Giáo trình mạng truyền thông công nghiệp

Mặt khác mạng truyền thông trong công nghiệp cũng có những đặc thù riêng, có thể phân biệt chúng với mạng thông tin quảng đại thông qua một số khía cạnh sau: - Phạm vi hoạt động - Yêu cầ

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN

TRƯỜNG CAO ĐẲNG CƠ ĐIỆN HÀ NỘI

Giỏo trỡnh Mạng truyền thụng cụng nghiệp

chơng 1

Lý thuyết chung về mạng truyền thông

trong công nghiệp

1 Tổng quan chung

1.1 Giới thiệu về mạng truyền thông trong công nghiệp

Do đặc thù của các ngành công nghiệp mà đã tạo ra nhiều loại mạng truyền thông khác nhau Mặt khác mạng truyền thông trong công nghiệp cũng có những đặc thù riêng, có thể phân biệt chúng với mạng thông tin quảng đại thông qua một số khía cạnh sau:

- Phạm vi hoạt động

- Yêu cầu về độ tin cậy khi truyền

Ưu điểm của sử dụng mạng truyền thông trong công nghiệp:

- Thay thế đợc hoàn toàn các hệ thống truyền cũ nh: 0-20mA, 0-10V

- Cho phép làm việc với các sản phẩm của nhiều nhà sản xuất khác nhau.

- Là hệ thống mở, đồng thời cho phép hiệu chỉnh điều khiển từ phòng điều khiển trung tâm

- Hệ thống hoạt động với độ tin cậy cao hơn

- Độ mềm dẻo gần nh không có giới hạn.

- Giá thành thấp.

- Lợng thông tin truyền tải lớn

1.2 Mô hình phân cấp trong mạng truyền thông công nghiệp

Để có cái nhìn tổng thể về mạng truyền thông trong công nghiệp, hãy xem mô hình phân cấp để thấy các đặc trng, cũng nh chức năng nhiệm vụ của của từng cấp.

Giỏo trỡnh Mạng truyền thụng cụng nghiệp

Quản líkinh tế PC PC

PC - Personal ComputerHIS -Human Interface StationFCS - Field Control Station

S - Sensor

A - Actuator

Quản lí kỹthuật

S A S S A

Hình 1.1 Mô hình phân cấp các hệ thống mạng trong công nghiệp

Cấp hiện trờng:

Đây là cấp nằm tại hiện trờng và tất nhiên cấp này nằm sát với dây chuyền sản xuất nhất Các thiết bị chính trong cấp này là sensor và cơ cấu chấp

hành, chúng có thể đợc nối mạng trực tiếp hoặc thông qua đờng Bus để

nối với cấp trên (cấp điều khiển).

Hệ thống Bus dùng để kết nối các thiết bị ở cấp hiện trờng với cấp điều

khiển gọi là Bus trờng (fieldbus), trong thực tế hệ thống Bus này đòi hỏi cần có đáp ứng thời gian thực trong các cuộc trao đổi thông tin, một đặc trng của các cuộc trao đổi tin trong cấp trờng là các bản tin thờng có

chiều dài không lớn

Các sensor và cơ cấu chấp hành đợc nối trên đờng Bus có thể là các thiết

bị thông minh hoặc cũng có thể là các thiết bị thông thờng có xử dụng

thêm các bộ chuyển đổi giao thức tơng thích.

Điển hình của Bus trờng là: Profibus-DP, Profibus-PA, Can, Foundation Fielbus, DeviceNet.

Giỏo trỡnh Mạng truyền thụng cụng nghiệp

Cấp điều khiển:

Cấp này bao gồm các trạm điều khiển hiện trờng (FCS), các bộ điều khiển logic lập trình (PLC), các thiết bị quan sát Chức năng thu thập các tín hiệu từ hiện trờng, thực hiện điều khiển cơ sở, điều khiển logic, tổng hợp dữ liệu

Các thiết bị ở cấp này đợc kết nối với nhau và kết nối với các thiết bị ở cấp trên (cấp điều khiển giám sát) thông qua Bus hệ thống, thực tế các bản tin trao đổi trên Bus hệ thống cũng đòi hỏi tín năng thời gian thực cao, mặt khác đặc thù của các bản tin là chiều dài lớn hơn nhiều so với các bản tin trao đổi trên Bus trờng

Điển hình của Bus hệ thống là: Profibus-FMS, ControlNet, Industrial Ethernet.

Cấp điều khiển giám sát:

Các thiết bị trong cấp này bao gồm các trạm giao tiếp ngời máy HIS, các trạm thiết kế kỹ thuật EWS, và các thiết bị phụ trợ khác Chức năng của cấp này là thực hiện điều khiển quá trình (Process Control), thực hiện các thuật toán điều khiển tối u

Việc kết nối các thiết bị ở cấp này với các thiết bị ở cấp trên (cấp quản lí kỹ thuật) đợc thực hiện thông qua mạng Ethernet, thực chất đây là một mạng cục bộ LAN, với tính năng trao đổi thông tin không nhất thiết trong thời gian thực,

Cấp quản lí kỹ thuật và cấp quản lí kinh tế:

