TIỂU LUẬN HỆ THỐNG THÔNG TIN CÔNG NGHIỆP ĐỀ TÀI: WHICH NETWORK FOR WHICH APPLICATION

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

TIỂU LUẬN
HỆ THỐNG THÔNG TIN
CÔNG NGHIỆP
ĐỀ TÀI:

WHICH NETWORK
FOR WHICH APPLICATION

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN : PGS.TS NGUYỄN VĂN KHANG
SINH VIÊN THỰC HIỆN : Nguyễn Ngọc Anh
Tô Văn Hùng

CB111487
CB110858

LỚP : Kỹ thuật truyền thông 1

Hà nội, 12/2011


Tiểu luận Hệ thống thơng tin cơng nghiệp

LỜI NĨI ĐẦU
Ngày nay, với tốc độ phát triển nhanh chóng của cơng nghệ vi điện tử, kỹ thuật
truyền thông và công nghệ phần mềm đã tạo nên những chuyển biến cơ bản trong
hướng đi cho các giải pháp tự động hóa cơng nghiệp với mục địch giảm giá thành
giải pháp và nâng cao chất lượng hệ thống. Hệ thống thông tin công nghiệp khơng
phải là một lĩnh vực kỹ thuật hồn tồn mới mà thực chất là các công nghệ được kế

thừa, chắt lọc và phát triển từ các kỹ thuật truyền thống để phù hợp với các yêu cầu
trong công nghiệp.
Do đặc thù riêng của các ngành công nghiệp, nhiều loại mạng thông tin công
nghiệp khác nhau đã được tạo ra. Từ đó, nảy sinh vấn đề đặt ra trước tiên khi xây
dựng một giải pháp tự động, khơng cịn là nên hay không nên mà là lựa chọn hệ
thống mạng truyền thông nào cho phù hợp với yêu cầu và nhiệm vụ của từng ứng
dụng riêng biệt trong thực tế, đồng thời thỏa mãn các yêu cầu về cấu trúc hệ thống
và tính năng của ứng dụng.
Với mong muốn có thể tiếp cận một cách cụ thể và sâu sắc hơn về các mơ hình
mạng thơng tin được sử dụng trong cơng nghiệp, cũng như các ngun tắc, tiêu chí
đánh giá, lựa chọn một mạng thông tin công nghiệp hợp lý, nhóm chúng em đã
hướng tới nghiên cứu đề tài tiểu luận số 13: “Which network for which
application” với tài liệu tham khảo chủ yếu là Chương 46, Sách “The Industrial
Information Technology Handbook” của tác giả Richard Zurawski.
Với 2 thành viên, chúng em đã phân cơng tìm hiểu đề tài như sau:
- Nguyễn Ngọc Anh: Phần 1 ÷ Phần 5
- Tơ Văn Hùng: Phần 6 ÷ Phần 8
Chúng em xin được cảm ơn thầy giáo PGS.TS Nguyễn Văn Khang đã cung cấp
nguồn tài liệu để chúng em có thể hồn thành bài tiểu luận này.

Nguyễn Ngọc Anh – Tô Văn Hùng KTTT1B

1


Tiểu luận Hệ thống thông tin công nghiệp
1 Giới thiệu
Kể từ khi ngành công nghiệp thông tin ra đời, hàng chục giải pháp đã được thiết
kế để có thể giải quyết vấn đề : Mạng lưới nào dành cho ứng dụng nào. Đó là điều
cần cân nhắc trong từng bối cảnh nhất định, bởi vì khơng có trường hợp nào là duy

nhất trong thông tin công nghiệp. Phần lớn, các quy trình cơng nghiệp được tổ chức
một cách có thứ bậc, và tùy thuộc vào vị trí trong hệ thống phân cấp, nhu cầu sẽ
khác nhau. Cách thức viết các phần mềm điều khiển cũng đưa ra các nhu cầu khác
nhau trong mạng lưới thông tin. Để chọn một mạng thông tin, một điều quan trọng
là các nhà thiết kế mạng phải có những hiểu biết trên những quan điểm khác nhau
khi xây dựng giải pháp của họ.
Trong chương này, trước tiên chúng ta sẽ mô tả cách thức sản xuất công nghiệp
được tổ chức. Trong phần thứ hai, sự khác biệt của các phương pháp tiếp cận trong
cấu trúc điều khiển ứng dụng sẽ được giải thích. Khi đưa ra một mạng lưới để hỗ trợ
thông tin liên lạc giữa các thực thể điều khiển, một số hạn chế sẽ được thêm vào,
chẳng hạn như các lỗi và trễ. Khi có một tác động trên hệ thống, chúng sẽ được
trình bày chi tiết ở phần thứ ba. Phần cuối cùng sẽ trình bày các mạng cơng nghiệp
được lựa chọn và hiển thị các loại ứng dụng có thể hỗ trợ và làm thế nào để chúng
có thể thực hiện các cơng việc được u cầu.
2 Mơ hình phân cấp
Việc điều khiển một hệ thống sản xuất thực hiện bởi nhiều máy tính được tổ
chức theo nhiều cấp độ thứ bậc khác nhau. Mạng máy tính cung cấp thơng tin liên
lạc giữa các máy tính trong một cấp và với các máy tính ở các cấp độ liền kề.
Trước khi trình bày các mức độ khác nhau chi tiết hơn, chúng ta hãy nói gần hơn
cách xử lý một ứng dụng. Bên cạnh đó, số lượng dữ liệu được tăng lên với các mức
độ trong hệ thống phân cấp. Vị trí của một ứng dụng trong hệ thống phân cấp cũng
ảnh hưởng đến các phần mềm ứng dụng được xây dựng. Ứng dụng ở mức thấp nhất
thường áp dụng cách tiếp cận theo kiểu thời gian khởi động time-triggered (xem
Phần 4), trong khi ở các cấp độ cao hơn cách tiếp cận hướng sự kiện (eventtriggered) thường được sử dụng trong hầu hết các trường hợp.
Nguyễn Ngọc Anh – Tô Văn Hùng KTTT1B

2


Tiểu luận Hệ thống thơng tin cơng nghiệp

Có nhiều loại mơ hình sản xuất, cịn gọi là các mơ hình CIM, được mô tả chi tiết
trong một số tài liệu. Trong các điều kiện của hệ thống phân cấp, tất cả các đề xuất
trên không khác nhau rất nhiều. Sự khác biệt tồn tại chủ yếu liên quan đến số lượng
và việc ghi nhãn của các cấp. Hình 1 mơ tả một bản tóm tắt có thể có của những đề
xuất đó. Hình này cho thấy rằng có tồn tại một sự khác biệt lớn giữa quá trình điều
khiển và sản xuất.
Mục đích chính của một hệ thống điều khiển, được tổ chức một cách phân cấp
như trong Hình 1, là để quản lý các q trình như thơng qua các cảm biến (level 0)
bằng cách thực hiện qua các bộ kích thích.
Các cảm biến và thiết bị truyền động liên quan đến cấp độ đầu tiên của tự động
hóa (level 1), trong đó mỗi thiết bị tự động hóa điều khiển một sự thay đổi quá trình
theo cách mà nó vẫn trong giới hạn hoặc theo điểm dữ liệu được đưa ra bởi cấp độ
tiếp theo (level 2). Level 1 tương ứng với một “trục”, kiểm soát một thực thể duy
nhất, trong sản xuất hoặc một vòng lặp cục bộ trong việc điều khiển các quá trình.
Sự thay đổi có thể là rời rạc, chẳng hạn như một cơng cụ thay đổi cơ chế trong một
máy, hoặc liên tục như là một trục trong một robot hoặc bộ nung trong cột chưng
cất.
Các khối ở level 2 xây dựng các điểm thiết lập dữ liệu hoặc các giới hạn cho các
thay đổi đã được liên kết hoặc có liên quan để đảm bảo hoạt động thích hợp. Đây
thường là mục đích của một bộ nội suy trong máy tính điều khiển số (CNCComputer Numerical Controller) hoặc một công cụ điều khiển dự trữ cho một máy
hoặc một bộ điều khiển đường đi của một robot cung cấp các điểm dữ liệu cho các
khớp để theo một đường nhất định. Các khối này nhận được lệnh và phản hổi trạng
thái của chúng tới các máy hoặc đến cấp xử lý (level 3).
Các khối ở level 3 sẽ phối hợp các hành động trên, với điều kiện hoạt động của
các thành phần hoặc nhóm các thành phần để thực hiện hay tối ưu hóa hoạt động
hay trình tự hoạt động trên các đối tượng một cách thống nhất hoặc có biến đổi.
Chúng nhận lệnh và báo cáo trực tuyến tới hệ thống điều khiển phân tán
(Distributed Control System - DCS) (level 4).
Nguyễn Ngọc Anh – Tô Văn Hùng KTTT1B

