Giáo trình Hệ thống sản xuất tự động hóa với PLCs

28. NETWORKING

Lấy mô tả AB ethernet cho lệnh MSG

Làm sạch các tài liệu internet

Chủ đề:

 Mạng: mô hình mạng, mô hình OSI, phần cứng và các vấn đề thiết kế

 Các kiểu mạng: Devicenet, CAN bus, Controlnet, Ethernet, and DH+

 Trường hợp thiết kế

Mục tiêu:

 Hiểu được các kiểu mạng và các vấn đề có liên quan

 Có khả năng làm mạng bằng cách dùng Devicenet, Ethernet and DH+

28.1 GIỚI THIỆU

Một máy tính với một giao diện mạng đơn lẻ có thể giao tiếp với nhiều máy tính

khác. Kinh tế và độ mềm dẻo này đã làm các mạng có sự lựa chọn giao diện, các

phương pháp che lấp điểm-tới-điểm như là RS-232. Các lợi thế điển hình của các

mạng bao gồm chia sẻ tài nguyên và dễ dàng truyền thông. Nhưng, các mạng yêu cầu

nhiều kiến thức và hiểu biết hơn.

Các mạng nhỏ thường được gọi là Local Area Networks (LANs) – Mạng nội bộ.

Chúng có thể kết nối hàng trăm máy tính với khoảng cách hàng trăm mét. Các mạng

này là không đắt, thường giá là 100$ hay nhỏ hơn trên một nút mạng. Dữ liệu có thể

được truyền tại các tốc độ hàng triệu bit một giây. Nhiều hệ điều khiển đang dùng

các mạng để giao tiếp với các bộ điều khiển và các máy tính khác. Các ứng dụng điển

hình bao gồm:

 Thực hiện các đọc chất lượng với một PLC và gửi dữ liệu tới một máy tính cơ

sở dữ liệu nào đó.

 Phân phối các cách thực hiện hay các chế độ đặc biệt cho thiết bị xử lý theo

loạt.

 Giám sát thiết bị từ xa.

Các mạng lớn hơn Wide Area Networks (WANs) – Mạng diện rộng được dùng để

giao tiếp qua các khoảng cách lớn giữa các LAN. Đây là những điều không bình

thường trong các ứng dụng điều khiển, nhưng có thể được cần đến cho một quá

trình phạm vi rất lớn. Một ví dụ có thể là một hệ điều khiển ống dầu mà hệ này trải

dài hàng ngàn dặm Anh.

28.1.1 Hình thái

Cấu trúc của một mạng được gọi là hình thái. Hình 28.1 chỉ ra các hình thái

mạng cơ bản. Các hình thái Buýt và Ring (Vòng) cả hai đều chia sẻ cùng một dây

mạng. Trong cấu hình Star (Sao) mỗi máy tính có một dây đơn lẻ mà dây này nối nó

tới một bộ chia (hub) trung tâm.

Figure 28.1 Network Topologies – Các hình thái mạng

Trong các hình thái buýt và vòng điều khiển mạng được phân bổ giữa tất cả các

máy tính trên mạng này. Dây này chỉ dùng một vòng đơn lẻ hay dây liên tục. Nhưng,

bởi vì chỉ có một dây, mạng này sẽ chậm xuống một cách đáng kể khi sự giao thông

gia tăng. Điều này cũng yêu cầu các giao diện mạng phức tạp hơn mà chúng có thể

xác định khi một máy tính được cho phép truyền các thông điệp. Cũng có thể được

cho bài toán trên các dây mạng để dừng toàn bộ mạng.

Hình thái Star yêu cầu nhiều dây trong tổng số để kết nối mỗi máy tính tới một

bộ chia thông minh. Nhưng, các giao diện (card) mạng trong máy tính này trở nên

đơn giản hơn, và mạng này trở nên tin cậy hơn. Một giới hạn thông dụng được dùng

mà nó là xác định, điều này có nghĩa là hiệu suất có thể được biết trước. Điều này có

thể là quan trọng trong các ứng dụng quan trọng.

Đối với một môi trường nhà máy hình thái buýt là thông dụng. Số lượng lớn của

các dây yêu cầu cho một cấu hình sao có thể là đắt và gây nhầm lẫn. Các vòng dây

yêu cầu một hình thái vòng cũng là khó để kết nối, và nó có thể dẫn tới các vấn đề

mạch nối đất. Hình 28.2 chỉ ra một hình thái cây mà nó được xây dựng từ các mạng

buýt nhỏ hơn. Các bộ nhắc lại (repeater) được dùng để gia tăng độ mạnh tín hiệu và

cho phép mạng trở nên lớn hơn.

Figure 28.2 The Tree Topology – Hình thái cây

28.1.2 Mô hình mạng OSI

Mô hình Open System Interconnection (OSI) – Liên kết nối hệ mở trong hình

28.3 đã được phát triển như một công cụ để mô tả các phần cứng và mềm khác nhau

được tìm thấy trong một hệ mạng nào đó. Nó rất hữu ích cho các mục đích giáo dục,

và giải thích các thứ mà chúng phải xảy ra cho một ứng dụng mạng thành công. Mô

hình này bao gồm bảy mức, với phần cứng ở dưới cùng, và phần mềm ở đỉnh. Các

mũi tên được làm tối chỉ ra một thông điệp ban đầu trong một chương trình ứng

dụng trong máy tính #1 phải đi qua tất cả các lớp trong cả hai máy tính để tới tầng

ứng dụng trong máy tính #2. Điều này có thể là một phần của quá trình của việc đọc

thư điện tử.

