Giáo trình Mạng truyền thông công nghiệp - Trường Cao đẳng Công nghệ Hà Tĩnh

1 TỔNG LIÊN ĐOÀN LAO ĐỘNG VIỆT NAM TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHỆ HÀ TĨNH GIÁO TRÌNH MẠNG TRUYỀN THÔNG CÔNG NGHIỆP Hà Tĩnh, năm 2020 2 TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu này thuộc loại sách giáo trình nên các nguồn thông tin có thể được phép dùng nguyên bản hoặc trích dùng cho các mục đích về đào tạo và tham khảo. Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc hoặc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh sẽ bị nghiêm cấm. 3 LỜI GIỚI THIỆU Tốc độ phát triển nhanh chóng của công nghệ điện tử, kỹ thuật truyền thông và công nghệ phần mềm trong những năm gần đây đã tạo sự chuyển biến cơ bản trong hướng đi cho các giải pháp tự động hóa công nghiệp. Xu hướng phân tán, phần mềm và chuyển hóa là ba trong nhiều các đặc trưng cho sự thay đổi này với việc ứng dụng rộng rãi các mạng truyền thông công nghiệp như hiện trong các nhà máy sản xuất đã giúp giảm giá thành giải pháp và nâng cao chất lượng của hệ thống qua đó gián tiếp giảm giá thành và nâng cao chất lượng sản phẩm. Hiện nay tài liệu về giảng dạy về mạng truyền thông thông công nghiệp có rất nhiều tuy nhiên những giáo trình này viết còn khá chung chung, mang nặng tính lý thuyết và chủ yếu dành cho các đối tượng sinh viên đại học. Quyển giáo trình này ra đời với mục tiêu giúp cho các đối tượng học sinh, sinh viên học nghề có thể tiếp cận dễ dàng hơn với những kiến thức tương đối trừu tượng về mạng truyền thông công nghiệp. Tài liệu được chia làm 4 bài, giới thiệu các kiến thức cơ bản về một số mạng truyền thông công nghiệp thường được sử dụng trong nhà máy. Mỗi bài ngoài phần lý thuyết cơ bản còn bổ sung thêm các ví dụ minh họa và các bài tập thực tế giúp cho học sinh sinh viên nắm rõ hơn về nội dung cần truyền tải. Tuy vậy, mặc dù đã rất cố gắng trong việc biên soạn tài liệu nhưng không thể không tránh khỏi những sai sót. Rất mong sự góp ý chân thành của quý đọc giả để giúp tài liệu ngày càng hoàn thiện hơn. Mọi ý kiến góp ý xin được gửi về địa chỉ email dosinguyenbkdn@gmail.com. Xin chân thành cảm ơn. Hà Tĩnh, ngày 20 tháng 05 năm 2020 Tham gia biên soạn Đỗ Sĩ Nguyên - Chủ biên 4 CHƯƠNG TRÌNH MÔ ĐUN Tên mô đun: Truyền thông công nghiệp Mã mô đun: MĐ29 Thời gian thực hiện mô đun: 75giờ; (Lý thuyết: 21 giờ; Thực hành, thí nghiệm, thảo luận, bài tập: 51 giờ; Kiểm tra: 3 giờ) I. Vị trí, tính chất của mô đun: - Vị trí: Mô đun Truyền thông công nghiệp được thực hiện sau khi sinh viên đã học xong tất cả các môn học mô đun cơ sở và chuyên môn nghề liên quan như: PLC cơ bản, PLC nâng cao. - Tính chất: Là mô đun trong phần chuyên môn nghề II. Mục tiêu mô đun: - Về kiến thức:  Trình bày được những khái niệm cơ bản về truyền thông;  Trình bày được các kiểu truyền dữ liệu sử dụng trong truyền thông công nghiệp;  Trình bày được các kiểu mạng cơ sở sử dụng trong truyền thông công nghiệp;  Trình bày được chức năng của các thiết bị mở rộng mạng truyền thông;  Trình bày được những đặc trưng cơ bản nhất của mạng truyền thông Modbus;  Trình bày được những đặc trưng cơ bản nhất của mạng truyền thông Profibus DP;  Trình bày được những đặc trưng cơ bản nhất của mạng truyền thông Profinet. - Về kỹ năng:  Cấu hình và lập trình được một mạng truyền thông modbus TCP/IP;  Cấu hình và lập trình được một mạng truyền thông Profibus DP;  Cấu hình và lập trình được một mạng truyền thông Profinet; - Năng lực tự chủ và trách nhiệm:  Đảm bảo an toàn cho người và thiết bị, tuân thủ đúng quy trình trong quá trình thực hành. III. Nội dung mô đun: 1. Nội dung tổng quát và phân phối thời gian: 5 Số TT Tên các bài trong mô đun Thời gian(giờ) Tổng số Lý thuyết Thực hành, thí nghiệm, thảo luận, bài tập Kiểm tra 1 Bài 1: Tổng quan về mạng truyền thông công nghiệp 8 4 4 1. Các khái niệm cơ bản về truyền thông 2. Kỹ thuật và phương tiện truyền dẫn 3. Các kiểu mạng cơ sở 4. Thành phần và cấu trúc mạng truyền thông công nghiệp 2 Bài 2 : Thiết kế và lập trình mạng truyền thông Modbus 24 6 17 1 1. Tổng quan về mạng truyền thông Modbus 2. Cấu trúc giao thức của Modbus 3. Phân loại Modbus 4. Các mã chức năng của truyền thông Modbus 5. Thực hành truyền thông Modbus TCP/IP 5.1. Tập lệnh truyền thông Modbus TCP 5.2. Thực hành truyền thông Modbus TCP giữa hai PLC 3 Bài 3: Thiết kế và lập trình mạng truyền thông Profibus 20 5 14 1 1. Tổng quan về mạng truyền thông Profibus 2. Giao thức truyền và cấu trúc mạng của mạng Profibus 3. Đặc trưng của mạng Profibus DP 4. Thực hành truyền thông Profibus DP 4.1. Tập lệnh