Cơ sở truyền tin trong kỹ thuật đo và điều khiển công nghiệp

Các khái niệm cơ bảnThông tin, dữ liệu và tín hiệu Các loại tín hiệu Tốc độ truyền và tốc độ bít Tính năng thời gian thực Các chế độ truyền dẫn Truyền thông nối tiếp và truyền song song

ĐO VÀ ĐIỀU KHIỂN CÔNG NGHIỆP

BÀI GIẢNG

Nguyễn Thị Huế

Bộ môn Kĩ thuật đo và Tin học công nghiệp

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN

NỘI DUNG MÔN HỌC

1

2

5

Giới thiệu chung và lịch sử phát triển của các hệ thống đo

và điều khiển công nghiệp

Cơ sở kĩ thuật truyền tin công nghiệp

Các thiết bị đo lường và chấp hành trong công nghiệp

3

4

7

Các bộ điều khiển khả trình Các thiết bị giám sát trong công nghiệp

Một số hệ thống công nghiệp thực tế

6 Các giao thức công nghiệp tiêu biểu

Giáo trình “Màng thông tin công nghiệp” Hoàng Minh Sơn, nhà

xuất bản Khoa học và Kĩ thuật

Giáo trình “Hệ thống thông tin công nghiệp’ Phạm Thượng Hàn(chủ biên) Nhà xuất bản giáo dục

Giáo trình “Cảm biến công nghiệp”

Bài giảng “ Đo và điều khiển công nghiệp” Đào Đức Thịnh, bộ

môn Kĩ thuật đo và Tin học công nghiệp

…

Tài liệu tham khảo

NỘI DUNG CHƯƠNG 5

5 Cơ sở kĩ thuật truyền tin công nghiệp

1 Các chế độ truyền thông tin

5 Điều khiển truy cập đường truyền

6 Môi trường truyền dẫn và các chuẩn vật lý

7 Bảo toàn dữ liệu

4 Kiến trúc giao thức

Các khái niệm cơ bản

Thông tin, dữ liệu và tín hiệu Các loại tín hiệu

Tốc độ truyền và tốc độ bít Tính năng thời gian thực

Các chế độ truyền dẫn

Truyền thông nối tiếp và truyền song song Truyền động bộ và không đồng bộ

Truyền đơn công, bán song công và song công

5.1 Các chế độ truyền thông tin

Thông tin dữ liệu và tín hiệu

Tốc độ truyền và tốc độ bít

Thời gian cần để truyền một bản tin phụ thuộc vào hai yếu tố

là: tốc độ baud và phương pháp mã hoá tín hiệu

Tốc độ baud được định nghĩa là số lần tín hiệu thay đổi giá trị

tham số thông tin (chẳng hạn như biên độ) trong 1 giây và có

đơn vị là baud

Tốc độ bít được tính bằng số bít dữ liệu được truyền đi trong

một đơn vị thời gian Nếu tần số nhịp được ký hiệu là f và số

bít truyền đi là n trong một nhịp, thì số bít truyền đi trong mộtgiây sẽ là v = f*n

Các khái niệm cơ bản

d ụ ng c ụ th ể

Các khái niệm cơ bản

Dữ liệu hữu hiện trên Bus -DAV

Đã nhận được dữ liệu DAC

Truyền trên 8 dây

DAV

DAC

t t

Dữ liệu hữu hiện trên Bus Máy in đã nhận được dữ liệu này

Máy tính lưu và xử lý số liệu theo từng từ (có độ dài 8, 16, 32, 64bit) Dữ liệu sẽ được cấp theo dạng song song mỗi lần một từ

Có 8 (16,32,64) dây dẫn song song nối giữa 2 điểm truyền Như

vậy truyền song song là truyền từng từ (từ có độ dài 8, 16, 32, 64bit)

Truyền song song

Phương pháp truyền song song có tốc độ cao nên nó thường

được sử dụng khi truyền bên trong các thiết bị hay giữa cáclinh kiện trên cùng mạch in

Tuy nhiên khi truyền ở khoảng cách xa thì nó có nhược điểm là

tốn dây dẫn và có sự sai khác về mặt thời gian giữa các tín

Truyền nối tiếp

Trong phương pháp truyền này các bit được truyền đi tuần tự

nối tiếp nhau,

Ưu điểm dễ thấy của phương pháp này là tiết kiệm dây dẫn

đặc biệt khi thực hiện việc truyền thông trên khoảng cách xa,

Nhược điểm dễ thấy của phương pháp này là tốc độ truyền bị

Truyền song song và truyền nối tiếp

Máy tính dù tôn tại ở dạng nào chúng đều có các bộ VLX vàbus song song xử lý tín hiệu song song, vì vậy để có thể dùngcác phương pháp truyện nối tiếp ta cần có các bộ chuyển đổisong song và nối tiếp

