Tài liệu Hướng dẫn thực tập công nhân - Xưởng điện tử

Xưởng điện tử

Bài 8:Mạng giám sát và điều khiển

BÀI 8

MẠNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT

I. Mục đích yêu cầu.

- Các ứng dụng về điều khiển cục bộ ngày càng trở nên lỗi thời và lạc

hậu bởi sự hạn chế về chất lượng điều khiển, chi phí nhân công...

Giải pháp về đo lường và điều khiển tập trung đã và đang tỏ ra hiệu quả trong

các ứng dụng vừa và nhỏ, bởi giá thành, chất lượng điều khiển, độ tin cậy,...

- Trong bài này sinh viên tìm hiểu được vấn đề cơ bản về giám sát và

điều khiển thiết bị từ xa theo chuẩn RS485.

II. Nội dung

Khi gia nhập tổ chức thương mại Quốc tế WTO, các nhà doanh nghiệp trong

nước có nhiều thuận lợi và chắc chắn cũng phải đối mặt với nhiều khó khăn khi

phải gia nhập vào tổ chức này. Một trong những khó khăn đó là cơ sở vật chất của

ta còn sơ sài, việc làm chủ công nghệ của ta còn yếu. Do vậy sản phẩm của chúng

ta làm ra tính cạnh tranh sẽ không cao, hoặc không đáp ứng được các tiêu chuẩn

của các nước nhất là trong lĩnh vực dược phẩm, điện tử, thực phẩm và chế biến

thực phẩm. Để có được chứng nhận này, không thể làm thủ công ghi chép bằng

tay vào sổ sách. Mà tất cả quá trình này phải được thực hiện bằng máy tính được

gọi là tiêu chuẩn GAMP (Good Automated Manufacturing Practices). Các doanh

nghiệp cũng cần phải nâng cao hiệu suất hoạt động, tiết kiệm chi phí sản xuất để

tăng tính cạnh tranh của sản phẩm trên thị trường. Một trong những lí do trên làm

chúng ta phải nghĩ đến việc lắp đặt mạng công nghiệp để tăng cường sự can thiệp

của máy tính và các bộ điều khiển thay thế cho con người. Có như thế các doanh

nghiệp mới có thể đứng vững trong quá trình hội nhập mà không lạc hậu

Mạng công nghiệp là hệ thống mạng tuyền 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, các bộ điều khiển, các trạm máy tính điều khiển và

giám sát, cho đến các trạm máy tính điều hành và quản lý công ty.

1. Điều khiển: Sử dụng Bus trường truyền tin số để kết nối các thiết bị thuộc

cấp điều khiển với nhau và thiết bị ở cấp chấp hành. Chức năng chính của cấp

chấp hành là đo lường, dẫn động và chuyển đổi tín hiệu trong trường hợp cần thiết.

Bus trường chuyển dữ liệu quá trình lên cấp điều khiển để xử lý và chuyển

quyết định điều khiển xuống cơ cấu chấp hành, vì vậy yêu cầu về tính thời gian

thực được đặt lên hàng đầu. Thời gian phản ứng tiêu biểu nằm trong phạm vi từ

0,1 đến vài miligiây.

2. Điều khiển trung tâm.

Điều khiển trung tâm là nơi tập hợp các máy tính/server nối mạng LAN với

nhau và chúng được nối đến các bộ điều khiển, các thiết bị điều khiển của nhà máy

qua các đường truyền thông như Ethernet, RS232, RS485… Các máy tính tại

phòng điều khiển trung tâm này được cài các phần mềm để đảm nhận các chức

năng sau:

Trang 49

Thực tập công nhân

Xưởng điện tử

Bài 8:Mạng giám sát và điều khiển

Chức năng giám sát và điều khiển (HMI – Human Machine Interface):

chức năng này giúp các kĩ sư vận hành có thể theo dõi được trạng thái của nhà

máy trên màn hình máy tính, thiết lập các thông số set-point lập lịch chạy cho từng

bộ điều khiển/thiết bị mà không cần phải xuống sàn nhà máy.