3


Tiểu luận Hệ thống thông tin công nghiệp
Các khối ở level từ 1 đến 3 cũng phải tự thực hiện các chẩn đoán, phát hiện các
điều kiện khẩn cấp, và có quyết định ngay lập tức nếu chúng có đầy đủ thông tin.
Nếu không, chúng sẽ báo cáo với cấp cao hơn về các quyết định đó.
Các khối ở level 4 chịu trách nhiệm tối ưu hóa sản xuất, lập kế hoạch và hoạt
động nhất định, thực hiện trên các đối tượng, và đảm bảo rằng tất cả các nguồn lực
cần thiết đều sẵn sàng.

Hình 4.1 Mơ hình phân cấp
Level 5 thường tương ứng với việc xây dựng một sản phẩm duy nhất hoặc nhóm
các sản phẩm trên các thiết bị giống nhau. Đó là nơi mà q trình lập kế hoạch cho
các sản phẩm được thực hiện.
Level 6 đại diện cho cấp cao nhất. Chức năng cơ bản được thực hiện ở cấp độ
này là thiết kế sản phẩm, quản lý tài nguyên, quản lý sản xuất cấp cao với kế hoạch
sản xuất liên vùng, chính sách thành lập nhà máy, v.v...
Ngồi ra, có thể tìm thấy một mức quản lý doanh nghiệp (khơng được hiển thị
trong Hình 1) được liên kết đến các vị trí khác nhau hoặc các nhà máy thông qua
mạng công cộng hoặc công ty. Ở cấp độ này, tất cả các hoạt động mang tính khơng
sản phẩm (như: nghiên cứu, tài chính,...) của doanh nghiệp cũng có thể được liên
kết.
Nguyễn Ngọc Anh – Tơ Văn Hùng KTTT1B

4


Tiểu luận Hệ thống thông tin công nghiệp
3 Phân loại q trình

Quy trình điều khiển bởi các máy tín thường được phân loại theo hai mơ hình:
Hệ thống liên tục và hệ thống các sự kiện rời rạc.
Một ví dụ của một quá trình liên tục là bộ điều chỉnh nhiệt độ giữ nhiệt độ trong
lò phản ứng với giới hạn được đặt sẵn xung quanh một giá trị điểm đã được thiết
lập. Hệ thống đọc nhiệt độ được đưa ra bởi một cảm biến, so sánh nó với các điểm
giá trị, tính tốn hiệu chỉnh cần thiết bằng cách sử dụng một thuật tốn kiểm sốt
đầy đủ, và kích hoạt thiết bị truyền động để sưởi ấm cho phù hợp. Chuỗi các hoạt
động này được lặp đi lặp lại đều đặn, thường xuyên, định kỳ. Thời gian được thiết
lập theo các biến động của quá trình điều khiển.
Mặt khác, sự điều khiển thang máy liên quan đến các lớp của một hệ thống rời
rạc. Khi thang máy đang đến gần sàn, các bộ cảm biến giảm tốc sàn được kích hoạt,
trong trường hợp này, hệ thống điều khiển phản ứng bằng cách giảm tốc độ của
thang máy. Tiếp theo, nó phải dừng thang máy khi cảm biến sàn chỉ ra rằng sàn nhà
đã được chạm tới. Trong chuỗi này, các sự kiện khác có thể xảy ra như truy vấn yêu
cầu từ các hành khách bên ngoài thang máy. Yêu cầu như vậy hoặc có thể được
thực hiện ngay sau trình tự hiện tại hoặc chỉ cần ghi nhớ cho các xử lý sau. Ngoài
ra, một sự kiện nhất định có thể khơng được quan tâm. Trong ví dụ trên, trường hợp
giảm tốc độ chỉ được chú ý khi thang máy dừng lại trên sàn tương ứng. Sự kiện phát
hiện cần được vơ hiệu hóa và đơi khi kích hoạt lại sau. Một đặc tính thiết yếu của hệ
thống sự kiện rời rạc là nếu các hành động kích hoạt bởi sự xuất hiện của một sự
kiện hoàn toàn được biết đến, thời điểm mà tại đó sự kiện này sẽ xảy ra là một ưu
tiên không rõ ràng. Hơn nữa, thứ tự mà trong đó hai hoặc nhiều sự kiện xảy ra
thường rất quan trọng.

Nguyễn Ngọc Anh – Tô Văn Hùng KTTT1B

5


Tiểu luận Hệ thống thông tin công nghiệp

Batch Systems (Hệ thống hàng loạt)
4 Hệ thống điều khiển
Hệ thống liên tục và hệ thống rời rạc được thực hiện bằng cách hỏi vịng theo
chu kỳ hoặc có chu kỳ thường được gọi là hệ thống thời gian kích hoạt hoặc hệ
thống dữ liệu lấy mẫu.
Time-Triggered Systems (Hệ thống thời gian kích hoạt)
Theo quan điểm điều khiển hệ thống, hệ thống liên tục sẽ được thực hiện như
một vòng lặp các thao tác đợi sự khởi đầu của chu kỳ, lấy mẫu đầu các đầu vào, tính
tốn giá trị đầu ra mới, và thiết lập các bộ kích thích theo các giá trị mới.
Tính chu kỳ khơng phải là bắt buộc nhưng thường được được cho là dẫn đến các
thuật toán đơn giản và hệ thống ổn định và an toàn hơn. Hầu hết các thuật toán phát
triển với giả thiết này rất nhạy cảm với sự thay đổi thời gian. Đặc biệt là trong
trường hợp của bộ điều khiển động cơ. Đồng thời lấy mẫu đầu vào cũng là một yếu
tố ổn định quan trọng. Giả định rằng bộ điều khiển thực hiện một thuật tốn điều
khiển khơng gian trạng thái trong đó vector trạng thái bao gồm vị trí, tốc độ, gia tốc
của một thiết bị di động, và các giá trị thực tế thu được bằng ba bộ cảm biến, một bộ
mã hóa vị trí, đo tốc độ gốc,và một gia tốc kế. Các thuật toán điều khiển giả định
rằng các giá trị đo được là cùng một lúc. Đối với các hệ thống điều khiển, sự chuyển
dịch này được gọi là lấy mẫu đồng thời. Sự thu nhận không thực sự là đồng thời nếu
chỉ một bộ xử lý được dành cho ba thao tác. Tuy nhiên, ngay lập tức của họ phải
được càng gần càng tốt và vẫn còn khác biệt theo một giới hạn nhất định, có thể
được ước tính khoảng hai bậc độ lớn dưới chu kỳ ...
Discrete Event Control Systems (Hệ thống sự kiện rời rạc)
Hệ thống sự kiện rời rạc có thể được thực hiện như một tập hợp các thao tác
được kích hoạt bởi một sự kiện. Hãy xác định một sự kiện như là một thay đổi đáng
kể (hoặc một chuỗi các thay đổi đáng kể) của trạng thái các bộ xử lý. Sự thay đổi sự
kiện này, được phát hiện bởi một số mạch đầu vào liên tục giám sát và chuyển
thành một gián đoạn (sự phát hiện cũng có thể được thực hiện bằng phần mềm). Sự
Nguyễn Ngọc Anh – Tô Văn Hùng KTTT1B