truyền thông Profibus DP 4.2. Thực hành truyền thông Profibus DP giữa PLC với biến tần Bài 4: Thiết kế và lập trình mạng truyền thông Profinet 23 6 16 1 1. Tổng quan về mạng truyền thông Profinet 2. Giao thức truyền và cấu trúc mạng của mạng Profinet 6 4 3. Tập lệnh truyền thông của Profinet 4. Thực hành truyền thông Profinet 4.1. Truyền thông giữa hai PLC 4.2. Truyền thông giữa PLC với biến tần Cộng 75 21 51 3 BÀI 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG TRUYỀN THÔNG CÔNG NGHIỆP I. Mục tiêu của bài: - Trình bày được những khái niệm cơ bản về truyền thông; - Trình bày được các kiểu truyền dữ liệu sử dụng trong truyền thông công nghiệp; - Trình bày được các kiểu mạng cơ sở sử dụng trong truyền thông công nghiệp; - Trình bày được chức năng của các thiết bị mở rộng mạng truyền thông; - Đảm bảo an toàn cho người và thiết bị, tuân thủ đúng quy trình trong quá trình thực hành. II. Nội dung 1. Các khái niệm cơ bản về truyền thông 1.1. Khái niệm về mạng truyền thông công nghiệp Mạng truyền thông 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 cảm biến, cơ cấu chấp hành dưới cấp trường cho đến các máy tính điều khiển, thiết bị quan sát, máy tính điều khiển giám sát và các máy tính cấp điều hành xí nghiệp, quản lý công ty. Hình 1.1: Khái niệm về truyền thông 1.2. Vai trò của mạng truyền thông công nghiệp Sử dụng mạng truyền thông công nghiệp mang lại hàng loạt những lợi ích như sau: 7  Đơn giản hóa cấu trúc liên kết giữa các thiết bị công nghiệp: Một số lượng lớn các thiết bị thuộc các chủng loại khác nhau được ghép nối với nhau thông qua một đường truyền duy nhất;  Tiết kiệm dây nối và công thiết kế, lắp đặt hệ thống: Nhờ cấu trúc đơn giản, việc thiết kế hệ thống trở nên dễ dàng hơn nhiều. Một số lượng lớn cáp truyền được thay thế bằng một đường duy nhất, giảm chi phí đáng kể cho nguyên vật liệu và công lắp đặt;  Nâng cao độ tin cậy và độ chính xác của thông tin: Khi dùng phương pháp truyền tín hiệu tương tự cổ điển, tác động của nhiễu dễ làm thay đổi nội dung thông tin mà các thiết bị không có cách nào nhận biết. Nhờ kỹ thuật truyền thông số, không những thông tin truyền đi khó bị sai lệch hơn, mà các thiết bị nối mạng còn có thêm khả năng tự phát hiện lỗi và chẩn đoán lỗi nếu có. Hơn thế nữa, việc bỏ qua nhiều lần chuyển đổi qua lại tương tự-số và số-tương tự nâng cao độ chính xác của thông tin;  Nâng cao độ linh hoạt, tính năng mở của hệ thống: Một hệ thống mạng chuẩn hóa quốc tế tạo điều kiện cho việc sử dụng các thiết bị của nhiều hãng khác nhau. Việc thay thế thiết bị, nâng cấp và mở rộng phạm vi chức năng của hệ thống cũng dễ dàng hơn nhiều. Khả năng tương tác giữa các thành phần (phần cứng và phần mềm) được nâng cao nhờ các giao diện chuẩn;  Đơn giản hóa/tiện lợi hóa việc tham số hóa, chẩn đoán, định vị lỗi, sự cố của các thiết bị : Với một đường truyền duy nhất, không những các thiết bị có thể trao đổi dữ liệu quá trình, mà còn có thể gửi cho nhau các dữ liệu tham số, dữ liệu trạng thái, dữ liệu cảnh báo và dữ liệu chẩn đoán. Các thiết bị có thể tích hợp khả năng tự chẩn đoán, các trạm trong mạng cũng có thể có khả năng cảnh giới lẫn nhau. Việc cấu hình hệ thống, lập trình, tham số hóa, chỉnh định thiết bị và đưa vào vận hành có thể thực hiện từ xa qua một trạm kỹ thuật trung tâm;  Mở ra nhiều chức năng và khả năng ứng dụng mới của hệ thống: Sử dụng mạng truyền thông công nghiệp cho phép áp dụng các kiến trúc điều khiển mới như điều khiển phân tán, điều khiển phân tán với các thiết bị trường, điều khiển giám sát hoặc chẩn đoán lỗi từ xa qua Internet, tích hợp thông tin của hệ thống điều khiển và giám sát với thông tin điều hành sản xuất và quản lý công ty. 1.3. Thông tin, dữ liệu và tín hiệu 1.3.1. Thông tin Thông tin là một trong những khái niệm cơ sở quan trọng nhất trong khoa học kỹ thuật, cũng giống như vật chất và năng lượng. Các đầu vào cũng như các đầu ra của một hệ thống kỹ thuật chỉ có thể là vật chất, năng lượng hoặc thông tin 8 Vật chất, năng lượng, thông tin HỆ THỐNG KỸ THUẬT Vật chất, năng lượng, thông tin Hình 1.2: Vai trò của thông tin trong các hệ thống kỹ thuật Một hệ thống xử lý thông tin hoặc một hệ thống truyền thông là một hệ thống kỹ thuật chỉ quan tâm tới các đầu vào và đầu ra là thông tin. Tuy nhiên, đa số các hệ thống kỹ thuật khác thường có các đầu vào và đầu ra hỗn hợp (vật chất, năng lượng và thông tin). Thông tin là thước đo mức nhận thức, sự hiểu biết về một vấn đề, một sự kiện hoặc một hệ thống. Ví dụ, một thông tin cho chúng ta biết một cách chính xác hay tương đối về nhiệt độ ngoài trời hay