Chức năng cảnh báo (Alarm): cảnh báo để báo hiệu cho người vận hành cần

phải thao tác khẩn cấp ở các bộ phận không an toàn, có nhiều mức cảnh báo và

chúng được thể hiện trên màn hình máy tính hoặc còi.

Chức năng thu thập và lưu trữ số liệu (Database): máy tính sẽ thực hiện

thao tác lưu trữ lại tất cả những gì xảy ra trong hệ thống theo phương thức chu kì

(cyclic) hoặc sự kiện (event) theo thời gian thực. Chức năng này rất quan trọng

trong nhà máy, GAMP và ERP (Enterprise Resource Planning) sẽ khai thác từ cơ

sở dữ liệu này để tạo các báo cáo, biểu đồ. Đối với các nhà máy ở Mỹ thì dữ liệu

phả hệ phải được lưu trữ theo luật sau: 6 tháng đối với các các thực phẩm có hạn

sử dụng là 60 ngày hoặc ít hơn, 1 năm đối với hạn sử dụng từ 60 ngày đến 6 tháng

và 2 năm đối với hạn từ 6 tháng đến 1 năm.

Chức năng báo cáo, truy vấn (Report & Query): các báo cáo này được tạo

từ cơ sở dữ liệu của nhà máy, quan trọng hơn cả các báo cáo này phải có khả năng

tìm kiếm và cập nhật kết quả theo thời gian thực, có như vậy các báo cáo này mới

giúp các bộ phận, phòng ban có được kết quả trung thực để phản ứng kịp thời đối

với nhà máy như chất lượng sản phẩm hiện tại, lập kế hoạch cho giai đoạn kế tiếp

là cần phải làm gì?

Chức năng đưa ra các đồ thị khuynh hướng (Trending): chức năng này

giúp các nhà quản lý, kỹ sư vận hành biết được hiệu suất làm việc của hệ thống

trong quá khứ, hiện tại để dự đoán trong tương lai. Dựa vào các trending này các

kỹ sư có thể biết cần phải điều chỉnh ở khâu nào để nâng cao hiệu suất làm việc

cũng như tiết kiệm năng lượng cho nhà máy. Kế hoạch bảo trì bảo dưỡng định kì.

Chức năng bảo mật (Security): giúp an toàn thông tin tránh các truy cập trái

phép làm mất hoặc hỏng thông tin, bảo mật sẽ được thiết lập cho từng cấp, từng

ứng dụng như kỹ sư vận hành chỉ được phép điều khiển ở những khu vực nào,

thay đổi các thông số nào? Phòng bảo trì, bảo dưỡng, kế toán được truy xuất các

cơ sở dữ liệu gì trong nhà máy.

3. Điều hành sản xuất.

Kết nối các máy tính văn phòng thuộc cấp điều hành với cấp điều khiển

trung tâm. Thông tin được đưa lên trên bao gồm trạng thái làm việc của các quá

trình kỹ thuật, hệ thống điều khiển tự động, các số liệu tính toán, 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.

Điều hành sản xuất không yêu cầu nghiêm ngật về tính thời gian thực,

nhưng lượng thông tin với số lượng lớn tới hàng Mbyte. Hai loại mạng được dùng

phổ biến trong mục đích này là Ethernet và Token - Ring, trên cơ sở các giao thức

chuẩn như TCP/IP và IPX/SPX.

Trang 50

Thực tập công nhân

Xưởng điện tử

Bài 8:Mạng giám sát và điều khiển

Điều hành sản xuất

Mạng xí nghiệp

Điều khiển

trung tâm

Bus hệ thống

Điều khiển

Bus trường

Cảm

biến

ĐK

Van

Động cơ

Bơm

Cơ cấu chấp

hành

Hình 4.1: Cấu hình của một mạng công nghiệp

4. Khảo sát giao thức và cấu trúc mạng sử dụng.

Mô hình TCP/IP:

Mô hình TCP/IP (Transmission Control Protocol / Internet Protocol) là mô

hình cho mạng Internet được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay. Cấu trúc các lớp của

TCP/IP có một số điểm tương đồng với mô hình OSI (Open System Interconnect)

nhưng có bỏ bớt một số lớp. So với 7 lớp của mô hình OSI, cấu trúc TCP/IP chỉ có

4 lớp sau đây:

Trang 51

Thực tập công nhân

Xưởng điện tử

Bài 8:Mạng giám sát và điều khiển

OSI

TCP/IP

Application

Presentation

Application

Session

Transport

Network

Data link

Physical

Transport

Internet

Network

access

Hình 4.2: Cấu trúc 4 lớp của mô hình TCP/IP so với mô hình OSI

Lớp truy xuất mạng: Network Access Layer.

