TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY
PLC và Mạng Công Nghiệp PLC and Industrial system
Content
1. Cơ sở điều khiển logic
2. Tổng hợp và tối thiểu hóa hàm logic
3. Cấu trúc và nguyên lý làm việc của PLC
4. Giới thiệu về lập trình và IEC 61131-3
5. Ngôn ngữ và kỹ thuật lập trình PLC
6. Lập trình nâng cao PLC
7. Mạng truyền thông công nghiệp
Content
7. Mạng công nghiệp và giao thức kết nối
7.1. Cơ sở truyền thông công nghiệp
7.2. Cấu trúc mạng TTCN
7.3. Các mạng công nghiệp thường dùng
7.4. Một số vấn đề trong tích hợp hệ thống
7.5. Một số mô đun truyền thông công nghiệp
7. Mạng công nghiệp và giao thức kết nối
7.1. Cơ sở của truyền thông công nghiệp ❑ Mạng công nghiệp (MCN)
Mạng truyền thông công nghiệp hay mạng công nghiệp là khái niệm chung để chỉ
hệ thống mạng truyền thông số, truyền bit nối tiếp, được sử dụng để ghép nối các
thiết bị công nghiệp.
❑ Vai trò của MCN
+ Đơn giản hóa cấu trúc liên kết giữa các thiết bị công nghiệp
+ Tiết kiệm dây nối và công thiết kế, lắp đặt hệ thống
+ Nâng cao độ tin cậy và độ chính xác thông tin
+ Nâng cao tính linh hoạt, tính năng mở của hệ thống
+ Đơn giản hóa việc tham số hóa, chẩn đoán, định vị lỗi, sự cố của các thiết bị
+ Mở ra nhiều chức năng và khả năng ứng dụng mới của hệ thống
7. Mạng công nghiệp và giao thức kết nối
❑ Truyền thông, truyền dữ liệu, truyền tín hiệu
thống truyền dẫn tín hiệu chuyển tới phía bên kia.
+ Mã hóa đường truyền là quá trình tạo tín hiệu tương ứng với các bit trong gói
+ Thông tin cần trao đổi giữa các đối tác được mã hóa trước khi được một hệ
dữ liệu hay bức điện theo một phương pháp nhất định để phù hợp với đường
+ Mã hóa đường truyền đồng nghĩa với mã hóa bit, bởi tín hiệu do khâu mã hóa
truyền và kỹ thuật truyền
Nguyên tắc cơ bản của truyền thông
từng bit tạo ra cũng chính là tín hiệu được truyền dẫn
7. Mạng công nghiệp và giao thức kết nối
❑ Tốc độ truyền
+ Tốc độ truyền hay tốc độ bit được tính bằng số bit dữ liệu được truyền đi trong
❑ Truyền Bit song song và truyền Bit nối tiếp
một giây, tính bằng bit/s hoặc bps ( bit per second)
Truyền Bit song song
nội bộ của máy tính như bus địa chỉ, bus dữ liệu và bus điều khiển + Tốc độ truyền tải phụ thuộc vào số các kênh dẫn, hay cũng chính là độ rộng của một bus song song, ví dụ 8 bit, 16 bit, 32 bit hay 64 bit
+ Cần giải Quyết đồng bộ hóa tại nơi phát và nơi nhận tín
+ Phương pháp truyền bit song song (Hình 2.5a) được dùng phổ biến trong các bus
hiệu
+ Khoảng cách giữa các đối tác truyền thông bị hạn chế, giá thành cao
7. Mạng công nghiệp và giao thức kết nối
Truyền Bit nối tiếp
một đường truyền duy nhất
+ Tốc độ bit vì thế bị hạn chế, nhưng cách thực hiện lại đơn giản, độ tin cậy của dữ
+ Phương pháp truyền bi nối tiếp, từng bit được chuyển đi một cách tuần tự qua
truyền này.
liệu cao. Tất cả các mạng truyền thông công nghiệp đều sử dụng phương pháp
7. Mạng công nghiệp và giao thức kết nối
❑Truyền đồng bộ và không đồng bộ?
❑Truyền một chiều và truyền hai chiều?