Thực chất các cấp này rất quan trọng đối với các hoạt động của công ty, tuy nhiên yêu cầu về tốc độ trao đổi thông tin cũng nh đòi hỏi về thời gian

thực là không cao, chức năng của các cấp này là quản lí tình trạng hoạt

động của các thiết bị trong toàn hệ thống cũng nh hoạch định chiến lợc phát triển sản xuất dựa trên tình trạng của thiết bị

Một số giao thức dùng trong các hệ thống mạng này là Fast Ethernet, TCP/IP

2 Cơ sở thực hiện mạng truyền thông trong công nghiệp

2.1 Mô hình tham chiếu OSI (Open Systems Interconnection)

- 1983 tổ chức tiêu chuẩn hoá quốc tế ISO (International Standards Organization) đã đa ra 1 kiến trúc giao thức với chuẩn ISO 7498 đợc gọi là mô hình tham chiếu OSI, nhằm hỗ trợ việc xây dựng các hệ thống truyền thông có khả năng giao tiếp với nhau.

Giỏo trỡnh Mạng truyền thụng cụng nghiệp

- Chuẩn này không đa ra quy định nào về cấu trục một bản tin, và cũng

không định nghĩa một chuẩn dịch vụ cụ thể nào OSI chỉ là một mô hình

kiến trúc phân lớp với mục đích phục vụ việc xắp xếp và đối chiếu các

hệ thống truyền thông có sẵn, trong đó bao gồm việc so sánh đối chiếu

các giao thức và dịch vụ truyền thông, cũng nh làm cơ sở cho phát triển

hệ thống.

Lớp ứng dụng

Lớp biểu diễn dữ liệu

Lớp kiểm soát nối

Lớp ứng dụng

Lớp biểu diễn dữ liệu

Lớp kiểm soát nối

- Theo các chuẩn truyền dẫn: áp hoặc dòng

- Theo phơng thức mã hoá tín hiệu

- Theo giao diện cơ học (cáp hoặc giắc cắm)

 Lớp liên kết dữ liệu (Data Link Layer)

Lớp này đợc định nghĩa nh sau:

- Protocol phù hợp với việc truy cập mạng theo các bản tin nhận và gửi.

- Chia các khối dữ liệu lớn thành các khung định dạng dữ liệu.

Cả hai lớp này đợc gọi là lớp phần cứng, trong mạng cục bộ lớp này đợc

chia làm 2 lớp con: lớp điều khiển truy nhập môi trờng ( MAC – Media

Access Control) và lớp điều khiển liên kết logic (LLC – Logical Link

Control) Trong một số hệ thống lớp này có thể đảm nhiệm thêm chức năng

nh kiểm soát lu thông và đồng bộ hoá việc chuyển giao các khung dữ

liệu.

Giỏo trỡnh Mạng truyền thụng cụng nghiệp

 Lớp mạng (Network Layer)

Lớp này đợc định nghĩa nh sau:

- Truyền thông tin tối u trên mạng.

- Điều khiển các thông điệp trạng thái để gửi chúng tới các thiết bị khác trong mạng.

 Lớp vận chuyển (Transport Layer)

Lớp này đợc định nghĩa nh sau:

- Quản lý địa chỉ của thiết bị trên mạng

- Định vị các đối tác truyền thông thông qua địa chỉ.

- Đồng bộ hoá giữa các đối tác.

- Xử lí lỗi và kiểm soát dòng thông tin.

 Lớp kiểm soát nối (Session Layer)

Chức năng của lớp này là kiểm soát mối liên kết truyền thông giữa các chơng trình ứng dụng, bao gồm việc tạo lập, quản lí và kết thúc các đờng nối giữa các ứng dụng của đối tác.

 Lớp biểu diễn dữ liệu (Presentation Layer)

Chức năng của lớp này là chuyển đổi các dạng biểu diễn dữ liệu khác nhau

về cú pháp thành dạng chuẩn, để các đối tác truyền thông khác nhau có thể giao tiếp với nhau.

 Lớp ứng dụng (Application Layer)

Có chức năng cung cấp các dịch vụ cao cấp (dựa trên cơ sở các giao thức cao cấp) cho ngời sử dụng và các chơng trình ứng dụng Các dịch vụ ở

lớp này chủ yếu đợc thực hiện bằng phần mềm.

2.2 Cấu trúc mạng (Topology)

Trớc khi trình bày về cấu trúc mạng hãy xem xét khái niệm liên kết

Liên kết:

Là mối liên hệ vật lý hoặc logic giữa hai hay nhiều đối tác truyền thông.

Với liên kết vật lý các đối tác là các trạm truyền thông đợc liên kết với

nhau qua một môi trờng vật lý Liên kết logic vó thể hiểu nh sau: Đối tác truyền thông không nhất thiết phải là một thiết bị phần cứng mà có thể là một chơng trình hệ thống hay một chơng trình ứng dụng trên một trạm

nên quan hệ giữa các đối tác này chỉ có tính logic Tơng ứng với một đối

tác vật lý thờng có nhiều đối tác logic và tất nhiên nhiều mối liên kết logic

đợc xây dựng trên cơ sở một mối liên lết vật lý.

Các loại liên kết:

Giỏo trỡnh Mạng truyền thụng cụng nghiệp

- Liên kết điểm - điểm (Point to Point) : Mối liên kết này chỉ có 2 đối tác thạm gia, về mặt vật lý hai tạm đợc nối với nhau bởi một đờng truyền.

Để thực hiện một mạng truyền tin dựa trên liên kết này sẽ là tập hợp của nhiều đờng dây độc lập.