mực nước trong bể chứa. Thông tin giúp chúng ta phân biệt giữa các mặt của một vấn đề, giữa các trạng thái của một sự vật. Nói một cách khác, thông tin chính là sự loại trừ tính bất định. Trong khi vật chất và năng lượng là nền tảng của vật lý và hoá học, thì thông tin chính là chủ thể của tin học và công nghệ thông tin. 1.3.2. Dữ liệu Thông tin là một đại lượng khá trừu tượng, vì vậy cần được biểu diễn dưới một hình thức khác. Khả năng biểu diễn thông tin rất đa dạng, ví dụ qua chữ viết, hình ảnh, cử chỉ, v.v... Dạng biểu diễn thông tin phụ thuộc vào mục đích, tính chất của ứng dụng. Đặc biệt, thông tin có thể được mô tả, hay nói cách khác là được “số lượng hoá” bằng dữ liệu để có thể lưu trữ và xử lý trong máy tính. Trong trường hợp đó, ta cũng nói rằng thông tin được số hoá sử dụng hệ đếm nhị phân, hay mã hóa nhị phân. Nói trong ngữ cảnh cấu trúc một bức điện, dữ liệu chính là phần thông tin hữu ích được biểu diễn bằng dãy các bit {1,0} 1.3.3. Tín hiệu Việc trao đổi thông tin (giữa người và người, giữa người và máy) hay dữ liệu (giữa máy và máy) chỉ có thể thực hiện được nhờ tín hiệu. Có thể định nghĩa, tín hiệu là diễn biến của một đại lượng vật lý chứa đựng tham số thông tin/dữ liệu và có thể truyền dẫn được. Theo quan điểm toán học thì tín hiệu được coi là một hàm của thời gian. Trong các lĩnh vực kỹ thuật, các loại tín hiệu thường dùng là điện, quang, khí nén, thủy lực và âm thanh. Các tham số sau đây thường được dùng trực tiếp, gián tiếp hay kết hợp để biểu thị nội dung thông tin:  Biên độ (điện áp, dòng,...)  Tần số, nhịp xung, độ rộng của xung, sườn xung  Pha, vị trí xung 9 Không phân biệt tính chất vật lý của tín hiệu (điện, quang, khí nén,...), ta có thể phân loại tín hiệu dựa theo tập hợp giá trị của tham số thông tin hoặc dựa theo diễn biến thời gian thành những dạng sau:  Tương tự: Tham số thông tin có thể có một giá trị bất kỳ trong một khoảng nào đó;  Rời rạc: Tham số thông tin chỉ có thể có một số giá trị (rời rạc) nhất định;  Liên tục: Tín hiệu có ý nghĩa tại bất kỳ thời điểm nào trong một khoảng thời gian quan tâm. Nói theo ngôn ngữ toán học, một tín hiệu liên tục là một hàm liên tục của biến thời gian trong một khoảng xác định;  Gián đoạn: Tín hiệu chỉ có ý nghĩa tại những thời điểm nhất định y t Tín hiệu tương tự liên tục y t Tín hiệu tương tự gián đoạn y t Tín hiệu rời rạc liên tục y t Tín hiệu rời rạc, gián đoạn Hình 1.3: Các dạng tín hiệu thường gặp Khi các giá trị tham số thông tin của một tín hiệu được biểu diễn bằng mã nhị phân, thì dạng tín hiệu đặc biệt này được gọi là tín hiệu số. Nói một cách khác, tín hiệu số dùng để truyền tải thông tin đã được dữ liệu hóa. Với tín hiệu số, ta chỉ cần phân biệt giữa hai trạng thái của tín hiệu ứng với các bit 0 và 1, vì vậy sẽ hạn chế được một cách hiệu quả sự sai lệch thông tin bởi sự tác động của nhiễu. 2. Kỹ thuật và phương tiện truyền dẫn 2.1. Chế độ truyền tải Chế độ truyền tải được hiểu là phương thức các bit dữ liệu được chuyển giữa các đối tác truyền thông. Nhìn nhận từ các góc độ khác nhau ta có thể phân biệt các chế độ truyền tải như sau:  Truyền bit song song hoặc truyền bit nối tiếp  Truyền đồng bộ hoặc không đồng bộ 10  Truyền một chiều hay đơn công (simplex), hai chiều toàn phần, hai chiều đồng thời hay song công (duplex, full-duplex) hoặc hai chiều gián đoạn hay bán song công (half-duplex)  Truyền tải dải cơ sở, truyền tải dải mang và truyền tải dải rộng. 2.1.1 Truyền bit song song và truyền bit nối tiếp Phương pháp truyền bit song song được dùng phổ biến trong các bus 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. Kiểu truyền này cho tốc độ cao nhưng bị giới hạn về phạm vi truyền tín hiệu Hình 1.4: Truyền bit song song (a) và truyền bit nối tiếp (b) Với phương pháp truyền bit nối tiếp, từng bit được chuyển đi một cách tuần tự qua một đường truyền duy nhất. Tuy tốc độ bit vì thế bị hạn chế, nhưng cách thực hiện lại đơn giản, độ tin cậy của dữ liệu cao. Tất cả các mạng truyền thông công nghiệp đều sử dụng phương pháp truyền này. 2.2.2 Truyền đồng bộ và không đồng bộ Sự phân biệt giữa chế độ truyền đồng bộ và không đồng bộ chỉ liên quan tới phương thức truyền bit nối tiếp. Vấn đề đặt ra ở đây là việc đồng bộ hóa giữa bên gửi và bên nhận dữ liệu, tức là vấn đề làm thế nào để bên nhận biết khi nào một tín hiệu trên đường truyền mang dữ liệu gửi và khi nào không. Trong chế độ truyền đồng bộ, các đối tác truyền thông làm việc theo cùng một nhịp, tức với cùng tần số và độ lệch pha cố định. Có thể qui định một trạm có vai trò tạo nhịp và dùng một đường dây riêng