Mạng truyền thông công nghiệp

Section 1: Khái niệm cơ bản về truyền thông và mạng TTCNSection 6: Mô hình phân cấp trong mạng TTCN Section 2: Mô hình ISO Section 3: Kiến trúc mạng topology và môi trường truyền dẫn Sec

Biên soạn:

KS Lê Thân

Section 1: Khái niệm cơ bản về truyền thông và mạng TTCN

Section 6: Mô hình phân cấp trong mạng TTCN

Section 2: Mô hình ISO

Section 3: Kiến trúc mạng (topology) và môi trường truyền dẫn

Section 5: Các phương pháp điều khiển truy nhập môi trường Section 4: Các thiết bị sử dụng cho cấp liên mạng

Section 7: ASi

M¹ng truyÒn th«ng c«ng nghiÖp

M¹ng truyÒn th«ng c«ng nghiÖp

Section 1 Khái niệm cơ bản về truyền thông và

mạng TTCN

Những khái niệm cơ bản về truyền thông

Section 1: Khái niệm cơ bản về truyền thông

 Tín hiệu được tạo ra trên cơ sở của các đại lượng vật lý (ánh sáng, âm thanh, hình ảnh, điện áp, dòng điện, tần số,…)

Tín hiệu là môi trường để chuyển tải thông tin.

Transmission

 Truyền thông là khái niệm dùng để chỉ sự trao đổi thông tin giữa các đối tác (communications partner) với nhau

Các phương pháp truyền tín hiệu

Section 1: Khái niệm cơ bản về truyền thông

 Dữ liệu có thể được truyền theo dạng analog : các giá trị đi theo một tiến trình liên tiếp nhau.

 Dữ liệu có thể được truyền theo dạng digital : các giá trị đi theo một tiến trình liên tiếp nhau (lấy mẫu).

Section 1: Khái niệm cơ bản về truyền thông

Các kiểu truyền

 Truyền một chiều ( simplex transmission )

 Truyền hai chiều gián đoạn ( half duplex transmission )

 Truyền hai chiều toàn phần ( full duplex transmission )

Section 1: Khái niệm cơ bản về truyền thông

Các kiểu truyền

 Truyền nối tiếp ( serial transmission ):

Kiểu liên kết này thường yêu cầu 3 dây dẫn: send, receive and earth.

Các bit trong 1 byte được truyền lần lượt theo thứ tự trước – sau.

1 0 1 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0 1 1 1 0 1 0 1 0 0 1

 Truyền song song ( parallel transmission ):

Các bit trong 1 byte được truyền đồng thời cùng một lúc.

Sử dụng cho khoảng cách truyền ngắn.

Chất lượng của tín hiệu tỉ lệ nghịch với số kênh truyền.

1 0 1 1

Section 1: Khái niệm cơ bản về truyền thông

Kiểu truyền đồng bộ và không đồng bộ trong chế độ nối tiếp

 Truyền nối tiếp đồng bộ ( synchronous serial transmission ):

Dữ liệu được truyền một cách liên tục (không có khoảng thời gian gián đoạn) Một tín hiệu đồng bộ được truyền song song với tín hiệu là dữ liệu.

 Truyền nối tiếp không đồng bộ ( asynchronous serial transmission ):

Bit đồng bộ là bit START, STOP (nằm ngoài các bit dữ liệu).

Kết luận

Do nguyên nhân về giá thành và tính bền vững mà

trong hầu hết các mạng truyền thông đều sử dụng kiểutruyền dữ liệu dạng số nối tiếp không đồng bộ

hai chiều gián đoạn

Section 1: Khái niệm cơ bản về truyền thông

Có bao nhiêu mạng truyền thông trong công nghiệp?

Section 1: Khái niệm cơ bản về truyền thông

ASi Seriplex

SDS

Interbus

DeviceNet

LonBus Profibus CAN

C A N op en

way

FIPWAY

???

Network là gì?

Section 1: Khái niệm cơ bản về truyền thông

 Là một nhóm thiết bị (communication partner) được kết nối cùng với

nhau theo một cấu trúc nào đó nhằm mục đích trao đổi hoặc chia sẻ thông

tin, tài nguyên cho nhau trong một môi tường truyền dẫn chung.

