Giáo trình mạng truyền thông nghề điện tử công nghiệp trình độ cao đẳng (tổng cục dạy nghề)

Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ trong hầuhết mọi lĩnh vực nói chung, và lĩnh vực điều khiển công nghiệp nói riêng.Chính vì vậy, việc hiểu biết và nắm bắt kiến

GIÁO TRÌNH

Mô đun: MẠNG TRUYỀN THÔNG NGHỀ: ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP

TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG

Ban hành kèm theo Quyết định số:120/QĐ-TCDN ngày 25 tháng 02 năm 2013

của Tổng cục trưởng Tổng cục Dạy nghề

Năm 2013

TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN

Tài liệu này thuộc loại giáo trình nên các nguồn thông tin có thể đượcphép dùng nguyên bảng hoặc trích dùng cho các mục đích về đào tạo và thamkhảo

Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc hoặc sử dụng với mục đích kinhdoanh thiếu lành mạnh sẽ bị nghiêm cấm

LỜI GIỚI THIỆU

Để thực hiện biên soạn giáo trình đào tạo nghề Điện tử công nghiệp ở

trình độ Cao Đẳng Nghề và Trung Cấp Nghề, giáo trình Mạng truyền thông công nghiệp là một trong những giáo trình mô đun đào tạo chuyên ngành

được biên soạn theo nội dung chương trình khung được Bộ Lao động Thươngbinh Xã hội và Tổng cục Dạy Nghề phê duyệt Nội dung biên soạn ngắn gọn,

dễ hiểu, tích hợp kiến thức và kỹ năng chặt chẽ với nhau, logíc

Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ trong hầuhết mọi lĩnh vực nói chung, và lĩnh vực điều khiển công nghiệp nói riêng.Chính vì vậy, việc hiểu biết và nắm bắt kiến thức về việc điều khiển và giámsát hệ thống công nghiệp từ xa,… là một nhu cầu kiến thức cần thiết cho cán

bộ kỹ thuật điện tử, tự động hoá,…

Nội dung giáo trình được bố cục bao gồm 9 bài với nội dung như sau:Bài 1: Giới thiệu tổng quan

Bài 2: Nhiễu và giải pháp xử lý

Bài 3: Chuẩn truyền thông RS232

Bài 4: Chuẩn truyền thông RS485

Bài 5: Cáp quang

Bài 6: Mạng Modbus

Bài 7: Mạng AS-I Actuator Sensor Interface

Bài 8: Mạng Industrial Enthernet

Bài 9: Mạng truyền thông Radio và Wireless

Trong giáo trình này tác giả đã sử dụng nhiều tài liệu tham khảo vàbiên soạn theo một trật tự logic nhất định Tuy nhiên, tùy theo điều kiện cơ sởvật chất và trang thiết bị, các trường có thề sử dụng cho phù hợp Mặc dù đã

cố gắng tổ chức biên soạn để đáp ứng được mục tiêu đào tạo nhưng khôngtránh được những khiếm khuyết.Rất mong nhận được đóng góp ý kiến củacác thầy, cô giáo, bạn đọc để nhóm biên soạn sẽ hiệu chỉnh hoàn thiệnhơn.Các ý kiến đóng góp xin gửi về Trường Cao đẳng nghề Lilama 2, LongThành Đồng Nai

