Chổồng
1.
Lyù
thuyóỳt
chung
vóử
maỷng
truyóửn
thọng
trong
cọng
nghióỷp
chơng
1
Lý
thuyết
chung
về
mạng
truyền
thông
trong
công
nghiệp
1.
Tổng
quan
chung
1.1.
Giới
thiệu
về
mạng
truyền
thông
trong
công
nghiệp
Do đặc thù của các ngành công nghiệp mà đã tạo ra nhiều loại mạng truyền
thông khác nhau. Mặt khác mạng truyền thông trong công nghiệp cũng có
những đặc thù riêng, có thể phân biệt chúng với mạng thông tin quảng đại
thông qua một số khía cạnh sau:
- Phạm vi hoạt động
- Yêu cầu về độ tin cậy khi truyền
Ưu điểm của sử dụng mạng truyền thông trong công nghiệp:
- Thay thế đợc hoàn toàn các hệ thống truyền cũ nh: 0-20mA, 0-10V
- Cho phép làm việc với các sản phẩm của nhiều nhà sản xuất khác nhau.
- Là hệ thống mở, đồng thời cho phép hiệu chỉnh điều khiển từ phòng điều
khiển trung tâm
- Hệ thống hoạt động với độ tin cậy cao hơn
- Độ mềm dẻo gần nh không có giới hạn.
- Giá thành thấp.
- Lợng thông tin truyền tải lớn
1.2.
Mô
hình
phân
cấp
trong
mạng
truyền
thông
công
nghiệp
Để có cái nhìn tổng thể về mạng truyền thông trong công nghiệp, hãy xem
mô hình phân cấp để thấy các đặc trng, cũng nh chức năng nhiệm vụ của
của từng cấp.
Nguyóựn
Kim
Aẽnh
&
Nguyóựn
Maỷnh
Haỡ
-
Tổỷ
õọỹng
hoùa
-
BKN 1
Chổồng
1.
Lyù
thuyóỳt
chung
vóử
maỷng
truyóửn
thọng
trong
cọng
nghióỷp
Quản lí
kinh tế
Quản lí kỹ
PC
PC
PC - Personal Computer
HIS -Human Interface Station
FCS - Field Control Station
S - Sensor
A - Actuator
Fast Ethernet
thuật
Điều khiển
và giám sát
PC
PC
PC
HIS
HIS
EWS
Ethernet
System bus
Hiện điều
khiển
FCS
FCS
FCS
FCS
Fieldbus
Hiện trờng
S A S
S
A
Hình
1.1
Mô hình phân cấp các hệ thống mạng trong công nghiệp
Cấp
hiện
trờng:
Đây là cấp nằm tại hiện trờng và tất nhiên cấp này nằm sát với dây chuyền
sản
xuất
nhất.
Các
thiết
bị
chính
trong
cấp
này
là
sensor
và
cơ
cấu
chấp
hành, chúng có thể đợc nối mạng trực tiếp hoặc thông qua đờng Bus để
nối với cấp trên (cấp điều khiển).
Hệ
thống
Bus dùng để kết nối các thiết bị ở cấp hiện trờng với cấp điều
khiển gọi là Bus trờng (fieldbus), trong thực tế hệ thống Bus này đòi hỏi
cần
có
đáp
ứng
thời
gian
thực
trong
các
cuộc
trao
đổi
thông
tin,
một
đặc
trng
của
các
cuộc
trao
đổi
tin
trong
cấp
trờng
là
các
bản
tin
thờng
có
chiều dài không lớn
Các sensor và cơ cấu chấp hành đợc nối trên đờng Bus có thể là các thiết
bị
thông
minh
hoặc
cũng
có
thể
là
các
thiết
bị
thông
thờng
có
xử
dụng
thêm các bộ chuyển đổi giao thức tơng thích.
Điển
hình
của
Bus
trờng
là:
Profibus-DP,
Profibus-PA,
Can,
Foundation
Fielbus, DeviceNet.
Nguyóựn
Kim
Aẽnh
&
Nguyóựn
Maỷnh
Haỡ
-
Tổỷ
õọỹng
hoùa
-
BKN 2
Chổồng
1.
Lyù
thuyóỳt
chung
vóử
maỷng
truyóửn
thọng
trong
cọng
nghióỷp
Cấp
điều
khiển:
Cấp này bao gồm các trạm điều khiển hiện trờng (FCS), các bộ điều khiển
logic lập trình (PLC), các thiết bị quan sát . Chức năng thu thập các tín
hiệu từ hiện trờng, thực hiện điều khiển cơ sở, điều khiển logic, tổng hợp
dữ liệu
Các thiết bị ở cấp này đợc kết nối với nhau và kết nối với các thiết bị ở cấp
trên (cấp điều khiển giám sát) thông qua Bus hệ thống, thực tế các bản tin
trao
đổi
trên
Bus
hệ
thống
cũng
đòi
hỏi
tín
năng
thời
gian
thực
cao,
mặt
khác đặc thù của các bản tin là chiều dài lớn hơn nhiều so với các bản tin
trao đổi trên Bus trờng
Điển
hình
của
Bus
hệ
thống
là:
Profibus-FMS,
ControlNet,
Industrial
Ethernet.
Cấp
điều
khiển
giám
sát:
Các thiết bị trong cấp này bao gồm các trạm giao tiếp ngời máy HIS, các
trạm thiết kế kỹ thuật EWS, và các thiết bị phụ trợ khác. Chức năng của cấp
này là thực hiện điều khiển quá trình (Process Control), thực hiện các thuật
toán điều khiển tối u
Việc kết nối các thiết bị ở cấp này với các thiết bị ở cấp trên (cấp quản lí kỹ
thuật) đợc thực hiện thông qua mạng Ethernet, thực chất đây là một mạng
cục
bộ
LAN,
với
tính
năng
trao
đổi
thông
tin
không
nhất
thiết
trong
thời
gian thực,
Cấp
quản
lí
kỹ
thuật
và
cấp
quản
lí
kinh
tế:
Thực chất các cấp này rất quan trọng đối với các hoạt động của công ty, tuy
nhiên
yêu
cầu
về
tốc
độ
trao
đổi
thông
tin
cũng
nh
đòi
hỏi
về
thời
gian
thực
là
không
cao,
chức
năng
của
các
cấp
này
là
quản
lí
tình
trạng
hoạt
động của các thiết bị trong toàn hệ thống cũng nh hoạch định chiến lợc
phát triển sản xuất dựa trên tình trạng của thiết bị .
Một
số
giao
thức
dùng
trong
các
hệ
thống
mạng
này
là
Fast
Ethernet,
TCP/IP
2.
Cơ
sở
thực
hiện
mạng
truyền
thông
trong
công
nghiệp
2.1.
Mô
hình
tham
chiếu
OSI
(Open
Systems
Interconnection)
- 1983
tổ
chức
tiêu
chuẩn hoá
quốc
tế
ISO
(International
Standards
Organization) đã đa ra 1 kiến trúc giao thức với chuẩn ISO 7498 đợc
gọi là mô hình tham chiếu OSI, nhằm hỗ trợ việc xây dựng các hệ thống
truyền thông có khả năng giao tiếp với nhau.