Application – Ứng dụng – Đây là phần mềm mức cao trên máy tính.

Presentation – Trình diễn – Diễn dịch các yêu cầu ứng dụng vào các thao tác

mạng.

Session – Phiên – Điều này làm việc với các tương tác giữa các máy tính.

Transport – Chuyển vận – Chia nhỏ và kết hợp lại dữ liệu thành các gói nhỏ.

Network – Mạng - Các địa chỉ mạng và tìm đường được thêm để làm khung.

Data Link – Liên kết dữ liệu – Mã hóa cho nhiều bit, bao gồm sửa lỗi được

thêm vào một khung.

Physical – Vật lý – Điện thế và định giờ cho một bit đơn lẻ trong một khung.

Interconnecting Medium – Liên kết nối trung bình – Không phải là thành

phần của chuẩn này, các dây hay truyền tải trung bình của mạng.

Figure 28.3 The OSI Network Model – Mô hình mạng OSI

Mức vật lý mô tả các mục như là các mức điện áp và định thời cho truyền các

bit đơn lẻ. Lớp Data Link làm việc với gửi một số lượng nhỏ dữ liệu, như là một byte,

hay sửa lỗi. Cùng với nhau, hai lớp này sẽ mô tả byte nối tiếp được chỉ ra trong

chương trước. Lớp Network xác định chuyển thông điệp qua mạng như thế nào. Nếu

điều này là cho một kết nối internet tầng này sẽ là chịu trách nhiệm cho thêm các địa

chỉ mạng thích hợp. Tầng Transport sẽ chia các mẩu nhỏ dữ liệu thành các gói nhỏ

hơn, hay kết hợp chúng lại thành một mẩu lớn hơn. Lớp này cũng kiểm tra cho toàn

vẹn dữ liệu, thường là một kiểm tra tổng. Lớp Session sẽ làm việc với các vấn đề mà

chúng vượt quá một khối đơn lẻ của dữ liệu. Đặc biệt nó làm việc với các truyền lại

nếu nó bị ngắt hay bị hỏng. Tầng Session sẽ thường làm các kết nối lâu tới máy ở xa.

Tầng Presentation hoạt động như một giao diện ứng dụng để cú pháp, các định dạng

và các mã là vững bền giữa hai máy tính được nối mạng. Ví dụ nó có thể chuyển ‘\’

sang ‘/’ trong các tệp HTML. Tầng này cũng cung cấp các chương trình con mà người

dùng có thể gọi để truy cập các chức năng mạng, và thực thi các hàm như là mã hóa

và nén. Mức Application là nơi chương trình người dùng cư trú. Trên một máy tính

điều này có thể là một trình duyệt mạng, hay một chương trình logic bậc thang trên

một PLC.

Hầu hết các sản phẩm có thể được mô tả với chỉ một cặp nào đó của các lớp.

Một vài sản phẩm mạng có thể bỏ qua các lớp trong mô hình này.

28.1.3 Phần cứng cho mạng

Sau đây là một mô tả của hầu hết các phần cứng mà sẽ được cần đến trong

thiết kế các mạng.



Máy tính (hay thiết bị cho phép nối mạng)

Phần cứng giao diện mạng – Giao diện mạng có thể đã được làm trong

máy tính/PLC/cảm biến/v.v... Chúng có thể có giá 15$ đến hơn $1000.

Phương tiện – Kết nối mạng vật lý giữa các nút mạng.



-

10baseT (cặp xoắn đôi) là thông dụng nhất. Nó là một cặp của

các dây đồng xoắn kết thúc bởi một bộ kết nối RJ-45.

10baseF (dây mỏng) là cáp đồng trục bọc mỏng với các bộ kết

nối BNC.

10baseF (sợi quang) là đắt, nhưng các thuộc tính truyền tín hiệu

và ồn là rất tốt.



Các bộ nhắc lại (Mức vật lý) – Các cái này chấp nhận các tín hiệu và

truyền lại chúng để các mạng dài hơn có thể được xây dựng.

Bộ chia/Bộ tập trung – Một điểm kết nối trung tâm mà các dây mạng sẽ

được kết nối tới. Nó sẽ truyền các gói mạng tới các máy tính địa

phương, hay tới các mạng từ xa nếu chúng có sẵn.



Bộ định tuyến (Tầng mạng) – Sẽ cô lập các mạng khác nhau, nhưng

chuyển hướng lưu lượng sang các mạng LAN khác.

Bắc cầu (Tầng Data Link) - Chúng là các thiết bị thông minh mà chúng có

thể chuyển dữ liệu trên một loại của mạng, sang dữ liệu trên một loại

mạng khác. Điều này cũng có thể được dùng để cô lập hai mạng.

Cổng giao tiếp (Tầng ứng dụng) – Một cổng giao tiếp là một máy tính

đầy đủ mà nó sẽ chuyển hướng lưu lượng tới các mạng khác nhau, và

có thể là các gói màn hình. Chúng thường được dùng cho tạo các tường

lửa cho an ninh.



Hình 28.4 chỉ ra mô hình OSI cơ bản tương ứng với một vài phần cứng mạng

được mô tả trước đây.

