BÀI GIẢNG ĐO VÀ ĐIỀU KHIỂN CÔNG NGHIỆP Nguyễn Thị Huế Bộ môn Kĩ thuật đo Tin học công nghiệp

 Tuy nhiên khi truyền ở khoảng cách xa thì nó có nhược điểm là tốn dây dẫn và có sự sai khác về mặt thời gian giữa các tín hiệu Ưu điểm nổi bật của phương pháp truyền này là tốc độ truy

ĐO VÀ ĐIỀU KHIỂN CÔNG NGHIỆP

BÀI GIẢNG

Nguyễn Thị Huế

Bộ môn Kĩ thuật đo và Tin học công nghiệp

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN

NỘI DUNG MÔN HỌC

1

2

5

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

và điều khiển công nghiệp

Cơ sở kĩ thuật truyền tin công nghiệp

Các thiết bị đo lường và chấp hành trong công nghiệp

3

4

7

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

Một số hệ thống công nghiệp thực tế

6 Các giao thức công nghiệp tiêu biểu

 Giáo trình “Màng thông tin công nghiệp” Hoàng Minh Sơn, nhà xuất bản Khoa học và Kĩ thuật

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

 Giáo trình “Cảm biến công nghiệp”

 Bài giảng “ Đo và điều khiển công nghiệp” Đào Đức Thịnh, bộ môn Kĩ thuật đo và Tin học công nghiệp

 …

Tài liệu tham khảo

NỘI DUNG CHƯƠNG 5

1 Các chế độ truyền thông tin

2 Mã hóa đường truyền

3 Cấu trúc mạng

5 Điều khiển truy cập đường truyền

6 Môi trường truyền dẫn và các chuẩn vật lý

7 Bảo toàn dữ liệu

4 Kiến trúc giao thức

 Các khái niệm cơ bản

 Thông tin, dữ liệu và tín hiệu

 Truyền đơn công, bán song công và song công

5.1 Các chế độ truyền thông tin

Thông tin dữ liệu và tín hiệu

 Tín hiệu là diễn biến của 1 đại lượng vật lí chứa đựng tham số

thông tin, dữ liệu và có thể truyền dẫn được

 Thông tin có thể hiểu là sự loại trừ tính bất định

 Dữ liệu chính là phần thông tin hữu ích được biểu diễn bằng dãy

Các khái niệm cơ bản

Các loại tín hiệu

 Tín hiệu tiền định

 Tín hiệu gần tiền định

 Tín hiệu ngẫu nhiên

Nếu phân chia theo đặc tính tín hiệu

Tính năng thời gian thực

Để đảm bảo tính năng thời gian thực, mạng máy tính công nghiệp phải có các đặc điểm sau đây:

ứng các yêu cầu về trao đổi dữ liệu một cách cụ thể

biểu và thời gian phản ứng chậm nhất với yêu cầu của từng trạm

tin một cách tin cậy giữa các trạm nằm trong một phạm vi nhất định

gây nguy hại cho hệ thống

Như vậy khả năng thoả mãn về thời gian thực phụ thuộc vào bài toán ứng dụng cụ thể

Các khái niệm cơ bản

Dữ liệu hữu hiện trên Bus -DAV

Đã nhận được dữ liệu DAC

Truyền trên 8 dây

DAV

DAC

t t

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

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

 Có 8 (16,32,64) dây dẫn song song nối giữa 2 điểm truyền Như vậy truyền song song là truyền từng từ (từ có độ dài 8, 16, 32, 64 bit)

Truyền song song

 Phương pháp truyền song song có tốc độ cao nên nó thường được sử dụng khi truyền bên trong các thiết bị hay giữa các linh kiện trên cùng mạch in

 Tuy nhiên khi truyền ở khoảng cách xa thì nó có nhược điểm là tốn dây dẫn và có sự sai khác về mặt thời gian giữa các tín hiệu

