Điều khiển lập trình PLC - Phần 2 - Chương 5: Khái quát mạng PLC

ĐIỀU KHIỂN LẬP TÌNH PLC - MẠNG PLC Chương 5 – Khái quát mạng PLC PHẦN II HỆ THỐNG MẠNG PLC CHƯƠNG 5 KHÁI QUÁT MẠNG PLC Chủ đề: ƒ Cơ sở truyền thông ƒ Các kiến trúc giao thức ƒ Kỹ thuật truy cập và ghép mạng ƒ Các bus truyền thông Mục đích: ƒ Nắm rõ các khái niệm về truyền thông mạng PLC ƒ Các cấp và loại mạng chủ yếu của Simatic 131 ĐIỀU KHIỂN LẬP TÌNH PLC - MẠNG PLC Chương 5 – Khái quát mạng PLC 5.1. MẠNG TRUYỀN THÔNG CÔNG NGHIỆP LÀ GÌ ? Sự phổ biến của các giải pháp tự động hóa sử dụng hệ thống truyền thông số là kết quả tổng hợp của các tiến bộ trong kỹ thuật vi điện tử, kỹ thuật máy tính, kỹ thuật thông tin và kỹ thuật tự động hóa. Mạng truyền thông công nghiệp hay mạng công nghiệp là một khái niệm chung chỉ các hệ thống mạng truyền thông số, truyền bit nối tiếp được sử dụng để ghép nối các thiết 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 mức trường cho đến các máy tính điều khiển, thiết bị quan sát, máy tính điều khiển giám sát và các máy tính trên cấp điều hành xí nghiệp, quản lý công ty.Về cơ sở kỹ thuật, mạng công nghiệp và các hệ thống mạng viễn thông có nhiều điểm tương đồng, tuy nhiên cũng có những điểm khác biệt sau : ƒ Mạng viễn thông có phạm vi địa lý và số lượng thành viên tham gia lớn nên các yêu cầu kỹ thuật ( cấu trúc mạng, tốc độ truyền thông, tính năng thời gian thực, … ) rất khác, cũng như phương pháp truyền thông ( truyền dải rộng / dải cơ sở, điều biên, dồn kênh, chuyển mạch,… ) thường phức tạp hơn so với mạng công nghiệp. ƒ 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. ƒ Đối với mạng công nghiệp thuần túy là các thiết bị công nghiệp, nên dạng thông tin quan tâm duy nhất là dữ liệu. Kỹ thuật truyền thông dùng trong mạng viễn thông cũng rất phong phú, trong khi kỹ thuật truyền dữ liệu theo chế độ bit nối tiếp là đặc trưng của mạng công nghiệp. Mạng truyền thông công nghiệp thực chất là một dạng đặc biệt của mạng máy tính, có thể so sánh với mạng máy tính thông thường ở những điểm giống nhau và khác nhau như sau : ƒ Kỹ thuật truyền thông số hay truyền dữ liệu là đặc trưng chung. ƒ 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. ƒ Yêu cầu về tính năng thời gian thực, độ tin cậy và khả năng tương thích trong môi trường công nghiệp cao hơn so với mạng máy tính thông thường, trong khi đó mạng máy tính thường đòi hỏi cao hơn về bảo mật thông tin. ƒ Mạng máy tính có phạm vi trải rộng khác nhau, ví dụ có thể nhỏ như mạng LAN cho một nhóm vài máy tính, hoặc rất lớn như mạng Internet. Trong nhiều trường hợp, mạng máy tính gián tiếp sử dụng 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. 5.2. VAI TRÒ ỨNG DỤNG Trong những năm gần đây bộ điều khiển lập trình PLC được sử dụng ngày càng rộng rãi trong công nghiệp, là giải pháp lý tưởng cho việc tự động hóa các quá trình sản xuất. 132 ĐIỀU KHIỂN LẬP TÌNH PLC - MẠNG PLC Chương 5 – Khái quát mạng PLC PLC đóng vai trò trung tâm trong điều khiển, dễ dàng lập trình, cho phép nhanh chóng thay đổi chương trình điều khiển, ứng dụng trong phạm vi rộng, chuẩn hóa được điều khiển, giá thành thấp và dễ dàng trong bảo trì sửa chữa, độ chính xác cao trong môi trường công nghiệp. Tuy có nhiều ưu điểm về điều khiển nhưng PLC không đáp ứng được về phương diện quản lý, thông tin và lưu trữ dữ liệu. Vì vậy để đáp ứng những yêu cầu này PLC thực hiện truyền thông nối mạng ở nhiều cấp độ khác nhau nhằm đáp ứng yêu cầu vừa điều khiển vừa giám sát hệ thống. Hệ thống mạng hỗ trợ những nhà quản lý những người chịu trách nhiệm sản xuất theo dõi được tình hình cụ thể quá trình sản xuất mà không cần trực tiếp trong khu vực sản xuất. Mạng thu nhận dữ liệu trên tất cả các dây chuyền sản xuất mà không làm chậm lại quá trình sản xuất, thu nhận dữ liệu để phân tích quá trình sản xuất, chẩn đoán, giám sát sự cố và độ tin cậy trong hoạt động của các thiết bị, quản lý nguyên liệu và lưu vào hệ thống kế hoạch sản xuất của nhà máy. Mạng làm tăng thêm tính sẵn sàng của các thiết bị nối mạng. Mạng thực thi thời báo phản ứng nhanh với mức cao ổn định tránh những mức thấp hay thay đổi khi thực hiện truyền thông. Thao tác mạng linh hoạt để điều khiển đảm bảo cho sự sản xuất liên tiếp. Tính liên tục không gián đoạn và sẵn sàng đang dần trở thành điều quan trọng và ngày càng tăng. Chi phí thời gian cho việc ngừng quá trình sản xuất để phát hiện và sửa chữa sự cố thì cao hơn chi phí cho sự lắp đặt những hệ thống cảnh báo, theo dõi, giám sát, kịp thời phát hiện ra những sự cố để sửa chữa và tiếp tục sản xuất một cách nhanh chóng và công cụ để