Lớp liên mạng: Internet Layer.

Lớp vận chuyển: Transport Layer.

Lớp ứng dụng: Application Layer.

4.1. Chức năng của các lớp:

Lớp truy xuất mạng (Network Access Layer):

Lớp truy xuất mạng đại diện cho các bộ phận kết nối vật lý như cáp, bộ

chuyển

đổi (Adapter), card mạng, giao thức kết nối, giao thức truy cập mạng. Lớp này có

nhiệm vụ trao đổi dữ liệu giữa các máy chủ và mạng. TCP/IP không định nghĩa

lớp này mà dùng các chuẩn có sẵn như IEEE, X25, RS232, ETHERNET,...

Lớp liên mạng (Internet Layer):

Chịu trách nhiệm cung cấp địa chỉ logic cho giao diện mạng vật lý để điều

khiển việc truyền thông tin giữa các máy. Lớp này nhận dữ liệu từ lớp vận chuyển,

Trang 52

Thực tập công nhân

Xưởng điện tử

Bài 8:Mạng giám sát và điều khiển

đóng gói thành các IP datagram với các IP header chứa thông tin của việc truyền

dữ liệu, sau đó chuyển xuống lớp truy xuất mạng để truyền. Lớp này cũng cung

cấp các giao thức để thông báo lỗi.

Lớp vận chuyển:

Lớp vận chuyển có nhiệm vụ phân phát dữ liệu tới các chương trình ứng

dụng khác nhau. Lớp này có hai nghi thức quan trọng là TCP (Transmission

Control Protocol) và UDP (User Datagram Protocol). Đơn vị dữ liệu ở lớp này là

các bản tin.

Lớp ứng dụng:

Đây là lớp cao nhất, dùng để truy xuất các dịch vụ trên mạng bằng các

chương trình ứng dụng. Một chương trình ứng dụng sẽ tương tác với các nghi thức

của lớp này để gửi và nhận dữ liệu. Các dịch vụ trên lớp này gồm có: truyền thư

(SMTP), truyền nhận file (FTP) , truy cập từ xa (TELNET)…

4.2. Nghi thức Ethernet:

Lớp truy xuất mạng trong TCP/IP sử dụng các nghi thức mạng có sẵn như :

Ethernet, IEEE 802, X25, Frame Relay, ATM. Trong các mạng LAN, nghi thức

được sử dụng phổ biến nhất là mạng Ethernet.

Ethernet:

Dựa trên điều khiển đa truy cập CSMA/CD(Carrier Sense Multiple

Access/Collision Detect). Các chức năng cơ bản của Ethernet là:

¾

Truyền và nhận các gói dữ liệu.

Giải mã các gói và kiểm tra địa chỉ trước khi phát cho phần mềm lớp trên.

Kiểm tra lỗi.

Điều khiển đa truy cập CSMA:

Trước khi truyền dữ liệu trên mạng, một trạm Ethernet phải lắng nghe hoạt

động của kênh truyền. Nếu phát hiện kênh truyền bị bận, nó sẽ chờ mà không

truyền. Nếu kênh truyền trống thì nó sẽ truyền. Sau bit cuối cùng của một khung

truyền trạm Ethernet phải đợi một khoảng thời gian nhất định để tạo một khoảng

cách giữa các khung. Khoảng cách này chính là thời gian cho phép các trạm khác

Trang 53

Thực tập công nhân

Xưởng điện tử

Bài 8:Mạng giám sát và điều khiển

có thể chiếm kênh truyền. Trong trường hợp xảy ra xung đột (khi có hai trạm cùng

phát hiện ra kênh trống và truyền dữ liệu lên), trạm Ethernet sẽ phát hiện ra xung