6


Tiểu luận Hệ thống thông tin công nghiệp
kiện này được xử lý bởi một tiến trình tiến hành các hành động cần thiết. Thời gian
trôi qua giữa sự xuất hiện của sự kiện và các phản ứng tương ứng, thường được gọi
là thời gian phản ứng, được giới hạn và đưa ra trong các yêu cầu. Thời gian phản
ứng có thể phụ thuộc vào các loại sự kiện. Phản ứng với các sự kiện thường được
xử lý theo trình tự xuất hiện của các sự kiện. Tuy nhiên, một số sự kiện có thể quan
trọng hơn. Ví dụ như sự kiện dừng khẩn cấp trong thang máy rõ ràng là quan trọng
hơn một yêu cầu gọi thang máy. Điều này sẽ trở thành ưu tiên trong việc xử lý sự
kiện. Trong bất kỳ trường hợp nào, thứ tự các sự kiện xảy ra rất quan trọng cho ứng
dụng.
Kỹ thuật thực hiện như trên là thông thường nhưng không phải là duy nhất. Ln
ln có thể thực hiện một hệ thống sự kiện rời rạc như là một hệ thống liên tục.
Trong trường hợp này, tất cả các yếu tố đầu vào được lấy mẫu tại các khoảng thời
gian tường xuyên bởi phần mềm điều khiển - phát hiện những thay đổi và tiến hành
các phản ứng cần thiết. Đây là cách Bộ điều khiển lập trình Logic (Programmable
Logic Controller - LPC) được thực hiện. Với việc thực hiện như vậy, sự ưu tiên
giữa các sự kiện chỉ có thể được khẳng định nếu các sự kiện được phát hiện trong
những chu kỳ hỏi vòng khác nhau. Nếu hai sự kiện được phát hiện trong cùng một
chu kỳ hoặc một giai đoạn, chúng sẽ được coi như đồng thời. Chu kỳ hoặc giai đoạn
nên được lựa chọn để đảm bảo tất cả các sự kiện có thể được phát hiện. Trong ví dụ
thang máy, nếu bộ chuyển đổi giảm tốc độ đóng cửa trong thời gian tối thiểu là
20ms, thời gian hỏi vịng nên thấp hơn để có thể phát hiện các sự kiện.
Tóm lại, hệ thống điều khiển liên tục đặc trưng bởi bốn đặc điểm quan trọng:
-

Chúng theo chu kỳ và các định kỳ thường xuyên, giá trị chu kỳ được thiết lập
theo các quá trình động.

-

Sự biến động trong một chu kỳ nên được giới hạn một vài phần trăm của chu
kỳ.

-

Các giá trị đầu vào tức thời và đầu ra được biết trước và quyết định bởi bộ
điều khiển.

-

Các đầu vào cần được lấy mẫu gần như đồng thời.

Nguyễn Ngọc Anh – Tô Văn Hùng KTTT1B

7


Tiểu luận Hệ thống thông tin công nghiệp
Hệ thống sự kiện rời rạc có thể được thực hiện như những hệ thống liên tục. Sau
đó, chúng thể hiện các đặc điểm tương tự nhưng không nhất thiết phải theo định kỳ.
Tuy nhiên, thời gian một chu kỳ nên được giữ ở mức thấp đủ để tất cả các sự kiện
có thể được nhận biết. Các hệ thống này cũng có thể được thực hiện bằng cách sử
dụng các ngắt với các đặc điểm sau:
-

Các sự kiện xảy ra tức thời không được biết đến.

-

Thời gian phản ứng các sự kiện được giới hạn.

-

Thứ tự xảy ra các sự kiện là một yếu tố quan trọng.

-

Phản ứng với một số sự kiện có thể có mức ưu tiên cao hơn.

-

Sự phát hiện một sự kiện có thể tạm thời bị vơ hiệu hóa.

-

Có một giới hạn trong mật độ xảy ra các sự kiện có thể xử lý bởi hệ thống
điều khiển.

5 Hệ thống thông tin
Hệ thống thông tin liên lạc hỗ trợ sự tương tác giữa các ứng dụng điều khiển.
Trên một máy tính, các ứng dụng khác nhau có thể cùng tồn tại, với một số theo
thời gian kích hoạt một số theo sự kiện được kích hoạt. Chúng có thể giao tiếp với
các ứng dụng từ xa của các loại ứng dụng khác (một ứng dụng thời gian kích hoạt
có thể giao tiếp với một ứng dụng sự kiện kích hoạt).
Mạng thơng tin có thể được xây dựng theo mơ hình sự kiện kích hoạt hoặc thời
gian kích hoạt hay kết hợp cả hai. Sự thích ứng một ứng dụng thời gian kích hoạt
với một mạng lưới thời gian kích hoạt rõ ràng là dễ dàng thực hiện hơn so với một

hệ thống sự kiện kích hoạt. Sau đó có thể u cầu một số thích ứng thêm. Lý tưởng
nhất là các hệ thống thông tin liên lạc hỗ trợ cả hai mơ hình trên.
Các mơ hình thơng tin
Các mơ hình thơng tin sẽ xác định các q trình ứng dụng khác nhau có thể hợp
tác với nhau như thế nào (Thomesse 1993). Mơ hình thơng tin được sử dụng rộng
rãi nhất là mơ hình client-server. Trong mơ hình này, quy trình tương tác thơng qua
các u cầu và phản hồi. Client là q trình đó u cầu một hành động được thực
Nguyễn Ngọc Anh – Tô Văn Hùng KTTT1B

8


Tiểu luận Hệ thống thông tin công nghiệp
hiện bởi một q trình khác – Server. Server thực hiện cơng việc và trả về một bản
tin với kết quả. Client và Server chỉ đề cập đến vai trị các q trình trong hoạt động
từ xa. Một quá trình là một client trong một số thao tác có thể trở thành server cho
một số khác. Đây là một mơ hình điểm-tới-điểm (point-to-point).
Mơ hình này thể hiện một số hạn chế cho các ứng dụng điều khiển. Đầu tiên,
thời gian không được đưa vào tính tốn. Nó khơng thể xác định một sự chậm trễ
giữa yêu cầu và phản hồi và có một số phương pháp để kiểm tra xem sự chậm trễ
này sẽ được lưu ý bởi vì các ứng dụng server sẽ tham gia vào phản hồi. Thứ hai,
nếu một client muốn thực hiện các yêu cầu đồng thời với một vài server, điều này
chỉ có thể được thực hiện tuần tự, một yêu cầu sau các yêu cầu khác. Cuối cùng, nếu
hai client cùng có một yêu cầu đến server , server này sẽ xử lý yêu cầu theo thứ tự
và các hồi đáp có thể khác nhau. Ví dụ, hai nút điều khiển có thể yêu cầu giá trị của
một sensor gắn liền với một server. Nhưng giá trị trả lại cho client đầu tiên có thể
khác với giá trị cho client thứ hai. Hai vấn đề cuối có thể được giải quyết bằng các
thuật toán đầy đủ ở phần đầu trang sự tương tác client-server. Kết quả này trong
việc triển khai lớn thường có hiệu suất kém. Tuy nhiên, đối với một số hoạt động từ
xa, đặc biệt là trong giai đoạn cấu hình và thiết lập, những vấn đề này khơng xuất

hiện và mơ hình client-server là một giải pháp tốt. Đối với các hoạt động thời gian
thực, các mạng công nghiệp cần phải cung cấp các giải pháp thực hiện và đơn giản
để giải quyết các vấn đề của mơ hình client-server. Điều này đã dẫn đến mơ hình
producer-subcriber (đơi khi được gọi là mơ hình publisher-subcriber), đó là một
mơ hình đa điểm. Mơ hình này phù hợp với hệ thống thời gian kích hoạt.
Trong mơ hình producer-consumer, mỗi mẫu thơng tin có một producer và một
hoặc nhiều consumer. Khi producer có một số thơng tin đã sẵn sàng, nó cho các
thơng tin đó vào mạng. Đây là một sự chuyển giao thông tin và sẵn có cho
consumer. Điều này có một số ưu điểm so với mơ hình client-server:
-

Producer và consumers khơng cần thiết phải đồng bộ. Consumer không phải
chờ phản hổi từ Produce rnhư trong mơ hình client-server. Nếu thơng tin đã
được chuyển giao, nó có thể sử dụng hoặc nếu khơng, nó coi như khơng có
thơng tin mới.

