ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGÀNH: TỰ ĐỘNG HOÁ

NGÀNH: TỰ ĐỘNG HOÁ

NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH CỦA TRỄ TRUYỀN THÔNG
NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH CỦA TRỄ TRUYỀN THÔNG

TRONG HỆ ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN (DCS)

TRONG HỆ ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN (DCS)

Học viên
ĐÀO TUẤN ANH

Người hướng dẫn khoa học : PGS.TS. Bùi Quốc Khánh

THÁI NGUYÊN 2008

THÁI NGUYÊN 2008

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

: Đào Tuấn Anh



Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐHKT CÔNG NGHIỆP

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
-----------o0o-----------

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn này là công trình do tôi tổng hợp và nghiên cứu.

THUYẾT MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Trong luận văn có sử dụng một số tài liệu tham khảo như đã nêu trong phần tài liệu
tham khảo.


ĐỀ TÀI:

Tác giả luận văn

NGHI ÊN CỨU ĐẶC TÍNH CỦA TRỄ TRUYỀN THÔNG
TRONG HỆ ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN (DCS)
Đào Tuấn Anh

Học viên: Đào Tuấn Anh
Lớp: CH-K8
Chuyên ngành: Tự động hoá
Người HD khoa học: PGS. TS. Bùi Quốc Khánh
Ngày giao đề tài: 01/11/2007
Ngày hoàn thành: 30/4/2008

KHOA ĐT SAU ĐẠI HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN

HỌC VIÊN

PGS.TS. Bùi Quốc Khánh

Đào Tuấn Anh

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên







MỤC LỤC

CHƢƠNG 2: GIAO THỨC MẠNG VÀ CÁC HỆ THỐNG MẠNG
TRONG HỆ ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN
2.1. Hệ thời gian thực và điều khiển thời gian thực
Trang

TRANG PHỤ BÌA
LỜI CAM ĐOAN

21
21

2.1.1. Hệ thời gian thực

21

2.1.2. Điều khiển thời gian thực

23
26

2.2. Giao thức mạng

MỤC LỤC


2.2.1. Phương pháp CSMA/CD

28

DANH MỤC HÌNH VẼ

2.2.2. Phương pháp chuyển thẻ bài (Token passing)

31

2.2.3. Phương pháp CSMA/AMP (CAN)

34

DANH MỤC BẢNG BIỂU
LỜI NÓI ĐẦU

36

2.3. Một số hệ thống bus tiêu biểu sử dụng trong hệ DCS

CHƢƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ MẠNG TRUYỀN THÔNG TRONG HỆ
ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN
1.1. Tổng quan hệ về tự động hoá quá trình sản xuất và các hệ điều khiển

1

2.3.1. PROFIBUS

36


1

2.3.1.1. PROFIBUS DP

37

1.1.1. Mô hình phân cấp của hệ thống tự động hoá quá trình sản xuất

1

2.3.1.2. PROFIBUS PA

38

1.1.2. Mạng truyền thông trong hệ thống điều khiển tự động

3

2.3.1.3. PROFIBUS FMS (Fieldbus Message Specification)

39

5

2.3.2. CAN

39

5


2.3.3. Ethernet

40

1.2.1.1. Cấp chấp hành - cảm biến

5

2.3.4. Fourdation Fieldbus

41

1.2.1.2. Cấp điều khiển

7

1.2. Truyền thông trong hệ điều khiển phân tán (DCS)
1.2.1 Khái quát chung về hệ DCS

44

2.4. Đánh giá hiệu năng của mạng truyền thông

1.2.1.3. Cấp vận hành, giám sát chỉ huy

7

2.4.1. Hiệu suất của hệ thống mạng


45

1.2.1.4. Hệ thống quản lý thông tin

7

2.4.2. Hệ số sử dụng đường truyền

45

1.2.1.5. Chức năng của hệ DCS

8

2.4.3. Số lượng thông điệp không được truyền

46

10

2.5. Kết luận

46

10

CHƢƠNG 3: NGHIÊN CỨU TRỄ TRUYỀN THÔNG TRONG MỘT SỐ

47


1.2.2.2. Phương pháp truyền thông trong hệ điều khiển chuyển động

11

3.1. Thời gian trễ trong truyền thông

1.2.2.3. Phương pháp truyền thông trong hệ điều khiển truyền động

17

1.2.2. Truyền thông trong hệ DCS
1.2.2.1. Ứng dụng mô hình chuẩn OSI trong mô hình bus trường của

MẠNG TRUYỀN THÔNG CÔNG NGHIỆP TIÊU BIỂU

hệ DCS

phân tán

47

3.1.1. Giới thiệu

47

3.1.2. Các thành phần của thời gian trễ

48

1.3. Trễ trong hệ điều khiển phân tán


18

3.1.2.1. Thời gian tiền xử lý truyền thông trong nút truyền, Tpre

1.4. Kết luận

19

3.1.2.2. Trễ đo thời gian ở nút truyền, Twait

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



49
49


3.1.2.3. Trễ trên đường mạng, Ttx

51

3.1.2.4. Trễ xử lý tại nút nhận, Tpost

52


4.2.3. Đánh giá phương pháp truyền thông tương tự trong hệ điều khiển

93

3.1.2.5. Lược đồ thời gian của quá trình truyền thông

52

4.3. Hệ điều khiển truyền động nhiều trục điều khiển vị trí dùng mạng

95

54

3.2. Trễ truyền thông trong mạng Ethernet

4.2.2.3. Resolver và Synchro

92

truyền thông Bus-CAN

3.2.1. Cấu hình mạng truyền thông

54

4.3.1. Cấu hình mô hình

95


3.2.2. Cấu hình mạng Ethernet sử dụng Switch

58

4.3.2. Đánh giá phương pháp truyền thông sử dụng CAN-Bus

96

3.2.3. LAN Switch

60

4.4. Các phƣơng pháp mô hình hoá trễ trong hệ thống điều khiển

98

3.2.4. Trễ truyền thông trong mạng Ethernet sử dụng LAN Switch

62

4.4.1. Phương pháp xấp xỉ Padé

98

3.2.5. Nhận xét

74

4.4.2. Mô hình hoá trễ truyền thông dùng xích Markov


99

75

4.5. Tiêu chuẩn đánh giá chất lƣợng điều khiển

100

3.3.1. Phát hiện lỗi và xử lý lỗi trong mạng CAN

75

4.6. Phân tích sự ảnh hƣởng của trễ truyền thông đến chất lƣợng điều

101

3.3.2. Đặc điểm của trễ truyền thông trong mạng CAN

76

3.3.3. Trễ truyền thông trong trường hợp truyền lại

77

4.6.1. Cấu hình của mô hình

102

3.3.4. Nhật xét


78

4.6.2. Phân tích ảnh hưởng của trễ truyền thông đến chất lượng điều khiển

103

3.3. Trễ truyền thông trong mạng CAN

khiển của hệ thống truyền động nhiều trục

3.4. Đánh giá ảnh hƣởng của các thành phần trễ truyền thông

79

3.5. Kết luận

82

4.7. Kết luận

113

CHƢƠNG 4: PHÂN TÍCH ẢNH HƢỞNG CỦA TRỄ TRUYỀN THÔNG

83

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

114


TÀI LIỆU THAM KHẢO

115

TRONG HỆ ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN ĐỘNG NHIỀU TRỤC
83

4.1. Hệ truyền động nhiều trục điều khiển vị trí
4.1.1. Hệ điều khiển servo

84

4.1.2. Bộ nội suy quỹ đạo

84

4.1.3. Điều khiển quá trình
4.1.4. Điều khiển liên kết chéo (cross-coupled control)

85
85

4.2. Hệ điều khiển truyền động nhiều trục điều khiển vị trí dùng mạng
truyền thông tƣơng tự (analog)
4.2.1. Cấu hình của mô hình
4.2.2. Giới thiệu mô hình

89
89

90

4.2.2.1. Cụm điều khiển

90

4.2.2.2. Encoder

91

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

của hệ thống



Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




LỜI NÓI ĐẦU

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đề tài tập trung nghiên cứu về đặc tính trễ truyền thông trong các mạng truyền
thông công nghiệp tiêu biểu và phân tích ảnh hưởng của trễ truyền thông tới chất

Cơ sở lựa chọn đề tài và mục đích nghiên cứu

lượng điều khiển của hệ thống điều khiển phân tán nói chung, điều khiển truyền

Ngày nay cùng với sự phát triển nhanh chóng của kỹ thuật vi điều khiển là sự
phát triển mạnh mẽ của công nghệ phần mềm, kỹ thuật truyền số, chính sự phát
triển mạnh mẽ đó đã tạo ra bước ngoặt tích cực cho các giải pháp đo lường và điều

động nói riêng.
Nội dung và phương pháp nghiên cứu
Nội dung luận văn với các đề mục và nội dung như sau :
Lời cam đoan

khiển.
Trong những năm 90 của thế kỷ 20, quá trình module hoá, phân tán điều khiển

Mục lục

với mạng truyền thông kỹ thuật số phát triển mạnh mẽ và cho ra đời một thế hệ mới

Danh mục hình vẽ

các hệ thống điều khiển – hệ thống điều khiển phân tán DCS. Cho tới ngày nay,

Danh mục bảng biểu

điều khiển phân tán đã được sử dụng trong các hệ thống điều khiển truyền động và

Mở đầu

điều khiển chuyển động.

Chương 1: Tổng quan về mạng truyền thông trong hệ điều khiển phân tán


Các hệ thống truyền thông sử dụng bus truyền thông chung đã dần thay thế các
hệ thống điều khiển truyền thông điểm – điểm trước đây, đã đem lại khả năng nâng
cao hiệu suất, nâng cao tính linh hoạt, độ tin cậy của các hệ thống tích hợp đồng
thời giảm được chi phí, thời gian lắp đặt, nâng cấp cũng như bảo trì. Tuy nhiên việc
sử dụng hệ thống truyền thông bus chung đã nảy sinh khó khăn là các trễ truyền

Chương 2: Giao thức mạng và các hệ thống mạng trong hệ điều khiển phân tán

Chương 3: Nghiên cứu trễ truyền thông trong các mạng truyền thông công
nghiệp tiêu biểu
Chương 4: Phân tích ảnh hưởng của trễ truyền thông trong hệ điều khiển
truyền động nhiều trục

thông giữa các sensor, các cơ cấu chấp hành và bộ điều khiển. Trễ truyền thông này

Kết luận và Kiến nghị.

là do việc chia xẻ chung một phương tiện truyền thông, do thời gian tính toán cần

Tài liệu tham khảo.

thiết cho việc mã hoá/giải mã các đại lượng đo và thời gian xử lý truyền thông. Trễ

Tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Bùi Quốc Khánh,

truyền thông có tính ngẫu nhiên phụ thuộc vào giao thức truyền thông, phần cứng

các thầy cô trong Khoa Điện và Khoa Sau Đại Học trường Đại học Công Nghiệp

sử dụng và trạng thái của hệ thống mạng truyền thông. Trễ truyền thông sẽ lớn và


Thái Nguyên đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong suốt quá trình làm luận văn.

mang tính bất định cao khi lưu lượng truyền thông lớn, đặc biệt là khi hệ thống

Do kiến thức bản thân còn hạn chế nên luận văn này không tránh khỏi những

mạng rơi vào trạng thái nghẽn mạng. Để đảm bảo sự ổn định cũng như đảm bảo

thiếu sót. Tôi rất mong được sự góp ý của các thầy cô và các bạn đồng nghiệp để

chất lượng điều khiển của hệ thống điều khiển, việc nghiên cứu về trễ truyền thông

bản luận văn này được hoàn thiện hơn.
Thái Nguyên, 04.2008

trong hệ thống điều khiển là cần thiết.

Tác giả, Đào Tuấn Anh.