7. Mạng công nghiệp và giao thức kết nối
7.2. Cấu trúc mạng truyền thông công nghiệp
❑ Phân cấp của hệ thống MCN
7. Mạng công nghiệp và giao thức kết nối
➢ Cấp chấp hành
+ Là cấp nằm tại hiện trường và tất nhiên cấp này nằm sát với dây chuyền sản
có thể được nối mạng trực tiếp hoặc thông qua đường Bus để nối với cấp trên
xuất nhất. Các thiết bị chính trong cấp này là sensor và cơ cấu chấp hành, chúng
(cấp điều khiển)
+ Hệ thống Bus dùng để kết nối các thiết bị ở cấp hiện trường với cấp điều khiển
+ Các sensor và cơ cấu chấp hành được nối trên đường Bus có thể là các thiết bị
gọi là Bus trường (fieldbus),
thông minh hoặc cũng có thể là các thiết bị thông thường có xử dụng thêm các
+ Điển hình của Bus trường là: Profibus-DP, Profibus-PA, Can, Foundation Fielbus,
bộ chuyển đổi giao thức tương thích.
DeviceNet.
7. Mạng công nghiệp và giao thức kết nối
➢ Cấp điều khiển
+ Gồm các trạm điều khiển hiện trường (FCS), các bộ điều khiển logic lập trình
(PLC), các thiết bị quan sát ..
+ Chức năng thu thập các tín hiệu từ hiện trường, thực hiện điều khiển cơ sở,
+ Các thiết bị ở cấp này được kết nối với nhau và kết nối với các thiết bị ở cấp
điều khiển logic, tổng hợp dữ liệu ...
trên (cấp điều khiển giám sát) thông qua Bus hệ thống
+ Điển hình của Bus hệ thống là: Profibus-FMS, ControlNet, Industrial Ethernet.
7. Mạng công nghiệp và giao thức kết nối
➢ Cấp điều khiển giám sát
+ Các thiết bị trong cấp này bao gồm các trạm giao tiếp người máy HIS, các trạm
thiết kế kỹ thuật EWS, và các thiết bị phụ trợ khác.
+ Chức năng của cấp này là thực hiện điều khiển quá trình (Process Control), thực
hiện các thuật toán điều khiển tối ưu...
+ Kết nối các thiết bị ở cấp này với các thiết bị ở cấp trên (cấp quản lí kỹ thuật)
với tính năng trao đổi thông tin không nhất thiết trong thời gian thực,
được thực hiện thông qua mạng Ethernet, thực chất đây là một mạng cục bộ LAN,
7. Mạng công nghiệp và giao thức kết nối
➢ Cấp điều điều hành SX và quản lý công ty
+ Các cấp này rất quan trọng đối với các hoạt động của công ty, tuy nhiên yêu cầu
về tốc độ trao đổi thông tin cũng như đòi hỏi về thời gian thực là không cao,
toàn hệ thống cũng như hoạch định chiến lược phát triển sản xuất dựa trên tình
+ Chức năng của các cấp này là quản lí tình trạng hoạt động của các thiết bị trong
+ Một số giao thức dùng trong các hệ thống mạng này là Fast Ethernet, TCP/IP
trạng của thiết bị .
7. Mạng công nghiệp và giao thức kết nối
❑ Cấu trúc BUS
7. Mạng công nghiệp và giao thức kết nối
Cấu trúc mạch vòng (tích cực)
được nối từ điểm này đến điểm kia một cách tuần tự trong một mạch vòng
+ Cấu trúc mạch vòng được thiết kế sao cho các thành viên trong mạng
+ Mỗi thành viên đều tham gia tích cực vào việc kiểm soát dòng tín hiệu
khép kín
7. Mạng công nghiệp và giao thức kết nối
Cấu trúc mạch vòng (tích cực)
được nối từ điểm này đến điểm kia một cách tuần tự trong một mạch vòng
+ Cấu trúc mạch vòng được thiết kế sao cho các thành viên trong mạng
+ Mỗi thành viên đều tham gia tích cực vào việc kiểm soát dòng tín hiệu
khép kín
7. Mạng công nghiệp và giao thức kết nối
các máy tính điều khiển và các máy tính trên cấp điều khiển giám sát
➢ Bus hệ thống Các hệ thống mạng công nghiệp được dùng để kết nối
với nhau được gọi là bus hệ thống (system bus) hay bus quá trình
Do các yêu cầu về tốc độ truyền thông và khả năng kết nối dễ dàng
(process bus)
nhiều loại máy tính, hầu hết các kiểu bus hệ thống thông dụng đều dựa
Speed Ethernet (HSE), Ethernet/IP.
trên nền Ethernet, ví dụ Industrial Ethernet, Fieldbus Foundation’s High
7. Mạng công nghiệp và giao thức kết nối
➢ Mạng xí nghiệp: Mạng xí nghiệp thực ra là một mạng LAN bình
thường, có chức năng kết nối các máy tính văn phòng thuộc cấp
điều hành sản xuất với cấp điều khiển giám sát.