mang nhịp đồng bộ cho các trạm khác. Biện pháp kinh tế hơn là dùng một phương pháp mã hóa bit thích hợp để bên nhận có thể tái tạo nhịp đồng bộ từ chính tín hiệu mang dữ liệu. Nếu phương pháp mã hóa bit không cho phép như vậy, thì có thể dùng kỹ thuật đóng gói dữ liệu và bổ sung một dãy bit mang thông tin đồng bộ hóa vào phần đầu mỗi gói dữ liệu. Lưu ý rằng, bên gửi và bên nhận chỉ cần hoạt động đồng bộ trong khi trao đổi dữ liệu. 11 Với chế độ truyền không đồng bộ, bên gửi và bên nhận không làm việc theo một nhịp chung. Dữ liệu trao đổi thường được chia thành từng nhóm 7 hoặc 8 bit, gọi là ký tự. Các ký tự được chuyển đi vào những thời điểm không đồng đều, vì vậy cần thêm hai bit để đánh dấu khởi đầu và kết thúc cho mỗi ký tự. Việc đồng bộ hóa được thực hiện với từng ký tự. 2.2.3 Truyền một chiều và truyền hai chiều Tương tự như các đường giao thông, một đường truyền dữ liệu có khả năng hoặc làm việc dưới chế độ một chiều, hai chiều toàn phần hoặc hai chiều gián đoạn, như Hình 2.6 minh họa. Chế độ truyền này ít phụ thuộc vào tính chất vật lý của môi trường truyền dẫn, mà phụ thuộc vào phương pháp truyền dẫn tín hiệu, chuẩn truyền dẫn (RS-232, RS-422, RS-485, ...) và vào cấu hình của hệ thống truyền dẫn. Trong chế độ truyền một chiều, thông tin chỉ được chuyển đi theo một chiều, một trạm chỉ có thể đóng vai trò hoặc bên phát (transmitter) hoặc bên nhận thông tin (receiver) trong suốt quá trình giao tiếp. Có thể nêu một vài ví dụ trong kỹ thuật máy tính sử dụng chế độ truyền này như giao diện giữa bàn phím, chuột hoặc màn hình với máy tính. Các hệ thống phát thanh và truyền hình cũng là những ví dụ tiêu biểu. Hiển nhiên, chế độ truyền một chiều hầu như không có vai trò đối với mạng công nghiệp. Chế độ truyền hai chiều gián đoạn cho phép mỗi trạm có thể tham gia gửi hoặc nhận thông tin, nhưng không cùng một lúc. Nhờ vậy thông tin được trao đổi theo cả hai chiều luân phiên trên cùng một đường truyền vật lý. Một ưu điểm của chế độ này là không đòi hỏi cấu hình hệ thống phức tạp lắm, trong khi có thể đạt được tốc độ truyền tương đối cao. Chế độ truyền này được sử dụng phổ biến trong mạng công nghiệp, ví dụ với chuẩn RS-485. Hình 1.5: Truyền simplex, half-duplex và duplex 12 Với chế độ truyền hai chiều toàn phần mỗi trạm đều có thể gửi và nhận thông tin cùng một lúc. Thực chất, chế độ này chỉ khác với chế độ hai chiều gián đoạn ở chỗ phải sử dụng hai đường truyền riêng biệt cho thu và phát, tức là khác ở cấu hình hệ thống truyền thông. 2.2.4 Truyền tải dải cơ sở, dải mang và dải rộng a. Truyền tải dải cơ sở Một tín hiệu mang một nguồn thông tin có thể biểu diễn bằng tổng của nhiều dao động có tần số khác nhau nằm trong một phạm vi hẹp, được gọi là dải tần cơ sở hay dải hẹp. Tín hiệu được truyền đi cũng chính là tín hiệu được tạo ra sau khi mã hóa bit, nên có tần số cố định hoặc nằm trong một khoảng hẹp nào đó, tùy thuộc vào phương pháp mã hóa bit. Ví dụ có thể qui định mức tín hiệu cao ứng với bit 0 và mức tín hiệu thấp ứng với bit 1. Tần số của tín hiệu thường nhỏ hơn, hoặc cùng lắm là tương đương với tần số nhịp bus. Tuy nhiên, trong một nhịp (có thể tương đương hoặc không tương đương với chu kỳ của tín hiệu), chỉ có thể truyền đi một bit duy nhất. Có nghĩa là, đường truyền chỉ có thể mang một kênh thông tin duy nhất, mọi thành viên trong mạng phải phân chia thời gian để sử dụng đường truyền. Tốc độ truyền tải vì thế tuy có bị hạn chế, nhưng phương pháp này dễ thực hiện và tin cậy, được dùng chủ yếu trong các hệ thống mạng truyền thông công nghiệp. b. Truyền tải dải mang Trong một số trường hợp, dải tần cơ sở không tương thích trong môi trường làm việc. Ví dụ, tín hiệu có các tần số này có thể bức xạ nhiễu ảnh hưởng tới hoạt động của các thiết bị điện tử khác, hoặc ngược lại, bị các thiết bị khác gây nhiễu. Để khắc phục tình trạng này, người ta sử một tín hiệu khác - gọi là tín hiệu mang, có tần số nằm trong một dải tần thích hợp - gọi là dải mang. Dải tần này thường lớn hơn nhiều so với tần số nhịp. Dữ liệu cần truyền tải sẽ dùng để điều chế tần số, biên độ hoặc pha của tín hiệu mang. Bên nhận sẽ thực hiện quá trình giải điều chế để hồi phục thông tin nguồn. Khác với truyền tải dải rộng nêu dưới đây, phương thức truyền tải dải mang chỉ áp dụng cho một kênh truyền tin duy nhất, giốn như truyền tải dải cơ sở. c. Truyền tải dải rộng Một tín hiệu có thể chứa đựng nhiều nguồn thông tin khác nhau bằng cách sử dụng kết hợp một cách thông minh nhiều thông số thông tin. Ví dụ một tín hiệu phức tạp có thể là tổng hợp bằng phương pháp xếp chồng từ nhiều