Thư viện tri thức trực tuyến
Kho tài liệu với 50,000+ tài liệu học thuật
© 2023 Siêu thị PDF - Kho tài liệu học thuật hàng đầu Việt Nam
Tìm hiểu về giao diện, giao thức các hệ thống mạng trong Công nghiệp
Nội dung xem thử
Mô tả chi tiết
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG
----------
NGUYỄN HOÀNG ĐỨC
TÌM HIỂU VỀ GIAO DIỆN GIAO THỨC CÁC HỆ THỐNG
MẠNG TRONG CÔNG NGHIỆP
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH
Thái nguyên, 10/2011
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG
----------
NGUYỄN HOÀNG ĐỨC
TÌM HIỂU VỀ GIAO DIỆN GIAO THỨC CÁC HỆ THỐNG
MẠNG TRONG CÔNG NGHIỆP
CHUYÊN NGÀNH: KHOA HỌC MÁY TÍNH
MÃ SỐ : 60 48 01
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TS. PHÍ MẠNH LỢI
Thái nguyên, 10/2011
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
i
LỜI CAM ĐOAN
Tôi tên là : Nguyễn Hoàng Đức
Tôi cam đoan rằng, luận văn thạc sĩ “Tìm hiểu về giao diện, giao thức các
hệ thống mạng trong công nghiệp” là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các
thông tin, số liệu được sử dụng trong luận văn là trung thực và chính xác, những số
liệu được sử dụng được chỉ rõ nguồn trích dẫn trong danh mục tài liệu tham khảo.
Kết quả nghiên cứu này chưa được công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào
từ trước đến nay.
Thái nguyên, ngày 20/09/2011
Học viên
Nguyễn Hoàng Đức
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
ii
LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành chương trình cao học và viết luận văn này, tôi đã nhận được
sự hướng dẫn, giúp đỡ và góp ý nhiệt tình của quý thầy cô Trường Đại Học Công
Nghệ Thông Tin và Truyền Thông, các Thầy trong Viện Công Nghệ Thông Tin
Việt Nam.
Tôi xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến Tiến sĩ Phí Mạnh Lợi đã dành rất nhiều
thời gian và tâm huyết hướng dẫn nghiên cứu và giúp tôi hoàn thành luận văn tốt
nghiệp. Nhân đây, tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu Trường Đại Học
Công Nghệ Thông Tin và Truyền Thông – Đại học Thái Nguyên đã tạo rất nhiều
điều kiện để tôi học tập và hoàn thành tốt khóa học.
Mặc dù tôi đã có nhiều cố gắng hoàn thiện luận văn bằng tất cả sự nhiệt tình
và năng lực của mình, tuy nhiên không thể tránh khỏi những thiếu sót, rất mong
nhận được những đóng góp quí báu của quí thầy cô và các bạn.
Thái nguyên, tháng 10 năm 2011
Học viên
Nguyễn Hoàng Đức
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
iii
MỤC LỤC
Trang phụ bìa
Lời cam đoan
Mục lục i
Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt ii
Danh mục các bảng iii
Danh mục các hình (hình vẽ, ảnh chụp, đồ thị...) iv
Mở đầu 1
Chương 1: Hệ thống điều khiển phân tán 3
1.1. Hệ thống SCADA và phân cấp quản lý 3
1.2. Chức năng và một số giao thức chuẩn áp dụng trong hệ thống SCADA: 4
1.2.1. Chức năng chính của hệ thống SCADA: 4
1.2.2. Một số giao thức chuẩn áp dụng trong hệ thống SCADA: 5
1.3. Các thành phần của một hệ điều khiển phân tán. 5
1.3.1 Cấu hình cơ bản. 5
1.3.2 Trạm điều khiển cục bộ. 6
1.3.3 Bus trường và các trạm vào/ra từ xa 8
1.3.4 Trạm vận hành 9
1.3.5 Trạm kỹ thuật và các công cụ phát triển 11
1.3.6 Bus hệ thống 12
1.4 Phân loại các hệ DCS 13
1.4.1 Các hệ DCS truyền thống 13
1.4.2 Các hệ DCS trên nền PLC. 14
1.4.3 Các hệ DCS trên nền PC 16
1.4.4 DCS trên cơ sở RTU, PLC và IED 17
1.5 Các vấn đề kỹ thuật 17
1.6 Xử lý thời gian thực và xử lý phân tán 18
1.6.1 Hệ thống thời gian thực 18
1.6.2 Xử lý thời gian thực. 19
1.6.3 Hệ điều hành đa nhiệm và các ứng dụng thời gian thực 20
1.6.4 Xử lý phân tán 21
1.7 Đồng bộ hóa trong xử lý phân tán 22