Ưu điểm nổi bật của phương pháp truyền này là tốc độ truyền

nhanh nhưng

Nhược điểm dễ thấy là đối với các đường truyền dài thì chi phi

cho đường dây là quá đắt

Các chế độ truyền dẫn

 Truyền nối tiếp

 Trong phương pháp truyền này các bit được truyền đi tuần tự nối tiếp nhau,

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

Truyền song song và truyền nối tiếp

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

Các chế độ truyền dẫn

Truyền đông bộ và không đồng bộ

 Trong chế độ truyền này các trạm thu phát không cùng nhịp Clock việc phát hiện ra nội dung dữ liệu được thực hiện thông qua các bit đánh dấu có trong các byte truyền

Ví dụ về định dạng khung dữ liệu với các bít Start và Stop

 Định dạng khung truyền ở chế độ truyền không đồng bộ

Các chế độ truyền dẫn

Data bits

Truyền không đồng bộ:

 Có thời gian nghĩ giữa các khung bản không cố định

 Việc truyền bắt đầu bởi 1 Start bit, các bit được truyền với một thông

số định trước

 Một đặc điểm quan trọng là thông số của cổng truyền phải giống nhau ở bên phát và bên thu để đảm bảo độ dài của chuỗi bit dữ liệu như nhau

với tín hiệu thu

 Để thu được tín hiệu thì tín hiệu đồng hồ thu nhanh gấp N lần đồng

hồ phát và mỗi bit được dịch vào SIPO sau N chu kì xung đồng hồ

Các chế độ truyền dẫn

Truyền không đồng bộ:

Các chế độ truyền dẫn

Truyền không đồng bộ:

 Nguyên tắc đồng bộ kí tự:

 Mạch điều khiển truyền và nhận được lập trình để hoạt động với số bit bằng nhau trong một ký tự kể cả số stop bit, start bit

và bit kiểm tra giữa thu và phát

 Sau khi phát hiện và nhận start bit việc đồng bộ kí tực đạt được tại đầu thu rất đơn giản, chỉ việc đếm đúng số bit đã lập trình

 Sau đó sẽ chuyển kí tự nhận được và thanh ghi đệm thu và phát tín hiệu tới thiết bị điều khiển (CPU) rằng đã nhận được một kí tự mới và sẽ đợi cho đến khi nhận được một start bit kế tiếp

Các chế độ truyền dẫn

Truyền không đồng bộ

Các chế độ truyền dẫn

Truyền đồng bộ

 Trong chế độ truyền đồng bộ các trạm thu phát tín hiệu hoạt động cùng tần số (chung nhịp clock) và pha, ưu điểm của phương pháp này là tốc độ nhanh

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

 Khung bản tin lớn

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

 Tuy nhiên cũng giống như truyền bất đồng bộ chúng ta chỉ chấp nhận phương pháp nào cho phép máy thi đạt được sự đồng bộ bit, đồng bộ kí tực và frame

Các chế độ truyền dẫn

Truyền đồng bộ

Các chế độ truyền dẫn

Truyền đồng bộ

Các chế độ truyền dẫn

Truyền đơn công, bán song công và truyền song công

 Truyền đơn công:Trong chế độ truyền dẫn này tín hiệu truyền chỉ theo một hướng

 Truyền bán song công: Trong chế độ truyền này tín hiệu có thể được truyền theo hai chiều nhưng tại mỗi thời điểm chỉ được truyền theo một chiều nhất định

 Truyền song công: Chế độ truyền này cho phép tín hiệu được truyền đồng thời theo hai chiều

5.2 Mã hóa đường truyền

 Các đặc tính của mã hoá đường truyền

 Mã hoá NRZ và RZ

 Mã hoá AMI

 Mã hoá Manchester

 Mã hóa AFP (Alternate Flanked Pulse)

 FSK (Frequency Shift Keying)

 Cơ số mã, sự dư thừa và hiệu suất

5.2 Mã hóa đường truyền

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

 Các đặc tính chính của mã hoá đường truyền:

 Thông tin đồng bộ hoá có trong tín hiệu

 Tần số tín hiệu

 Khả năng nhận biết lỗi

 Loại bỏ giá trị lệch một chiều

Các đặc tính của mã hoá đường truyền

 Tần số, dải tần tín hiệu:

 Tần số và dải tần tín hiệu liên quan tới những tính năng nào trong hệ thống?

 Tần số cao hay tần số thấp thì tốt?

 Dải tần hẹp hay dải tần rộng thì tốt?