Nguyễn Ngọc Anh – Tơ Văn Hùng KTTT1B

9


Tiểu luận Hệ thống thông tin công nghiệp
-

Các thông tin giống nhau có thể được truyền cùng lúc cho tất cả các
consumer. Do đó có thể sử dụng mạng hiệu quả hơn.

-

Hai hay nhiều consumer sẽ làm việc với cùng một giá trị tại một thời điểm

nhất định.

-

Các luồng điều khiển khơng cịn cần thiết như một thơng tin mới ghi đè lên
các thơng tin trước đó. Giả thiết rằng việc phát sinh các thông tin mới sẽ làm
lồi thời các thơng tin trước.

-

Đồng bộ hóa giữa các ứng dụng có thể được thực hiện như kết quả của một
biến đồng bộ hóa.

Tuy nhiên, mơ hình này đi kèm với một sự trả giá. Khi consumer khơng có cách
nào để liên kết thông tin với một yêu cầu rõ ràng (như trong mơ hình client-server),
nó sẽ có thể cần biết thời gian tồn tại của thông tin. Mạng thực hiện các mơ hình
producer–consumer sẽ có thể đánh dấu thơng tin với một số thuộc tính mà từ đó
thơng tin này có thể được trích xuất.
Mơ hình producer–distributor–consumer là một phần mở rộng của mơ hình
producer–consumer, mơ hình này cho biết thêm một mức độ tách biệt giữa sản
xuất và chuyển giao thông tin. Thành phần bổ sung, distributor, phụ trách chuyển
giao thơng tin từ vị trí producer đến các customer. Bằng cách như vậy, chuyển giao
thơng tin khơng cịn gây ra bởi producer nhưng được thực hiện theo các quy tắc
được định nghĩa cho distributor. Điều này mang tính linh động trong lịch trình của
chuyển giao trong mạng và mang lại một hiệu quả cải thiện.
Tính thống nhất thời gian
Tính thống nhất thời gian có hai khía cạnh : tính thống nhất thời gian tuyệt đối
và tính thống nhất thời gian tương đối.
Tính thống nhất thời gian tuyệt đối liên quan đến thời gian tồn tại của thông tin.
Một phần dữ liệu được tạo ra tại một thời điểm nhất định. Sau đó được truyền qua

hệ thống thơng tin liên lạc. Nó được sử dụng lần cuối cùng tại một số điểm trong
chu kỳ. Một phần dữ liệu được cho là có thời gian phù hợp một cách tuyệt đối khi
khác biệt giữa thời điểm tạo ra và thời điểm hiện tại không vượt quá thời hạn hiệu
Nguyễn Ngọc Anh – Tô Văn Hùng KTTT1B

10


Tiểu luận Hệ thống thơng tin cơng nghiệp
lực của nó. Nói cách khác, dữ liệu khơng nên được sử dụng nếu nó quá cũ. Hành vi
này rất dễ dàng để đảm bảo khi tất cả diễn ra trên cùng một máy tính. Khi dữ liệu
truyền qua mạng, thơng tin thường bị mất mát.
Trong một ứng dụng thời gian kích hoạt, ứng dụng điều khiển hy vọng rằng tất
cả các dữ liệu đầu vào đã được thu nhận cùng một lúc. Các phép đo được thực hiện
trong một cửa sổ thời gian nhất định. Đặc tính này được gọi là "thời gian sản xuất
gắn kết" - “production time coherence” trong tiêu chuẩn Field Instrumentation
Protocol (FIP), và nói chung, chúng ta có thể nói về "tính thống nhất thời gian" mỗi
khi một số hành động phải được thực hiện trong một khoảng thời gian (ISO 1994).
Nó được gọi là thời gian (hoặc tương đối thời gian) nhất quán (Kopetz và Kim
1990, Kopetz 1988).
Nó được định nghĩa như sau. Xét hai biến a và b. Gọi [a ta, va] và [b, tb, vb] là
hai quan sát của a và b, trong đó va và vb là hai mẫu của a, b tại thời điểm ta và tb.
Các mẫu được cho là có tính thống nhất thời gian từ các điểm phát sinh nếu:
| ta - tb | < R
trong đó R là ngưỡng tính thống nhất thời gian.
Tính thống nhất khơng gian
Theo định nghĩa của Lee Lann (1990), hệ thống phân tán là "Một hệ thống tính
tốn mà hoạt động được xác định bởi các thuật toán một cách rõ ràng được thiết kế
để làm việc với nhiều bộ điều khiển." Trong hệ thống như vậy, có một số các nút
điều khiển khơng làm việc độc lập mà hợp tác với nhau để thực hiện các tác vụ

chung. Sự hợp tác có thể là cần thiết để đạt được một mức độ nhất định khả năng
chịu lỗi hoặc vì các tác vụ điều khiển tổng thể là quá lớn để được xử lý trên một nút
duy nhất.
Hệ thống thời gian kích hoạt phân tán làm việc theo định kỳ và các vị trí điều
khiển khác nhau đồng bộ hóa hoạt động của mình theo thời gian. Để làm như vậy,
chúng không thể dựa vào đồng hồ cục bộ mà cần phải chia sẻ một nhận biết chung

Nguyễn Ngọc Anh – Tô Văn Hùng KTTT1B

11


Tiểu luận Hệ thống thông tin công nghiệp
về thời gian (Verissimo 1994). Điều này có thể đạt được thơng qua một thuật toán
đồng bộ đồng hồ phân tán (Kopetz và Ochsenreiter 1987), hoặc với một số hạn chế,
sử dụng "sự kiện" theo thời gian được tạo ra bởi các mạng lưới (He et al. 1990).
Trong hệ thống như vậy, các vị trí điều khiển chỉ trao đổi dữ liệu, hoặc thông tin
trạng thái. Rõ ràng, tất cả các dữ liệu cần thiết cho các tính tốn nên được tận dụng
có thể cho tất cả các bộ điều khiển trước khi đồng bộ hóa các thời điểm, điều khiển
luồng được thực hiện tĩnh. Một đơn vị duy nhất của dữ liệu có thể là cần thiết bởi
một số các nút điều khiển. Khi các nút này không chia sẻ một bộ nhớ chung, các
đơn vị dữ liệu cần được nhân rộng ở mỗi nút. Điều này có thể được thực hiện bằng
cách truyền quảng bá, nhưng chúng ta cần phải cần đảm bảo rằng tất cả các bản sao
giống hệt nhau vào thời điểm chúng được sử dụng. Đặc tính này được gọi là tính
thống nhất khơng gian. Nó có thể thu được bằng một thuật tốn phát sóng đáng tin
cậy (Hadzilacos và Toueg 1993), hoặc như trong FIP, chỉ một dấu hiệu của tính
nhất qn khơng gian là cần thiết (Decotignie và Prasad 1994).
Thứ tự các sự kiện
Hệ thống điều khiển sự kiện kích hoạt thường rất nhạy cảm với thứ tự các sự
kiện xảy ra. Mạng không đảm bảo rằng các yêu cầu chuyển giao thông tin được xử

lý theo thứ tự như khi chúng được đệ trình. Điều này có nghĩa rằng các ứng dụng
khơng thể dựa vào thứ tự mà chúng nhận được các sự kiện từ các mạng để thiết lập
thứ tự xuất hiện của các sự kiện đúng theo trình tự thời gian.
Ảnh hưởng của sự sai hỏng
Sự sai hỏng là không thể tránh khỏi nhưng ảnh hưởng của chúng cần phải được
giảm thiểu. Trong lĩnh vực giá trị, sai hỏng có thể có các giá trị không xác định
hoặc các giá trị được định nghĩa như là các đầu vào chính xác, nhưng khơng liên
quan. Trong miền thời gian, sự sai hỏng, thiếu sót, theo thời gian, sớm hay muộn
cũng có thể xảy ra. Đối phó với những sai hỏng là mục tiêu của máy tính kháng lỗi
(Lee Lann 1992), ngồi phạm vi chương này. Tuy nhiên, sẽ rất có giá trị khi thảo
luận về tác động của mạng trên hệ thống liên quan đến sai hỏng. Với sự khởi đầu
của một mạng, lỗi có thể xảy ra trong một số các đơn vị bổ sung, liên kết, các mạch
Nguyễn Ngọc Anh – Tô Văn Hùng KTTT1B