tín hiệu thành phần có tần số khác nhau mang các nguồn thông tin khác nhau. 2.2. Phương tiện truyền dẫn 2.2.1. Đường hai dây hở Là loại môi trường truyền dẫn đơn giản, hai dây dẫn được cách li với nhau bằng khoảng không. Loại này có thể nối các thiết bị với chiều dài không lớn lắm và 13 tốc độ truyền không quá 19.2 Kbis/s. Đường dây này được ứng dụng trong truyền số liệu giữa các DTE và DCE. Nhược điểm của loại dây này là chịu tác động của nhiễu xuyên âm, ngoài ra cấu trúc hở khiến nó nhạy cảm với nhiễu gây ra bởi các nguồn bức xạ, đó cũng chính là lí do khiến cho môi trường truyền dẫn này hạn chế về tốc độ và chiều dài dây dẫn. 2.2.2. Cáp đôi dây xoắn Đây là môi trường truyền dẫn có tính lịch sử trong truyền số liệu và hiện này nó vẫn là môi trường truyền dẫn được dùng rất phổ biến. Nó được phát minh cùng thời với điện thoại, và giá thì tương đối rẻ tiền Cáp dây đôi xoắn có thể loại trừ nhiễu tốt hơn. Trong một cáp có nhiều cặp dây xoắn vào nhau. Một đôi dây xoắn bao gồm hai sợi dây được quấn cách li ôm vào nhau do cấu trúc như thế mà trường điện từ của hai dây sẽ trung hoà lẫn nhau, mặt khác dây tín hiệu và dây đất xoắn vào nhau giúp cho tín hiệu giao thoa được cả hai dây thu nhận, không làm ảnh hưởng lên tín hiệu vi sai. Chính vì vậy mà nhiễu ra môi trường xung quanh và nhiễu xuyên âm giảm thiểu đáng kể. Hình 1.6. Cấu tạo của cáp đôi dây xoắn 2.2.3. Cáp đồng trục Hạn chế chính của cáp xoắn đôi gây ra bởi hiệu ứng bề mặt. Khi tốc độ bit (cũng là tần số) của tín hiệu truyền dẫn tăng lên thì luồng chảy của dòng điện trong dây chỉ ở trên bề mặt, do vậy sử dụng ít hơn tiết diện sẵn có, dẫn đến sự tăng điện trở của dây đối với tín hiệu cao tần, làm tăng suy hao. Ngoài ra, ở tần số cao, năng suất tín hiệu bị mất mát nhiều hơn do hiệu ứng bức xạ. Vì vậy, với những ứng dụng đòi hỏi tốc độ bit cao hơn 1 Mbps, cần phải có thiết bị điện tử thu và điều khiển tinh vi hơn hoặc sử dụng một môi trường truyền dẫn khác. Cáp đồng trục làm giảm tối thiểu hai hiệu ứng trên. Cáp có chất dẫn điện ở chính giữa trục và bao quanh trục cũng là chất dẫn điện. Khoảng giữa hai lớp chất dẫn điện thường được làm đầy bởi chất cách điện rắn hoặc cấu trúc tổ ong. 2.2.4. Sợi quang Đây là môi trường truyền dẫn đang được xử dụng rộng rãi trong công nghiệp bởi các ưu điểm sau:  Dung lượng truyền lớn  Tính bảo mật tín hiệu khi truyền cao  Trọng lượng nhẹ (đặc biệt thích hợp với kỹ thuật hàng không)  Khả năng chống nhiễu tốt 14  Tốc độ truyền cao (có thể lên đến hàng trăm Mb/s)  Không bị ăn mòn trong các môi trường oxi hoá 2.2.5. Vệ tinh Ngoài môi trường hữu tuyến, số liệu còn có thể được truyền bằng cách dùng sóng vô tuyến qua không gian như hệ thống vệ tinh. Số liệu được điều chế bởi một chùm sóng cực ngắn hình nón, phát từ mặt đất lên vệ tinh. Chùm tia này được thu và truyền đến đích đã định bằng cách dùng 1 antenna định hướng và bộ chuyển tiếp. Một vệ tinh đơn có nhiều bộ chuyển tiếp như vậy, mỗi bộ tiếp nhận một dải tần số riêng. Một kênh vệ tinh điển hình có băng thông lớn (500MHz) và có thể cung cấp hàng trăm kênh số liệu tốc độ cao bằng cách dùng kỹ thuật ghép kênh. 2.2.6. Sóng cực ngắn trên mặt đất (viba) Đường truyền sóng cực ngắn được sử dụng rộng rãi khi việc xây dựng một môi trường hữu tuyến là không thực tế, hoặc quá đắt, ví dụ qua sông hồ, sa mạc. Vì sóng cực ngắn truyền qua không khí nên có thể bị gián đoạn bởi các vật cản do con người va điều kiện thời tiết có hại. Cũng như vệ tinh, chùm tia sóng cực ngắn truyền qua không gian nên không hiệu quả. Truyền dẫn bằng sóng cực ngắn có thể cho phép khoảng cách đến 50km. 2.2.7. Sóng vô tuyến tần thấp Sóng vô tuyến tần thấp được sử dụng ở những nơi có liên kết cố định qua một khoảng cách vừa phải bằng cách dùng máy phát và thu ở mặt đất. Ví dụ, dùng để kết nối các máy tính trong thành phố với một máy phát ở xa. Máy vô tuyến (gọi là trạm gốc) được đặt ở điểm cố định, cung cấp liên kết vô tuyến giữa mỗi máy tính và trạm trung tâm. 3. Các kiểu mạng cơ sở 3.1. Mạng chủ tớ (Master/Slave) Đặc trưng của mạng Master/Slave đó là có một Master và nhiều Slave. Tất cả mọi hoạt động của mạng đều phải thông qua Master Hình 1.7: Mạng chủ tớ Master/Slave 3.2. Mạng ngang hàng (Peer to peer) Mạng ngang hàng (tiếng Anh: peer-to-peer network), còn gọi là mạng đồng đẳng, là một mạng máy tính trong đó hoạt động của mạng chủ yếu dựa vào khả năng tính toán và băng thông của các máy tham gia chứ không tập trung vào một số nhỏ các máy chủ trung tâm như các mạng thông thường. Một mạng đồng đẳng đúng nghĩa không có khái niệm máy chủ và máy khách, nói