Figure 28.4 Network Devices and the OSI Model – Các thiết bị mạng và mô hình OSI

Figure 28.5 The OSI Network Model with a Router

Mô hình mạng OSI với một bộ định tuyến

28.1.4 Những vấn đề điều khiển mạng

Một số lượng lớn các mạng khác nhau có sẵn cho thương mại, và mỗi chúng có

các điểm mạnh và các điểm yếu. Các khác nhau này nảy sinh từ các thiết kế cơ bản

của chúng, Một vấn đề đơn giản là sự sử dụng mạng để chuyển điện tới các nút. Một

vài mạng điều khiển cũng sẽ cấp đủ điện để điều khiển một vài cảm biến và các thiết

bị đơn giản. Điều này có thể loại bỏ nhiều nguồn cấp điện, nhưng nó có thể làm giảm

tốc độ truyền dữ liệu trên mạng. Việc sử dụng của các mắc rẽ hay mắc hình chữ T để

kết nối cáp mạng cũng là quan trọng. Một vài nhánh rẽ hay chữ T là các kết nối điện

thụ động đơn giản, nhưng các mạch hình chữ T chủ động phức tạp khác mà chúng là

đắt hơn, nhưng cho phép các mạng dài hơn.

Kiểu truyền xác định tốc độ truyền thông và miễn dịch tiếng ồn. Phương pháp

truyền đơn giản nhất là tần số phát sóng, ở đó các điện thế được tắt và bật cho các

trạng thái bit tín hiệu. Phương pháp này là chủ đề cho ồn, và phải làm việc tại các tốc

độ thấp hơn. RS-232 là một ví dụ của truyền tần số. Truyền tần số sóng mang dùng

FSK (Frequency Shift Keying – Khóa dịch chuyển tần số) mà nó sẽ chuyển mạch một

tín hiệu giữa hai tần số để chỉ thị một bit đúng hay sai. Kỹ thuật này là rất giống với

FM (Frequency Modulation – Tần số điều chế) vô tuyến ở đó tần số này của các sóng

âm thanh được truyền bằng cách thay đổi tần số của một tần số mang khoảng 100

MHz. Phương pháp này cho phép các tốc độ truyền cao hơn, với giảm các ảnh hưởng

của ồn. Các mạng băng tần rộng truyền dữ liệu qua nhiều kênh bằng cách dùng nhiều

tần số sóng mang trên cùng một dây (điện). Điều này tương tự với gửi nhiều kênh

truyền hình cáp trên cùng một dây. Các mạng này có thể đạt được các tốc độ truyền

rất lớn, và cũng có thể được dùng để đảm bảo truy cập mạng thời gian thực.

Hình thái mạng buýt chỉ dùng một dây truyền đơn lẻ cho tất cả các nút. Nếu tất

cả các nút này quyết định gửi các thông điệp một cách đồng thời, các thông điệp này

sẽ bị hỏng (một va chạm xuất hiện). Có nhiều phương pháp khác nhau để làm việc

với các va chạm mạng, và phân xử.

CSMA/CD (Collision Sense Multiple Access/Collision Detection) – nếu hai nút

bắt đầu nói chuyện và phát hiện một xung đột thì chúng sẽ dừng, đợi trong

một thời gian ngẫu nhiên, và sau đó bắt đầu lại.

CSMA/BA (Collision Sense Multiple Access/Bitwise Arbitration) – nếu hai nút

bắt đầu nói chuyện tại cùng một thời điểm chúng sẽ dừng và sử dụng các địa

chỉ nút của chúng để xác định cái nào đi đầu tiên.

Master-Slave – một thiết bị trên mạng này là chủ và chỉ có nó được phép bắt

đầu giao tiếp. Các thiết bị tớ sẽ chỉ trả lời tới yêu cầu từ chủ.

Token Passing – một mã thông báo, hay một chấp nhận cho nói chuyện,

được truyền nối tiếp xung quanh một mạng để chỉ một trạm được phép nói

chuyện tại một thời điểm.

Phương pháp truyền mã thông báo là xác định, nhưng nó có thể yêu cầu rằng

một nút với một thông điệp khẩn cấp đợi cho nhận mã thông báo này. Phương pháp

master-slave sẽ đặt một máy đơn lẻ trong nhiệm vụ gửi và nhận. Điều này có thể

được hạn chế nếu nhiều bộ điều khiển là tồn tại trên cùng một mạng. Các phương

pháp CSMA/CD và CSMA/BA với cả hai đều sẽ cho phép các nút nói chuyện khi cần

đến. Nhưng, khi số lượng của xung đột là gia tăng hiệu suất mạng này giảm xuống

nhanh chóng.

28.2 NETWORK STANDARDS

Các loại buýt được liệt kê ở dưới:

Các loại buýt mức thấp – có các giao thức mức thấp mà các mạng khác được

xây dựng trên đó. RS-485, Bitbus, CAN bus, Lonworks, Arcnet

Các loại buýt mở thông dụng – có các loại mạng hoàn chỉnh với các chuẩn

được công bố đầy đủ. ASI, Devicenet, Interbus-S, Profibus, Smart Distributed

System (SDS), Seriplex.

