ thơng thường phức tạp hơn so với kiến trúc giao
thức các mạng công nghiệp. Đối với các hệ thống truyền thông công nghiệp, đặc biệt
là ở các cấp dưới thì các u cầu về tính năng thời gian thực, khả năng thực hiện đơn
giản, giá thành hạ lại ln được đật ra hàng đầu.
1.1.2.

Vai trị của mạng truyền thơng cơng nghiệp

Đơn giản hóa cấu trúc liên kết giữa các thiết bị công nghiệp: Một số lượng lớn
các thiết bị thuộc các chủng loại khác nhau được ghép nối với nhau thông qua một
đường truyền duy nhất.
Tiết kiệm dây nối và công thiết kế, lắp đặt hệ thống: Nhờ cấu trúc đơn giản, việc
thiết kế hệ thống trở nên dễ dàng hơn nhiều. Một số lượng lớn cáp truyền được thay
thế bằng một đường duy nhất, giảm chỉ phí đáng kể cho nguyên vật liệu và công lắp
đặt.
Nâng cao độ tin cậy và độ chính xác của thơng tin: Nhi dùng phương pháp truyền
tín hiệu tương tự cổ điển, tác động của nhiễu dễ làm thay đổi nộl dung thông tin mà

2


Chương 1 Tổng quan về mạng công nghiệp Allen Bradley

các thiết bị khơng có cách nào nhận biết. Nhờ kỹ thuật truyền thơng số, khơng những
thơng tin truyền đi khó bị sai lệch hơn, mà các thiết bị nối mạng cịn có thêm khả năng
tự phát hiện lỗi và chẩn đốn lỗi nếu có. Hơn thế nữa, việc bỏ qua nhiều lần chuyển
đổi qua lại tương tự-số và số-tương tự nâng cao độ chính xác.
Nâng cao độ linh hoạt, tính năng mở của hệ thống: Một hệ thống mạng chuẩn
hóa quốc tế tạo điều kiện cho việc sử dựng các thiết bị của nhiều háng khác nhau, việc
thay thế thiết bị, nâng cấp và mở rộng phạm vi chức năng của hệ thống cũng dễ dàng
hơn nhiều. Khả năng tương tác giữa các thành phần (phần cứng và phần mềm) được
nâng cao nhờ các giao diện chuẩn.
Đơn giản hóa/tiện lợi hóa việc tham số hóa, chẩn đốn, định vị lỗi, sự cố của các
thiết bị: Với một đường truyền duy nhất, khơng những các thiết bị có thể trao đổi dữ
liệu q trình, mà cịn có thể gửi cho nhau các dữ liệu tham số, dữ liệu trạng thái, dữ
liệu cảnh báo và dữ liệu chẩn đoán. Các thiết bị có thể tích hợp khả năng tự chẩn đốn,
các trạm trong mạng cũng có thể có khả năng cảnh giới lẫn nhau, việc cấu hình hệ
thống, lập trình, tham số hóa, chỉnh định thiết bị và đưa vào vận hành có thể thực hiện
từ xa qua một trạm kỹ thuật trung tâm.
Mở ra nhiều chức năng và khả năng ứng dụng mới của hệ thống: Sử dụng mạng
truyền thông công nghiệp cho phép áp dụng các kiến trúc điều khiển mớl như điều
khiển phân tán, điều khiển phân tán với các thiết bị trường, điều khiển giám sát hoặc
chẩn đoán lỗi từ xa qua Internet, tích hợp thơng tin của hệ thống điều khiển và giám
sát với thông tin điều hành sản xuất và quản lý công ty.
1.1.3.

Phân loại và đặc trưng của hệ thống mạng công nghiệp

Để sắp xếp, phân loại và phân tích đặc trưng các hệ thống mạng truyền thơng
cơng nghiệp, ta dựa vào mơ hình phân cấp quen thuộc cho các cơng ty, xí nghiệp sản
xuất như được minh họa trên Hình 1.1.
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 lý hoặc logic kiểu
bus.