Các chế độ truyền dẫn

Truyền đông bộ và không đồng bộ

Truyền không đồng bộ

Trong chế độ truyền này các trạm thu phát không cùng nhịpClock việc phát hiện ra nội dung dữ liệu được thực hiện thôngqua các bit đánh dấu có trong các byte truyền

Ví d ụ v ề đị nh d ạ ng khung d ữ li ệ u v ớ i các bít Start và Stop

Định dạng khung truyền ở chế độ truyền không đồng bộ

Các chế độ truyền dẫn

Data bits

Truy ề n không đồ ng b ộ :

Có th ờ i gian ngh ĩ gi ữ a các khung b ả n không c ố đị nh

Vi ệ c truy ề n b ắ t đầ u b ở i 1 Start bit, các bit đượ c truy ề n v ớ i m ộ t thông

Để thu đượ c tín hi ệ u thì tín hi ệ u đồ ng h ồ thu nhanh g ấ p N l ầ n đồ ng

h ồ phát và m ỗ i bit đượ c d ị ch vào SIPO sau N chu kì xung đồ ng h ồ

Các chế độ truyền dẫn

Truyền không đồng bộ:

Các chế độ truyền dẫn

Truy ề n không đồ ng b ộ :

Nguyên tắc đồng bộ kí tự:

Mạch điều khiển truyền và nhận được lập trình để hoạt động

với số bit bằng nhau trong một ký tự kể cả số stop bit, start bit

và bit kiểm tra giữa thu và phát

Sau khi phát hiện và nhận start bit việc đồng bộ kí tực đạt

được tại đầu thu rất đơn giản, chỉ việc đếm đúng số bit đã lậptrình

Sau đó sẽ chuyển kí tự nhận được và thanh ghi đệm thu vàphát tín hiệu tới thiết bị điều khiển (CPU) rằng đã nhận được

một kí tự mới và sẽ đợi cho đến khi nhận được một start bit kế

tiếp

Các chế độ truyền dẫn

Truyền không đồng bộ:

Nguyên tắc đồng bộ Frame:

Khi một thông điệp gồm một khối các kí tự thường xem như

một frame thông tin được truyền,Bên cạnh việc đồng bộ kí tự, máy thi phải xác định được

điểm bắt đầu và kết thức của một frame

Điều này được gọi là đồng bộ Frame

Các chế độ truyền dẫn

Truyền không đồng bộ

Các chế độ truyền dẫn

Truyền đồng bộ.

Trong chế độ truyền đồng bộ các trạm thu phát tín hiệu hoạt

động cùng tần số (chung nhịp clock) và pha, ưu điểm của

phương pháp này là tốc độ nhanh

Số liệu được truyền liên tục không có Starr bit, Stop bit

Khung bản tin lớn

Cần có giao thức để điều khiển và ổn định luồng dữ liệu

Tuy nhiên cũng giống như truyền bất đồng bộ chúng ta chỉ

chấp nhận phương pháp nào cho phép máy thi đạt được sự

đồng bộ bit, đồng bộ kí tực và frame

Các chế độ truyền dẫn

Truyền đồng bộ.

Các chế độ truyền dẫn

Truyền đồng bộ.

Các chế độ truyền dẫn

Truy ề n đơ n công, bán song công và truy ề n song công

Truy ề n đơ n công:Trong ch ế độ truy ề n d ẫ n này tín hi ệ u truy ề n ch ỉ theo m ộ t

h ướ ng

Truy ề n bán song công: Trong ch ế độ truy ề n này tín hi ệ u có th ể đượ c truy ề n theo hai chi ề u nh ư ng t ạ i m ỗ i th ờ i đ i ể m ch ỉ đượ c truy ề n theo m ộ t chi ề u nh ấ t

đị nh

Truy ề n song công: Ch ế độ truy ề n này cho phép tín hi ệ u đượ c truy ề n đồ ng

th ờ i theo hai chi ề u.

5.2 Mã hóa đường truyền

Các đặc tính của mã hoá đường truyền

Mã hoá NRZ và RZ

Mã hoá AMI

Mã hoá Manchester

Mã hóa AFP (Alternate Flanked Pulse)

FSK (Frequency Shift Keying)

Cơ số mã, sự dư thừa và hiệu suất

5.2 Mã hóa đường truyền

Khái niệm: Mã hoá đường truyền là quá trình mã hoá số liệu(dạng nhị phân 0, 1) sang dạng tín hiệu thích hợp để truyềntrong môi trường vật lý.