làm điều này không khác hơn là sử dụng hệ thống mạng truyền thông mạnh để định vị và chỉ báo lỗi một cách nhanh chóng. Cùng với sự phát triển mạng toàn cầu, những nhà quản lý hoàn toàn có thể theo dõi tình hình hoạt động của nhà máy và có thể đưa ra những quyết định thay đổi trong sản xuất và quyết định sẽ được thực thi nhanh chóng, dù người quản lý đang ở bất cứ địa điểm nào, ở bất cứ một nước nào, thông qua việc kết nối mạng của nhà máy với mạng toàn cầu. Sự xuất hiện của hệ thống mạng đã đem lại một cuộc đột phá mạnh mẽ trong công nghiệp và cả trong đời sống, trong khi sự hợp tác toàn cầu được nhắc đến và những nhu cầu của con người ngày càng đòi hỏi tốt hơn thì hệ thống mạng đã đáp ứng được tương đối những yêu cầu này. 5.3. CƠ SỞ TRUYỀN THÔNG 5.3.1. Truyền thông giữa các PLC Sự liên lạc truyền thông giữa các thiết bị, máy móc sản xuất càng ngày càng đóng vai trò quan trọng hơn, bởi vì nó giúp cho việc tích hợp các thành phần riêng lẽ trong một hệ thống sản xuất thành một hệ thống hoàn chỉnh. Các vấn đề của điều khiển, giám sát, quản lý dữ liệu của một hệ thống sản xuất đều phụ thuộc vào các hệ thống truyền thông, từ những kết nối đơn giản từ máy này đến máy khác tới những kết nối mạng cục bộ và cả 133 ĐIỀU KHIỂN LẬP TÌNH PLC - MẠNG PLC Chương 5 – Khái quát mạng PLC mạng diện rộng mà ở đó có đến hàng trăm máy móc thông minh phân bố ở các vị trí khác nhau có khoảng cách xa nhau được liên lạc với nhau qua một xa lộ thông tin chung. Các sử dụng thông thường của các cổng truyền thông PLC ƒ Thông báo dữ liệu điều hành và cảnh báo, thí dụ qua Printer hay VDU ƒ Ghi nhận các dữ liệu vào các hồ sơ lưu trữ (thường là Computer) để phân tích quá trình và thông tin quản lý (qua các phần mềm ứng dụng). ƒ Chuyển các giá trị, các tham số vào chương trình PLC có sẵn từ các thiết bị đầu cuối của người điều hành hoặc từ các bộ điều khiển giám sát. ƒ Thay đổi chương trình PLC từ bộ điều khiển giám sát. ƒ Áp đặt các ngõ I/O và các phần tử nhớ hay gán các thông số từ một thiết bị đầu cuối từ xa. ƒ Nối kết PLC vào hệ phân cấp điều khiển có nhiều loại PLC, máy tính và thiết bị điều khiển giám sát khác. ƒ Truyền nối tiếp và các chuẩn truyền Hầu hết các phương tiện truyền thông PLC thường được thiết kế và chế tạo theo kiểu truyền nối tiếp. Các chuẩn truyền nối tiếp thông dụng và phổ biến đó là: truyền thông RS232, RS422/423 và RS485. Giao tiếp Khoảng cách (m) Tốc độ truyền tối đa (bps) Giao tiếp Khoảng cách (m) Tốc độ truyền tối đa (bps) 10 10.000 10 1.000.000 100 1000 100 100.000 RS232 1000 - RS422/ RS482 1000 10.000 5.3.2. Mạng truyền dữ liệu 5.3.2.1. Các khái niệm cơ bản Truyền thông (Communications) Truyền thông được dùng để chỉ sự truyền dữ liệu, trao đổi dữ liệu giữa hai hay các thành phần truyền thông (communications partner – cộng sự truyền thông) cùng kiểu hay khác kiểu trong mạng truyền thông: điều khiển các thành phần, lấy thông tin trạng thái, cài đặt tham số… Tuyền thông có thể truyền qua nhiều đường truyền thông khác nhau như: cổng truyền thông được tích hợp sẵn ngay trong CPU, có thể là các vi xử lý truyền thông riêng CP ( Communications Hình 5.1 – Các cộng sự truyền thông trong một mạng Ethernet 134 ĐIỀU KHIỂN LẬP TÌNH PLC - MẠNG PLC Chương 5 – Khái quát mạng PLC Processor)… Trong mạng truyền thông để biểu diễn mỗi thành phần truyền thông người ta quy định cho nó là từ Nút (node). Hệ thống truyền thông có dự phòng (Redundant Communications System). Tính khả dụng của hệ thống truyền thông có thể được tăng thêm bằng sự dư thừa môi trường, tăng gấp đôi các thành nhỏ, hoặc tăng gấp đôi các thành phần bus. Các cơ chế giám sát và đồng bộ hóa đảm bảo cho nếu có một thành phần trên mạng bị hỏng thì việc truyền thông vẫn xảy ra bằng sử dụng các thành phần dự phòng mà không làm gián đoạn quá trình truyền thông. Truyền thông có tính khả dụng cao (High – availability communications) Truyền thông có tính khả dụng cao là truyền thông giữa hai hệ thống có tính khả dụng cao. Nó chuyển qua hệ thống dự phòng khi có một thành phần bị hư hỏng ( ví dụ CP hay cáp truyền thông). Điều này đảm bảo cho hệ thống truyền thông được liên tục. Các nút thừa (Redundant nodes) Các nút thừa cho thấy khả năng an toàn vốn có của truyền thông giữa các hệ thống có tính khả dụng cao. Một hệ thống đa kênh được biểu diễn bằng các nút dự phòng. Nút dự phòng có tính độc lập khi nếu có sự cố thành phần ở nút nào đó thì cũng không làm ảnh hưởng đến nút khác. Cộng sự truyền thông (Communications partner) Cộng sự truyền thông là khối có khả năng thực hiện truyền thông. Cộng sự truyền thông có thể cùng