3


Chương 1 Tổng quan về mạng cơng nghiệp Allen Bradley

Hình 1.1. Mơ hình phân cấp chức năng cơng 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 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 cơng, lắp ráp)
hoặc ở một số lĩnh vực ứng dụng khác như tự động hóa tịa 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 cơng
nghiệp, nên một số tính năng cũng 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 u cầu về tính

4


Chương 1 Tổng quan về mạng công nghiệp Allen Bradley

năng thời gian thực được đặt lên hàng đầu. Thời gian phản ứng tiêu biểu nằm trong
phạm vi từ 0,1 tới vài miligiây. Trong khi đó, u cầu về lượng thơng tin trong một
bức điện thường chỉ hạn chế trong khoảng một vài byte, vì vậy tốc độ truyền thơng
thường chỉ cần ở phạm vi Mbit/s hoặc thấp hơn. Việc trao đổi thơng tin về các biến
q trình chủ yếu mang tính chất định kỳ, tuần hồn, bên cạnh các thơng tin tham số
hóa hoặc cảnh báo có tính chất bất thường.
Các hệ thống bus trường được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay là PROFIBUS,
ControlNet, INTERBUS, CAN, WorldFIP, P-NET, Modbus và gần đây phải kể tới
Foundation Fieldbus. DeviceNet, AS-i, EIB và Bitbus là một vài hệ thống bus cảm
biến/chấp hành tiêu biểu có thể nêu ra ở đây.
 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 thơng 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. Thơng tin khơng 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.
Đối với bus hệ thống, tùy theo lĩnh vực ứng dụng mà địi 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 miligiây, 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.
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

5


Chương 1 Tổng quan về mạng công nghiệp Allen Bradley

thống có cấu trúc phân tán. Bus điều khiển thơng thường có tốc độ truyền khơng cao,
nhưng u cầu về tính năng thời gian thực thường rất khắt khe.
Do các yêu cầu về tốc độ truyền thông và khả năng kết nối dễ dàng nhiều loại
máy tính, hầu hết các kiểu bus hệ thống thông dụng đều dựa trên nền Ethernet, ví dụ
Industrial Ethernet, Fieldbus Foundation’s High Speed Ethernet (HSE), Ethernet/IP.
 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 tốn, 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. Ngồi ra, thơng 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,...).
Khác với các hệ thống bus cấp dưới, mạng xí nghiệp khơng u cầu nghiêm ngặt
về tính năng thời gian thực. Việc trao đổi dữ liệu thường diễn ra khơng 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.
 Mạng cơng ty.
Mạng cơng ty nằm trên cùng trong mơ 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
thơng 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 phịng 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... Hình thức tổ chức ghép nối mạng, cũng như các công nghệ

6


Chương 1 Tổng quan về mạng công nghiệp Allen Bradley

được áp dụng rất đa dạng, tùy 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 về
mặt vật lý, nhưng chia thành nhiều phạm vi và nhóm mạng làm việc riêng biệt.
Mạng cơng ty có vai trị như một đường cao tốc trong hệ thống hạ tầng cơ sở
truyền thông của một công ty, vì vậy địi hỏi về tốc độ truyền thơng và độ an toàn, tin
cậy đặc biệt cao. Fast Ethernet, FDDI, ATM là một vài ví dụ cơng nghệ tiên tiến được
áp dụng ở đây trong hiện tại và tương lai.
1.1.4.

Cấu trúc điều khiển

a) Điều khiển tập trung.
Cấu trúc tiêu biểu của một hệ điều khiển tập trung (centralized control system)

được minh họa trên Hình 1.1. Một máy tính duy nhất được dùng để điều khiển tồn bộ
q trình kỹ thuật. Máy tính điều khiển ở đây (MTĐK) có thể là các bộ điều khiển số
trực tiếp (DDC), máy tính lớn, máy tính cá nhân hoặc các thiết bị điều khiển khả trình.
Trong điều khiển cơng nghiệp, máy tính điều khiển tập trung thơng thường được đặt
tại phịng điều khiển trung tâm, cách xa hiện trường. Các thiết bị cảm biến và cơ cấu
chấp hành được nối trực tiếp, điểm - điểm với máy tính điều khiển trung tâm qua các
cổng vào/ra của nó. Cách bố trí vào/ra tại máy tính điều khiển như vậy cũng được gọi
là vào/ra tập trung (central I/O).

Hình 1.2. Cấu trúc điều khiển tập trung với vào/ra tập trung.