Các đặc tính chính của mã hoá đường truyền:

Thông tin đồng bộ hoá có trong tín hiệu

Tri ệ t tiêu dòng m ộ t chi ề u/kh ả n ă ng đồ ng t ả i ngu ồ n

Dòng m ộ t chi ề u ả nh h ưở ng gì t ớ i h ệ th ố ng?

Khi nào thì tín hi ệ u trên đườ ng truy ề n tri ệ t tiêu dòng m ộ t chi ề u?

Kh ả n ă ng đồ ng t ả i ngu ồ n là gì và mang l ạ i l ợ i ích gì? Khi nào

th ự c hi ệ n đượ c?

Thông tin đồ ng b ộ nh ị p trong tín hi ệ u:

Phân bi ệ t ch ế độ truy ề n đồ ng b ộ và không đồ ng b ộ (cách th ứ c và

Phương pháp mã hoá NRZ (non-return-to-zero) và RZ to-zero) là phương pháp điều chế biên độ xung Nhưng

(return-phương pháp NRZ được sử dung rất phổ biến trong các hệ

thống Bus trường

Với NRZ mức tín hiệu không nhất thiết phải về 0 sau mỗi nhịp

Mã hoá NRZ và RZ

NRZ (Non-Return To Zero)

Bit 0 và 1 được mã hóa với hai mức biên độ tín hiệu khácnhau, mức tín hiệu này không thay đổi trong suốt chu kỳ bit T.Cái tên NRZ được sử dụng, bởi mức tín hiệu không quay trở

về không sau mỗi nhịp Các khả năng thể hiện hai mức có thể

Phương pháp này không thích hợp cho việc đồng bộ hóa,

bởi một dãy bit 0 và 1 liên tục không làm thay đổi mức tín

hiệu

Tín hiệu không được triệt tiêu dòng một chiều, ngay cả khi

sử dụng tín hiệu lưỡng cực, nên không có khả năng đồng

tải nguồn

Mã hoá NRZ và RZ

Với RZ mức tín hiệu nhất thiết phải về 0 sau mỗi nhịp do đó nóichung tần số tín hiệu bằng tần số nhịp Bus, tín hiệu mã RZkhông mang thông tin đồng bộ hoá

Ứng dụng của NRZ và RZ: Phổ biến nhất, vd Profibus-DP,Interbus

Mã hoá NRZ và RZ

Với AMI (Bipolar Alternate Mark Inversion), giá trị logic 0 được

thể hiện bằng điện áp đường dây bằng 0 và bằng 1 với giá trị

điện áp là dương hoặc âm

Dải tần trong phương pháp mã hoá này không yêu cầu rộng

như trong phương pháp NRZ tuy nhiên có thể mất đồng bộ khi

giải mã chuỗi số nhị phân dài

Phương pháp này cũng loại bỏ được giá trị lệch một chiều

Mã hoá AMI

Mã Manchester là phương pháp điều chế pha xung, giá trị logic

được thể hiện thông qua các sườn xung Bit 1 ứng với sườnlên và 0 ứng với sườn xuống của xung ở giữa chu kỳ bit T

Mã hoá Manchester

Ưu điểm

Tín hiệu có tần số tương đương với tần số nhịp Bus, do đócác xung của nó có thể sử dụng trong việc đồng bộ hoá

giữa các bên thu, phát

Việc sử dụng tín hiệu lưỡng cực dòng 1 chiều bị triệt tiêu do

đó thích hợp với các ứng dụng cho phép truyền cùng nguồnnuôi

Mặt khác do sử dụng sườn xung để quy định mức logic nên

phương pháp này tỏ ra chống nhiễu tốt

Phương pháp này được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thốngthông tin công nghiệp, ứng dụng trong Etherner, Profibus-PA,

Mã hoá Manchester

Các tính chất:

Tần số thấp nhất, dải tần hẹp nhấtKhá bền vững với nhiễu, có khả năng phối hợp nhận biết lỗiKhông tồn tại dòng một chiều

Không mang thông tin đồng bộ nhịp

Ứng dụng: AS-Interface

Mã AFP (Alternate Flanked Pulse)

Đây là phương pháp mã hoá điều chế dịch tần số, hai tần số

khác nhau được dùng để mã hoá các trạng thái logic 0 và 1

Thực chất đây là phương pháp điều chế số tín hiệu mang, haytruyền tải dải mang.

FSK (Frequency Shift Keying)

mà dòng một chiều bị triệt tiêu, nên có thể sử dụng đườngtruyền này để truyền tín hiệu cùng nguồn nuôi

Nhược điểm

Tín hiệu có tần số tương đối cao, nó có thể gây ra nhiễu

mạnh đối với môi trường xung quanh và làm ảnh hưởng tới

khả năng tăng tốc độ truyền

FSK (Frequency Shift Keying)

Thực tế phương pháp mã hoá này chỉ được ứng dụng trongcác mạng có tốc độ truyền tương đối thấp: HART, PowerlineCommunication

FSK (Frequency Shift Keying)

Mã hóa đường truyền

C ơ s ố mã đượ c đị nh ngh ĩ a là s ố các tr ạ ng thái tín hi ệ u khác nhau đượ c s ử

d ụ ng Trong các h ệ th ố ng d ả i c ơ s ở , nó là s ố các m ứ c đ i ệ n áp khác nhau

đượ c bi ể u di ễ n b ở i các kí hi ệ u Ch ẳ ng h ạ n, v ớ i mã AMI thì c ơ s ố c ủ a nó s ẽ

là 3

Hi ệ u su ấ t c ủ a mã đượ c đị nh ngh ĩ a là h ệ s ố c ủ a thông tin trên s ố kí hi ệ u s ử

d ụ ng v ớ i thông tin trên s ố kí hi ệ u h ữ u ích Ta có th ể vi ế t hi ệ u su ấ t nh ư sau:

Và s ự d ư th ừ a c ủ a mã hoá đườ ng truy ề n đượ c xác đị nh nh ư sau:

Cơ số mã, sự dư thừa và hiệu suất

l

l l

Với la = log2a

lu = log2u

Liên kết trong mạng máy tính công nghiệp

Liên k ế t: là m ố i liên h ệ v ậ t lý ho ặ c logic gi ữ a hai hay nhi ề u đố i tác truy ề n thông.

Liên k ế t đ i ể m - nhi ề u đ i ể m (multi - drop): Nhi ề u tr ạ m đượ c n ố i chung v ớ i

m ộ t tr ạ m ch ủ (master) Nh ư v ậ y các đố i tác s ẽ đượ c n ố i chung vào m ộ t

đườ ng dây Liên k ế t nhi ề u đ i ể m - nhi ề u đ i ể m (multi - point): nhi ề u đố i tác tham gia và thông tin đượ c trao đổ i theo nhi ề u h ướ ng C ũ ng t ươ ng t ự liên k ế t đ i ể m - nhi ề u đ i ể m v ớ i liên k ế t này các đố i tác c ũ ng đượ c n ố i trên cùng m ộ t đườ ng dây.

Kh ả n ă ng liên k ế t nhi ề u đ i ể m là đặ c tr ư ng c ủ a m ạ ng trong đ i ề u khi ể n phân tán.

5.3 Cấu trúc mạng

Đặ c đ i ể m c ơ b ả n c ủ a c ấ u trúc bus là vi ệ c s ử d ụ ng chung m ộ t đườ ng

d ẫ n duy nh ấ t cho t ấ t c ả các tr ạ m, vì th ế ti ế t ki ệ m đượ c cáp d ẫ n và công l ắ p đặ t.

C ấ u trúc d ạ ng bus có ba ki ể u c ấ u hình

Cấu trúc Bus

Bên cạnh việc tiết kiệm dây dẫn thì tính

đơn giản, dễ thực hiện là những ưu

điểm chính của cấu trúc bus.

Cấu trúc này phổ biến nhất trong những

mạng truyền thông công nghiệp.

Cấu trúc mạch vòng được thiết kế sao cho các thành viêntrong mạng được nối từ điểm này đến điểm kia một cách tuần

Ư u đ i ể m c ơ b ả n c ủ a m ạ ng theo c ấ u trúc ki ể u này là m ỗ i nút đồ ng

th ờ i có th ể là m ộ t b ộ khu ế ch đạ i, do v ậ y m ạ ng có c ấ u trúc m ạ ch vòng có th ể th ự c hi ệ n v ớ i kho ả ng cách và s ố tr ạ m r ấ t l ớ n.