Hai loại mạng được dùng phổ biến cho mục đích này là Ethernet
và Token-Ring, trên cơ sở các giao thức chuẩn như TCP/IP và
IPX/SPX
7. Mạng công nghiệp và giao thức kết nối
➢ Mạng công ty nằm trên cùng trong mô hình phân cấp hệ thống
truyền thông của một công ty sản xuất công nghiệp
Hai loại mạng được dùng phổ biến cho mục đích này là Ethernet
và Token-Ring, trên cơ sở các giao thức chuẩn như TCP/IP và
IPX/SPX
Fast Ethernet, FDDI, ATM là một vài ví dụ công nghệ tiên tiến
được áp dụng ở đây trong hiện tại và tương lai.
7. Mạng công nghiệp và giao thức kết nối
giao tiếp giữa hai hoặc nhiều thiết bị.
+ Các đối tác truyền thông cần thiết phải tuân theo các quy tắc thủ tục
➢Giao thức (Protocol) là một tập hợp các quy tắc được sử dụng trong
chung để phục vụ cho việc giao tiếp
+ Quy định một giao thức bao gồm các phần sau:
dữ liệu trên đường truyền
- Khởi tạo: Phần này khởi tạo các thông số của giao thức và bắt đầu truyền
7. Mạng công nghiệp và giao thức kết nối
điểm kết thúc của khung để bên nhận có thể đồng bộ dữ liệu khi nhận.
- Tạo khung và đồng bộ khung: Phần này định nghĩa thời điểm khởi đầu và thời
nhận số liệu mà không bị thiếu.
- Điều khiển luồng dữ liệu: để đảm bảo rằng với tốc độ này thì bên thu có thể
- Điều khiển truy cập đường truyền: ứng dụng truyền bán song công
- Điều khiển Time Out: áp dụng với các bộ truyền khi nó không nhận được dữ
- Sửa lỗi: Các kí thuật ngày nay sử dụng sửa lỗi tổng khối và CRC.
liệu trong khoảng thời gian định trước và bộ nhận không thể nhận được các
bản tin trước đó.
7. Mạng công nghiệp và giao thức kết nối
✓ Giao tiếp nối tiếp (Serial Port)
+ Giao tiếp đơn công
+ Giao tiếp song công
7. Mạng công nghiệp và giao thức kết nối
✓ RS 232
+ RS-232 (tương ứng với chuẩn châu Âu là CCITT V.24) được xây dựng phục vụ
Terminal Equipment), ví dụ giữa hai máy tính (PC, PLC, v.v...), giữa máy tính và
chủ yếu trong việc ghép nối điểm-điểm giữa hai thiết bị đầu cuối (DTE, Data
+ RS-232 sử dụng phương thức truyền không đối xứng, tức là sử dụng tín hiệu
máy in, hoặc giữa một thiết bị đầu cuối và và một thiết bị truyền dữ liệu
điện áp chênh lệch giữa một dây dẫn và đất
giá trị logic 1
+ Khoảng từ 3V đến 15V ứng với giá trị logic 0, khoảng từ -15V đến -3V ứng với
+ Ba loại giắc cắm RS-232 là DB-9 (chín chân), DB-25 (25 chân) và ALT-A (26 chân)
7. Mạng công nghiệp và giao thức kết nối
+ Giao tiếp nối tiếp DB9
+ Giao tiếp nối tiếp DB25
7. Mạng công nghiệp và giao thức kết nối
✓ RS 422
✓ RS 485
7. Mạng công nghiệp và giao thức kết nối
✓ Giao tiếp USB (Universal Serial Bus)
+ Cổng USB 2.0
+ Cổng USB 3.0
7. Mạng công nghiệp và giao thức kết nối
7.3. Các mạng công nghiệp thường dùng
✓ Modbus là một chuẩn truyền thông công nghiệp được Modicon (Modicon
+ Modbus là dựa trên nguyên tắc Master – Slave (bên nhận – bên gửi tín
hiện đã trực thuộc Schneider) phát triển từ năm 1979
hiệu), nhằm truyền dữ liệu từ các thiết bị đầu cuối về PLC hoặc SCADA.
