Hướng dẫn thực tập công nhân - Mạng điều khiển và giám sát

Xưởng điện tử Bài 8:Mạng giám sát và điều khiển Thực tập công nhân Trang 49 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: Xưởng điện tử Bài 8:Mạng giám sát và điều khiển Thực tập công nhân Trang 50 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. Xưởng điện tử Bài 8:Mạng giám sát và điều khiển Thực tập công nhân Trang 51 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: Điều hành sản xuất Mạng xí nghiệp Bus hệ thống Điều khiển trung tâm Bơm ĐK Động cơ Van Cảm biến Điều khiển trung tâm Cơ cấu chấp hành Điều khiển Bus trường Hình 4.1: Cấu hình của một mạng công nghiệp Xưởng điện tử Bài 8:Mạng giám sát và điều khiển Thực tập công nhân Trang 52 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, TCP/IP Application Presentation Application Session Network Internet Data link Network access Transport OSI Physical Transport Hình 4.2: Cấu trúc 4 lớp của mô hình TCP/IP so với mô hình OSI Xưởng điện tử Bài 8:Mạng giám sát và điều khiển Thực tập công nhân Trang 53 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. ¾ Giải mã các gói và kiểm tra địa chỉ trước khi phát cho phần mềm lớp trên. ¾ 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 Xưởng điện tử Bài 8:Mạng giám sát và điều khiển Thực tập công nhân Trang 54 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 (6 byte) Source Address (6 byte) Type (2 byte) Data (46 >1500 byte) FCS (3byte) 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: Xưởng điện tử Bài 8:Mạng giám sát và điều khiển Thực tập công nhân Trang 55 Token Ring có 2 loại khung cơ bản 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 control Frame control Destination address Source address Data FCS End Frame 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. Xưởng điện tử Bài 8:Mạng giám sát và điều khiển Thực tập công nhân Trang 56 4.4. Đặc điểm của truyền thông RS -232C, RS-422A, RS485. Thoâng soá RS-232C RS-422 RS-423 RS485 Chieàu daøi caùp Length(max) 15m (50ft) 1,2km (4000ft) 1,2km (4000ft) 1,2km (4000ft) Toác ñoä baud Baud rate 20Kbs/15m 10Mbs/12m 1Mbs/120m 100Kbs/1,2km 10oKbs/12m 10Kbs/120m 1Kbs/1,2km 10Mbs/12m 1Mbs/120m 100Mbs/1,2km Mode Unbalanced Balanced Differential Balanced Differential Balanced Differential Driver No. 1 1 1 32 Receiver 1 10 10 10 Logic 0 +3v -:- +25v +2v-:-+5v +3.6v-:-+6v +1.5v-:-+5v Logic 1 -3v -:- -25v -2v-:- -5v -3.6v -:- -6v -1.5v -:- -5v Community 2v 1.8v 3.4v 1.3v Cable/signal 1 2 2 2 Methode Simplex Simplex Simplex Simplex Phöông thöùc Half-duplex Full-duplex Half-duplex Full-duplex Half-duplex Full-duplex Half-duplex Full-duplex Shotr circuit current 500mA 150mA 150mA 150mA 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. Xưởng điện tử Bài 8:Mạng giám sát và điều khiển Thực tập công nhân Trang 57 Chuaån RS - 422A. 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- Xưởng điện tử Bài 8:Mạng giám sát và điều khiển Thực tập công nhân Trang 58 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 31h ORG 000H MOV DEM,#55H MOV P1,#05H LCALL START MAIN: JNB RI,PHAT ACALL GetChar MOV DEM,A MOV P2,A Xưởng điện tử Bài 8:Mạng giám sát và điều khiển Thực tập công nhân Trang 59 PHAT: MOV A,DEM MOV P0,A LCALL PUTCHAR LJMP MAIN ;====================================== Start: MOV A,PCON ;Make sure SMOD is off SETB ACC.7 MOV PCON,A ;Set up timer 1 MOV TH1,#0F3h ;4800 baud MOV TMOD,#20h MOV TCON,#40h MOV SCON,#52h ;Set up serial port RET ;========================================================== GetChar:JNB RI,$ ;Wait for receiver flag CLR RI ;Clear receiver flag MOV A,SBUF ;Read character RET ;========================================================== Putchar:JNB TI,$ ;Wait for transmitter flag CLR TI ;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.