- Liên kết điểm – nhiều điểm (multi – drop): Nhiều trạm đợc nối chung với một trạm chủ (master) Nh vậy các đối tác sẽ đợc nối chung vào một đờng dây

- Liên kết nhiều điểm – nhiều điểm (multi – point): nhiều đối tác tham gia và thông tin đợc trao đổi theo nhiều hớng Cũng tơng tự liên kết

điểm – nhiều điểm với liên kết này các đối tác cũng đợc nối trên cùng một đờng dây.

Định nghĩa: Cấu trúc mạng là tổng hợp của các mối liên kết.

Cấu trúc mạng cũng hiểu là cách sắp xếp, tổ chức về mặt vật lý của mạng nhng cũng hiểu là cách sắp xếp logic của các nút mạng.

Hình 1.3 Sơ đồ Topology đầy đủ (Full)

Với cấu trúc đầy đủ này thì sự giao tiếp giữa các trạm là nhanh, một

đối tác bị sự cố sẽ không ảnh hởng tới các đối tác còn lại nhng cấu trúc

này giá thành cao do tốn kém dây dẫn

+ Topology hình sao:

A

D F

E

Hình 1.4 Sơ đồ topology hình sao

Giỏo trỡnh Mạng truyền thụng cụng nghiệp

Các đối tác trao đổi thông tin với nhau thông qua một trạm chủ, tuy nhiên một sự cố của trạm chủ sẽ dẫn đến sự tê liệt của toàn hệ thống do đó trạm chủ đòi hỏi phải có độ tin cậy cao.

+ Topology vòng lặp

B A

C D

Hình 1.5 Sơ đồ topology kiểu vòng loop

Trong cấu trúc này các thành viên đợc nối với nhau tạo thành mạch vòng

khép kín, tín hiệu đợc truyền đi theo chiều cố định u điểm của phơng

pháp này là mỗi nút mạng có thể là bộ khuếch đại điều đó khiển cho khoảng cách đối với cấu trúc này có thể là rất xa Mặt khác mỗi đối tác

ngăn mạch vòng làm hai phần nên khả năng sảy ra xung đột sẽ giảm do tín hiêụ chỉ đợc truyền đi theo một chiều.

Giỏo trỡnh Mạng truyền thụng cụng nghiệp

Hình 1.8 Cấu trúc cây

Cấu trúc cây là tổng hợp của nhiều liên kết với các cấu trúc nh

đờng thẳng, sao, mạch vòng Đây là cấu trúc thờng gặp trong thực tế.

2.3 Môi trờng truyền dẫn

2.3.1 Các đặc tính của môi trờng truyền dẫn

Môi trờng truyền dẫn là môi trờng mà tín hiệu thông tin truyền qua (thực chất đó là đờng truyền) Môi trờng truyền dẫn có ảnh hởng

lớn tới tốc độ truyền dẫn, chất lợng đờng truyền Ta xét các đặc tính sau:

 Dung lợng truyền của môi trờng truyền dẫn đợc tính theo công thức

sau:

Uk = Tk*Fk*Hk

ở đó: Tk - Thời gian trong đó có mặt tín hiệu truyền đi

Fk – Khoảng tần số làm việc của kênh

Hk - Đặc tính chỉ rõ sự tăng công suất tín hiệu Pth so với công suất nhiễu Pnh trong kênh

Ngời ta còn gọi Uk là khả năng truyền của môi trờng truyền dẫn

 Tốc độ truyền thông tin:

V=I/T

ở đó: I – Lợng thông tin truyền

T – Thời gian truyền lợng thông tin I

2.3.2 Các loại môi trờng truyền dẫn

a) Đờng hai dây hở.

Giỏo trỡnh Mạng truyền thụng cụng nghiệp

Là loại môi trờng truyền dẫn đơn giản, hai dây dẫn đợc cách li với

nhau bằng khoảng không Loại này có thể nối các thiết bị với chiều dài không lớn lắm và tốc độ truyền không quá 19.2 Kbis/s Đờng dây này

đợc ứng dụng trong truyền số liệu giữa các DTE và DCE.

Nhợc điểm của loại dây này là chịu tác động của nhiễu xuyên âm,

ngoài ra cấu trúc hở khiến nó nhạy cảm với nhiễu gây ra bởi các nguồn bức xạ, đó cũng chính là lí do khiến cho môi trờng truyền dẫn này hạn chế về tốc độ và chiều dài dây dẫn.

b) Cáp đôi dây xoắn

Đây là môi trờng truyền dẫn có tính lịch sử trong truyền số liệu và

hiện này nó vẫn là môi trờng truyền dẫn đợc dùng rất phổ biến Nó đợc

phát minh cùng thời với điện thoại, và giá thì tơng đối rẻ tiền

Cáp dây đôi xoắn có thể loại trừ tốt hơn Trong một cáp có nhiều cặp dây xoắn vào nhau Một đôi dây xoắn bao gồm hai sợi dây đợc quấn cách

li ôm vào nhau do cấu trúc nh thế mà trờng điện từ của hai dây sẽ trung

hoà lẫn nhau, mặt khác dây tín hiệu và dây đất xoắn vào nhau giúp cho tín hiệu giao thoa đợc cả hai dây thu nhận, không làm ảnh hởng lên tín hiệu

vi sai Chính vì vậy mà nhiễu ra môi trờng xung quanh và nhiễu xuyên âm giảm thiểu đáng kể.