Đề tài “Nghiên cứu đặc tính của trễ truyền thông trong hệ điều khiển phân
tán” được lựa chọn.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên





Hình 3-4. Cấu hình mạng chuyển mạch hoàn toàn sử dụng Switch

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 3-5. Ngưỡng trong bộ đệm đầu vào
Hình 1-1. Sơ đồ phân cấp hệ thống điều khiển tự động hoá quá trình sản xuất

Hình 3-6. Mô hình hoạt động của LAN Switch
Hình 4-1. Sai lệch quỹ đạo chuyển động

Hình 1-2. Mô hình điều khiển đơn giản

Hình 4-2. Cấu trúc điều khiển liên kết chéo

Hình 1-3: Tổng quan phần cứng PLC

Hình 4-3. Cấu hình truyền thông của hệ điều khiển truyền động nhiều trục

Hình 1-4. Sơ đồ chức năng điều khiển của hệ DCS

Hình 4-4. Encoder thẳng

Hình 1-5. So sánh mô hình Fieldbus và mô hình OSI
Hình 1-6. Các phần tử tiêu biểu của môt hệ điều khiển chuyển động

Hình 4-5. Vạch vị trí
Hình 4-6. Cấu tạo Synchro, resolver


Hình 1-7. Cấu hình của hệ điều khiển chuyển động.
Hình 1-8. Cấu trúc truyền thông của hệ điều khiển chuyển động truyền thống
Hình 1-9. Cấu hình mạng của hệ điều khiển chuyển động (tốc độ cao)
Hình 1-10. Cấu hình mạng của hệ điều khiển chuyển động (tốc độ thấp).

Hình 4-7. Cấu hình truyền thông dùng CAN-bus cho hệ điều khiển chuyển động
Hình 4-8. Cấu hình của hệ điều khiển truyền động nhiều trục dùng truyền thông CAN-Bus
Hình 4-9. Cấu hình của hệ điều khiển truyền động dùng truyền thông Bus-CAN
Hình 4-10. Cấu trúc điều khiển chuyển động hai trục điều khiển vị trí

Hình 1-11. Sơ đồ điều khiển với các thành phần của trễ

Hình 4-11. Kết quả mô phỏng khảo sát ITAE với các tần số lấy mẫu khác nhau

Hình 2-1. Các dạng của tính kịp thời

Hình 4-12. Quỹ đạo chuyển động (xác suất thông điệp sự kiện 3%, chu kỳ lấy mẫu 2.5ms)

Hình 2-2. Các kiểu tác vụ theo chuẩn IEC 61131-3

Hình 4-13. Sai lệch quỹ đạo chuyển động

Hình 2-3. Định dạng của khung truy nhập mạng Ethernet

Hình 4-14. Sai lệch quỹ đạo chuyển động trong hệ truyền động hai trục XY với chu kỳ

Hình 2-4. Định dạng khung truy nhập mạng của ControlNet

lấy mẫu 4ms


Hình 2-5. Sơ đồ thời gian của chu kỳ quay vòng thẻ bài TRT

Hình 4-15: Quỹ đạo chuyển động X-Y ở trạng thái chưa bão hoà

Hình 2-6. Định dạng khung truy nhập mạng CAN

Hình 4-16. Sai lệch quỹ đạo chuyển động trong hệ truyền động hai trục XY với chu kỳ

Hình 2-7. Cấu hình Multi-Master trong PROFIBUS

lấy mẫu 2.5 ms

Hình 2-8. Cấu hình Multi-Master trong PROFIBUS

Hình 4-17. Quỹ đạo chuyển động X-Y khi mạng bão hoà

Hình 2-9. Cấu hình Multi-Master trong PROFIBUS
Hình 2-10. Mạng Foundation Fieldbus H1
Hình 2-11. Mạng H1/HSE
Hình 3-1. Phân bố của các thành phần trễ truyền thông trong mô hình mạng OSI
Hình 3-2. Lược đồ thời gian của quá trình truyền tin trên mạng
Hình 3-3. Cấu hình mạng Ethernet truyền thống

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên





1

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ MẠNG TRUYỀN THÔNG
TRONG HỆ ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN

DANH MỤC BẢNG BIỂU
1.1. Tổng quan hệ về tự động hoá quá trình sản xuất và các hệ điều khiển
1.1.1. Mô hình phân cấp của hệ thống tự động hoá quá trình sản xuất

Bảng 1-1. Thông số kỹ thuật của một số loại bus

Hệ thống điều khiển, điều hành và quản lý sản xuất một cách tự nhiên được

Bảng 4-1. Xấp xỉ Padé cho thành phần trễ exp (-s)

phân chia thành nhiều cấp. Phù hợp với thực tế này, hệ thống tự động hoá quá trình

Bảng 4-2. Kết quả khảo sát khi không có thông điệp sự kiện truyền trên mạng
Bảng 4-3. Kết quả khảo sát khi xác suất xuất hiện thông điệp sự kiện trên mạng là 1%

sản xuất cũng được phân chia thành nhiều cấp và điển hành của một hệ thống tự
động hoá quá trình sản xuất thường bao gồm 5 cấp như trên Hình 1-1.

Bảng 4-4. Kết quả khảo sát khi xác suất xuất hiện thông điệp sự kiện trên mạng là 3%
Bảng 4-5. Kết quả khảo sát khi xác suất xuất hiện thông điệp sự kiện trên mạng là 5%
5. Cấp
quản lý
công ty


Workstation, PC, Servers

4. Cấp quản lý
nhà máy

Workstation, PC, Servers

3. Cấp giám sát – chỉ huy
2. Cấp điều khiển

1. Cấp trường (cảm biến - chấp hành)

Workstation, PC

Controllers, PLC, CNC, PC

Controllers, sensors, actuators

Hình 1-1. Sơ đồ phân cấp hệ thống điều khiển tự động hoá quá trình sản xuất
Đặc điểm của các cấp này như sau:
Cấp thứ nhất: Là cấp cảm biến - chấp hành hay cấp trường.Nó thực hiện kết nối
các bộ điều khiển, cảm biến và các cơ cấu chấp hành.
Cấp thứ hai: là cấp điều khiển (phân xưởng) thực hiện việc điều khiển các quá
trình công nghệ và thực hiện việc kết nối các bộ điều khiển, thiết bị điều khiển lôgic
khả trình PLC, thiết bị điều khiển quá trình công nghệ trong máy điều khiển số
CNC hoặc các máy tính PC công nghiệp.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




2

3

Cấp thứ ba: Là cấp vận hành, giám sát chỉ huy và thực hiện chức năng vận hành

1.1.2. Mạng truyền thông trong hệ thống điều khiển tự động

giám sát và điều khiển chỉ huy quá trình công nghệ. Tại cấp thứ ba này thực hiện

Mỗi cấp của hệ thống tự động hoá quá trình sản xuất có các yêu cầu về thông

các chức năng giao diện người-máy, lưu trữ các số liệu liên quan tới sản xuất, ra các

tin cần xử lý và trao đổi thông tin khác nhau. Trong sơ đồ phân cấp như trên Hình

lệnh, thiết lập cấu hình và thay đổi chế độ làm việc cho quá trình công nghệ, máy

1-1 thì ở cấp càng cao lượng thông tin yêu cầu xử lý và trao đổi càng lớn nhưng tần

sản xuất,…Thiết bị trong cấp thứ ba này là các máy trạm làm việc, các máy tính PC.

suất và yêu cầu về tính thời gian thực giảm dần. Ở mỗi cấp thường có nhu cầu trao

Các cấp 1,2 và 3 là các cấp trực tiếp thực hiện quá trình công nghệ.


đổi thông tin theo hai hướng: trao đổi thông tin với cấp trên và trao đổi thông tin với

Cấp thứ tư: là cấp quản lý nhà máy và thực hiện phối hợp nhiều nhiệm vụ quản
lý khác nhau như quản lý kỹ thuật, quản lý sản xuất, quản lý nguồn lực,…

cấp dưới. Cấp quản lý công ty thường đòi hỏi kết nối truyền tin với những gói dữ
liệu kích thước lớn, trên khoảng cách lớn và thường sử dụng công nghệ mạng diện

Cấp thứ năm: là cấp quản lý công ty và nó thực hiện kết nối và phối hợp các

rộng (WAN). Cấp quản lý nhà máy và cấp giám sát - chỉ huy thường sử dụng mạng

hoạt động quản lý khác nhau trên mọi nhà máy, chi nhánh và văn phòng công ty tại

Ethernet với giao thức TCP/IP (mạng cục bộ - LAN). Cấp điều khiển và cấp cảm

nhiều thành phố và quốc gia khác nhau.

biến - chấp hành đòi hỏi tính thời gian thực và tần suất trao đổi thông tin lớn. Các

Trong sơ đồ phân cấp của hệ thống tự động hoá quá trình sản xuất thì các cấp 1,

yêu cầu khác nhau này không chỉ ở các cấp điều khiển khác nhau mà ngay trong

2 và 3 là các cấp trực tiếp thực hiện quá trình công nghệ và hệ thống điều khiển tự

một cấp của hệ thống điều khiển các quá trình công nghệ phức tạp thì mỗi ứng

động áp dụng cho các cấp này còn được gọi là hệ thống tự động hoá quá trình công


dụng, mỗi công đoạn sản xuất cũng có những yêu cầu khác nhau về trao đổi thông

nghệ còn các cấp thứ 4 và thứ 5 thực hiện chức năng quản lý và hệ thống tự động

tin, đặc biệt là trong cấp cảm biến - chấp hành. Do vậy đỏi hỏi phải áp dụng các

hoá áp dụng cho hai cấp này được gọi là hệ thống tự động hoá điều hành và quản lý

công nghệ khác nhau cho mỗi cấp điều khiển này. Có ba giải pháp để thực hiện việc

sản xuất.

trao đổi thông tin trong các hệ thống tự động hoá quá trình sản xuất nói chung, hệ
thống điều khiển phân tán riêng là:
Cơ cấu chấp hành

Thiết bị đo

1. Phương thức trao đổi thông tin bằng tín hiệu tương tự (analog): Trong các
hệ thống sử dụng phương thức trao đổi thông tin bằng tín hiệu analog, tín hiệu số
trong các thiết bị điều khiển số được chuyển đổi thành tương tự thông qua các bộ
chuyển đổi số - tương tự (DAC) và ngược lại tại thiết bị nhận tín hiệu được chuyển
đổi từ tương tự sang số thông qua các bộ chuyển đổi tương tự số (ADC). Trong hệ

Bộ điều khiển

thống điều khiển sử dụng phương thức trao đổi thông tin bằng tín hiệu tương tự, khi
khối lượng thông tin cần trao đổi lớn sẽ dần tới tăng khối lượng dây dẫn cũng như
làm giảm chất lượng điều khiển do sai số của quá trình chuyển đổi tín hiệu trong

các bộ chuyển đổi ADC và DAC.
Hình 1-2. Mô hình điều khiển đơn giản

2. Điều khiển phân tán với truyền thông kỹ thuật số điểm - điểm.
3. Điều khiển phân tán sử dụng mạng truyền thông kỹ thuật số.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




4

5

So với phương án điều khiển phân tán sử dụng mạng truyền thông, phương

+ Mạng điều khiển: Mạng này thực hiện chức năng liên kết các bộ điều khiển

án sử dụng truyền thông điểm - điểm nhiều hạn chế về khả năng tích hợp, chi phí

với nhau và với trạm vận hành. Trước đây (và một số hệ thống hiện nay) mạng điều

bảo trì, sửa chữa cao. Trong những thập kỷ gần đây, sự phát triển của công nghệ

khiển thường dùng giao thức Token Passing, chuẩn mạng là chuẩn kín, riêng của


thông tin và truyền thông đã thúc đẩy việc chuyển hướng phát triển của các hệ

nhà cung cấp, các bộ điều khiển của các nhà cung cấp khác thường không thể kết

thống điều khiển tự động hoá quá trình công nghệ sang hướng điều khiển phân tán

nối vào chuẩn mạng này. Ngày nay, khi tốc độ và dung lượng đường truyền của

sử dụng mạng truyền thông kỹ thuật số nhằm tận dụng những ưu điểm của phương

mạng Ethernet ngày càng được nâng cao, các vấn đề hạn chế của mạng này cũng

án này.

dần được giải quyết thoả đáng, xu thế mở và tạo thuận lợi cho khách hàng đã

Mạng máy tính (hay mạng truyền thông kỹ thuật số) trong hệ thống tự động

khuyến khích các hãng sử dụng chuẩn Ethernet cho mạng điều khiển.

hoá quá trình sản xuất được phân chia thành hai loại: mạng điều khiển và mạng dữ

+ Mạng vận hành, giám sát chỉ huy: Mạng thực hiện chức năng trao đổi

liệu. Trong mô hình phân cấp của hệ thống tự động hoá quá trình sản xuất hiện đại,

thông tin giữa hệ thống điều khiển và hệ thống điều hành, quản lý nhà máy để cập

hệ thống mạng máy tính sử dụng cho cấp quản lý công ty (cấp 5), cấp quản lý và


nhập các thông tin về tình hình sản xuất cũng như các mệnh lệnh sản xuất. Trước

điều hành nhà máy (cấp 4) và một phần của cấp giám sát – chỉ huy mạng dữ liệu.

