CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CÔNG NGHIỆP 1.1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG CÔNG NGHIỆP Hệ thống điều khiển phân bố đang được dùng rộng rãi trong sản xuất và tự động hoá quá trình. Một hệ thống điều khiển phức tạp được chia nhỏ thành nhiều hệ thống con nhỏ hơn, liên lạc trao đổi thông tin với nhau. Hệ thống điều khiển phân bố có ưu điểm: • Khởi động độc lập và đồng thời các phần của hệ thống. • Chương trình nhỏ hơn và rõ ràng hơn • Xử lý song song • Thời gian tác động ngắn hơn • Giảm tải cho các bộ xử lý • Hệ thống có thể hoạt động khi một hệ con trục trặc Các phần tử của hệ thống nối với nhau qua mạng cục bộ LAN (Local Area Network) hay các mạng công nghiệp khác.
Mạng bao gồm: • Hạ tầng mạng: môi trường vật lý truyền tin, các phần tử kết nối và kỹ thuật truyền. • Giao thức và dịch vụ dùng để truyền dữ liệu • Các module kết nối máy tính hay PLC với mạng Trong mạng diễn ra quá trình trao đổi dữ liệu giữa hai thiết bị gọi là Trạm. Trạm có thể là máy tính, PLC, màn hình điều khiển OP (Operator Panel)… Mạng con là kết hợp tất cả những gì cần thiết để tạo nên sự truyền thông với cùng giao thức. Mạng là kết nối các mạng con cùng loại hay khác loại -8- Các trạm kết nối với nhau qua đường truyền vật lý theo cấu trúc mạng, mỗi trạm là một nút mạng.
Mạng đơn giản nhất gồm hai nút gọi là cấu trúc điểm điểm. Với nhiều trạm, cấu trúc đơn giản nhất là cấu trúc tuyến (còn gọi là đường). Trong cấu trúc này, ở mỗi thời điểm chỉ có một trạm được phép truyền, còn các trạm khác chỉ nhận. -9- Khi tuyến được nối hai đầu cuối với nhau ta có cấu trúc vòng, mỗi nút có thể dùng làm bộ lặp lại để tăng khoảng cách truyền.
Cấu trúc sao có bộ ghép trung tâm, ghép các trạm với nhau Cấu trúc cây gồm nhiều cấu trúc đường ghép với nhau qua bộ ghép - 10 - Mạng được phân loại theo khoảng cách địa lý đặt các trạm. Mạng LAN có khoảng cách trạm nhỏ hơn 5km là mạng bố trí trong phạm vi một toà nhà, trường học, cơ sở; mạng MAN (Metropolitan area network, mạng đô thị):< 25km bố trí trong phạm vi đô thị và WAN (wide area network, mạng diện rộng) >25km. Sự phân chia này là tương đối. Môi trường vật lý truyền thông rất đa dạng, tuỳ thuộc chiều dài mạng, sự an toàn tin cậy và vận tốc truyền • Dây đôi không xoắn , không bọc giáp • Dây đôi xoắn , không bọc giáp • Dây đôi xoắn, bọc giáp • Cáp đồng trục • Sợi quang • Không dây Truy cập mạng: • Kỹ thuật truy cập mạng đơn giản nhất là chủ tớ, trạm chủ gửi thông tin đến từng trạm tớ và ra lệnh trạm tớ gửi trả lại thông tin, các trạm tớ không thể liên lạc trực tiếp với nhau - 11 - • Kỹ thuật thứ hai là truyền thẻ (token passing), thẻ là một mẫu tin được truyền trong tuyến, trạm nào bắt được thẻ thì được quyền gửi tin và phải gửi thẻ này đi sau một thời gian xác định.