Cấu trúc hình sao là cấu trúc mà có một trạm trung tâm quan

trọng hơn tất cả các nút khác, nút này sẽ điều khiển sự truyềnthông của toàn mạng, được gọi là chủ (Master)

Một cấu trúc hình sao điển hình ta hay gặp đó là các bộ chia,

cậy rất cao

Một mạng có cấu trúc cây là sự liên kết của nhiều mạng con có

Yêu cầu với các phương pháp truy nhập đường truyền

Các phương pháp truy nhập tiền định

Các phương pháp truy nhập ngẫu nhiên

5.5 Điều khiển truy nhập đường truyền

Trong mạng truyền tin có nhiều đối tác tham gia, cần thiết phải

có sự điều khiển để sao cho ở mỗi thời diểm chỉ có đối tác

được gửi thông tin đi, rõ ràng cần thiết phải có phương phápthích hợp để phân chia thời gian gửi dữ liệu trên đường truyền

Việc truy nhập đường truyền liên quan đến các yếu tố sau:

Độ tin cậy khi truyền thông tinTính năng thời gian thực

Hiệu suất sử dụng đường truyền

Yêu cầu với các phương pháp truy nhập đường truyền

TDMA và FDMA.

TDMA: Time Division Multiplexing Access: phân chia thời gian

FDMA: Frequency Division Multiplexing Access: phân chia tần số

Phương pháp TDMA sẽ dành cho mỗi trạm một thời gian truy

nhập đường truyền cố định và các trạm này sẽ được gửi thông tintheo trình tự định sẵn

Với phương pháp truy nhập phân chia tần số lại định cho mỗi

TDMA và FDMA.

Có thể thấy được ưu điểm của FDMA so với TDMA như sau:

FDMA truy nhập nhanh hơn TDMA bởi người sử dụng có thể

Master/ Slave

Ưu điểm: Cấu trúc mạng đơn giản,

Nhược điểm:

Các hoạt động của mạng lại phụ thuộc vào trạm chủ nên đòi

hỏi độ tin cậy của trạm chủ là rất cao, mặt khác do thông tin

giữa các trạm tớ đều phải thông qua trung gian là trạm chủ

đã khiến cho hiệu suất đường truyền trong phương phápnày là không cao

Độ tin cậy phụ thuộc hoàn toàn vào trạm chủ

Các phương pháp truy nhập tiền định

Token Passing

Cấu trúc của một token như hình dưới trong đó DA là địa chỉ

đích, SA là địa chỉ nguồn Start là byte khởi đầu đánh dấu sự bắt

Việc gửi thẻ bài được thực hiện theo 1 chu trình định sẵn

Các phương pháp truy nhập tiền định

Token Passing

Đối với các mạng có cấu trúc khép kín người ta đưa ra khái

niệm Token ring Sơ đồ như sau:

Các phương pháp truy nhập tiền định

Token Passing

Trong các mạng có cấu trúc Bus, nếu ứng dụng phương pháptoken người ta gọi đó là Token bus, sơ đồ nguyên lý của

phương pháp truy cập này được trình bày trên hình sau

Các phương pháp truy nhập tiền định

Token Passing

M ộ t tr ạ m đ ang gi ữ Token không nh ữ ng có quy ề n gi ữ thông tin đ i mà còn có th ể ki ể m soát thông tin c ủ a các tr ạ m khác Ví d ụ nh ư ki ể m tra xem có tr ạ m nào l ỗ i không?

Vi ệ c ki ể m soát bao g ồ m các công vi ệ c:

Giám sát token

Kh ở i t ạ o token Tách tr ạ m ra kh ỏ i vòng logic Thêm tr ạ m m ớ i

Các tr ạ m không có token c ũ ng có kh ả n ă ng giám sát: n ế u sau kho ả ng

th ờ i gian nh ấ t đị nh token không đượ c g ử i (có ngh ĩ a là tr ạ m token b ị l ỗ i) thì 1 tr ạ m s ẽ có ch ứ c n ă ng t ạ o token m ớ i để đả m b ả o ho ạ t độ ng c ủ a h ệ

th ố ng là thông su ố t

Các phương pháp truy nhập tiền định

Người ta có thể kết hợp các phương pháp truy cập khác nhautrong hệ thống

Các phương pháp truy nhập tiền định

Giao th ứ c CSMA (Carrier Sense Multiple Access )

Trong phương pháp này, các trạm đều được truy nhập đườngtruyền mà không có 1 sự kiểm soát nào Nguyên tắc hoạt động

được mô tả như sau:

Mỗi trạm đều cảm nhận đường truyền (carier sense), chỉ khi

đường truyền rỗi thì mới được truyền thông tin trên đó

Tình huồng: Khi một trạm vừa phát xong thông tin lên

đường truyền nhưng thông tin chưa đến trạm thứ 2, trạm

thứ 2 cho rằng đường truyền rảnh và bắt đầu phát khung

như vậy đụng độ sẽ sảy ra

Các phương pháp truy nhập ngẫu nhiên