Giáo trình Kỹ thuật thông tin công nghiệp
Ngày nay với sự phát triển mạnh mẽcủa ngành công nghiệp, đòi hỏi phải có sự cải tiến và áp dụng công nghệmới vào trong quá trình sản xuất nhằm nâng cao hiệu quảsản xuất. Một trong những giải pháp tốt nhất, đó là áp dụng quy trình tự động hóa vào sản xuất. Các dây chuyền sản xuất không thể hoạt động độc lập mà cần phải có sự liên kết với nhau tạo nên một mô hình thống nhất. Sự kết nối các thiết bị công nghiệp đó với nhau tạo thành một hệthống mạng và được gọi là mạng công nghiệp.
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Giáo trình Kỹ thuật thông tin công nghiệp, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN
Bộ môn Công nghệ điều khiển tự động
ĐỖ VĂN TOÀN
Giáo trình
KỸ THUẬT
THÔNG TIN CÔNG NGHIỆP
THÁI NGUYÊN, NĂM 2007
MỤC LỤC
Chương 1: MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1 U
1.1. Mạng truyền thông công nghiệp là gì? ............................................................................1
1.2 Phân loại và đặc trưng các hệ thống mạng công nghiệp ..................................................2
Chương 2: CƠ SỞ KỸ THUẬT ....................................................................................................6
2.1 Các khái niệm cơ bản .......................................................................................................6
2.1.1 Thông tin, dữ liệu và tín hiệu ....................................................................................6
2.1.2 Truyền thông, truyền dữ liệu và truyền tín hiệu ........................................................7
2.2.2 Truyền đồng bộ và truyền không đồng bộ...............................................................11
2.2.3 Truyền một chiều và truyền hai chiều .....................................................................11
2.2.4 Truyền tải dải cơ sở, dải mang và dải rộng .............................................................12
2.1.3 Tính năng thời gian thực..........................................................................................13
2.2 Chế độ truyền tải ............................................................................................................14
2.2.1 Truyền bit song song và truyền bit nối tiếp.............................................................14
2.3 Cấu trúc mạng-Topology................................................................................................16
2.3.1 Cấu trúc bus .............................................................................................................17
2.3.2 Cấu trúc mạch vòng (tích cực) ................................................................................18
2.3.3 Cấu trúc hình sao .....................................................................................................20
2.3.4 Cấu trúc cây.............................................................................................................21
2.4 Kiến trúc giao thúc .........................................................................................................21
2.4.1. Dịch vụ truyền thông ..............................................................................................22
2.4.2 Giao thức .................................................................................................................23
2.4.3 Mô hình lớp .............................................................................................................25
2.4.4 Kiến trúc giao thức OSI...........................................................................................27
2.4.5 Kiến trúc giao thức TCP/IP .....................................................................................33
2.5 Truy nhập bus .................................................................................................................36
2.5.1 Đặt vấn đề ................................................................................................................36
2.5.2 Chủ/tớ (Master/slaver).............................................................................................38
2.5.3 TDMA .....................................................................................................................40
2.5.4 Token Passing..........................................................................................................41
2.5.5 CSMA/CD ...............................................................................................................43
2.5.6 CSMA/CA ...............................................................................................................44
2.6 Bảo toàn dữ liệu..............................................................................................................46
2.6.1 Đặt vấn đề ................................................................................................................46
2.6.2 Bit chẵn lẻ (Parìty bit) .............................................................................................49
2.6.3 Bit chẵn lẻ hai chiều ................................................................................................49
2.6.4 CRC .........................................................................................................................51
2.6.5 Nhồi bit (Bit Stuffing) .............................................................................................53
2.7 Mã hóa bit.......................................................................................................................53
2.7.1 Các tiêu chuẩn trong mã hóa bit ..............................................................................54
2.7.2 NRZ, RZ ..................................................................................................................55
2.7.3 Mã Manchester ........................................................................................................56
2.7.4 AFP..........................................................................................................................56
2.7.5 FSK..........................................................................................................................57
2.8 Chuẩn truyền tin .............................................................................................................57
2.8. Phương thức truyền dẫn tín hiệu ...................................................................................58
2.8.3 RS-232.....................................................................................................................61
2.8.3 S-422........................................................................................................................64