Hình 1.9 Cấu tạo của cáp đôi dây xoắn

Đờng dây xoắn đôi thích hợp với thiết bị điều khiển đờng dây và mạch thu riêng, sử dụng tốc độ bit dới 1 Mbps cho khoảng cách từ vài m

đến 15Km và tốc độ bit thấp hơn cho khoảng cách dài hơn Điển hình của cáp đôi dây xoắn là việc ứng dụng trong các hệ thống truyền thông sử dụng chuẩn RS485 với tốc độ truyền thông thờng là 64Kb/s và 96Kb/s

Tuy vậy cáp đôi dây xoắn có nhợc điểm là chịu ảnh hởng của nhiễu

kí sinh và hiện tợng can nhiệt (couplage)

Có 2 loại cáp xoắn đôi: Cáp xoắn đôi không bọc kim (UTP – Unshielded Twisted Pair) dùng rộng rãi trong mạng điện thoại và trong nhiều ứng dụng truyền số liệu; cáp xoắn đôi bọc kim (STP – Shielded Twisted Pair), có một màn chắn để bảo vệ giảm ảnh hởng của tín hiệu giao thoa.

Giỏo trỡnh Mạng truyền thụng cụng nghiệp

c) Cáp đồng trục

Hạn chế chính của cáp xoắn đôi gây ra bởi hiệu ứng bề mặt Khi tốc độ bit (cũng là tần số) của tín hiệu truyền dẫn tăng lên thì luồng chảy của dòng

điện trong dây chỉ ở trên bề mặt, do vậy sử dụng ít hơn tiết diện sẵn có, dẫn

đến sự tăng điện trở của dây đối với tín hiệu cao tần, làm tăng suy hao.

Ngoài ra, ở tần số cao, năng suất tín hiệu bị mất mát nhiều hơn do hiệu ứng bức xạ Vì vậy, với những ứng dụng đòi hỏi tốc độ bit cao hơn 1 Mbps, cần phải có thiết bị điện tử thu và điều khiển tinh vi hơn hoặc sử dụng một môi trờng truyền dẫn khác.

Cáp đồng trục làm giảm tối thiểu hai hiệu ứng trên Cáp có chất dẫn

điện ở chính giữa trục và bao quanh trục cũng là chất dẫn điện Khoảng

giữa hai lớp chất dẫn điện thờng đợc làm đầy bởi chất cách điện rắn hoặc cấu trúc tổ ong.

Lớp dẫn điện Lớp cách điện

Hình 1.10 Cấu tạo của cáp đồng trục

Chất dẫn điện ở giữa là màn chắn hữu hiệu với tín hiệu nhiễu bên ngoài Sự tổn hao tín hiệu rất nhỏ gây ra do bức xạ điện từ và hiệu ứng bề mặt Cáp

đồng trục có thể sử dụng với nhiều kiểu tín hiệu khác nhau, tốc độ điển

hình là 10Mbps.

Cáp đồng trục đợc sử dụng rộng rãi, chế độ hoạt động có thể sử dụng dải cơ sở (BaseBand) hoặc dải rộng (BroadBand) Với BaseBand toàn bộ hiệu suất đờng truyền đợc dành cho một kênh truyền thông duy nhất trong khi

đó BroadBand thì sử dụng cho 2 hoặc nhiều kênh cùng phân chia dải thông của đờng truyền Chúng đợc minh hoạ trên hình 3.10.

Giỏo trỡnh Mạng truyền thụng cụng nghiệp

Hình 1.11 Minh hoạ dải cơ sở và dải rộng

- Phơng thức truyền dải cơ sở có thể truyền đợc cả tín hiệu tơng tự

Với điều chế dải rộng cáp đồng trục khá nhạy cảm với nhiễu tần số thấp, hệ

số chống nhiễu từ 50dB đến 60 dB Trong trờng hợp điều chế dải rộng thì kém nhạy cảm hơn, hệ số chống nhiễu từ 80dB đến 100dB.

d) Sợi quang

Đây là môi trờng truyền dẫn đang đợc xử dụng rộng rãi trong công nghiệp bởi các u điểm sau:

- Dung lợng truyền lớn

- Tính bảo mật tín hiệu khi truyền cao

- Trọng lợng nhẹ (đặc biệt thích hợp với kỹ thuật hàng không)

- Khả năng chống nhiễu tốt

- Tốc độ truyền cao (có thể lên đến hàng trăm Mb/s)

- Không bị ăn mòn trong các môi trờng oxi hoá

Chúng ta hãy xét một số các vấn đề lí thuyết trớc khi xem xét sợi quang

+ Bản chất và các đặc trng của sóng ánh sáng

* Bản chất sóng ánh sáng

- ánh sáng cờng độ lớn không phải bao gồm những lợng tử năng lợng

lớn mà gồm rất nhiều lợng tử lan truyền Bản chất của sóng ánh sáng có cả tính chất sóng và tính chất hạt Tốc độ lan truyền của sóng ánh sáng là 3.108m/s trong chân không

Giỏo trỡnh Mạng truyền thụng cụng nghiệp

- Khi nghiên cứu các phần tử thu quang ngời ta xử dụng các đặc tính hạt

của nó Khi nghiên cứu quá trình lan truyền của cáp quang trên sợi quang ngời ta lại quan tâm đến tính chất sóng của nó.

* Các đặc trng cơ bản

+ Dải phổ bức xạ quang học Đặc trng cơ bản của các nguồn bức xạ điện

từ là dải phổ bức xạ quang học hay dải bớc sóng tơng ứng:

+ Đặc tính không kết hợp: Khi các nguồn bức xạ hoạt động, từng nguyên tử

sẽ bức xạ ngẫu nhiên các xung ánh sáng, Mỗi xung ánh sáng chứa đựng

một dao động riêng Các xung ánh sáng chỉ tồn tại trong 1 thời gian ngắn (18-8) và đi đợc khoảng 3m Sau đó các nguyên tử ngừng bức xạ trong một thời gian dài, trong thời gian đó các nguyên tử khác lại bức xạ và nó tạo ra

ánh sáng liên tục.

Do các nguyên tử nên pha của chúng là ngẫu nhiên, do đó không thể có

hiện tợng giao thoa trong một thời gian dài và ngời ta gọi đó là đặc tính

+ Cấu tạo sợi quang

Cáp sợi quang gồm một sợi thuỷ tinh đơn cho mỗi tín hiệu đợc truyền,

nằm trong vỏ bọc ngăn ánh sáng bên ngoài Tín hiệu ánh sáng sinh ra bởi máy phát quang Máy phát quang thực hiện sự chuyển đổi từ điện sang quang Tơng tự, máy thu quang thực hiện chức năng ngợc lại tại đầu cuối thu Máy phát quang sử dụng LED hoặc ILD, máy thu quang sử dụng diode quang hoặc transistor quang để thực hiện các chuyển đổi.

Giỏo trỡnh Mạng truyền thụng cụng nghiệp

Hình 1.12 Nguyên lí làm việc của cáp quang

Trong sợi quang đa mode chiết suất bậc, vật liệu chế tạo vỏ và lõi khác nhau nhng chiết suất là đồng nhất Các tia sáng do diode phát ra với góc nhỏ hơn góc tới hạn sẽ đợc phản xạ toàn phần tại giao diện lõi – vỏ và lan truyền dọc theo lõi bằng cách phản xạ nhiều lần Các tia sáng phát ra tại diode với góc khác nhau sẽ truyền đi với thời gian khác nhau, dẫn đến tín hiệu thu có độ rộng xung lớn hơn tín hiệu vào, làm giảm tốc độ bit.

+ Phân loại sợi quang

Theo đặc tính truyền dẫn ngời ta chia sợi quang thành 2 loại: Sợi SM và sợi MM

- Sợi SM (Single Mode): đợc hiểu là một trạng thái dao động điện từ

ứng với nghiệm cao của phơng trình sóng Số lợng các Mode có quan hệ với sóng điện từ đơn thoả mãn các phơng trình Maxwell và

điều kiện bờ lấy từ sợi quang.

- Sợi MM (Multiple Modes): Đợc hiểu là có đồng thời nhiều Mode.

Sợi MM có đờng kính dk lớn hơn sợi SM

Có thể hiểu Mode là các tia sáng thành phần.

Theo sự thay đổi của chiết suất mà ngời ta phân sợi quang thành một số loại sau:

- Sợi SI-MM (Step Index – Multiple Modes)

- Sợi GI-MM (Granded Index – Multiple Modes)

- Sợi SI-SM (Step Index – Single Mode)

 Đồ thị sau chỉ ra sự liên hệ giữa tốc độ truyền và khoảng cách truyền của cáp đôi dây xoắn, cáp đồng trục và cáp quang

Giỏo trỡnh Mạng truyền thụng cụng nghiệp

V(Mb/s)

100

101

Cáp quangCáp đồng trục0.1 Cáp đôi dây xoắn

L(km)

Hình 1.13 Đồ thị liên hệ giữa tốc độ truyền và khoảng cách truyền của cáp

đôi dây xoắn, cáp đồng trục và cáp quang

e) Vệ tinh

Ngoài môi trờng hữu tuyến, số liệu còn có thể đợc truyền bằng cách dùng sóng vô tuyến qua không gian nh hệ thống vệ tinh Số liệu đợc điều chế bởi một chùm sóng cực ngắn hình nón, phát từ mặt đất lên vệ tinh Chùm tia này đợc thu và truyền đến đích đã định bằng cách dùng 1 antenna định hớng và bộ chuyển tiếp Một vệ tinh đơn có nhiều bộ chuyển tiếp nh vậy, mỗi bộ tiếp nhận một dải tần số riêng Một kênh vệ tinh điển hình có băng thông lớn (500MHz) và có thể cung cấp hàng trăm kênh số liệu tốc độ cao bằng cách dùng kỹ thuật ghép kênh.

Vệ tinh dùng cho mục đích liên lạc thờng là vệ tinh địa tĩnh Ngời ta chọn quỹ đạo của vệ tinh để cung cấp một tuyến thông tin tầm nhìn thẳng giữa trạm phát và thu.

Giỏo trỡnh Mạng truyền thụng cụng nghiệp

Nếu ứng dụng yêu cầu khu vực bao phủ rộng lớn, cần phải sử dụng nhiều trạm gốc Khu vực bao phủ của mối trạm gốc bị giới hạn do giới hạn công suất phát, vì vậy mỗi trạm gốc chỉ cung cấp vừa đủ kênh phục vụ cho toàn bộ tải trong khu vực đó Có thể đạt đợc vùng phủ sóng lớn hơn bằng cách sắp xếp nhiều trạm gốc theo cấu trúc tế bào Thực tế, kích thớc tế bào thay đổi và đợc xác định bởi các yếu tố nh mật độ đầu cuối và địa thế địa phơng.

Mỗi trạm gốc hoạt động sử dụng một dải tần khác với trạm lân cận Tuy nhiên, vì phủ sóng của mỗi trạm gốc bị giới hạn nên có thể sử dụng lại dải tần của các vùng khác trong mạng Các trạm gốc đợc kết nối đến mạng

cố định Thông thờng, tốc dộ truyền số liệu giữa các máy tính trong một tế bào là 10Kbps.

2.4 Các phơng pháp truy nhập đờng 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 đợc gửi thông tin đi,

rõ ràng cần thiết phải có phơng pháp thích hợp để phân chia thời gian gửi dữ liệu trên đờng truyền.

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

- Độ tin cậy khi truyền thông tin

- Tính năng thời gian thực

- Hiệu suất sử dụng đờng truyền.

Giỏo trỡnh Mạng truyền thụng cụng nghiệp

Ngời ta đa ra các phơng pháp truy nhập đờng truyền nh sau:

2.4.1.Phơng pháp truy cập Master/ Slave

Với phơng pháp truy nhập này, trạm chủ sẽ đợc quyền phân chia thời gian truy cập đờng truyền cho các trạm tớ hình 3.15.

Master

Hình 1.15 Truy cập Master/slave

Trạm chủ có thể gửi các yêu cầu tuần tự đến các trạm tớ hoặc có thể chỉ

định trạm tớ bất kỳ theo mục đích truy nhập.

Ưu điểm của phơng pháp này là cấu trúc mạng đơn giản, nhng 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 đờng truyền trong phơng pháp này là không cao.

2.4.2 Phơng pháp truy cập Token Passing

Cấu trúc của một token nh sau:

Start

1 byte

Access control End delimiter

1 byte 1 byte

Hình 1.16 Định dạng của 1 token

Token Passing là 1 khung truyền có cấu trúc đặc biệt với các thông tin dữ liệu chính, nó đợc sử dụng nh thẻ bài có thể tác dụng trao quyền gửi

thông tin khi một trạm nào đó có đợc thẻ bào này Việc gửi thẻ bài đợc

thực hiện theo 1 chu trình định sẵn Đối với các mạng có cấu trúc khép kín ngời ta đa ra khái niệm Token rinh Sơ đồ nh sau:

Giỏo trỡnh Mạng truyền thụng cụng nghiệp

Unit 1 Unit 2 Unit 3 Unit 4

Unit 3: bị lỗi Unit 8 Unit 7 Unit 6 Unit 5

Hình 1.17 Phơng pháp truy nhập Token Ring

Unit 8 Unit 7 Unit 6 Unit 5

Hình 1.18 Phơng pháp truy nhập Token bus

Một trạm đang giữ Token không những có quyền giữ thông tin đi mà còn có thể kiểm soát thông tin của các trạm khác Nếu thấy trạm chuẩn bị nhận Token bị lỗi nó sẽ không giữ Token cho trạm này, hoặc nếu token không đợc gửi (có nghĩa là trạm token bị lỗi) thì 1 trạm nào đó sẽ tự tạo ra token để đảm bảo hoạt động của hệ thống là thông suốt.

2.4.3 CDMA/ CD(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)

Trong phơng pháp này, các trạm đều đợc truy nhập bus mà không có

1 sự kiểm soát nào Nguyên tắc hoạt động đợc mô tả nh sau:

+ Mỗi trạm đều cảm nhận đờng truyền (carier sense), chỉ khi đờng truyền rỗi thì mới đợc truyền thông tin trên đó.

Giỏo trỡnh Mạng truyền thụng cụng nghiệp

+ Do độ trễ của sự lan truyền mà vẫn xảy ra trờng hợp lặp 2 hay nhiều

trạm cùng đa thông tin lên đờng truyền (hình ) và khi phát các trạm này vẫn phải cảm nhận xem có xảy ra xung đột không (Collision Detection)

Hình 1.19 Nhiều trạm nhận cùng gửi thông tin lên đờng truyền

+ Khi hai hay hiều trạm nhận cùng đa thông tin lên đờng truyền (tức xung đột xảy ra) thì các trạm này đều phải huỷ bỏ bản tin gửi của mình (hình )

Hình 1.20 Các thông báo gửi bị huỷ bỏ

+ Chờ trong thời gian ngẫu nhiên các trạm này sẽ gửi lại thông báo

Hình 1.21 Trạm n1 gửi thông báo

Thực tế việc phát hiện xung đột đợc thực hiện bằng cách so sánh tín hiệu phát và tín hiệu phản hồi Trong trờng hợp có xung đột thì các trạm này lập tức không phát nữa, và các trạm nhận thì không nhận đợc byte kết thúc của khung truyền nên coi nh thông báo này bị huỷ bỏ.

Giỏo trỡnh Mạng truyền thụng cụng nghiệp

Ưu điểm của phơng pháp này là đơn giản và linh hoạt nhng không

phù hợp với các hệ thống mạng cấp thấp do tính không ổn định về thời gian

đáp ứng.