Các loại buýt đặc trưng – có các buýt mà chúng là độc quyền. Genius I/O,

Sensoplex

28.2.1 Devicenet

Devicenet đã trở thành một trong số các mạng điều khiển được hỗ trợ rộng rãi

nhất. Nó là một chuẩn mở, vì thế các thành phần từ một số lượng khác nhau của các

nhà sản xuất có thể được dùng cùng nhau trong cùng một hệ điều khiển. Nó được hỗ

trợ và được thúc đẩy bởi Open Devicenet Vendors Association (ODVA) (xem

http://www.odva.org). Nhóm này bao gồm các thành viên từ tất cả các nhà sản xuất

điều khiển chính.

Mạng này đã được thiết kế chống lại ồn và mạnh mẽ. Một thay đổi chính cho kỹ

sư điều khiển là sát xi (khung gầm) PLC này có thể được loại trừ và mạng này có thể

được kết nối trực tiếp tới các cảm biến và các bộ truyền động. Điều này giảm tổng số

của dây bằng cách chuyển các điểm vào ra gần hơn tới điểm ứng dụng. Điều này

cũng có thể đơn giản sự kết nối của các thiết bị phức tạp, như các HMI. Hai cách

truyền thông các đầu vào và các đầu ra cho phép chẩn đoán các vấn đề mạng từ bộ

điều khiển chính.

Devicenet bao gồm tất cả bảy lớp của chuẩn OSI. Giao thức này có một số lượng

hạn chế của các địa chỉ mạng, với nhiều gói dữ liệu rất nhỏ. Nhưng điều này cũng

giúp giới hạn lượng dữ liệu mạng và chắc chắn sự trả lời. Độ dài của cáp mạng sẽ giới

hạn tốc độ tối đa của mạng. Các đặc tính cơ bản của chúng được liệt kê ở dưới:



Một cáp buýt đơn lẻ mà nó chuyển dữ liệu và điện

Lên tới 64 nút trên mạng

Cỡ gói dữ liệu 0-8 byte

Độ dài 500m/250m/100m cho các tốc độ 125kbps/250kps/500kbps

tương ứng



Các thiết bị có thể được thêm/loại bỏ trong khi điện là có

Dựa trên giao thức CANbus (Controller Area Network) cho OSI tầng 1 và

2



Đánh địa chỉ bao gồm peer-to-peer (điểm điểm), multicast (truyền

thông điệp nhiều đích), master/slave (chủ tớ), polling (bỏ phiếu) hay

change of state (thay đổi trạng thái)

Một ví dụ của một mạng Devicenet được chỉ trong hình 28.6. Các đường đen

sẫm là cáp mạng. Các terminator được yêu cầu tại điểm các điểm cuối của cáp mạng

này để giảm ồn điện. Trong trường hợp này PC sẽ có lẽ đang chạy một vài loại của

phần mềm dựa trên chương trình PLC. Máy tính này sẽ có một thẻ mà nó có thể giao

tiếp với các thiết bị Devicenet. Giá FlexIO là một giá thu nhỏ mà nó có thể giữ vài loại

khác nhau của các mô đun đầu vào và đầu ra. Các mạch điện rẽ (hay mạch hình chữ

T) chia tín hiệu thành các nhánh phần nhỏ. Trong trường hợp này một trong số các

mạch rẽ này kết nối một nguồn điện, để cấp nguồn 24Vdc cho mạng. Hai mạch rẽ

khác được dùng để kết nối một cảm biến thông minh và một giá FlexIO khác. Cảm

biến thông minh này dùng điện từ mạng, và bao gồm đủ logic để nó là một nút trên

mạng. Mạng này dùng đường dây điện thoại mỏng và dày mà chúng có thể giới hạn

hiệu suất mạng.

Figure 28.6 A Devicenet Network – Một mạng Devicenet

Cáp mạng là quan trọng cho chuyển điện và dữ liệu. Hình 28.7 chỉ ra một cáp cơ

bản với hai dây cho dữ liệu và hai dây cho điện. Cáp này cũng được bảo vệ để giảm

ảnh hưởng của ồn điện. Hai loại dây cơ bản là dày và mỏng. Các cáp này có thể đến

với một số lượng khác nhau nào đó của các kết nối tới các thiết bị.



các dây trần

bộ kết nối bắt vít không kín

bộ kết nối nhỏ kín

bộ kết nối rất nhỏ kín

các mạch thu hút rẽ nhánh

Dây dày – mang được lên tới 8A cho nguồn, dài tới 500m

Dây mỏng – nguồn lên tới 3A, dài tới 100m

Figure 28.7 Shielded Network Cable – Cáp mạng được bọc (bảo vệ)

Một vài vấn đề của thiết kế cho mạng này bao gồm:



Các nguồn cấp điện được kết nối trực tiếp tới các đường điện mạng.

Chiều dài cho tốc độ là 156m/78m/39m to 125Kbps/250Kbps/500Kbps

một cách tương ứng.



Một chênh lệch đơn lẻ được giới hạn tới 6m.



Mỗi nút trên mạng này sẽ có địa chủ của nó giữa 0 và 63.

Nếu một PLC-5 đã được kết nối tới Devicenet một thẻ máy quét sẽ cần đến để

đặt trong giá này. Logic bậc thang trong hình 28.8 sẽ truyền thông với các cảm biến

qua một thẻ máy quét trong khe 3. Các khối đọc và ghi sẽ đọc và ghi các giá trị đầu

vào Devicenet tới bộ nhớ số nguyên từ N7:40 tới N7:59. Các đầu ra sẽ được sao chép

từ bộ nhớ số nguyên giữa N7:20 tới N7:39. Logic bậc thang này xử lý các đầu vào và

các đầu ra sẽ cần để kiểm tra và thiết đặt các bit trong bộ nhớ số nguyên.

MG9:0

Write

MG9:1

Read

Read/Write

Data Table

Size

Read/Write

Data Table

Size

N7:20

20

N7:40

20

Local/Remote

Remote Station

Link ID

Remote

??

Local/Remote

Remote Station

Link ID

Remote

??

Remote Link type

Local Node Addr.

Processor Type

Dest. Addr.

??

Remote Link type

Local Node Addr.

Processor Type

Dest. Addr.

??

N/A

????

N/A

????

Ghi chú: Lấy các thiết đặt chính xác cho các tham số này XXXXXXXXXXXXXXXXX

Figure 28.8 Communicating with Devicenet Inputs and Outputs

Giao tiếp với các đầu vào và các đầu ra Devicenet

Trên một PLC Allen Bradley Softlogix vào/ra này sẽ được sao chép vào trong các

khối của bộ nhớ số nguyên. Các khối này được lựa chọn bởi các người dùng trong

phần mềm cài đặt. Logic bậc thang này sau đó sẽ dùng bộ nhớ số nguyên cho các đầu

vào và các đầu ra, như được chỉ trong hình 28.9. Ở đây các đầu vào được sao chép

vào trong bộ nhớ số nguyên N9, và các đầu ra được thiết đặt bằng cách sao chép

khối N10 của bộ nhớ này trở lại các đầu ra này.

Figure 28.9 Devicenet Inputs and Outputs in Software Based PLCs

Các đầu vào và các đầu ra Devicenet trong các PLC dựa trên phần mềm

28.2.2 CANbus

Chuẩn CANbus (Controller Area Network bus) là một phần của chuẩn Devicenet.

Các mạch tích hợp được bán ngày nay bởi nhiều nhà cung cấp chính (Motorola, Intel,

v.v...) mà chúng hỗ trợ một vài, hay tất cả, các chuẩn trên một chíp đơn lẻ. Phần này

sẽ thảo luận nhiều chi tiết kỹ thuật của chuẩn này.

CANbus bao gồm hai tầng đầu tiên của mô hình OSI. Mạng này có một hình thái

buýt và dùng các phân giải dịch chuyển bit cho các xung đột trên mạng này (ví dụ: cái

định danh mạng thấp hơn, là cái có độ ưu tiên cao hơn cho gửi). Một khung dữ liệu

được chỉ ra trong hình 28.10. Khung này giống như một byte nối tiếp dài, như cái

được thấy trong chương trước. Khung này bắt đầu với một bit bắt đầu. Nó sau đó

được theo sau bởi một bộ định danh thông điệp. Đối với mạng Devicenet đây là một

mã địa chỉ 5 bit (cho lên tới 64 nút) và một mã lệnh 6 bit. Là sẵn sàng để nhận nó bit

này sẽ được thiết đặt bởi máy nhận. (Ghi chú: cả bộ gửi và bộ nhận chia sẻ cùng một

đường truyền). Nếu máy nhận được thiết đặt bit này thì phần còn lại của thông điệp

được bỏ qua, và thông điệp này được gửi lại sau.

Trong khi gửi vài bit đầu tiên, bộ gửi theo dõi các bit này để chắc rằng các bit

này gửi và nghe cùng một cách. Nếu các bit này không đồng ý, sau đó một nút khác

trên mạng đã cố gắng ghi một thông điệp tại cùng một thời điểm – đã có một xung

đột. Hai thiết bị này sau đó chờ trong một khoảng thời gian, dựa trên định danh của

chúng và sau đó bắt đầu gửi lại. Nút thứ hai sau đó sẽ phát hiện thông điệp này, và

đợi đến khi nó làm xong. 6 bit tiếp theo chỉ ra số lượng các byte được gửi, từ 0 đến 8.

Điều này được theo sau bởi hai tập hợp các bit cho kiểm tra lỗi CRC (Cyclic

Redundancy Check), đây là một kiểm tra tổng của các bit trước đó. Bit tiếp theo khe

ACK được thiết đặt bởi nút nhận nếu dữ liệu này đã được nhận một cách chính xác.

Nếu có một lỗi CRC bit này sẽ không được thiết đặt, và thông điệp này sẽ được gửi

lại. Các bit còn lại kết thúc việc truyền. Cuối của các bit khung là tương đương với các

bit dừng. Phải có một trễ tối thiểu 3 bit trước khi thông điệp tiếp theo bắt đầu.

start of frame

bắt đầu của khung

identifier

định danh

arbitration

field

ready to receive it

sẵn sàng nhận

control field - contains number of data bytes

lĩnh vực điều khiển – bao gồm nhiều byte dữ liệu

data - the information to be passed

dữ liệu – thông tin được truyền

lĩnh vực giám

sát

CRC sequence

dãy CRC

CRC delimiter

dấu phân cách CRC

ACK slot - other listeners turn this on to indicate frame received

khe ACK–các bộ nghe khác nhau bật cái này để chỉ khung nhận

ACK delimiter

dấu phân cách ACK

end of frame

kết thúc khung

delay before next frame

trễ trước khung tiếp theo

Figure 28.10 A CANbus Data Frame – Một khung dữ liệu CANbus

Vì giám sát dịch chuyển bit, địa chỉ với định danh thấp nhất sẽ nhận mức ưu tiên

cao nhất, và có thể gửi các thông điệp nhanh hơn khi có một xung đột nào đó. Kết

quả là bộ điều khiển thường đặt tại địa chỉ 0. Và, các thiết bị độ ưu tiên thấp hơn

được đặt gần cuối của phạm vi địa chỉ.