2.8.4 RS-485.....................................................................................................................65
2.8.5 MBP (IEC 1158- 2) .................................................................................................70
2.9 Môi trường truyền dẫn....................................................................................................72
2.9.1 Đôi dây xoắn............................................................................................................73
2.9.2 Cáp đồng trục ..........................................................................................................75
2.9.3 Cáp quang................................................................................................................76
2.9.4 Vô tuyến ..................................................................................................................78
2.10 Thiết bị liên kết mạng...................................................................................................78
2.10.1 Bộ lặp.....................................................................................................................79
2.10.2 Cầu nối...................................................................................................................80
2.10.3 Router ....................................................................................................................80
2.10.4 Gateway.................................................................................................................81
Chương 3: CÁC HỆ THỐNG BUS TIÊU BIỂU ........................................................................83 U
3.1 PROFIBUS .....................................................................................................................83
3.1.1 Kiến thức giao thức .................................................................................................83
3.1.2 Cấu trúc mạng và kỹ thuật truyền dẫn.....................................................................84
3.1.3 Truy nhập bus ..........................................................................................................86
3.1.4 Dịch vụ truyền dữ liệu .............................................................................................87
3.1.5 Cấu trúc bức điện.....................................................................................................89
3.1.6 PROFIB US-FMS....................................................................................................91
3.1.7 PROFIB US-DP.......................................................................................................97
3.1.8 PROFIBUS - PA....................................................................................................102
3.2 CAN..............................................................................................................................104
3.2.1 Kiến trúc giao thức ................................................................................................104
3.2.2 Cấu trúc mạng và kỹ thuật truyền dẫn...................................................................105
3.2.3 Cơ chế giao tiếp.....................................................................................................106
3.2.4 Cấu trúc bức điện...................................................................................................106
3.2.5 truy nhập bus .........................................................................................................109
3.2.6 Bảo toàn dữ liệu.....................................................................................................110
3.2.7 Mã hoá bit..............................................................................................................111
3.2.8 Các hệ thống tiêu biểu dựa trên CAN....................................................................111
3.3 DeviceNet .....................................................................................................................113
3.3.1 Cơ chế giao tiếp.....................................................................................................113
3.3.2 Mô hình đối tượng .................................................................................................114
3.3.3 Mô hình địa chỉ......................................................................................................115
3.3.4 Cấu trúc bức điện...................................................................................................116
3.3.5 Dịch vụ thông báo .................................................................................................116
3.4 Modbus .........................................................................................................................119
3.4.1 Cơ chế giao tiếp.....................................................................................................120
3.4.2 Chế độ truyền ........................................................................................................121
3.4.3 Cấu trúc bức điện...................................................................................................122
3.4.4 Bảo toàn dữ liệu.....................................................................................................125
3.4.5 Modbus Plus ..........................................................................................................126
3.5 Interbus .........................................................................................................................128
3.5.1 Kiến trúc giao thức ................................................................................................128
3.5.2 Cấu trúc mạng và kỹ thuật truyền dẫn:..................................................................129
3.5.3 Cơ chế giao tiếp:....................................................................................................131
3.5.4 Cấu trúc bức điện...................................................................................................132
3.5.5 Dịch vụ giao tiếp: ..................................................................................................134
3.6 AS - i.............................................................................................................................135
3.6.1 Kiến trúc giao thức ................................................................................................136
3.6.2 Cấu trúc mạng và cáp truyền: ................................................................................136
3.6.3 Cơ chế giao tiếp.....................................................................................................137