2.4.4 CSMA/ CA (Carrier Sense Multiple with Collision Avoidance)

Phơng pháp này cũng giống phơng pháp CSMA/ CD, nhng chúng

sử dụng phơng pháp mã hoá bit thích hợp để khi xảy ra xung đột 1 tín hiệu này sẽ lấn át tín hiệu kiểm tra Ví dụ:

Hình 1.22 Nguyên lí hoạt động của CDMA/CA

Phơng pháp này ra đời đã cải thiện đợc tính năng thời gian thực mà phơng pháp CSMA/ CD gặp phải.

2.5 Các giao thức công nghiệp (Industrial Protocol)

2.5.1 Khái niệm giao thức (Protocol)

+ Trong quá trình trao đổi thông tin trên mạng, các đối tác truyền thông cần thiết phải tuân theo các quy tắc thủ tục chung để phục vụ cho việc giao tiếp gọi là giao thức, giao thức chính là cơ sở cho việc thực hiện và sử dụng các dịch vụ truyền thông.

+ Quy định một giao thức bao gồm các phần sau:

- Khởi tạo: Phần này khởi tạo các thông số của giao thức và bắt đầu

truyền dữ liệu trên đờng truyền

Giỏo trỡnh Mạng truyền thụng cụng nghiệp

- Tạo khung và đồng bộ khung: Phần này định nghĩa thời điểm khởi đầu

và thời điểm kết thúc của khung để bên nhận có thể đồng bộ dữ liệu khi nhận.

- Điều khiển luồng dữ liệu: để đảm bảo rằng với tốc độ này thì bên thu có

thể nhận số liệu mà không bị thiếu.

- Điều khiển truy cập đờng truyền: ứng dụng truyền bán song công

- Sửa lỗi: Các kí thuật ngày nay sử dụng sửa lỗi tổng khối và CRC.

- Điều khiển Time Out: áp dụng với các bộ truyền khi nó không nhận

đợc dữ liệu trong khoảng thời gian định trớc và bộ nhận không thể

nhận đợc các bản tin trớc đó.

2.5.2.Giao thức công nghiệp

 Các yêu cầu đối với các Protocol công nghiệp.

- Dễ dàng cho các hệ thống xử lí: Mức độ yêu cầu của các hệ thống

truyền thông công nghiệp ở cấp độ phân xởng là ở cấp thấp Cần thiết chọn các giao thức đơn giản chẳng hạn giao thức ASCII.

- Tính bảo toàn dữ liệu khi truyền là cao: Trong môi trờng công nghiệp

có rất nhiều nhiễu điện từ, cần thiết phải truyền số liệu sao cho không có lỗi, giao thức đợc chọn phải có khả năng kiểm soát lỗi hiệu quả chẳng hạn nh phơng pháp soát lỗi CRC.

Giỏo trỡnh Mạng truyền thụng cụng nghiệp

Chơng 2

CÁC BUS TIấU BIỂU CỦA HỆ THỐNG MẠNG SIMATICNET

Trong mạng Simatic, đã đa các giải pháp cho mạng truyền thông côngnghiệp nh: Pro fibus, Ethernet, AS-i nhằm kết nối các thiết bị trờng vớicác thiết bị ở cấp điều khiển , cá

c thiết bị ở cấp điều khiển giám sát và cácthiết bị ở cấp quản lí

Tuỳ theo phơng pháp tích hợp mà có thể đa ra các lựa chọn phần

cứng cũng nh phần mềm tơng ứng.

Chơng này trình bày về các giao thức chính đợc dùng trong Simatic,

phần thiết bị phần cứng và phơng pháp ghép nối đợc trình bày trong

chơng 5

Hình sau là cấu trúc phân tầng điển hình trong Simatic-net

Ethernet(Ethernet, IEEE 802.3)

Profibus

AS - i

Hình 2.0 Phân tầng các mạng điển hình trong Simatic -net

2 AS-i (Actuator Sensor Interface)

Đây là sản phẩm của 11 hãng sản xuất sensor và cơ cấu chấp hành nổi

tiếng trên thế giới nh: Siemens AG, Festo KG Đây là hệ thống Bus

trờng dùng cho giao tiếp giữa các thiết bị ở cấp hiện trờng với các thiết bị

trong cấp điều khiển Đặc tính kỹ thuật chính của AS-i là:

- Truyền tín hiệu cùng nguồn nuôi

- Cho phép thực hiện cấu trúc mạng dạng Bus cũng nh hình sao

- Các thành phần giao diện mạng có thể thực hiện với giá thành thấp

Giỏo trỡnh Mạng truyền thụng cụng nghiệp

2.1 Kiến trúc giao thức

Giao thức trong AS-i phản hoạt động của các bộ điều khiển với các thiết bị trờng Để nâng cao hiêu suất và đơn giản hoá trong xử lí, toàn bộ

việc xử lí giao thức đợc thực hiện ở lớp 1 trong mô hình OSI.

Phơng pháp truy cấp Bus là Master/Slave

2.2 Cấu trúc mạng, cáp truyền và cơ chế giao tiếp

Cấu trúc mạng trong i là dạng Bus hoặc hình sao, đặc trng của

AS-i là không sử dụng trở đầu cuốAS-i.