thực hiện trong một thiết bị hay là trong thiết bị ở xa. Trạm (Station) Trạm là thiết bị mà được kết nối như một đơn vị (thí dụ: PLC, thiết bị lập trình, giám sát…) với một hay nhiều mạng con (subnet ). Mạng con (Subnet) Subnet là toàn bộ các thành phần vật lý cần thiết để xây dựng thành một đường truyền dữ liệu cũng như các thủ tục cần thiết để chuyển dữ liệu. Các kết nối giữa các trạm vào subnet không cần phải đi qua gateway. Toàn bộ subnet (MPI, PROFIBUS, Industrial Ethernet) cũng được gọi là môi trường truyền. Mỗi subnet đều có một subnetID duy nhất. Mạng (Network) Một mạng gồm một subnet hay nhiều subnet giống nhau hoặc khác nhau được nối với nhau. Gateway Gateway Gateway là thiết bị nối kết hai hay nhiều subnet lại với nhau theo khả năng truyền thông của chúng. Gateway có thê liên kết những subnet về mặt vật lý giống nhau hoặc khác nhau (như Ethernet và Prfibus). Do đó những trạm nối vào nhau nhiều hơn một Hình 5.2 - thí dụ một Gateway 135 ĐIỀU KHIỂN LẬP TÌNH PLC - MẠNG PLC Chương 5 – Khái quát mạng PLC subnet đều phải có gateway. Link Link là phép gán logic của một cộng sự truyền thông đến một cộng sự truyền thông khác để thực hiện một dịch vụ truyền thông nhất định. Link được gán trực tiếp vào một dịch vụ truyền thông. Một link có hai điểm đầu mút (end point) chứa các thông tin cần thiết để định địa chỉ cộng sự truyền thông cũng như các thuộc tính để thiết lập link. Cũng có những link cò tính khả dụng cao mà tận dụng tính dư thừa của mạng vật lý để duy trì truyền thông nếu có thành phần nào của truyền thông bị hỏng. Routing (định lộ trình) Những gateway cần thông tin để đi qua các kết nối từ subnet này sang subnet khác. Thông tin được chứa trong các bảng chỉ đường đi đến cộng sự truyền thông, các bảng này gọi là các dẫn đường (routing table) và chính cơ chế của nó được gọi là routing. Có hai loại routing là tĩnh và động. Trong routing tĩnh thì bảng là cố định, nó chỉ đường đi đến các subnet kế. Các bảng này phải khai báo lại khi co bổ sung thêm một trạm truềyn thông vào mạng. Ngược lại routing động thì tự động đăng kí đi đến cộng sự truyền thông mới và tự động cập nhật các bảng tương ứng. Các chức năng truyền thông (Communications Functions) Đây là các chức năng được cung cấp bởi các giao tiếp phần mềm mà có sử dụngcác dịch vụ truyền thông. Có các chức năng truyền thông như : chuyển dữ liệu giữa các cộng sự truyền thông có các dữ liệu làm việc liên quan, điều khiển cộng sự truyền thông các trạng thái hoạt động của mạng. Giao thức (Protocol) Đây là sự sắp xếp cụ thể theo bit giữa các cộng sự truyền thông để thực thi một dịch vụ truyền thông nhất định. Giao thức định nghĩa cấu trúc của nội dung truyền thông dữ liệu trên cáp vật lý và chỉ rõ chế độ hoạt động, thủ tục để thiết lập một link, tốc độ truyền. Sự tương thích dữ liệu (Data Consistency) Truyền dữ liệu giữa các thiết bị phải đảm bảo được tính tương thích dữ liệu. Sự không tương thích dữ liệu có thể xảy ra khi truyền thông bị ngắt. 5.3.2.2. Phân loại các mạng Có 3 loại mạng khác nhau được xếp loại theo mức độ bao phủ địa lý của nó. Đó là mạng cục bộ LAN (Local Area Network) mạng trung MAN (Metroplotain Area Network) và mạng diện rộng WAN (Wide Area Network). Chúng được phân giới theo tầm khoảng cách truyền thông được phủ như sau: ƒ LAN < 5km ƒ MAN < 25 km ƒ WAN > 25 km Xuất phát từ mạng LAN và WAN, một mạng được giới thiệu đó là mạng FAN. FAN được sử dụng trong tự động hóa các quá trình để truyền thông ở cấp trường (field level) trong môi trường quá trình, trong khi đó các LAN và WAN chịu trách nhiệm liên lạc trong và giữa các cấp của hệ phân cấp ( các cấp làm việc, sản xuất và quản lý). Môi trường truyền 136 ĐIỀU KHIỂN LẬP TÌNH PLC - MẠNG PLC Chương 5 – Khái quát mạng PLC Sự lựa chọn môi trường truyền vật lý chủ yếu dựa vào chiều dài đường truyền cần cho mạng, tốc độ truyền và mức độ an toàn. Các môi trường truyền thông dụng được liệt kê sau đây theo thứ tự tính phức tạp và hiệu năng: ƒ 2 lõi, không có xoắn, không có bọc ( giao tiếp ASI). ƒ 2 lõi, có xoắn, không có bọc. ƒ 2 lõi, có xoắn, có bọc (mạng Profibus). ƒ Cáp đồng trục (Industrial Ethernet). ƒ Cáp sợi quang (Profibus/ Industrial Ethernet). ƒ Không dây ( hồng ngoại IR và vô tuyến). 3.2.3. Kỹ thuật truy cập (access techniques) Khi truyền thông, mỗi lần truyền chỉ có một bức điện tín (telegram) phát đi trên bus, do đó phải có một hệ thống xem xét trạm bus nào được phép phát trên bus. Để xác định ta phải dùng kỹ thuật truy cập bus. Các kỹ thuật truy cập có thể được phân loại như mô tả hình… Master/Slave (chủ/tớ) Kỹ thuật tập trung điển hình là kỹ thuật master/slave. Master điều khiển toàn bộ lưu thông bus. Nó gửi dữ liệu đến các slave theo kiểu hỏi vòng (polling) sự kiện và đưa cho các slave các lệnh gửi. Thông thườn slave không thể thực hiện. Kỹ thuật điều khiển master/slave này là rất đơn giản và hiệu quả cao, do đó chúng được sử dụng trong các bus trường (field bus) như PROFIBUS. Tập (Ce huật truy cập ss techniques) Token passing (truyền thẻ bài) Token passing là kỹ thuật phân bố tất định. Trong trường hợp một token (một khuôn mẫu bit cố định) đi qua mạng truyền thông và nó dùng làm dấu hiệu cho phép gửi. Trạm nào giữ token sẽ được phép khoảng thời gian nhất định. Điều này nhằm đảm bị lố. Slave Hình Nếu nhiều master và slave được đặt cấu master được quyền nhận token mà thôi. Kỹ t (Acceg truyền thông liên lạc trực tiếp giữa các Tất định (deterministic) Ngẫu nhiên (stochastic) Phân bố (Distributed trung ntral) Hình 5.3 - Các kỹ thuật truy cập gửi, nhưng phải truyền token đi sau một bảo cho thời gian xoay vòng token không Master Slave Slave 5.4 - Thí dụ cấu hình Master/Slave hình trong mạng truyền thông thì chỉ có 137 ĐIỀU KHIỂN LẬP TÌNH PLC - MẠNG PLC Chương 5 – Khái quát mạng PLC CSMA/CD Kỹ thuật truy cập ngẫu nhiên quan trọng nhất là kỹ thuật CSMA/CD (Carrier Sense Multi Access with Collision Detection = Đa truy cập cảm nhận sóng mang có phát hiện va chạm được chuẩn hóa thành IEEE802.3). Trong trường hợp này bất cứ khi nào một trạm nào đó cũng được quyền gởi, miễn là không có trạm nào khác đang phát dữ liệu đi. Tuy nhiên có xung đột xảy ra khi hai trạm cùng gửi đi một lúc mà bus đang trống. Trong trường hợp này cả hai trạm phát hiện va chạm bằng cách giám sát bus, sau đó dừng gửi đi và thử gửi lại sau khoảng thời gian đợi ngẫu nhiên. Những bus sử dụng CSMA/CD (như Industrial Ethernet) thường hoạt động với tốc độ truyền 10Mbps. 5.3.2.4. Khái niệm Client/Server Khái niệm Client/Server dựa trên nguyên tắc tách riêng chức năng sử dụng (client) dữ liệu và chức năng quản lý (server) dữ liệu. Mục đích của việc tách riêng các chức năng này ra là để tăng năng suất phát triển chương trình user như định nghĩa công việc rõ ràng, tích hợp dễ dàng các ứng dụng khác nhau vá truy cập dữ liệu dễ dàng hơn từ nhiều trạm làm việc. Server Nhiệm vụ của server là lưu trữ, quản lý dữ liệu và bảo đảm các chức năng đặc biệt khả dụng, chẳng hạn là các dịch vụ truyền thông. Client Nhiệm vụ của client là làm cho user dễ dàng hơn trong việc truy cập toàn bộ hệ thống mà không cần biết phân bố chi tiết của dữ liệu và các chức năng. Model (mô hình) Trong lĩnh vực tự động hóa, những tương tác giữa các ứng dụng và các dịch vụ được cung cấp bởi hệ thống truyền thông thường được mô tả bằng các mô hình Client/Server. Trong trường hợp này, ứng dụng có chức năng Client yêu cầu và Server cung cấp dịch vụ. 5.4. KIẾN TRÚC GIAO THỨC OSI Trên thực tế, khó có thể xây dựng một mô hình chi tiết thống nhất về chuẩn giao thức và dịch vụ cho tất cả các hệ thống truyền thông, nhất là khi các hệ thống rất đa dạng và tồn tại độc lập. Chính vì vậy, năm 1983 tổ chức tiêu chuẩn hóa quốc tế ISO đã đưa ra một kiến trúc giao thức với chuẩn ISO 7498, được gọi là mô hình quy chiếu OSI ( Open System Interconnection – Reference Model ) nhằm hỗ trợ việc xây dựng các hệ thống truyền thông có khả năng tương tác. Theo mô hình OSI, chức năng hay dịch vụ của một hệ thống truyền thông được chia làm 7 lớp, tương ứng với mỗi lớp dịch vụ là một lớp giao thức. Các lớp này có thể do phần cứng hoặc phần mềm thực hiện, tuy nhiên chuẩn này không đề cập đến chi tiết một đối tác truyền thông phải thực hiện từng lớp đó như thế nào. Một lớp trên thực hiện dịch vụ của mình trên cơ sở sử dụng dịch vụ ở một lớp phía dưới và theo đúng giao thức qui định tương ứng. Thông thường các dịch vụ cấp thấp do phần cứng thực hiện, trong khi các dịch vụ cao cấp do phần mềm ( hệ điều hành, phần mềm điều khiển, phần mềm ứng dụng) đảm nhiệm. Việc phân lớp không những có ý nghĩa trong việc mô tả, đối chiếu các hệ thống truyền thông mà còn có ích cho việc thiết kế các thành phần giao diện mạng. Một lớp bất 138 ĐIỀU KHIỂN LẬP TÌNH PLC - MẠNG PLC Chương 5 – Khái quát mạng PLC kỳ trong bảy lớp có thể thay đổi trong cách thực hiện mà không ảnh hưởng tới các lớp khác chừng nào nó giữ nguyên giao diện với lớp trên và lớp dưới nó. Vì đây là một mô hình quy chiếu có tính chất dùng để tham khảo không phải hệ thống truyền thông nào cũng thực hiện đầy đủ cả 7 lớp đó. 5.4.1. Lớp ưÙng dụng ( Application Layer ) Lớp ứng dụng là lớp trên cùng của mô hình OSI, có chức năng cung cấp dịch vụ cao cấp ( trên cơ sở các giao thức cao cấp ) cho người sử dụng và các chương trình ứng dụng. Các dịch vụ thuộc lớp ứng dụng hầu hết được thực hiện bằng phần mềm. 5.4.2. Lớp giới thiệu dữ liệu ( Presentation Layer ) Chức năng của lớp biễu diễn dữ liệu là chuyển đổi các dạng biểu diễn dữ liệu khác nhau về cú pháp thành dạng chuẩn nhằm tạo điều kiện cho các đối tác truyền thông có thể hiểu được nhau mặc dù chúng sử dụng các kiểu dữ liệu khác nhau. Nói cách khác, lớp biểu diễn dữ liệu giải phóng sự phụ thuộc của lớp ứng dụng vào phương pháp biểu diễn dữ liệu khác nhau. Ngoài ra lớp này còn có thể cung cấp một số dịch vụ bảo mật dữ liệu, ví dụ qua phương pháp sử dụng mã khóa. 5.4.3. Lớp luân phiên ( Session Layer ) Lớp kiểm soát nối có chức năng kiểm soát mối liên kết truyền thông giữa các chương trình ứng dụng bao gồm các việc tạo lập, quản lý và kết thúc các đường nối giữa các ứng dụng mang tính logic. Thông qua một một mối liên kết vật lý ( giữa hai trạm, giữa hai nút mạng ) có thể tồn tại song song nhiều đường nối logic. Thông thường, kiểm soát nối thuộc chức năng của hệ điều hành. Để thực hiện các đường nối giữa hai ứng dụng đối tác, hệ điều hành có thể tạo các quá trình tính toán song song ( cạnh tranh ). Như vậy, nhiệm vụ đồng bộ hóa các quá trình tính toán này đối với việc sử dụng chung một giao diện mạng cũng thuộc chức năng của lớp kiểm soát nối. Chính vì thế, lớp này còn có tên là lớp đồng bộ hóa. 5.4.4. Lớp vận chuyển ( Transport Layer ) Chức năng của lớp vận chuyển là cung cấp các dịch vụ cho việc thực hiện vận chuyển dữ liệu giữa các chương trình ứng dụng một cách tin cậy bao gồm cả trách nhiệm khắc phục lỗi và điều khiển lưu thông. Nhờ vậy mà các lớp trên có thể thực hiện được các chức năng cao cấp mà không cần quan tâm tới cơ chế vận chuyển dữ liệu cụ thể. Các nhiệm vụ cụ thể của lớp vận chuyển bao gồm : ƒ Quản lý về tên hình thức cho các trạm sử dụng. ƒ Định vị các đối tác truyền thông qua tên hình thức và / hoặc địa chỉ. ƒ Xử lý lỗi và kiểm soát dòng thông tin, trong đó có cả việc lập lại quan hệ liên kết và thực hiện các thủ tục gửi lại dữ liệu khi cần thiết. ƒ Dồn kênh các nguồn dữ liệu khác nhau. ƒ Đồng bộ hóa giữa các trạm đối tác. 5.4.5. Lớp mạng ( Network Layer ) Lớp mạng có trách nhiệm tìm đường đi tối ưu cho việc vận chuyển dữ liệu, giải phóng sự phụ thuộc của các lớp bên trên vào phương thức chuyển giao dữ liệu và công nghệ chuyển mạch dùng để kết nối các hệ thống khác nhau. Tiêu chuẩn tối ưu ở đây hoàn toàn dựa trên yêu cầu của các đối tác, ví dụ như yêu cầu về thời gian, quảng đường, về giá 139 ĐIỀU KHIỂN LẬP TÌNH PLC - MẠNG PLC Chương 5 – Khái quát mạng PLC thành dịch vụ hay yêu cầu về chất lượng dịch vụ. Việc xây dựng và hủy bỏ các quan hệ liên kết giữa các nút mạng cũng thuộc trách nhiệm của lớp mạng. Có thể nhận thấy lớp mạng không có ý nghĩa đối với một hệ thống truyền thông công nghiệp, bởi ở đây hoặc không có nhu cầu trao đổi dữ liệu giữa hai trạm thuộc hai mạng khác nhau, hoặc việc trao đổi được thực hiện gián tiếp thông qua chương trình ứng dụng ( không thuộc lớp nào trong mô hình OSI).Việc thực hiện trao đổi dữ liệu thông qua chương trình ứng dụng xuất phát từ lý do là người sử dụng ( lập trình ) muốn có sự kiểm soát trực tiếp tới đường đi của một bức điện để đảm bảo tính năng thời gian thực chứ không muốn phụ thuộc vào thuật toán tìm đường đi tối ưu của các router. Cũng vì vậy, các bộ router thông dụng trong liên kết mạng hoàn toàn không có vai trò gì trong các hệ thống bus trường. 5.4.6. Lớp liên kết dữ liệu ( Data Link Layer ) Lớp liên kết dữ liệu có trách nhiệm truyền dẫn dữ liệu một cách tin cậy thông qua mối liên kết vật lý, trong đó bao gồm việc điều khiển việc truy cập môi trường truyền dẫn và bảo toàn dữ liệu. Lớp liên kết dữ liệu thường được chia thành hai lớp con tương ứng với hai chức năng nói trên : Lớp điều khiển truy nhập môi trường ( medium access control, MAC ) và lớp điều khiển liên kết logic ( logical link control, LLC ). Trong một số hệ thống, lớp liên kết dữ liệu có thể đảm nhiệm thêm các chức năng khác như kiểm soát lưu thông và đồng bộ hóa việc chuyển giao các khung dữ liệu. Để thực hiện chức năng bảo toàn dữ liệu, thông tin nhận được từ lớp phía trên được đóng gói thành các bức điện có chiều dài hợp lý ( frame ). Các khung dữ liệu này chứa các thông tin bổ sung phục vụ mục đích kiểm lỗi, kiểm soát lưu thông và đồng bộ hóa. Lớp liên kết dữ liệu bên phía nhận thông tin sẽ dựa vào các thông tin này để xác định tính chính xác của dữ liệu, sắp xếp các khung lại theo đúng trình tự và khôi phục lại thông tin để chuyển tiếp lên lớp trên nó. 5.4.7. Lớp vật lý ( Physical Layer ) Lớp vật lý là lớp cuối cùng trong mô hình phân lớp chức năng truyền thông của một trạm thiết bị. Lớp này đảm nhận toàn bộ công việc truyền dẫn dữ liệu bằng phương tiện vật lý. Các quy định ở đây mô tả giao diện vật lý giữa một trạm thiết bị và môi trường truyền thông : ƒ Các chi tiết về cấu trúc mạng ( bus, cây, hình sao, … ) ƒ Chuẩn truyền dẫn ( RS485, IEC 1158 – 2 , truyền cáp quang, … ) ƒ Phương pháp mã hóa bit ( dải rộng / dải cơ sở / dải mang, đồng bộ / không đồng bô ) ƒ Các tốc độ truyền cho phép ƒ Giao diện cơ học ( phích cắm, giắc cắm, … ) Lớp vật lý cần được chuẩn hóa sao cho một hệ thống truyền thông có sự lựa chọn giữa một vài khả năng khác nhau. Trong hệ thống bus trường, sự lựa chọn náy không lớn quá, hầu hết dựa trên một vài chuẩn và kỹ thuật cơ bản. 5.5. CÁC HỆ THỐNG BUS TIÊU BIỂU 5.5.1. PROFIBUS PROFIBUS là một hệ thống bus trường được phát triển tại Đức từ năm 1987 và được chuẩn hoá trong DIN 19245. Chuẩn quốc gia này đã trở thành chuẩn châu Âu EN 50170 140 ĐIỀU KHIỂN LẬP TÌNH PLC - MẠNG PLC Chương 5 – Khái quát mạng PLC trong năm 1996 và chuẩn quốc tế IEC 61158 vào đầu năm 2000. Với mục đích quảng bá cũng như hỗ trợ phát triển và sử dụng sản phẩm tương thích PROFIBUS, một hiệp hội người dùng đã được thành lập mang tên PROFIBUS Nutzerorganisation ( PNO ). PROFIBUS định nghĩa các đặc tính của một hệ thống bus dùng kết nối các thiết bị trường với các thiết bị điều khiển và giám sát. PROFIBUS là một hệ thống nhiều chủ ( Multi Master ), cho phép các thiết bị điều khiển tự động, các trạm kỹ thuật và hiển thị quá trình cũng như các phụ kiện phân tán cùng làm việc trên cùng mạng bus. Hai loại thiết bị được phân biệt là : ƒ Các thiết bị chủ ( master ) có khả năng kiểm soát truyền thông trên bus. Một trạm chủ có thể gửi thông tin khi nó giữ quyền truy nhập bus. Một trạm chủ còn được gọi là trạm tích cực. ƒ Các thiết bị tớ ( slave ) là các thiết bị trường như vào / ra phân tán, cảm biến và cơ cấu chấp hành. Chúng không được nhận quyền truy cập bus mà chỉ được phép xác nhận hoặc trả lời một thông tin nhận từ trạm chủ khi được yêu cầu. Một trạm tớ được gọi là trạm thụ động. Một trạm tớ chỉ phải thực hiện ít dịch vụ hơn, tức xử lý giao thức đơn giản hơn so với các trạm chủ, vì vậy giá thành thường thấp hơn nhiều. PROFIBUS bao gồm ba loại thương thích với nhau là PROFIBUS – FMS, PROFIBUS – DP, PROFIBUS – PA. Trong khi PROFIBUS – FMS được dùng chủ yếu cho việc nối mạng các máy tính điều khiển và điều khiển giám sát, thì PROFIBUS – DP được xây dựng tối ưu cho việc kết nối các thiết bị trường với các máy tính điều khiển. PROFIBUS – PA là kiểu đặc biệt được sử dụng trong các lĩnh vực tự động hoá các quá trình có môi trường dể cháy nổ, đặc biệt trong công nghiệp chế biến. Nếu không kể tới giá thành thiết bị tương đối cao, thì PROFIBUS là giải pháp chuẩn, đáng tin cậy cho nhiều phạm vi ứng dụng khác nhau, đặc biệt là ứng dụng có yêu cầu cao về tính năng thời gian thực. 5.5.2. CAN CAN ( Controller Area Network ) xuất phát là một phát triển chung của hai hãng Bosch và Intel phục vụ việc nối mạng trong các phương tiện giao thông cơ giới để thay thế cách nối điểm – điểm cổ điển, sau được chuẩn hoá quốc tế trong ISO 11898. Trong một số chủng loại ôtô cỡ lớn, chiều dài dây dẫn tổng cộng trong cách nối điểm – điểm có thể lên tới vài km, tính riêng khối lượng dây lên tới hàng trăm kg. Chỉ cần quan tâm tới yếu tố này cũng thấy hiệu quả của việc sử dụng một hệ thống bus trường như CAN. Nhờ tốc độ truyền dẫn tương đối cao ở khoảng cách ngắn cũng như ưu thế ở một số đặc tính kỹ thuật khác mà công nghệ này cũng đã tham nhập được vào một số lĩnh vực tự động hoá quá trình công nghiệp. 5.5.3. 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. Sau này, chuẩn DeviceNet đã được chuyển sang dạng mở dưới sự quản lý của hiệp hội ODVA ( Open DeviceNet Vendor Association ) và được dự thảo chuẩn hoá IEC 62026 – 3 . DeviceNet không chỉ đơn thuần là chuẩn giao thức cho lớp ứng dụng của CAN mà còn bổ sung một số chi tiết thực hiện lớp vật lý và đưa ra các phương thức giao tiếp kiểu tay đôi ( peer – to – peer ) hoặc chủ / tớ ( Master / Slave ). Cấu hình mạng là đường trục / đường nhánh, trong 141 ĐIỀU KHIỂN LẬP TÌNH PLC - MẠNG PLC Chương 5 – Khái quát mạng PLC đó chiều dài đường nhánh hạn chế dưới 6m, ba tốc độ truyền quy định là 125 Kbps, 250 Kbps, 500 Kbps, tương ứng với các chiều dài tối đa của đường trục là 500m, 250m, 100m. Một mạng DeviceNet cho phép ghép nối tối đa 64 trạm. Khác với CAN, mỗi thành viên trong một mạng DeviceNet được đặt một địa chỉ trong khoảng 0 – 63, được gọi là MAC –ID ( Medium Access Control Identifier ). Việc bổ sung hay bỏ đi một trạm có thể thực hiện ngay trong khi mạng còn đóng nguồn. 5.5.4. MODBUS Modbus là một giao thức của hãng Modicon phát triển. Theo mô hình ISO / OSI thì Modbus thực chất là một chuẩn giao thức và dịch vụ thuộc lớp ứng dụng, vì vậy có thể được thực hiện trên các cơ chế vận chuyển cấp thấp như TCP / IP, MAP ( Manufactoring Message Protocol ), Modbus Plus và ngay cả qua đường truyền nối tiếp RS232. Modbus định nghĩa một tập hợp rộng các dịch vụ phục vụ trao đỗi dữ liệu quá trình, dữ liệu điều khiển và dữ liệu chuẩn đoán. Tất cả các bộ điều khiển của Modicon đều sử dụng Modbus là ngôn ngũ chung. Modbus mô tả quá trình giao tiếp giữa một bộ điều khiển với các thiết bị khác thông qua co chế yêu cầu/ đáp ứng. Vì lý đơn giản nên Modbus có ảnh hưởng tương đối mạnh đối với các hệ PLC của các nhàsản xuất khác. Cụ thể, trong mỗi PLC người ta cũng cò thể tìm thấy một tập hợp con các dịch cụ đã đưa ra trong Modbus. Đặc biệt trong các hệ thống thu thập dữ liệu và điều khiển giám sát (SCADA), Modbus hay được sủ dụng trẹn các đường truyền RS-232 ghép nối giữa các thiết bị dữ liệu đầu cuối (PLC, PC, RTU) với thiết bị truyền dữ liệu (Modem). 5.5.5. Interbus – S Interbus-S là một phát triển riêng của hãng Phoenix Contac, nhưng đã nhanh chóng thành công trên cả phương diện ứng dụng và chuẩn hoá. Ưu thế đặc biệt của Interbus-S là khả năng kết mạng nhiều chủng loại thiết bị khác nhau và giá thành vừa phải, trong khi các đặc tính thời gian không thua kém các hệ thống khác. Interbus-S có thể dùng xuyên suốt cho một hệ thống tự động hoá phân tán phức tạp, không phụ thuộc vào mô hình phân cấp. Tuy nhiên, trọng tâm ứng dụng của Interbus-S nằm ở cấp chấp hành, vì vậy được xếp vào phạm trù bus cảm biến/chấp hành. Đặc biệt, kết hợp với xu hướng điều khiển dùng trong máy tính cá nhân, Interbus-S là một giải pháp rất đáng quan tâm. 5.5.6. ASI AS-I (Actuator Sensor Interface) là kết quả phát triển hợp tác của 11 hãng sản xuất các thiết bị cảm biến và cơ cấu chấp hành có tên tuổi trong công nghiệp, trong đó có Siemens AG, Festo KG, Perperl & Fuchs GmbH. Như tên gọi của nó phần nào diễn tả mục đích sử dụng duy nhất của AS – I là kết nối các thiết bị cảm biến và chấp hành số với cấp điều khiển. Từ một thực tế là hơn 80% cảm biến và cơ cấu chấp hành trong một hệ thống máy móc làm việc với các biến logic cho nên việc nối mạng chúng trước hết phải đáp ứng yêu cầu về giá thành cũng như lắp đặt, vận hành và bảo dưỡng đơn giản. Vì thế, các tính năng kỹ thuật được đặt ra là : ƒ Khả năng đồng tải nguồn, tức dữ liệu và dòng nuôi cho toàn bộ các cảm biến và một phần lớn các cơ cấu chấp hành phải được truyền tải trên cùng một cáp hai dây. ƒ Phương pháp truyền tải phải thật bền vững trong môi trường công nghiệp nhưng không đòi hỏi cao về chất lượng đường truyền. 142 ĐIỀU KHIỂN LẬP TÌNH PLC - MẠNG PLC Chương 5 – Khái quát mạng PLC ƒ Cho phép thực hiện cấu trúc mạng đường thẳng cũng như hình cây. ƒ Các thành phần giao diện mạng có thể thực hiện với giá cả rất thấp. ƒ Các bộ nối phải nhỏ, gọn, đơn giản và giá cả rất hợp lý. Với các hệ thống bus đã có, các yêu cầu trên chưa được áp dụng một cách thỏa đáng. Đó chính là động lực cho việc hợp tác phát triển hệ bus mới AS – i. Thế mạnh của AS – i là sự đơn giản trong thiết kế, lắp đặt và bảo dưỡng cũng như giá thành thấp, nhờ một phương pháp truyền thông đặc biệt cũng như một kỹ thuật điện cơ mới. 5.6. GHÉP CÁC MẠNG Để đảm bảo thông tin liên tục giữa các subnet khác nhau trong quá trình truyền thông cần có các phần tử ghép đặc biệt. Phụ thuộc vào độ phức tạp của việc ghép và sự khác biệt của các subnet được ghép mà các phần tử ghép mạng được sử dụng có thể là Repeater, Bridge hoặc gateway. Trạm CTrạm A Repeater Repeater sao chép lại thông tin nhận được qua cáp gửi đến phía phải ghép và khuếch đại nó trong quá trình. Tất cả các lớp của trạm truyền thông không nhìn thấy sự hoạt động của repeater, nghĩa là lớp vật lý của cả hai mạng phải giống nhau. Người ta thường dùng repeater để mở rộng một subnet có sẵn, thí dụ một hệ thống bus. Network Subnet R CA Repeater Vật lý Ứng dụng Giới thiệu Luân phiên Vận chuyển Mạng Liên kết Vật lý Ứng dụng Giới thiệu Luân phiên Vận chuyển Mạng Liên kết Vật lý Hình 5.5-Repeater Trạm CTrạm A Bridge Người ta sử dụng các bridge để ghép các subnet có cùng protocol trong lớp Data link Bridge Ứng dụng Giới thiệu Luân phiên Vận chuyển Mạng Liên kết Vật lý Ứng dụng Giới thiệu