đây và bây giờ, chuẩn mạng thường dùng vẫn là chuẩn Ethernet.

Mạng máy tính sử dụng cho cấp cảm biến – chấp hành (cấp trường), cấp điều khiển
quá trình công nghệ (cấp điều khiển) và cấp điều khiển giám sát là mạng điều khiển.
Mạng dữ liệu có đặc điểm là các gói dữ liệu có kích thước lớn, tần suất
truyền tin nhỏ. Yêu cầu đối với các hệ thống mạng sử dụng cho mạng dữ liệu là
khoảng cách truyền tin lớn, tốc độ dữ liệu phải cao để có thể truyền các gói tin có
kích thước lớn.
So với mạng dữ liệu thì mạng điều khiển có sự khác biệt cơ bản là mạng điều
khiển có khả năng đáp ứng yêu cầu của các ứng dụng có đòi hỏi khắt khe về thời
gian xử lý.
Tương ứng với các lớp, các cấp độ trong hệ thống điều khiển phân tán, ta có
các mạng truyền thông:
+ Mạng thiết bị: Mạng thiết bị hay còn là bus trường bao gồm mạng truyền
thông giữa bộ điều khiển với các vào/ra phân tán, truyền thông giữa bộ điều khiển
với PLC hoặc các bộ điều khiển cấp dưới điều khiển máy sản xuất hoặc công đoạn
sản xuất độc lập tương đối. Hệ thống mạng này thường sử dụng các chuẩn mạng
DeviceNet, Profibus, Foundation Fieldbus. Mô hình truyền thông sử dụng có thể là
master/slave hoặc peer to peer.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

1.2. Truyền thông trong hệ điều khiển phân tán (DCS)
1.2.1 Khái quát chung về hệ DCS
Một hệ DCS thông thường có 3 cấp và thực hiện việc liên kết với một phần

của cấp quản lý và điều hành sản xuất thông qua hệ thống quản lý thông tin của cấp
này để tích hợp vào các hệ thống quản lý sản xuất, quản lý thông tin và phối hợp
quản lý trên diện rộng như SAP, PRM,… Đặc điểm của một cấu trúc điều khiển
phân tán là việc phân bố thiết bị xuống các vị trí gần kề với quá trình kỹ thuật, sử
dụng các mạng truyền thông công nghiệp để kết nối và trao đổi thông tin. Sơ đồ cấu
trúc tiêu biểu cho một hệ thống điều khiển phân tán như Hình 1-3.
1.2.1.1. Cấp chấp hành - cảm biến
Lớp chấp hành cảm biến bao gồm các bộ vào/ra phân tán để ghép nối với các
sensor, các cơ cấu chấp hành có chức năng kết nối với các tín hiệu vào/ra và xử lý
sơ bộ trước khi chuyển lên cấp điều khiển.
Sensor có các chức năng chính là thu thập dữ liệu quá trình, có khả năng
truyền thông và được cài các thuật toán tự hiệu chuẩn, tự kiểm tra, chuẩn đoán lỗi.
Sensor thông minh sẽ thực hiện việc thu thập các dữ liệu về các đại lượng vật lý của
quá trình cần đo như nhiệt độ, tốc độ, độ PH,… từ hiện trường, mã hoá các dữ liệu



Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




6

7

này rồi truyền tới các thiết bị khác thông qua mạng truyền thông. Ngoài ra sensor

trong một số trường hợp có thể kết nối trực tiếp với bộ điều khiển. Các PLC kết nối


thông minh còn có khả năng tự hiệu chuẩn, tự chuẩn đoán lỗi, các hỏng hóc có thể

với hệ DCS được gọi là các Subsystems.

gặp phải để phát ra các cảnh báo cần thiết.

1.2.1.2. Cấp điều khiển
Cấp điều khiển bao gồm các bộ điều khiển, là nơi thực hiện mọi chức năng
điều khiển của toàn nhà máy.
Cấp quản lý SX

Lưu trữ

PC

Quản lý thông tin

Bên cạnh đó cấp điều khiển còn phải thực hiện chức năng truyền thông với
cấp cảm biến chấp hành để lấy dữ liệu từ đầu vào sau đó xử lý tín hiệu, thực hiện

PC

mạng giám sát – chỉ huy

các thuật toán điều khiển và gửi tín hiệu điều khiển ra các đầu ra và đến các thiết bị
Cấp vận hành,
giám sát-chỉ huy
OPC

Trạm vận hành


Trạm vận hành

với nhau thông qua mạng truyền thông ở cấp điều khiển.

Trạm vận hành
mạng điều khiển px2

mạng điều khiển px1

Cấp điều khiển
Controller

Controller

mạng thiết bị (bus trường)
S C A
máy sx

Cung cấp giao diện với các hình ảnh đồ họa mô tả hoạt động của toàn bộ quá

mạng thiết bị (bus trường)

S C A
công
đoạn sx
Smart sensor

1.2.1.3. Cấp vận hành, giám sát chỉ huy
Cấp vận hành, giám sát chỉ huy bao gồm các trạm vận hành, cung cấp giao

diện cho người vận hành với quá trình.

Controller

IPC

chấp hành ở cấp cảm biến chấp hành. Các bộ điều khiển có thể đọc, trao đổi dữ liệu

Cấp trường
(cảm biến-chấp hành)

Trạm
I/O

Smart actuator
Smart actuator

Smart sensor

trình một cách sinh động và trực quan.
1.2.1.4. Hệ thống quản lý thông tin
Hệ thống quá lý thông tin là một phần trong cấp điều hành và quản lý sản

PLC

Hình 1-3. Cấu hình tiêu biểu của hệ thống DCS

xuất. Hệ thống này bao gồm 3 lớp con:
Lớp Gateway: dựa trên chuẩn OPC (OLE for Process Control), cho phép tất


Ngoài ra cấp chấp hành cảm biến có thể có các PLC, các máy tính công
nghiệp điều khiển máy sản xuất hoặc một công đoạn sản xuất tương đối độc lập.

cả các máy tính đều có thể kết nối với các hệ DCS có hỗ trợ OPC. Lớp gateway
phục vụ việc trao đổi dữ liệu với các bộ điều khiển của phân xưởng, công đoạn

Cấp chấp hành cảm biến cung cấp các giao diện sau:
* Giao diện kết nối trực tiếp với các vào/ra tương tự (như áp suất, nhiệt độ,..)

khác.
Lớp Database: Đọc dữ liệu từ các bộ điều khiển thông qua Gateway OPC và

và các vào/ra số (như tín hiệu rơ le và các tín hiệu chuyển mạch, liên động,..).
* Giao diện Bus trường: cung cấp các giao diện với chuẩn Bus trường như:

lưu trữ dưới một định dạng dữ liệu chuẩn như MS SQL, Oracle,…
Lớp Management: Lớp quản lý cung cấp thông tin cho người sử dụng dưới

Foundation Fieldbus, Profibus, HART. Cho phép các bộ biến đổi và cơ cấu chấp
hành trao đổi thông tin trực tiếp với bộ điều khiển trên một đường truyền thông số

thức, quản lý tài nguyên nhà máy, tối ưu hoá quá trình,… Lớp quản lý sẽ đọc dữ

duy nhất.
* Giao diện kết nối với PLC: PLC có thể được nối vào hệ DCS thông qua
một số card giao diện truyền thông. Thông thường được nối với giao diện vào/ra và

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

mạng các templates bao gồm: lập báo cáo, quản lý theo mẻ, tính toán theo công




liệu từ lớp Database và trao đổi thông tin với các bộ điều khiển thông qua gateway
OPC.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




8

9

Chức năng thực hiện thuật toán điều khiển tuần tự: Thuật toán điều khiển

1.2.1.5. Chức năng của hệ DCS
a. Chức năng điều khiển

tuần tự được thực hiện cho một số công đoạn làm việc theo chuỗi sự kiện nối tiếp

Đây là chức năng quan trọng nhất của hệ DCS, có nhiệm vụ điều khiển toàn

trong nhà máy. Chức năng này vừa điều khiển từng công đoạn độc lập đồng thời
quản lý toàn bộ chuỗi sự kiện xảy ra trong hệ thống. Có thể sử dụng chức năng này

bộ các quá trình công nghệ trong nhà máy.
Chức năng điều khiển do các bộ điều khiển đảm nhận, được đặt tại phòng


cho các bài toán liên động hoặc kết hợp thực hiện các công đoạn liên tục toàn trong
nhà máy.

điều khiển trung tâm hoặc trong các trạm điều khiển.

Chức năng thực hiện các thuật toán phức tạp: DCS là hệ điều khiển ứng

Chức năng điều khiển của DCS

dụng cho các nhà máy có quy mô lớn, công nghệ liên tục và phức tạp, đỏi hỏi phải

Chức năng điều khiển cơ bản

sử dụng nhiều thuật toán tiên tiến để giải quyết các bài toán tối ưu và tiết kiệm
nhiên-nguyên liệu. Các thuật toán cấp cao thường được ứng cho các nhà máy bao

Thực hiện thuật toán điều chỉnh tự động

gồm: thuật toán điều khiển nối tầng (cascade), thuật toán điều khiển tiền định
Thực hiện thuật toán điều chỉnh tự động

(feedforward), các thuật toán phân ly hệ đa biến, thuật toán điều khiển mờ, thích

Thực hiện thuật toán điều chỉnh tự động

nghi, nơ ron,…
b. Chức năng truyền thông, trao đổi thông tin với các hệ thống phụ - Subsytem

Thực hiện thuật toán điều chỉnh tự động


Trong các nhà máy lớn, bên cạnh hệ DCS, luôn có các hệ PLC đảm nhận các

Thực hiện thuật toán điều chỉnh tự động

công việc điều khiển cho từng công đoạn nhỏ như trạm bơm cấp nước, nước

Chức năng truyền thông với các hệ thống phụ

thải,…và tất cả các tham số này cũng cần phải được đưa vào hệ thống DCS chung

Hình 1-4. Sơ đồ chức năng điều khiển của hệ DCS
Chức năng điều khiển cơ bản: DCS thực hiện tất cả các chức năng điều
khiển cơ bản của một nhà máy. Các thành phần thực hiện các chắc năng điều khiển
cơ bản DCS gọi là các “khối hàm” (Function Block). Mỗi khối hàm đại diện cho
một bộ phận nhỏ nhất trong bài toán điều khiển.Việc thực hiện thiết kế chức năng
điều khiển thực chất là cách kết hợp các khối hàm lại với nhau cho phù hợp.
Chức năng thực hiện các thuật toán điều chỉnh tự động: Thực hiện cho các
vòng điều chỉnh phản hồi của các quá trình liên tục. Thành phần chính tham gia vào
chức năng điều chỉnh tự động là các khối PID, các khối hàm chuyển đổi định dạng
dữ liệu vào/ra và các khối hàm toán học.