Hà Nội, ngày 10 tháng 06 năm 2013Tham gia biên soạn

Chủ Biên: TS Lê Văn HiềnTh.S Đỗ Văn Cần

Ks Trần Diễm

MỤC LỤC

ĐỀ MỤC

TRANG

LỜI GIỚI THIỆU 2

MỤC LỤC 3

MÔ ĐUN MẠNG TRUYỀN THÔNG CÔNG NGHIỆP 7

BÀI 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN 9

1.1 Mạng truyền thông công nghiệp là gì?: 9

1.2 Vai trò của mạng truyền thông công nghiệp: 10

1.3 Phân loại và đặc trưng các hệ thống mạng truyền thông công nghiệp: 11

2 Các hệ thống và thiết bị điều khiển hiện đại: 14

2.1 Hệ điều khiển phân tán(Distributed Control System, DCS): 14

2.2 Hệ thống điều khiển quá trình: 16

2.3 Hệ điều khiển lai (SCADA và DCS) : 17

2.4 Các hệ điều khiển khác: 18

2.5 Thiết bị điều khiển khả trình: 20

3 Các mô hình kết nối hệ thống mở: 20

3.1 Các tầng hệ thống mở: 21

3.2 Nguyên tắc định nghĩa các tầng trong hệ thống mở 21

3.3 Các giao thức trong mô hình 22

3.4 Truyền dữ liệu trong mô hình 23

3.5 Vai trò và chức năng chủ yếu của các tầng 23

4 Các thủ tục truyền thông 30

5 Các chuẩn truyền thông 31

5.1 Foudation Fieldbus 31

5.2 Ethernet: 32

5.3 Profibus: 33

5.4 Modbus: 33

5.5 Câu hỏi ôn tập : 34

BÀI 2: NHIỄU VÀ GIẢI PHÁP XỬ LÝ 35

1 Giới thiệu: 35

2 Những sự cố thường gặp và cách giải quyết: 36

3 Nhiễu và các giải pháp xử lý: 36

3.1 Nguồn gốc của nhiễu điện: 36

3.2 Vỏ bọc che chắn: 37

3.3 Tốc độ dẫn của dây cáp: 37

3.4 Yêu cầu nối đất : 37

3.5 Kỹ thuật triệt nhiễu 38

3.6 Câu hỏi ôn tập : 42

BÀI 3: CHUẨN TRUYỀN THÔNG RS232 43

1 Chuẩn truyền thông RS232: 43

2 Các yếu tố của RS232: 44

3 Hoạt động của giao diện RS232 46

4 Các hạn chế: 47

5 Xử lý sự cố: 47

5.1 Giới thiệu: 47

5.2 Các phương pháp tiếp cận: 48

5.3 Kiểm tra thiết bị: 48

5.4 Giải quyết vấn đề cơ bản : 50

5.5 Tóm tắt: 51

5.6 Câu hỏi ôn tập: 51

BÀI 4: CHUẨN TRUYỀN THÔNG RS485 52

1 Chuẩn truyền thông RS485 : 52

1.1 Đặc tính điện học : 53

1.2 Các đặc trưng của RS485: 54

2 Xử lý sự cố: 54

2.1 Giới thiệu: 54

2.2 Chuẩn truyền thông RS485 và RS422: 54

2.3 Lắp đặt truyền thông RS485: 56

2.4 Các vấn đề nhiễu: 58

2.5 Kiểm tra thiết bị: 58

2.6 Tóm tắt: 60

2.7 Câu hỏi ôn tập: 60

BÀI 5 : CÁP QUANG 61

1 Giới thiệu: 61

2 Các thiết bị: 62

3 Các thông số cơ bản: 63

4 Các loại 65

5 Loại cáp quang bình thường: 66

5.1 Cáp trên không 66

5.2 Cáp ngầm (trong đất, nước): 67

5.3 Cáp trong nhà: 68

6 Kết nối cáp: 68

6.1 Suy giảm kết nối: 68

6.2 Sự kết nối: 69

6.3 Xử lý kết nối: 70

6.4 Xử lý sự cố: 73

6.5 Thực hành đấu nối cáp quang bằng máy Fujikura FSM-50S: 73

6.6 Câu hỏi ôn tập: 82

BÀI 6: MẠNG MODBUS 83

1 Giới thiệu tổng quan: 83

2 Cấu trúc giao thức Modbus: 84

2.1 Kiến trúc giao thức: 84

2.2 Cơ chế giao tiếp: 84

2.3 Cấu trúc bức điện: 85

3 Các mã số chức năng: 85

3.1 Địch chỉ Modbus: 85

3.2 Các mã chức năng Modbus 86

3.3 Cài đặt mạng modbus: 90

4 Xử lý các sự cố 91

4.1 Các vấn đề và lỗi cơ bản 91

4.2 Mô tả các công cụ được dùng: 92

4.3 Chi tiết quá trình xử lý sự cố: 92

4.4 Kết luận: 99

4.5 Bài tập thực hành: 99

BÀI 7: MẠNG AS-I (ACTUATOR SENSOR INTERFACE) 100

1 Giới thiệu: 100

2 Lớp vật lý: 101

2.1 Cơ chế giao tiếp: 101

2.2 Cấu trúc bức điện 102

3 Lớp kết nối dữ liệu: 102

4 Đặc điểm hoạt động 104

4.1 Mã hóa bit 104

4.2 Bảo toàn dữ liệu: 104

5 Xử lý sự cố 105

5.1 Giới thiệu 105

5.2 Công cụ 105

5.3 Thực hành 108

5.4 Bài tập thực hành 112

BÀI 8: MẠNG INDUSTRIAL ENTHERNET 113

1 Giới thiệu: 113

2 Một số loại tốc độ truyền thông Enthernet: 114

3 Industrial Enthernet: 115

3.1 Giới thiệu: 115

3.2 Kết nối và dây cáp: 116

3.3 Khung truyền thông: 117

3.4 Nhiễu và tiếng ồn: 118

3.5 TCP/IP và Industrial Ethernet: 119

3.6 Cấu trúc: 121

4 Xử lý sự cố: 122

4.1 Giới thiệu 122

4.2 Các vấn đề và lỗi cơ bản 123

4.3 Dụng cụ 124

4.4 Các vấn đề và giải quyết 126

4.5 Kết luận 143

4.6 Bài tập thực hành 143

BÀI 9: MẠNG TRUYỀN THÔNG RADIO VÀ WIRELESS 144

1 Giới thiệu: 144

2 Thiết bị truyền thông Radio: 144

2.1 Tuyền thông MDS SD9: 144

2.2 Máy phát hình bán dẫn VHF/UHF: 145

2.3 Máy bộ đàm Motorola GP338 VHF/UHF: 145

3 Đặc điểm của VHF/UHF: 147

4 Các modul radio: 148

4.1 Modem radio : 153

4.2 RipEX – đài phát thanh modem router : 153

4.3 MR400 – đài phát thanh modem : 153

4.4 Các lỗi mạng Wi-Fi : 153

4.5 Thực hành : 151

4.6 Bài tập thực hành : 153

MÔ ĐUN MẠNG TRUYỀN THÔNG CÔNG NGHIỆP

Mã mô đun: MĐ 34

VỊ TRÍ, Ý NGHĨA,VAI TRÒ VÀ TÍNH CHẤT CỦA MÔ ĐUN:

- Vị trí: Mô đun được bố trí học sau các môn học, mô đun kỹ thuật cơ sở

và các mô đun chuyên môn nghềđặc biệt như PLC cơ bản, PLC nâng cao

- Ý nghĩa : Mô dun cho tao có cái nhìn thực tế hơn về lĩnh vực điềukhiển trong công nghiệp

- Vai trò : đóng vai trò quan trong sản xuất công nghiệp đặt biệt nhữngnước có nền công nghiệp phát triển và đang phát triển

- Tính chất: Là mô đun chuyên môn nghề điện tự động hóa

MỤC TIÊU MÔ ĐUN:

+ Về kiến thức

- Mô tả được cấu trúc mạng truyền thông trong công nghiệp

- Trình bày được các chuẩn truyền thông

- Trình bày được nguồn gốc nhiễu và các giải pháp xử lý

- Chống được nhiễu trong truyền thông

- Phân tích được các tính năng chính của chuẩn RS232, RS485

- Trình bày được các tính năng chính của cáp quang

+ Về kỹ năng

- Kết nối được các thiết bị dùng cáp quang

- Trình bày được cấu trúc mạng Modbus, Mạng AS-i, Mạng Industrial Ethernet

- Xác định và xử lý được một số vấn đề đơn giản

+ Về thái độ:

- Chủ động, sáng tạo và an toàn trong quá trình học tập

NỘI DUNG MÔ ĐUN:

1 Nội dung tổng quát và phân phối thời gian:

Thựchành

Kiểmtra+

BÀI 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN

Mã bài: MĐ34-01 Giới thiệu

Trong bài nêu lên khái quát vấn đề điều khiển trong công nghiệp, giúpsinh viên có thêm một tầm nhìn mới mẽ về một cách thức điều khiển côngnghiệp trong một tương lai gần ở nước ta

Mục tiêu:

- Hiểu các vấn đề cơ bản trong mạng truyền thông

- Phân biệt được các mạng trong công nghiệp, các ứng dụng và tầmquang trong của hệ mở

- Chủ động, sáng tạo an toàn cẩn thận trong quá trình học tập

Nội dung chính :

1 Giới thiệu

1.1 Mạng truyền thông công nghiệp là gì?:

Mạng truyền thông công nghiệp hay mạng công nghiệp là một khái niệmchung chỉ các hệ thống thông số, truyền bít nối tiếp, được sử dụng để ghépnối các thiết bị công nghiệp Các hệ thống mạng truyền thông công nghiệpphổ biến hiện nay cho phép liên kết mạng ở nhiều mức khác nhau, từ các cảmbiến, thiết bị quan sát, máy tính điều khiển giám sát và các máy tính cấp điềuhành xí nghiệp, quản lý công ty

Tuy nhiên mạng truyền thông công nghiệp không hẳn là mạng máy tính

và cũng không là mạng viễn thông Giữa chúng có một số điểm chung và vàiđiểm khác biệt sau:

+ Mạng viễn thông có phạm vi địa lý và số lượng thành viên tham gia lớnhơn rất nhiều, nên các yêu cầu kỹ thuật ( cấu trúc mạng, tốc độ truyền thông,tính năng thời gian thực …) rất khác, cũng như các phương pháp truyềnthông( truyền tải dải rộng) dải cơ sở, điều biến, dồn kênh, chuyển mạch, )thường phức tạp hơn nhiều so với mạng truyền thông công nghiệp

+ Đối tượng của mạng viễn thông bao gồm cả con người và thiết bị kỹthuật, trong đó cong người đóng vai trò chủ yếu Vì vậy các dạng thông tincần trao đổi bao gồm cả tiếng nói, hình ảnh, văn bản và dư liệu Đối tượngcủa mạng công nghiệp thuần túy là các thiết bị công nghiệp nên dạng thôngtin quan tâm duy nhất là dữ liệu

+Mạng truyền thông công nghiệp thực chất là một dạng đặc biệt của mạngmáy tính, có thể so sánh với mạng máy tính thông thường ở các điểm giốngnhau và khác nhau như sau:

+ Kỹ thuật truyền thông số hay truyền dữ liệu là đặc trưng chung của 2lĩnh vực

+ Trong nhiều trường hợp, mạng máy tính sử dụng trong công nghiệpđược coi là một phần( ở các cấp điều khiển giám sát, điều hành sản xuất vàquản lý công ty) trong mô hình phân cáp của mạng công nghiệp

+ Yêu cầu về tính năng thời gian thực, độ tin cậy và khả năng tương thíchtrong môi trường công nghiệp của mạng truyền thông công nghiệp cao hơn sovới một mạng máy tính thông thường, trong khi đó mạng máy tính thườngyêu cầu cao hơn về độ bảo mật,

+ Mạng máy tính có phạm vi trải rộng rất khác nhau có thể nhỏ như mạngLan cho một nóm vài máy tính hoặc lớn như mạng Internet Trong nhiềutrường hợp mạng máy tính gián tiếp sử dụng dịch vụ truyền dữ liệu của mạngviễn thông Trong khi đó, cho đến nay các hệ thống mạng công nghiệp thường

có tính chất độc lập, phạm vi hoạt động tương đối hẹp

Đối với hệ thống truyền thông công nghiệp, đặc biệt là ở các cấp dưới thìcác yêu cầu về tính năng thời gian thực, khả năng thực hiện đơn giản, giáthành hạ lại được đặt ra hàng đầu

1.2 Vai trò của mạng truyền thông công nghiệp:

Một bộ điều khiển cần được ghép nối với các cảm biến và cơ cấu chấphành Giữa các bộ điều khiển trong một hệ thống điều khiển phân tán cũngcần trao đổi thông tin với nhau để phối hợp thực hiện điều khiển cả quá trìnhsản xuất Ở một cấp cao hơn, các trạm vận hành trong trung tâm điều khiểncũng cần được ghép nối và giao tiếp với các bộ điều khiển để có thể theo dõi,giám sát toàn bộ quá trình sản xuất và hệ thống điều khiển Vậy nếu sử dụngmạng truyền thông trong công nghiệp sẽ có những lợi ích sau:

- Đơn giản hóa cấu trúc liên kết giữa các thiết bị công nghiệp: một sốlượng lớn các thiết bị thuộc các chủng loại khác nhau được ghép nối với nhauthông qua một đường truyền duy nhất

- Tiết kiệm dây nối và công thiết kế, lắp đặt hệ thống: nhờ cấu trúc đơngiản, việc thiết kế hệ thống trở nên dễ dàng hơn nhiều Một số lượng lớn cáptruyền được thay thế bằng một đường duy nhất, giảm chi phí đáng kế chonguyên vật liệu và công lắp đặt

- Nâng cao độ tin cậy và độ chính xác của thông tin: Khi dung phươngpháp truyền tín hiệu tương tự cổ điển, tác động của nhiễu dễ làm thay đổi nộidung thông tin mà các thiết bị không có cách nào nhận biết Nhờ kỹ thuậttruyền thông số, không những thông tin truyền đi khó bị sai lệch hơn mà cácthiết bị nối mạng còn có them khả năng tự phát hiện lỗi và chuẩn đoán lỗi nếu

có Hơn thế nữa, việc bỏ qua nhiều lần chuyển đổi qua lại tương tự số và sốtương tự nâng cao độ chính xác của thông tin.