7


Chương 1 Tổng quan về mạng công nghiệp Allen Bradley

Ngày nay, cấu trúc tập trung trên đây thường thích hợp cho các ứng dụng tự động
hóa qui mơ vừa và nhỏ, điều khiển các loại máy móc và thiết bị bởi sự đơn giản, dễ
thực hiện và giá thành một lần cho máy tính điều khiển. Điểm đáng chú ý ở đây là sự
tập trung tồn bộ “trí tuệ”, tức chức năng xử lý thông tin trong một thiết bị điều khiển
duy nhất. Tuy nhiên, cấu trúc này bộc lộ những hạn chế sau:
• Cơng việc nối dây phức tạp, giá thành cao.
• Việc mở rộng hệ thống gặp khó khăn.
• Độ tin cậy kém.

b) Điều khiển tập trung với vào ra phân tán.
Cấu trúc vào/ra tập trung với cách ghép nối điểm-điểm thể hiện một nhược điểm
cơ bản là số lượng lớn các cáp nối, dẫn đến giá thành cao cho dây dẫn và công thiết kế,
lắp đặt. Một hạn chế khác nữa là phương pháp truyền dẫn tín hiệu thông thường giữa
các thiết bị trường và thiết bị điều khiển dễ chịu ảnh hưởng của nhiễu, gây ra sai số

lớn. Vấn đề này được khắc phục bằng phương pháp dùng bus trường như đã nêu trong
phần trước. Hình 1.3 minh họa một cấu hình mạng đơn giản.

Hình 1.3. Cấu trúc điều khiển tập trung với vào/ra phân tán.
Ở đây các module vào/ra được đẩy xuống cấp trường gần kề với các cảm biến và
cơ cấu chấp hành, vì vậy được gọi là các vào/ra phân tán (Distributed I/O) hoặc vào/ra
từ xa (Remote I/O). Một cách ghép nối khác là sử dụng các cảm biến và cơ cấu chấp

8


Chương 1 Tổng quan về mạng công nghiệp Allen Bradley

hành thơng minh (màu xám trên hình vẽ), có khả năng nối mạng trực tiếp không cần
thông qua các module vào/ra. Bên cạnh khả năng xử lý giao thức truyền thông, các
thiết bị này còn đảm nhiệm một số chức năng xử lý tại chỗ như lọc nhiễu, chỉnh định
thang đo, tự đặt chế độ, điểm làm việc, chẩn đoán trạng thái,v.v... Trong nhiều trường
hợp, các thiết bị có thể đảm nhiệm cả nhiệm vụ điều khiển đơn giản.
Sử dụng bus trường và cấu trúc vào/ra phân tán mang lại các ưu điểm sau:
•

Tiết kiệm dây dẫn và cơng đi dây, nối dây.

•

Giảm kích thước hộp điều khiển.

•

Tăng độ linh hoạt hệ thống nhờ sử dụng các thiết bị có giao diện chuẩnvà khả

năng ghép nối đơn giản.
•

Thiết kế và bảo trì dễ dàng nhờ cấu trúc đơn giản.

•

Khả năng chẩn đoán tốt hơn (các thiết bị hỏng được phát hiện dễ dàng).

•

Tăng độ tin cậy của tồn hệ thống.

c) Điều khiển phân tán.

Hình 1.4. Cấu trúc điều khiển phân tán với vào/ra tập trung.

9


Chương 1 Tổng quan về mạng công nghiệp Allen Bradley

Trong đa số các ứng dụng có qui mơ vừa và lớn, phân tán là tính chất cố hữa của
hệ thống. Một dây chuyền sản xuất thường được phân chia thành nhiều phân 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 1.4
minh họa.
Các máy tính điều khiển cục bộ thường được đặt rải rác tại các phòng điều

khiển/phòng điện của từng phân đoạn, phân xưởng, ở vị trí khơng xa với q trình kỹ
thuật. Các phân đoạn có liên hệ tương tác với nhau, vì vậy để điều khiển q trình tổng
hợp cần có sự điều khiển phối hợp giữa các máy tính điều khiển. Trong phần lớn các
trường hợp, các máy tính điều khiển được nối mạng với nhau và với một hoặc nhiều
máy tính giám sát (MTGS) trung tâm qua bus hệ thống. Giải pháp này dẫn đến các hệ
thống có cấu trúc điều khiển phân tán, hay được gọi là các hệ điều khiển phân tán
(HĐKPT).
Ưu thế của cấu trúc điều khiển phân tán không chỉ dừng lại ở độ linh hoạt cao
hơn so với cấu trúc tập trung. Hiệu năng cũng như độ tin cậy tổng thể của hệ thống
được nâng cao nhờ sự phân tán chức năng xuống các cấp dưới. Việc phân tán chức
năng xử lý thông tin và phối hợp điều khiển có sự giám sát từ các trạm vận hành trung
tâm mở ra các khả năng ứng dụng mới, tích hợp trọn vẹn trong hệ thống như lập trình
cao cấp, điều khiển trình tự, điều khiển theo công thức và ghép nối với cấp điều hành
sản xuất.