28.2.3 Controlnet

Controlnet là bản miễn phí của Devicenet. Nó cũng được hỗ trợ bởi một tập

đoàn các công ty, (http://www.controlnet.org) và nó tiến hành một vài dự án trong

hợp tác với nhóm Devicenet. Chuẩn này được thiết kế cho giao tiếp giữa các bộ điều

khiển, và cho phép các thông điệp phức tạp hơn là Devicenet. Nó không phù hợp cho

giao tiếp với các cảm biến và các bộ truyền động riêng lẻ, hay với các thiết bị sản xuất

nhà máy.

Controlnet là phương pháp phức tạp hơn Devicenet. Một vài đặc tính then chốt

của mạng này bao gồm:



Đa bộ điều khiển và vào ra trên một mạng



Có tính quyết định

Tốc độ dữ liệu lên tới 5Mbps

Nhiều hình thái (buýt, sao, cây)

Nhiều loại dây (đồng trục, quang, v.v...)

Lên tới 99 nút với các địa chỉ, tới 48 mà không dùng một repeater nào

Các gói dữ liệu lên đến 510 byte

Không giới hạn các điểm vào ra

Các ví dụ độ dài cực đại:

1000m với cáp đồng trục tại 5Mbps - 2 nút

250m với cáp đồng trục tại 5Mbps - 48 nút

5000m với cáp đồng trục tại 5Mbps dùng các repeater

3000m với cáp quang tại 5Mbps

30Km với cáp quang tại 5Mbps dùng các repeater



5 repeater theo nối tiếp, 48 đoạn theo song song

Các thiết bị được cấp nguồn độc lập (không có điện mạng)

Các thiết bị có thể được loại trừ trong khi mạng là kích hoạt

Mạng điều khiển này là duy nhất bởi nó hỗ trợ một sơ đồ thông điệp thời gian

thực được gọi Concurrent Time Do main Multiple Access (CTDMA). Mạng này có một

cập nhật có trong lịch trình (độ ưu tiên cao hơn) và cập nhật không có lịch trình (độ

ưu tiên thấp hơn). Khi các xung đột được phát hiện, hệ này sẽ đợi một thời gian tối

thiểu 2ms cho các thông điệp không có lịch trình. Nhưng, các thông điệp có lịch trình

sẽ được truyền sớm hơn, trong một khoảng thời gian đặc biệt nào đó.

28.2.4 Ethernet

Ethernet đã trở thành định dạng mạng chiếm ưu thế. Phiên bản I được phát

hành trong năm 1980 bởi một nhóm các công ty. Trong các năm 1980 các phiên bản

khác nhau của các khung ethernet đã được phát hành. Chúng gồm phiên bản II và

Novell Networking (IEEE 802.3). Hầu hết các thẻ mạng ethernet sẽ hỗ trợ các loại

khung khác nhau.

Khung ethernet được chỉ trong hình 28.11. Sáu byte đầu là địa chỉ đích của

thông điệp này. Nếu tất cả các bit trong byte này được thiết đặt thì bất cứ máy tính

nào mà nhận thông điệp này sẽ đọc nó. Ba byte đầu tiên của địa chỉ này là xác định

với nhà sản xuất thẻ, và các byte còn lại xác định địa chỉ ở xa. Địa chỉ này là thông

dụng cho tất cả các phiên bản của ethernet. Địa chỉ nguồn xác định bộ gửi thông

điệp. Ba byte đầu tiên là xác định cho nhà sản xuất thẻ. Các byte còn lại bao gồm địa

chỉ nguồn. Điều này cũng giống nhau trong mọi phiên bản của ethernet. Các loại

ethernet xác định khung như một gói ethernet phiên bản II nếu giá trị này lớn hơn

05DChex. Các loại ethernet khác dùng chúng (các khung này) tới các byte để chỉ ra độ

dài dữ liệu. Dữ liệu có thể dài giữa 46 tới 1500 byte. Khung này kết thúc với một kiểm

tra tổng mà nó sẽ được dùng để kiểm tra dữ liệu đã được truyền một cách chính xác.

Khi kết thúc của một lần truyền được phát hiện, bốn byte cuối sau đó được dùng để

kiểm tra rằng khung này được nhận một cách chính xác.

destination address – địa chỉ đích

source address – địa chỉ nguồn

ethernet type – kiểu ethernet

data – dữ liệu

checksum – kiểm tra tổng

Figure 28.11 Ethernet Version II Frame – Khung ethernet phiên bản II

28.2.5 Profibus

Một mạng điều khiển khác mà nó thông dụng ở châu Âu, nhưng có sẵn cho thế

giới. Nó cũng được thúc đẩy bởi một nhóm các công ty (http://www.profibus.com).

Các đặc tính chung là:



Một mã thông báo truyền qua lại lên đến ba chủ (master)

Cực đại 126 nút

Hình thái buýt thẳng

Độ dài từ 9600m/9,6Kbps với 7 repeater tới 500m/12Mbps với 4

repeater



Với các độ dài cáp sợi quang lên đến 80 km

2 đường dữ liệu và bọc

Điện cần đến tại mỗi trạm

Dùng RS-485, ethernet, sợi quang, v.v...