- Nâng cao độ linh hoạt, tính năng mở của hệ thống: Một hệ thốngmạng chuẩn hóa quốc tế tạo điều khiện cho việc sử dụng các thiets bị nhiềuhang khác nhau Việc thay thế thiết bị, nâng cấp và mở rộng phạm vi chứcnăng của hệ thống cũng dễ dàng hơn nhiều Khả năng tương tác giữa cácthành phần được nâng cao nhờ giao diện chuẩn

- Đơn giản hóa/ tiện lợi hóa việc tham số hóa, chuẩn đoán, định vị lỗi,

sự cố các thiết bị: Với một đường truyền duy nhất, không những các thiết bị

có thể trao đổi dữ liệu quá trình mà còn có thể gửi cho nhau các dữ liệu tham

số, dữ liệu trạng thái, dữ liệu cảnh báo và dữ liệu chuẩn đoán Các thiết bị cóthể tích hợp khả năng tự chuẩn đoán, các trạm trong mạng cũng có thể có khảnăng cảnh giới lẫn nhau Việc cấu hình hệ thống, lập trình, tham số hóa, chỉnhđịnh thiết bị và đưa vào vận hành có thể thực hiện từ xa qua một trạm kỹ thuậttrung tâm

- Mở ra nhiều chức năng và khả năng ứng dụng mới của hệ thống: Sửdụng mạng truyền thông công nghiệp cho phép áp dung các kiến trúc điềukhiển mới như điều khiển phân tán, điều khiển giám sát hoặc chuẩn đoán lỗi

từ xa qua Internet, tích hợp thông tin của hệ thống điều khiển và giám sát vớithông tin điều hành sản xuất và quản lý công ty

1.3 Phân loại và đặc trưng các hệ thống mạng truyền thông công nghiệp:

Để phân loại và phân tích đặc trưng của các hệ thống mạng truyềnthông công nghiệp, ta dựa vào mô hình phân cấp quen thuộc cho các công ty,

xí nghiệp sản xuất Mô hình này thể hiện nhiều phân cấp khác nhau theo từngchức năng:

Hình1.1 : Tháp mạng truyền thông công nghiệp

Ta nhận thấy càng ở những cấp dưới thì các chức năng càng mang tínhchất cơ bản hơn và đòi hỏi yêu cầu cao hơn về độ nhanh nhạy, về thời gianphản ứng Một chức năng ở cấp trên được thực hiện dựa trên các chức năngcấp dưới tuy không đòi hỏi thời gian phản ứng nhanh nhưng lượng thông tincần trao đổi và xử lý lớn hơn nhiều

Tương ứng với năm cấp chức năng là bốn cấp của hệ thống truyềnthông Từ cấp điều khiển giám sát trở xuống thì thuật ngữ “bus” thường đượcdùng thay cho “mạng” với lý do phần lớn hệ thống mạng phía dưới đều cócấu trúc vật lý hoặc logic kiểu bus

Mô hình phân cấp chức năng sẽ rất tiện lợi cho việc thiết kế hệ thống

và lựa chọn thiết bị Trong thực tế ứng dụng, sự phân cấp chức năng có thểkhác một chút so với trình bày ở đây, tùy thuộc vào mức độ tự động hóa vàcấu trúc hệ thống cụ thể

Bus trường, bus thiết bị:

Bus trường thực ra là một khái niệm chung được dùng trong các ngànhcông nghiệp chế biến để chỉ các hệ thống bus nối tiếp, sử dụng kỹ thuậttruyền tin số để kết nối các thiết bị thuộc cấp điều khiển ( PC, PLC) với nhau

và với các thiết bị ở cấp chấp hành hay các thiết bị trường Các chức năngchính của cấp chấp hành là đo lường, truyền động và chuyển đổi tín hiệutrong trường hợp cần thiết Các thiết bị có khả năng nối mạng là các ngõvào/ra phân tán, các thiết bị đo lường hoặc cơ cấu chấp hành có tích hợp khảnăng sử lý truyền thông Một số kiểu bus trường chỉ thích hợp nối mạng các

thiết bị cảm biến và cơ cấu chấp hành với các bộ điều khiển cũng được gọi làbus chấp hành/cảm biên.

Do nhiệm vụ của bus trường là chuyển dữ liệu quá trình lên cấp điềukhiển để xử lý và chuyển quyết định điều khiển xuống các cơ cấu chấp hành,

vì vậy yêu cầu về tính năng thời gian thực được đặt lên hàng đầu Các hệthống bus trường được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay là: FROFIBUS, CAN,Modbus, Internetbus và gần đây phải kể tới: Foundation Fieldbus, AS-i

Bus hệ thống, bus điều khiển:

Các hệ thống mạng công nghiệp được dùng để kết nối các máy tínhđiều khiển và các máy tính trên cấp điều khiển giám sát với nhau được gọi làbus hệ thống hay bus quá trình Khái niệm sau thường chỉ được dùng tronglĩnh vực điều khiển quá trình Qua bus hệ thống mà các máy tính điều khiển

có thể phối hợp hoạt động, cung cấp dữ liệu quá trình cho các trạm kỹ thuật

và trạm quan sát ( có thể gián tiếp thông qua hệ thống quản lý cơ sở dữ liệutrên các trạm chủ) cũng như nhận mệnh lệnh, tham số điều khiển từ các trạmphí trên Thông tin không những được trao đổi theo chiều dọc mà còn theochiều ngang Các trạm kỹ thuật, trạm vận hành và các trạm chủ cũng trao đổi

dữ liệu qua bus hệ thống Ngoài ra các máy in báo cáo và lưu trữ dữ liệu cũng

có thể được kết nối qua mạng này

Khái niệm bus trường và bus hệ thống không bắt buộc nằm ở sự khácnhau về kiểu bus được sử dụng mà ở mục đích sử dụng hay nói cách khác là ởcác thiết bị ghép nối Trong một số giải pháp, một kiểu bus duy nhất dung cho

cả hai cấp này

Đối với bus hệ thống, tùy theo lĩnh vực ứng dụng mà đòi hỏi về tínhnăng thời gian thực có được đặt ra một cách nghiêm ngặt hay không Thờigian phản ứng tiêu biểu nằm trong khoảng một vài trăm miligiây, trong khilưu lượng thông tin cần trao đổi lớn hơn nhiều so với bus trường Tốc độtruyền thông tiêu biểu của bus hệ thống nằm trong phạm vi từ vài trăm kbit/sđến vài Mbit/s

Khi bus hệ thống được sử dụng chỉ để ghép nối theo chiều ngang giữacác máy tính điều khiển, người ta thường dung khái niệm bus điều khiển Vaitrò của bus điều khiển là phục vụ trao đổi dữ liệu thời gian thực giữa các trạmđiều khiển trong một hệ thống có cấu trúc phân tán Bus điều khiển thôngthường có tốc độ truyền không cao, nhưng yêu cầu về tính năng thời gian thựcthường rất khắc khe

Mạng xí nghiệp:

Mạng xí nghiệp thực ra là một mạng LAN bình thường có chức năngkết nối các máy tính văn phòng thuộc cấp điều hành sản xuất với cấp điềukhiển giám sát Thông tin được đưa lên trên bao gồm trạng thái làm việc củaquá trình kỹ thuật, các giàn máy cũng như của hệ thống điều khiển tự động,các số liệu tính toán, thống kê về diễn biến qua trình sản xuất và chất lượngsản phẩm Thông tin theo chiều ngược lại là các thông số thiết kế, công thứcđiều khiển và mệnh lệnh điều hành Ngoài ra, thông tin cũng được trao đổimạnh theo chiều ngang giữa các máy tính thuộc cấp điều hành sản xuất.