12


Tiểu luận Hệ thống thông tin công nghiệp
thu phát, và phần mềm. Liên kết có thể được cắt giảm liên tục hoặc vĩnh viễn và có
thể bị nhiễu loạn làm sai hỏng thông tin được truyền. Các phần phát và thu trong
các nút có thể dừng lại, phản ứng quá nhanh hoặc quá sớm, hay phát đi khi chúng
không được phép hoặc thậm chí là phát liên tục. Mạng lưới đã được thiết kế để
kháng lỗi bằng cách phát hiện và sửa lỗi với cách sử dụng ba loại dự phòng: thời
gian dự phòng, tài nguyên vật lý dự phòng, và thơng tin dư thừa. Ví dụ, thơng tin dư
thừa được thêm vào cho mỗi bản tin chuyển giao trong mạng dưới hình thức một
mã phát hiện lỗi, chẵn lẻ, hoặc Kiểm tra độ dư vòng - Cyclic Redundancy Check
(CRC). Mỗi mã thể hiện một khả năng phát hiện, điều đó có nghĩa rằng có một số
lỗi mà có thể không được phát hiện ở cấp độ mạng. Sự cố, thiếu sót, và thời gian sai
hỏng thường được phát hiện thông qua việc sử dụng các bộ định thời. Trong hệ
thống thời gian kích hoạt, phát hiện này là dễ dàng bởi vì mỗi nút phải truyền định

kỳ. Sự vắng mặt của các bản tin đến trong chu kỳ cho thấy có thể có sự sai hỏng, và
các biện pháp đối phó thích hợp có thể được thực hiện trong ứng dụng. Hơn nữa,
sửa lỗi có thể được dựa trên thời gian dự phòng bằng cách giữ lại các giá trị trước
đó và chỉ cần chờ một giá trị mới ở chu kỳ tiếp theo. Hệ thống sự kiện kích hoạt gặp
nhiều khó khăn hơn để xử lý. Các khung rời rạc có thể được phát hiện trước đó và
báo hiệu cho phía phát bằng một bản tin báo nhận phủ định. Phía gửi chờ bản tin
báo nhận, hoặc là khẳng định hoặc phủ định. Sai hỏng thiếu sót được phát hiện bởi
sự vắng mặt của bản tin báo nhận (ACK) trong một độ trễ nhất định. Trong trường
hợp bản tin báo nhận phủ định hoặc báo nhận sót, phía phát sẽ truyền lại bản tin đó.
Q trình này được lặp đi lặp lại cho đến khi thành công hay một số lượng tối đa
các lần thử truyền lại đã đạt được. Điều này có nghĩa rằng, để đối phó với các lỗi có
thể, bản tin báo nhận là cần thiết. Hơn nữa, thời gian cần thiết để chuyển một bản
tin từ bên phát đến bên nhận có thể thay đổi đáng kể với một sự suy giảm tương ứng
thời gian phản ứng của ứng dụng. Nó cũng gây ra sự chậm trễ trong việc truyền tải
các bản tin khác. Một vấn đề tiềm năng thứ hai trong trường hợp hệ thống sự kiẹn
kích hoạt là việc khó khăn để phân biệt sự cố của một nút hay sự thiếu sót từ trường
hợp khơng có sự kiện xảy ra. Một nút nhận, ví dụ, một bộ kích thích, mà khơng
nhận được bất kỳ bản tin có thể giả định rằng các nút điều khiển đã bị lỗi hay là
khơng có lệnh mới. Trong trường hợp đầu tiên, bộ kích thích được đặt trong một
Nguyễn Ngọc Anh – Tô Văn Hùng KTTT1B

13


Tiểu luận Hệ thống thông tin công nghiệp
chế độ an tồn, trong khi sau này khơng có xử lý đặc biệt nào được thực hiện. Điều
này có nghĩa rằng các bản tin liveness nên được gửi đều đặn ngoài các bản tin bình
thường.
Một vài sai hỏng có thể ngăn chặn hoạt động của mạng nếu mạng không được
thiết kế đúng cách. Ví dụ, nếu tất cả các lưu lượng truy cập được định bởi một nút

duy nhất, trong trường hợp điều khiển truy cập trung bình tập trung, một sự cố, hay
một thiếu sót nào của nút này sẽ làm cho mạng ngừng hoạt động, trừ khi nút này
được nhân đôi và một số giao thức phục hồi được thực hiện. Một số nút cũng có thể
bắt đầu truyền các bản tin liên tục hoặc vào một thời điểm trong chu kỳ mà chúng
không được phép làm như vậy. Điều này có thể là trường hợp với một số nhà cung
cấp xác định vơi giao thức Sense Multiple Access (CSMA), ở đó sự phân tích các
xung đột dựa trên một ưu tiên xác định.
6 Các tham số khi lựa chọn mạng công nghiệp
Khi tiến hành lựa chọn một mạng cho một ứng dụng thì cần xem xét đến các
tham số sau:
Các mơ hình truyền tin: Như đã mơ tả ở trên, hai mơ hình chính được sử dụng trong
việc xây dựng một lớp ứng dụng là mơ hình client-server và mơ hình producer–
distributed–consumer (đơi khi cịn được gọi là mơ hình publishe–subscribe). Ứng
dụng phân tán có khả năng sử dụng sau, trong khi các ứng dụng phân cấp tổ chức có
thể sử dụng trước đó.
Kiểu truyền tin: chuyển thơng tin có thể là rời rạc, vịng hoặc định kỳ. Trong trường
hợp cuối, ứng dụng đưa ra các giới hạn trong sự biến động giữa các lần truyền liên
tục của cùng dữ liệu.
Cấu trúc mạng và phương tiện truyền dẫn: Nếu hầu hết các giải pháp mạng đưa ra
cấu trúc liên kết kiểu cây, điều đó là hạn chế về độ dài nhánh và số lượng nút trong
cây. Một số giải pháp cũng đưa ra các phương tiện truyền dẫn khác với lõi xoắn
kép, ví dụ như là cáp quang hay truyền sóng radio.

Nguyễn Ngọc Anh – Tơ Văn Hùng KTTT1B

14


Tiểu luận Hệ thống thông tin công nghiệp
Can nhiễu, môi trường: Các mạng lưới có thể được sử dụng trong các môi trường

rất phức tạp. Như trường hợp đối của ứng dụng vận tải và hóa dầu. Lớp vật lý có thể
chịu tốt hoặc kém đối với các mơi trường. Lựa chọn một giải pháp không hợp lý sẽ
dẫn đến làm tăng lỗi trong truyền dẫn hay thậm chí là xảy ra hiện tượng fading.
Lỗi: như diễn tả ở phần 5, các lỗi khi truyền dẫn là không thể tránh được cho dù có
cáp truyền thích hợp và lớp vật lý đáp ứng được, các mức của chúng có thể được
giữ ở mức thấp. Trong nhiều ứng dụng thì các lỗi về mặt thời gian có thể cho phép
dù một số ứng dụng không đưa ra thông báo lỗi. Tuy nhiên thì trong một số trường
hợp điều này khơng thể chấp nhận và mạng cần cung cấp các phương thức, cách
thức để thông báo về các lỗi được đưa ra trong ứng dụng.
Lưu lượng: Tốc độ bit chưa xử lý của một mạng là kết quả thu được của lưu lượng
thực tế từ ứng dụng. Bit đầu tiên của các giao thức, đáp ứng độ trễ trong các khe
mạng, hệ thống điều khiển truy nhập, các thuật toán phân bố truyền tin và độ trễ
trong ứng dụng làm giảm lưu lượng thực tế. Ví dụ như, truyền một giá trị 16 bits
yêu cầu thực tế truyền vào khoảng 1000bits với mạng Ethernet, 450bits với mạng
Profibus FMS, 200 bits với mạng CAN và 90 bits với mạng FIP. Do các hiệu ứng,
tác động khác thì lưu lượng thực tế có thể là một hoặc hai đại lượng dưới tốc độ bit
chưa qua xử lý.
Sự bảo đảm: đã được đưa ra để tính sự bảo đảm bảo bởi mạng cơng nghiệp, điều
này là rất quan trọng đối với các ứng dụng. Sự bảo đảm thu được các câu kết quả từ
nhiều câu hỏi khác nhau ví dụ như:
-

Mạng có khả năng chống lại một việc tải thông tin không ?

