Giáo trình Mạng truyền thông công nghiệp - Chương 3: Kết nối các thiết bị đo lường và điều khiển trong hệ thống mạng

Chổồng 3. Kóỳt nọỳi caùc thióỳt bở õo lổồỡng vaỡ õióửu khióứn trong hóỷ thọỳng maỷng 
Nguyóựn Kim Aẽnh & Nguyóựn Maỷnh Haỡ - Tổỷ õọỹng hoùa - BKÂN 34 
Chương 3 
Kết nối các thiết bị đo lường và điều khiển 
trong hệ thống mạng 
3.1. Tổng quan chung 
Để đưa ra giải pháp kết nối các thiết bị trong hệ thống mạng hợp lí thực 
chất là thực hiện bài toán tích hợp. Cần thiết phải xét đến các yếu tố sau: 
Bài toán công nghệ 
Đây là một nhiệm vụ quan trọng trong tích hợp hệ thống, cần thiết phải 
có các hiểu biết sâu sắc để lựa chọn các giải pháp phù hợp, chẳng hạn với 
một ứng dụng có thời gian đáp ứng nhanh thì giải pháp truyền thông cũng 
phải tương thích và ngược lại, do đó cần nắm vững công nghệ trước khi thực 
hiện bài toán tích hợp 
Các yếu tố kỹ thuật 
Khi thiết kế hệ thống mạng cũng cần quan tâm đến tính ổn định, khả 
năng làm việc lâu dài cũng như khả năng thay thế của các thiết bị trong 
mạng... 
Vấn đề kinh tế 
Đây là vấn đề cực kỳ quan trọng trong bất cứ thiết kế mạng nào. Với 
các yêu cầu kỹ thuật đề ra có thể đáp ứng bằng nhiều phương án nhưng 
phương án lựa chọn phải là phương án ngoài việc thoả mãn các yêu cầu và 
công nghệ và kỹ thuật thì phải thoả mãn yêu cầu về kinh tế. Chẳng hạn 
trong một nhà máy Xi măng nọ hệ thống mạng dùng của Siemens với các 
bộ điều khiển PLC S7-400 nhưng tất cả các Module I/O kết nối với các bộ 
điều khiển này lại là loại của S7-300, thoạt nhiên chúng ta sẽ rất ngạc 
nhiên, tại sao không đồng bộ hoá ??. Câu trả lời đó là vấn đề kinh tế 
3.2. Giao diện mạng 
Giao diện mạng là một thành phần ghép nối chính của một thiết bị với 
môi trường truyền thông, trong đó cả phần cứng và phần mềm đều có nhiệm 
vụ quan trọng. Một thành phần giao diện mạng có thể được thực hiện độc 
lập hoặc tích hợp với thiết bị. Card giao diện mạng cho máy tính cá nhân, 
module xử lí truyền thông trên PLC hay các module giao diện mạng trên 
các I/O phân tán. 
3.2.1. Ghép nối PLC (Programable Logic Controller) 
Để ghép nối các PLC trong mạng có thể sử dụng các Module truyền 
thông riêng hoặc trực tiếp trên các CPU có tích hợp sẵn các Module giao 
Chổồng 3. Kóỳt nọỳi caùc thióỳt bở õo lổồỡng vaỡ õióửu khióứn trong hóỷ thọỳng maỷng 
Nguyóựn Kim Aẽnh & Nguyóựn Maỷnh Haỡ - Tổỷ õọỹng hoùa - BKÂN 35 
diện mạng. Hình sau trình bày về ghép nối của PLC trong mạng: 
PS 
CPU 
IM 
IM 
IM 
DI 
DO 
AI 
AO 
3.2.2. Ghép nối PC 
Giao diện trên PC cũng được thực hiện tương tự như PLC, chúng được 
thực hiện theo các cách sau: 
- Card ghép nối qua khe cắm ISA, PCI... 
- Bộ thích ứng mạng (Adapter) qua cổng song song và nối tiếp 
- Card PCMCIA 
Card giao diện mạng 
Trên Card thường có bộ vi xử lí đảm nhiệm chức năng xử lí giao thức, 
tuy nhiên phần xử lí này có thể là toàn bộ hoặc có san sẻ cùng với phần 
mềm. Tuy nhiên để đạt độ tin cậy cao trong các cuộc trao đổi tin các Card 
giao diện thường được thiết kế có dự phòng. 