Khác với các hệ thống bus cấp dưới, mạng xí nghiệp không yêu cầunghiêm ngặt về tính năng thời gian thực Việc trao đổi dữ liệu thường diễn rakhông định kỳ, nhưng có khi số lượng lớn tới hang Mbyte Hai loại mạngđược dung phổ biến cho mục đích này là Ethernet và Token-Ring trên cơ sởcác giao thức chuẩn như TCP/IP và IPX/SPX

Mạng công ty:

Mạng công ty nằm trên cùng trong mô hình phân cấp hệ thống truyềnthông của một công ty sản xuất công nghiệp Đặc trưng của mạng công ty gầnvới một mạng viễn thông hoặc một mạng máy tính diện rộng nhiều hơn trêncác phương diện phạm vi và hình thức dịch vụ, phương pháp truyền thông vàcác yêu cầu về kỹ thuật Chức năng của mạng công ty là kết nối các máy tínhvăn phòng của các xí nghiệp, cung cấp các dịch vụ kết nối các máy tính vănphòng với xí nghiệp, cung cấp các dịch vụ trao đổi thông tin nội bộ và vớikhách hàng như thư viện điện tử, thư điện tử, hội thảo từ xa qua điện thoại,hình ảnh, cung cấp các dịch vụ truy cập Internet và thương mại điện tử, v v Hình thức tổ chức ghép nối mạng cũng như các công nghệ được áp dụng rất

đa dạng, tùy thuộc vào đầu tư xí nghiệp được thực hiện bằng một hệ thốngmạng duy nhất về mặt vật lý nhưng chia thành nhiều phạm vi và nhóm mạnglàm việc riêng biệt Mạng công ty đòi hỏi về tốc độ truyền thông và độ antoàn tin cậy cao

2 Các hệ thống và thiết bị điều khiển hiện đại:

2.1 Hệ điều khiển phân tán(Distributed Control System, DCS):

DCS là một giải pháp điều khiển và giám sát có cấu trúc phân cấp vàphân tán, được cung cấp trọn gói từ một nhà sản xuất, được sử dụng chủ yếutrong các ngành công nghiệp chế biến Trạm điều khiển trong một hệ DCS làcác máy tính chuyên dụng trong điều khiển quá trình, có cấu trúc module, khảnăng xử lý số thực lớn Tương tự như PLC, các trạm điều khiển DCS cũngcho phép lập trình và thay đổi chương trình một cách rất linh hoạt bằng cáccông cụ phần mềm mạnh Sản phẩm DCS đầu tiên là hệ TDC2000 doHoneywell đưa ra vào năm 1975 Từ đó tới nay, các sản phẩm DCS liên tục

được phát triển và tiến hoá, nhiều sản phẩm mới ra đời thậm chí không cònđược gắn cái tên DCS DCS là một giải pháp điều khiển phân tán, tuy nhiênkhông phải bất cứ giải pháp điều khiển phân tán nào cũng là DCS Ta hoàntoàn có thể xây dựng các hệ thống tự động hoá có cấu trúc phân tán dựa trênnền DCS, PLC, IPC… Cũng phải nói rằng, đôi khi cũng khó có sự phân biệtrạch ròi giữa các loại thiết bị điều khiển nói trên Ví dụ, một giải pháp DCS

có thể sử dụng PLC (PLC-based DCS) hoặc IPC (PC-based DCS) cho cáctrạm điều khiển của nó Do có sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ máy tính,các thiết bị điều khiển ngày càng giống nhau hơn về bản chất Một khái niệmđược dùng rộng rãi gần đây là hệ điều khiển lai (hybrid control system), trong

đó mỗi trạm điều khiển có thể mang dáng dấp của một DCS kinh điển, mộtPLC hoặc một IPC hiện đại Sự phát triển các giải pháp điều khiển đươngnhiên cũng không chỉ dừng ở đó Xu thế sử dụng bus trường và các thiết bịtrường thông minh tích hợp chức năng điều khiển cơ sở đã tạo ra các giảipháp điều khiển hoàn toàn mới Và khi không biết phải gọi tên giải pháp đóchính xác là gì, người ta sẽ dùng các khái niệm chung chung như hệ thống tựđộng hoá quá trình (Process Automation System), hệ thống tự động hoá xínghiệp (Factory Automation System) hoặc hệ thống tự động hoá kỹ thuật số(Digital Automation System)

Hình 1.2 : Hệ thống điều khiển bằng DCS YOKOGAWA

2.2 Hệ thống điều khiển quá trình:

SCADA – Supervisory Control And Data Acquisition là một hệ thốngđiều khiển giám sát và thu thập dữ liệu, nói một cách khác là một hệ thống hỗtrợ con người trong việc giám sát và điều khiển từ xa, ở cấp cao hơn hệ điềukhiển tự động thông thường Để có thể điều khiển và giám sát từ xa thì hệSCADA phải có hệ thống truy cập, truyền tải dữ liệu cũng như hệ giao diện người – máy (HMI – Human Machine Interface)

Trong hệ thống điều khiển giám sát thì HMI là một thành phần quantrọng không chỉ ở cấp điều khiển giám sát mà ở các cấp thấp hơn người tacũng cần giao diện người – máy để phục vụ cho việc quan sát và thao tác vậnhành ở cấp điều khiển cục bộ Vì lý do giá thành, đặc điểm kỹ thuật nên cácmàn hình vận hành (OP – Operator Panel), màn hình sờ (TP – Touch Panel),

Hình 1.3 : Hệ thống điều khiển bằng SCADA

Multi Panel chuyên dụng được sử dụng nhiều và chiếm vai trò quan trọnghơn.Nếu nhìn nhận SCADA theo quan điểm truyền thống thì nó là một hệthống mạng và thiết bị có nhiệm vụ thuần tuý là thu thập dữ liệu từ các trạm ở

xa và truyền tải về khu trung tâm để xử lý Trong các hệ thống như vậy thì hệtruyền thông và phần cứng được đặt lên hàng đầu và cần sự quan tâm nhiềuhơn Trong những năm gần đây sự tiến bộ vượt bậc của công nghệ truyềnthông công nghiệp và công nghệ phần mềm trong công nghiệp đã đem lạinhiều khả năng và giải pháp mới nên trọng tâm của công việc thiết kế xâydựng hệ thống SCADA là lựa chọn công cụ phần mềm thiết kế giao diện vàcác giải pháp tích hợp hệ thống

2.3 Hệ điều khiển lai (SCADA và DCS) :

Xuất phát từ nhu cầu các ứng dụng công nghiệp và xu hướng làm giảmchi phí cho các hệ thống điều khiển, gần đây các nhà cung cấp đã cho ra đời

hệ thống điều khiển mới gọi là hệ thống điều khiển lai (Hybrid ControlSystem)

Do ra đời sau, kế thừa nền tảng công nghệ của cả PLC và DCS nên cảhai hệ lai là sự pha trộn PLC và DCS Hai hệ lai có khả năng thực hiện đượccác quá trình liên tục và gián đoạn, có khả năng quản lý được khoảng 10000ngõ vào/ra.Hệ thống lai có các thiết bị nhỏ hơn các hệ DCS thương phẩmnhưng tận dụng các ưu điểm thiết kế của hệ DCS thương phẩm.Các hệ laicung cấp việc sử dụng công nghệ Bus bao gồm Foundation Fieldbbus, AS-i,Profibus và Device Net.Các hệ lai thường hỗ trợ các chuẩn mực OPC (OLEfor Process Control), XML và ODBC.Chúng cũng có rất ưu thế trong việctích hợp hệ thống lập kế hoạch cho doanh nghiệp các cấp thiết bị như điệnthoại không dây, máy nhắn tin và PDA

Hầu hết các hệ lai đều được trang bị các chức năng điều khiển theo mẻtheo khối và điều khiển giám sát Ngoài ra, các công cụ hỗ trợ phát triển ứngdụng với nhiều chức năng, giao diện thân thiện, ngôn ngữ lập trình bậc cao đãđược chuẩn hóa giúp cho các kỹ sư xây dựng phát triển một ứng dụng dễ dàng

và nhanh chóng hơn

Hạn chế của ứng dụng điều khiển lai là do các thiết bị điều khiển nhỏdẫn tới lưu lượng truyền thông lớn và nó sẽ hạn chế số lượng điểm vào ra, đặcbiệt khi hệ thống đòi hỏi chu trình điều khiển nhỏ Với khả năng mở rộng dữliệu hạn chế, các hệ thống lai cũng không đủ phục vụ cho các ứng dụng lớn

Một số hệ điều khiển lai có thể kể ra như: Delta V (Fisher-rosemount),Plantcape (Holley well), Micro I/A (Foxboro), Simatic PCS7 (Siemens),stardom (Yokogawa), Inductrial IT (ABB)

Hình 1.4 : Hệ thống điều khiển bằng FCS

2.4 Cáchệ điều khiển khác:

Hệ điều khiển FCS (Field control system) là hệ đều khiển cao cấp sửdụng các bus trường xử lý các tín hiệu thông minh.Khi sử dụng hệ điều khiểnFCS có thể tiết kiệm vật liệu công suất lắp đặt và nâng cao hiệu năng độ tincậy của hệ thống nhờ điều khiển tại chổ giảm tải bus

Hình 1.5 : Hệ thống điều khiển bằng FCS

- Ngoài ra trong công nghiệp còn có hệ điều khiển giám sát cục bộ, hệ thốngđiều khiển giám sát trung tâm phẳng và phân cấp.