Nếu trạm phân chia theo chủ tớ thì chỉ có trạm chủ được nhận thẻ. • Kỹ thuật thứ ba là CSMA/CD (carrier sense multiple access collision detection, đa truy cập cảm biến sóng mang chống xung đột) các trạm đều được quyền phát tin nếu tuyến đang rảnh, nhưng nếu có hai trạm cùng truyền đồng thời thì xung đột xảy ra, sự truyền ngưng, trạm sẽ truyền tin trở lại sau một thời gian ngẫu nhiên. Mô hình mạng: Sự truyền thông tin giữa các trạm thực hiện theo giao thức và kỹ thuật truy cập, các mạng con có giao thức và kỹ thuật truy cập khác nhau do đó cần có một kiểu mẫu chung về mạng; năm 1984 tổ chức quốc tế ISO (International Standardization Organization) đã đưa ra mô hình mạng chuẩn 7 lớp kết nối hệ thống mở OSI (Open system Interconnect Reference model) từ lớp thấp là lớp 1 đến lớp cao nhất là lớp 7, sự kết nối giữa hai trạm thực hiện theo các lớp cùng tên. - 12 - Lớp Tên Chức năng 7 Application layer (Áp Cung cấp các dịch vụ dụng) 6 Presentation layer Chuyển đổi dạng dữ liệu cho phù hợp với thiết (Trình diễn) bị 5 Session layer (Phiên) Đồng bộ các phiên kết nối, giúp dữ liệu được truyền từ chỗ gián đoạn mà không phải làm lại từ đầu một khi kết nối bị ngắt được khôi phục lại 4 Transport layer (Vật lý) Tạo kết nối, đóng gói thông tin, bảo đảm chất lượng dịch vụ QOS (Quality of service) 3 Network layer (Mạng) Tạo kết nối giữa các mạng con 2 Data link layer (Kết nối Kỹ thuật truy cập, mã phát giác sai và sửa sai dữ liệu) 1 Physical layer (Vật lý) Kết nối vật lý giữa các thiết bị mạng (cáp điện, sợi quang, không dây vô tuyến), vận tốc truyền, chuẩn truyền • Lớp vật lý: lớp vật lý tạo sự kết nối vật lý giữa hai thiết bị đầu cuối DTE (data terminal equipment), có thể là cáp hai dây , cáp đồng trục, sợi quang, vô tuyến….
Thông tin truyền đi dưới dạng bit theo chuẩn RS232, RS485, RS422. Thông tin truyền đi được tăng độ tin cậy bởi bit kiểm tra parity. • Lớp kết nối dữ liệu: bảo đảm truyền tin tin cậy bằng cách dùng các loại mã sửa sai như mã khoảng cách Hamming, mã vòng CRC (Cyclic Redundancy Check), FCS (Frame Check Sequence). Lớp này chia làm hai lớp - 13 - con là MAC (Medium Access Control) lo việc truy cập và lớp LLC (Logic Link Control) lo việc kết nối.
• Lớp mạng: bảo đảm tìm đường đi để truyền dữ liệu giữa hai DTE. • Lớp vận chuyển: cung cấp truyền tin tin cậy, khắc phục lỗi và điều khiển lưu thông. • Lớp phiên: dùng để đồng bộ sự liên lạc, bảo đảm dữ liệu được truyền tiếp tục từ chỗ bị ngưng do ngắt kết nối. • Lớp trình diễn: chuyển đổi các dạng dữ liệu khác nhau thành dạng chuẩn.
• Lớp áp dụng: cung cấp các dịch vụ ứng dụng, ví dụ dịch vụ chuyển thông báo MMS (Manufacturing Message Service) trong công nghiệp Bộ ghép mạng : Bộ ghép mạng dùng để kết nối hai mạng con với nhau hay để nối dài đường truyền vật lý bằng cách tăng cường tín hiệu, Có bốn loại bộ ghép là repeater, bridge, router và gateway. • Repeater: bộ lặp lại, khuếch đại tín hiệu khi muốn tăng khoảng cách truyền - 14 - • Bridge: cầu nối dùng để nối hai đường truyền vật lý khác nhau, ví dụ nối cáp điện và sợi quang. Cầu nối liên hệ đến lớp 1 và lớp 2 • Router: kết nối hai DTE theo ba lớp 1, 2 và 3. • Gateway: kết nối hai mạng con với nhau theo cả bảy lớp, ví dụ kết nối internet với nước ngoài - 15 - Không phải các loại mạng đều dùng đủ 7 lớp mạng, ví dụ mạng Profibus chỉ dùng lớp 1, 2 và lớp 7.
Trong công nghiệp có nhiều loại mạng khác nhau như Profibus (Process Field Bus), CAN (Controller Area Network), DeviceNet, Modbus. ASI, Ethernet Công nghiệp, DH485. Các công ty lớn về Tự động hoá như Siemens, OMRON, Allen-Bradley, Schneider sản xuất rất nhiều thiết bị mạng và các mạng con của họ cũng rất đa dạng, tuy nhiên phần lớn đều theo chuẩn mạng mở, tức là có thể ghép các thiết bị mạng của nhiều hãng chung với nhau, tất nhiên là phải theo một chuẩn nào đó. Mạng Không Dây: Những năm gần đây phổ biến mạng không dây sử dụng dải tần 2.7GHz, đó là các mạng LAN không dây, Blue Tooth, GPRS (General Packet Radio Service) và WAP (Wireless Application Protocol).
Do tính chất truyền tin đa đường, nhiễu kênh truyền cao, công suất phát không lớn và yêu cầu bảo mật nên nhiều kỹ thuật hiện đại được sử dụng, ví dụ như kỹ thuật trải phổ. Có hai kỹ thuật trải phổ sử dụng: FHSS trải phổ nhảy tần (Frequency Hopping Spread Spectrum) tần số sóng mang thay đổi ngẫu nhiên trong 79 tần số; kỹ thuật khác là trải phổ chuỗi trực tiếp DSSS( Direct Sequence Spread Spectrum) một bit thông tin được mã hoá thành một chuỗi bit ngẫu nhiên. Hai phương pháp này giúp trải rộng dải tần tín hiệu, do đó làm giảm ảnh hưởng của nhiễu dải tần hẹp và khó xem trộm thông tin. Các thiết bị không dây ở gần nhau tạo thành một tế bào, sự truyền tin sang tế bào khác thực hiện nhờ các bộ lặp lại vô tuyến, còn gọi là điểm truy cập.
Kỹ thuật truy cập mạng là CSMA/CA tránh xung đột. Khi một trạm muốn truyền nhận thấy môi trường tự do, nó sẽ gởi RTS cho biết thời gian truyền, đối - 16 - tác gửi trả lại CTS và sự truyền tin bắt đầu, các trạm khác biết khi nào kết thúc sự truyền và sẽ chờ đợi. Khi kết thúc truyền, đối tác gửi ACK báo truyền tin thành công. Kỹ thuật FHSS Kỹ thuật DSSS - 17 - 1.2 MẠNG CÔNG NGHIỆP SIEMENS Siemens chia mức độ tự động hoá thành bốn mức : Mức quản lý: thu thập dữ liệu quá trình, phân tích và tối ưu quá trình, thực hiện các báo cáo.
Thiết bị sử dụng ở mức này là máy tính. Mức tế bào: thực hiện các chức năng điều khiển, tự động hoá và tối ưu hoá. Các thiết bị sử dụng là máy tính, PLC, màn hình điều khiển OP. Mức trường: ghép nối các bộ điều khiển với thiết bị trong dây chuyền sản xuất Mức Cảm biến/ Chấp hành: ghép cảm biến, chấp hành với PLC Tuỳ theo mức độ quản lý có các loại mạng sau: Mạng Ethernet công nghiệp: tương tự mạng máy tính Mạng Profibus/ mạng MPI (Multipoint Interface) Mạng ASI - 18 - Sau đây giới thiệu đôi nét về các mạng con của Siemens.1 Mạng ETHERNET công nghiệp Mạng Ethernet công nghiệp phát xuất từ mạng Ethernet, mạng này được đề xuất bởi IEEE (Institute of Electrical and Electronic Engineers) năm 1985 gọi là chuẩn IEEE 802.
Đầu tiên mạng LAN này là sản phẩm kết hợp của ba công ty Xerox, DEC và Intel năm 1976 (Ether: môi trường truyền sóng ánh sáng theo quan niệm xưa, Net: mạng). Chuẩn này dùng cáp đồng trục trở kháng 50 Ohm, truyền tin với vậân tốc 10 Mb/s theo kỹ thuật CSMA/CD, thường gọi là chuẩn 10BASE5 (10 có nghĩa 10Mb/s, BASE là Baseband tín hiệu truyền đi không điều chế, 5 ứng với khoảng cách truyền 500m). Sau này dùng cáp đồng trục loại nhỏ RG58A/U chuẩn 10BASE2. Các máy tính nối với nhau theo cấu hình tuyến qua các đoạn cáp có đầu nối BNC đực (đầu nối BNC, Bayonet Neill Concelman), nối với đầu nối - 19 - hình T cắm vào card mạng.
Hai đầu tuyến có đầu nối Terminator là điện trở 50 Ohm để tránh phản xạ đầu cuối, khoảng cách tối đa đoạn cáp là 185m.