Luân phiên Vận chuyển Mạng Liên kết Vật lýVật lý A CB Subnet Network Vật lý Liên kết Hình5.6 - Bridge 143 ĐIỀU KHIỂN LẬP TÌNH PLC - MẠNG PLC Chương 5 – Khái quát mạng PLC (LLC). Môi trường truyền và kỹ thuật truy cập bus (MAC) của các subnet được liên kết có thể khác nhau. Các Bridge thường được sử dụng khi các mạng cục bộ có các topology khác nhau được nối kết lại hoặc khi các cấu trúc đặc biệt phải được kết nối với các subnet qua các ứng dụng đặc biệt. Trạm CTrạm A Router Router được dùng để nối các mạng ISO khác nhau ở các lớp 1 và 2. Router cũng xác định tối ưu đường truyền thông, tối ưu một thông điệp qua một mạng hiện có (routing). Khoảng cách ngắn nhất hoặc trì hoãn truyền nhỏ nhất có thễ làm tiêu chuẩn cho con đường tối ưu. Router thực hiện công việc của nó bằng cách thay đổi địa chỉ nguồn và địa chỉ đích ở lớp mạng. Gateway Gateway dùng để nối kết các network có cấu trúc khác nhau, nghĩa là có thể kết nối hai subnet khác nhau bất kỳ. Trong mô hình chuẩn của ISO thì công việc của gateway là chuyển đổi các protocol của các lớp. Gateway cũng cho phép kết nối các mạng chuẩn ISO với không phải ISO. Router Ứng dụng Giới thiệu Luân phiên Vận chuyển Mạng Liên kết Vật lý Ứng dụng Giới thiệu Luân phiên Vận chuyển Mạng Liên kết Vật lý Vật lý A C Giới thiệu Vậnchuyển Phiên Giới thiệu Phiên Vậnchuyển Mạng Trạm C Trạm A Gateway Ứng dụng Giới thiệu Luân phiên Vận chuyển Mạng Liên kết Vật lý Ứng dụng Giới thiệu Luân phiên Vận chuyển Mạng Liên kết Vật lý Vật lý A CG Subnet Network Vật lý Liên kết Liên kết MạngMạng Liên kết Liên kết Mạng Vật lý Hình 5.7 - Router Network Subnet R Hình 5.8-Gateway 5.7. MẠNG SIMATIC 5.7.1. Các lĩnh vực ứng dụng của các subnet Simatic cung cấp các cấp mạng theo các yêu cầu khác nhau: ƒ Industrial Ethernet (IEEE802.3) 144 ĐIỀU KHIỂN LẬP TÌNH PLC - MẠNG PLC Chương 5 – Khái quát mạng PLC ƒ Profibus (EN 50170)/MPI ƒ Giao tiếp AS (EN 50295) Các yêu cầu cho tự động hóa được phân loại theo cấp tự động hóa như hình… Cấp quản trị mạng (Management Level) Ở cấp quản trị, các công việc giám sát được xử lý thì ảnh hưởng đến toàn bộ các công việc. Chúng bao gồm lưu trữ các giá trị, thông số quá trình cũng như tối ưu hóa và phân tích các chứa năng xử lý, xuất các kết quả thành báo cáo, in ấn và truyền tải thông tin. Cấp cell Ở cấp này, các chứa năng tự động hóa và tối ưu hóa được xử lý tự động. Cấp này các PLC, PC và HMI được nối kết lại với nhau. Cấp Field Cấp field là cấp nối kết giữa những nơi lắp đặt các máy móc và các PLC. Các thiết bị trường đo lường, báo hiệu và phát các lệnh từ cấp cell đến các máy móc. Ở cấp này thường sắp xếp truyền thông phân cấp, nghĩa là nhiều thiết bị trường truyền thông với một master. Cấp Process Cấp này chính là cấp của Actuator/Sensor, ở cấp này thì master truyền thông với các actuator và sensor được nối vào subnet. Đặc điểm là thời gian đáp ứng nhanh với số bit dữ liệu nhỏ. 5.7.2. Các subnet trong SIMATIC Simatic cung cấp các subnet sau mà chúng đạt được các yêu cầu của các cấp hệ thống tự động khác nhau. MPI (Multipoint Interface) MPI là một subnet cho vài trạm nhỏ ơ các cấp cell và field. MPI là giao tiếp đa điểm được thiết kế với kết nối một số ít CPU với các thiết bị lập trình nhằm trao đổi các khối dữ liệu nhỏvới tốc độ truyền thấp (<=187.5 Kbps). Industrial Ethernet PROFIBUS AS-Interface Process level Field level Cell level Management level PROFIBUS Profibus là mạng cho cấp cell và cấp field trong hệ thống truyền thông mở của simatic. Có hai phiên bản profibus: 145 ĐIỀU KHIỂN LẬP TÌNH PLC - MẠNG PLC Chương 5 – Khái quát mạng PLC Profibus-DP fieldbus để trao đổi dữ liệu tuần hoàn và tốc độ cao, và Profibus-PA tự động quá trình cho các ứng dụng vốn có sẵn an toàn. Industrial Ethernet Industrial Ethernet là mạng cung cấp quản trị và cấp cell trong hệ truyền thông mở Simatic. Industrial Ethernet thích hợp cho việc trao đổi dữ liệu có lượng dữ liệu lớn và giúp truyền từ một site này tới site khác qua các gateway. Liên kết điểm – đến – điểm (Point to point link) Liên kết điểm – đến – điểm về kỹ thuật không phải là một subnet. Trong Simatic liên kết này được cài đặt qua bộ xử lý truyền thông (CP) điểm – đến – điểm mà ở đó hai trạm được liên kết với nhau. 146 ĐIỀU KHIỂN LẬP TÌNH PLC - MẠNG PLC Chương 5 – Khái quát mạng PLC Tài liệu tham khảo: [1]. Andrew S.Tanenbaum, “Computer Networks” Prentice Hall. [2]. “Industrial Communication” Siemens, Germany. [3]. William Stalling, “Data and Computer Communication” Prentice Hall. [4]. Paul Bates, P.Eng, “ Practical Digital and Data Communications” Prentice Hall. 147