Tại sao phải kết nối mạng (network connection)?

Section 1: Khái niệm cơ bản về truyền thông

 Điều khiển mềm dẻo và nhanh chóng dòng chảy của thông tin phục vụ cho:

 Truy xuất để hiển thị (bức tranh quá trình), lưu trữ, cảnh báo, chuẩn đoán máy móc từ xa.

 Trao đổi lượng lớn thông tin một cách tức thời  nâng cao được chất lượng của điều khiển.

 Nhanh chóng trong vấn đề phát hiện lỗi cũng như việc khắc phục

 Hệ thống được đồng bộ hóa do tính chất toàn cục (global) của dữ liệu

 Giảm chi phí và không gian về lắp đặt (tối thiểu hóa dây nối thông qua các bus ngoại vi phân bố (distributed peripherals)).

 Dễ dàng và nhanh chóng trong việc thay đổi về số lượng cũng như chất

lượng của sản phẩm do điều khiển tập trung tại CCR.

 Giảm thời gian xây dựng hoặc nâng cấp công nghệ

Section 1: Khái niệm cơ bản về truyền thông

Tại sao phải kết nối mạng (network connection)?

Cần có những gì để xây dựng mạng (network)?

Section 1: Khái niệm cơ bản về truyền thông

1 Lựa chọn giao thức (protocol) mạng

2 Lựa chọn các Controller phù hợp cho chức năng điều khiển và truyền thông theo protocol đã lựa chọn.

3 Các chủng loại cáp kết nối phù hợp với khoảng cánh và tốc độ truyền thông.

4 Máy tính, máy in, card mạng,… tương thích với giao thức.

5 Các thiết bị kết nối liên mạng

6 Softwares, Driver,… thích hợp.

Section 1: Khái niệm cơ bản về truyền thông

 Master/Slave:

 Administration và tất cả mọi hoạt động thông qua

trung tâm (Master).

 Hoạt động thông qua nguyên tắc hỏi vòng.

 Khái niệm này thường được sử dụng cho các mạng

con ở cấp trường, ví dụ việc kết nối giữa controller với

các module ngoại vi phân bố hoặc contrller với MCC

 Ví dụ:

Các kiểu mạng cơ sở

Section 1: Khái niệm cơ bản về truyền thông

Section 1: Khái niệm cơ bản về truyền thông

Section 1: Khái niệm cơ bản về truyền thông

 Subnet (mạng con): Subnet là toàn bộ các thành phần vật lý, chuẩn, giao thức, dịch vụ đồng nhất để thực hiện một kết nối thống nhất để phục vụ cho việc trao đổi

và quản lý dữ liệu

 Các kết nối

giữa các trạm

nối vào subnet

không đi qua

Hệ thống truyền thông có dự phòng (Redundant Communication System)

Section 1: Khái niệm cơ bản về truyền thông

 Là hệ thống có độ dự trữ có thể tăng lên gấp đôi đôi khi có thể gấp ba lần ở tại một số CPU , nguồn cung cấp cho hệ thống điều khiển hoặc môi trường truyền thông (các bus truyền), dự phòng về I/O.

 Các cơ chế giám sát và đồng bộ hóa sẽ được đảm bảo nếu có một thành phần bị lỗi thì sẽ có một thành phần khác thay thế ngay (tùy theo mức độ dự phòng) mà

không nhất thiết phải dừng hệ thống để xử lý.

 Việc dự phòng này ở các cấp độ khác nhau tùy thuộc vào mức độ quan trọng của

hệ thống , thực tế người ta có thể chia ra các cấp độ như sau:

 Dự phòng nóng (Host Standby): thời gian chuyển mạch < 10 ms

 Dự phòng ấm : 10 ms < thời gian chuyển mạch < 100 ms.

 Dự phòng lạnh (nguội): dự phòng dạng này phải ngừng hệ thống

Section 1: Khái niệm cơ bản về truyền thông

Hệ thống truyền thông có dự phòng (Redundant Communication System)

 Dự phòng CPU và bus truyền

thông trong kết nối của CPU

S7-400H của SIEMENS.