Bộ thích ứng mạng (Adaptor) qua cổng song song và nối tiếp 
Bộ thích ứng thường được sử dụng để chuyển đổi tín hiệu. Chẳng hạn 
khi giao tiếp với PLC S7-200 thông qua cổng truyền thông RS485 thì cần có 
bộ chuyển đổi RS485/RS232 để ghép nối với PC 
Card PCMCIA 
Đối với máy tính xách tay không có khả năng mở rộng qua các khe 
cắm, bên cạnh phương pháp sử dụng bộ thích ứng mạng, có thể ghép nối 
qua khe cắm PCICIA với kích cỡ tương đối nhỏ. Phương pháp này thích hợp 
với các máy lập trình (PG) dùng để đặt cấu hình, tham số hoá và chuẩn 
đoán hệ thống 
3.3. Ghép nối các thiết bị trong Simatic 
1. Các dịch vụ truyền thông trong Profibus CP. 
Bus hệ thống 
Ethernet 
Bus trường 
Hình 3.0. Giao diện mạng của PLC 
PLC 
Chổồng 3. Kóỳt nọỳi caùc thióỳt bở õo lổồỡng vaỡ õióửu khióứn trong hóỷ thọỳng maỷng 
Nguyóựn Kim Aẽnh & Nguyóựn Maỷnh Haỡ - Tổỷ õọỹng hoùa - BKÂN 36 
Trong quá trình trao đổi thông tin dịch vụ truyền thông đóng vai trò rất 
quan trọng, Profibus đưa ra một số dịch vụ truyền thông nhằm hỗ trợ các 
thiết bị trao đổi thông tin trên mạng. Hình sau trình bày về các dịch vụ 
trong Profibus CP 
Hình 3.1. Các dịch vụ truyền thông của Profibus CP 
2. Khả năng truyền thông của S7 
Các thiết bị tham gia mạng trong Simatic rất phong phú và đa dạng về 
chủng loại, việc kết nối các thiết bị này đòi hỏi cần có các giao diện chung, 
điều đó cũng ảnh hưởng đến khả năng truyền thông của Simatic. 
Hình 3.2. Khả năng truyền thông của Simatic S7 
Chổồng 3. Kóỳt nọỳi caùc thióỳt bở õo lổồỡng vaỡ õióửu khióứn trong hóỷ thọỳng maỷng 
Nguyóựn Kim Aẽnh & Nguyóựn Maỷnh Haỡ - Tổỷ õọỹng hoùa - BKÂN 37 
3. Truyền thông S7 với Profibus 
Như đã trình bày trên phần trước, Profibus là hệ thống Bus được ứng dụng rất 
phổ biến trong các ứng dụng của Simatic, trong đó các thiết bị tham gia trong 
mạng có thể là PLC-S7-300, S7-400 cũng như các PC và PG. Cấu hình truyền 
thông của S7 trong ứng dụng Profibus được trình bày trên hình 5.3 
Hình 3.3. Truyền thông S7 với Profibus 
4. Cấu hình cho hoạt động của PG 
Thực chất PG là một máy tính công nghiệp, nhưng vị trí quan trọng của nó 
lại chính là phần mềm được cài đặt trong đó. Đây là các phần mềm có bản quyền 
như: Step 7- V5.2, WinCC ... Nói chung giá của các phần mềm này vượt nhiều 
lần giá của phầm cứng. Thực tế PG được dùng làm công cụ để cài đặt phần mềm, 
đặt lại cấu hình cho hệ thống cũng như tham gia vào tham số hoá chuẩn đoán... 
Cấu hình hoạt động của PG được trình bày trên hình 5.4 
Hình 3.4. Cấu hình cho hoạt động của PG 
Chổồng 3. Kóỳt nọỳi caùc thióỳt bở õo lổồỡng vaỡ õióửu khióứn trong hóỷ thọỳng maỷng 
Nguyóựn Kim Aẽnh & Nguyóựn Maỷnh Haỡ - Tổỷ õọỹng hoùa - BKÂN 38 
5. Các đối tác truyền thông trên kết nối FDL 
Việc thực hiện các giao thức truyền thông trong Bus trường chỉ được 
thực hiện trên lớp lên kết dữ liệu (FDL) và trên lớp vật lí. Việc kết nối các 
đối tác truyền thông trên kết nối FDL được chỉ ra trên hình 5.5 
Hình 3.5. Các đối tác truyền thông trên kết nối FDL 
6. Các trạm Slave của Siemens và các nhà cung cấp khác trên Profibus-DP 
Profibus cung cấp các dịch vụ cho các thiết bị chủ cũng như cho các 
thiết bị tớ để trao đổi thông tin trong mạng, về nguyên tắc các trạm tớ của 
các hãng khác nhau hoàn toàn có thể trao đổi thông tin nếu tuân thủ các 
quy tắc và thủ tục của Profibus. Hình sau mô tả mạng truyền số liệu của các 
thiết bị tớ với các thiết bị chủ 
Hình 3.6. Các Slave của Siemens và các nhà cung cấp khác trên Profibus-DP 
Chổồng 3. Kóỳt nọỳi caùc thióỳt bở õo lổồỡng vaỡ õióửu khióứn trong hóỷ thọỳng maỷng 
Nguyóựn Kim Aẽnh & Nguyóựn Maỷnh Haỡ - Tổỷ õọỹng hoùa - BKÂN 39 
7. Cấu hình mạng cho các DP Slave cho Simatic S7 
Hình 3.7. Cấu hình mạng cho các DP Slave cho Simatic S7 
8. Mạng trong PCS7 
PCS7 là hệ thống điều khiển quá trình nổi tiếng của Siemens hiện nay, 
chúng có những tính năng ưu việt về chất lượng đo lường và điều khiển, khả 
năng linh hoạt trong các ứng dụng, tính năng mở... 