Hình 1.6 : Điều khiển giám sát cục bộ

Hình 1.7 : Điều khiển giám sát trung tâm phẳng

Hình 1.8 : Điều khiển giám sát trung tâm phân cấp

2.5 Thiết bị điều khiển khả trình:

Thiết bị khả trình PLC (Programmable Logic Controller) là thiết bị điềukhiển logic có khả năng lập trình được, cho phép thực hiện linh hoạt các lệnhđiều khiển logic thông qua ngôn ngữ lập trình.Các PLC đầu tiên xuất hiện vàonăm 1968, là hệ thống đơn giản và cồng kềnh, người sử dụng gặp nhiều khókhăn trong việc vận hành.Vì vậy các nhà thiết kế đã từng bước cải tiến chúnggọn nhẹ, dễ vận hành hơn Tuy nhiên việc lập trình cho hệ thống còn khókhăn do lúc này không có các thiết bị ngoại vi hỗ trợ cho công việc lậptrình.Các PLC hiện nay đã đáp ứng đầy đủ yêu cầu của người sử dụng, từ kíchthước gọn nhẹ, kết nối lập trình đơn giản, cho đến khả năng điều khiển đadạng

3 Các mô hình kết nối hệ thống mở:

Mô hình OSI (Open Systems Interconnection Reference Model, viếtngắn là OSI Model hoặc OSI Reference Model) - tạm dịch là Mô hình thamchiếu kết nối các hệ thống mở - là một thiết kế dựa vào nguyên lý tầng cấp, lýgiải một cách trừu tượng kỹ thuật kết nối truyền thông giữa các máy vi tính vàthiết kế giao thức mạng giữa chúng Mô hình này được phát triển thành mộtphần trong kế hoạch Kết nối các hệ thống mở (Open Systems

Interconnection) do ISO và IUT-T khởi xướng Nó còn được gọi là Mô hìnhbảy tầng của OSI.

3.1 Các tầng hệ thống mở:

Mô hình OSI mô tả phương thức truyền tin từ các chương trình ứng dụngcủa một hệ thống máy tính đến các chương trình ứng dụng của một hệ thốngkhác thông qua các phương tiện truyền thông vật lý Thông tin từ một ứngdụng trên hệ thống máy tính A sẽ đi xuống các lớp thấp hơn, cuối cùng quacác thiết bị vật lý đến hệ thống máy tính B Sau đó ở hệ thống B, thông tin sẽ

đi từ lớp thấp nhất đến cao nhất - chính là ứng dụng của hệ thống máy tính B.Như vậy mỗi lớp trong hai hệ thống máy tính A, B đều truyền thông với nhauqua một giao thức (Protocol) nào đó

Mô hình OSI gồm có 7 lớp: Lớp ứng dụng, lớp biểu diễn dữ liệu, lớpkiểm soát nối, lớp vận chuyển, lớp mạng, lớp liên kết dữ liệu và lớp vật lý.Sau đây là mô tả các lớp trong mô hình OSI

Hình 1.9 : Mô hình hệ thống mở

3.2 Nguyên tắc định nghĩa các tầng trong hệ thống mở

Sau đây là các nguyên tắc mà ISO quy định dùng trong quá trình xây dựng

mô hình OSI

 Không định nghĩa quá nhiều tầng để việc xác định và ghép nối các tầngkhông quá phức tạp

 Tạo các ranh giới các tầng sao cho việc giải thích các phục vụ và số cáctương tác qua lại hai tầng là nhỏ nhất.

 Tạo các tầng riêng biệt cho các chức năng khác biệt nhau hoàn toàn về

kỹ thuật sử dụng hoặc quá trình thực hiên

 Các chức năng giống nhau được đặt trong cùng một tầng

 Lựa chọn ranh giới các tầng tại các điểm mà những thử nghiệm trongquá khứ thành công

 Các chức năng được xác định sao cho chúng có thể dễ dàng xác địnhlại, và các nghi thức của chúng có thể thay đổi trên mọi hướng

 Tạo ranh giới các tầng mà ở đó cần có những mức độ trừu tượng khácnhau trong việc sử dụng số liệu

 Cho phép thay đổi các chức năng hoặc giao thức trong tầng không ảnhhưởng đến các tầng khác

 Tạo các ranh giới giữa mỗi tầng với tầng trên và dưới nó

3.3 Các giao thức trong mô hình

Trong mô hình OSI có hai loại giao thức chính được áp dụng: giao thức cóliên kết (connection - oriented) và giao thức không liên kết (connectionless)

 Giao thức có liên kết: trước khi truyền dữ liệu hai tầng đồng mức cầnthiết lập một liên kết logic và các gói tin được trao đổi thông qua liênkết náy, việc có liên kết logic sẽ nâng cao độ an toàn trong truyền dữliệu

 Giao thức không liên kết: trước khi truyền dữ liệu không thiết lập liênkết logic và mỗi gói tin được truyền độc lập với các gói tin trước hoặcsau nó

Như vậy với giao thức có liên kết, quá trình truyền thông phải gồm 3 giaiđoạn phân biệt:

 Thiết lập liên kết (logic): hai thực thể đồng mức ở hai hệ thống thươnglượng với nhau về tập các tham số sẽ sử dụng trong giai đoạn sau(truyền dữ liệu)

 Truyền dữ liệu: dữ liệu được truyền với các cơ chế kiểm soát và quản

lý kèm theo (như kiểm soát lỗi, kiểm soát luồng dữ liệu, cắt/hợp dữliệu ) để tăng cường độ tin cậy và hiệu quả của việc truyền dữ liệu

 Hủy bỏ liên kết (logic): giải phóng tài nguyên hệ thống đã được cấpphát cho liên kết để dùng cho liên kết khác

Đối với giao thức không liên kết thì chỉ có duy nhất một giai đoạn truyền dữliệu mà thôi

3.4 Truyền dữ liệu trong mô hình

Gói tin của giao thức: Gói tin (Packet) được hiểu như là một đơn vịthông tin dùng trong việc liên lạc, chuyển giao dữ liệu trong mạng máy tính.Những thông điệp (message) trao đổi giữa các máy tính trong mạng, được tạodạng thành các gói tin ở máy nguồn Và những gói tin này khi đích sẽ đượckết hợp lại thành thông điệp ban đầu Một gói tin có thể chứa đựng các yêucầu phục vụ, các thông tin điều khiển và dữ liệu

Hình 1.10 :Phương thức xác lập các gói tin trong mô hình OSI

Trên quan điểm mô hình mạng phân tầng tầng mỗi tầng chỉ thực hiện mộtchức năng là nhận dữ liệu từ tầng bên trên để chuyển giao xuống cho tầng bêndưới và ngược lại.Chức năng này thực chất là gắn thêm và gỡ bỏ phần đầu(header) đối với các gói tin trước khi chuyển nó đi.Nói cách khác, từng gói tinbao gồm phần đầu (header) và phần dữ liệu Khi đi đến một tầng mới gói tin

sẽ được đóng thêm một phần đầu đề khác và được xem như là gói tin của tầngmới, công việc trên tiếp diễn cho tới khi gói tin được truyền lên đường dâymạng để đến bên nhận.Tại bên nhận các gói tin được gỡ bỏ phần đầu trêntừng tầng tướng ứng và đây cũng là nguyên lý của bất cứ mô hình phân tầngnào

3.5 Vai trò và chức năng chủ yếu của các tầng

Tầng 1: Vật lý (Physical)

Tầng vật lý (Physical layer) là tầng dưới cùng của mô hình OSI là Nó mô tảcác đặc trưng vật lý của mạng: Các loại cáp được dùng để nối các thiết bị, cácloại đầu nối được dùng , các dây cáp có thể dài bao nhiêu v.v Mặt khác cáctầng vật lý cung cấp các đặc trưng điện của các tín hiệu được dùng để khichuyển dữ liệu trên cáp từ một máy này đến một máy khác của mạng, kỹthuật nối mạch điện, tốc độ cáp truyền dẫn

Tầng vật lý không qui định một ý nghĩa nào cho các tín hiệu đó ngoài các giátrị nhị phân 0 và 1 Ở các tầng cao hơn của mô hình OSI ý nghĩa của các bitđược truyền ở tầng vật lý sẽ được xác định.