Chiều dài tổng cộng tối đa là 100m, tất nhiên nếu muốn dùng với khoảng cách lớn hơn phải sử dụng bộ lặp Số lợng trạm tối đa trong một

mạng là 31 tức có thể quản lí tối đa là 124 S/A, tốc độ truyền quy định là

167kB/s

Trong sản phẩm của Siemens module giao diện AS-i Master trong

S7-300 là CP 342-2, module này có thể đợc nối với các Module thụ động để

nối với các A/S

Cơ chế giao tiếp trong AS-i dựa trên các yêu cầu và trả lời Trạm chủ có thể hỏi tuần tự để các trạm tớ trả lời hoặc cũng có thể hỏi các trạm tớ theo cơ chế định địa chỉ

2.3 Cấu trúc khung truyền

Mục đích của định dạng khung truyền là để giúp bên nhận xác định

đợc thời điểm bắt đầu, kết thúc một bản tin cũng nh gửi kèm các thông

tin về sửa sai lỗi

Khung truyền yêu cầu dữ liệu từ trạm chủ trong AS-i có chiều dài là 14 bít còn khung trả lời từ các trạm tớ có chiều dai là 7 bít, minh hoạ trên hình sau:

Hình 2.1 Cấu trúc khung yêu cầu dữ liệu

Giỏo trỡnh Mạng truyền thụng cụng nghiệp

Bảng 2.0 ý nghĩa của các bít trong khung yêu cầu

Cấu trúc khung trả lời từ trạm tớ trình bày trên hình sau:

Hình 2.2 Cấu trúc khung trả lời

ý nghĩa các bít trong khung đợc trình bày trên hình sau:

Bảng 2.1 ý nghĩa của các bít trong khung trả lời

3 Profibus (Process Field Bus)

Là hệ thống Bus trờng đợc phát triển tại Đức năm 1987 và thành chuẩn EIC 61158 năm 2000.

Với mục đích quảng bá cũng nh hỗ trợ việc phát triển và ứng dụng các sản phẩm tơng thích Profibus, một tổ chức ngời sử dụng đã đợc thành lập mang tên Profibus International với hơn 1000 thành viên.

Ngày nay Profibus là hệ thống Bus trờng hàng đầu thế giới với hơn 20% thị phần với hơn 5 triệu thiết bị lắp đặt trong khoảng 500.000 ứng dụng Profibus đang đợc coi là giải pháp chuẩn, tin cậy trong nhiều ứng

dụng đặc biệt là trong các ứng dụng có yêu cầu cao về tính năng thời gian thực.

Hệ thống Bus này đợc ứng dụng để kết nối các thiết bị trờng với các thiết bị điều khiển giám sát Đây là hệ thống Bus nhiều chủ (MultiCast) cho phép các thiết bị vào/ra phân tán, các thiết bị đo thông minh, thiết bị điều khiển nối vào cùng một đờng Bus.

Các trạm chủ (thờng là các PC, PLC) đợc quyền kiểm soát truyền thông trên Bus, các trạm tớ (thờng là các Module vào/ra phân tán, các thiết

bị đo thông minh ) không đợc phép truy nhập Bus, mà chỉ đợc xác nhận hoặc trả lời các yêu cầu từ trạm chủ.

Giỏo trỡnh Mạng truyền thụng cụng nghiệp

Profibus gồm 3 loại tơng thích với nhau: Profibus – FMS, Profibus – DP và Profibus – PA Profibus – FMS đợc dùng chủ yếu trong việc nối mạng các máy tính điều khiển và cấp điều khiển giám sát Profibuss –

DP đợc dùng để kết nối các thiết bị trờng với các máy tính điều khiển,

còn Profibus – PA đợc sử dụng trong các lĩnh vực tự động hoá các quá trình có môi trờng dễ cháy nổ.

3.1 Cấu trúc giao thức Profibus

Profibus - FMS Profibus - DP Profibus- PA

Hình 2.3 Kiến trúc giao thức Profibus

Profibus DP và PA chỉ thực hiện lớp 1 và 2 nhằm tối u hoá việc trao đổi dữ liệu quá trình giữa cấp điều khiển và cấp chấp hành.

- Lớp FMS (với Profibus – FMS) mô tả các đối tợng truyền thông,

xử lý và cung cấp các dịch vụ truyền thông.

- Lớp liên kết dữ liệu FDL có chức năng kiểm soát truy cập bus, cung cấp dịch vụ cơ bản (cấp thấp) cho việc trao đổi dữ liệu một cách tin cậy.

- Lớp vật lý quy định về kỹ thuật truyền dẫn tín hiệu, môi trờng truyền dẫn, cấu trúc mạng và các giao diện cơ học Việc sử dụng giao diện RS485 đã quyết định các đặc tính truyền dẫn Khoảng cách truyền cực đại là 1200m, nếu sử dụng trạm lặp có thể lên đến 4800m tất nhiên nó còn phụ thuộc vào tốc độ truyền Nói chung tốc độ truyền thờng tring khoảng 9.6 – 500Kb/s và số lợng trạm tối đa là

127, nó sử dụng phơng pháp mã hoá NRZ.

Quan hệ giữa tốc độ truyền và chiều dài dây dẫn thể hiện trên bảng sau:

Lớp 7

Lớp 3 – 6

Fieldbus Message Specification