1.7.1 Đồng bộ hóa các tín hiệu vào/ra 22
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
iv
1.7.2 Đồng bộ hóa thời gian 23
Chương 2 : Giao diện-giao thức và cấu hình mạng 24
2.1. Truyền tin nối tiếp 24
2.1.1. Truyền tin nối tiếp dị bộ 24
2.1.2. Truyền tin nối tiếp đồng bộ 25
2.2 Tín hiệu đơn và tín hiệu vi sai: 26
2.1.1. Truyền dẫn sử dụng tín hiệu đơn (Single-Ended) 26
2.1.2. Truyền dẫn sử dụng tín hiệu vi sai (Differential) 27
2.1.3. Khả năng chống nhiễu giữa tín hiệu đơn và tín hiệu vi sai 27
2.3 Đơn truy cập và đa truy cập 27
2.3.1. Đa truy cập trên giao diện RS485 28
2.3.2. Đa truy cập CSMA/CD 29
2.3.3. Đa truy cập CSMA/CA 30
2.3.4 Đa truy cập CDMA 30
2.3.5. Giả ngẫu nhiên, nén phổ và thông tin trái phổ 31
2.4. Cấu hình mạng: Star, Ring, Bus, Optical Cable. 36
2.4.1 Cấu hình mạng Star. 36
2.4.2 Cấu hình mạng Ring 37
2.4.3 Cấu hình mạng Bus 38
2.4.4 Optical Cable 38
2.5 Giao diện và giao thức: 42
2.6. Giao diện. 42
2.6.1. Giao diện RS232 42
2.6.2 Giao diện RS485. 45
2.6.2.1 Đặc điểm giao diện RS485 45
2.6.2.2 Khả năng kết nối: 46
2.6.2.3 Mạng truyền nhận RS-485. 47
2.6.3 Sự khác nhau cơ bản giữa RS 232 và RS 485 48
2.6.4 Kết nối dùng chuẩn X.25 48
2.6.5 Ethernet 49
2.6.5.1. Ethernet là gì ? 49
2.6.5.2 Hệ thống Ethernet 50
2.6.5.3 Sự ra đời chuẩn Ethernet 50
2.6.5.4 Các thành phần của Ethernet 51
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
v
2.6.5.5 Hoạt động của Ethernet
51
2.7 Giao thức
2.7.1 Giao thức truyền tin 52
2.7.1.1 Thiết bị DTE và DCE 52
2.7.1.2 Kênh dữ liệu và liên kết dữ liệu: 52
2.7.1.3 Các loại giao thức truyền tin: 55
2.7.1.4 Đánh giá giao thức COP: 57
2.7.1.5 Đánh giá giao thức dạng BOP: 58
2.7.2. Giao thức MODBUS. 58
2.7.2.1 Lịch sử của Modbus protocol. 58
2.7.2.2 Cấu trúc thông điệp Modbus 59
2.7.2.3 Các chế độ truyền thông nối tiếp Modbus 60
2.7.2.4 Địa chỉ Modbus 61
2.7.2.5 Các mã chức năng của Modbus 61
2.7.2.6 Qui chiếu địa chỉ của Modbus 62
2.7.2.7 Ví dụ một số khung tin của Modbus 62
2.7.3. Giao thức Profinet. 63
2.7.4 Giao thức IEC870-5-101; 103; 104; ICCP và ELCOM90 64
2.7.5 Giao thức TCP/IP 68
2.7.6. Quan hệ giữa giao thức lớp thấp và lớp cao 71
2.7.7 So sánh TCP/IP với mô hình OSI 78
Chương 3 : Hệ thống mạng công nghiệp và ứng dụng xây dựng bộ cảnh
báo 32 kênh sử dụng giao diện RS232/RS485
79
3.1. Mạng truyền thông công nghiệp là gì? 79
3.2. Phân loại và đặc trưng các hệ thống mạng công nghiệp 80
3.2.1. Các lớp dưới cùng (cấp chấp hành) 80
3.2.2. Lớp giữa (Điều khiển) 82
3.2.3. Lớp trên cùng (quản lý) 83
3.2.4. Lớp Scada 84
3.3. An toàn trong mạng 85
3.4. Ứng dụng xây dựng bộ cảnh báo 32 kênh sử dụng giao diện
RS232/RS485
90
PHẦN KẾT LUẬN 95
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
vi
KIẾN NGHỊ NHỮNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 96
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÓ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN 97
TÀI LIỆU THAM KHẢO 98
PHỤ LỤC 99
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
iv
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
Chữ viết tắt Chữ đầy đủ, nghĩa
LCS Local control station ; Trạm điều khiển cục bộ
LCU local control unit ; Khối điều khiển cục bộ
OS operator station, trạm vận hành
ES engineering station, Trạm kỹ thuật
PS process station, trạm quá trình(xử lý)
CPU Center Processing Unit; Bộ xử lý trung tâm
DCS Distributed Control Systems; Hệ thống điều khiển phân tán
COP Character Oriented Protocol; Giao thức truyền tin dạng ký tự
BOP Bit (Binary) Oriented Protocol ; Giao thức truyền tin dạng Bít
OSI