 Dự phòng Server, CPU AC800M

và các bus truyền thông trong kết nối của ABB.

Hệ thống truyền thông có dự phòng (Redundant Communication System)

Section 1: Khái niệm cơ bản về truyền thông

M¹ng truyÒn th«ng c«ng nghiÖp

Section 2

Mô hình ISO (Open System Interconnect

Reference model )

Section 2: Mô hình OSI

Ý nghĩa của mô hình OSI là gì?

 Sự trao đổi thông tin giữa các thiết bị của các hãng công nghiệp thực hiện theo các chuẩn giao thức, chuẩn truyền dẫn, truy cập môi trường… rất khác nhau.

 Chính vì lý do đó, vào năm 1984 tổ chức quốc tế ISO (International

Standardization Organization) đã thống nhất và đưa ra một mô hình chuẩn 7 lớp, lớp thấp nhất là lớp 1 và cao nhất là lớp 7 để thống nhất giữa các hãng công nghiệp với nhau.

 Nhằm mục đích kết nối những thiết bị của các hãng khác nhau lại cùng với nhau trong cùng môi trường truyền dẫn.

Mô hình OSI

Link Layer 2 Network Layer 3 Transport Layer 4 Session Layer 5 Presentation Layer 6 Application Layer 7

Xác nhận, phát hiện sai và sữa sai, quản lý

truy cập môi trường Thiết lập hay tạo kết nối cho các tuyến (route)

Thiết lập hay kết thúc một kết nối (reset lại lỗi, đóng gói và bảo mật dịch vụ)

Quản lý và đồng bộ hóa (một khi bị gián đoạn nó có thể bắt đầu lại tại điểm đó thay vì làm lại từ đầu)

Chuyển đổi kiểu dữ liệu cho phù hợp với thiết

Network concept, ex:

TCP/IP

Section 2: Mô hình OSI

Section 2: Mô hình OSI

Section 2: Mô hình OSI

Mô hình OSI

Link Layer 2 Network Layer 3 Transport Layer 4 Session Layer 5 Presentation Layer 6 Application Layer 7

Station A

Link Layer 2 Network Layer 3 Transport Layer 4 Session Layer 5 Presentation Layer 6 Application Layer 7

Station B

 Năm lớp trên cùng thường được thực hiện bằng phần mềm (software)

 Hai lớp dưới cùng được thực hiện bằng phần cứng (hardware)

 Biểu diễn nguyên lý về dòng chảy của dữ liệu:

Section 2: Mô hình OSI

Khái niệm về chuẩn giao thức (protocol)

Ví dụ về khung truyền liên quan đến mô hình OSI

Section 2: Mô hình OSI

Slave address

No of First

to be read

=5

CRC 16

Byte

1

 Khung truyền của Modbus RTU (RTU frame)

Yêu cầu đọc dữ liệu từ

2 thanh ghi Word có địa

chỉ là W5 và W6 từ trạm

slave số 7:

Network Layer 3 Transport Layer 4 Session Layer 5 Presentation Layer 6 Application Layer 7

Application Layer 7

Section 2: Mô hình OSI

FCS FTP, HTTP , SMTP Modbus etc.

Application layers

46 to 1500 20

 Khung truyền của Ethernet TCP/IP frame

Ví dụ về khung truyền liên quan đến mô hình OSI

Section 3 Kiến trúc mạng (topology) và

môi trường truyền dẫn

M¹ng truyÒn th«ng c«ng nghiÖp

Tất cả các mạng đều có đặc điểm chung là gì?

Section 3: Kiến trúc mạng (topology) và môi trường truyền dẫn

 Application massage: phụ thuộc vào quá trình đóng gói của phần mềm

trên lớp ứng dụng

 Điều khiển truy nhập môi trường: là thục tục nhằm mục đích chia sẽ môi trường vật lý để tránh sự xung đột của dữ liệu và tận dụng tối đa hiệu suất của đường truyền.

 Logical topology (kiến trúc logic): chỉ sự liên hệ vật lý giữa các thiết bị

trong mạng với nhau.