đột nhờ so sánh dữ liệu trên đường truyền với dữ liệu đã phát. Cả hai trạm sẽ cùng

ngưng phát và chờ trong một khoảng thời gian ngẫu nhiên trước khi phát lại. Do

thời gian chờ phát lại của mỗi trạm là ngẫu nhiên nên có thể tránh được việc tái

xung đột, tuy nhiên nếu điều này xảy ra, các trạm sẽ phải chờ một lần nữa với thời

gian chờ ngẫu nhiên tăng lên để giảm xác suất tái xung đột.

Định dang khung Ethernet:

Preamble

(8 byte)

Destination

Address

Source

Address

(6 byte)

Type

Data

FCS

(2 byte) (46 >1500 byte) (3byte)

(6 byte)

Preamble :

Gồm 8 byte:

¾ 7 byte đầu có giá trị 10101010 có chức năng đồng bộ cho phần cứng.

¾ 1 byte có giá trị 10101011 báo cho biết bắt đầu của 1 frame.

Destination Address và Source Address:

Địa chỉ nguồn và địa chỉ đích, mỗi trạm Ethernet được gán một địa chỉ 48

bit cố định.

Type :

Xác định loại dữ liệu.

Data:

Chứa dữ liệu nhận được từ lớp trên.Trường dữ liệu bao gồm IP Header,

TCP, Header, và dữ liệu. Chiều dài của trường dữ liệu từ 46-1500 byte.

FCS (Frame Check Sequence):

Cho phép trạm nhận xác định việc truyền có bị lỗi hay không.

4.3. Khảo sát Token Ring:

Trang 54

Thực tập công nhân

Xưởng điện tử

Token Ring có 2 loại khung cơ bản

Bài 8:Mạng giám sát và điều khiển

Khung Token:

Khung Token có chiều dài 3 byte.

¾ Start: Byte mở đầu.

¾ Access control:Byte điểu khiển.

¾ End :Byte kết thúc.

Start

Access control

End

Khung dữ liệu/lệnh:

Khung dữ liệu/lệnh có kích thước thay đổi tùy thuộc vào trường thông tin.

Khung dữ liệu mang thông tin của lớp trên. Trong khi đó khung lệnh mang thông

tin điều khiển và không chứa thông tin của lớp trên.

Start Access Frame Destination Source Data FCS End Frame

control control

address

status

¾ Start: Mở đầu khung.

¾ Access control : Phân biệt khung Token hoặc khung lệnh /dữ liệu.

¾ Frame control : Phân biệt loại thông tin điều khiển.

¾ Destination address: Địa chỉ đến của khung.

¾ Source address: Nơi xuất phát của khung.

¾ Data: Có kích thước thay đổi mang thông tin.

¾ FCS: Kiểm tra lỗi khung.

¾ End: Kết thúc.

¾ Frame status: Báo trạng thái khung nhận được.

Trang 55

Thực tập công nhân

Xưởng điện tử

Bài 8:Mạng giám sát và điều khiển

4.4. Đặc điểm của truyền thông RS -232C, RS-422A, RS485.

Thoâng soá

Chieàu daøi caùp

Length(max)

Toác ñoä baud

Baud rate

RS-232C

15m

RS-422

1,2km

RS-423

1,2km

RS485

1,2km

(50ft)

(4000ft)

10Mbs/12m

1Mbs/120m

100Kbs/1,2km

Balanced

Differential

1

(4000ft)

10oKbs/12m

10Kbs/120m

1Kbs/1,2km

Balanced

Differential

1

(4000ft)

10Mbs/12m

1Mbs/120m

100Mbs/1,2km

Balanced

Differential

32

20Kbs/15m

Mode

Unbalanced

Driver No.

Receiver

1

10

Logic 0

+3v -:- +25v

-3v -:- -25v

2v

+2v-:-+5v

-2v-:- -5v

1.8v

+3.6v-:-+6v

-3.6v -:- -6v

3.4v

+1.5v-:-+5v

-1.5v -:- -5v

1.3v

Logic 1

Community

Cable/signal

Methode

1

2

Simplex

Half-duplex

Full-duplex

500mA

Simplex

Half-duplex

Full-duplex

150mA

Simplex

Half-duplex

Full-duplex

150mA

Simplex

Half-duplex

Full-duplex

150mA

Phöông thöùc

Shotr circuit

current

Chuẩn RS-232.

Là chuẩn của EIA nhằm định nghĩa giao diện vật lý gữa DTE và DCE (ví

dụ như một máy tính và một modem). Chuẩn này sử dụng đầu nối 25 chân, tuy

nhiên chỉ có một số ít chân là thực sự cần thiết cho việc liên kết. Về phương diện

điện, chuẩn này qui định các mức logic 0 và 1 tương ứng với các điện thế nhỏ hơn

-3v và lớn hơi +3v. Tốc độ đường truyền không vợt quá 20Kbs và khoảnh cách

nhỏ hơn 15m.

Chuẩn RS-232C có thể chấp nhân phương thức truyền song công (fulll-

duplex).

Một trong những yêu cầu quan trọng của RS232C là thời gian chuyển từ

mức logic này sang mức logic khác không vượt quá 4% thời gian tồn tại của một

bit. Giả sử với tốc độ truyền 19200 baud thì thời gian truyền mức logic phải nhỏ

hơn 0.04/19200 = 2.1s (Điều này làm giới hạn đường truyền, với tốc độ 19200

baud ta có thể truyền xa nhất là 50ft "15.24m").

Một trong những vấn đề quan trọng cần lưu ý khi sử dụng RS232 là mạch

thu phát không cân bằng ( đơn cực ), tức là tín hiệu vào và ra được so với đất.

Trang 56

Thực tập công nhân

Xưởng điện tử

Chuaån RS - 422A.

Bài 8:Mạng giám sát và điều khiển

Một cải tiến quan trọng của chuẩn RS232C là chuẩn RS 422A. Chuẩn này

sử dụng việc truyền dữ liệu sai lệch (differential data) trên những đường truyền

cân bằng. Một dữ liệu sai lêch cần hai dây, một cho dữ liệu không đảo (non-

inveted) và một đường cho dữ liệu đảo (inverted). Dữ liệu được truyền trên đường

dây cân bằng, thường là cặp xoắn với một trở ở đầu cuối. Một IC lái (drver) sẽ

biến đổi các mức logic thông thường thành một cặp tín hiệu sai lệch để truyền.

Bên nhận sẽ có một mạch chuyển đổi tín hiệu sai lệch thành các mức logic tương

ứng khác. Với chuẩn mới này, tốc độ cũng như khoảng cách được cải thiện nhiều.

Chuẩn RS - 485.

Giao tiếp EIA RS- 485 là một cải tiến của chuẩn RS422A. Đắc tính điện

của nó giống như chuẩn RS422A. RS485 là một chuẩn truyền vi sai, sử dụng hai

dây cân bằng. Với RS-485 tốc độ truyền có thể đạt đến 10Mbs và chiều dài cáp có

thể lên đến 1.2km. Điện áp vi sai ngõ ra từ +1.5v —>+5v nếu là logic 0, mức

logic 1 sẽ là -1.5—>-5v. Một đặc điểm quan trọng của RS 485 là có thể cung cấp

đến 32 trạm trên cùng một đường truyền. Điều này cho phép tạo thành một mạng

cục bộ.

Chỉ có một trạm được chọn làm master, các trạm còn lại đều là slave.

Master được quyền truyền bất cứ lúc nào, nó sẽ chỉ định một slaver bất kì giao tiếp

với nó. Slave chỉ có thể truyền sau khi nhận được lệnh của master. Mọi slave có

một địa chỉ riêng trên đường truyền và sẽ không được truyền nếu không có yêu

cầu từ master.

4.5. Mạch chuyển đổi và mạng RS-485.

Thông thường các họ vi điều khiển có ngõ truyền thông theo mức TTL,các thiết bị

đầu cuối khác (DTE) có cổng truyền thông là RS-232. Để có thể nối mạng các

thiết bị này ta phải chuyển từ TTL RS-232 sang RS-485. Để thực hiện được

chuyển đổi này có rất nhiều vi mạch trên thị trường, nhưng họ vi mạch của hãng

MAXIM là phổ biến nhất hiện nay. Tiêu biểu là MAX485 nó chuyển từ TTL sang

RS-485 và truyền thông tin theo phương pháp Half-Duplex. Bên trong mổi vi

mạch chứa một bộ phát và một bộ thu.

Đặc điểm : RS-485 Sử dụng tín hiệu điện áp chênh lệch đối xứng giữa hai

dây dẫn A và B, thông tin được đưa trên cặp dây xoắn đôi bán song công (Half-

Trang 57

Thực tập công nhân

Xưởng điện tử

Bài 8:Mạng giám sát và điều khiển

Duplex).Nghĩa là tại một thời điểm bát kì trên đường truyền chỉ có thể là một thiết

bị hoặc là hoặc là nhận.

Sơ đồ mạng Half-Duplex RS-485.

Sơ đồ mạng Full-Duplex RS-485

Để thực hiện kết nối gữa máy tính và mạch điều khiển ta cần qui định tốc

độ và khung dữ liệu giống nhau.

Ví dụ: Viết chương trình khi mới Reset mạch thì P1=05H, P2 = 55H và dữ liệu

được gửi lên máy tính là 55H. Khi xuất dữ liệu từ máy tính xuống thì dữ liệu được

đưa ra P2, P0.

DEM EQU

ORG

31h

000H

MOV

DEM,#55H

P1,#05H

START

RI,PHAT

GetChar

DEM,A

P2,A

MOV

LCALL

MAIN:JNB

ACALL

MOV

Trang 58

Thực tập công nhân

Xưởng điện tử

Bài 8:Mạng giám sát và điều khiển

PHAT:MOV

MOV

A,DEM

P0,A

LCALL

LJMP

PUTCHAR

MAIN

;======================================

Start: MOV A,PCON

SETB ACC.7

;Make sure SMOD is off

MOV PCON,A

MOV TH1,#0F3h

MOV TMOD,#20h

MOV TCON,#40h

MOV SCON,#52h

RET

;Set up timer 1

;4800 baud

;Set up serial port

;==========================================================

GetChar:JNB

CLR

RI,$

;Wait for receiver flag

;Clear receiver flag

;Read character

RI

MOV

A,SBUF

RET

;==========================================================

Putchar:JNB TI,$

CLR TI

;Wait for transmitter flag

;clear transmitter flag

MOV SBUF,A

RET

END

III. Phần thực tập cụ thể

Thi công mạch trao đổi dữ liệu gữa mạch và máy tính thông qua đường

truyền theo chuẩn công nghiệp. Gồm các bước:

• Vẽ sơ đồ khối, sơ đồ mạch và phân tích hoạt động của mạch.

• Viết lưu đồ thuật toán

• Viết chương trình xuất nhập dữ liệu gữa vi điều khiển và máy tính.

-

Trên máy tính viết các chương trình con:

+ Viết chương trình khởi cổng tốc độ 4800, 8 bit dữ liệu, 1bit stop.

+ Đóng mở cổng COM.

+ Nhận dữ liệu từ kít để hiển thị.

+Xuất dữ liệu xuống kit để điều khiển.

-

Trên vi điều khiển viết các chương trình con:

+ Viết chương trình khởi cổng tốc độ 4800, 8 bit dữ liệu, 1bit stop.

+ Chương trình thu, phát dữ liệu.

+ Nhận dữ liệu từ máy tính lưu vào vùng đệm.

+ Lấy dữ liệu từ vùng đệm ở trên để hiển thị.

+ Nhận dữ liệu từ ma trận bàn phím để lưu vào vùng đệm bàn phím.

+ Lấy dữ liệu từ vùng đệm bàn phím để xuất lên máy tính.

Trang 59

Thực tập công nhân

Tài liệu Hướng dẫn thực tập công nhân - Xưởng điện tử - Bài 8: Mạng điều khiển và giám sát