-

Thời gian chuyển tối đa của 1 một sự kiện sẽ là gì?

-

Điều gì sẽ xảy ra khi mạng bị quá tải ?

-

Sự biến đổi tối đa của truyền tuần hoàn sẽ là gì?

Nếu hầu hết các giải pháp đưa ra một số bảo đảm, thu được một số câu trả lời đối
với tất cả các câu hỏi ở trên. Thêm nữa, hầu hết thời gian, Sự đảm bảo thu được
dưới giả thiết rằng khơng có lỗi đường truyền xảy ra, điều đó sẽ không thể được
công nhận.
Nguyễn Ngọc Anh – Tô Văn Hùng KTTT1B

15


Tiểu luận Hệ thống thông tin công nghiệp
Sự nhất quán: Như đã đề cập ở trên, tính nhất quán về mặt thời gian được giả thiết
trong hầu hết các ứng dụng điều khiển. Không may, hầu hết các giải pháp khơng
đưa ra hỗ trợ cho tính nhất qn về mặt thời gian và tính nhất qn về mặt khơng
gian. Điều này có ngụ ý là mặt này nên được đưa thêm vào ưu tiên hàng đầu cho
việc lựa chọn Mạng.
Truyền tin theo chiều ngang, chiều dọc: như diễn tả ở trên, một mạng có thể được
sử dụng để hỗ trợ lưu lượng truy nhập giữa các máy tính của các mức cận kề (lưu
lượng truy nhập chiều thẳng đứng). Điều đó có thể được sử dụng để để đảm bảo
thơng tin giữa các thiết bị điều khiển của cùng một mức kết hợp được. Mối liên hệ
về thông tin và lưu lượng tin mẫu luôn rất khác nhau trong mỗi trường hợp và giải
pháp mạng nên có khả năng duy trì cả hai.
Dịch vụ: lớp ứng dụng cung cấp 1 số lượng dịch vụ. Các dịch vụ khơng có sẵn mà
cần thực hiện trong các ứng dụng. Ví dụ như một số dịch vụ:
-

Đọc và ghi các kiểu biến (hay đối tượng) cùng với chỉ dẫn.

-

Đọc bộ dữ liệu có tính nhất quán về mặt thời gian.

-

Tải về dữ liệu và chương trình.

-

Yêu cầu từ xa ( bắt đầu, kết thúc, tạm dừng, tiếp tục lại) của các chương trình

-

Thu nhận, gửi hay đăng ký các sự kiện với dấu hiệu có thể của thời gian xảy
ra.

Dễ cấu hình: Đối với hầu hết các mạng, các nhà cung cấp đưa ra các cung cấp cho
phép cấu hình mạng. Điều này bao gồm các thiết lập về địa chỉ, giá trị khởi tạo về
thời gian sử dụng trong mạng, định kỳ, quyền ưu tiên… Các công cụ đưa ra để giám
sát mạng. Tính khả dụng của cơng cụ giúp giảm các báo cáo vận hành và quản lý.
Sự kết nối với mạng Internet: với sự mở rộng của các trình duyệt web, điều đó rất
thu hút khi đặt một web server bên trong mỗi thiết bị công nghiệp. Server này được
sử dụng để truy nhập thông tin không phải thời gian kiểu như cấu hình, hướng dẫn
người dung… Thi hành một chức năng, giao thức vận chuyển nên có khả năng
truyền các thông điệp giao thức HTTP. Tuy nhiên giao thức TCP không được ủy
thác.

Nguyễn Ngọc Anh – Tô Văn Hùng KTTT1B

16


Tiểu luận Hệ thống thông tin công nghiệp
7 Tổng quan một số giải pháp
Có rất nhiều mạng được sử dụng trong công nghiệp. Dưới đây là một số giới
thiệu ngắn ngọn về các giải pháp phổ biến nhất.
Actuator Sensor Interface
Actuator Sensor Interface (ASI) (IEC 62026-2) (EN 50295) là một kênh truyền
dẫn giao tiếp được đặt ở đầu vào và đầu ra từ xa cho một máy tính cơng nghiệp. Nó
dựa trên một hệ thống kết nối đa điểm điện cơ giá thành thấp được thiết kế để hoạt
động thông qua cáp 2 sợi, khoảng cách truyền lên tới 100m hoặc có thể hơn thế nếu
bộ Repeater được sử dụng. Dữ liệu và nguồn cấp được truyền trên cùng một cáp 2
sợi. Nó đặc biệt phù hợp với các tầng thấp hơn của thiết bị tự động đơn giản, luôn là
nhị phân, các thiết bị như Switch cần để tương thích trong các mạng khu vực tự
động được điều khiển bởi PLC hoặc PC.
Máy chủ (Master) tiến hành hỏi vòng bằng việc phát , gửi các lệnh và thu nhận
và xử lý trở lại từ các máy con (Slave). Kết nối của các Slave được kiểm tra vòng
bởi Master với tốc độ 1666 kbit/s, nó có thể nhận được tối đa ở lần sau là 5148 µs
trên mạng ( 31 Slave). 26 Slave có thể kết nối được trong chế độ địa chỉ mở rộng.
Với mỗi Slave có thể thu nhận và truyền 4 bits. Điều đó là để dự phịng cho việc
phát hiện Slave một cách tự động.
ASI không định nghĩa lớp ứng dụng nhưng cung cấp, hỗ trợ chức năng quản lý
để cấu hình hoặc reset các Slave và phát hiện các Slave mới.
Controller Area Network.
Controller Area Network (CAN) Là kết quả nghiên cứu của Robert BOSCH
nhằm cung cấp một bộ ghép kênh giao tiếp nối tiếp của việc truyền dẫn bên trong
máy móc. CAN lớp 1 và 2 được chuản hóa bởi ISO (ISO 1993). Nói một cách

nghiêm ngặt, có một vài lớp ứng dụng mới cho CAN, trong số đó CAN Open được
biết đến nhiều nhất.

Nguyễn Ngọc Anh – Tô Văn Hùng KTTT1B

17


Tiểu luận Hệ thống thông tin công nghiệp
CAN là một kênh truyền khơng có bộ repeater để hạn chế các topo. Có thể kết
nối lên tới 30 trạm. Mọi bản tin đã truyền được nhận dạng duy nhất và điều đó
khơng có nghĩa để địa chỉ trực tiếp tới 1 trạm trừ khi bộ nhận dạng duy nhất được
gắn kèm với trạm này. Mọi trạm có thể truy nhập kênh truyền khi khơng có một
trạm nào đang truyền tin. Nếu có hai trạm cùng truyền ở một thời điểm thì sẽ có một
sự phân xử, tin nào có bộ nhận dạng ít nhất sẽ được ưu tiên xử lý trước. Điều này có
nghĩa rằng sự truyền dẫn của một thơng điệp mang giá trị cao như một bộ nhận
dạng bị hoãn lại trong một thời gian dài và thời gian liên kết chỉ được thực hiện
thống kê trừ khi tiến hành thêm giao thức.
Nó nên được ghi chú bằng việc sử dụng kết nối “open collector” tới cáp truyền,
CAN thực hiện báo nhận tức thời và tổng hợp tới khung truyền. Do đó, giao thức có
tính nhất qn về kết quả và khơng gian có thể được thực hiện dễ dàng.
Ở lớp ứng dụng, CAN Open đưa ra đầy đủ các dịch đối với truyền tin rời rạc sử
dụng giao thức producer-consumer với hỗ trợ tối thiểu nhất quán. CAN khơng đáp
ứng đầy đủ cho truyền tuần hồn. Như bộ đáp ứng, TT-CAN đã được phát triển.
Thông qua giải pháp xác định xung đột thì CAN đưa ra các cách để xác định sự
bảo đảm được đưa ra bởi mạng. Sự q tải như đã biết: Thơng điệp có tính tuần
hồn thấp khơng thể truy nhập mạng lâu hơn. Điều này có ngụ ý xét đến một cấu
hình đảm bảo của mạng.
DeviceNet (IEC 62026-3 2000) và SDS (Smart Distributed System) (IEC 62026-5
2000) là những thành phần cơ bản của CAN.

HART
HART được đưa ra bởi ROSEMOUNT để liên kết các bộ truyền trong các ứng
dụng điều khiển q trình. HART có thể truyền với dịng từ 4-20mA trên mơ hình
điểm-điểm hoặc trên cáp xoắn kép trong cấu hình đường truyền. Trong trường hợp
đầu tiên, giá trị xử lý thường được truyền bởi tín hiệu tương tự và HART được sử
dụng để cấu hình và kiểm tra.

Nguyễn Ngọc Anh – Tơ Văn Hùng KTTT1B

18


Tiểu luận Hệ thống thông tin công nghiệp
Trong chế độ đa điểm, một trạm master có thể quản lý từ xa tới 15 thiết bị trong
khi thực hiện các yêu cầu bên trong. Nếu chúng đáp ứng được thì một số lượng lớn
các thiết bị có thể kết nối được. Tất cả lưu lượng một là đến hoặc đi tới trạm chủ.
Trạm chủ cịn có thể kết nối được tới đường truyền chính đối với mục đích quản lý.
HART định nghĩa một lớp ứng dụng phù hợp với các ứng dụng điều khiển quá
trình và được đánh giá là tốt. Vượt quá điều này, HART bị hạn chế rất chậm với các
ứng dụng Master –Slave.
INTERBUS
Interbus được phát triển bởi Phoenic Contact để thực hiện đầu vào và đầu ra
phân bố trên một PLC. Nó tn theo mơ hình OSI chỉ với 3 lớp và đã được chuẩn
hóa bởi CENELEC ( EN50254).
INTERBUS sử dụng topo vòng với một trạm chủ (PLC) và 256 trạm Slave. Cáp
xoắn kép được sử dụng nhưng cáp quang được sử dụng nhiều hơn. Các Topo hạn
chế chút ít cáp truyền.
Trong INTERBUS, hầu hết truyền vịng hoặc tuần hồn với một chu kỳ cho tồn
bộ các thơng tin. Truyền tin là từ Master đến các Slave và ngược lại. Một số
Interbus được đặt ở xa đầu vào và đầu ra cho ứng dụng Time-Triggered.

Tiến hành lấy mẫu đồng thời và sự đảm bảo của mạng có thể được xác định dễ
dàng.
LON
LON đã được thiết kế rất đặc biệt bởi ECHELON để điều khiển tòa nhà bằng suy
nghĩ. Cấu trúc mạng tuân theo toàn bộ 7 lớp trong mơ hình OSI và cung cấp một
phương tiện truyền dẫn rất đa dạng, đó là wireless với tốc độ giới hạn là 5kbit/s. Nó
đã được chuẩn hóa bởi EIA-709.1 (Electronics Industries Alliance).
Với cáp xoắn kép, LON sử dụng chuẩn RS 485, có sử dụng các bộ Repeater.
Điều khiển truy nhập đã được phân quyền. LON có một lớp mạng, và Router
đưa ra kết nối bên trong lên tới 255 mạng con.
Nguyễn Ngọc Anh – Tô Văn Hùng KTTT1B

19


Tiểu luận Hệ thống thông tin công nghiệp
Lớp ứng dụng có tác dụng cung cấp các dịch vụ bởi các biến số rời rạc, trao đổi
các thông điểm mà không phụ thuộc vào thời gian. Các thơng điệp có sự ưu tiên
khác nhau và có thể được xác thực. Mã xác thực được đánh cho các node mạng.
LON khơng có hỗ trợ cho truyền vịng và khơng thể đảm tính tuần hoàn.
Các biến số rời rạc được định kiểu bằng việc sử dụng một trong các kiểu định
nghĩa trước hoặc khai báo. Ở trương hợp đầu tiên, một trạm ở xa có thể đọc được
các kiểu biến số. Với mỗi Node mạng có thể định nghĩa một biến số ví dụ như đầu
vào hay đầu ra của mạng. Ở trường hợp còn lại, khi mà giá trị hay biến số được cập
nhập giá trị mới thì có thể tự động gửi tới cho các tất cả các Node khác.
Các bản tin có thể được gửi kèm hoặc khơng với các báo nhân trong các mơ hình
điểm-điểm hoặc đa điểm. Nội dung của bản tin đã được người dùng định nghĩa. Các
bản tin cung cấp ý nghĩa để đưa ra các chức năng của LON.
MIL-STD-1553
MIL-STD-1553 đã được phát triển bởi U.S. air force và US.navy (Havrety

1986), đã được đưa ra trước Fieldbuse và hầu hết các khái niệm đã được sử dụng đề
xuất trong mạng khác.
Thông tin đã được truyền thông qua một kênh truyền trong mã hóa hai pha
Manchester II ở tốc độ 1Mbits/s. Tối đa 31 thiết bị đầu cuối xa ( RT) có thể kết nối
được đến đường truyền. Mỗi RT có thể có tới 30 địa chỉ con. Chúng được ghép tới
bộ điều khiển kênh truyền (BC: Bus controller) hoặc trực tiếp hoặc thông qua các
bộ biến đổi, trên cáp xoắn kép.
Bộ BC khởi tạo tất cả các tin nhắn. Nó phát một khung lệnh tới bộ RT nhận được
để truyền hoặc nhận dữ liệu. RT đáp lại bằng việc gửi một khung dữ liệu nếu cần
thiết và kết thúc ới một khung trạng thái. Bộ BC phát đồng thời một lệnh để thu
nhận dử liệu tới RT và một lệnh để phát dữ liệu tới RT khác. Kỹ thuật này cho phép
thông tin đi qua giữa các RT. Các khung lệnh, dữ liệu và trạng thái bao gồm 16bits
dữ liệu, 1 bít chẵn lẻ và 3 bits vi phạm mã Manchester cho đồng bộ ở đầu khung.

Nguyễn Ngọc Anh – Tô Văn Hùng KTTT1B

20


Tiểu luận Hệ thống thông tin công nghiệp
Một yêu cầu chặt chẽ đối với cáp truyền, máy biến áp ghép, và trở cách ly để
đảm bảo can nhiễu tốt.
MIL-STD-1553 không định nghĩa lớp ứng dụng. Tuy nhiên, một vài thực
nghiệm để sử dụng trong công nghiệp. Do giá đưa ra cao, do vậy đạt được là rất hạn
chế.
PROFIBUS-FMS
FROFIBUS là một chuẩn của châu âu (EN50170), ứng dụng cấu trúc 3 lớp và
gồm đầy đủ các chức năng quản lý mạng. PROFIBUS rất giống với MiniMAP
(CCE-CNMA 1995) và chi phí thực thi cũng rẻ hơn. Nó tạo sự khác biệt giữa các
trạm chủ đó là có thể truyền giữa chúng và các trạm Slave chỉ đáp ứng yêu cầu từ

các trạm chủ. Điều này cho phép các thiết bị được thực thi theo lối kinh tế.
Một topo nói chung có thể có tới 127 thiết bị được kết nối. Trong thực tế lượng
thiết bị được đưa ra bởi nhà sản xuất. Sự dư thừa tài nguyên mạng được hỗ trợ.
PROFIBUS dựa vào một thiết bị phân loại thẻ bài đi qua mà khơng u cầu về
tính đảm bảo về thời gian truyền. Sự chặt chẽ việc chỉ ra tính nhất quán về mặt
không gian và thời gian cũng như là sự tồn tại của dữ liệu mà khơng được chuẩn
hóa và gửi tới người sử dụng.
Lớp ứng dụng được xem như là MMS( lớp ứng dụng MAP) (CCE-CNMA
1995a) chỉ khác về cấu trúc. Thêm nữa là, Sự bảo vệ việc truy cập dữ liệu đã được
đưa ra áp dụng cho tất cả các đối tượng ( Biến cố, chương trình, miền) điều khiển
được bởi các dịch vụ ứng dụng.
PROFIBUS FMS giới thiệu ý tưởng trao đổi vòng dữ liệu. Tuy nhiên, điều này
có đơi chút tác động tới các dịch vụ ứng dụng. Thực tế, trao đổi vòng dữ liệu được
đưa ra để điều khiển việc truyền dữ liệu từ trạm con và khơng truyền áp dụng cho
truyền dữ liệu vịng của người sử dụng.