3.6.4 Cấu trúc bức điện...................................................................................................138
3.6.5 Mã hoá bit..............................................................................................................139
3.6.6 Bảo toàn dữ liệu:....................................................................................................141
3.7 Foundation Fieldbus .....................................................................................................141
3.7.1. Kiến thức giao thức: .............................................................................................142
3.7.2 Cấu trúc mạng và kỹ thuật truyền dẫn:..................................................................142
3.7.3 Cơ chế giao tiếp:....................................................................................................144
3.7.4 Cấu trúc bức điện:..................................................................................................145
3.7.5 Dịch vụ giao tiếp ...................................................................................................146
3.7.6 Khối chức năng ứng dụng: ....................................................................................148
3.8 Ethernet.........................................................................................................................149
3.8.1 Kiến trúc giao thức: ...............................................................................................150
3.8.2 Cấu trúc mạng và kỹ thuật truyền dẫn:..................................................................150
3.8.3 Cơ chế giao tiếp:....................................................................................................153
3.8.4 Cấu trúc bức điện:..................................................................................................153
3.8.5 Truy nhập bus: .......................................................................................................154
3.8.6 Hiệu suất đường truyền và tính năng thời gian thực: ............................................155
3.8.7 Mạng LAN 802.3 chuyển mạch: ...........................................................................156
3.8.8 Fast Ethernet:.........................................................................................................157
3.8.9 High speed Ethernet: .............................................................................................158
3.8.10 Industrial Ethernet: ..............................................................................................160
Chương IV: CÁC THÀNH PHẦN HỆ THỐNG MẠNG .........................................................161
4.1 Phần cứng .....................................................................................................................161
4.1.1 Cấu trúc chung các phần cứng giao diện mạng: ....................................................161
4.1.2 Ghép nối PLC: .......................................................................................................163
4.1.3 Ghép nối PC: .........................................................................................................164
4.1.4 Ghép nối vào/ra phân tán.......................................................................................166
4.1.5 Ghép nối các thiết bị trường: .................................................................................166
Chương 5: MỘT SỐ VẤN ĐỀ TRONG TÍCH HỢP HỆ THỐNG...........................................167
5.1 Thiết kế hệ thống mạng ................................................................................................167
5.1.1 Phân tích yêu cầu:..................................................................................................167
5.1.2 Các bước tiến hành: ...............................................................................................168
5.2. Đánh giá và lựa chọn giải pháp mạng .........................................................................169
5.2.1. Đặc thù của cấp ứng dụng: ...................................................................................169
5.2.2. Đặc thù của lĩnh vực ứng dụng:............................................................................170
5.2.3. Yêu cầu thiết kế chi tiết: .......................................................................................172
5.2.4. Yêu cầu kinh tế:....................................................................................................173
5.3. Một số chuẩn phần mềm tích hợp hệ thống.................................................................173
5.3.1. Chuẩn IEC 61131-5:.............................................................................................173
5.3.2. OPC (OLE for Process Control)...........................................................................176
Chương 1: MỞ ĐẦU
1.1. Mạng truyền thông công nghiệp là gì?
Ngày nay với sự phát triển mạnh mẽ của ngành công nghiệp, đòi hỏi phải có sự
cải tiến và áp dụng công nghệ mới vào trong quá trình sản xuất nhằm nâng cao hiệu
quả sản xuất. Một trong những giải pháp tốt nhất, đó là áp dụng quy trình tự động hóa
vào sản xuất. Các dây chuyền sản xuất không thể hoạt động độc lập mà cần phải có sự
liên kết với nhau tạo nên một mô hình thống nhất. Sự kết nối các thiết bị công nghiệp
đó với nhau tạo thành một hệ thống mạng và được gọi là mạng công nghiệp.
Mạng công nghiệp hay mạng truyền thông công nghiệp là một khái niệm chỉ các
hệ thống mạng truyền thông số, truyền bit nối tiếp, được sử dụng để ghép nối các thiết
bị công nghiệp.
Để phân biệt rõ mạng công nghiệp và các hệ thống mạng khác ta có thể đưa ra
bảng so sánh sau
Bảng 1.1. So sánh mạng công nghiệp và các hệ thống mạng khác
Mạng công nghiệp Các hệ thống mạng viễn thông
- Phạm vi địa địa lý hẹp
- Đối tượng là các thiết bị công nghiệp
- Dạng thông tin là số liệu
- Kỹ thuật truyền dữ liệu theo chế độ bit
nối tiếp
- Đơn giản
- Phạm vi địa lý rộng, số lượng thành viên
tham gia lớn
- Đối tượng là cả con người và thiết bị
trong đó con người là chủ yếu
- Dạng thông tin bao gồm tiếng nói, hình
ảnh, văn bản
- Công nghệ phong phú
Từ đó ta có thể kết luận mạng công nghiệp thực chất là một dạng đặc biệt của
mạng máy tính, có thể so sánh với mạng máy tính thông thường ở những điểm giống
nhau và khác nhau như sau:
Kỹ thuật truyền thông số hay truyền dữ liệu là đặc trưng chung của cả hai hệ
thống mạng.
Trong nhiều trường hợp, mạng máy tính được sử dụng trong công nghiệp được
coi là một phần trong mô hình phân cấp của mạng công nghiệp.
Yêu cầu tính năng thời gian thực, độ tin cậy và khả năng tương thích trong môi
trường công nghiệp của mạng công nghiệp cao hơn so với mạng máy tính thông
thường, mạng máy tính thường đòi hỏi chế độ bảo mật cao hơn.