Nguyóựn
Kim
Aẽnh
&
Nguyóựn
Maỷnh
Haỡ
-
Tổỷ
õọỹng
hoùa
-
BKN 3
Chổồng
1.
Lyù
thuyóỳt
chung
vóử
maỷng
truyóửn
thọng
trong
cọng
nghióỷp
- Chuẩn này không đa ra quy định nào về cấu trục một bản tin, và cũng
không định nghĩa một chuẩn dịch vụ cụ thể nào. OSI chỉ là một mô hình
kiến trúc phân lớp với mục đích phục vụ việc xắp xếp và đối chiếu các
hệ thống truyền thông có sẵn, trong đó bao gồm việc so sánh đối chiếu
các giao thức và dịch vụ truyền thông, cũng nh làm cơ sở cho phát triển
hệ thống.
Lớp ứng dụng
Lớp biểu diễn dữ liệu
Lớp kiểm soát nối
Lớp vận chuyển
Lớp mạng
Lớp liên kết dữ liệu
Lớp vật lí
A Protocol
N
D
P
Lớp ứng dụng
Lớp biểu diễn dữ liệu
Lớp kiểm soát nối
Lớp vận chuyển
Lớp mạng
Lớp liên kết dữ liệu
Lớp vật lí
Môi trờng truyền dẫn
Immediate
data
Communication
Hình
1.2
. Cấu trúc mô hình tham chiếu OSI
network
Lớp vật lý (Physical Layer)
Lớp này đợc định nghĩa là sự kết nối vật lý giữa PC và mạng nh sau:
- Theo cấu trúc mạng
- Theo các chuẩn truyền dẫn: áp hoặc dòng
- Theo phơng thức mã hoá tín hiệu
- Theo giao diện cơ học (cáp hoặc giắc cắm)
Lớp liên kết dữ liệu (Data Link Layer)
Lớp
này đợc định nghĩa nh sau:
- Protocol phù hợp với việc truy cập mạng theo các bản tin nhận và gửi.
- Chia các khối dữ liệu lớn thành các khung định dạng dữ liệu.
Cả hai lớp này đợc gọi là lớp phần cứng, trong mạng cục bộ lớp này đợc
chia làm 2 lớp con:
lớp điều khiển truy nhập môi trờng ( MAC Media
Access
Control)
và
lớp
điều
khiển
liên
kết
logic
(LLC
Logical
Link
Control). Trong một số hệ thống lớp này có thể đảm nhiệm thêm chức năng
nh
kiểm
soát
lu
thông
và
đồng
bộ
hoá
việc
chuyển
giao
các
khung
dữ
liệu.
Nguyóựn
Kim
Aẽnh
&
Nguyóựn
Maỷnh
Haỡ
-
Tổỷ
õọỹng
hoùa
-
BKN 4
Chổồng
1.
Lyù
thuyóỳt
chung
vóử
maỷng
truyóửn
thọng
trong
cọng
nghióỷp
Lớp mạng (Network Layer)
Lớp này đợc định nghĩa nh sau:
- Truyền thông tin tối u trên mạng.
- Điều khiển các thông điệp trạng thái để gửi chúng tới các thiết bị khác
trong mạng.
Lớp vận chuyển (Transport Layer)
Lớp này đợc định nghĩa nh sau:
- Quản lý địa chỉ của thiết bị trên mạng
- Định vị các đối tác truyền thông thông qua địa chỉ.
- Đồng bộ hoá giữa các đối tác.
- Xử lí lỗi và kiểm soát dòng thông tin.
Lớp kiểm soát nối
(Session Layer)
Chức
năng
của
lớp
này
là
kiểm
soát
mối
liên
kết
truyền
thông
giữa
các
chơng trình ứng dụng, bao gồm việc tạo lập, quản lí và kết thúc các đờng
nối giữa các ứng dụng của đối tác.
Lớp biểu diễn dữ liệu (Presentation Layer)
Chức năng của lớp này là chuyển đổi các dạng biểu diễn dữ liệu khác nhau
về cú pháp thành dạng chuẩn, để các đối tác truyền thông khác nhau có thể
giao tiếp với nhau.
Lớp ứng dụng (Application Layer)
Có chức năng cung cấp các dịch vụ cao cấp (dựa trên cơ sở các giao thức
cao cấp) cho ngời sử dụng và các chơng trình ứng dụng. Các dịch vụ ở
lớp này chủ yếu đợc thực hiện bằng phần mềm.
2.2.
Cấu
trúc
mạng
(Topology)
Trớc khi trình bày về cấu trúc mạng hãy xem xét khái niệm liên kết
Liên kết:
Là
mối
liên
hệ
vật
lý
hoặc
logic
giữa hai
hay
nhiều
đối
tác
truyền
thông.
Với
liên
kết
vật
lý
các
đối
tác
là
các
trạm
truyền
thông
đợc
liên
kết
với
nhau qua một môi trờng vật lý. Liên kết logic vó thể hiểu nh sau: Đối tác
truyền thông không nhất thiết phải là một thiết bị phần cứng mà có thể là
một chơng trình hệ thống hay một chơng trình ứng dụng trên một trạm
nên quan hệ giữa các đối tác này chỉ có tính logic. Tơng ứng với một đối
tác vật lý thờng có nhiều đối tác logic và tất nhiên nhiều mối liên kết logic
đợc xây dựng trên cơ sở một mối liên lết vật lý.
Các loại liên kết:
Nguyóựn
Kim
Aẽnh
&
Nguyóựn
Maỷnh
Haỡ
-
Tổỷ
õọỹng
hoùa
-
BKN 5
Chổồng
1.
Lyù
thuyóỳt
chung
vóử
maỷng
truyóửn
thọng
trong
cọng
nghióỷp
- Liên kết điểm - điểm (Point to Point) : Mối liên kết này chỉ có 2 đối tác
thạm gia, về mặt vật lý hai tạm đợc nối với nhau bởi một đờng truyền.
Để thực hiện một mạng truyền tin dựa trên liên kết này sẽ là tập hợp của
nhiều đờng dây độc lập.
- Liên
kết
điểm
nhiều
điểm
(multi
drop):
Nhiều
trạm
đợc
nối
chung với một trạm chủ (master). Nh vậy các đối tác sẽ đợc nối chung
vào một đờng dây
- Liên kết nhiều điểm nhiều điểm (multi point): nhiều đối tác tham
gia và thông tin đợc trao đổi theo nhiều hớng. Cũng tơng tự liên kết
điểm nhiều điểm với liên kết này các đối tác cũng đợc nối trên cùng
một đờng dây.
Định nghĩa: Cấu trúc mạng là tổng hợp của các mối liên kết.
Cấu trúc mạng cũng hiểu là cách sắp xếp, tổ chức về mặt vật lý của mạng
nhng cũng hiểu là cách sắp xếp logic của các nút mạng.
Các loại cấu trúc mạng:
+ Topology đầy đủ:
E
A
D
B
C
Hình
1.3
. Sơ đồ Topology đầy đủ (Full)
Với cấu trúc đầy đủ này thì sự giao tiếp giữa các trạm là nhanh, một
đối tác bị sự cố sẽ không ảnh hởng tới các đối tác còn lại nhng cấu trúc
này giá thành cao do tốn kém dây dẫn
+ Topology hình sao:
B C
A
D
F
E
Hình
1.4
. Sơ đồ topology hình sao
Nguyóựn
Kim
Aẽnh
&
Nguyóựn
Maỷnh
Haỡ
-
Tổỷ
õọỹng
hoùa
-
BKN 6
Chổồng
1.