 Môi trường truyền dẫn (Mediums): là đường dẫn vật lý kết nối giữa các thiết bị trong mạng với nhau

Các vấn đề cần quan tâm đến nôi trường truyền dẫn

Section 3: Kiến trúc mạng (topology) và môi trường truyền dẫn

 Khi nói đến môi trường truyền dẫn, trước tiên phải đặt vấn đề về:

 Tốc độ truyền (speed transmission)

 Khoảng cách truyền (distance)

 Vấn đề giảm thiểu sự tác động của trường điện từ

(electromagnetic immunity)

 Dung lượng khi truyền (capacity transmission)

Các môi trường truyền dẫn phổ biến

Section 3: Kiến trúc mạng (topology) và môi trường truyền dẫn

 Cáp đồng trục (Coaxial cable): Điện

trở thấp, chống nhiễu tốt do đó thích

hợp cho việc truyền ở tốc độ cao;

nhược: kho đi dây và nối thông qua các

đầu nối đặc chủng.

 Cáp quang (Optical fibre): Truyền dẫn

tín hiệu bằng ánh sáng do đó không bị

ảnh hưởng của nhiễu điện từ trường; sử

dụng cho những khu vực môi trường

khắc nghiệt.

 Cáp đôi dây vặn xoắn (Pair of twisted

wires) hoặc đôi dây thẳng: Lắp đặt đơn

giản, giá thành rẻ.

Chuẩn truyền dẫn (RS 232; RS 422A; RS 485)

Section 3: Kiến trúc mạng (topology) và môi trường truyền dẫn

 RS232:

 Kết nối theo dạng point-to-point, Sử

dụng phương thức truyền không đối

xứng.

 Khoảng cách truyền < 15m, tốc độ <

20Kbps.

Section 3: Kiến trúc mạng (topology) và môi trường truyền dẫn

RS422A:

Chuẩn truyền dẫn (RS232; RS422A; RS485)

 Truyền 2 chiều toàn phần (Full duplex)

trên bus 4 dây (2 dây truyền, 2 dây

nhận).

 Chống nhiễu tốt, do đó khoảng cách

truyền tối đa 1200m ở tốc độ 100 Kbps

RS485:

 Cũng giống như đặc tính của RS422A

nhưng truyền theo kiểu 2 chiều gián

đoạn (Half duplex ) trên bus 2 dây.

Kiến trúc mạng (topology)

Section 3: Kiến trúc mạng (topology) và môi trường truyền dẫn

 Point to Point Topology

Section 3: Kiến trúc mạng (topology) và môi trường truyền dẫn

Kiến trúc mạng (topology)

 Point to Point Topology: chỉ sự liên

kết chỉ 2 thiết bị với nhau.

Bus Topology: gồm một đường dây

chính, tất cả các thiết bị được nối

vào đó, truyền thông dạng Broadcast

oriented.

 Star Topology: vài thiết bị tham gia

kết nối mạng với nhau thông qua

một thiết bị trung tâm Thông thường

sử dụng Switch để chuyển kênh.

Section 3: Kiến trúc mạng (topology) và môi trường truyền dẫn

Kiến trúc mạng (topology)

 Star Topology: Tất cả các unit là

được mắc nối nối tiếp nhau tạo thành

vòng kín, lúc đó truyền thông phải đi

qua các unit rồi mới tới nơi nhận Nếu

một node bị hỏng thì xem như vòng bị

hở mạch.

 Free Topology: Thông thường

trong hệ thống truyền thông chung,

việc kết nối là sự kết hợp giữa các

kết nối trên.

Section 3: Kiến trúc mạng (topology) và môi trường truyền dẫn

 Hybrid Topology: Mạng internet.

Kiến trúc mạng (topology)

Section 4

Các thiết bị sử dụng cho cấp liên

mạng

M¹ng truyÒn th«ng c«ng nghiÖp

Những thiết bị mở rộng mạng

Section 4: Các thiết bị sử dụng cho cấp liên mạng

 Repeater and Hub

 Bridge

 Router

 Gateway

Section 4: Các thiết bị sử dụng cho cấp liên mạng

Những thiết bị mở rộng mạng

 Repeater and Hub:

 Repeater: là một thiết bị ở lớp 1 (Physical

Layer) trong mô hình OSI Repeater có vai trò

khuếch đại tín hiệu vật lý ở đầu vào và cung cấp

năng lượng cho tín hiệu ở đầu ra để có thể đến

được những chặng đường tiếp theo trong mạng

Điện tín, điện thoại, truyền thông tin qua sợi

quang… và các nhu cầu truyền tín hiệu đi xa

đều cần sử dụng Repeater.