Reference Model for Open Systems Interconnection
Mô hình tham chiếu cho việc kết nối các hệ thống mở
SCADA
Supervisory Control and Data Acquisition
Hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu
RTU Remote Terminal Unit ; Là một thiết bị được điều khiển bằng bộ vi xử lý
PLC
Programmable Logic Controller
là một thiết bị được điều khiển bằng chương trình (phần mềm)
I/O (In put/Out put)
ECC Error checking and correcting ; Kiểm tra lỗi và sửa lỗi
DTE Data Terminal Equipement ; Thiết bị đầu cuối dữ liệu
DCE Data Communication Equipement; Thiết bị đầu cuối viễn thông
TCP/IP
Transmission Control Protocol/ Internet Protocol
Giao thức điều khiển/ Giao thức Internet
CRC Cyclic Redundancy Check ; Phương pháp mã đa thức hay mã vòng
SSC Spread Spectrum Communication - Thông tin trải phổ
PR Pseudo Random - Giả ngẫu nhiên
GPS Global Positioning Systeem - Hệ thống định vị toàn cầu (USA)
GLONASS
Глoбальная Нaвигационная Спутниковая Система –
Hệ thống dẫn đường vệ tinh toàn cầu (Liên xô/Nga)
CDMA Code Division Multiple Access ; đa truy nhập (đa người dùng) phân chia theo mã
CSMA/CD
Carrier sense Multiple Access with Collision Detect
đa truy cập nhận biết sóng mang, phát hiện xung đột
CSMA/CA
Carrier sense Multiple Access with Collision Avoidance
đa truy cập nhận biết sóng mang , tránh xung đột
LAN Local Area Network – Mạng cụ bộ
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
v
Wireless LAN LAN không dây
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình Nội dung Trang
Hình 1.1 Tổng quan hệ thống SCADA 4
Hình 1.2 Cấu hình cơ bản của một hệ điều khiển phân tán 6
Hình 1.3 Một số hình ảnh tủ điều khiển DCS 9
Hình 1.4 Các phương pháp bố trí trạm vận hành 10
Hình 1.5 Cấu hình tiêu biểu một hệ điều khiển phân tán hiện đại 12
Hình 1.6 Các thành phần chức năng chính của một PLC 15
Hình 2.1 Khả năng chống nhiễu giữa truyền tín hiệu đơn và tín hiệu vi sai 27
Hình 2.2 Phổ rời rạc của dãy bít số liệu. 31
Hình 2.3 Phổ liên tục của dãy giả ngẫu nhiên PN và PND 33
Hình 2.4 Ngẫu nhiên hóa số liệu 34
Hình 2.5 Các trường hợp trải phổ và nén phổ 34
Hình 2.6 Tạo kênh liên lạc bằng dãy giả ngẫu nhiên 35
Hình 2.7 Mô hình mạng Star 36
Hình 2.8 Mô hình mạng Ring 37
Hình 2-9 Cấu trúc mạng hình tuyến 38
Hình 2.10 Hình dạng cáp quang 38
Hình 2.11 Cổng nối tiếp 9 chân 42
Hình 2.12 Đường truyền cân bằng 46
Hình 2.13 Đường truyền không cân bằng 46
Hình 2.14 Sơ đồ giao thức Master/Slave 47
Hình 2.15 Kết nối WAN dùng mạng X25 48
Hình 2.16 Liên kết dữ liệu giữa DTE và DCE 52
Hình 2.17 Các cấu hình liên kết dữ liệu 53
Hình 2-18 Kiến trúc TCP/IP 68
Hình 2-19 Quá trình đóng/mở gói dữ liệu trong TCP/IP 70
Hình 2-20 Cấu trúc dữ liệu trong TCP/IP 71
Hình 2.21 Mô hình OSI 75
Hình 2.22 So sánh TCP/IP với mô hình OSI 78
Hình 3.1 Mô hình phân cấp chức năng công ty sản xuất công nghiệp 80
Hình 3.2 Phía trước bộ cảnh báo 92
Hình 3.3 Phía sau bộ cảnh báo 93
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
vi
Hình 3.4 Đấu nối nguồn nuôi, tín hiệu vào DI, tín hiệu ra SCADA và cổng RS232 93
Hình 3.5 Đấu nối còi báo, nhấn nút TEST, RESET và ACK 94
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1 Phương pháp đa truy cập 40,41
Bảng 2.2 Cách đấu nối chuyển đổi cổng nối tiếp 9 chân sang 25 chân 43
Bảng 2.3 Giải thích các tín hiệu điều khiển lưu lượng 43
Bảng 2.4
Bảng quy chiếu tính năng của các giao diện cơ bản trong hệ thống
mạng công nghiệp
72
Bảng 2.5
Bảng quy chiếu tính năng của các giao thức cơ bản trong hệ thống
mạng công nghiệp.
73, 74
Bảng 3.1 So sánh mạng công nghiệp và các hệ thống mạng khác 79