d) Điều khiển phân tán với vào ra phân tán.
Lưu ý rằng Hình 1.4 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
1.5. Khi đó, máy tính điều khiển có thể đặt tại phịng 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.
Giải pháp sử dụng các hệ điều khiển phân tán với cấu trúc vào/ra phân tán và các
thiết bị trường thơng minh chính là xu hướng trong xây dựng các hệ thống điều khiển

10


Chương 1 Tổng quan về mạng công nghiệp Allen Bradley

và giám sát hiện đại. Bên cạnh độ tin cậy cao, tính năng mở và độ linh hoạt cao thì yếu
tố kinh tế cũng đóng vai trị quan trọng. Việc phân tán chức năng xử lý thông tin, chức
năng điều khiển theo bề rộng cũng như theo chiều sâu là tiền đề cho kiến trúc “trí tuệ
phân tán” (distributed intelligence) trong tương lai.

Hình 1.3. Cấu trúc điều khiển phân tán với vào/ra phân tán.

1.2.

Các phương thức truyền sử dụng trong đề tài
Truyền thông Netlinx sử dụng sự kết hợp của các thiết bị trong mạng để cung cấp

những gói thơng tin liền mạch và kiểm soát dữ liệu. Tất cả các mạng trong NetLinx
trao đổi dữ liệu bằng cách sử dụng mơ hình Producer/consumer và dựa trên tiêu chuẩn
mở.

11


Chương 1 Tổng quan về mạng công nghiệp Allen Bradley

NetLinx gồm 3 loại mạng: EtherNet/IP (đường màu xanh lá), ControlNet (đường
màu xanh dương), DeviceNet (đường màu đỏ).
Dưới Đây là mô hình truyền thơng Netlinx

Hình 1.4. Mạng truyền thơng Netlink.
1.2.1.

DeviceNet

DeviceNet là một hệ thống bus được hãng Allen-Bradley phát triển dựa trên cơ
sở của CAN, dùng nối mạng cho các thiết bị đơn giản ở cấp chấp hành.
DeviceNet không chỉ đơn thuần là chuẩn giao thức cho lớp ứng dụng của CAN,
mà còn bổ sung một số chỉ tiết thực hiện lớp vật lý và đưa ra các phương thức giao tiếp

12


Chương 1 Tổng quan về mạng công nghiệp Allen Bradley

kiểu tay đôỉ (Peer-to-Peer) hoặc chủ/tớ (Master/Slave). cấu trúc mạng là đường
trục/đường nhánh, trong đó chiều dài đường nhánh hạn chế dưới 6 m. Ba tốc độ truyền
được quy định trong mạng DeviceNet là 125kbit/s, 250kb/s, 500kb/s tương ứng với
chiều dài tối đa của các đường trục là 500m, 250m, 100m.
Một mạng DeviceNet cho phép ghép nốl tối đa 64 trạm. Khác với CAN, mỗi
thành viên trong một mạng DeviceNet được đặt một địa chỉ trong khoảng từ 0-63,
được gọỉ là MAC-ID . Việc bổ sung hay bỏ đi một trạm có thể thực hiện ngay trong
khỉ mạng cịn đóng nguồn.
Mạng DeviceNet hoạt động dựa trên mơ hình nhà sản xuất/người tiêu dùng
(producer/consumer). Trong các bài tốn điều khiển, mơ hình này cho phép các hình
thức giao tiếp như sau:
•

Điều khiển theo sự kiện: Một thiết bị chĩ gửí dữ liệu mỗi khi dữ liệu có
thay đổi.

•

Điều khiển theo thời gian: Một thiết bị có thể gửi dữ lỉệu một cách tuần
hồn theo chu kỳ do người sử dụng đặt.

•

Gửi đồng loạt: Thông báo được gửi đồng thời tớỉ tất cả hoặc một nhóm
các thiết bị.

•

Hỏi tuần tự: Phương pháp cổ điển cho các hệ thống có cấu hình chủ/tớ
(một trạm chủ).

a) Ưu điểm của mạng DeviceNet.
• Là một giải pháp mạng hiệu quả với các thiết bị đơn giản.
• Trực tiếp kết nối của các thiết bị cấp thấp.
• Có khả năng truyền dữ liệu theo kiểu Master-Slave hay điểm-điểm.
• Cung cấp kiểu Producer/Consumer trên một mạng đơn.
• Đỡ tốn dây hơn với cách mắc truyền thống.
• Cho phép liên kết với 64 nút.
• Tốc độ truyền từ 125-500Kbps.