Ví dụ: Tiêu chuẩn Ethernet cho cáp xoắn đôi 10 baseT định rõ các đặc trưngđiện của cáp xoắn đôi, kích thước và dạng của các đầu nối, độ dài tối đa củacáp…

Khác với các tầng khác, tầng vật lý là không có gói tin riêng và do vậy không

có phần đầu (header) chứa thông tin điều khiển, dữ liệu được truyền đi theodòng bit Một giao thức tầng vật lý tồn tại giữa các tầng vật lý để quy định vềphương thức truyền (đồng bộ, phi đồng bộ), tốc độ truyền…

Các giao thức được xây dựng cho tầng vật lý được phân chia thành phân chiathành hai loại giao thức sử dụng phương thức truyền thông dị bộ(asynchronous) và phương thức truyền thông đồng bộ (synchronous)

 Phương thức truyền dị bộ: không có một tín hiệu quy định cho sự đồng

bộ giữa các bit giữa máy gửi và máy nhận, trong quá trình gửi tín hiệumáy gửi sử dụng các bit đặc biệt START và STOP được dùng để táchcác xâu bit biểu diễn các ký tự trong dòng dữ liệu cần truyền đi Nó chophép một ký tự được truyền đi bất kỳ lúc nào mà không cần quan tâmđến các tín hiệu đồng bộ trước đó

 Phương thức truyền đồng bộ: sử dụng phương thức truyền cần có đồng

bộ giữa máy gửi và máy nhận, nó chèn các ký tự đặc biệt như SYN(Synchronization), EOT (End Of Transmission) hay đơn giản hơn, mộtcái "cờ " (flag) giữa các dữ liệu của máy gửi để báo hiệu cho máy nhậnbiết được dữ liệu đang đến hoặc đã đến

Tầng 2: Liên kết dữ liệu (Data link)

Tầng liên kết dữ liệu (data link layer) là tầng mà ở đó ý nghĩa được gán chocác bít được truyền trên mạng Tầng liên kết dữ liệu phải quy định được cácdạng thức, kích thước, địa chỉ máy gửi và nhận của mỗi gói tin được gửiđi.Nó phải xác định cơ chế truy nhập thông tin trên mạng và phương tiện gửimỗi gói tin sao cho nó được đưa đến cho người nhận đã định

Tầng liên kết dữ liệu có hai phương thức liên kết dựa trên cách kết nối cácmáy tính, đó là phương thức "một điểm - một điểm" và phương thức "mộtđiểm - nhiều điểm".Với phương thức "một điểm - một điểm" các đườngtruyền riêng biệt được thiết lâp để nối các cặp máy tính lại với nhau Phươngthức "một điểm - nhiều điểm " tất cả các máy phân chia chung một đườngtruyền vật lý.Các đường truyền kết nối kiểu "một điểm - một điểm" và "mộtđiểm - nhiều điểm"

Hình 1.11: Các kiểu liên kết dữ liệuTầng liên kết dữ liệu cũng cung cấp cách phát hiện và sửa lỗi cơ bản để đảmbảo cho dữ liệu nhận được giống hoàn toàn với dữ liệu gửi đi.Nếu một gói tin

có lỗi không sửa được, tầng liên kết dữ liệu phải chỉ ra được cách thông báo

cho nơi gửi biết gói tin đó có lỗi để nó gửi lại

Các giao thức tầng liên kết dữ liệu chia làm 2 loại chính là các giao thứchướng ký tư và các giao thức hướng bit Các giao thức hướng ký tự được xâydựng dựa trên các ký tự đặc biệt của một bộ mã chuẩn nào đó (như ASCII hayEBCDIC), trong khi đó các giao thức hướng bit lại dùng các cấu trúc nhị phân(xâu bit) để xây dựng các phần tử của giao thức (đơn vị dữ liệu, các thủtục…) và khi nhận, dữ liệu sẽ được tiếp nhận lần lượt từng bit một

Tầng 3: Mạng (Network)

Tầng mạng (network layer) nhắm đến việc kết nối các mạng với nhau bằngcách tìm đường (routing) cho các gói tin từ một mạng này đến một mạngkhác.Nó xác định việc chuyển hướng, vạch đường các gói tin trong mạng, cácgói này có thể phải đi qua nhiều chặng trước khi đến được đích cuối cùng.Nóluôn tìm các tuyến truyền thông không tắc nghẽn để đưa các gói tin đến đích.Tầng mạng cung các các phương tiện để truyền các gói tin qua mạng, thậmchí qua một mạng của mạng (network of network).Bởi vậy nó cần phải đápứng với nhiều kiểu mạng và nhiều kiểu dịch vụ cung cấp bởi các mạng khácnhau.hai chức năng chủ yếu của tầng mạng là chọn đường (routing) vàchuyển tiếp (relaying) Tầng mạng là quan trọng nhất khi liên kết hai loạimạng khác nhau như mạng Ethernet với mạng Token Ring khi đó phải dùngmột bộ tìm đường (quy định bởi tầng mạng) để chuyển các gói tin từ mạngnày sang mạng khác và ngược lại

Đối với một mạng chuyển mạch gói (packet - switched network) - gồm tậphợp các nút chuyển mạch gói nối với nhau bởi các liên kết dữ liệu Các gói dữliệu được truyền từ một hệ thống mở tới một hệ thống mở khác trên mạngphải được chuyển qua một chuỗi các nút.Mỗi nút nhận gói dữ liệu từ mộtđường vào (incoming link) rồi chuyển tiếp nó tới một đường ra (outgoing

link) hướng đến đích của dữ liệu.Như vậy ở mỗi nút trung gian nó phải thựchiện các chức năng chọn đường và chuyển tiếp.

Việc chọn đường là sự lựa chọn một con đường để truyền một đơn vị dữ liệu(một gói tin chẳng hạn) từ trạm nguồn tới trạm đích của nó Một kỹ thuậtchọn đường phải thực hiện hai chức năng chính sau đây:

 Quyết định chọn đường tối ưu dựa trên các thông tin đã có về mạng tạithời điểm đó thông qua những tiêu chuẩn tối ưu nhất định

 Cập nhật các thông tin về mạng, tức là thông tin dùng cho việc chọnđường, trên mạng luôn có sự thay đổi thường xuyên nên việc cập nhật

 Phương thức chọn đường xử lý tại chỗ được đặc trưng bởi việc chọnđường được thực hiện tại mỗi nút của mạng Trong từng thời điểm, mỗi

nút phải duy trì các thông tin của mạng và tự xây dựng bảng chọnđường cho mình Như vậy các thông tin tổng thể của mạng cần dùngcho việc chọn đường cần cập nhập và được cất giữ tại mỗi nút.

Thông thường các thông tin được đo lường và sử dụng cho việc chọn đườngbao gồm:

 Trạng thái của đường truyền

 Thời gian trễ khi truyền trên mỗi đường dẫn

 Mức độ lưu thông trên mỗi đường

 Các tài nguyên khả dụng của mạng

Khi có sự thay đổi trên mạng (ví dụ thay đổi về cấu trúc của mạng do sự cốtại một vài nút, phục hồi của một nút mạng, nối thêm một nút mới hoặc thayđổi về mức độ lưu thông) các thông tin trên cần được cập nhật vào các cơ sở

dữ liệu về trạng thái của mạng

Hiện nay khi nhu cầu truyền thông đa phương tiện (tích hợp dữ liệu vănbản, đồ hoạ, hình ảnh, âm thanh) ngày càng phát triển đòi hỏi các công nghệtruyền dẫn tốc độ cao nên việc phát triển các hệ thống chọn đường tốc độ caođang rất được quan tâm

Tầng 4: Vận chuyển (Transport)

Tầng vận chuyển cung cấp các chức năng cần thiết giữa tầng mạng và cáctầng trên.nó là tầng cao nhất có liên quan đến các giao thức trao đổi dữ liệugiữa các hệ thống mở Nó cùng các tầng dưới cung cấp cho người sử dụng cácphục vụ vận chuyển

Tầng vận chuyển (transport layer) là tầng cơ sở mà ở đó một máy tính củamạng chia sẻ thông tin với một máy khác.Tầng vận chuyển đồng nhất mỗitrạm bằng một địa chỉ duy nhất và quản lý sự kết nối giữa các trạm.Tầng vậnchuyển cũng chia các gói tin lớn thành các gói tin nhỏ hơn trước khi gửi đi.Thông thường tầng vận chuyển đánh số các gói tin và đảm bảo chúng chuyểntheo đúng thứ tự

Tầng vận chuyển là tầng cuối cùng chịu trách nhiệm về mức độ an toàn trongtruyền dữ liệu nên giao thức tầng vận chuyển phụ thuộc rất nhiều vào bảnchất của tầng mạng Người ta chia giao thức tầng mạng thành các loại sau:

 Mạng loại A: Có tỷ suất lỗi và sự cố có báo hiệu chấp nhận được (tức làchất lượng chấp nhận được) Các gói tin được giả thiết là không bị mất.Tầng vận chuyển không cần cung cấp các dịch vụ phục hồi hoặc sắpxếp thứ tự lại

 Mạng loại B: Có tỷ suất lỗi chấp nhận được nhưng tỷ suất sự cố có báohiệu lại không chấp nhận được Tầng giao vận phải có khả năng phụchồi lại khi xẩy ra sự cố.

 Mạng loại C: Có tỷ suất lỗi không chấp nhận được (không tin cậy) hay

là giao thức không liên kết Tầng giao vận phải có khả năng phục hồilại khi xảy ra lỗi và sắp xếp lại thứ tự các gói tin

Trên cơ sở loại giao thức tầng mạng chúng ta có 5 lớp giao thức tầng vậnchuyển đó là:

 Giao thức lớp 0 (Simple Class - lớp đơn giản): cung cấp các khả năngrất đơn giản để thiết lập liên kết, truyền dữ liệu và hủy bỏ liên kết trênmạng "có liên kết" loại A Nó có khả năng phát hiện và báo hiệu các lỗinhưng không có khả năng phục hồi

 Giao thức lớp 1 (Basic Error Recovery Class - Lớp phục hồi lỗi cơbản) dùng với các loại mạng B, ở đây các gói tin (TPDU) được đánh

số Ngoài ra giao thức còn có khả năng báo nhận cho nơi gửi và truyền

dữ liệu khẩn So với giao thức lớp 0 giao thức lớp 1 có thêm khả năngphục hồi lỗi

 Giao thức lớp 2 (Multiplexing Class - lớp dồn kênh) là một cải tiến củalớp 0 cho phép dồn một số liên kết chuyển vận vào một liên kết mạngduy nhất, đồng thời có thể kiểm soát luồng dữ liệu để tránh tắc nghẽn.Giao thức lớp 2 không có khả năng phát hiện và phục hồi lỗi Do vậy

nó cần đặt trên một tầng mạng loại A

 Giao thức lớp 3 (Error Recovery and Multiplexing Class - lớp phục hồilỗi cơ bản và dồn kênh) là sự mở rộng giao thức lớp 2 với khả năngphát hiện và phục hồi lỗi, nó cần đặt trên một tầng mạng loại B

Giao thức lớp 4 (Error Detection and Recovery Class - Lớp phát hiện vàphục hồi lỗi) là lớp có hầu hết các chức năng của các lớp trước và còn bổsung thêm một số khả năng khác để kiểm soát việc truyền dữ liệu

Tầng 5: Giao dịch (Session)

Tầng giao dịch (session layer) thiết lập "các giao dịch" giữa các trạm trênmạng, nó đặt tên nhất quán cho mọi thành phần muốn đối thoại với nhau vàlập ánh xa giữa các tên với địa chỉ của chúng Một giao dịch phải được thiếtlập trước khi dữ liệu được truyền trên mạng, tầng giao dịch đảm bảo cho cácgiao dịch được thiết lập và duy trì theo đúng qui định

Tầng giao dịch còn cung cấp cho người sử dụng các chức năng cần thiết đểquản trị các giao dịnh ứng dụng của họ, cụ thể là:

 Điều phối việc trao đổi dữ liệu giữa các ứng dụng bằng cách thiết lập

và giải phóng (một cách lôgic) các phiên (hay còn gọi là các hội thoại dialogues)

- Cung cấp các điểm đồng bộ để kiểm soát việc trao đổi dữ liệu

 Áp đặt các qui tắc cho các tương tác giữa các ứng dụng của người sửdụng

 Cung cấp cơ chế "lấy lượt" (nắm quyền) trong quá trình trao đổi dữliệu

Trong trường hợp mạng là hai chiều luân phiên thì nẩy sinh vấn đề: hai người

sử dụng luân phiên phải "lấy lượt" để truyền dữ liệu Tầng giao dịch duy trìtương tác luân phiên bằng cách báo cho mỗi người sử dụng khi đến lượt họđược truyền dữ liệu Vấn đề đồng bộ hóa trong tầng giao dịch cũng được thựchiện như cơ chế kiểm tra/phục hồi, dịch vụ này cho phép người sử dụng xácđịnh các điểm đồng bộ hóa trong dòng dữ liệu đang chuyển vận và khi cầnthiết có thể khôi phục việc hội thoại bắt đầu từ một trong các điểm đó

Ở một thời điểm chỉ có một người sử dụng đó quyền đặc biệt được gọi cácdịch vụ nhất định của tầng giao dịch, việc phân bổ các quyền này thông quatrao đổi thẻ bài (token) Ví dụ: Ai có được token sẽ có quyền truyền dữ liệu,

và khi người giữ token trao token cho người khác thi cũng có nghĩa traoquyền truyền dữ liệu cho người đó

Tầng giao dịch có các hàm cơ bản sau:

 Give Token cho phép người sử dụng chuyển một token cho một người

sử dụng khác của một liên kết giao dịch

 Please Token cho phép một người sử dụng chưa có token có thể yêucầu token đó

 Give Control dùng để chuyển tất cả các token từ một người sử dụngsang một người sử dụng khác

Tầng 6: Trình bày (Presentation)

Trong giao tiếp giữa các ứng dụng thông qua mạng với cùng một dữ liệu cóthể có nhiều cách biểu diễn khác nhau Thông thường dạng biểu diễn dùngbởi ứng dụng nguồn và dạng biểu diễn dùng bởi ứng dụng đích có thể khácnhau do các ứng dụng được chạy trên các hệ thống hoàn toàn khác nhau (như

hệ máy Intel và hệ máy Motorola) Tầng trình bày (Presentation layer) phảichịu trách nhiệm chuyển đổi dữ liệu gửi đi trên mạng từ một loại biểu diễnnày sang một loại khác Để đạt được điều đó nó cung cấp một dạng biểu diễnchung dùng để truyền thông và cho phép chuyển đổi từ dạng biểu diễn cục bộsang biểu diễn chung và ngược lại

Tầng trình bày cũng có thể được dùng kĩ thuật mã hóa để xáo trộn các dữ liệutrước khi được truyền đi và giải mã ở đầu đến để bảo mật.Ngoài ra tầng biểudiễn cũng có thể dùng các kĩ thuật nén sao cho chỉ cần một ít byte dữ liệu đểthể hiện thông tin khi nó được truyền ở trên mạng, ở đầu nhận, tầng trình bàybung trở lại để được dữ liệu ban đầu.

Tầng 7: Ứng dụng (Application)

Tầng ứng dụng (Application layer) là tầng cao nhất của mô hình OSI, nó xácđịnh giao diện giữa người sử dụng và môi trường OSI và giải quyết các kỹthuật mà các chương trình ứng dụng dùng để giao tiếp với mạng

Để cung cấp phương tiện truy nhập môi trường OSI cho các tiến trình ứngdụng, Người ta thiết lập các thực thể ứng dụng (AE), các thực thể ứng dụng sẽgọi đến các phần tử dịch vụ ứng dụng (Application Service Element - viết tắt

là ASE) của chúng.Mỗi thực thể ứng dụng có thể gồm một hoặc nhiều cácphần tử dịch vụ ứng dụng Các phần tử dịch vụ ứng dụng được phối hợp trongmôi trường của thực thể ứng dụng thông qua các liên kết (association) gọi làđối tượng liên kết đơn (Single Association Object - viết tắt là SAO) SAOđiều khiển việc truyền thông trong suốt vòng đời của liên kết đó cho phéptuần tự hóa các sự kiện đến từ các ASE thành tố của nó

dữ liệu được gửi đi

 Khi dữ liệu đươc chuyển qua mỗi tầng ở bên nhận, tiêu đề được loại bỏlần lượt

 Khi việc truyền dữ liệu được thực hiện xong, kênh truyền thông đượcđóng lại (kết nối bị ngắt)

 Các tài nguyên truyền thông được giải phóng và quá trình xử lý đượchoàn thành

 Các tiêu đề được thêm vào bởi tầng (N) được gọi là tầng thông tin điềukhiển giao thức PCI tầng (N), và dữ liệu của người dùng tầng (N) đượcgọi là đơn vị dữ liệu dịch vụ SDU tầng (N) Dữ liệu gộp cả hai phầnđược gọi PDU tầng (N) (đơn vị dữ liệu giao thức) Có nghĩa PDU tầng(N) được hỗ trợ bởi SDU tầng (N-1)