+ Một Master có thể kết nối được với một hay nhiều “Slave”. “Master”
hiện trường + Hiện nay, trong ngành công nghiệp chúng ta có những chuẩn truyền
thông Modbus phổ biến như: Modbus RTU, Modbus ASCII, Modbus TCP/IP
thường là PLC, PC, DCS, RTU hay SCADA. “Slave” thường là các thiết bị cấp
+ Modbus hay được sử dụng trên các đường truyền RS-232 ghép nối giữa
(Modem).
các thiết bị dữ liệu đầu cuối (PLC, PC, RTU) với thiết bị truyền dữ liệu
7. Mạng công nghiệp và giao thức kết nối
7. Mạng công nghiệp và giao thức kết nối
➢Modbus RTU hoạt động dựa trên nguyên tắc Master – Slave, tức là
một bên nhận tín hiệu (Master) và một bên truyền tín hiệu (Slave)
+ Modbus RTU sử dụng phương thức truyền bằng đường truyền vật lý
thông các địa chỉ thanh ghi.
như RS232/RS485.
byte truyền thông với tốc độ truyền 9600 – 57600 baud.
+ Modbus RTU được mã hóa dạng nhị phân với 1 byte dữ liệu và một
➢Modbus ASC II được mã hóa dạng hexadecimal – 4 bit, cần 2 byte
+ Với loại Modbus này, người dùng có thể đọc được trực tiếp các gói
truyền thông cho một byte thông tin.
+ Modbus ASCII không thể giao tiếp được với Modbus RTU và ngược
lại.
tin mà không cần thông qua các thiết bị Master.
7. Mạng công nghiệp và giao thức kết nối
➢Modbus TCP/IP có nguyên tắc hoạt động giống với Modbus RTU, chỉ khác là
Modbus TCP sử dụng phương thức truyền qua internet hay có tên gọi khác là
mà các nhà lập trình yêu thích và sử dụng ở thời điểm hiện tại và tương lai.
+ MODBUS TCP là MODBUS qua Ethernet (RJ45)
Modbus IP tương ứng với một địa chỉ IP. Và đây đang và đã trở thành xu hướng
+ IP (Internet Protocol): là giao thức Internet
+ TCP (Transmission Control Protocol):là giao thức điều khiển đường truyền
7. Mạng công nghiệp và giao thức kết nối
+ Thiết kế để giao tiếp các thiết bị cấp trường (như cảm biến, công tắc, đầu
✓ DeviceNet là một mạng cấp thiết bị mở dựa trên công nghệ CAN.
việc áp dụng duy nhất giao thức CAN cơ bản.
đọc mã vạch, màn hình, v.v.) với bộ điều khiển cấp cao hơn (như PLC) với
+ Có thể hỗ trợ lên đến 64 nút và hỗ trợ tổng cộng 2048 thiết bị.
7. Mạng công nghiệp và giao thức kết nối
khiển quá trình mở, chồng tín hiệu truyền thông kỹ thuật số lên đầu các tín hiệu
✓HART (Highway Addressable Remote Transducer) là một giao thức mạng điều
4-20mA bằng cách sử dụng kỹ thuật Bell 202 Frequency Shift Keying (FSK).
+Mạng truyền thông HART được sử dụng chủ yếu trong các ứng dụng SCADA.
kỹ thuật số – tương tự hai chiều cùng một lúc trên cùng một hệ thống dây
+ Tín hiệu HART mang thông tin chẩn đoán, cấu hình thiết bị, hiệu chuẩn và các
+ HART là giao thức mạng truyền thông duy nhất tạo điều kiện cho cả giao tiếp
phép đo khác…
7. Mạng công nghiệp và giao thức kết nối
Chung (CIP) để kết hợp chức năng của mạng peer-to-peer và mạng I/O và
✓ ControlNet là một mạng điều khiển mở, sử dụng Giao thức Công nghiệp
+ ControlNet được thiết kế để sử dụng trên cả cấp độ thiết bị và cấp trường của
cung cấp hiệu suất tốc độ cao.
hệ thống tự động hóa công nghiệp
dữ liệu thời gian thực của dữ
+ Nó được sử dụng để truyền
liệu quan trọng về thời gian
thời gian giữa các I/O hoặc bộ
cũng như không quan trọng về
xử lý trên cùng một mạng
7. Mạng công nghiệp và giao thức kết nối
thông công nghiệp để truyền dữ liệu qua Ethernet nhằm thu thập dữ liệu và điều
✓ ProfiNet là từ viết tắt của cụm từ Process Field Net, là một tiêu chuẩn truyền
khiển các thiết bị trong các hệ thống công nghiệp.
+ PROFINET IO triển khai các giao tiếp với các thiết bị ngoại vi kết nối trường, dựa
trên cơ sở xếp tầng thời gian thực
+ PROFINET IO định nghĩa toàn bộ quá trình trao đổi dữ liệu giữa các bộ điều
lập thông số
khiển (bộ điều khiển IO) và các thiết bị (thiết bị IO), cũng sẽ chuẩn đoán và thiết
7. Mạng công nghiệp và giao thức kết nối
✓ PROFIBUS là từ viết tắt của cụm từ Process Field Bus là một chuẩn cho truyền
1989 bởi BMBF (phòng giáo dục và nghiên cứu Đức) và sau đó được sử dụng
thông Fieldbus trong kỹ thuật tự động hóa và được phát triển lần đầu vào năm
PROFILBUS
PROFILBUS DP
PROFILBUS FMS
PROFILBUS PA
bởi Siemens. PROFIBUS phân biệt hai loại thiết bị chính là trạm chủ (master) và trạm tớ (slave)
Chiều dài và tốc độ tối đa của Profibus
7. Mạng công nghiệp và giao thức kết nối
+ PROFIBUS-FMS (Fieldbus Message Specification) cho phép thực hiện các hoạt
động giao tiếp hướng đối tượng theo cơ chế Client/Server
các hệ thống PLC
PROFIBUS FMS: là một bus điều khiển được sử dụng để giao tiếp giữa DCS và
+ PROFIBUS-DP cho phép sử dụng cấu hình một trạm chủ (Mono- Master) hoặc nhiều trạm chủ (Multi-Master)
thống I/O, điều khiển động cơ và biến tần
PROFIBUS DP được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay cho các đối tượng như hệ
PROFIBUS DP truyền thông với tốc độ từ 9,6 Kbp -12 Mbp trong phạm vi từ 100-1200m
PROFIBUS DP được thiết kế để truyền dữ liệu tốc độ cao tại cấp thiết bị
PROFIBUS DPhoạt động trên giao diện RS485 chuẩn
7. Mạng công nghiệp và giao thức kết nối
trong các ứng dụng công nghiệp chế biến bằng một cáp đôi dây xoắn duy nhất, sử
+ PROFIBUS-PA cho phép nối mạng các thiết bị đo lường và điều khiển tự động
dụng tốc độ truyền cố định là 31.25 kbit/s
các trạm thiết bị trong khi vận hành
PROFIBUS-PA cũng cho phép thực hiện bảo trì, bảo dưỡng cũng như thay thế
7. Mạng công nghiệp và giao thức kết nối
Cấu hình ghép nối Profibus DP/PA
7. Mạng công nghiệp và giao thức kết nối
và các dữ liệu tham số mạch hở với tốc độ cao
✓ CC-Link là 1 mạng lưới Fieldbus xử lý cả hai chu kỳ dữ liệu I / O dữ liệu
+ CC-Link là 1 Fieldbus cho mạng truyền thông tốc độ cao giữa các bộ
truyền động
điều khiển và thiết bị trường thông minh như I/Os, cảm biến và bộ
ưu hóa cho truyền thông I/O cấp thấp.
+CC-Link/LT bổ sung cho hệ thống CC-Link Fieldbus với phiên bản tối
7. Mạng công nghiệp và giao thức kết nối
7.4. Truyền thông giữa 2 PLC S7-1200
✓ Truyền thông qua Erthernet
7. Mạng công nghiệp và giao thức kết nối
Khối nhận dữ liệu
Khối truyền dữ liệu
7. Mạng công nghiệp và giao thức kết nối
Khối SR sau khi truyền dữ liệu
Điều khiển động cơ trên Master
7. Mạng công nghiệp và giao thức kết nối
Điều khiển động cơ trên Slaver
7. Mạng công nghiệp và giao thức kết nối
✓ Truyền thông qua TCP/IP