 Tính bền vững với nhiễu, khả năng phát hiện lỗi

 Phương pháp mã hóa như thế nào thì bền vững với nhiễu hơn?

 Bền vững hơn với nhiễu thì có lợi gì?

 Phương pháp mã hóa như thế nào, tín hiệu dạng gì thì có khả năng phối hợp nhận biết lỗi

Các đặc tính của mã hoá đường truyền

 Triệt tiêu dòng một chiều/khả năng đồng tải nguồn

 Khi nào thì tín hiệu trên đường truyền triệt tiêu dòng một chiều?

 Khả năng đồng tải nguồn là gì và mang lại lợi ích gì? Khi nào thực hiện được?

 Thông tin đồng bộ nhịp trong tín hiệu:

ưu nhược điểm)

 Phương pháp mã hoá NRZ (non-return-to-zero) và RZ to-zero) là phương pháp điều chế biên độ xung Nhưng phương pháp NRZ được sử dung rất phổ biến trong các hệ thống Bus trường

(return- Với NRZ mức tín hiệu không nhất thiết phải về 0 sau mỗi nhịp

Mã hoá NRZ và RZ

NRZ (Non-Return To Zero)

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

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

NRZ (Non-Return To Zero)

 Ưu điểm

 Một trong những ưu điểm của phương pháp NRZ là tín hiệu

có tần số thường thấp hơn nhiều so với tần số nhịp bus

 Nhược điểm

 Phương pháp này không thích hợp cho việc đồng bộ hóa, bởi một dãy bit 0 và 1 liên tục không làm thay đổi mức tín hiệu

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

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

Mã hoá NRZ và RZ

RZ

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

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

Mã hoá NRZ và RZ

 Với AMI (Bipolar Alternate Mark Inversion), giá trị logic 0 được thể hiện bằng điện áp đường dây bằng 0 và bằng 1 với giá trị điện áp là dương hoặc âm

 Dải tần trong phương pháp mã hoá này không yêu cầu rộng như trong phương pháp NRZ tuy nhiên có thể mất đồng bộ khi giải mã chuỗi số nhị phân dài

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

Mã hoá AMI

 Mã Manchester là phương pháp điều chế pha xung, giá trị logic được thể hiện thông qua các sườn xung Bit 1 ứng với sườn lên và 0 ứng với sườn xuống của xung ở giữa chu kỳ bit T

Mã hoá Manchester

 Ưu điểm

 Tín hiệu có tần số tương đương với tần số nhịp Bus, do đó các xung của nó có thể sử dụng trong việc đồng bộ hoá giữa các bên thu, phát

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

đó thích hợp với các ứng dụng cho phép truyền cùng nguồn nuôi

 Mặt khác do sử dụng sườn xung để quy định mức logic nên phương pháp này tỏ ra chống nhiễu tốt

 Phương pháp này được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống thông tin công nghiệp, ứng dụng trong Etherner, Profibus-PA, Foundation FieldBus

Mã hoá Manchester

35 7/3/2019

 Các tính chất:

 Tần số thấp nhất, dải tần hẹp nhất

 Khá bền vững với nhiễu, có khả năng phối hợp nhận biết lỗi

 Không tồn tại dòng một chiều

 Không mang thông tin đồng bộ nhịp

 Ứng dụng: AS-Interface

Mã AFP (Alternate Flanked Pulse)

 Đây là phương pháp mã hoá điều chế dịch tần số, hai tần số khác nhau được dùng để mã hoá các trạng thái logic 0 và 1 Thực chất đây là phương pháp điều chế số tín hiệu mang, hay truyền tải dải mang

FSK (Frequency Shift Keying)

 Cơ chế thực hiện

FSK (Frequency Shift Keying)

 Ưu điểm

 Tín hiệu có dạng sin, các tần số khác nhau có thể bằng hoặc là bội số tần số nhịp bus nên có thể dùng để đồng bộ nhịp

 Một ưu điểm khác của phương pháp này là rất bền vững với các tác động của nhiễu Nhờ tính chất điều hoà của tín hiệu

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

 Nhược điểm

 Tín hiệu có tần số tương đối cao, nó có thể gây ra nhiễu mạnh đối với môi trường xung quanh và làm ảnh hưởng tới khả năng tăng tốc độ truyền

FSK (Frequency Shift Keying)

 Thực tế phương pháp mã hoá này chỉ được ứng dụng trong các mạng có tốc độ truyền tương đối thấp: HART, Powerline Communication

FSK (Frequency Shift Keying)

Mã hóa đường truyền

 Cơ số mã được định nghĩa là số các trạng thái tín hiệu khác nhau được sử dụng Trong các hệ thống dải cơ sở, nó là số các mức điện áp khác nhau được biểu diễn bởi các kí hiệu Chẳng hạn, với mã AMI thì cơ số của nó sẽ

là 3

 Hiệu suất của mã được định nghĩa là hệ số của thông tin trên số kí hiệu sử dụng với thông tin trên số kí hiệu hữu ích Ta có thể viết hiệu suất như sau:

 Và sự dư thừa của mã hoá đường truyền được xác định như sau:

Cơ số mã, sự dư thừa và hiệu suất

l

l l

Với la = log2a

lu = log2u

Liên kết trong mạng máy tính công nghiệp

 Liên kết: là mối liên hệ vật lý hoặc logic giữa hai hay nhiều đối tác truyền thông

 Có thể có các kiểu liên kết sau:

 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

 Khả năng liên kết nhiều điểm là đặc trưng của mạng trong điều khiển phân tán

5.3 Cấu trúc mạng

Cấu trúc mạng (Topology)

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

 Topology 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

Cấu trúc mạng

 Đặc điểm cơ bản của cấu trúc bus là việc sử dụng chung một đường dẫn duy nhất cho tất cả các trạm, vì thế tiết kiệm được cáp dẫn và công lắp đặt

 Cấu trúc dạng bus có ba kiểu cấu hình

Cấu trúc Bus

Bên cạnh việc tiết kiệm dây dẫn thì tính

đơn giản, dễ thực hiện là những ưu

điểm chính của cấu trúc bus

Cấu trúc này phổ biến nhất trong những

mạng truyền thông công nghiệp

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

 Ưu điểm cơ bản của mạng theo cấu trúc kiểu này là mỗi nút đồng thời có thể là một bộ khuếch đại, do vậy mạng có cấu trúc mạch vòng có thể thực hiện với khoảng cách và số trạm rất lớn

vị trí xảy ra sự cố, ví dụ đứt dây hay một trạm ngừng làm việc

Cấu trúc mạch vòng (tích cực)

Maste r

Không có điều khiển trung tâm Có điều khiển trung tâm

 Cấu trúc hình sao là cấu trúc mà có một trạm trung tâm quan trọng hơn tất cả các nút khác, nút này sẽ điều khiển sự truyền thông của toàn mạng, được gọi là chủ (Master)

 Một cấu trúc hình sao điển hình ta hay gặp đó là các bộ chia, thường dùng vào mục đích mở rộng các cấu trúc khác

Cấu trúc hình sao

*-Một nhược điểm lớn của cấu trúc hình sao là nếu trạm trung tâm bị hỏng thì

sự truyền thông trong mạng cũng không thể tiếp tục được Vì vậy trạm trung tâm phải có độ tin cậy rất cao

 Một mạng có cấu trúc cây là sự liên kết của nhiều mạng con có cấu trúc đường thẳng, mạch vòng, hoặc hình sao Đặc trưng của cấu trúc cây là sự phân cấp đường dẫn

cho phép xây dung

cấu trúc cây cho

một mạng đồng

nhất là DeviceNet

và AS-i

 Yêu cầu với các phương pháp truy nhập đường truyền

 Các phương pháp truy nhập tiền định

 Các phương pháp truy nhập ngẫu nhiên

5.5 Điều khiển truy nhập đường truyền

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

có sự điều khiển để sao cho ở mỗi thời diểm chỉ có đối tác được gửi thông tin đi, rõ ràng cần thiết phải có phương pháp thích hợp để phân chia thời gian gửi dữ liệu trên đường truyền

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

 Độ tin cậy khi truyền thông tin

 Tính năng thời gian thực

 Hiệu suất sử dụng đường truyền

Yêu cầu với các phương pháp truy nhập đường truyền