13


Chương 1 Tổng quan về mạng công nghiệp Allen Bradley

b) Cấu trúc vật lý trong DeviceNet.
DeviceNet có cấu trúc mạng kiểu đường trục/ đường nhánh. Đường trục là xương
sống của mạng, chiều dài tối đa là 500m và được kết thúc với trở đầu cuối là 120 Ohm,
0.25W. Các đường nhánh có chiều dài tối đa là 6 m, dùng để kết nối các nút mạng với
đường trục chính. DeviceNet cho phép ghép nối 64 trạm.

Hình 1.5. Mơ hình một mạng DeviceNet.
DeviceNet chỉ sử dụng một sợi dây cáp. Dây này vừa là dây nguồn vừa là dây
truyền dữ liệu.
Trở đầu cuối có tác dụng đánh dấu điểm cuối cùng của mạng. Thơng thường với
mạng DeviceNet thì cho phép ta ghép tối đa 64 trạm. Nhưng thực tế khi sử dụng thì số
trạm ghép vào có thể chỉ là một vài trạm. Nếu như khơng có trở đầu cuối thì bộ xử lý
sẽ hiểu là trong mạng sẽ có 64 trạm, và khi quét thì bộ xử lý sẽ quét hết cả 64 trạm rồi
mới quay trở lại quét từ đầu. Điều này gây lãng phí thời gian của hệ thống. Để khắc
phục hiện tượng này người ta gắn thêm vào đó một trở đầu cuối, mục đích là khi bộ xử
lý quét hệ thống, nếu như gặp trở đầu cuối thì sẽ quay trở lại và quét từ đầu.
Về kĩ thuật truyền dẫn: Cũng giống như Can, DeviceNet không quy định cụ thể
về chuẩn truyền cũng như môi trường truyền thông. Thực tế, cáp dây xoắn kết hợp với
chuẩn RS – 485 cũng như cáp quang được sử dụng rộng rãi.

14


Chương 1 Tổng quan về mạng công nghiệp Allen Bradley

c) Hệ thống cáp trong DeviceNet.
Bảng 1.1. Bảng quy định màu và chức năng của từng sợi.

Dây màu

Tín hiệu

Cáp trịn

Cáp dẹt

Trắng

CAN_H

DN tín hiệu

Tín hiệu DN

Xanh

CAN_L

DN tín hiệu

DN tín hiệu

Dây trần

Dịng máng

Bảo vệ

Khơng sử dụng

Đen

V-

Điện

Điện

Đỏ

V-

Điện

Điện

Như đã nói ở trên, DeviceNet chỉ sử dụng một sợi dây cáp. Dây này vừa là dây
nguồn vừa là dây truyền dữ liệu. Cáp này là thường là loại có 5 sợi: Hai dây cấp nguồn
một chiều, hai dây truyền dữ liệu, một dây drain (như bảng trên).

Hình 1.6. Cấu trúc bên trong của cáp.
Có 4 loại cáp tiêu chuẩn là: Cáp dày, trung bình, mỏng và phẳng. Tuy nhiên loại
cáp thường được sử dụng là cáp dày cho đường truyền dài và cáp mỏng cho đường
truyền ngắn.
Tốc độ truyền cũng phụ thuộc vào khoảng cách giữa 2 điểm xa nhất trong mạng
hoặc tổng các mạch nhánh thì khoảng cách càng xa tốc độ càng giảm.

15


Chương 1 Tổng quan về mạng công nghiệp Allen Bradley

Bảng 1.2. Mối quan hệ giữa tốc độ truyền và chiều dài của cáp.
Tốc độ truyền

125 Kbps

250 Kbps

500 Kbps

Chiều dài tối đa của cáp chính thân dày

500 m

250 m

100 m

Chiều dài tối đa của cáp chinh thân mỏng

100 m

100 m

100 m

Chiều dài tối đa của cáp nhánh

6m

6m

7m

Đầu nối có 3 loại kết nối cơ bản: Mở, mini-sealed và micro-sealed. Tùy thuộc
vào ứng dụng và các đặc tính của thiết bị mà ta sẽ lựa chọn từng cách ghép nối sao cho
phù hợp.

Hình 1.7. Mini-sealed connector và Micro-sealed connector.

Hình 1.8. DeviceBox Tap.
-

Ngồi ra cịn có các thiết bị khác như là DevicePort, DeviceBox dùng đề kết
nối giữa những cáp nhánh với cáp chính, giữa cáp chính với cáp chính.

-

DeviceBox Tap: Chỉ sử dụng cho các thiết bị tương thích với mạng DeviceNet,
kết nối từ 4 đến 8 thiết bị.

16