2048 bit của vào ra trên mỗi khung mạng

28.2.6 Sercos

SErial Real-time COmmunication System (SERCOS) là một chuẩn mở được thiết

kế cho các hệ điều khiển chuyển động đa trục. Bộ điều khiển chuyển động này và các

trục có thể được thực thi một cách riêng rẽ và sau đó được kết nối bằng cách dùng

các mạng SERCO. Nhiều nhà cung cấp đề xuất các thẻ mà chúng cho phép các PLC

làm việc như các khách thể và/hoặc các bộ điều khiển chuyển động.

 Xác định với các lần trả lời nhỏ như là vài phần tỷ giây

 Tốc độ dữ liệu là 2, 4, 8 và 16 Mbaud

 Được tài liệu hóa với IEC 61491 trong năm 1995 và năm 2002

 Dùng một mạng vòng sợi quang, RS-485 và các buýt

28.3 NHỮNG MẠNG ĐĂNG KÝ BẢN QUYỀN

28.3.1 Data Highway

Allen-Bradley đã phát triển mạng Data Higway II (DH+) cho truyền dữ liệu và các

chương trình giữa các PLC và các máy tính. Mạng buýt này cho phép lên đến 64 PLC

được kết nối với một cặp xoắn đôi trong một cáp bọc. Mã thông báo được dùng cho

điều khiển gửi truyền dữ liệu trên mạng. Các máy tính cũng có thể được kết nối tới

mạng DH+, với một thẻ mạng để tải về các chương trình và giám sát các PLC. Mạng

này sẽ hỗ trợ tốc độ dữ liệu là 57,6Kbps và 230 Kbps.

Khung dữ liệu cơ bản của DH+ được chỉ trong hình 28.12. Khung này là hướng

byte. Byte đầu tiên là DLE hay byte phân cách, nó sẽ luôn là $10. Khi byte này được

nhận PLC sẽ diễn dịch byte tiếp theo như một lệnh. Lệnh SOH chỉ ra thông điệp như

một thông điệp DH+. Byte tiếp theo chỉ ra trạm đích – mỗi nút trên mạng phải có một

số duy nhất. Điều này được theo sau bởi các byte DLE và STX mà chúng nhận ra chỗ

bắt đầu của dữ liệu. Dữ liệu này theo sau, và độ dài của nó được xác định bởi loại

lệnh – điều này sẽ được thảo luận sau. Sau đó nó được theo sau bởi một cặp DLE và

ETX mà cặp này đánh dấu kết thúc của thông điệp. Byte cuối được truyền và là một

kiểm tra tổng để xác định sự chính xác của thông điệp này.

DLE = 10H

header fields

các phần tiêu đề

SOH = 01H

STN - the destination number- số đích

DLE = 10H

STX = 02H

start fields

các phần bắt đầu

data dữ liệu

DLE = 10H

ETX = 03H

termination fields

các phần kết thúc

block check - a 2s compliment checksum of the DATA and STN values kiểm tra

khối – một kiểm tra tổng phần bù 2s của các giá trị DATA và STN

Figure 28.12 The Basic DH+ Data Frame – Khung dữ liệu DH+ cơ bản

Cấu trúc chung cho dữ liệu được chỉ ra trong hình 28.13. Gói này sẽ thay đổi

theoc các lệnh khác nhau. Hai byte đầu tiên chỉ ra đích, DST, và nguồn, SRC, cho

thông điệp này. Byte tiếp theo là lệnh, CMD, nó sẽ xác định hành động cần được làm.

Thỉnh thoảng, hàm này, FNC, sẽ được cần đến để sửa lệnh này. Phần chuyển đổi,

TNS, phần này là một định danh thông điệp duy nhất. Hai địa chỉ, ADDR, các byte xác

định một vị trí bộ nhớ đích. Các phần DATA bao gồm thông tin cho truyền. Cuối cùng

SIZE của phần dữ liệu được truyền.

DST - destination node for the message

nút đích cho thông điệp

SRC - the node that sent the message

nút mà nó gửi thông điệp

CMD - network command - sometime FNC is required

lệnh mạng – đôi khi FNC được yêu cầu

STS - message send/receive status

trạng thái gửi/nhận thông điệp

TNS - transaction field (a unique message ID)

phần truyền (một định danh thông điệp duy nhất)

optional

FNC may be required with some CMD values

FNC có thể được yêu cầu với một vài giá trị CMD

ADDR - a memory location

một vị trí bộ nhớ nào đó

optional

DATA - a variable length set of data

một tập độ dài biến thiên của dữ liệu

SIZE - size of a data field

cỡ của phần dữ liệu

Figure 28.13 Data Field Values – Các giá trị phần dữ liệu

Các ví dụ của các lệnh được chỉ ra trong hình 28.14. Chúng tập trung vào chuyển

thông tin bộ nhớ và trạng thái giữa PLC, và phần mềm lập trình từ xa, và các PLC

khác. Nhiều chi tiết hơn có thể được tìm thấy trong các sách Allen-Bradley DH+.