của toàn nhà máy để tập trung cơ sở dữ liệu phục vụ giám sát và quản lý.
Hầu hết các hệ DCS đều không tích hợp sẵn các chương trình điều khiển
truyền thông cũng như các module truyền thông với các PLC vì hệ thống PLC trên
thị trường là rất phong phú và đa dạng. Mà thay vào đó, các nhà cung cấp DCS
cung cấp các tuỳ chọn để liên kết với các hệ PLC, tuy nhiên không phải là có thể kết
nối được với tất cả các PLC. Ở điểm này thì các nhà làm thiết kế hệ thống điều
khiển phải nắm được để chọn thiết bị cho phù hợp và đỡ tốn kém nhất.
Các nhà cung cấp DCS cung cấp các tuỳ chọn này dưới dạng các gói phần
mềm và các module phần cứng. Ví dụ để liên kết với PLC của AB SLC5, ta có gói

phần mềm điều khiển truyền thông với SLC5, hay để kết nối với PLC của Siemens,
ta có các gói phần mềm truyền thông với các thiết bị của Siemens. Tuy nhiên việc
câu hình và truyền thông với các hệ thống phụ không phải bao giờ cũng diễn ra

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




10

11

thuận lợi, mà nếu lựa chọn không khéo, nó sẽ làm cho người làm Engineering tốn
mất nhiều thời gian và công sức.
Khi chúng ta định kết nối DCS của mình với một PLC của hãng nào, ta phải
mua chương trình phần mềm và module phần cứng của nhà cung cấp DCS để kết
nối. Vì khi chúng ta cài đặt chương trình phần mềm này vào hệ thống, nó sẽ dành
một phần bộ nhớ và định dạng lại bộ nhớ này cho phù hợp với loại PLC ta cần giao
tiếp.
c. Chức năng vận hành và giám sát hệ thống (Chức năng SCADA)
* Hiển thị trạng thái hoạt động của toàn bộ nhà máy
* Chức năng hiển thị các biến quá trình dưới dạng đồ thị
* Chức năng cảnh báo quá trình

Hình 1-5. So sánh mô hình Fieldbus và mô hình OSI


* Chức năng lập báo cáo

* Lớp ứng dụng (Application Layer): truy nhập của Filedbus vào các lớp con

* Chức năng an toàn hệ thống (Security)

(Filedbus Access Sublayer), chứa các đặc tính thông điệp của Filedbus.

1.2.2. Truyền thông trong hệ DCS

* Lớp người sử dụng (User Layer): cung cấp giao diện cho sự tương tác

Cho tới ngày nay, điều khiển phân tán với mạng truyền thông kỹ thuật số đã

người sử dụng với hệ thống.

bắt đầu xâm nhập vào hệ thống điều khiển truyền động và điều khiển chuyển động.

1.2.2.2. Phương pháp truyền thông trong hệ điều khiển chuyển động

Điều này đã mang lại nhiều hứa hẹn và triển vọng mới trong lĩnh vực điều khiển tự

a. Khái quát chung về điều khiển chuyển động

động.

Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ máy tính và vi xử lý, các hệ

1.2.2.1. Ứng dụng mô hình chuẩn OSI trong mô hình bus trường của hệ DCS

Trên hình 1-5 ta thấy một số lớp trong mô hình OSI không được sử dụng,
bên cạnh đó, Fieldbus lại thêm một lớp User Layer.

điều khiển chuyển động đã trở nên linh hoạt và tiện lợi hơn. Với hệ điều khiển
chuyển động có thể lập trình, ta có thể thay đổi vận tốc hay vị trí của cơ cấu chỉ
bằng một vài dòng lệnh hoặc bằng cách chọn các thuật toán đã có sẵn trong bộ nhớ

Các lớp truyền dẫn trong mô hình bus trường của hệ DCS bao gồm:
* Lớp vật lý (Physical Layer): bao gồm các chuẩn về điện. Lớp này thực hiện
chuyển đổi các thông điệp số từ các lớp truyền dẫn ở trên thành tín hiệu vật lý rồi

của hệ thống. Các thành phần của một hệ điều khiển chuyển động về cơ bản gồm
những phần tử như Hình 1-6 ở dưới (chuyển động có thể là chuyển động quay hoặc
chuyển động thẳng).

truyền thông qua các phương tiện truyền tin fieldbus và ngược lại.
* Lớp liên kết dữ liệu (Data Link Layer): chứa các chương trình điều khiển
truyền thông.

Hình 1-6. Các phần tử tiêu biểu của môt hệ điều khiển chuyển động
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




12


13

Bộ điều khiển (Controller) sẽ chứa một chuỗi các lệnh được mã hoá (các
lệnh để điều khiển chuyển động), khi được thực hiện nó sẽ tạo ra một loạt các xung
điện hoặc tín hiệu tương tự ở đầu ra của bộ điều khiển. Các tín hiệu này sẽ được cấp
cho bộ khuếch đại (Amplifier) và được nó khuyếch đại lên cho phù hợp với cơ cấu
chấp hành (Actuator). Cơ cấu chấp hành thực hiển các chuyển động yêu cầu. Phần
tử cuối cùng là thiết bị phản hồi (Feedback) – cung cấp tín hiệu phản hồi cho bộ
điều khiển (Controller).
Nhiều hệ điều khiển chuyển động được tích hợp thành một hệ lớn. Các loại

Hình 1-8. Cấu trúc truyền thông của hệ điều khiển chuyển động truyền thống

thiết bị dựa trên máy tính, như các bộ điều khiển có thể lập trình, các máy tính công

Việc tạo ra quỹ đạo và thuật toán điều khiển vị trí được thực hiện trên một

nghiệp, các máy tính lớn ở xa để liên kết và điều phối các chức năng chuyển động

bục phần cứng đơn lẻ. Hình 1-8 ở trên thể hiện cấu trúc của hệ điều khiển chuyển

cùng các chức năng khác. Thêm vào, giao diện hoạt động (Operator interface) để

động gồm hai hoặc nhiều trục. Các drive được sử dụng ở trên có thể là số hoặc

thay đổi chương trình; cung cấp các sửa đổi thời gian thực như tắt hệ thống, các

tương tự, và có thể hoạt động ở mode vận tốc hoặc mode mô men.


thay đổi kế hoạch, …Do đó, một hệ thống điều khiển chuyển động tích hợp thêm
một số phần có cấu hình như Hình 1-7

Phương pháp truyền thông truyền thống (dùng tín hiệu analog) này chỉ đáp
ứng được những ứng dụng điều khiển chuyển động đơn giản (số trục tham gia
chuyển động ít) và yêu cầu chính xác không cao. Phần này sẽ được phân tích và
trình bày kỹ trong chương 4.

Operator
Interface

Host

Controller

Amplifier

Actuator

Feedback

c. Phương pháp truyền thông dùng mạng (bus) trong hệ điều khiển chuyển động
Với cấu hình mạng bus, người ta dùng 1 hoặc nhiều máy tính trung tâm để
điều khiển các trục: Tín hiệu điều khiển có thể được gửi từ máy tính trung tâm đến

Hình 1-7. Cấu hình của hệ điều khiển chuyển động.

từng trục một hoặc gửi tới các bộ điều khiển địa phương (local controllers), sau đó
bộ điều khiển này điều khiển này mới gửi các lệnh tới các trục riêng lẻ. Máy tính
trung tâm có thể là 1 chương trình phần mềm, 1 chíp vi điều khiển, hoặc PLC.


b. Phương pháp truyền thông truyền thống trong hệ điều khiển chuyển động
Điều khiển chuyển động nhiều trục truyền thống sử dụng các bộ điều khiển
chuyển động, dựa trên PC hay một mình, cho từng trục. Giữa các trục có mối liện
hệ với nhau theo một quy luật nhất định.

* Một số mạng(bus) hay được sử dụng để truyền thông trong hệ điều khiển
chuyển động:
- Cấu hình truyền thông cho hệ điều khiển chuyển động dùng loại bus tốc độ
cao ( SynqNet, Ethernet, FireWire, Sercos…)
Ở cấu hình này, việc tạo quỹ đạo và thuật toán điều khiển vị trí được đặt ở bộ
điều khiển chủ (a central host controller), tín hiện điều khiển của mô men hay tốc độ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




14

15

dạng số được gửi qua giao diện nối tiếp tốc độ cao tới các drive.
SynqNet
Max. InterNode Distance
Min. Cycle

Time /

Ethernet
(TCP/IP)

SERCOS

Hình 1-9. Cấu hình mạng của hệ điều khiển chuyển động (tốc độ cao)

Transfer
Mode

Hạn chế của cấu hình này là sự kết nối nối tiếp giữa controller và drive cần

Max. Jitter

phải tương đối nhanh. Điều này làm tăng giá thành và độ phức tạp cho cả controller
lẫn drive. Một số giải pháp đang tồn tại là:
 SERCOS: Giải pháp cáp quang, chạy ở tốc độ 2,4 hoặc 16Mbit/s.
 IEEE 1394 (a.k.a FireWire): Cáp đồng hoặc cáp quang chạy ở tốc độ 200 đến
400Mbit/s.

Need of
Switches/

IEEE 1394
4.4m

CAN


100m

100m

40m

< 25µs

1.2ms

250µs

200Mbit/s

100Mbit/s

16Mbit/s

400Mbit/s

1Mbit/s

Full-

Half-

Half-

Half-


Half-

Duplex

Duplex

Duplex

Duplex

Duplex

< 1µs

20µs

1µs

<1µs

1..120µs

No

Yes

No

No


No

254

No Limit

254

63

2032

Latency
BandWidth

FireWire

125 ..
250µs

40m

1ms

Hubs
Max.Number
of Nodes

Bảng 1-1. Thông số kỹ thuật của một số loại bus


 100BaseT, 10BaseT (a.k.a Ethernet): Giải pháp cáp đồng, chạy ở tốc độ

Ở bảng trên, thời gian trễ (chu kỳ thời gian) được tính bằng: thời gian cần

10Mbit/s tới 100Mbit/s .

thiết để nhận tín hiệu phản hồi + thời gian thực hiện tính toán + thời gian truyền dữ

Giao thức giao tiếp được sử dụng cho các giải pháp trên thì khác nhau (có

liệu mới đi (được tính cho mạng gồm có 4 trục). Jitter được định nghĩa là khoảng

thể mở hoặc được giữ bản quyền của nhà sản xuất). Nếu tốc độ cập nhật của mạch

thời gian từ khi bắt đầu kích thích cho đến khi bắt đầu có đáp ứng (phụ thuộc vào độ

vòng vị trí nằm trong khoảng: 5 – 10kHz, nghĩa là tín hiệu điều khiển của vận tốc

chính xác của đồng hồ hệ thống, thiết kế phần cứng ).

hoặc mô men được gửi sau những khoảng thời gian là 200 đến 100 s. Điều quan

 SynqNet, Ethernet, FireWire, Sercos: Tốc độ truyền dữ liệu của mạng Sercos

trọng là ta phải duy trì sự đồng bộ giữa các trục, nghĩa là phải giảm thiểu trễ trong

là nhỏ nhất (16Mbit/s), tốc độ truyền của FireWire (IEEE1394) có thể lên tới

truyền thông tới mức nhỏ nhất. Bảng 1-1 chứa các thông số kỹ thuật của một số loại


400Mbit/s, tốc độ truyền của SynqNet tối đa là 200Mbit/s, còn tốc độ truyền của

bus hay sử dụng trong các hệ điều khiển chuyển động.

Ethernet trong khoảng từ 10Mbit/s tới 100Mbit/s. Những loại bus này thường
được ứng dụng trong những hệ điều khiển chuyển động yêu cầu tính đồng bộ
chặt chẽ, tốc độ truyền dữ liệu cao.
 CAN: CAN bus được ứng dụng vào hệ điều khiển chuyển động do dễ sử

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




16

17

dụng, ổn định cao. CAN-bus chậm hơn Ethernet, SynqNet, FireWire, Sercos và

này có nghĩa là chức năng tạo ra quỹ đạo đã được chia sẻ giữa host controller và các

nhanh hơn RS 485.

drive.


 RS 485 – bus gần giống với RS422 và RS232, nó thường được sử dụng để

Khi dùng mạng (bus) để truyền thông trong hệ điều khiển chuyển động thì

truyền thông giữa các module chuyển động khi hệ điều khiển chuyển động yêu

một số vấn đề ta phải quan tâm là vấn đề thời gian trễ trong truyền thông

cầu sự đồng bộ không chặt chẽ và tính ổn định không cao.
Khi khoảng thời gian giữa các lần gửi tín hiệu tốc độ khoảng >1ms (nghĩa là

1.2.2.3. Phương pháp truyền thông trong hệ điều khiển truyền động phân tán
Điều khiển phân tán với mạng truyền thông kỹ thuật được sử dụng trong hệ

tốc độ cập nhật của mạch vòng vị trí nằm khoảng <1KHz, thì ta có thể sử dụng

thống điều khiển truyền động cho ra đời các hệ thống truyền động mới - truyền

mạng CAN

động phân tán. Hệ thống truyền động phân tán ra đời sẽ dần thay thế các hệ thống

- Cấu hình truyền thông cho hệ điều khiển chuyển động dùng loại bus tốc độ

truyền động cán thép, xeo giấy, các hệ thống truyền động CNC và robots truyền
thống.

thấp (CAN, RS485…).
Một giải pháp khác phù hợp với nhiều ứng dụng là chuyển mạch vòng vị trí
xuống drive số như Hình 1-10. Ở giải pháp này bộ điều khiển (controller) gửi tín

hiệu điều khiển là vị trí xuống các drive, việc này sẽ được thực hiện ở tốc độ thấp
(tối thiểu là thấp hơn tốc độ cập nhật của mạch vòng vị trí). Do đó giao diện nối tiếp
tốc độ thấp giữa controller và drive có thể sử dụng.

Có thể phân chia các hệ truyền động nhiều trục thành các nhóm chính sau:
* Truyền động nhiều trục điều khiển vị trí: truyền động robots, truyền động
máy CNC…
* Hệ truyền động nhiều trục đồng tốc độ: truyền động cán thép, truyền động
xeo giấy,….
* Hệ truyền động nhiều trục phối hợp cả điều khiển vị trí và đồng tốc: Hệ
truyền động dạng này sử dụng trong các công nghệ phức tạp.
Sử dụng giải pháp điều khiển phân tán và mạng truyền thông số cho ứng
dụng truyền động nhiều trục sẽ cho ta một cấu trúc mới của các hệ điều khiển
truyền động nhiều trục được gọi là hệ điều khiển truyền động phân tán hay gọi tắt là
hệ truyền động phân tán. Tài nguyên tính toán của hệ điều khiển truyền động phân
tán là các hệ xử lý của bộ điều khiển trung tâm và các hệ xử lý của các bộ điều

Hình 1-10. Cấu hình mạng của hệ điều khiển chuyển động (tốc độ thấp).

khiển truyền động mỗi trục. Giao diện giữa bộ điều khiển trung tâm và bộ điều

Để giảm hơn tốc độ cập nhật của lệnh điều khiển vị trí, drive có thể thực hiện

khiển truyền động mỗi trục sử dụng mạng truyền thông số. Mạng truyền thông số

nội suy bậc cao hơn. Điều này có nghĩa là drive bây giờ thực hiện cả việc tính toán

được sử dụng để truyền cả các tín hiệu logic, các tín hiệu đo lường và tín hiệu điều

quỹ đạo và chứa cả mạch vòng vị trí. Khi đó bộ điều khiển chủ chia quỹ đạo cần


khiển giữa các hệ xử lý trong toàn hệ thống.

chuyển động thành các đoạn, và gửi các đoạn nhỏ này xuống các drive. Các drive sẽ

Tuy nhiên các hệ điều khiển truyền động nhiều trục là các hệ thống điều

thực hiện nội suy bậc cao hơn theo điểm cuối của các đoạn nhỏ. Về thực chất, điều

khiển đòi hỏi khắt khe về thời gian thực. Sự chậm trễ của các tín hiệu do sử dụng
mạng truyền thông số làm suy giảm chất lượng điều khiển của các hệ điều khiển

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




18

19

truyền động phân tán và trong nhiều ứng dụng nó không đáp ứng được yêu cầu
công nghệ. Cho tới nay, trễ truyền thông chính là nguyên nhân chủ yếu hạn chế sự
Regulator
(Trễ tính toán trong
controller


phát triển của các hệ điều khiển truyển động phân tán.
Việc nghiên cứu đặc tính và đánh giá ảnh hưởng của trễ truyền thông sẽ
được nghiên cứu trong các phần tiếp theo của luận văn.

v(k)

Trễ truyền thông
giữa các controller
và cơ cấu chấp hành

u(t)

Cơ cấu chấp hành
Và đối tượng điều
khiển

y(t)

Controller
W(k)

1.3. Trễ trong hệ điều khiển phân tán

Trễ truyền thông
giữa sensor và
controller

Các hệ thống điều khiển trong công nghiệp đều có yêu cầu thời gian thực. Hệ


Đo và lấy mẫu
(trễ trong cơ cấu đo)

thống điều khiển phân tán do vậy cũng phải đáp ứng yêu cầu này khi sử dụng để
điều khiển các quá trình công nghệ. Điều có nghĩa yêu cầu đối với các đại lượng
điều khiển của hệ điều khiển phải bao gồm cả giá trị điều khiển và thời gian đưa ra
giá trị đó hay nói cách khác hệ thống điều khiển phải đáp ứng được cả yêu cầu về
chính xác của đại lượng điều khiển và độ trễ điều khiển.

Hình 1-11. Sơ đồ điều khiển với các thành phần của trễ
Chính vì vậy, nghiên cứu đặc tính và phân tích ảnh hưởng của trễ truyền
thông trong trạng thái bão hoà và nghẽn mạng tạm thời của hệ thống mạng tới chất

Trễ điều khiển là khoảng thời gian giữa thời điểm lấy mẫu và thời điểm tác

lượng điều khiển sẽ được đề cập trong luận văn.

động của cơ cấu chấp hành tương ứng. Trễ điều khiển trong các mạch vòng điều
khiển thực hiện bằng hệ thống điều khiển phân tán bao gồm các thành phần sau:
 Trễ trong các cơ cấu đo lường giữa thời điểm thu thập các đại lượng phản hồi

1.4. Kết luận
Cùng với sự phát triển của các hệ thống tính toán và xử lý công nghiệp, hệ
điều khiển phân tán với mạng truyền thông kỹ thuật số đã làm cho các hệ thống

sp

và thời điểm truyền các giá trị này,  ;
 Trễ truyền thông từ các cơ cấu đo lường tới bộ điều khiển, scc;
 Trễ tính toán điều khiển trong controller, cp


truyền thông công nghiệp không ngừng được phát triển và các chuẩn truyền thông
khác nhau đã ra đời để đáp ứng yêu cầu trao đổi thông tin giữa các hệ thống con,
các bộ xử lý trong một hệ thống điều khiển phân tán (DCS) thay thế cho phương án

 Trễ truyền thông từ controller tới các cơ cấu chấp hành giữa thời điểm nhận

truyền thông tương tự (analog)....

ap

được lệnh và thời điểm bắt đầu tác động thực tế,  .
Ta có thể nhận thấy ngoài các chậm trễ do quá trình tính toán thực hiện các
luật điều khiển và đo lường của các bộ điều khiển số thông thường còn có các
chậm trễ của quá trình truyền thông gây ra. Sơ đồ mạch vòng điều khiển điển

Tuy nhiên trong các hệ thống điều khiển phân tán sử dụng mạng truyền
thông kỹ thuật số thay thế cho phương pháp truyền thông điểm - điểm truyền thống
xuất hiện trở ngại mới cho việc điều khiển đó là trễ truyền thông các giữa các cơ
cấu đo, cơ cấu chấp hành và bộ điều khiển. Trễ truyền thông này là do việc chia sẻ

hình của hệ điều khiển phân tán như hình 1-11.

chung một phương tiện truyền thông, do thời gian tính toán cần thiết cho việc mã
hoá / giải mã các đại lượng đo và thời gian xử lý truyền thông. Trễ truyền thông có
tính ngẫu nhiên phụ thuộc vào giao thức truyền thông, phần cứng sử dụng và trạng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




20

21

thái của hệ thống mạng truyền thông. Trễ truyền thông làm hạn chế khả năng ứng

CHƢƠNG 2: GIAO THỨC MẠNG VÀ CÁC HỆ THỐNG MẠNG

dụng của các mạng truyền thông kỹ thuật số trong nhiều ứng dụng công nghiệp có

TRONG HỆ ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN

yêu cầu khắt khe về đáp ứng thời gian thực và là trở ngại chính cho sự phát triển
của các hệ thống điều khiển phân tán. Trong khuôn khổ của luận văn này, nguyên
nhân, đặc tính của trễ truyền thông và phân tích ảnh hưởng của nó tới chất lượng
điều khiển được nghiên cứu.

2.1. Hệ thời gian thực và điều khiển thời gian thực
2.1.1. Hệ thời gian thực
Có rất nhiều định nghĩa về một hệ thống thời gian thực, tất cả chúng đều
xoay quanh vấn đề thời gian mà hệ thống phải trả lời khi nhận được các thông tin
đầu vào.
Hệ thời gian thực (Real-Time System) là một hệ thống đòi hỏi phải phản ứng
lại các kích thích của môi trường trong những khoảng thời gian được quy định bởi

môi trường.
Định nghĩa trên đã bao hàm một miền rất rộng các hệ thống, tuy nhiên giá trị
của việc trả lời các tác vụ đúng hạn thời gian của các hệ thống là không như nhau,
có những hệ thống nếu hạn chót về thời gian trả lời các tác vụ là không đạt được thì
có thể dẫn tới cả một thảm hoạ như các hệ thống báo hiệu đường sắt, hệ thồng điều
khiển bay, hệ thống điều khiển phản ứng hạt nhân…, nhưng lại có những hệ thống
khi hạn chót bị bỏ qua nó vẫn hoạt động bình thường, tất nhiên hiệu suất sẽ không
đạt như mong muốn chẳng hạn như hệ thống chuyển mạch điện thoại…
Một hệ thời gian thực được gọi là mềm (Soft Real-Time System) nếu kết quả
của việc hệ thống không đáp ứng đúng thời gian yêu cầu là không nguy hại. Hạn
chót mà hệ thống cần đáp ứng gọi là Soft deadline.
Một hệ thời gian thực được gọi là cứng (Hard Real-Time System) nếu kết
quả của việc hệ thống không đáp ứng đúng thời gian yêu cầu là rất nguy hiểm có thể
dẫn tới thảm hoạ. Hạn chót mà hệ thống cần đáp ứng gọi là Hard deadline.
Như vậy, một hệ thời gian thực là một hệ thống mà sự hoạt động tin cậy của
nó không chỉ phụ thuộc vào sự chính xác của kết quả, mà còn phụ thuộc vào thời
điểm đưa ra kết quả, hệ thống có lỗi khi yêu cầu về thời gian không được thoả mãn.
Tính thời gian thực là khả năng đáp kịp thời và chính xác. Và ta hoàn toàn có thể

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




22


23

định nghĩa như thế nào là kịp thời theo bốn yêu cầu khác nhau, như minh họa trên

người sử dụng mới có cơ sở để đánh giá về khả năng đáp ứng tính thời gian thực

hình 2.1.

của hệ thống.
2.1.2. Điều khiển thời gian thực
Có thể nói, tất các các hệ thống điều khiển là hệ thời gian thực. Ngược lại,
một số lớn các hệ thống thời gian thực là các hệ thống điều khiển. Không có hệ
thống điều khiển nào có thể hoạt động bình thường nếu như nó không đáp ứng được
các yêu cầu về thời gian, bất kể là hệ thống điều khiển nhiệt độ, điều khiển áp suất,
điều khiển lưu lượng hay điều khiển chuyển động. Một bộ điều khiển phải đưa ra
được tín hiệu điều khiển kịp thời sau một thời gian nhận được tín hiệu đo để đưa
quá trình kỹ thuật về trạng thái mong muốn. Một mạng truyền thông trong một hệ

Hình 2-1. Các dạng của tính kịp thời
Một hệ thống thời gian thực có các đặc điểm tiêu biểu sau:
* Tính bị động: Hệ thống phải phản ứng với các sự kiện xuất hiện vào các
thời điểm thường không biết trước. Ví dụ, sự vượt ngưỡng của một giá trị đo, sự
thay đổi trạng thái của một thiết bị quá trình phải dẫn đến các phản ứng trong bộ
điều khiển.
* Tính nhanh nhạy: Hệ thống phải xử lý thông tin một cách nhanh chóng để
có thể đưa ra kết quả phản ứng một cách kịp thời. Tuy tính nhanh nhạy là một đặc
điểm tiêu biểu, nhưng một hệ thống có tính năng thời gian thực không nhất thiết
phải có đáp ứng thật nhanh mà quan trọng hơn là phải có phản ứng kịp thời đối với
các yêu cầu, tác động bên ngoài.
* Tính đồng thời: Hệ thống phải có khả năng phản ứng và xử lý đồng thời

nhiều sự kiện diễn ra. Có thể, cùng một lúc một bộ điều khiển được yêu cầu thực
hiện nhiều vòng điều chỉnh, giám sát ngưỡng giá trị nhiều đầu vào, cảnh giới trạng
thái làm việc của một số động cơ.
* Tính tiền định: Dự đoán trước được thời gian phản ứng tiêu biểu, thời gian
phản ứng chậm nhất cũng như trình tự đưa ra các phản ứng. Nếu một bộ điều khiển
phải xử lý đồng thời nhiều nhiệm vụ, ta phải tham gia quyết định được về trình tự
thực hiện các công việc và đánh giá được thời gian xử lý mỗi công việc. Như vậy

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



thống điều khiển có tính năng thời gian thực phải có khả năng truyền tin một cách
tin cậy và kịp thời đối với các yêu cầu của các bộ điều khiển, các thiết bị vào/ra, các
thiết bị đo và thiết bị chấp hành. Tính năng thời gian thực của một hệ thống điều
khiển phân tán không chỉ phụ thuộc vào tính năng thời gian thực của từng thành
phần trong hệ thống, mà còn phụ thuộc vào sự phối hợp hoạt động giữa các thành
phần đó.
Xử lý thời gian thực là hình thức xử lý thông tin trong một hệ thống để đảm
bảo tính năng thời gian thực của nó. Như vậy, xử lý thời gian thực cũng có các đặc
điểm tiêu biểu nêu trên như tính bị động, tính nhanh nhạy, tính đồng thời và tính
tiền định. Để có thể phản ứng với nhiều sự kiện diễn ra cùng một lúc, một hệ thống
xử lý thời gian thực sử dụng các quá trình tính toán đồng thời.
Quá trình tính toán là một tiến trình thực hiện một hoặc một phần chương
trình tuần tự do hệ điều hành quản lý trên một máy tính, có thể tồn tại đồng thời với
các quá trình khác kể cả trong thời gian thực hiện lệnh và thời gian xếp hàng chờ
đợi thực hiện.
Các hình thức tổ chức các quá trình tính toán đồng thời:
* Xử lý cạnh tranh: Nhiều quá trình tính toán chia sẻ thời gian xử lý thông tin
của một bộ xử lý.


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




24

25

* Xử lý song song: Các quá trình tính toán được phân chia thực hiện song
song trên nhiều bộ xử lý của một máy tính.

Để tổ chức việc thực hiện các tác vụ được hiệu quả, một hệ điều hành thời
gian thực cần các phương pháp lập lịch. Trước hết, cơ chế lập lịch thực hiện cho các

* Xử lý phân tán: Mỗi quá trình tính toán được thực hiện riêng trên một máy

tác vụ có thể được thực hiện theo hai cách:

tính.

* Lập lịnh tĩnh: thứ tự thực hiện các tác vụ không thay đổi mà được xác định

Trong các hình thức trên đây thì hình thức xử lý cạnh tranh có vai trò chủ
chốt. Mặc dù hệ thống điều khiển có thể có nhiều trạm, và mỗi trạm có thể là một hệ

trước khi hệ thống đi vào hoạt động.
* Lập lịnh động: hệ điều hành xác định lịnh sau khi hệ thống đã đi vào hoạt


đa vi xử lý, số lượng các quá trình tính toán cần thực hiện thường bao giờ cũng lớn
hơn số lượng vi xử lý. Trong khi một vi xử lý không thể thực hiện song song nhiều
lệnh, nó phải phân chia thời gian để thực hiện xen kẽ nhiều nhiệm vụ khác nhau

động.
Sau khi xác định được cơ chế lập lịch, hệ điều hành cần sử dụng một sách
lược lập lịnh (strategy) để áp dụng đối với từng tình huống cụ thể. Có thể chọn một

theo thứ tự tùy theo mức ưu tiên và phương pháp lập lịch.
Trong các hệ thống điều khiển, khái niệm tác vụ (task) cũng hay được sử
dụng bên cạnh quá trình tính toán. Có thể nói, tác vụ là một nhiệm vụ xử lý thông
tin trong hệ thống, có thể thực hiện theo cơ chế tuần hoàn (periodic task) hoặc theo
sự kiện (event task). Các dạng tác vụ qui định trong chuẩn IEC 61131-3
(Programmable Controllers – Part3: Programming Languages) được minh họa trên
hình 2-2. Ví dụ, một tác vụ thực hiện nhiệm vụ điều khiển cho một hoặc nhiều mạch
vòng kín có chu kỳ trích mẫu giống nhau. Hoặc, một tác vụ có thể thực hiện nhiệm
vụ điều khiển logic, điều khiển trình tự theo các sự kiện xảy ra. Tác vụ có thể thực
hiện dưới dạng một quá trình tính toán duy nhất, hoặc một dãy các quá trình tính

trong những cách sau:
* FIFO (First In First Out): một tác vụ đến trước sẽ được thực hiện trước.
* Mức ưu tiên cố định/động: tại cùng một thời điểm, các tác vụ được đặt các
mức ưu tiên cố định hoặc có thể thay đổi nếu cần.
* Preemptive: còn gọi là sách lược chen hàng, tức là chọn một tác vụ để thực
hiện trước các tác vụ khác.
* Non-preemptive: còn gọi sách lược không chen hàng. Các tiến trình được
thực hiện bình thường dựa trên mức ưu tiên của chúng.
Việc tính mức ưu tiên của mỗi tiến trình được thực hiện theo một trong số các thuật
toán sau:


toán khác nhau

* Rate monotonic: tác vụ nào càng diễn ra thường xuyên càng được ưu tiên.
* Deadline monotonic: tác vụ nào càng gấp, có thời hạn cuối càng sớm càng
được ưu tiên.
* Least laxity: tác vụ nào có tỷ lệ thời gian tính toán/thời hạn cuối
cùng(deadline) càng lớn càng được ưu tiên.
Trong thực tế, yêu cầu về tính thời gian thực đối với mỗi ứng dụng điều
khiển cũng có các đặc thù khác nhau, mức độ ngặt nghèo khác nhau. Ví dụ, các hệ
thống điều khiển nhúng thường được ứng dụng với các sản phẩm chế tạo hàng loạt,
Hình 2-2. Các kiểu tác vụ theo chuẩn IEC 61131-3

chi phí phần cứng cho từng sản phẩm cần được giảm thiểu, vì vậy dung lượng bộ
nhớ cũng như hiệu năng vi xử lý thường thấp. Hơn nữa, điều khiển nhúng lại là giải

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




26

27

pháp đặc thù trong các ứng dụng nhanh, tiêu biểu là điều khiển chuyển động, dẫn


bất kỳ có thể dễ dàng chia sử cho các thiết bị hoặc ứng dụng khác mà không cần

đến các yêu cầu ngặt nghèo hơn về hiệu suất phần mềm. Trong khi đó, các hệ điều

phải trang bị thêm thiết bị phần cứng cũng như bổ xung các thuật toán truyền tin

khiển công nghiệp như PLC hoặc DCS đặt ra yêu cầu cao về khả năng lập trình và

như trong các hệ điều khiển sử dụng phương pháp truyền thông điểm - điểm truyền

đưa vào vận hành thuận tiện cho các bài toán lớn. Các hệ thống ứng dụng PLC và

thống. Có thể hình dung ưu điểm này trong ví dụ về giá trị của một đại lượng vật lý

DCS cũng thường chậm hơn (ví dụ trong điều khiển các quá trình công nghệ)

cần phải đo và truyền tới một số thiết bị trong hệ điều khiển. Khi đó thay vì phải sử

Nhưng như vậy không có nghĩa là các giải pháp PLC hoặc DCS không phải là các

dụng nhiều sensor hoặc phát triển một thuật toán riêng để truyền thông tin này tới

hệ thời gian thực. Sẽ rất nguy hại khi trong một nhà máy điện nguyên tử hay trong

các thiết bị cần thiết như trong các hệ thống truyền thông điểm - điểm ta chỉ sử dụng

một nhà máy lọc dầu, nếu thuật toán điều khiển mặc dù rất hiện đại nhưng bộ điều

một sensor nối mạng và sử dụng chế độ truyền thông phát hành/thuê bao để truyền


khiển không có khả năng đưa ra kết quả đáp ứng kịp thời vào những thời điểm trích

thông tin tới các thiết bị cần thiết cũng được nối mạng. Mô hình truyền thông

mẫu, hay khi không đưa ra được các quyết định dừng khẩn cấp một cách kịp thời

master/salve có thực hiện truyền thông theo các phương pháp kết nối hồi đáp tuần

trong những tình huống bất thường.

tự (Poll), hỏi đáp đồng thời (Strobe), kết nối nhiều người nhận (Multicast) hoặc là
kết nối chu kỳ. Phương pháp hỏi đáp tuần tự và phương pháp hỏi đáp đồng thời

2.2. Giao thức mạng

thường được sử dụng cho mạng hiện trường và mạng điều khiển. Trong phương

Để đáp ứng yêu cầu của các ứng dụng khác nhau trong những năm vừa qua

pháp hỏi đáp tuần tự trạm master sẽ gửi yêu cầu tới lần lượt từng trạm slave cần lấy

nhiều giao thức mạng đã được đề xuất và dẫn tới sự ra đời của nhiều chuẩn mạng

thông tin cà các trạm slave sẽ thực hiện việc lấy mẫu hoặc lấy dữ liệu lưu giữ trong

truyền thông công nghiệp khác nhau. Tuy nhiên, hầu hết trong số chúng đều được

bộ đếm để gửi cho trạm master theo yêu cầu. Khác với phương pháp hỏi đáp tuần

xây dựng dựa trên chuẩn mô hình 7 lớp ISO/OSI (International Standards


tự, ở phương pháp hỏi đáp đồng thời trạm master gửi yêu cầu tới tất cả các trạm

Organization/Open Systems Interconnection) và sử dụng cùng dạng lược đồ địa chỉ

slave và các trạm slave khi nhận được yêu cầu sẽ ngay lập tức trả lời. Trong trường

đầu/cuối.

hợp này các trạm slave sẽ gửi về trạm master các giá trị đo (hoặc dữ liệu quá trình)

Ví dụ: Giao thức truyền của mạng CAN (Control Area Network) thêm vào
44 bits (với định dạng chuẩn) để ấn định các thông tin liên quan đảm bảo việc

tại cùng thời điểm nhưng việc truyền dữ liệu lên mạng sẽ được dàn xếp bởi giao
thức truyền thông sử dụng.
Điểm khác biệt cơ bản của hệ thống truyền thông sử dụng mạng so với

truyền chính xác và hiệu quả [1], [3].
Ngoài việc điền chính xác địa chỉ cho mỗi thông điệp, giao thức truyền còn
phải định rõ quy tắc truyền để đảm bảo việc truyền chính xác và tránh xung đột.

phương pháp truyền thông điểm - điểm là sử dụng chung phương tiện truyền thông
để truyền tin. Phần chính của giao thức truyền thông là điều khiển truy nhập mạng.

Trên cơ sở giao thức truyền đã lựa chọn, hệ thống mạng có thể hỗ trợ một số

Nhiều phương pháp truy nhập mạng đã được phát triển như CSMA/CD (Carrier

mô hình truyền thông khác nhau như mô hình khách hàng/hệ phục vụ


Sense Multiple Access with Collision Detect), phương pháp chuyển thẻ bài (token

(Client/Server), mô hình chủ/tớ (Master/Slave) và mô hình phát hành/thuê bao

passing), phương pháp CSMA/AMP (Carrier Sense Multiple Access with

(Publisher/Subscriber) để đáp ứng các yêu cầu truyền thông khác nhau. Những mô

Arbitration Message Priority), phương pháp FDMA và phương pháp TDMA. Mỗi

hình truyền thông như vậy cho phép thông tin chứa tại một thiệt bị hoặc ứng dụng

phương pháp có những ưu điểm và nhược điểm riêng. Trong khuôn khổ của luận

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên






28

29

văn này ta sẽ phân tích ba loại mạng được sử dụng phổ biến trong công nghiệp với


CHECKSUM là 64bytes (có nghĩa là khung truy nhập mạng có kích thước tối thiểu

ba phương pháp truy nhập mạng điển hình là CSMA/CD, token passing và

là 72bytes).

CSMA/AMP.

7 bytes

Khởi động quá trình truyền (Preamable)

1 byte

Bắt đầu khung truyền (SFD)

6 bytes

Địa chỉ đích (DA)

ta cũng đồng thời ám chỉ tới phương pháp điều khiển truy nhập mạng CSMA/CD.

6 bytes

Địa chỉ nguồn (SA)

Phương pháp điều khiển truy nhập mạng CSMA/CD quy định mỗi nút mạng phải

2 bytes


Độ dài/dạng (Length/Type)

2.2.1. Phƣơng pháp CSMA/CD
Phương pháp truy nhập mạng được sử dụng trong hệ thống mạng nổi tiếng là
Ethernet được quy định trong tiêu chuẩn IEEE 802.3 và khi nói tới Ethernet người

theo dõi thường xuyên trước khi thực hiện việc truyền tin. Khi phát hiện đường
truyền trở nên sẵn sàng cho việc truyền tin thì lập tức thực hiện việc truyền tin. Một

Dữ liệu (Data)
46.. 1500 bytes

khả năng có thể xảy ra là có hai hoặc nhiều nút mạng cùng thực hiện truyền tin và
nó sẽ sảy ra xung đột và các nút mạng thực hiện truyền tin sẽ phát hiện xung đột
này. Nếu phát hiện ra xung đột các nút mạng sẽ lập tức ngừng việc truyền tin và đợi
trong một khoảng thời gian ngẫu nhiên trước khi thực hiện việc truyền lại. Khoảng

7 bytes

Pad
Checksum

Hình 2-3. Định dạng của khung truy nhập mạng Ethernet

thời gian chờ ngẫu nhiên này được tạo ra bởi thuật toán chờ hàm mũ nhị phân

Có hai lý do để quy định kích thước tối thiểu của khung truy nhập mạng lớn

(BEB-binary exponential backoff) và điều này làm cho trễ truyền thông tạo bởi


như vậy là: 1/ Dễ dàng nhận ra khung truy nhập hợp lệ trong số dữ liệu truyền bao

phương pháp điều khiển truy nhập mạng CSMA/CD mang tính bất định [9], [10].

gồm cả các bits lạc, các mảnh khung truy nhập do bộ truyền/nhận cắt ngắn khi phát

Thuật toán BEB được thực hiện như sau: thời gian đợi được chọn ngẫu nhiên trong

hiện xảy ra xung đột. 2/ Nếu khung truy nhập ngắn có thể xảy ra tình trạng nút

khoảng từ 0 tới (2i-1) lần khoảng thời gian tối thiểu để truyền lại. Ở đây i được

truyền kết thúc truyền (truyền xong hết các bit cần truyền) nhưng bit đầu tiên vẫn

chọn bằng số lần xảy ra xung đột được phát hiện bởi nút mạng đó nếu nó nhỏ hơn

chưa tới được nút đích ở khoảng cách xa và như vậy sẽ không phát hiện được xung

10 hoặc được chọn bằng 10 nếu số lần xảy ra xung đột phát hiện được lớn hơn 10,

đột. Nói cách khác kích thước tối thiểu của khung truy nhập sẽ quy định chiều dài

có nghĩa là mức trên được giới hạn ở 1023. Sau 16 lần xung đột thì sẽ báo lỗi.

tối đa của mạng. Ví dụ với mạng LAN 10Mbps, kích thước mạng tối đa là 2500m

Định dạng của khung truy nhập mạng (MAC frame) theo [9], [10] như trên

và 4 bộ lặp lại (theo [9]) ta có thời gian tín hiệu truyền đi và về hết khoảng 50s
trong trường hợp xấu nhất (bao gồm cả thời gian truyền trong 4 bộ lặp lại) và do


Hình 2-3.
Trên khung truy nhập này ta có thể nhận thấy Ethernet đã thêm vào 26 bytes

vậy khung truyền tối thiểu phải là 500bits (ở tốc độ 10Mbps mỗi bit chiếm 100ns).

thông tin điều khiển truyền thông. Gói dữ liệu có kích thước tối thiểu là 46bytes và

Thực tế để an toàn người ta lấy 512bytes hay 64bytes. Các khung truyền với dữ liệu

tối đa là 1500bytes. Sở dĩ phải quy định kích thước tối thiểu cho gói dữ liệu là do

nhỏ phải được thêm vào để đạt giá trị tối thiểu 64bytes từ địa chỉ đích tới

khung truy nhập mạng bị quy định kích thước tối thiểu tính từ địa chỉ đích tới

CHECKSUM. Với mạng có tốc độ cao, 1Gbps để hoạt động được ở khoảng cách
2500m cần phải có khung truyền với kích thước tối thiểu là 6400bytes và thực tế

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




30


31

người ta chấp nhận khoảng cách 250m với kích thước khung truyền 640bytes. Đây

Để làm được điều này ta tìm cách gắn vào mỗi thông điệp truyền trên mạng một

cũng chính là lý do các mạng điều khiển thường sử dụng mạng tốc độ 10Mbps.

tem thời gian (time-stamp) trước khi gửi và đương nhiên phương án đòi hỏi phải

Ưu điểm nổi bật của CSMA/CD là thuật toán hoạt động của mạng đơn giản

đồng bộ hoá đồng hồ thời gian thực của các nút mạng. Để cải thiện thời gian đáp

và trễ truyền thông nhỏ khi lưu lượng truyền trên mạng thấp. So sánh với phương

ứng đối với các thông điệp quan trọng một số mạng có bổ xung thêm mức ưu tiên

pháp chuyển thẻ bài thì CSMA/CD sử dụng ít băng thông cho việc truy nhập mạng.

vào giao thức CSMA/CD (ví dụ như LonWork).

Các mạng điều khiển thường sử dụng Ethernet với tốc độ 10Mbps (như

2.2.2. Phƣơng pháp chuyển thẻ bài (Token passing)

Modbus/TCP). Ở các tốc độ cao hơn (100Mbps, 1Gbps và 10Gbps) Ethernet thường

Phương pháp truy nhập bằng thẻ bài được quy định trong tiêu chuẩn IEEE


được sử dụng trong mạng dữ liệu nhưng cũng vẫn được sử dụng cho điều khiển. Để

802.4 cho phép các cấu trúc mạng hình bus, hình cây, đa điểm hoặc phân đoạn.

khắc phục ảnh hưởng của khoảng cách người ta phân chia hệ thống mạng bằng các

Mạnh hình vòng sử dụng phương pháp truyền thẻ bài (token ring) được quy định

switch để tránh khả năng xảy ra xung đột.

trong tiêu chuẩn IEEE 802.5. Mạng sử dụng phương pháp truy nhập dùng thẻ bài có

Nhược điểm của CSMA/CD tính bất định của trễ truyền thông và không hỗ

tính tiền định cao hơn Ethernet. Thời gian đợi để truyền thông điệp tối đa là bằng

trợ việc phân quyền ưu tiên cho các thông điệp. Khi lưu lượng truyền thông lớn hiện

thời gian quay vòng của thẻ bài. Một số mạng điển hình sử dụng phương pháp truy

tượng xung đột xảy ra thường xuyên hơn và nó dẫn tới làm tăng trễ truyền thông,

nhập bằng thẻ bài là MAP, PROFIBUS, ControlNet,…Trong giao thức sử dụng

giảm khả năng thông qua của mạng. Bởi vì CSMA/CD cho phép 1 nút thực hiện

phương pháp truy nhập dùng thẻ bài các nút mạng được quy định một cách logic

việc truyền các gói tin một cách riêng biệt trong khoảng thời gian dài bất chấp các


thành vòng tròn. Chỉ nút mạng đang giữ thẻ bài mới được quyền thực hiện việc

nút mạng khác đang đợi truy nhập mạng nên nó thường gây ra sự giảm hiệu năng

truyền tin và nó được phép truyền tin cho tới khi hết dữ liệu cần truyền hoặc hết

của toàn hệ thống. Việc sử dụng thuật toán BEB chuẩn không có sự đảm bảo truyền

thời gian nắm giữ thẻ bài. Khi hết thời hạn truyền tin (hết dữ liệu hoặc hết thời gian

thông do thông điệp có thể bị bỏ qua sau một số lần xung đột. Nhược điểm nữa của

giữ thẻ bài) nút mạng sẽ tạo ra một thẻ bài và chuyển cho nút mạng tiếp theo. Hiện

Ethernet là yêu cầu đảm bảo kích thước dữ liệu tối thiểu nên khi dữ liệu cần truyền

tượng xung đột của các khung dữ liệu không xảy ra vì tại một thời điểm chỉ có một

có kích thước nhỏ ta cần phải sử dụng các thông điệp có kích thước lớn làm giảm

nút mạng thực hiệc việc truyền tin. Trong phương pháp truy nhập mạng này cũng đã

hiệu quả truyền thông.

tính tới trường hợp lỗi khi nút mạng giữ thẻ bài vì lý do nào đó dừng truyền tin và

Một vài giải pháp đã được đề xuất nhằm cải thiện khả năng ứng dụng của

không chuyển thẻ bài cho nút tiếp theo.


Ethernet cho các ứng dụng điều khiển. Hướng thứ nhất là sử dụng các switch thông

Định dạng khung truy nhập mạng của ControlNet như trên Hình 2-4. Tổng

minh để phân chia kiến trúc của hệ thống mạng nhằm nâng cao hiệu quả truyền

cộng các thông tin thêm vào là 7 bytes, bao gồm khởi động quá trình truyền, bắt đầu

thông, giảm xung đột [10]. Hướng thứ hai là giảm tính bất định của trễ truyền thông

khung truyền, MAC ID nguồn, CRC (cylic redundancy check) và kết thúc khung

bằng cách khống chế trễ truyền lại của các gói tin bị xung đột. Tuy nhiên để thực

truyền.

hiện việc này lại dẫn tới hệ số sử dụng đường truyền thấp và trễ truyền thông trung
bình lớn hơn mức bình thường. Một số ứng dụng điều khiển đòi hỏi biết được thời
điểm lấy mẫu của các dữ liệu hoặc là đánh giá trễ truyền thông của mỗi thông điệp.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




32


33

thống mạng sẽ có giá trị thanhghi thẻ bài như nhau và như vậy sẽ ngăn chặn được
2 bytes

Khởi động quá trình truyền (Preamable)

1 byte

Bắt đầu khung truyền (SFD)

1 byte

Địa chỉ nguồn (Source MAC ID)

0..510 bytes

LPacke
t
LPacke
t

7 bytes

LPacke
t
CRC

xung đột.

Chu kỳ quay vòng thẻ bài là thời gian quay vòng thẻ bài và được ký hiệu là
TRT (Token Rotation Time). Chu kỳ quay vòng thẻ bài được phân chia thành ba
Size
Control
Tag
Data

1 byte
1 byte
2 bytes hoặc
hơn
0…506 bytes

phần chính: được lập lịch, không lập lịch và guardband. Trong phần được lập lịch
mỗi nút mạng có thể truyền các dữ liệu được lập lịch truyền sẵn hoặc các dữ liệu
khẩn cấp. Phần không lập lịch dùng để truyền các dữ liệu không khẩn cấp và các
nút mạng có MAC ID từ 0 tới U chia sẻ cơ hội truyền tin này theo cách luân chuyển
cho tới khi thời gian dành cho phần không lập lịch kết thúc. Tại khoảng thời gian

Kết thúc khung truyền (ED)

cho guardband, tất cả các nút mạng sẽ dừng truyền tin và chỉ nút mạng điều tiết (nút

Hình 2-4. Định dạng khung truy nhập mạng của ControlNet

mạng có MAC ID thấp nhất) có thể truyền các thông điệp điều tiết để đồng bộ hoá

Phần dữ liệu của khung truy nhập mạng có thể bao gồm một vài gói dữ liệu.

tất cả các bộ định thời trong mỗi nút mạng và truyền các tham số quan trọng như


Mỗi gói dữ liệu bao gồm các trường như: kích thước, điều khiển, thẻ địa chỉ (tag) và

TRS,S,U,…

dữ liệu. Kích thước tổng cộng của các gói dữ liệu là từ 0 tới 510bytes.
Thẻ địa chỉ dùng để ghi địa chỉ đích truyền. Trường kích thước ghi số lượng

Trên hình 2-5 mô tả chi tiết sơ đồ thời gian của chu kỳ quay vòng thẻ bài
TRT.
Thời gian

từ (word, 2bytes) chứa trong mỗi gói dữ liệu bao gồm cả bản thân trường kích
trường kích thước sẽ là từ 3 tới 255.
Trong giao thức mạng sử dụng phương pháp chuyển thẻ bài mỗi nút mạng
được ấn định một địa chỉ truy nhập duy nhất gọi là MAC ID. Như đã nói ở trên, nút

TRT

TRT

thước, trường điều khiển, trường thẻ địa chỉ và trường dữ liệu. Như vậy giá trị trong
0

0

1
2

1

2

mạng nào đang giữ thẻ bài sẽ được phép truyền dữ liệu và khi kết thúc thẻ bài sẽ
được chuyển cho nút mạng khác. Tuy nhiên không có thẻ bài thực nào được truyền

S

trên mạng mà thay vào đó cơ chế chuyển thẻ bài được thực hiện bằng cách giám sát

8

MAC ID nguồn của mỗi thông điệp nhận được để chuyển “thẻ bài ẩn” (implicit
token) giữa các nút mạng. Tại thời điểm kết thúc của thông điệp, mỗi nút mạng sẽ
thực hiện việc đặt thanh ghi thẻ bài bằng với MAC ID nguồn cộng với 1. Nếu giá trị
của thanh ghi bằng với MAC ID của nút mạng thì bắt đầu thực hiện việc truyền dữ
liệu. Nếu không có dữ liệu cần truyền nó sẽ thực hiện việc truyền thông điệp với dữ
liệu trống hay còn gọi là khung dữ liệu “không”. Tất cả các nút mạng trong một hệ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



S

7

10
U

Lập lịch


9

Không lập
lịch
Guardband

U
Lập lịch

Không lập
lịch
Guardband

Hình 2-5. Sơ đồ thời gian của chu kỳ quay vòng thẻ bài TRT

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




34

35

Ưu điểm của phương pháp điều khiển truy nhập bằng thẻ bài là mạng hoạt
động tốt và hiệu quả ngay cả khi tải mạng lớn. Với token bus ta có thể thêm hoặc

khác trong mạng nhận thông điệp và có thể lấy dữ liệu hoặc bỏ qua phụ thuộc vào
cấu hình của các bộ lọc sử dụng trong khâu nhận dạng.


bớt nút mạng ngay cả khi mạng đang hoạt động và đây là ưu điểm nổi trội của token

Định dạng khung truy nhập mạng của mạng CAN bao gồm các trường: khởi

bus so với mạng token ring. Bằng việc phân chia chu kỳ truyền thành các phân đoạn

động khung truy nhập, trường phân xử, trường điều khiển , trường dữ liệu, trường

lập lịch và không lập lịch, ControlNet (một giao thức mạng sử dụng phương pháp

kiểm tra CRC, trường xác nhận (ACK), trường kết thúc khung truy nhập (EOF) và

chuyển thẻ bài) thích hợp cả các thông điệp khẩn cấp và không khẩn cấp.

khoảng ngừng (INT) [1] [3] [8]. CAN hỗ trợ hai định dạng cho trường phân xử là

Nhược điểm của phương pháp điều khiển truy nhập mạng dùng thẻ bài là khi

trường phân xử với mã căn cước (Identifies) 11-bit và trường phân xử với mã căn

số lượng nút mạng lớn, tải mạng nhỏ thì phần lớn thời gian chỉ dùng để chuyển thẻ

cước 29-bit tương ứng với hai định dạng chuẩn (Standard format) và định dạng mở

bài giữa các nút mạng.

rộng (Extended format). Thứ tự và kích thước các trường trong khung truy nhập của

2.2.3. Phƣơng pháp CSMA/AMP (CAN)


mạng CAN như trên Hình 2-6.

Phương pháp truy nhập mạng CSMA/AMP hay CSMA/CA (Carrier Sense
Khung truy nhập mạng (khung thông điệp)

Multiple Access with Collision Arbitration) được sử dụng cho mạng CAN. Trong
phương pháp truy nhập mạng CSMA/AMP mỗi thông điệp sẽ được ấn định một

Mạng
sẵn sàng

Trường
Điều khiển

Trường phân xử

Trường dữ liệu

Trường CRC

ACK

EOF

INT

Mạng
sẵn sàng


mức độ ưu tiên dùng để phân xử lý truy nhập mạng khi nhiều nút mạng cùng tiến
hành việc truy nhập và truyền dữ liệu một lúc. Chuỗi bít truyền được đồng bộ hoá

Mã căn cước (Indentifier)

bằng bít khởi động và mã căn cước (dùng để phân xử tranh chấp). Việc phân xử

DLC

Dữ liệu (0..8 Bytes

15 Bits

RTR

SOF

Phân định CRC

tranh chấp được thực hiện theo nguyên tắc logic “0” lấn át logic “1”. Một nút mạng

ACK slot
Phân định ACK

muốn truyền tin sẽ đợi cho tới khi mạng rỗi và bắt đầu truyền mã nhận dạng của

a. Định dạng truy nhập mạng

mình từng bít một. Nếu hai hoặc nhiều nút mạng cùng truyền thông điệp tại cùng


Trường điều khiển

Trường phân xử

Trường dữ liệu

nó sẽ mất quyền truyền thông và lập tức ngừng việc truyền tin lại còn nút mạng kia

SOF

r0

Mã căn cước 11 bits

IDE

tới khi một nút mạng nghe được bít trên mạng khác với bít mà nó đã gửi ra. Khi đó

RTR

một thời điểm thì chúng sẽ tiếp tục gửi thông điệp lên mạng đồng thời nghe mạng
DLC3

DLC2

DLC1

DLC0

Dữ liệu (0..8 Bytes)


vẫn tiếp tục truyền dữ liệu. Như vậy theo nguyên tắc phân xử tranh chấp nêu trên,

b. Định dạng trường phân xử và điều khiển của mạng CAN chuẩn (Standard CAN)

thông điệp có mã nhận dạng càng thấp sẽ có mức ưu tiên càng cao.

Trường phân xử

Trường điều khiển

Trường dữ liệu

bao gồm địa chỉ của đích hoặc nguồn mà thay vào đó mỗi thông điệp sẽ được dán

Mã căn cước
11 bits

Mã căn cước
mở rộng 18 bits

RTR
r1
r0

SOF

SRR
IDE


Trong mạng CAN, dữ liệu được truyền và nhận sử dụng khung truyền mang
dữ liệu từ nút truyền tới một hoặc nhiều nút nhận. Dữ liệu truyền không cần thiết

DLC3

DLC2

DLC1

DLC0

Dữ liệu (0..8 Bytes)

c. Định dạng trường phân xử và điều khiển của mạng CAN mở rộng (Extended CAN)

nhãn bởi bộ nhận dạng mà nó là duy nhất trong toàn mạng. Tất cả các nút mạng
Hình 2-6. Định dạng khung truy nhập mạng CAN

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




36

37


Nhiều giao thức mạng đã được phát triển trên nền mạng CAN như CanOpen,
DeviceNet, CiCAN, TechnoCAN,…

PROFIBUS –PA, PROFIBUS-FMS, PROFInet và PROFIBUS-DP nhưng phiên bản
sử dụng trong điều khiển phổ biến là PROFIBUS-DP.

Ưu điểm của mạng CAN là cho phép thiết lập mức ưu tiên thông qua trường
phân xử.Các thông điệp có mức ưu tiên cao hơn luôn giành được quyền truy nhập
mạng khi phân xử và do vậy các thông điệp có quyền ưu tiên cao hơn có trễ truyền
thông ít tính bất định hơn và có sự đảm bảo truyền tin cao hơn. Với các thông điệp
ngắn (từ 8 bytes trở xuống) mạng CAN có hiệu quả truyền tin cao do nó được thiết
kế tối ưu cho việc truyền các thông điệp ngắn.
Nhược điểm của mạng CAN khi so sánh với các mạng khác là tốc độ thấp
(hiện tại tối đa là 1Mbps) nên khả năng thông qua của mạng thấp so với các mạng
khác. Yêu cầu đồng bộ hoá bit truyền của giao thức CAN cũng giới hạn chiều dài
Hình 2-7. Cấu hình Multi-Master trong PROFIBUS

tối đa của mạng. Mặc dù CAN cũng cho phép phân mảnh đối với các dữ liệu có
kích thước lớn hơn 8 bytes nhưng hiệu quả truyền tin của CAN là thấp so với các

Khi Sử dụng kết hợp hai phương pháp truy nhập bus như hình 2-7, nhiều
trạm tích cực có thể tham gia giữ Token. Một trạm tích cực nhận được Token sẽ

mạng khác khi các thông điệp có kích thước lớn.

đóng vai trò là chủ để kiểm soát việc giao tiếp với các trạm tớ (slave), nó có thể

2.3. Một số hệ thống bus tiêu biểu sử dụng trong hệ DCS


quản lý hoặc có thể tự do giao tiếp với các trạm tích cực khác trong mạng.
Chính vì nhiều trạm tích cực có thể đóng vai trò là chủ, cấu hình truy nhập

2.3.1. PROFIBUS
PROFIBUS (Process Field Bus) là một hệ thống bus trường được xây dựng

bus kết hợp giữa Token-Passing và Master/Slave còn được gọi là nhiều chủ (Multi-

bởi dự án hợp tác nghiên cứu của 13 công ty và 5 viện nghiên cứu do Bộ công nghệ

Master). Thời gian vòng lặp tối đa để một trạm tích cực lại nhận được Token có thể

và nghiên cứu CHLB Đức chủ trì từ năm 1987. Mục tiêu của dự án là phát triển một

chỉnh được bằng tham số. Khoảng thời gian này chính là cơ sở cho việc tính toán

mạng truyền thông kỹ thuật số để thay thế cho truyền thông tương tự (analog) 4-

chu kỳ thời gian của cả hệ thống.

20mA trong điều khiển quá trình công nghiệp. PROFIBUS định nghĩa các đặc tính
của một hệ thống bus cho phép kết nối nhiều thiết bị khác nhau, từ các thiết bị

2.3.1.1. PROFIBUS DP
Là giao diện chuẩn để trao đổi dữ liệu giữa các trạm điều khiển (dùng PLC,

trường cho tới vào/ra phân tán, các thiết bị điều khiển và giám sát.

DP master) và các thiết bị hiện trường (DP slave). Hình 2-8 là ví dụ về một hệ


PROFIBUS sử dụng phương pháp điều khiển truy nhập bus bằng thẻ bài
(Token-Passing) và Master-Slave. PROFIBUS sử dụng môi trường truyền dẫn là

thống mạng dùng PROFIBUS DP. Tốc độ tối đa của PROFIBUS DP là
12Mbit/giây.

cáp xoắn hoặc cáp quang, có thể kết nối 124 nút mạng trong một phân đoạn mạng,
tốc độ tối đa có thể đạt được là 12Mbps. PROFIBUS có nhiều phiên bản như

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên