Mng may tinh va truyn thong hoang minh

+ Mạng TTCN là một mạng truyền thông số được sử dụng để kết nối các thiết bị công nghiệp với nhau + Mạng TTCN giống mạng viễn thông ở điểm gì?. + Ý nghĩa của mạng TTCN - Đơn giản hóa cấu

Tài liệu tham khảo

[1] Hoàng Minh Sơn – Mạng truyền thông công

nghiệp – NXB KH & KT 2001

[2] Nguyễn Thúc Hải – Mạng máy tính và các hệ

thống mở- NXB Giáo dục 1997

Nội dung môn học Phần lý thuyết cơ bản (45 tiết)

– Khái niệm về mạng truyền thông công nghiệp

– Cơ sở kỹ thuật của mạng truyền thông công nghiệp

Phần bài tập lớn (15 tiết)

KHÁI NIỆM MẠNG TRUYỀN THÔNG CÔNG NGHIỆP

1.1 Mạng truyền thông công nghiệp ?

+ Mạng TTCN là một mạng truyền thông số được sử dụng để kết nối các thiết bị công nghiệp với nhau

+ Mạng TTCN giống mạng viễn thông ở điểm gì ?

- Đều là mạng kết nối các thiết bị truyền dữ liệu với nhau

+ Đặc điểm khác biệt của mạng TTCN với mạng viễn thông ?

- Mạng viễn thông có phạm vi địa lý và số lượng thiết bị kết nối lớn nên các đặc điểm kỹ thuật và đặc điểm yêu cầu khác so với mạng TTCN

- Đối tượng của mạng TTCN là các thiết bị công nghiệp còn đối tượng của mạng viễn thông bao gồm cả con người và máy tính nhưng con người đóng vai trò chủ đạo

+ Ý nghĩa của mạng TTCN

- Đơn giản hóa cấu trúc của mạng công nghiệp

- Giảm giá thành hệ thống

- Cải thiện tính linh hoạt, tính chính xác và mang lại khả năng mở rộng hệ thống một cách linh hoạt

- Dễ dàng chuẩn đoán lỗi hệ thống và trong nhiều trường hợp có khả năng tự sửa lỗi hoặc tự động chuyển sang chế độ dự phòng

- Nâng cao khả năng tương tác giữa các thành phần

- Ứng dụng điều khiển phân tán, điều khiển giám sát

1.2 Đặc trưng của mạng TTCN

Hệ thống bus trường có nhiệm vụ kết nối các thiết bị trường là các cơ cấu chấp hành, các sensors tại cấp trường với các bộ điều khiển ở cấp điều khiển Hệ thống bus ở cấp này có dung lượng truyền rất ít, chủ yếu là các tín hiệu và các thông số điều khiển Băng thông không cần lớn nhưng cần đáp ứng thời gian thực

Bus hệ thống kết nối các bộ điều khiển với các máy tính giám sát Bus hệ thống cũng giống như bus trường

có dung lượng truyền không lớn nhưng cần có khả năng đáp ứng thời gian thực để đảm bảo giám sát các quá trình công nghệ, kỹ thuật để nhanh chóng đưa ra các quyết định điều khiển một cách chính xác

và kịp thời.

Mạng xí nghiệp là hệ thống mạng kết nối các máy tính giám sát

CƠ SỞ KỸ THUẬT MẠNG TRUYỀN THÔNG CÔNG NGHIỆP

2.1 Thông tin, dữ liệu và hệ thống truyền dữ liệu

Thông tin là thước đo mức nhận thức, sự hiểu biết của một vấn đề, một sự kiện hoặc một hệ thống

Dữ liệu là phần thông tin hữu dụng trong một tập hợp các thông tin về đối tượng, một sự kiện hoặc một vấn đề

Lượng thông tin là lượng dữ liệu cần thiết để biểu diễn một đơn vị thông tin

VD: 1 tờ báo có rất nhiều chuyên mục khác nhau Các nội dung mà bài báo đề cập tới chính là các thông tin Người đọc A chỉ quan tâm đến thể thao, bài viết về thể thao chính là dữ liệu cần thiết đối với A Số lượng từ trong bài viết chính là lượng thông tin Nếu bài viết trên internet thì dung lượng nKB chính là lượng thông tin để biểu diễn bài báo.

Tín hiệu biểu diễn một đại lượng vật lý mang thông tin Các tín hiệu thường gặp là tín hiệu quang, tín hiệu điện, khí nén, thủy lực

Phân loại tín hiệu

• Tín hiệu tương tự: có giá trị liên tục trong một khoảng bất kì

• Tín hiệu liên rời rạc: Tham số chỉ có giá trị nhất định

• Tín hiệu liên tục: tín hiệu có ý nghĩa tại một điểm bất kì trong khoảng thời gian quan tâm

• Tín hiệu gián đoạn: Tín hiệu chỉ có giá trị xác định tại những thời điểm xác định Tại các thời điểm khác, giá trị của nó là không xác định được

Giao tiếp truyền thông là một quá trình trao đổi thông tin giữa các thiết bị với nhau Các tín hiệu có thể là tín hiệu âm thanh, hình ảnh, văn bản hoặc đơn thuần là dữ liệu

Mã hóa/giải mã

Thông tin trước khi được truyền đi trên hệ thống truyền dẫn tín hiệu phải trải qua quá trình mã hóa Với bên nhận thông tin, các thông tin nhận được sẽ được giải mã

Quá trình mã hóa ít nhất phải trải qua 2 bước

• Mã hóa nguồn: là quá trình thông tin được bổ xung các thông tin phụ trợ cần thiết cho truyền dẫn như địa chỉ nguồn tin, địa chỉ đích đến, kiểm soát lỗi, số lượng gói tin,

• Mã hóa đường truyền: là quá trình chuyển đổi thông tin đã được mã hóa nguồn thành dạng tín hiệu có thể truyền đi trong môi trường truyền dẫn(điều chế & điều biến)

Quá trình giải mã là quá trình chuyển tín hiệu nhận được thành dữ liệu tương ứng, loại bỏ các thông tin thừa để xây dựng lại nguồn tin

Các tham số của quá trình truyền thông

• Tốc độ truyền, tốc độ bit

• Thời gian bit, chu kỳ bit

• Thời gian lan truyền tín hiệu

Trong đó:

l – chiều dài dây dẫn

c – Tốc độ ánh sáng trong chân không

Tính năng thời gian thực: tính thời gian thực là tính chất kịp thời của hệ thống Điều này có nghĩa là các quyết định xảy ra trong hệ thống không những cần sự chính xác mà còn cần đến thời điểm đưa ra quyết định

Những yêu cầu đảm bảo tính thời gian thực

• Độ nhanh nhạy

• Tính tiền định

• Độ tin cậy, kịp thời

• Tính bền vững

2.2 Chế độ truyền tải

A, Phân loại chế độ truyền tải

Phân loại theo phương pháp truyền bit

Phương pháp

truyền bit

Nguyên tắc

cao về thời gian và tốc độ truyền Thường được sử dụng trong các mạng công nghiệp

Phân loại theo chế độ truyền

Nguyên tắc Các đối tác truyền thông hoạt động

theo cùng một xung nhịp, tức là cùng một tần số với độ lệch pha nhất định

Một trạm giữ vai trò tạo nhịp và truyền đến các trạm khác theo hệ thống dây dẫn

Bên gửi và bên nhận hoạt động không theo một nhịp chung, dữ liệu trao đổi theo 1 nhóm có dung lượng 7 hoặc 8 bit

Các nhóm được truyền đi vào những thời điểm không đều nhau

của tất cả các trạm trong hệ thống Hoạt động đơn giản, dễ áp dụng Nhược điểm Khó áp dụng với hệ thống có số

lượng thiết bị lớn và khoảng cách xa Lượng thông tin truyền đi lớn do phải thêm các trường bổ trợ

truyền thông

Không đòi hỏi cấu hình phức tạp, có thể đạt được tốc độ cao

Dữ liệu truyền trên các đường độc lập nên 1 trạm có thể thu phát đồng thời

Nhược

điểm Không áp dụng được trong công nghiệp Tại 1 thời điểm chỉ truyền theo 1 hướng Phải dùng 2 đường truyền riêng cho 1 liên

kết Ứng dụng Gần như không có ứng

dụng trong công nghiệp Thường dùng trong liên kết điểm-nhiều điểm.

Được dùng phổ biến

(RS485)

Thích hợp trong liên kết nhiều điểm-nhiều điểm Ứng dụng trong cấu trúc mạch vòng và cấu trúc hình sao

Truyền tải dải cơ sở, dải mang và dải rộng

Nguyên

tắc Tín hiệu truyền đi là tín hiệu được tạo ra sau khi

mã hóa, có tần số cố định hoặc nằm trong một khoảng hẹp nào đó gọi là dải cơ sở

Tín hiệu truyền đi là tín hiệu được điều chế lên 1 dải tần số thích hợp, thông thường có tần số cao

1 tín hiệu chứa nhiều nguồn thông tin bằng cách kết hợp thông minh Mỗi tín hiệu được tạo ra lại được sử dụng

để điều biến 1 tín hiệu khác

Ưu điểm Đơn giản, dễ thực hiện,

tin cậy Khắc phục ảnh hưởng nhiễu xạ từ các thiết bị

điện tử

Tốc độ cao Truyền song song nhiều nguồn tin

Nhược

điểm Đường truyền chỉ mang 1 kênh thông tin duy

nhất, mọi thành viên phải phân chia thời gian sử dụng

Tốc độ hạn chế

Đường truyền chỉ mang

1 kênh thông tin duy nhất

Giá thành cao Tính thời gian thực kém Chủ yếu dùng trong mạng viễn thông, không được sử dụng trong mạng công nghiệp

2.3 Cấu trúc mạng

Các khái niệm

Liên kết là mối quan hệ vật lý hoặc logic giữa hai hay nhiều đối tác truyền thông Đối tác truyền thông có thể

là một thiết bị phần cứng nhưng cũng có thể là một đối tượng phần mềm

Các loại liên kết

• Liên kết điểm – điểm

• Liên kết điểm – Nhiều điểm

• Liên kết nhiều điểm – Nhiều điểm

Topology là tổng hợp các liên kết mạng, tức là nó là cách sắp xếp, tổ chức về mặt vật lý hoặc cách sắp xếp về mặt logic của các nút mạng

Cấu trúc bus

Cấu trúc mạch vòng không tích cực

• Tiết kiệm dây dẫn

• Đơn giản, dễ thực hiện

• Một trạm hỏng không ảnh hưởng

các trạm còn lại

• Đòi hỏi phương pháp truy cập bus

• Phải thực hiện gán địa chỉ logic theo kiểu thủ công cho từng trạm

• Số trạm trong một đoạn mạng hạn chế

• Có hiện tượng phản xạ tại mỗi đầu dây, do đó phải tăng trở đầu cuối, điều này làm tăng tải hệ thống

• Mạng bị dừng hoạt động nếu bị lỗi đứt dây mạng

• Khó sử dụng các công nghệ truyền dẫn quang

Cấu trúc mạch vòng tích cực

Các thành viên trong mạch vòng tích cực được nối từ điểm này đến điểm kia một cách tuần tự trong một mạch vòng khép kín Mỗi trạm nhận dữ liêu từ trạm đứng trước và chuyển sang trạm kế tiếp Quá trình được lặp đi lặp lại cho đến khi dữ liệu quay về trạm đá gửi

Không có điều khiển trung tâm Có điều khiển trung tâm

• Việc gán địa chỉ các thiết bị

mạng có thể thực hiện hoàn toàn tự

Bộ chuyển mạch by-pass trong mạch vòng

Cấu trúc hình sao

Trong cấu trúc hình sao, một trạm trung tâm sẽ đóng vai trò điều khiển sự truyền thông trong toàn mạng

• Một trạm trung tâm có

thể kiểm soát được toàn

bộ hoạt động của toàn hệ

thống

• Sự cố ở thiết bị trung tâm sẽ làm tê liệt hoạt động của toàn mạng

• Tốn dây dẫn Ứng dụng

• Thường được sử dụng trong phạm vi nhỏ

• Mạng Ethernet công nghiệp

Cấu trúc cây

Cấu trúc cây là sự liên kết, kết hợp của các cấu trúc thẳng, mạch vòng hoặc cấu trúc hình sao

Việc khai thác các dịch vụ truyền thông được thực hiện thông qua phần mềm giao diện do từng mạng truyền thông hỗ trợ hoặc thông qua các thư viện của các phần mềm phổ thông dưới dạng các hàm dịch vụ C/C+ +, VisualBasic, OLE/DDE

Các nguyên hàm dịch vụ cơ bản

• Yêu cầu – request Ký hiệu req

• Chỉ thị nhận lời dịch vụ - indication Ký hiệu ind

• Đáp ứng dịch vụ - response Ký hiệu res

• Xác nhận đã cung cấp dịch vụ - confirmation Ký hiệu con

Giao thức

Giao thức là một chuẩn “ngôn ngữ“ mà các thiết bị trong cùng một hệ thống mạng cần được cung cấp để có thể giao tiếp được với nhau, ví dụ FTP, HTTP, TCP/IP, HART, UART, HDLC

Một qui chuẩn giao thức sẽ định nghĩa các thành phần

• Cú pháp: qui định về cấu trúc bức điện, gói dữ liệ khi dùng trao đổi, trong đó xác định cấu trúc phần dữ liệu mang thông tin và phần dữ liệu mang thông tin hỗ trợ(địa chỉ, kiểm soát lỗi, )

• Ngữ nghĩa: qui định ý nghĩa từng trường trong bức điện, phương pháp đánh địa chỉ, bảo toàn dữ liệu,

• Định thời: qui định trình tự, thủ tục giao tiếp, chế độ truyền,

Giao thức HDLC

Giao thức HDLC có 3 loại bức điện phân biệt ở trường điều khiển

N(S) Số thứ tự khung đã gửi chia

P/F Bit chỉ định kết thúc quá trình

Giao thức UART

UART cho phép truyền dữ liệu theo chế độ một chiều, hai chiều đồng bộ hoặc hai chiều không đồng bộ Dữ liệu cần truyền đi có thể có độ dài 7 hoặc 8 bit

• Nếu chọn parity chẵn thì P = 0 khi tổng số bit 1 là chẵn

• Nếu chọn parity lẻ thì P = 0 khi tổng số bit 1 là lẻ

Mô hình lớp OSI (Open System Interconnection – Reference Model)

Lớp vật lý đảm nhận toàn bộ công việc truyền dữ liệu bằng phương tiện vật lý Lớp này mô tả

• Các chi tiết cấu trúc mạng

• Chuẩn truyền dẫn

• Phương pháp mã hóa bit

• Chế độ truyền tải

• Các tốc độ truyền cho phép

• Giao diện cơ học

Lớp liên kết dữ liệu có nhiệm vụ truyền dữ liệu một cách tin cậy trong môi trường vật lý, tức là nó có nhiệm vụ:

• Điều khiển truy cập đường truyền

• Thực hiện bảo toàn dữ liệu: Kiểm soát khung dữ liệu, kiểm soát lỗi, kiểm soát lưu thông và đồng bộ hóa

Lớp mạng là lớp có chức năng tìm đường đi tối ưu cho dữ liệu từ một thiết bị A của mạng này đến một thiết bị

B thuộc mạng khác Đối với mạng truyền thông công nghiệp thì lớp mạng không có ý nghĩa gì bởi vì trong mạng công nghiệp không có nhu cầu trao đổi dữ liệu thuộc 2 mạng khác nhau như đối với mạng viễn thông

Lớp vận chuyển cung cấp các dịch vụ cho việc thực hiện vận chuyển dữ liệu giữa các chương trình ứng dụng

Chức năng của lớp vận chuyển

Kiến trúc giao thức TCP/IP (Transmission Control Protocol/ Internet Protocol)

Mô hình OSILớp ứng dụngLớp biểu diễn dữ liệu

Lớp kiểm soát nốiLớp vận chuyểnLớp mạngLớp liên kết dữ liệuLớp vật lý

Kiến trúc TCP/IP

Lớp ứng dụngTELNET FTPSNMP SMTP

DNS

Lớp vận chuyểnTCP UDP

Lớp InternetICMP IP ARP RARPLớp truy cập mạngLớp vật lý

• Lớp vật lý đề cập giao diện vật lý giữa các thiết bị truyền dữ liệu với nhau như môi trường truyền dẫn, đặc tính tín hiệu, chế độ tryền, tốc độ truyền, cấu trúc cơ học,

• Lớp truy nhập mạng có chức năng kiểm soát môi trường truyền, kiểm lỗi, lưu thông dữ liệu,

• Lớp Internet có chức năng chuyển giao dữ liệu giữa nhiều mạng liên kết với nhau

• Lớp vận chuyển có chức năng đảm bảo dữ liệu được vận chuyển một cách an toàn

• Lớp ứng dụng thực hiện các chức năng hỗ trợ cho các ứng dụng khác nhau

danh sách tên và địa chỉ Internet

TEL

chủ từ xa

2.5 Truy cập bus

Tại sao lại cần giải quyết vấn đề truy cập bus

Trong các cấu trúc mạng khác nhau như cấu trúc mạch vòng, cấu trúc hình sao hay đặc biệt là trong cấu trúc bus, các thành viên trong mạng phải chia nhau thời gian sử dụng đường dẫn Mục đích của việc này là tránh sự xung đột về tín hiệu gây ra sai lệch thông tin Tại mỗi thời điểm trên 1 đường dây dẫn chỉ duy nhất 1 tín hiệu điện được phép truyền đi.

Những khía cạnh cần quan tâm khi giải quyết vấn đề truy cập bus

• Độ tin cậy

• Tính thời gian thực : thời gian đáp ứng, chu kỳ bus

• Hiệu suất sử dụng đường truyền

Phân loại các phương pháp truy cập bus

Master/Slave

Nguyên tắc : Một trạm trong hệ thống đóng vai trò trạm chủ, các trạm khác là các trạm tớ Trạm chủ có quyền phân chia quyền xâm nhập bus cho các trạm tớ Các trạm tớ chỉ được phép xâm nhập bus và gửi tín hiệu đi khi được yêu cầu

Trong một số hệ thống, các trạm tớ còn không được phép giao tiếp với nhau Bất cứ dữ liệu nào cần trao đổi cũng phải được thực hiện thông qua trạm chủ Nếu hoạt động theo chu kỳ, trạm chủ sẽ chủ động gửi yêu cầu dữ liệu từ trạm tớ cần gửi và chuyển tới trạm tớ cần nhận Nếu hoạt động là bất thường, trạm tớ cần gửi sẽ gửi yêu cầu khi được trạm chủ hỏi tới và sau đó chờ trạm chủ cho phép thực hiện yêu cầu

Ưu điểm

• Việc kết nối mạng đơn giản vì trí tuệ hệ thống tập trung tại máy chủ

Nhược điểm

• Hiệu suất trao đổi thông tin giảm do thông tin giữa các trạm tớ phải đi qua trạm chủ

• Độ tin cậy hệ thống hoàn toàn phụ thuộc trạm chủ

Ứng dụng

Phương pháp này chủ yếu dùng trong các hệ thống bus cấp thấp, tức là bus trường hay bus thiết bị, nơi

mà việc trao đổi thông tin hầu như chỉ diễn ra giữa trạm chủ điều khiển và các trạm tớ là các thiết bị trường hoặc các module vào/ra phân tán

• Một chu kỳ bus TDMA là tổng thời gian truy cập bus của tất cả các thành viên cộng thêm khoảng thời gian dự phòng

• Ngoài ra có thể xây dựng cấu trúc bức điện có số trường dữ liệu bằng tổng số các thành viên trong mạng Khi bức điện tới trạm nào, dữ liệu của trạm đó sẽ được ghi vào trường dữ liệu tương ứng trong bức điện

Ưu điểm

• Hệ thống có thể hoạt động mà không cần có sự tham gia của trạm chủ

• Mỗi trạm đều có vai trò chủ động trong việc trao đổi dữ liệu

• Thích hợp với các ứng dụng thời gian thực do có tính tiền định

Có 2 loại Token Passing

• Token Ring – trình tự đúng với thứ tự sắp xếp vật lý trong mạch vòng

• Token Bus – trình tự chỉ có tính chất logic