Lyù
thuyóỳt
chung
vóử
maỷng
truyóửn
thọng
trong
cọng
nghióỷp
Các đối tác trao đổi thông tin với nhau thông qua một trạm chủ, tuy
nhiên một sự cố của trạm chủ sẽ dẫn đến sự tê liệt của toàn hệ thống do đó
trạm chủ đòi hỏi phải có độ tin cậy cao.
+ Topology vòng lặp
B
A
C
D
Hình
1.5.
Sơ đồ topology kiểu vòng loop
Trong cấu trúc này các thành viên đợc nối với nhau tạo thành mạch vòng
khép kín, tín hiệu đợc truyền đi theo chiều cố định. u điểm của phơng
pháp
này
là
mỗi
nút
mạng
có
thể
là
bộ
khuếch
đại
điều
đó
khiển
cho
khoảng
cách
đối
với
cấu
trúc
này
có
thể
là
rất
xa.
Mặt
khác
mỗi
đối
tác
ngăn mạch vòng làm hai phần nên khả năng sảy ra xung đột sẽ giảm do tín
hiêụ chỉ đợc truyền đi theo một chiều.
+ Topology bus
Hình
1.6
. Cấu trúc trunk-
line/drop-line
Hình
1.7.
Cấu trúc daisy-chain
Trong cấu trúc này các đối tác truyền thông đợc nối trên cung một
dây dẫn. Với cấu trúc daisy-chain các đối tác đợc nối trực tiếp vào đờng
truyền. Còn cấu trúc trunk-line/drop-line thì có các dây phụ để nối các đối
tác vào đờng Bus chung. u điểm của phơng pháp này là đơn giản và tiết
kiệm dây dẫn.
+ Cấu trúc cây
Nguyóựn
Kim
Aẽnh
&
Nguyóựn
Maỷnh
Haỡ
-
Tổỷ
õọỹng
hoùa
-
BKN 7
Chổồng
1.
Lyù
thuyóỳt
chung
vóử
maỷng
truyóửn
thọng
trong
cọng
nghióỷp
Bộ nối Bộ lặp Bộ nối sao
Hình
1.8.
Cấu trúc cây
Cấu
trúc
cây
là
tổng
hợp
của
nhiều
liên
kết
với
các
cấu
trúc
nh
đờng thẳng, sao, mạch vòng Đây là cấu trúc thờng gặp trong thực tế.
2.3.
Môi
trờng
truyền
dẫn
2.3.1. Các đặc tính của môi trờng truyền dẫn
Môi trờng truyền dẫn là môi trờng mà tín hiệu thông tin truyền qua
(thực chất đó là đờng truyền). Môi trờng truyền dẫn có ảnh hởng
lớn tới tốc độ truyền dẫn, chất lợng đờng truyền Ta xét các đặc tính
sau:
Dung lợng truyền của môi trờng truyền dẫn đợc tính theo công thức
sau:
U
k
=
T
k
*F
k
*H
k
ở
đó:
T
k
-
Thời
gian
trong
đó
có
mặt
tín
hiệu
truyền
đi
F
k
Khoảng
tần
số
làm
việc
của
kênh
H
k
-
Đặc
tính
chỉ
rõ
sự
tăng
công
suất
tín
hiệu
P
th
so
với
công
suất
nhiễu
P
nh
trong
kênh
Ngời
ta
còn
gọi
U
k
là
khả
năng
truyền
của
môi
trờng
truyền
dẫn
Tốc độ truyền thông tin:
V=I/T
ở đó:
I Lợng thông tin truyền
T Thời gian truyền lợng thông tin I
2.3.2. Các loại môi trờng truyền dẫn
a) Đờng hai dây hở.
Nguyóựn
Kim
Aẽnh
&
Nguyóựn
Maỷnh
Haỡ
-
Tổỷ
õọỹng
hoùa
-
BKN 8
Chổồng
1.
Lyù
thuyóỳt
chung
vóử
maỷng
truyóửn
thọng
trong
cọng
nghióỷp
Là loại môi trờng truyền dẫn đơn giản, hai dây dẫn đợc cách li với
nhau
bằng
khoảng
không.
Loại
này
có
thể
nối
các
thiết
bị
với
chiều
dài
không
lớn
lắm
và
tốc
độ
truyền
không
quá
19.2
Kbis/s.
Đờng
dây
này
đợc ứng dụng trong truyền số liệu giữa các DTE và DCE.
Nhợc
điểm
của
loại
dây
này
là
chịu
tác
động
của
nhiễu
xuyên
âm,
ngoài ra cấu trúc hở khiến nó nhạy cảm với nhiễu gây ra bởi các nguồn bức
xạ, đó cũng chính là lí do khiến cho môi trờng truyền dẫn này hạn chế về
tốc độ và chiều dài dây dẫn.
b) Cáp đôi dây xoắn
Đây
là
môi
trờng
truyền
dẫn
có
tính
lịch
sử
trong
truyền
số
liệu
và
hiện này nó vẫn là môi trờng truyền dẫn đợc dùng rất phổ biến. Nó đợc
phát minh cùng thời với điện thoại, và giá thì tơng đối rẻ tiền
Cáp dây đôi xoắn có thể loại trừ tốt hơn. Trong một cáp có nhiều cặp
dây xoắn vào nhau. Một đôi dây xoắn bao gồm hai sợi dây đợc quấn cách
li ôm vào nhau do cấu trúc nh thế mà trờng điện từ của hai dây sẽ trung
hoà lẫn nhau, mặt khác dây tín hiệu và dây đất xoắn vào nhau giúp cho tín
hiệu giao thoa đợc cả hai dây thu nhận, không làm ảnh hởng lên tín hiệu
vi sai.
Chính vì vậy mà nhiễu ra môi trờng xung quanh và nhiễu xuyên âm
giảm thiểu đáng kể.
Hình
1.9.
Cấu tạo của cáp đôi dây xoắn
Đờng
dây
xoắn
đôi
thích
hợp
với
thiết
bị
điều
khiển
đờng
dây
và
mạch thu riêng, sử dụng tốc độ bit dới 1 Mbps cho khoảng cách từ vài m
đến 15Km và tốc độ bit thấp hơn cho khoảng cách dài hơn. Điển hình của
cáp đôi dây xoắn là việc ứng dụng trong các hệ thống truyền thông sử dụng
chuẩn RS485 với tốc độ truyền thông thờng là 64Kb/s và 96Kb/s
Tuy vậy cáp đôi dây xoắn có nhợc điểm là chịu ảnh hởng của nhiễu
kí sinh và hiện tợng can nhiệt (couplage)
Có
2
loại
cáp
xoắn
đôi:
Cáp
xoắn
đôi
không
bọc
kim
(UTP
Unshielded
Twisted
Pair)
dùng
rộng
rãi
trong
mạng
điện
thoại
và
trong
nhiều
ứng
dụng
truyền
số
liệu;
cáp
xoắn
đôi
bọc
kim
(STP
Shielded
Twisted Pair), có một màn chắn để bảo vệ giảm ảnh hởng của tín hiệu giao
thoa.
Nguyóựn
Kim
Aẽnh
&
Nguyóựn
Maỷnh
Haỡ
-
Tổỷ
õọỹng
hoùa
-
BKN 9
Chổồng
1.
Lyù
thuyóỳt
chung
vóử
maỷng
truyóửn
thọng
trong
cọng
nghióỷp
c) Cáp đồng trục
Hạn chế chính của cáp xoắn đôi gây ra bởi hiệu ứng bề mặt. Khi tốc độ
bit (cũng là tần số) của tín hiệu truyền dẫn tăng lên thì luồng chảy của dòng
điện trong dây chỉ ở trên bề mặt, do vậy sử dụng ít hơn tiết diện sẵn có, dẫn
đến
sự
tăng
điện
trở
của
dây
đối
với
tín
hiệu
cao
tần,
làm
tăng
suy
hao.
Ngoài ra, ở tần số cao, năng suất tín hiệu bị mất mát nhiều hơn do hiệu ứng
bức xạ. Vì vậy, với những ứng dụng đòi hỏi tốc độ bit cao hơn 1 Mbps, cần
phải có thiết bị điện tử thu và điều khiển tinh vi hơn hoặc sử dụng một môi
trờng truyền dẫn khác.
Cáp
đồng
trục
làm
giảm
tối
thiểu
hai
hiệu
ứng
trên.
Cáp
có
chất
dẫn
điện
ở
chính
giữa
trục
và
bao
quanh
trục
cũng
là
chất
dẫn
điện.
Khoảng
giữa hai lớp chất dẫn điện thờng đợc làm đầy bởi chất cách điện rắn hoặc
cấu trúc tổ ong.
Lớp dẫn điện
Lớp cách điện
Hình
1.10.
Cấu tạo của cáp đồng trục
Chất dẫn điện ở giữa là màn chắn hữu hiệu với tín hiệu nhiễu bên ngoài. Sự
tổn hao tín hiệu rất nhỏ gây ra do bức xạ điện từ và hiệu ứng bề mặt. Cáp
đồng
trục
có
thể
sử
dụng
với
nhiều
kiểu
tín
hiệu
khác
nhau,
tốc
độ
điển
hình là 10Mbps.
Cáp đồng trục đợc sử dụng rộng rãi, chế độ hoạt động có thể sử dụng dải
cơ sở (BaseBand) hoặc
dải rộng
(BroadBand). Với BaseBand toàn bộ hiệu
suất đờng truyền đợc dành cho một kênh truyền thông duy nhất trong khi
đó BroadBand thì sử dụng cho 2 hoặc nhiều kênh cùng phân chia dải thông
của đờng truyền. Chúng đợc minh hoạ trên hình 3.10.
Nguyóựn
Kim
Aẽnh
&
Nguyóựn
Maỷnh
Haỡ
-
Tổỷ
õọỹng
hoùa
-
BKN 10
Chổồng
1.
Lyù
thuyóỳt
chung
vóử
maỷng
truyóửn
thọng
trong
cọng
nghióỷp
BaseBand BroadBand
Hình
1.11.
Minh hoạ dải cơ sở và dải rộng
- Phơng thức truyền dải cơ sở có thể truyền đợc cả tín hiệu tơng tự
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 trờng hợp điều chế dải rộng thì
kém nhạy cảm hơn, hệ số chống nhiễu từ 80dB đến 100dB.
d) Sợi quang
Đây
là
môi
trờng
truyền
dẫn
đang
đợc
xử
dụng
rộng
rãi
trong
công
nghiệp bởi các u điểm sau:
- Dung lợng truyền lớn
- Tính bảo mật tín hiệu khi truyền cao
- Trọng lợng nhẹ (đặc biệt thích hợp với kỹ thuật hàng không)
- Khả năng chống nhiễu tốt
- Tốc độ truyền cao (có thể lên đến hàng trăm Mb/s)
- Không bị ăn mòn trong các môi trờng oxi hoá
Chúng ta hãy xét một số các vấn đề lí thuyết trớc khi xem xét sợi quang
+ Bản chất và các đặc trng của sóng ánh sáng
*. Bản chất sóng ánh sáng
- ánh sáng cờng độ lớn không phải bao gồm những lợng tử năng lợng
lớn mà gồm rất nhiều lợng tử lan truyền. Bản chất của sóng ánh sáng có cả
tính
chất
sóng
và
tính
chất
hạt.
Tốc
độ
lan
truyền
của
sóng
ánh
sáng
là
3.10
8
m/s trong chân không
Nguyóựn
Kim
Aẽnh
&
Nguyóựn
Maỷnh
Haỡ
-
Tổỷ
õọỹng
hoùa
-
BKN 11
Chổồng
1.
Lyù
thuyóỳt
chung
vóử
maỷng
truyóửn
thọng
trong
cọng
nghióỷp
- Khi nghiên cứu các phần tử thu quang ngời ta xử dụng các đặc tính hạt
của nó. Khi nghiên cứu quá trình lan truyền của cáp quang trên sợi quang
ngời ta lại quan tâm đến tính chất sóng của nó.
*.
Các
đặc
trng
cơ
bản
+ Dải phổ bức xạ quang học. Đặc trng cơ bản của các nguồn bức xạ điện
từ là dải phổ bức xạ quang học hay dải bớc sóng tơng ứng:
=
c
f
(m) & f
=
c
(Hz)
- ánh sáng sử dụng trong thông tin quang là ánh sáng trong vùng hồng
ngoại:
- Hồng ngoại gần IR-A: 0.78àm 1.4 àm
- Hồng ngoại giữa IR-B: 1.4àm 6 àm
- Hồng ngoại gần IR-A: 6àm 1mm
- Phổ bức xạ có 3 loại khác nhau là phổ liên tục, phổ rời rạc và phổ hấp
thụ. Trong thông tin quang ngời ta sử dụng phổ liên tục và phổ rời
rạc.
+ Đặc tính không kết hợp: Khi các nguồn bức xạ hoạt động, từng nguyên tử
sẽ
bức
xạ
ngẫu
nhiên
các
xung
ánh
sáng,
Mỗi
xung
ánh
sáng
chứa
đựng
một dao động riêng. Các xung ánh sáng chỉ tồn tại trong 1 thời gian ngắn
(18
-8
) và đi đợc khoảng 3m. Sau đó các nguyên tử ngừng bức xạ trong một
thời gian dài, trong thời gian đó các nguyên tử khác lại bức xạ và nó tạo ra
ánh sáng liên tục.
Do
các
nguyên
tử
nên
pha
của
chúng
là
ngẫu
nhiên,
do
đó
không
thể
có
hiện tợng giao thoa trong một thời gian dài và ngời ta gọi đó là đặc tính
không kết hợp của ánh sáng.
+ Nguyên lí truyền dẫn ánh sáng
- Dựa vào hiện tợng phản xạ toàn phần
-
Khi
n
1
>n
2
và
t
<=
n
2
n
1
+ Cấu tạo sợi quang
Cáp
sợi
quang
gồm một sợi
thuỷ
tinh
đơn
cho
mỗi
tín
hiệu đợc
truyền,
nằm trong vỏ bọc ngăn ánh sáng bên ngoài. Tín hiệu ánh sáng sinh ra bởi
máy
phát
quang.
Máy
phát
quang
thực
hiện
sự
chuyển
đổi
từ
điện
sang
quang. Tơng tự, máy thu quang thực hiện chức năng ngợc lại tại đầu cuối
thu. Máy phát quang sử dụng LED hoặc ILD, máy thu quang sử dụng diode
quang hoặc transistor quang để thực hiện các chuyển đổi.
Nguyóựn
Kim
Aẽnh
&
Nguyóựn
Maỷnh
Haỡ
-
Tổỷ
õọỹng
hoùa
-
BKN 12
Chổồng
1.
Lyù
thuyóỳt
chung
vóử
maỷng
truyóửn
thọng
trong
cọng
nghióỷp
n1
n2
Hình
1.12.
Nguyên lí làm việc của cáp quang
Trong sợi quang đa mode chiết suất bậc, vật liệu chế tạo vỏ và lõi khác
nhau nhng chiết suất là đồng nhất. Các tia sáng do diode phát ra với góc
nhỏ hơn góc tới hạn sẽ đợc phản xạ toàn phần tại giao diện lõi vỏ và lan
truyền
dọc
theo
lõi
bằng
cách
phản
xạ
nhiều
lần.
Các
tia
sáng
phát
ra
tại
diode với góc khác nhau sẽ truyền đi với thời gian khác nhau, dẫn đến tín
hiệu thu có độ rộng xung lớn hơn tín hiệu vào, làm giảm tốc độ bit.
+ Phân loại sợi quang
Theo đặc tính truyền dẫn ngời ta chia sợi quang thành 2 loại: Sợi SM và
sợi MM
- Sợi SM (Single Mode): đợc hiểu là một trạng thái dao động điện từ
ứng với nghiệm cao của phơng trình sóng. Số
lợng các Mode có
quan hệ với sóng điện từ đơn thoả mãn các phơng trình Maxwell và
điều kiện bờ lấy từ sợi quang.
- Sợi MM (Multiple Modes): Đợc hiểu là có đồng thời nhiều Mode.
Sợi
MM
có
đờng
kính
d
k
lớn
hơn
sợi
SM
Có thể hiểu Mode là các tia sáng thành phần.
Theo sự thay đổi của chiết suất mà ngời ta phân sợi quang thành một số
loại sau:
- Sợi SI-MM (Step Index Multiple Modes)
- Sợi GI-MM (Granded Index Multiple Modes)
- Sợi SI-SM (Step Index Single Mode)
Đồ thị sau chỉ ra sự liên hệ giữa tốc độ truyền và khoảng cách truyền của
cáp đôi dây xoắn, cáp đồng trục và cáp quang
Nguyóựn
Kim
Aẽnh
&
Nguyóựn
Maỷnh
Haỡ
-
Tổỷ
õọỹng
hoùa
-
BKN 13
Chổồng
1.
Lyù
thuyóỳt
chung
vóử
maỷng
truyóửn
thọng
trong
cọng
nghióỷp
V(Mb/s)
100
10
1
Cáp quang
Cáp đồng trục
0.1
Cáp đôi dây xoắn
L(km)
0.1 1 10 100
Hình
1.13.
Đồ thị liên hệ giữa tốc độ truyền và khoảng cách truyền của cáp
đôi dây xoắn, cáp đồng trục và cáp quang
e)
Vệ
tinh
Ngoài môi trờng hữu tuyến, số liệu còn có thể đợc truyền bằng cách
dùng sóng vô tuyến qua không gian nh hệ thống vệ tinh. Số liệu đợc điều
chế
bởi
một
chùm
sóng
cực
ngắn
hình
nón,
phát
từ
mặt
đất
lên
vệ
tinh.
Chùm
tia
này
đợc
thu
và
truyền
đến
đích
đã
định
bằng
cách
dùng
1
antenna định hớng và bộ chuyển tiếp. Một vệ tinh đơn có nhiều bộ chuyển
tiếp nh vậy, mỗi bộ tiếp nhận một dải tần số riêng. Một kênh vệ tinh điển
hình
có băng
thông
lớn
(500MHz)
và
có thể
cung
cấp
hàng
trăm
kênh số
liệu tốc độ cao bằng cách dùng kỹ thuật ghép kênh.
Vệ tinh dùng cho mục đích liên lạc thờng là vệ tinh địa tĩnh. Ngời ta
chọn quỹ đạo của vệ tinh để cung cấp một tuyến thông tin tầm nhìn thẳng
giữa trạm phát và thu.
Vệ tinh
Trạm phát Trạm thu
Hình
1.14.
Truyền dẫn bằng sóng vệ tinh
Mỗi trạm mặt đất thu, phát tại các tần số khác nhau, thực tế thờng sử dụng
hệ thống nhiều trạm thu phát, tổ chức thành mạng.
Nguyóựn
Kim
Aẽnh
&
Nguyóựn
Maỷnh
Haỡ
-
Tổỷ
õọỹng
hoùa
-
BKN 14
Chổồng
1.
Lyù
thuyóỳt
chung
vóử
maỷng
truyóửn
thọng
trong
cọng
nghióỷp
f) Sóng cực ngắn trên mặt đất (viba)
Đờng truyền sóng cực ngắn đợc sử dụng rộng rãi
khi việc xây dựng
một môi trờng hữu tuyến là không thực tế, hoặc quá đắt, ví dụ qua sông
hồ, sa mạc. Vì sóng cực ngắn truyền qua không khí nên có thể bị gián đoạn
bởi các vật cản do con ngời va điều kiện thời tiết có hại. Cũng nh vệ tinh,
chùm tia sóng cực ngắn truyền qua không gian nên không hiệu quả. Truyền
dẫn bằng sóng cực ngắn có thể cho phép khoảng cách đến 50km.
g) Sóng vô tuyến tần thấp
Sóng vô tuyến tần thấp đợc sử dụng ở những nơi có liên kết cố định
qua một khoảng cách vừa phải bằng cách dùng máy phát và thu ở mặt đất.
Ví dụ, dùng để kết nối các máy tính trong thành phố với một máy phát ở xa.
máy vô tuyến (gọi là trạm gốc) đợc đặt ở điểm cố định, cung cấp liên kết
vô tuyến giữa mỗi máy tính và trạm trung tâm.
Nếu
ứng
dụng
yêu
cầu
khu
vực
bao
phủ
rộng
lớn,
cần
phải
sử
dụng
nhiều trạm gốc. Khu vực bao phủ của mối trạm gốc bị giới hạn do giới hạn
công suất phát, vì vậy mỗi trạm gốc chỉ cung cấp vừa
đủ kênh phục vụ cho
toàn bộ tải trong khu vực đó. Có thể đạt đợc vùng phủ sóng lớn hơn bằng
cách sắp xếp nhiều trạm gốc theo cấu trúc tế bào. Thực tế, kích thớc tế bào
thay đổi và đợc xác định bởi các yếu tố nh mật độ đầu cuối và địa thế địa
phơng.
Mỗi
trạm
gốc
hoạt
động
sử
dụng
một
dải
tần
khác
với
trạm
lân
cận.
Tuy nhiên, vì phủ sóng của mỗi trạm gốc bị giới hạn nên có thể sử dụng lại
dải tần của các vùng khác trong mạng. Các trạm gốc đợc kết nối đến mạng
cố định. Thông thờng, tốc dộ truyền số liệu giữa các máy tính trong một tế
bào là
10Kbps.
2.4.
Các
phơng
pháp
truy
nhập
đờng
truyền
Trong mạng truyền tin có nhiều đối tác tham gia, cần thiết phải có sự
điều khiển để sao cho ở mỗi thời diểm chỉ có đối tác đợc gửi thông tin đi,
rõ ràng cần thiết phải có phơng pháp thích hợp để phân chia thời gian gửi
dữ liệu trên đờng truyền.
Việc truy nhập đờng truyền liên quan đến các yếu tố sau:
- Độ tin cậy khi truyền thông tin
- Tính năng thời gian thực
- Hiệu suất sử dụng đờng truyền.
Nguyóựn
Kim
Aẽnh
&
Nguyóựn
Maỷnh
Haỡ
-
Tổỷ
õọỹng
hoùa
-
BKN 15
Chổồng
1.
Lyù
thuyóỳt
chung
vóử
maỷng
truyóửn
thọng
trong
cọng
nghióỷp
Ngời
ta
đa
ra
các
phơng
pháp
truy
nhập
đờng
truyền
nh
sau:
2.4.1.Phơng pháp truy cập Master/ Slave
Với phơng pháp truy nhập này, trạm chủ sẽ đợc quyền phân chia thời
gian truy cập đờng truyền cho các trạm tớ hình 3.15.
Master
Slave Slave Slave
Hình
1.15.
Truy cập Master/slave
Trạm chủ có thể gửi các yêu cầu tuần tự đến các trạm tớ hoặc có thể chỉ
định trạm tớ bất kỳ theo mục đích truy nhập.
Ưu điểm của phơng pháp này là cấu trúc mạng đơn giản, nhng các
hoạt động của mạng lại phụ thuộc vào trạm chủ nên đòi hỏi độ tin cậy của
trạm chủ là rất cao, mặt khác do thông tin giữa các trạm tớ đều phải thông
qua
trung
gian
là
trạm
chủ
đã
khiến
cho
hiệu
suất
đờng
truyền
trong
phơng pháp này là không cao.
2.4.2. Phơng pháp truy cập Token Passing
Cấu trúc của một token nh sau:
Start
1 byte
Access
control
End
delimiter
1 byte
1 byte
Hình
1.16
. Định dạng của 1 token
Token Passing là 1 khung truyền có cấu trúc đặc biệt với các thông tin
dữ liệu chính, nó đợc sử dụng nh thẻ bài có thể tác dụng trao quyền gửi
thông tin khi một trạm nào đó có đợc thẻ bào này. Việc gửi thẻ bài đợc
thực hiện theo 1 chu trình định sẵn. Đối với các mạng có cấu trúc khép kín
ngời ta đa ra khái niệm Token rinh. Sơ đồ nh sau:
Nguyóựn
Kim
Aẽnh
&
Nguyóựn
Maỷnh
Haỡ
-
Tổỷ
õọỹng
hoùa
-
BKN 16
Chổồng
1.
Lyù
thuyóỳt
chung
vóử
maỷng
truyóửn
thọng
trong
cọng
nghióỷp
: Môi
trờng
vật
lý
: Đờng đi
của Token
Unit 1
Unit 2
Unit 3
Unit 4
Unit 3: bị lỗi
Unit 8 Unit 7
Unit 6 Unit 5
Hình
1.17.
Phơng pháp truy nhập Token Ring
Unit 1 Unit 2 Unit 3 Unit 4
Unit 8 Unit 7
Unit 6 Unit 5
Hình
1.18
. Phơng pháp truy nhập Token bus
Một trạm đang giữ Token không những có quyền giữ thông tin đi mà
còn có thể kiểm soát thông tin của các trạm khác. Nếu thấy trạm chuẩn bị
nhận
Token
bị
lỗi
nó
sẽ
không
giữ
Token
cho
trạm
này,
hoặc
nếu
token
không đợc gửi (có nghĩa là trạm token bị lỗi) thì 1 trạm nào đó sẽ tự tạo ra
token để đảm bảo hoạt động của hệ thống là thông suốt.
2.4.3. CDMA/ CD(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)
Trong phơng pháp này, các trạm đều đợc truy nhập bus mà không có
1 sự kiểm soát nào. Nguyên tắc hoạt động đợc mô tả nh sau:
+ Mỗi trạm đều cảm nhận đờng truyền (carier sense), chỉ khi đờng truyền
rỗi thì mới đợc truyền thông tin trên đó.
Nguyóựn
Kim
Aẽnh
&
Nguyóựn
Maỷnh
Haỡ
-
Tổỷ
õọỹng
hoùa
-
BKN 17
Chổồng
1.
Lyù
thuyóỳt
chung
vóử
maỷng
truyóửn
thọng
trong
cọng
nghióỷp
+
Do
độ
trễ
của
sự
lan
truyền
mà
vẫn
xảy
ra
trờng
hợp
lặp
2
hay
nhiều
trạm
cùng
đa
thông
tin
lên
đờng
truyền
(hình )
và
khi
phát
các
trạm
này vẫn phải cảm nhận xem có xảy ra xung đột không (Collision Detection)
n1 n2 n3 n4
Hình
1.19.
Nhiều trạm nhận cùng gửi thông tin lên đờng truyền
+
Khi
hai
hay
hiều
trạm
nhận
cùng
đa
thông
tin
lên
đờng
truyền
(tức
xung
đột
xảy
ra)
thì
các
trạm
này
đều
phải
huỷ
bỏ
bản
tin
gửi
của
mình
(hình )
n1 n2 n3 n4
Hình
1.20.
Các thông báo gửi bị huỷ bỏ
+ Chờ trong thời gian ngẫu nhiên các trạm này sẽ gửi lại thông báo
n1 n2 n3 n4
Hình
1.21
. Trạm n1 gửi thông báo
Thực tế việc phát hiện xung đột đợc thực hiện bằng cách so sánh tín
hiệu phát và tín hiệu phản hồi. Trong trờng hợp có xung đột thì các trạm
này lập tức không phát nữa, và các trạm nhận thì không nhận đợc byte kết
thúc của khung truyền nên coi nh thông báo này bị huỷ bỏ.
Nguyóựn
Kim
Aẽnh
&
Nguyóựn
Maỷnh
Haỡ
-
Tổỷ
õọỹng
hoùa
-
BKN 18
Chổồng
1.
Lyù
thuyóỳt
chung
vóử
maỷng
truyóửn
thọng
trong
cọng
nghióỷp
Ưu điểm của phơng pháp này là đơn giản và linh hoạt nhng không
phù hợp với các hệ thống mạng cấp thấp do tính không ổn định về thời gian
đáp ứng.
2.4.4. CSMA/ CA (Carrier Sense Multiple with Collision Avoidance)
Phơng
pháp
này
cũng
giống
phơng
pháp
CSMA/
CD,
nhng
chúng
sử dụng phơng pháp mã hoá bit thích hợp để khi xảy ra xung đột 1 tín hiệu
này sẽ lấn át tín hiệu kiểm tra. Ví dụ:
n1 n2 n3
A C B
X
a. n1 và n3 cùng phát
n1 n2 n3
A C B
b. n1 liên tục phát và n3 dừng phát
Hình
1.22.
Nguyên lí hoạt động của CDMA/CA
Phơng pháp này ra đời đã cải thiện đợc tính năng thời gian thực mà
phơng pháp CSMA/ CD gặp phải.
2.5.
Các
giao
thức
công
nghiệp
(Industrial
Protocol)
2.5.1. Khái niệm giao thức (Protocol)
+ Trong quá trình trao đổi thông tin trên mạng, các đối tác truyền thông cần
thiết phải tuân theo các quy tắc thủ tục chung để phục vụ cho việc giao tiếp
gọi là giao thức, giao thức chính là cơ sở cho việc thực hiện và sử dụng các
dịch vụ truyền thông.
+ Quy định một giao thức bao gồm các phần sau:
- Khởi
tạo:
Phần
này
khởi
tạo
các
thông
số
của
giao
thức
và
bắt
đầu
truyền dữ liệu trên đờng truyền
Nguyóựn
Kim
Aẽnh
&
Nguyóựn
Maỷnh
Haỡ
-
Tổỷ
õọỹng
hoùa
-
BKN 19
Chổồng
1.
Lyù
thuyóỳt
chung
vóử
maỷng
truyóửn
thọng
trong
cọng
nghióỷp
- Tạo khung và đồng bộ khung: Phần này định nghĩa thời điểm khởi đầu
và thời điểm kết thúc của khung để bên nhận có thể đồng bộ dữ liệu khi
nhận.
- Điều khiển luồng dữ liệu: để đảm bảo rằng với tốc độ này thì bên thu có
thể nhận số liệu mà không bị thiếu.
- Điều khiển truy cập đờng truyền: ứng dụng truyền bán song công
- Sửa lỗi: Các kí thuật ngày nay sử dụng sửa lỗi tổng khối và CRC.
- Điều
khiển
Time
Out:
áp
dụng
với
các
bộ
truyền
khi
nó
không
nhận
đợc
dữ
liệu
trong
khoảng
thời
gian
định
trớc
và
bộ
nhận
không
thể
nhận đợc các bản tin trớc đó.
2.5.2.Giao thức công nghiệp
Các yêu cầu đối với các Protocol công nghiệp.
- Dễ
dàng
cho
các
hệ
thống
xử
lí:
Mức
độ
yêu
cầu
của
các
hệ
thống
truyền thông công nghiệp ở cấp độ phân xởng là ở cấp thấp. Cần thiết
chọn các giao thức đơn giản chẳng hạn giao thức ASCII.
- Tính bảo toàn dữ liệu khi truyền là cao: Trong môi trờng công nghiệp
có rất nhiều nhiễu điện từ, cần thiết phải truyền số liệu sao cho không có
lỗi, giao thức đợc chọn phải có khả năng kiểm soát lỗi hiệu quả chẳng
hạn nh phơng pháp soát lỗi CRC.
- Chuẩn hoá các giao thức: Xuất phát từ yêu cầu trao đổi thông tin giữa
các đối tác trao đổi thông tin (PLC, PC ) đợc sản xuất bởi các hãng
khác nhau, cần thiết phải có giao thức truyền thông công nghiệp chung,
chẳng hạn MobBus.
- Tốc độ truy cập các thông số cao: Yêu cầu việc cập nhật các thông số từ
các thiết bị trờng nối tiếp nhau là gần nh đồng thời.
Một số các giao thức công nghiệp điển hình nh: ASCII, Modbus, Can sẽ
đợc xét trong phần mạng của Simatic-net
Nguyóựn
Kim
Aẽnh
&
Nguyóựn
Maỷnh
Haỡ
-
Tổỷ
õọỹng
hoùa
-
BKN 20
Chổồng
2.
Caùc
bus
tióu
bióứu
cuớa
hóỷ
thọỳng
maỷng
SIMATICNET
Chơng 2
CC
BUS
TIấU
BIU
CA
H
THNG
MNG
SIMATICNET
1. Tổng quan chung về mạng Simatic
Trong mạng Simatic, đã đa các giải pháp cho mạng truyền thông công
nghiệp nh: Profibus, Ethernet, AS-i nhằm kết nối các thiết bị trờng với
các thiết bị ở cấp điều khiển , các thiết bị ở cấp điều khiển giám sát và các
thiết bị ở cấp quản lí
Tuỳ
theo
phơng
pháp
tích
hợp
mà
có
thể
đa
ra
các
lựa
chọn
phần
cứng cũng nh phần mềm tơng ứng.
Chơng này trình bày về các giao thức chính đợc dùng trong Simatic,
phần
thiết
bị
phần
cứng
và
phơng
pháp
ghép
nối
đợc
trình
bày
trong
chơng 5
Hình sau là cấu trúc phân tầng điển hình trong Simatic-net
Ethernet
(Ethernet, IEEE 802.3)
Profibus
AS - i
Hình
2.0.
Phân tầng các mạng điển hình trong Simatic -net
2. AS-i (Actuator Sensor Interface)
Đây là sản phẩm của 11 hãng sản xuất sensor và cơ cấu chấp hành nổi
tiếng
trên
thế
giới
nh:
Siemens
AG,
Festo
KG Đây
là
hệ
thống
Bus
trờng dùng cho giao tiếp giữa các thiết bị ở cấp hiện trờng với các thiết bị
trong cấp điều khiển. Đặc tính kỹ thuật chính của AS-i là:
- Truyền tín hiệu cùng nguồn nuôi
- Cho phép thực hiện cấu trúc mạng dạng Bus cũng nh hình sao
- Các thành phần giao diện mạng có thể thực hiện với giá thành thấp
Nguyóựn
Kim
Aẽnh
&
Nguyóựn
Maỷnh
Haỡ
-
Tổỷ
õọỹng
hoùa
-
BKN 21
Chiều
dài
tổng
cộng
tối
đa
là
100m,
tất
nhiên
nếu
muốn
dùng
với
khoảng cách lớn hơn phải sử dụng bộ lặp. Số lợng trạm tối đa trong một
mạng là 31 tức có thể quản lí tối đa là 124 S/A, tốc độ truyền quy định là
167kB/s
Trong sản phẩm của Siemens module giao diện AS-i Master trong S7-
300 là CP 342-2, module này có thể đợc nối với các Module thụ động để
nối với các A/S
Cơ chế giao tiếp trong AS-i dựa trên các yêu cầu và trả lời. Trạm chủ có
thể hỏi tuần tự để các trạm tớ trả lời hoặc cũng có thể hỏi các trạm tớ theo
cơ chế định địa chỉ
2.3.
Cấu
trúc
khung
truyền
Mục
đích
của
định
dạng
khung
truyền
là
để
giúp
bên
nhận
xác
định
đợc thời điểm bắt đầu, kết thúc một bản tin cũng nh gửi kèm các thông
tin về sửa sai lỗi
Khung truyền yêu cầu dữ liệu từ trạm chủ trong AS-i có chiều dài là 14
bít còn khung trả lời từ các trạm tớ có chiều dai là 7 bít, minh hoạ trên hình
sau:
Start CB A4 A3 A2 A1 A0 I4 I3 I2 I1 I0 P Stop
Hình
2.1.
Cấu trúc khung yêu cầu dữ liệu
Nguyóựn
Kim
Aẽnh
&
Nguyóựn
Maỷnh
Haỡ
-
Tổỷ
õọỹng
hoùa
-
BKN
22
STT Ký
hiệu Mô
tả
1 Start đây là bít đánh dấu sự khởi đầu của khung truyền, nó có
giá trị là 0
2 CB Là bit điều khiển
3 A0 - A4 Là các bít dùng để xác định địa chỉ trạm tớ
4 I0 - I4 Các bít xác định thông tin yêu cầu trạm tớ
5 P Bít kiểm tra chẵn lẻ
6 Stop đây
là
bít
đánh
dấu
sự
kết
thúc
của
khung
truyền, nó
có
giá trị là 1
Chổồng
2.
Caùc
bus
tióu
bióứu
cuớa
hóỷ
thọỳng
maỷng
SIMATICNET
Bảng
2.0.
ý nghĩa của các bít trong khung yêu cầu
Cấu trúc khung trả lời từ trạm tớ trình bày trên hình sau:
Start S3 S2 S1 S0 P Stop
Hình
2.2.
Cấu trúc khung trả lời
Bảng
2.1.
ý nghĩa của các bít trong khung trả lời
3. Profibus (Process Field Bus)
Là
hệ
thống
Bus
trờng
đợc
phát
triển
tại
Đức
năm
1987
và
thành
chuẩn EIC 61158 năm 2000.
Với mục đích quảng bá cũng nh hỗ trợ
việc phát triển và ứng dụng
các
sản
phẩm
tơng
thích
Profibus,
một
tổ
chức
ngời
sử
dụng
đã
đợc
thành lập mang tên Profibus International với hơn 1000 thành viên.
Ngày
nay
Profibus
là
hệ
thống
Bus
trờng
hàng
đầu
thế
giới
với
hơn
20%
thị
phần
với
hơn
5
triệu
thiết
bị
lắp
đặt
trong
khoảng
500.000
ứng
dụng. Profibus đang đợc
coi
là
giải
pháp chuẩn, tin
cậy
trong nhiều ứng
STT Ký
hiệu Mô
tả
1 Start đây là bít đánh dấu sự khởi đầu của khung truyền, nó có
giá trị là 0
2 S0 - S3 Thông tin trả lời về trạm chủ
3 P Bít kiểm tra chẵn lẻ
4 Stop đây là bít đánh dấu sự kết thúc của khung truyền, nó có
giá trị là 1
ý nghĩa các bít trong khung đợc trình bày trên hình sau:
dụng đặc biệt là trong các ứng dụng có yêu cầu cao về tính năng thời gian
thực.
Hệ thống Bus này đợc ứng dụng để kết nối các thiết bị trờng với các
thiết bị điều khiển giám sát. Đây là hệ thống Bus nhiều chủ (MultiCast) cho
phép các thiết bị vào/ra phân tán, các thiết bị đo thông minh, thiết bị điều
khiển nối vào cùng một đờng Bus.
Các
trạm
chủ
(thờng
là
các
PC,
PLC)
đợc
quyền
kiểm
soát
truyền
thông trên Bus, các trạm tớ (thờng là các Module vào/ra phân tán, các thiết
bị đo thông minh ) không đợc phép truy nhập Bus, mà chỉ đợc xác nhận
hoặc trả lời các yêu cầu từ trạm chủ.
Nguyóựn
Kim
Aẽnh
&
Nguyóựn
Maỷnh
Haỡ
-
Tổỷ
õọỹng
hoùa
-
BKN 23
Chổồng
2.
Caùc
bus
tióu
bióứu
cuớa
hóỷ
thọỳng
maỷng
SIMATICNET
Profibus
gồm 3 loại tơng thích với nhau: Profibus FMS, Profibus
DP và Profibus PA. Profibus FMS đợc dùng chủ yếu trong việc
nối mạng các máy tính điều khiển và cấp điều khiển giám sát. Profibuss
DP đợc dùng để kết nối các thiết bị trờng với các máy tính điều khiển,
còn Profibus PA đợc sử dụng trong các lĩnh vực tự động hoá các quá
trình có
m ôi tr-
ờng dễ c
h áy nổ.
3.1.
Cấu
trúc
giao
thức
Profibus
Hình
2.3
Kiến trúc giao thức Profibus
Profibus DP và PA chỉ thực hiện lớp 1 và 2 nhằm tối u hoá việc trao đổi
dữ liệu quá trình giữa cấp điều khiển và cấp chấp hành.
- Lớp
FMS (với Profibus FMS) mô tả các đối tợng truyền thông,
xử lý và cung cấp các dịch vụ truyền thông.
- Lớp liên kết dữ liệu FDL có chức năng kiểm soát truy cập bus, cung
cấp dịch vụ cơ bản (cấp thấp) cho việc trao đổi dữ liệu một cách tin
cậy.
Tốc độ (Kb/s) 9.6, 19.2, 45.45
,
93.75
187.5 500 1500 3000, 6000,
12000
Chiều dài (m) 1200 1000 400 200 100
Lớp 7
Lớp 3 6
Fieldbus Message Specification
Lớp 2 Fieldbus Data Link (FDL)
Lớp 1 RS-48S/ Cáp quang IEC 1158-2
Profibus
-
FMS
Profibus
-
DP
Profibus-
PA
- Lớp
vật
lý
quy
định
về
kỹ
thuật
truyền
dẫn
tín
hiệu,
môi
trờng
truyền dẫn, cấu trúc mạng và các giao diện cơ học. Việc sử dụng giao
diện
RS485
đã
quyết
định
các
đặc
tính
truyền
dẫn.
Khoảng
cách
truyền cực đại là 1200m, nếu sử dụng trạm lặp có thể lên đến 4800m
tất
nhiên
nó
còn
phụ
thuộc
vào
tốc
độ
truyền.
Nói
chung
tốc
độ
truyền thờng tring khoảng 9.6 500Kb/s và số lợng trạm tối đa là
127, nó sử dụng phơng pháp mã hoá NRZ.
Nguyóựn
Kim
Aẽnh
&
Nguyóựn
Maỷnh
Haỡ
-
Tổỷ
õọỹng
hoùa
-
BKN 24
Chổồng
2.
Caùc
bus
tióu
bióứu
cuớa
hóỷ
thọỳng
maỷng
SIMATICNET
3.2.
Truy
cập
Bus
và
các
dịch
vụ
truyền
số
liệu.
Hai phơng pháp truy nhập bus có thể đợc áp dụng độc lập hoặc kết
hợp là Token Passing và Master/ Slave.
Thời gian vòng lặp tối đa để 1 trạm tích cực nhận lại đợc Token có thể
thay đổi bởi các tham số. Khoảng thời gian này là cơ sở cho việc tính toán
chu kì thời gian của cả hệ thống.
Controller
PC PC
Controller
M
M
V
M
Drive Sensor Sensor
Actuator Drive Transmiter
Drive
Sensor
Hình
2.4.
Cấu trúc điển hình về hệ thống mạng Profibus
+ Các dịch vụ truyền số liệu thuộc lớp 2 trong mô hình OSI (FDL) bao
gồm 4 dịch vụ:
- SDN (Send Data with No Acknowledge)
Quan hệ giữa tốc độ truyền và chiều dài dây dẫn thể hiện trên bảng sau: