Bài giảng 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