Hình 1.14 : Hình chuẩn truyền thông Foudation Fieldbus

5.2 Ethernet:

Ethernet được phát triển bởi trung tâm nghiên cứu Palo Alto (PARC) thuộctập đoàn Xerox (Mỹ) được phát triển những năm 70 của thế kỷ 20.Ethernet sửdụng phương pháp truy cập mạng CSMA/CD.Có nhiều giao thức mạng đượcphát triển trên nền Ethernet nhưng phổ biến nhất vẫn là TCP (TransportControl Protocol).Ethernet công nghiệp (Industrial Ethernet) Ethernet côngnghiệp được phát triển theo hướng tận dụng những ưu điểm của Ethernet tốc

độ cao, giá thành thấp, dễ thực hiện và dễ khắc phục các nhược điểm của nó

là không đáp ứng yêu cầu thời gian thực và tính dự phòng

Hình 1.15 : Hình chuẩn truyền thông Ethernet

5.3 Profibus :

PROFIBUS (Process Field Bus) là kết quả của dự án nghiên cứu của 13công ty và 5 viện nghiên cứu do bộ công nghệ và nghiên cứu chlb Đức chủ trìnăm 1987 Mục tiêu của dự án là phát triển một mạng truyền thông kỹ thuật

số để thay thế cho truyền thông tương tự (Analog) 4-20mA trong điều khiểnquá trình công nghiệp PROFIBUS sử dụng phương pháp điều khiển truynhập Bus thẻ bài và truyền thông theo kiểu Master-Slave PROFIBUS sửdụng môi trường truyền dẫn là cáp xoắn hoặc cáp quang, có thể kết nối 124nút mạng trong một phân đoạn mạng, tốc độ tối đa là 12Mbps PROFIBUS cónhiều phiên bản như PROFIBUS-PA, PROFIBUS-FMS, PROFINET vàPROFIBUS-DP nhưng phiên bản sử dụng trong điều khiển phổ biến làPROFIBUS-DP

Hình 1.16 : Hình chuẩn truyền thông PROFIBUS DP

5.4. Modbus :

Modbus là một trong những giao thức trong hệ thống mạng công nghiệp vìtính đơn giản và độ tin cậy của nó Modbus thực chất là giao thức nằm ở lớpứng dụng của mô hình OSI, do đó Frame truyền của Modbus có thể truyềntrên các chuẩn khác nhau như : RS232, RS422, RS485 và Ethernet Trênnhững chuẩn truyền khác nhau mà ta có các loại :

 Modbus serial : Bao gồm Modbus RTU và Modbus ASCII đượctruyền trên các chuẩn truyền thông như : RS232, RS485, RSS422.

 Modbus TCP : truyền thông trên nền Ethernet

Hình 1.17 : Một mạng truyền thông MODBUS

5.5. Câu hỏi ôn tập :

Câu 1 : so sánh hệ thống SCADA và DCS giống và khác nhau điểm nào?khinào dùng hệ thống SCADA?

Câu 2 : Nêu tầm quang trọng của hệ mở trong nền công nghiệp hiện đại hóa?Câu 3 : Nêu các ví dụ về sử dụng các chuẩn truyền thông?chuẩn nào đượcdùng nhiều nhất và rộng rãi nhất hiện nay?

BÀI 2 NHIỄU VÀ GIẢI PHÁP XỬ LÝ

Mã bài: MĐ34-02 Giới thiệu:

Những tín hiệu nhiễu rất dễ nhận biết trong đời sống hiện đại trongchúng ta, nó gây ra nhiều tín hiệu tác hại làm ảnh hưởng lớn đến nhu cầu sinhhoạt và công nghiệp Trong bài này có nêu lên phương pháp khắc phục nhiễugiúp học sinh khắc phục được những sự cố về nhiễu

Mục tiêu:

- Hiểu các vấn đề cơ bản xử lý nhiễu trong truyền thông

- Vận dụng được kiến thức và các phương pháp hạn chế nhiễu

- Chủ động, sáng tạo an toàn cẩn thận trong quá trình học tập

Nội dung chính :

1 Giới thiệu:

Nhiễu là một tín hiệu ngẫu nhiên có mật độ phân bố công suất phẳngnghĩa là tín hiệu nhiễu có công suất bằng nhau trong toàn khoảng băng thông.Tín hiệu này có tên là nhiễu trắng vì nó có tính chất tương tự với ánh sángtrắng

Chúng ta không thể tạo ra nhiễu trắng theo đúng lý thuyết vì theo địnhnghĩa của nó, nhiễu trắng có mật độ phổ công suất phân bố trong khoảng tần

vô hạn và do vậy nó cũng phải có công suất vô hạn Tuy nhiên, trong thực tế,chúng ta chỉ cần tạo ra nhiễu trắng trong khoảng băng tần của hệ thống chúng

ta đang xem xét

Hình 2.1: Một tín hiện nhiễu

Lưu ý rằng nhiễu Gaussian (nhiễu có phân bố biên độ theo hàmGaussian) không phải là nhiễu trắng Từ "Gaussan" đề cập đến phân bố xácsuất đối với giá trị (độ lớn) trong khi từ "While" đề cập đến cái cách phân bốcông suất tín hiệu trong miền thời gian hoặc tần số

Ngoài nhiễu trắng Gaussian chúng ta còn có nhiễu trắng Poisson,Cauchy, Khi miên tả hệ thống bằng toán học chúng ta hay sử dụng nhiễuAWGN (additive white Gaussian noise) vì loại nhiễu này dễ tạo ra nhất.

2 Những sự cố thường gặp và cách giải quyết:

 Nhiễu trùng kênh : Là do nhiều thiết bị có tần số trùng nhau

 Nhiễu do xuyên điều chế: Là do sự kết hợp giữa hai hoặc nhiều tín hiệu

có tần số khác nhau khi truyền qua thiết bị phi tuyến và tạo ra những tínhiệu không mong muốn Những tín hiệu không mong muốn này gâynhiễu cho các đài vô tuyến điện khác

 Nhiễu tương thích điện từ trường (EMC): Là do thiết bị, hệ thống thiết

bị vô tuyến điện, điện, điện tử không hoạt động bình thường trong môitrường điện từ Một số can nhiễu EMC:

 Bức xạ từ các thiết bị ứng dụng trong công nghiệp, khoa học và y tế(ISM) gây nhiễu cho các thiết bị

 Bức xạ do không bảo đảm kỹ thuật tại các điểm tiếp xúc giữa đườngdây tải điện không bao bọc và các trụ sứ gây nhiễu cho các mạngđường đay điện đặt gần

 Bộ khuyến đại tín hiệu (booster) gây nhiễu cho mạng

 Nhiễu do các phát xạ không mong muốn ( bao gồm phát xạ ngoài băng

và phát xạ giả) : Là do các thiết bị phát sóng vô tuyến điện phát cácphát xạ ngoài băng không đáp ứng các qui chuẩn kỹ thuật về phát xạkhông mong muốn, các phát xạ ngoài băng này gây nhiễu cho các thiết

bị khác

3 Nhiễu và các giải pháp xử lý:

3.1 Nguồn gốc của nhiễu điện:

- Nhiễu là đại lượng vật lý không mong muốn tác động lên đối tượng

- Nguồn nhiễu có thể là bất cứ tín hiệu nào

- Đại lượng này có thể là nhiễu đối với đối tượng và sự việc này, không

là nhiếu đối với sự việc kia

- Nhiễu có độ lớn và pha là khác nhau và ngẫu nhiên

 Nhiễu điện từ: nguồn nhiễu xuất phát từ các nguồn điện từ khác nhau từ

các phát sóng Radio, truyên hình, các nguồn sóng điện thoại ở dải sóngcao và rộng Các nguồn số như ánh sáng, các rơle, motor, nguồn phóng xạ,nguồn tần số thấp như điện áp cao của truyền dẫn điện

Ba vấn đề chính của nhiễu điện từ

- Nguồn phát

- Truyền dẫn

- Lưu lượng đến 1Gbits/s

- Đối với các hệ thống thương phẩm có thể đạt tới 1 đến 50 Gbits/s vớicác đường truyền đến 10Km

3.4 Yêu cầu nối đất :

Các dạng nối đất cơ bản

- Nguồn cách điện với đất

- Tải cách điện với đất

- Nối đất nối tiếp

- Nối đất hình sao

Hình 2.3: Các kiểu nối đất

3.5 Kỹ thuật triệt nhiễu

- Nhiễu cáp truyền cảm ứng điện dung

Hình 2.4: Kỹ thuật triệt nhiễu bằng điện dung

- Bảo vệ chống cảm ứng điện dung

Hình 2.5: Bảo vệ chống cảm ứng điện dung

- Chống nhiễu bọc kim bằng 1 màn chắn:

Hình 2.6: chống nhiễu bọc kim bằng một màn chắn

- Cảm ứng ở thanh của bọc kim:

Hình 2.7: Cảm ứng thanh của bọc kim