Điểm mấu chốt của hệ PCS7 hiện nay là ứng dụng của mạng truyền 
thông sử dụng các giao thức công nghiệp, trong đó các thiết bị thực hiện 
giao thức, xử lí giao thức có thể được nối trong cùng một cấu trúc mạng 
hoặc trong cấu trúc mạng kết hợp và thực hiện các giao thức cùng loại hoặc 
kết hợp. Và tất nhiên sẽ có các thiết bị để thực hiện việc chuyển đổi giao 
thức đó. Hình sau ví dụ về cấu hình Simatic của PCS7 
Hình 3.8. Cấu hình Simatic trong PCS7 
Chổồng 3. Kóỳt nọỳi caùc thióỳt bở õo lổồỡng vaỡ õióửu khióứn trong hóỷ thọỳng maỷng 
Nguyóựn Kim Aẽnh & Nguyóựn Maỷnh Haỡ - Tổỷ õọỹng hoùa - BKÂN 40 
a) Trạm thiết kế kỹ thuật trong PCS7 (ENG) 
Trạm này dùng với nhiều mục đích như: Định nghĩa các kết nối trong 
hệ thống, thay đổi cấu hình cũng như phân vùng quản lí hệ thống... Khả 
năng can thiệp trong hệ PCS7 của ENG được trình bày trên hình sau: 
Hình 3.9. Trạm thiết kế kỹ thuật trong PCS7 (ENG) 
Hình sau mô tả kết nối Bus hệ thống trong PCS7 giữa các thiết bị Simatic 
Hình 3.10. Kết nối Bus hệ thống trong PCS7 
Một cấu hình mạng điển hình sử dụng môi trường truyền dẫn cáp 
quang là sử dụng cấu trúc mạng vòng lặp khép kín. Trong hệ thống mạng 
của Simatic thường sử dụng cấu hình có dự phòng (Redandancy) nhằm 
nâng cao độ tin cậy của hệ thống. Module thực hiện quá trình chuyển đổi 
điện /quang và quang/điện trong Simatic là OLM (Optical Link Module). 
Hình 5.11 mô tả kết nối này 
Chổồng 3. Kóỳt nọỳi caùc thióỳt bở õo lổồỡng vaỡ õióửu khióứn trong hóỷ thọỳng maỷng 
Nguyóựn Kim Aẽnh & Nguyóựn Maỷnh Haỡ - Tổỷ õọỹng hoùa - BKÂN 41 
Hình 3.11. Kết nối vòng lặp khép kín có dự phòng 
Trong một số ứng dụng đòi hỏi độ tin cậy cao việc sử dụng các PLC có 
sự phòng sẽ làm tăng độ tin cậy. Hình 5.12 trình bày về cấu hình dự phòng 
của PLC 
Hình 3.12. Cấu hình PLC có dự phòng 
Ngoài việc kết nối có dự phòng sử dụng OLM, Simatic còn đưa ra giải 
pháp sử dụng module OSM nhằm nâng cao khả năng liên kết các đối tác 
truyền thông trong mạng. Cấu hình này được trình bày trên hình 5.13 
Chổồng 3. Kóỳt nọỳi caùc thióỳt bở õo lổồỡng vaỡ õióửu khióứn trong hóỷ thọỳng maỷng 
Nguyóựn Kim Aẽnh & Nguyóựn Maỷnh Haỡ - Tổỷ õọỹng hoùa - BKÂN 42 
Hình 3.13. Cấu hình mạch vòng sử dụng OSM 
Tổng hợp cấu trúc phân tầng, dự phòng được trình bày trên hình 5.14 
Hình 3.14. Cấu trúc phân tầng mạng 
Chổồng 3. Kóỳt nọỳi caùc thióỳt bở õo lổồỡng vaỡ õióửu khióứn trong hóỷ thọỳng maỷng 
Nguyóựn Kim Aẽnh & Nguyóựn Maỷnh Haỡ - Tổỷ õọỹng hoùa - BKÂN 43 
Kết nối các thiết bị trường lên các thiết bị điều khiển được trình bày trên 
hình 5.15. Trong đó các thiết bị trường có thể được kết nối theo các giao 
thức khác nhau 
Hình 3.15. Kết nối các thiết bị trường lên cấp điều khiển 
Truyền thông trong Profibus giữa DP và PA được trình bày trên hình sau: 
Hình 3.16. Truyền thông giữa Profibus-DP và PA