 Hub: Hub được coi là một Repeater có nhiều cổng Khi cấu hình mạng là hình sao (Star

topology), Hub đóng vai trò là trung tâm của mạng Với một Hub, khi thông tin vào từ một cổng

và sẽ được đưa đến tất cả các cổng khác Hub có 2 loại là Active Hub và Smart Hub

- Active Hub : là loại Hub được dùng phổ biến, cần được cấp nguồn khi hoạt động, được sử dụng

để khuếch đại tín hiệu đến và cho tín hiệu ra những cổng còn lại, đảm bảo mức tín hiệu cần thiết

Section 4: Các thiết bị sử dụng cho cấp liên mạng

Những thiết bị mở rộng mạng

 Bridge: là thiết bị mạng thuộc

lớp 2 của mô hình OSI (Data Link

Layer) Bridge được sử dụng để

ghép nối 2 mạng để tạo thành một

mạng lớn duy nhất Bridge được

sử dụng phổ biến để làm cầu nối

giữa hai mạng Ethernet Bridge

quan sát các gói tin (packet) trên

mọi mạng Khi thấy một gói tin từ

một máy tính thuộc mạng này

chuyển tới một máy tính trên

mạng khác, Bridge sẽ sao chép và

gửi gói tin này tới mạng đích

Những thiết bị mở rộng mạng

 Router: là thiết bị mạng lớp 3 của mô hình OSI (Network Layer) Router kết nối hai hay nhiều mạng IP với nhau Các máy tính trên mạng phải “nhận thức” được sự tham gia của một router, nhưng đối với các mạng IP thì một trong những quy tắc của IP là mọi máy tính kết nối mạng đều có thể giao tiếp được với router.

 Ưu điểm của Router: Về mặt vật lý, Router có thể kết nối với các loại mạng khác lại với nhau,

từ những Ethernet cục bộ tốc độ cao cho đến đường dây điện thoại đường dài có tốc độ chậm

 Nhược điểm của Router: Router chậm hơn Bridge vì chúng đòi hỏi nhiều tính toán hơn để tìm ra cách

Section 4: Các thiết bị sử dụng cho cấp liên mạng

Những thiết bị mở rộng mạng

 Gateway: cho phép nối ghép hai loại giao thức với nhau Ví dụ: mạng của bạn sử dụng giao thức IP và mạng của ai đó sử dụng giao thức IPX, Novell, DECnet, SNA… hoặc một giao thức nào đó thì Gateway sẽ chuyển đổi từ loại giao thức này sang loại khác.

Qua Gateway, các máy tính trong các mạng sử dụng các giao thức khác nhau có thể

dễ dàng “nói chuyện” được với nhau Gateway không chỉ phân biệt các giao thức mà còn còn có thể phân biệt ứng dụng như cách bạn chuyển thư điện tử từ mạng này sang mạng khác, chuyển đổi một phiên làm việc từ xa…

Section 4: Các thiết bị sử dụng cho cấp liên mạng

Section 4: Các thiết bị sử dụng cho cấp liên mạng

Section 5 Các phương pháp điều khiển

truy nhập môi trường

M¹ng truyÒn th«ng c«ng nghiÖp

Section 5: Các phương pháp điều khiển truy nhập môi trường

 Master/Slave

 Token Passing

 Random access (CSMA/CD CSMA/CA)

Truy cập mạng thuộc DataLink layer

Section 5: Các phương pháp điều khiển truy nhập môi trường

Master/Slave

 Cơ chế làm việc trong chế độ này giống như quan hệ giữa thầy và trò

trong một lớp học.

 Master có quyền truy cập đến tất cả các slave (theo vòng logic).

 Slave là trạm bị động, chỉ có thể trao đổi thông tin với trạm Master khi có yêu cầu từ Master (không có khả năng trao đổi thông tin với các trạm khác).