Tài liệu Chương 1: Lý thuyết chung về mạng truyền thông trong công nghiệp doc

Các thiết bị chính trong cấp này là sensor và cơ cấu chấp hành, chúng có thể được nối mạng trực tiếp hoặc thông qua đường Bus để nối với cấp trên cấp điều khiển.. Hệ thống Bus dùng để kế

chương 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 được hoàn toàn các hệ thống truyền cũ như: 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 như không có giới hạn

- Giá thành thấp

- Lượng 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 trưng, cũng như chức năng nhiệm vụ của của từng cấp

Cấp hiện trường:

Đây là cấp nằm tại hiện trường 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 được nối mạng trực tiếp hoặc thông qua đường Bus để nối với cấp trên (cấp điều khiển)

Hệ thống Bus dùng để kết nối các thiết bị ở cấp hiện trường với cấp điều khiển gọi là Bus trường (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 trưng của các cuộc trao đổi tin trong cấp trường là các bản tin thường có chiều dài không lớn

Các sensor và cơ cấu chấp hành được nối trên đường Bus có thể là các thiết

bị thông minh hoặc cũng có thể là các thiết bị thông thường có xử dụng thêm các bộ chuyển đổi giao thức tương thích

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

S A

PC - Personal Computer HIS -Human Interface Station FCS - Field Control Station

S - Sensor

A - Actuator

Fieldbus

System bus Ethernet Fast Ethernet

Quản lí kinh tế

Quản lí kỹ thuật

Điều khiển

và giám sát

Hiện điều

khiển

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

Hiện trường

Cấp điều khiển:

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

Các thiết bị ở cấp này được 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 trường

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 người 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 ưu

Việc kết nối các thiết bị ở cấp này với các thiết bị ở cấp trên (cấp quản lí kỹ thuật) được 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 như 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 như hoạch định chiến lược 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 đưa ra 1 kiến trúc giao thức với chuẩn ISO 7498 được 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

- Chuẩn này không đưa 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 như làm cơ sở cho phát triển

hệ thống

ã Lớp vật lý (Physical Layer)

Lớp này được định nghĩa là sự kết nối vật lý giữa PC và mạng như sau:

- Theo cấu trúc mạng

- Theo các chuẩn truyền dẫn: áp hoặc dòng

- Theo phương thức mã hoá tín hiệu

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

ã Lớp liên kết dữ liệu (Data Link Layer)

Lớp này được định nghĩa như 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 được gọi là lớp phần cứng, trong mạng cục bộ lớp này được chia làm 2 lớp con: lớp điều khiển truy nhập môi trường ( 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 như kiểm soát lưu thông và đồng bộ hoá việc chuyển giao các khung dữ liệu

A Protocol

N

D

P

Môi trường truyền dẫn Immediate data

Communication network

Hình 1.2 Cấu trúc mô hình tham chiếu OSI

Lớp ứng dụng

Lớp biểu diễn dữ liệu

Lớp kiểm soát nối

Lớp vận chuyển

Lớp liên kết dữ liệu

Lớp vật lí

Lớp mạng

Lớp ứng dụng Lớp biểu diễn dữ liệu Lớp kiểm soát nối Lớp vận chuyển

Lớp liên kết dữ liệu Lớp vật lí Lớp mạng

ã Lớp mạng (Network Layer)

Lớp này được định nghĩa như sau:

- Truyền thông tin tối ưu trên mạng

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

ã Lớp vận chuyển (Transport Layer)

Lớp này được định nghĩa như 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

ã Lớp kiểm soát nối (Session Layer)

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

ã 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

ã 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 người sử dụng và các chương trình ứng dụng Các dịch vụ ở lớp này chủ yếu được thực hiện bằng phần mềm

2.2 Cấu trúc mạng ( Topology )

Trước 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 được liên kết với nhau qua một môi trường vật lý Liên kết logic vó thể hiểu như sau: Đối tác truyền thông không nhất thiết phải là một thiết bị phần cứng mà có thể là một chương trình hệ thống hay một chương trình ứng dụng trên một trạm nên quan hệ giữa các đối tác này chỉ có tính logic Tương ứng với một đối tác vật lý thường có nhiều đối tác logic và tất nhiên nhiều mối liên kết logic

được xây dựng trên cơ sở một mối liên lết vật lý

Các loại liên kết:

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

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

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

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

điểm – nhiều điểm với liên kết này các đối tác cũng được nối trên cùng một đường 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 nhưng cũng hiểu là cách sắp xếp logic của các nút mạng

Các loại cấu trúc mạng:

+ Topology đầy đủ:

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

đối tác bị sự cố sẽ không ảnh hưởng tới các đối tác còn lại nhưng cấu trúc này giá thành cao do tốn kém dây dẫn

+ Topology hình sao:

B

C

A

E

D

Hình 1.3 Sơ đồ Topology đầy đủ (Full)

A

D

E

F

Hình 1.4 Sơ đồ topology hình sao

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

Trong cấu trúc này các thành viên được nối với nhau tạo thành mạch vòng khép kín, tín hiệu được truyền đi theo chiều cố định ưu điểm của phương 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 được truyền đi theo một chiều

+ Topology bus

Trong cấu trúc này các đối tác truyền thông được nối trên cung một dây dẫn Với cấu trúc daisy-chain các đối tác được nối trực tiếp vào đường truyền Còn cấu trúc trunk-line/drop-line thì có các dây phụ để nối các đối tác vào đường Bus chung ưu điểm của phương pháp này là đơn giản và tiết kiệm dây dẫn

+ Cấu trúc cây

A

B

C

D

Hình 1.5 Sơ đồ topology kiểu vòng loop

Hình 1.6 Cấu trúc

trunk-line/drop-line Hình 1.7 Cấu trúc daisy-chain

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

đường thẳng, sao, mạch vòng Đây là cấu trúc thường gặp trong thực tế

2.3 Môi trường truyền dẫn

2.3.1 Các đặc tính của môi trường truyền dẫn

Môi trường truyền dẫn là môi trường mà tín hiệu thông tin truyền qua (thực chất đó là đường truyền) Môi trường truyền dẫn có ảnh hưởng lớn tới tốc độ truyền dẫn, chất lượng đường truyền Ta xét các đặc tính sau:

ã Dung lượng truyền của môi trường truyền dẫn được 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

Người ta còn gọi Uk là khả năng truyền của môi trường truyền dẫn

ã Tốc độ truyền thông tin:

V=I/T

ở đó: I – Lượng thông tin truyền

T – Thời gian truyền lượng thông tin I

2.3.2 Các loại môi trường truyền dẫn

a) Đường hai dây hở

Bộ nối Bộ lặp

Hình 1.8 Cấu trúc cây

Bộ nối sao

Là loại môi trường truyền dẫn đơn giản, hai dây dẫn được 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 Đường dây này

được ứng dụng trong truyền số liệu giữa các DTE và DCE

Nhược 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 trường truyền dẫn này hạn chế về tốc độ và chiều dài dây dẫn

b) Cáp đôi dây xoắn

Đây là môi trường truyền dẫn có tính lịch sử trong truyền số liệu và hiện này nó vẫn là môi trường truyền dẫn được dùng rất phổ biến Nó được phát minh cùng thời với điện thoại, và giá thì tương 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 được quấn cách

li ôm vào nhau do cấu trúc như thế mà trường 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 được cả hai dây thu nhận, không làm ảnh hưởng lên tín hiệu

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

Đường dây xoắn đôi thích hợp với thiết bị điều khiển đường dây và mạch thu riêng, sử dụng tốc độ bit dưới 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 thường là 64Kb/s và 96Kb/s

Tuy vậy cáp đôi dây xoắn có nhược điểm là chịu ảnh hưởng của nhiễu

kí sinh và hiện tượng 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 hưởng của tín hiệu giao thoa

Hình 1.9 Cấu tạo của cáp đôi dây xoắn

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 trường 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 thường được làm đầy bởi chất cách điện rắn hoặc cấu trúc tổ ong

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 được 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 đường truyền được 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 đường truyền Chúng được minh hoạ trên hình 3.10

Lớp cách điện Lớp dẫn điện

Hình 1.10 Cấu tạo của cáp đồng trục

- Phương thức truyền dải cơ sở có thể truyền được cả tín hiệu tương tự

và tín hiệu số

Khoảng cách truyền ở giải cơ sở từ 1Km đến 3Km tốc độ trong giải này là 1Mb/s đến 10Kb/s

Với giải rộng khoảng cách từ 10Km đến 50Km, tốc độ có thể lên đến 350Mb/s

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 trường hợp điều chế dải rộng thì kém nhạy cảm hơn, hệ số chống nhiễu từ 80dB đến 100dB

d) Sợi quang

Đây là môi trường truyền dẫn đang được xử dụng rộng rãi trong công nghiệp bởi các ưu điểm sau:

- Dung lượng truyền lớn

- Tính bảo mật tín hiệu khi truyền cao

- Trọng lượng 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 trường oxi hoá

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

+ Bản chất và các đặc trưng của sóng ánh sáng

* Bản chất sóng ánh sáng

- ánh sáng cường độ lớn không phải bao gồm những lượng tử năng lượng lớn mà gồm rất nhiều lượng 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

Hình 1.11 Minh hoạ dải cơ sở và dải rộng