Nguyễn Ngọc Anh – Tô Văn Hùng KTTT1B

21


Tiểu luận Hệ thống thông tin công nghiệp
Như một mạng đơn lẻ, PROFIBUS thực hiện hầu hết các yêu cầu. Một điều rất
lấy làm tiếc đó là sự thiếu vắng của các dịch vụ ứng dụng cho quản lý sự kiện và sự
đồng bộ ứng dụng.
Như FIELDBUS, một mạng được đặt giữa các Sensor và các Actuator, tuy nhiên
PROFIBUS có 5 hạn chế chính sau:
-

Khơng đưa ra các dịch vụ định kỳ.

-

Không đưa ra một số dịch vụ liên quan đến tính nhất qn về mặt khơng gian
và thời gian.

-

Khơng đưa ra các dịch vụ để đánh giá sự tồn tại của dữ liễu mẫu.

-

Chỉ thực hiện thống kê hạn chế về thời gian, cịn lại thì khơng.

-

Chịu lượng thơng tin như nhau trên tất cả các máy chủ.

Một số hạn chế khác đó là thiếu chuẩn hóa thời gian trễ đáp ứng tối đa…
Do vậy PROFIBUS chưa thể là một thay thế tốt cho MiniMAP.
PROFIBUS-DP
PROFIBUS-DP cũng là một chuẩn của Châu âu EN60170. Nó chia sẻ lớp vật lý
và data link với PROFIBUS-FMS. DP được đặt xa đầu vào, đầu ra và cũng có một
trạm chủ và một số trạm con.
Thơng tin vịng từ trạm chủ tới các trạm con và vice verse. Với việc chỉ có một
trạm chủ nên sự đảm bảo về thời gian thực có thể đưa ra được.
SERCOS
SERCOS là kết quả nghiên cứu của German Machine-Tool (VDW) và Drive
Manufactures (ZVEI) thiêt kế một giao tiếp giữa máy CNC và các motor. Nó được
chuẩn hóa bởi IEC (IEC 61491 2002) và CENELEC (CENELEC 1998a).

SERCO là một vong mà ở đó các dây truyền dẫn giữa các node mạng là sợi
quang. Chống nhiễu tốt. Có một trạm trung tâm trong CNC và tất cả các thông tin
truyền đến hay đi đều tới trạm này. Tuy nhiên Điều khiển truy nhập không chịu sự
điều khiển của trạm chủ, điều này sẽ làm cho mạng hoạt động hiệu quả hơn. Hơn
Nguyễn Ngọc Anh – Tô Văn Hùng KTTT1B

22


Tiểu luận Hệ thống thông tin công nghiệp
thế nữa, điều khiển ở mọi trạm con đều có một khe thời gian mà ở đó nó có thể
truyền thơng tin. Lựa chọn khe thời gian này được thực lúc khởi động và kèm theo
thời gian đáp ứng cho điều khiển của mỗi thiết bị.
Mỗi khung truyền có chứa dữ liệu thời gian thực kiểu như thơng tin để cấu hình.
Tối đa 2 bytes có thể gửi trên 1 khung truyền, thơng tin phải được phân doạn trong
một lượng lớn các đoạn và được ghép lại khi thu nhận.
SERCOS không tuân theo cấu trúc của mơ hình OSI, một số lượng lớn các dịch
vụ lớp ứng dụng được định nghĩa, Các dịch vụ đó ứng dụng chủ yếu để điều khiển.
SERCOS hỗ trợ lấy mẫu đồng thời trong đầu vào và điều khiển thông tin định kỳ
tối thiểu là 62,5ms. Thông tin thời gian thực được đảm bảo. Có tới 256 điều khiển
có thể được kết nối.
WorldFIP
FIP là một chuẩn châu âu (CENELEC 1996), mơ hình được rút ra từ mơ hình
OSI, với 3 lớp. Lớp vật lý của mơ hình tn theo chuẩn quốc tế FieldBus
(IEC61158), cung cấp IEC mức 3 EMC can nhiễu. Mạng bao gồm đầy đủ các phần
quản lý mạng.
FIP đưa ra rằng hầu hết thông tin được truyền vòng hoặc định kỳ. Trường hợp
này mỗi lần truyền tin là truyền từ Producer đến một số lượng các consumer. Với
dữ liệu thời gian thực, Mơ hình Producer- Consumer được sử dụng. Khác biệt trong
truyền vòng hay định kỳ có thể cùng tồn tại trên cùng một mạng.

Sự tất định của sự truyền tin xác minh bộ điều khiển, bộ phân bố, Bus Arbiter
truy nhập trung tâm. Đối với độ tin cậy thì Bus Arbiter là khơng cần thiết. Trong
FIP, Thiết lập chương trình truyền vịng được thực hiện bởi Bus Arbiter dựa trên
nhu cầu mô tả khởi tạo pha bởi mỗi thực thể thơng tin. Cịn truyền thơng tin định kỳ
được đưa ra để mô tả thời gian hoạt động.

Nguyễn Ngọc Anh – Tô Văn Hùng KTTT1B

23


Tiểu luận Hệ thống thông tin công nghiệp
FIP hỗ trợ hai phương tiện truyền dẫn có lõi xoắn kép có bảo vệ và sợi quang.
Topo mạng thì rất linh hoạt. Có tới 64 trạm có thể kết nối được mà không cần đến
bộ Repeater.
Như đề cập ở trên, FIP điều khiển truy nhập tập trng. Tất cả các thông tin truyền
đi đều dưới sự điều khiển của Bus Arbiter bằng cách đó là thiết lập các thơng tin
truyền đi với đáp ứng các yêu cầu về thời gian.
Lớp data link cung cấp 2 kiểu dịch vụ truyền tin: trao đổi biến cố và truyền tin
nhắn. Việc truyền các biến cố và các thông tin được đặt dưới yêu cầu từ trạm hoặc
tuân theo cấu hình của hệ thống.
Các Biến cố được trao đổi thơng qua mơ hình producer-distributor-consumer, và
được xác định bởi bộ nhận dạng 16 bit duy nhất được biết từ producer và consumer.
Bộ nhận dạng không liên quan tới địa chỉ vật lý.
Các bản tin được truyền từ một trạm nguồn tới một trạm đơn lẻ hay tất cả các
trạm đích tn theo mơ hình client-server. Mỗi bản tin kèm địa chỉ của trạm nguồn
và trạm đích. Các địa chỉ đó thường có độ dài là 24bit và xác định số khung và địa
chỉ của trạm trên khung (thực tế, đó là điểm truy cập dịch vụ kênh truyền). Các tin
nhắn đều lựa chọn báo nhận.
Đối với trao đổi dữ liệu thời gian thực, FIP xử lý giống như một sơ sở dữ liệu

phân bố. Tất cả các dịch vụ ứng dụng liên quan tới việc trao đổi dữ liệu định kỳ và
ngẫu nhiên đều được gọi là MPS ( Manufacturing Periodical/ Aperiodical Services).
MPS cung cấp dịch vụ đọc/ghi tại chỗ (Periodic) cũng giống như dịch vụ đọc/ ghi
từ xa (Sporadic). Các đối tượng truy nhập rất đa dạng. Đối với các biến cố thông tin
mới sẽ được đưa ra. Đối danh sách các biến cố thì FIP cung cấp thông tin dựa trên
trạng thái liên quan về mặt thời gian và không gian.
Thêm nữa, FIP cung cấp mơ hình Client- Server đối với các tin nhắn và các sự
kiện cùng với tập con của MMS như lớp ứng dụng. Các dịch vụ đưa ra đã được định
nghĩa theo các lớp: Sensor, Actuator, I/O Concentrator, PLC, Operator Console, và
chương trình Programming Console. Tập con MMS gồm cả Domain Management,

Nguyễn Ngọc Anh – Tô Văn Hùng KTTT1B

24