CMD FNC

Description – Mô tả

Protected write – ghi được bảo vệ

Unprotected read – đọc không được bảo vệ

Protected bit write – ghi bit được bảo vệ

Unprotected bit write – ghi bit không được bảo vệ

Echo – vang

Read diagnostic counters – đọc các bộ đếm chẩn đoán

Set variables – thiết đặt các biến

Diagnostic status – trạng thái chẩn đoán

00

01

02

05

06

00

01

02

03

06

08

0F

04

05

06

07

Set timeout – thiết đặt quá thời

Set NAKs – thiết đặt các NAK

Set ENQs – thiết đặt các ENQ

Read diagnostic counters – đọc các bộ đếm chẩn đoán

Unprotected write – ghi không được bảo vệ

Word range write – ghi khoảng từ

00

01

02

11

17

18

26

29

3A

41

50

52

53

55

57

5E

67

68

A2

Word range read – đọc khoảng từ

Bit write – ghi bit

Get edit resource – lấy tài nguyên chỉnh sửa

Read bytes physical – đọc các byte vật lý

Write bits physical – ghi các bit vật lý

Read-modify-write – đọc – sửa – ghi

Read section size – đọc cỡ đoạn

Set CPU mode – thiết đặt chế độ CPU

Disable forces – vô hiệu hóa bắt buộc

Download all request – tải xuống tất cả yêu cầu

Download completed – tải xuống hoàn thành

Upload all request – tải lên tất cả yêu cầu

Upload completed – tải lên hoàn thành

Initialize memory – khởi tạo bộ nhớ

Modify PLC-2 compatibility file – Sửa tệp tương thích PLC-2

typed write - ghi chữ hoa???

typed read – đọc chữ hoa???

Protected logical read - 3 address fields

đọc logic được bảo vệ - 3 phần địa chỉ

Protected logical write - 3 addr. Fields

ghi logic được bảo vệ - 3 phần địa chỉ

0F

AA

Figure 28.14 DH+ Commands for a PLC-5 (all numbers are hexadecimal)

Các lệnh DH+ cho một PLC-5 (tất cả số đều là thập lục)

Logic bậc thang trong hình 28.15 có thể được dùng để sao chép dữ liệu từ bộ

nhớ từ một PLC sang một cái khác. Không như các sơ đồ mạng khác, không có thủ tục

đăng nhập nào. Trong ví dụ này lệnh MSG đầu tiên sẽ ghi thông điệp từ bộ nhớ địa

phương N7:20 – N7:39 tới máy từ xa PLC-5 (nút 2) vào trong bộ nhớ của nó từ N7:40

tới N7:59. Lệnh MSG thứ hai sẽ sao chép bộ nhớ từ bộ nhớ PLC-5 từ xa N7:40 tới

N7:59 tới bộ nhớ PLC-5 từ xa từ N7:20 tới N7:39. Việc truyền này sẽ yêu cầu nhiều

quét cho logic bậc thang, vì thế các bit EN sẽ chống lại một lệnh đọc hay ghi từ việc

khởi động lại cho đến khi lệnh MSG trước là hoàn thành.

MG9:0

MG9:1

Read/Write

Data Table

Size

Write

N7:20

20

Read/Write

Data Table

Size

Read

N7:40

20

Local/Remote

Remote Station

Link ID

Remote Link type

Local Node Addr.

Processor Type

Dest. Addr.

Local

N/A

2

Local/Remote

Remote Station

Link ID

Remote Link type

Local Node Addr

Processor Type

Dest. Addr.

Local

N/A

2

PLC-5

N7:40

PLC-5

N7:20

Figure 28.15 Ladder Logic for Reading and Writing to PLC Memory

Logic bậc thang cho đọc và ghi tới bộ nhớ PLC

Các gói dữ liệu DH+ có thể được truyền qua các liên kết dữ liệu khác, bao gồm

ethernet và RS-232.

28.4 SO SÁNH CÁC MẠNG

28.5 CÁC TRƯỜNG HỢP THIẾT KẾ

28.5.1 Devicenet

Bài toán: một rô bốt sẽ tải các vật thể vào trong một hộp cho đến khi hộp này

đạt tới trọng lượng quy định. Một PLC sẽ cấp các vật thể vào trong một điểm đón

nhận cố định khi nó là trống. PLC này sẽ bảo rô bốt khi nào nhặt một vật thể và tải nó

bằng cách dùng Devicenet.

Figure 28.16 Box Loading System – Hệ thống tải hộp

Giải pháp: Logic bậc thang sau sẽ thực thi một phần của hệ điều khiển này cho

hệ trong hình 28.16.

Figure 28.17 A Box Loading System – Một hệ tải hộp

28.6 TÓM TẮT

 Các mạng đi đến trong một số lượng của các hình thái khác nhau, nhưng các

buýt là thông dụng nhất cho các hệ sản xuất.

 Mô hình OSI có thể giúp đỡ khi mô tả phần cứng và phần mềm mạng có liên

quan.

 Các mạng có thể được kết nối với một số lượng khác nhau của các bộ định

tuyến, bắc cầu, cổng giao tiếp, v.vv...

 Mạng Devicenet được thiết kế cho làm giao diện với một vài đầu vào và một

vài đầu ra.

 Controlnet được thiết kế cho giao tiếp giữa các bộ điều khiển.

 Controlnet và Devicenet đều dựa trên CANbus.

 Ethernet là thông dụng, và có thể được dùng cho giao tiếp tốc độ cao.

 Profibus là một mạng điều khiển khác.

Giáo trình Hệ thống sản xuất tự động hóa với PLCs - Phần 28: Networking