cách khác, tất cả các máy tham gia đều bình đẳng và 15 được gọi là peer, là một nút mạng đóng vai trò đồng thời là máy khách và máy chủ đối với các máy khác trong mạng. Hình 1.8: Mạng ngang hàng (Peer to peer) 3.4. Mạng Server/Client Mô hình client-server là một mô hình nổi tiếng trong mạng máy tính, được áp dụng rất rộng rãi và là mô hình của mọi trang web hiện có. Ý tưởng của mô hình này là máy con (đóng vài trò là máy khách) gửi một yêu cầu (request) để máy chủ (đóng vai trò người cung ứng dịch vụ), máy chủ sẽ xử lý và trả kết quả về cho máy khách. Hình 1.9: Mạng Server/Client BÀI 4: THIẾT KẾ VÀ LẬP TRÌNH MẠNG TRUYỀN THÔNG PROFINET I. Mục tiêu của bài: - Trình bày được những đặc trưng cơ bản nhất của mạng truyền thông Profibus; 16 - Cấu hình và lập trình được một mạng truyền thông Profibus DP; - Đảm bảo an toàn cho người và thiết bị, tuân thủ đúng quy trình trong quá trình thực hành. II. Nội dung 1. Tổng quan về mạng truyền thông Profinet 1.1. Lịch sử ra đời và những ưu điểm của mạng truyền thông Profinet Từ những năm 2010 cho tới nay, công nghệ truyền thông Profinet càng trở nên phổ biến, nó dần thay thế cho công nghệ truyền thông Profibus trong các phân cấp của hệ thống tự dộng hóa như cấp điều khiển PLC và cấp giám sát hệ thống HMI/SCADA PROFINET là chuẩn giao thức mở cho Ethernet công nghiêp (IE) được phát triển bới hiệp hội PROFIBUS và PROFIBIUS quốc tế. PROFINET mang những đặc điểm, tính năng cảu PROFIBUS như giao tiếp I/O tốc độ cao, an toàn dữ liệu, chức năng chuẩn đoán lỗivà những tính năng của ETHERNET như tốc độ truyền cao ở tốc độ 100 Mpbs hoặc nhanh hơn qua cáp đồng trục, cáp quang, có thể truyền không dây và cho cấu trúc mạng linh hoạt. Bởi vậy PROFINET có nhũng đặc điểm như:  Hỗ trợ chức năng truyền thông thời gian thực  Tích hợp các thiết bị trường (field) vào cho hệ thống mạng  Hỗ trợ điều khiển phân tán với nhiều nhà sản xuát thiết bị  Điều khiển truyền động đồng bộ  Quản trị và chuẩn đoán mạng đơn giản với các dịch vụ hỗ trợ của công nghệ thông tin  Bảo mật mạng để chống lại những truy cập và thao tác trái phép trên đường mạng Hình 4.1: Vị trí mạng Profinet trong công nghiệp 1.2. Các cấu hình truyền thông của Profinet Profinet hỗ trợ hai định dạng truyền thông đó là:  Profinet I/O: Phục vụ cho việc tích hợp các I/O phân tán  Profinet CBA: phục vụ cho các ứng dụng theo mô đun hóa, cho phép giao tiếp giữa máy và máy 1.2.1. Profinet I/O Profinet IO cho phép các mô đun I/O phân tán trên Ethernet giao tiếp trực tiếp với các bộ điều khiển (PLC, PC, SCADA..). Profinet mang các đặc điểm của Profibus cho nên các thiết bị được kết nối trong cấu trúc mạng thống nhất. Do đó, dễ dàng thông tin và dữ liệu trong nhà máy sản xuất 17 Hình 4.2: Mô tả Profinet I/O Profinet IO chỉ định trao đổi dữ liệu giũa các bộ điều khiển IO (IO Controller) với các thiết bị I/O phân tán, cũng như cài đặt các tham số và chuẩn đoán thông tin gửi cho bộ điều khiển. Profinet IO được thiết kế để trao đổi dữ liệu nhanh với thời gian đáp ứng chỉ vài mi li giây. Các thiết bị được định nghĩa trong Profinet IO là:  IO controller là các bộ điều khiển PLC. IO controller thực hiện việc nhận dữ liệu đầu vào và cung cấp dữ liệu đầu ra cho các thiết bị IO device được cáu hình trong mạng  IO device: là các thiết bị I/O phân tán được kết nối tới bộ điều khiển IO controller thông qua đường truyền mạng. IO device thực hiện việc cung cấp dữ liệu đầu vào và nhận được dữ liệu đầu ra từ các bộ IO controller  IO Supervisor: Là các thiết bị lập trình, máy tính, HMI để thực hiện việc chạy thử và chuẩn đoán 1.2.2. Profinet CBA Profinet CBA cho phép người dùng có cái nhìn tổng quát hơn về việc tự động hóa trong nhà máy. Profinet CBA thực hiện việc mô đun hóa nhà máy thành từng phần riêng biệt, hoạt động độc lập và có thể kết hợp lại thành một hệ thống hoàn chỉnh khi cần, đáp ứng cho việc xây dựng nhà máy theo từng giai đoạn. Nói một cách đơn giản Profinet CBA bao gồm nhiều hệ thống tự động hóa riêng lẻ có thể có các tín hiệu vào/ra, bộ điều khiển riêng biệt để thực hiện các tác vụ tự động hóa cụ thể nào đó, và khi cần ghép nối lại thành hệ thống hoàn chỉnh cho nhà máy Hình 4.3: Mô tả profinet CBA 1.3. Các cấu hình ứng dụng của Profinet  Cấu hình ứng dụng với PROFIsafe Hình 4.4: Ứng dụng với PROFIsafe  Cấu hình ứng dụng với PROFIdrive Hình 4.5: Ứng dụng với PROFIdrive 18  Cấu hình ứng dụng với PROFIenergy Hình 4.6: Ứng dụng với PROFIenergy 2. Giao thức truyền và cấu trúc mạng của mạng Profinet Profinet có thể hỗ trợ nhiều giao thức truyền khác nhau, tuy nhiên có hai giao thức truyền dữ liệu phổ biến là TCP/IP và UDP Hình 4.7: Mạng Profinet theo mô hình OSI Profinet rất linh hoạt khi thiết lập cấu trúc hệ thống mạng, tuy nhiên cấu trúc mạng thường được thiết lập với 4 kiểu thông dụng như:  Star network: Hình 4.8: Cấu trúc mạng Star network  Tree network: Hình 4.9: Cấu trúc mạng Tree network  Line network: Hình 4.10: Cấu trúc mạng Line network  Ring network: Hình 4.11: Cấu trúc mạng Ring network 3. Tập lệnh truyền thông của Profinet 3.1. Lệnh TSEND_C và TRCV_C 3.1.1. Lệnh truyền dữ liệu TSEND_C Lệnh truyền dữ liệu TSEND_C thiết lập truyền thông từ Local đến Partner theo tiêu chuẩn TCP hay ISO – on – TCP. Lệnh thực hiện việc gửi dữ liệu và có thể ngắt kết 19 nối. Sau khi được thiết lập và cài đặt, lệnh sẽ tự động duy trì kết nối và truyền dữ liệu với partner Tham số Khai báo Kiểu dữ liệu Vùng nhớ Mô tả REQ Input Bool I, Q M, D, L, T, C or constant Bắt đầu truyền dữ liệu khi có xung cạnh lên CONT Input Bool I, Q M, D, L Điều khiển kết nối truyền thông:  0: Ngắt kết nối  1: Thiết lập và duy trì trạng thái kết nối LEN Input UDint I, Q M, D, L or constant Dung lượng dữ liệu truyền tối đa 0: Tham số DATA định nghĩa độ dài truyền dữa liệu CONNECT In/Out Variant D Con trỏ miêu tả cấu trúc kết nối:  TCON_IP_V4  TCON_Configured DATA In/Out Variant I, Q, M, D,L Vùng dữ liệu định dạng kiểu con trỏ COM_RST In/Out Bool I, Q, M,D, L Cho phép khởi động lại lệnh DONE Out Bool I, Q, M, D, L  0: Chưa gửi xong dữ liệu hoặc đang trong quá trình gửi  1: Dữ liệu đã được gửi, mà không xảy ra lỗi, trạng thái này chỉ hiển thị trong một chu kỳ BUSY Out Bool I, Q, M, D, L  0: Lệnh chưa được thực thi hoặc đã hoàn thành  1: Lệnh đang thực thi và không thể thực hiện công việc mới ERROR Out Bool I, Q, M, D, L  0: Không có lỗi  1: Lỗi xảy ra 20 STATUS Out Word I, Q, M, D, L Báo mã lỗi truyền thông 3.1.2. Lệnh nhận dữ liệu TRCV_C Lệnh nhận dữ liệu TRCV_C thiết lập truyền thông từ Local đến Partner theo tiêu chuẩn TCP hay ISO – on – TCP. Lệnh thực hiện việc nhận dữ liệu và có thể ngắt kết nối. Sau khi được thiết lập và cài đặt, lệnh sẽ tự động duy trì kết nối và truyền dữ liệu với partner Tham số Khai báo Kiểu dữ liệu Vùng nhớ Mô tả EN_R Input Bool I, Q, M, D, L, T, C or constant Nhận dữ liệu khi mức logic bằng 1 CONT Input Bool I, Q, M, D, L Điều khiển kết nối truyền thông:  0: Ngắt kết nối  1: Thiết lập và duy trì trạng thái kết nối LEN Input UDInt I, Q M, D, L or constant Dung lượng dữ liệu truyền tối đa 0: Tham số DATA định nghĩa độ dài truyền dữa liệu CONNECT In/Out VARIANT D Con trỏ miêu tả cấu trúc kết nối:  TCON_IP_V4  TCON_Configured DATA In/Out VARIANT I, Q, M, D,L Vùng nhậndữ liệu định dạng kiểu con trỏ COM_RST In/Out Bool I, Q, M, D, L Cho phép khởi động lại lệnh DONE Output Bool I, Q, M, D, L  0: Chưa nhận được dữ liệu hoặc đang trong quá trình nhận  1: Đã nhận được dữ liệu mà ko xảy ra lỗi, trạng thái này chỉ hiển thị trong một chu kỳ 21 BUSY Output Bool I, Q, M, D, L  0: Lệnh chưa được thực thi hoặc đã hoàn thành  1: Lệnh đang thực thi và không thể thực hiện công việc mới ERROR Output Bool I, Q, M, D, L  0: Không có lỗi  1: Lỗi xảy ra STATUS Output Word I, Q, M, D, L Báo mã lỗi truyền thông RCVD_LEN Output UDInt I, Q, M, D, L Tổng số lượng dữ liệu đã nhận 3.2. Lệnh TCON, TDISCON, TSEND và TRCV 3.2.1. Lệnh kết nối TCON Lệnh TCON dùng để thiết lập kết nối truyền thông từ CPU đến partner Tham số Khai báo Kiểu dữ liệu Vùng nhớ Mô tả REQ Input Bool I, Q M, D, L, T, C or constant Bắt đầu truyền dữ liệu khi có xung cạnh lên ID Input CONN_ OUC I, Q M, D, L, T, C or constant Tham số để gán kết nối. Tầm giá trị từ W#16#0001 đến W#16#0FFF CONNECT In/Out VARIANT D Con trỏ miêu tả cấu trúc kết nối:  TCON_IP_V4  TCON_Configured DONE Output Bool I, Q, M, D, L  0: Chưa hoàn thành hoặc trong quá trình thực thi  1: Công việc đã hoàn thành BUSY Output Bool I, Q, M, D, L  0: Lệnh chưa được thực thi hoặc đã hoàn thành  1: Lệnh đang thực thi và không thể thực hiện công việc mới 22 ERROR Output Bool I, Q, M, D, L  0: Không có lỗi  1: Lỗi xảy ra STATUS Output Word I, Q, M, D, L Báo mã lỗi truyền thông 3.2.2. Lệnh ngắt kết nối TDISCON Lệnh TDISCON dùng để ngắt kết nối truyền thông từ CPU đến partner Tham số Khai báo Kiểu dữ liệu Vùng nhớ Mô tả REQ Input Bool I, Q M, D, L, T, C or constant Bắt đầu truyền dữ liệu khi có xung cạnh lên ID Input CONN_ OUC I, Q M, D, L, T, C or constant Tham số để gán kết nối. Tầm giá trị từ W#16#0001 đến W#16#0FFF DONE Output Bool I, Q, M, D, L  0: Chưa hoàn thành hoặc trong quá trình thực thi  1: Công việc đã hoàn thành BUSY Output Bool I, Q, M, D, L  0: Lệnh chưa được thực thi hoặc đã hoàn thành  1: Lệnh đang thực thi và không thể thực hiện công việc mới ERROR Output Bool I, Q, M, D, L  0: Không có lỗi  1: Lỗi xảy ra STATUS Output Word I, Q, M, D, L Báo mã lỗi truyền thông 3.2.3. Lệnh truyền dữ liệu TSEND Lệnh TSEND được dùng để truyền dữ liệu sau khi đã thiết lập được kết nối giữa các thiết bị Tham số Khai báo Kiểu dữ liệu Vùng nhớ Mô tả REQ Input Bool I, Q, M, D, L hoặc constant Bắt đầu truyền dữ liệu khi có xung cạnh lên 23 ID Input CONN_ OUC I, Q, M, D, L hoặc constant Tham số để gán kết nối. Tầm giá trị từ W#16#0001 đến W#16#0FFF LEN Input UDInt I, Q, M, D, L hoặc constant Số lượng byte tối đa được truyền. Với S7-1200 là 8192 còn với S7-1500 là 65536 DATA In/Out VARIANT I, Q, M, D, L Con trỏ của vùng nhớ chứa dữ liệu cần truyền DONE Output Bool I, Q, M, D, L  0: Chưa hoàn thành hoặc trong quá trình thực thi  1: Công việc đã hoàn thành BUSY Output Bool I, Q, M, D, L  0: Lệnh chưa được thực thi hoặc đã hoàn thành  1: Lệnh đang thực thi và không thể thực hiện công việc mới ERROR Output Bool I, Q, M, D, L  0: Không có lỗi  1: Lỗi xảy ra STATUS Output Word I, Q, M, D, L Báo mã lỗi truyền thông 3.2.4. Lệnh nhận dữ liệu TRCV Lệnh TRCV được dùng để nhận dữ liệu sau khi đã thiết lập được kết nối giữa các thiết bị Tham số Khai báo Kiểu dữ liệu Vùng nhớ Mô tả EN_R Input Bool I, Q, M, D, L hoặc constant Cho phép nhận dữ liệu ID Input CONN_ OUC I, Q, M, D, L hoặc constant Tham số để gán kết nối. Tầm giá trị từ W#16#0001 đến W#16#0FFF LEN Input UDInt I, Q, M, D, L hoặc constant Số lượng byte tối đa được truyền. Với S7-1200 là 8192 còn với S7-1500 là 65536 24 DATA In/Out VARIANT I, Q, M, D, L Con trỏ của vùng nhớ chứa dữ liệu nhận về NDR Output Bool I, Q, M, D, L  0: Chưa hoàn thành hoặc trong quá trình thực thi  1: Công việc đã hoàn thành BUSY Output Bool I, Q, M, D, L  0: Lệnh chưa được thực thi hoặc đã hoàn thành  1: Lệnh đang thực thi và không thể thực hiện công việc mới ERROR Output Bool I, Q, M, D, L  0: Không có lỗi  1: Lỗi xảy ra STATUS Output Word I, Q, M, D, L Báo mã lỗi truyền thông RCVD_LEN Output UDInt I, Q, M, D, L Tổng số byte dữ liệu đã nhận 3.3. Lệnh truyền thông S7 Communication 3.3.1. Lệnh nhận dữ liệu GET Lệnh GET được dùng để đọc dữ liệu từ một CPU khác trong mạng Profinet Các tham số của lệnh như sau: Tham số Khai báo Kiểu dữ liệu Vùng nhớ Mô tả REQ Input Bool I, Q, M, D, L hoặc constant Cho phép đọc dữ liệu khi có cạnh xung lên ID Input Word I, Q, M, D, L hoặc constant Tham số địa chỉ để chỉ định kết nối với CPU partner NDR Output Bool I, Q, M, D, L  0: Chưa hoàn thành hoặc trong quá trình thực thi  1: Công việc đã hoàn thành ERROR Output Bool I, Q, M, D, L  0: Không có lỗi  1: Lỗi xảy ra 25 STATUS Output Word I, Q, M, D, L Báo mã lỗi truyền thông ADDR_1/2/3/4 In/Out Remote I, Q, M, D Con trỏ địa chỉ vùng nhớ để đọc dữ liệu của CPU partner RD_1/2/3/4 In/Out Remote I, Q, M, D Con trỏ địa chỉ vùng nhớ để nhận dữ liệu của CPU local 3.3.2. Lệnh truyền dữ liệu PUT Lệnh PUT được dùng để gửi dữ liệu từ CPU này đến một CPU khác trong mạng Profinet Các tham số của lệnh như sau: Tham số Khai báo Kiểu dữ liệu Vùng nhớ Mô tả REQ Input Bool I, Q, M, D, L hoặc constant Cho phép đọc dữ liệu khi có cạnh xung lên ID Input Word I, Q, M, D, L hoặc constant Tham số địa chỉ để chỉ định kết nối với CPU partner DONE Output Bool I, Q, M, D, L  0: Chưa hoàn thành hoặc trong quá trình thực thi  1: Công việc đã hoàn thành ERROR Output Bool I, Q, M, D, L  0: Không có lỗi  1: Lỗi xảy ra STATUS Output Word I, Q, M, D, L Báo mã lỗi truyền thông ADDR_1/2/3/4 In/Out Remote I, Q, M, D Con trỏ địa chỉ vùng nhớ nhận dữ liệu của CPU partner SD_1/2/3/4 In/Out Variant I, Q, M, D, L Con trỏ địa chỉ vùng nhớ để truyền dữ liệu của CPU local 4. Thực hành truyền thông Profinet 4.1. Truyền thông giữa hai PLC 4.1.1. Yêu cầu công nghệ 26 Thực hành truyền nhận dữ liệu giữa hai PLC S7-1200/1500 theo chuẩn truyền thông Profinet 4.1.2. Yêu cầu phần cứng CPU 1 có địa chỉ IP là 192.168.0.1 là PLC Master CPU 2 có địa chỉ IP là 192.168.0.2 là PLC Slave 4.1.3. Các bước viết chương trình: Với việc sử dụng lệnh PUT/GET để thực hành truyền thông chúng ta chỉ cần lập trình trên CPU Local mà không cần phải lập trình ở PLC Partner Bước 1: Khởi tạo Project với tên PROFINET  tạo mới và lựa chọn cấu hình cho hai CPU Bước 2: Cấu hình để hai CPU có thể truyền thông bằng lệnh PUT/GET: Bước 3: Cấu hình kết nối connection giữa hai CPU:  Tần số điều khiển 25 Hz:  Tần số điều khiển 50 Hz: 27 Bước 14: Gọi hàm FC1 và khai báo các tham số: