ĐHĐN lý thuyết chung về mạng truyền thông trong công nghiệp nguyễn kim ánh

Chổồng 1. Lyù thuyóỳt chung vóử maỷng truyóửn thọng trong cọng nghióỷp
Nguyóựn Kim Aẽnh & Nguyóựn Maỷnh Haỡ - Tổỷ õọỹng hoùa - BKN 1
ch ơng 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 đ ợc 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.
- L ợng 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 tr ng, cũng nh chức năng nhiệm vụ của
của từng cấp.
Chổồng 1. Lyù thuyóỳt chung vóử maỷng truyóửn thọng trong cọng nghióỷp
Nguyóựn Kim Aẽnh & Nguyóựn Maỷnh Haỡ - Tổỷ õọỹng hoùa - BKN 2

Cấp hiện tr ờng:
Đây là cấp nằm tại hiện tr ờng 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 đ ợc nối mạng trực tiếp hoặc thông qua đ ờng Bus để
nối với cấp trên (cấp điều khiển).
Hệ thống Bus dùng để kết nối các thiết bị ở cấp hiện tr ờng với cấp điều
khiển gọi là Bus tr ờng (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
tr ng của các cuộc trao đổi tin trong cấp tr ờng là các bản tin th ờng có
chiều dài không lớn

Các sensor và cơ cấu chấp hành đ ợc nối trên đ ờng Bus có thể là các thiết
bị thông minh hoặc cũng có thể là các thiết bị thông th ờng có xử dụng
thêm các bộ chuyển đổi giao thức t ơng thích.
Điển hình của Bus tr ờng là: Profibus-DP, Profibus-PA, Can, Foundation
Fielbus, DeviceNet.


PC

PC

PC

PC

PC

HIS

HIS

EWS

FCS

FCS

FCS

FCS

S

S

A

S

A

PC
-
Personal
Computer

HIS -Human Interface Station
FCS - Field Control Station
S - Sensor
A - Actuator
Fieldbus

System bus

Ethernet

Fast Ethernet

Quản lí
kinh tế

Quản lí kỹ
thuật
Điều khiển
và giám sát
Hiện điều
khiển
Hình 1.1
Mô hình phân cấp các hệ thống mạng trong công nghiệp

Hiện tr ờng

Chổồng 1. Lyù thuyóỳt chung vóử maỷng truyóửn thọng trong cọng nghióỷp
Nguyóựn Kim Aẽnh & Nguyóựn Maỷnh Haỡ - Tổỷ õọỹng hoùa - BKN 3
Cấp điều khiển:
Cấp này bao gồm các trạm điều khiển hiện tr ờng (FCS), các bộ điều khiển
logic lập trình (PLC), các thiết bị quan sát . Chức năng thu thập các tín
hiệu từ hiện tr ờng, thực hiện điều khiển cơ sở, điều khiển logic, tổng hợp
dữ liệu
Các thiết bị ở cấp này đ ợc 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 tr ờng
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 ng ời 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) đ ợc 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 l ợc
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 đ a ra 1 kiến trúc giao thức với chuẩn ISO 7498 đ ợc
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.
Chổồng 1. Lyù thuyóỳt chung vóử maỷng truyóửn thọng trong cọng nghióỷp
Nguyóựn Kim Aẽnh & Nguyóựn Maỷnh Haỡ - Tổỷ õọỹng hoùa - BKN 4
- Chuẩn này không đ a 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.

ã Lớp vật lý (Physical Layer)
Lớp này đ ợc 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 ph ơng thức mã hoá tín hiệu
- Theo giao diện cơ học (cáp hoặc giắc cắm)
ã Lớp liên kết dữ liệu (Data Link Layer)
Lớp này đ ợc 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 đ ợc gọi là lớp phần cứng, trong mạng cục bộ lớp này đ ợc
chia làm 2 lớp con: lớp điều khiển truy nhập môi tr ờng ( 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 l u thông và đồng bộ hoá việc chuyển giao các khung dữ
liệu.
A Protocol

N

D

P

Môi tr ờng truyền dẫn

Immediate data

Communication
network
Hình 1.2
. Cấu trúc mô hình tham chiếu OSI

Lớp ứng dụng

Lớp biểu diễn dữ liệu

Lớp kiểm soát nối

Lớp vận chuyển

Lớp liên kết dữ liệu

Lớp vật lí

Lớp mạng

Lớp ứng dụng

Lớp biểu diễn dữ liệu

Lớp kiểm soát nối

Lớp vận chuyển

Lớp liên kết dữ liệu

Lớp vật lí

Lớp mạng

Chổồng 1. Lyù thuyóỳt chung vóử maỷng truyóửn thọng trong cọng nghióỷp
Nguyóựn Kim Aẽnh & Nguyóựn Maỷnh Haỡ - Tổỷ õọỹng hoùa - BKN 5
ã Lớp mạng (Network Layer)
Lớp này đ ợc 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.
ã Lớp vận chuyển (Transport Layer)
Lớp này đ ợc 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.
ã Lớp kiểm soát nối (Session Layer)
Chức năng của lớp này là kiểm soát mối liên kết truyền thông giữa các

ch ơng trình ứng dụng, bao gồm việc tạo lập, quản lí và kết thúc các đ ờng
nối giữa các ứng dụng của đối tác.
ã Lớp biểu diễn dữ liệu (Presentation Layer)
Chức năng của lớp này là chuyển đổi các dạng biểu diễn dữ liệu khác nhau
về cú pháp thành dạng chuẩn, để các đối tác truyền thông khác nhau có thể
giao tiếp với nhau.
ã Lớp ứng dụng (Application Layer)
Có chức năng cung cấp các dịch vụ cao cấp (dựa trên cơ sở các giao thức
cao cấp) cho ng ời sử dụng và các ch ơng trình ứng dụng. Các dịch vụ ở
lớp này chủ yếu đ ợc thực hiện bằng phần mềm.

2.2. Cấu trúc mạng (Topology)
Tr ớc 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 đ ợc liên kết với
nhau qua một môi tr ờng 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 ch ơng trình hệ thống hay một ch ơng trình ứng dụng trên một trạm
nên quan hệ giữa các đối tác này chỉ có tính logic. T ơng ứng với một đối
tác vật lý th ờng có nhiều đối tác logic và tất nhiên nhiều mối liên kết logic
đ ợc xây dựng trên cơ sở một mối liên lết vật lý.
Các loại liên kết:
Chổồng 1. Lyù thuyóỳt chung vóử maỷng truyóửn thọng trong cọng nghióỷp
Nguyóựn Kim Aẽnh & Nguyóựn Maỷnh Haỡ - Tổỷ õọỹng hoùa - BKN 6
- Liên kết điểm - điểm (Point to Point) : Mối liên kết này chỉ có 2 đối tác
thạm gia, về mặt vật lý hai tạm đ ợc nối với nhau bởi một đ ờng truyền.
Để thực hiện một mạng truyền tin dựa trên liên kết này sẽ là tập hợp của
nhiều đ ờng dây độc lập.
- Liên kết điểm nhiều điểm (multi drop): Nhiều trạm đ ợc nối

chung với một trạm chủ (master). Nh vậy các đối tác sẽ đ ợc nối chung
vào một đ ờng dây
- Liên kết nhiều điểm nhiều điểm (multi point): nhiều đối tác tham
gia và thông tin đ ợc trao đổi theo nhiều h ớng. Cũng t ơng tự liên kết
điểm nhiều điểm với liên kết này các đối tác cũng đ ợc nối trên cùng
một đ ờng 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
nh ng cũng hiểu là cách sắp xếp logic của các nút mạng.
Các loại cấu trúc mạng:
+ Topology đầy đủ:







Với cấu trúc đầy đủ này thì sự giao tiếp giữa các trạm là nhanh, một
đối tác bị sự cố sẽ không ảnh h ởng tới các đối tác còn lại nh ng cấu trúc
này giá thành cao do tốn kém dây dẫn
+ Topology hình sao:

B




C
A

E

D

Hình 1.3
. Sơ đồ Topology đầy đủ (Full)
A

B

C

D

E

F

Hình 1.4
. Sơ đồ topology hình sao

Chổồng 1. Lyù thuyóỳt chung vóử maỷng truyóửn thọng trong cọng nghióỷp
Nguyóựn Kim Aẽnh & Nguyóựn Maỷnh Haỡ - Tổỷ õọỹng hoùa - BKN 7

Các đối tác trao đổi thông tin với nhau thông qua một trạm chủ, tuy
nhiên một sự cố của trạm chủ sẽ dẫn đến sự tê liệt của toàn hệ thống do đó
trạm chủ đòi hỏi phải có độ tin cậy cao.
+ Topology vòng lặp










Trong cấu trúc này các thành viên đ ợc nối với nhau tạo thành mạch vòng
khép kín, tín hiệu đ ợc truyền đi theo chiều cố định. u điểm của ph ơng
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 đ ợc truyền đi theo một chiều.
+ Topology bus

Trong cấu trúc này các đối tác truyền thông đ ợc nối trên cung một
dây dẫn. Với cấu trúc daisy-chain các đối tác đ ợc nối trực tiếp vào đ ờng
truyền. Còn cấu trúc trunk-line/drop-line thì có các dây phụ để nối các đối
tác vào đ ờng Bus chung. u điểm của ph ơng pháp này là đơn giản và tiết
kiệm dây dẫn.

+ Cấu trúc cây
A

B

C

D

Hình 1.5.
Sơ đồ topology kiểu vòng loop
Hình 1.6. Cấu trúc trunk-
line/drop-line
Hình 1.7.
Cấu trúc daisy-chain
Chổồng 1. Lyù thuyóỳt chung vóử maỷng truyóửn thọng trong cọng nghióỷp
Nguyóựn Kim Aẽnh & Nguyóựn Maỷnh Haỡ - Tổỷ õọỹng hoùa - BKN 8

Cấu trúc cây là tổng hợp của nhiều liên kết với các cấu trúc nh
đ ờng thẳng, sao, mạch vòng Đây là cấu trúc th ờng gặp trong thực tế.

2.3. Môi tr ờng truyền dẫn
2.3.1. Các đặc tính của môi tr ờng truyền dẫn
Môi tr ờng truyền dẫn là môi tr ờng mà tín hiệu thông tin truyền qua
(thực chất đó là đ ờng truyền). Môi tr ờng truyền dẫn có ảnh h ởng
lớn tới tốc độ truyền dẫn, chất l ợng đ ờng truyền Ta xét các đặc tính
sau:
ã Dung l ợng truyền của môi tr ờng truyền dẫn đ ợc 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
Ng ời ta còn gọi U
k
là khả năng truyền của môi tr ờng truyền dẫn
ã Tốc độ truyền thông tin:
V=I/T
ở đó: I L ợng thông tin truyền
T Thời gian truyền l ợng thông tin I

2.3.2. Các loại môi tr ờng truyền dẫn
a) Đ ờng hai dây hở.
Bộ nối

Bộ lặp

Hình 1.8.
Cấu trúc cây
Bộ nối sao

Chổồng 1. Lyù thuyóỳt chung vóử maỷng truyóửn thọng trong cọng nghióỷp

Nguyóựn Kim Aẽnh & Nguyóựn Maỷnh Haỡ - Tổỷ õọỹng hoùa - BKN 9
Là loại môi tr ờng truyền dẫn đơn giản, hai dây dẫn đ ợc 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. Đ ờng dây này
đ ợc ứng dụng trong truyền số liệu giữa các DTE và DCE.
Nh ợc 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 tr ờng truyền dẫn này hạn chế về
tốc độ và chiều dài dây dẫn.
b) Cáp đôi dây xoắn
Đây là môi tr ờng truyền dẫn có tính lịch sử trong truyền số liệu và
hiện này nó vẫn là môi tr ờng truyền dẫn đ ợc dùng rất phổ biến. Nó đ ợc
phát minh cùng thời với điện thoại, và giá thì t ơng 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 đ ợc quấn cách
li ôm vào nhau do cấu trúc nh thế mà tr ờng 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 đ ợc cả hai dây thu nhận, không làm ảnh h ởng lên tín hiệu
vi sai. Chính vì vậy mà nhiễu ra môi tr ờng xung quanh và nhiễu xuyên âm
giảm thiểu đáng kể.






Đ ờng dây xoắn đôi thích hợp với thiết bị điều khiển đ ờng dây và
mạch thu riêng, sử dụng tốc độ bit d ới 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 th ờng là 64Kb/s và 96Kb/s
Tuy vậy cáp đôi dây xoắn có nh ợc điểm là chịu ảnh h ởng của nhiễu
kí sinh và hiện t ợng 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 h ởng của tín hiệu giao
thoa.

Hình 1.9.
Cấu tạo của cáp đôi dây xoắn
Chổồng 1. Lyù thuyóỳt chung vóử maỷng truyóửn thọng trong cọng nghióỷp
Nguyóựn Kim Aẽnh & Nguyóựn Maỷnh Haỡ - Tổỷ õọỹng hoùa - BKN 10
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
tr ờng 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 th ờng đ ợc làm đầy bởi chất cách điện rắn hoặc
cấu trúc tổ ong.

Chất dẫn điện ở giữa là màn chắn hữu hiệu với tín hiệu nhiễu bên ngoài. Sự
tổn hao tín hiệu rất nhỏ gây ra do bức xạ điện từ và hiệu ứng bề mặt. Cáp
đồng trục có thể sử dụng với nhiều kiểu tín hiệu khác nhau, tốc độ điển
hình là 10Mbps.
Cáp đồng trục đ ợc 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 đ ờng truyền đ ợc 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 đ ờng truyền. Chúng đ ợc minh hoạ trên hình 3.10.






Lớp cách điện

Lớp dẫn điện

Hình 1
.10.
Cấu tạo của cáp đồng trục
Chổồng 1. Lyù thuyóỳt chung vóử maỷng truyóửn thọng trong cọng nghióỷp
Nguyóựn Kim Aẽnh & Nguyóựn Maỷnh Haỡ - Tổỷ õọỹng hoùa - BKN 11

- Ph ơng thức truyền dải cơ sở có thể truyền đ ợc cả tín hiệu t ơng 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 tr ờng hợp điều chế dải rộng thì
kém nhạy cảm hơn, hệ số chống nhiễu từ 80dB đến 100dB.
d) Sợi quang
Đây là môi tr ờng truyền dẫn đang đ ợc xử dụng rộng rãi trong công
nghiệp bởi các u điểm sau:
- Dung l ợng truyền lớn
- Tính bảo mật tín hiệu khi truyền cao
- Trọng l ợng 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 tr ờng oxi hoá
Chúng ta hãy xét một số các vấn đề lí thuyết tr ớc khi xem xét sợi quang
+ Bản chất và các đặc tr ng của sóng ánh sáng
*. Bản chất sóng ánh sáng

- ánh sáng c ờng độ lớn không phải bao gồm những l ợng tử năng l ợng
lớn mà gồm rất nhiều l ợng 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
BaseBand

BroadBand

Hình 1.11.
Minh hoạ dải cơ sở và dải rộng
Chổồng 1. Lyù thuyóỳt chung vóử maỷng truyóửn thọng trong cọng nghióỷp
Nguyóựn Kim Aẽnh & Nguyóựn Maỷnh Haỡ - Tổỷ õọỹng hoùa - BKN 12
- Khi nghiên cứu các phần tử thu quang ng ời ta xử dụng các đặc tính hạt
của nó. Khi nghiên cứu quá trình lan truyền của cáp quang trên sợi quang
ng ời ta lại quan tâm đến tính chất sóng của nó.
*. Các đặc tr ng cơ bản
+ Dải phổ bức xạ quang học. Đặc tr ng cơ bản của các nguồn bức xạ điện
từ là dải phổ bức xạ quang học hay dải b ớc sóng t ơng ứng:
)(&)( Hz
c
fm
f
c
l
l
==
- ánh sáng sử dụng trong thông tin quang là ánh sáng trong vùng hồng
ngoại:

- Hồng ngoại gần IR-A: 0.78mm 1.4 mm
- Hồng ngoại giữa IR-B: 1.4mm 6 mm
- Hồng ngoại gần IR-A: 6mm 1mm
- Phổ bức xạ có 3 loại khác nhau là phổ liên tục, phổ rời rạc và phổ hấp
thụ. Trong thông tin quang ng ời 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 đ ợc 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 t ợng giao thoa trong một thời gian dài và ng ời ta gọi đó là đặc tính
không kết hợp của ánh sáng.
+ Nguyên lí truyền dẫn ánh sáng
- Dựa vào hiện t ợng phản xạ toàn phần
- Khi n
1
>n
2
và a
t
<= a


+ Cấu tạo sợi quang
Cáp sợi quang gồm một sợi thuỷ tinh đơn cho mỗi tín hiệu đ ợc 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. T ơng tự, máy thu quang thực hiện chức năng ng ợc 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.
n
2


n
1
Chổồng 1. Lyù thuyóỳt chung vóử maỷng truyóửn thọng trong cọng nghióỷp
Nguyóựn Kim Aẽnh & Nguyóựn Maỷnh Haỡ - Tổỷ õọỹng hoùa - BKN 13









Trong sợi quang đa mode chiết suất bậc, vật liệu chế tạo vỏ và lõi khác
nhau nh ng chiết suất là đồng nhất. Các tia sáng do diode phát ra với góc
nhỏ hơn góc tới hạn sẽ đ ợc 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 ng ời ta chia sợi quang thành 2 loại: Sợi SM và

sợi MM
- Sợi SM (Single Mode): đ ợc hiểu là một trạng thái dao động điện từ
ứng với nghiệm cao của ph ơng trình sóng. Số l ợng các Mode có
quan hệ với sóng điện từ đơn thoả mãn các ph ơng trình Maxwell và
điều kiện bờ lấy từ sợi quang.
- Sợi MM (Multiple Modes): Đ ợc hiểu là có đồng thời nhiều Mode.
Sợi MM có đ ờng 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 ng ời 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)
ã 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





n1

n2

Hình 1.12.
Nguyên lí làm việc của cáp quang
Chổồng 1. Lyù thuyóỳt chung vóử maỷng truyóửn thọng trong cọng nghióỷp
Nguyóựn Kim Aẽnh & Nguyóựn Maỷnh Haỡ - Tổỷ õọỹng hoùa - BKN 14

e) Vệ tinh
Ngoài môi tr ờng hữu tuyến, số liệu còn có thể đ ợc truyền bằng cách
dùng sóng vô tuyến qua không gian nh hệ thống vệ tinh. Số liệu đ ợc điều
chế bởi một chùm sóng cực ngắn hình nón, phát từ mặt đất lên vệ tinh.
Chùm tia này đ ợc thu và truyền đến đích đã định bằng cách dùng 1
antenna định h ớng 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 th ờng là vệ tinh địa tĩnh. Ng ời ta
chọn quỹ đạo của vệ tinh để cung cấp một tuyến thông tin tầm nhìn thẳng
giữa trạm phát và thu.

Mỗi trạm mặt đất thu, phát tại các tần số khác nhau, thực tế th ờng sử dụng
hệ thống nhiều trạm thu phát, tổ chức thành mạng.
0.1 1 10 100

L(km)

V(Mb/s)

100

10

1

0.1

Cáp quang

Cáp đồng trục

Cáp đôi dây xoắn

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
Vệ tinh

Trạm phát

Trạm thu

Hình 1.14.
Truyền dẫn bằng sóng vệ tinh
Chổồng 1. Lyù thuyóỳt chung vóử maỷng truyóửn thọng trong cọng nghióỷp
Nguyóựn Kim Aẽnh & Nguyóựn Maỷnh Haỡ - Tổỷ õọỹng hoùa - BKN 15

f) Sóng cực ngắn trên mặt đất (viba)
Đ ờng truyền sóng cực ngắn đ ợc sử dụng rộng rãi khi việc xây dựng
một môi tr ờng 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 ng ời 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 đ ợc 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) đ ợc 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 đ ợc vùng phủ sóng lớn hơn bằng

cách sắp xếp nhiều trạm gốc theo cấu trúc tế bào. Thực tế, kích th ớc tế bào
thay đổi và đ ợc xác định bởi các yếu tố nh mật độ đầu cuối và địa thế địa
ph ơng.
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 đ ợc kết nối đến mạng
cố định. Thông th ờng, tốc dộ truyền số liệu giữa các máy tính trong một tế
bào là 10Kbps.

2.4. Các ph ơng pháp truy nhập đ ờng 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 đ ợc gửi thông tin đi,
rõ ràng cần thiết phải có ph ơng pháp thích hợp để phân chia thời gian gửi
dữ liệu trên đ ờng truyền.
Việc truy nhập đ ờng truyền liên quan đến các yếu tố sau:
- Độ tin cậy khi truyền thông tin
- Tính năng thời gian thực
- Hiệu suất sử dụng đ ờng truyền.
Chổồng 1. Lyù thuyóỳt chung vóử maỷng truyóửn thọng trong cọng nghióỷp
Nguyóựn Kim Aẽnh & Nguyóựn Maỷnh Haỡ - Tổỷ õọỹng hoùa - BKN 16
Ng ời ta đ a ra các ph ơng pháp truy nhập đ ờng truyền nh sau:

2.4.1.Ph ơng pháp truy cập Master/ Slave
Với ph ơng pháp truy nhập này, trạm chủ sẽ đ ợc quyền phân chia thời
gian truy cập đ ờng truyền cho các trạm tớ hình 3.15.

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 ph ơng pháp này là cấu trúc mạng đơn giản, nh ng 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 đ ờng truyền trong
ph ơng pháp này là không cao.

2.4.2. Ph ơng pháp truy cập Token Passing
Cấu trúc của một token nh sau:






Token Passing là 1 khung truyền có cấu trúc đặc biệt với các thông tin
dữ liệu chính, nó đ ợc sử dụng nh thẻ bài có thể tác dụng trao quyền gửi
thông tin khi một trạm nào đó có đ ợc thẻ bào này. Việc gửi thẻ bài đ ợc
thực hiện theo 1 chu trình định sẵn. Đối với các mạng có cấu trúc khép kín
ng ời ta đ a ra khái niệm Token rinh. Sơ đồ nh sau:
Master

Slave

Slave

S
lave

Hình 1.15.
Truy cập Master/slave
1 byte

Start

1 byte

1 byte

Access
control

End delimiter

Hình 1.16
. Định dạng của 1 token
Chổồng 1. Lyù thuyóỳt chung vóử maỷng truyóửn thọng trong cọng nghióỷp
Nguyóựn Kim Aẽnh & Nguyóựn Maỷnh Haỡ - Tổỷ õọỹng hoùa - BKN 17

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 đ ợc 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 ph ơng pháp này, các trạm đều đ ợc truy nhập bus mà không có
1 sự kiểm soát nào. Nguyên tắc hoạt động đ ợc mô tả nh sau:
+ Mỗi trạm đều cảm nhận đ ờng truyền (carier sense), chỉ khi đ ờng truyền

rỗi thì mới đ ợc truyền thông tin trên đó.
Unit 5

Unit 7

Unit 6

Unit 8

Unit 1

Unit 2

Unit 3

Unit 4

: Môi
tr ờng vật
lý

: Đ ờng đi
của Token
Unit 3: bị
lỗi

Hình 1.17.
Ph ơng pháp truy nhập Token Ring
Hình 1.18
. Ph ơng pháp truy nhập Token bus

Unit 1

Unit 2

Unit 3

Unit 4

Unit 5

Unit 7

Unit 6

Unit 8

Chổồng 1. Lyù thuyóỳt chung vóử maỷng truyóửn thọng trong cọng nghióỷp
Nguyóựn Kim Aẽnh & Nguyóựn Maỷnh Haỡ - Tổỷ õọỹng hoùa - BKN 18
+ Do độ trễ của sự lan truyền mà vẫn xảy ra tr ờng hợp lặp 2 hay nhiều
trạm cùng đ a thông tin lên đ ờng truyền (hình ) và khi phát các trạm
này vẫn phải cảm nhận xem có xảy ra xung đột không (Collision Detection)

+ Khi hai hay hiều trạm nhận cùng đ a thông tin lên đ ờng truyền (tức
xung đột xảy ra) thì các trạm này đều phải huỷ bỏ bản tin gửi của mình
(hình )








+ Chờ trong thời gian ngẫu nhiên các trạm này sẽ gửi lại thông báo








Thực tế việc phát hiện xung đột đ ợc thực hiện bằng cách so sánh tín
hiệu phát và tín hiệu phản hồi. Trong tr ờng hợp có xung đột thì các trạm
này lập tức không phát nữa, và các trạm nhận thì không nhận đ ợc byte kết
thúc của khung truyền nên coi nh thông báo này bị huỷ bỏ.
n1

n2

n3

n4

Hình 1.19.
Nhiều trạm nhận cùng gửi thông tin lên đ ờng truyền
n1

n2

n3

n4

Hì
nh 1.20.
Các thông báo gửi bị huỷ bỏ
n1

n2

n3
n4

Hình 1.21
. Trạm n1 gửi thông báo

Chổồng 1. Lyù thuyóỳt chung vóử maỷng truyóửn thọng trong cọng nghióỷp
Nguyóựn Kim Aẽnh & Nguyóựn Maỷnh Haỡ - Tổỷ õọỹng hoùa - BKN 19
Ưu điểm của ph ơng pháp này là đơn giản và linh hoạt nh ng 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)
Ph ơng pháp này cũng giống ph ơng pháp CSMA/ CD, nh ng chúng
sử dụng ph ơng 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:

















Ph ơng pháp này ra đời đã cải thiện đ ợc tính năng thời gian thực mà
ph ơng 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 đ ờng truyền
n1

n2

n3

a. n1 và n3 cùng phát

A

B

C

X

n1

n2

n3

b. n1 liên tục phát và n3 dừng phát

A

B

C

Hình 1.22.
Nguyên lí hoạt động của CDMA/CA
Chổồng 1. Lyù thuyóỳt chung vóử maỷng truyóửn thọng trong cọng nghióỷp
Nguyóựn Kim Aẽnh & Nguyóựn Maỷnh Haỡ - Tổỷ õọỹng hoùa - BKN 20
- 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 đ ờng 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
đ ợc dữ liệu trong khoảng thời gian định tr ớc và bộ nhận không thể
nhận đ ợc các bản tin tr ớc đó.

2.5.2.Giao thức công nghiệp
ã 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 x ởng 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 tr ờng công nghiệp
có rất nhiều nhiễu điện từ, cần thiết phải truyền số liệu sao cho không có
lỗi, giao thức đ ợc chọn phải có khả năng kiểm soát lỗi hiệu quả chẳng
hạn nh ph ơng 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 ) đ ợc 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 tr ờng nối tiếp nhau là gần nh đồng thời.
Một số các giao thức công nghiệp điển hình nh : ASCII, Modbus, Can sẽ
đ ợc xét trong phần mạng của Simatic-net

Chổồng 2. Caùc bus tióu bióứu cuớa hóỷ thọỳng maỷng SIMATICNET
Nguyóựn Kim Aẽnh & Nguyóựn Maỷnh Haỡ - Tổỷ õọỹng hoùa - BKN 21
Ch"ơng 2
CC BUS TIấU BIU CA H THNG MNG SIMATICNET

1. Tổng quan chung về mạng Simatic
Trong mạng Simatic, đã đ a các giải pháp cho mạng truyền thông công
nghiệp nh : Profibus, Ethernet, AS-i nhằm kết nối các thiết bị tr ờng 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 ph ơng pháp tích hợp mà có thể đ a ra các lựa chọn phần
cứng cũng nh phần mềm t ơng ứng.
Ch ơng này trình bày về các giao thức chính đ ợc dùng trong Simatic,
phần thiết bị phần cứng và ph ơng pháp ghép nối đ ợc trình bày trong
ch ơng 5
Hình sau là cấu trúc phân tầng 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
tr ờng dùng cho giao tiếp giữa các thiết bị ở cấp hiện tr ờng 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
AS
-
i

Profibus

Ethernet

(Ethernet, IEEE 802.3)
Hình 2.0.
Phân tầng các mạng điển hình trong Simatic -net
Chổồng 2. Caùc bus tióu bióứu cuớa hóỷ thọỳng maỷng SIMATICNET
Nguyóựn Kim Aẽnh & Nguyóựn Maỷnh Haỡ - Tổỷ õọỹng hoùa - BKN 22
2.1. Kiến trúc giao thức
Giao thức trong AS-i phản hoạt động của các bộ điều khiển với các
thiết bị tr ờng. Để nâng cao hiêu suất và đơn giản hoá trong xử lí, toàn bộ

việc xử lí giao thức đ ợc thực hiện ở lớp 1 trong mô hình OSI.
Ph ơng pháp truy cấp Bus là Master/Slave
2.2. Cấu trúc mạng, cáp truyền và cơ chế giao tiếp
Cấu trúc mạng trong AS-i là dạng Bus hoặc hình sao, đặc tr ng của AS-
i là không sử dụng trở đầu cuối.
Chiều dài tổng cộng tối đa là 100m, tất nhiên nếu muốn dùng với
khoảng cách lớn hơn phải sử dụng bộ lặp. Số l ợng 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 đ ợc 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
đ ợc 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
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
Nguyóựn Kim Aẽnh & Nguyóựn Maỷnh Haỡ - Tổỷ õọỹng hoùa - BKN 23

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
ý nghĩa các bít trong khung đ ợc trình bày trên hình sau:
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

Bảng 2.1. ý nghĩa của các bít trong khung trả lời

3. Profibus (Process Field Bus)
Là hệ thống Bus tr ờng đ ợc 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 t ơng thích Profibus, một tổ chức ng ời sử dụng đã đ ợc
thành lập mang tên Profibus International với hơn 1000 thành viên.
Ngày nay Profibus là hệ thống Bus tr ờng 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 đ ợc coi là giải pháp chuẩn, tin cậy trong nhiều ứng
dụng đặc biệt là trong các ứng dụng có yêu cầu cao về tính năng thời gian
thực.
Hệ thống Bus này đ ợc ứng dụng để kết nối các thiết bị tr ờng 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 đ ờng Bus.
Các trạm chủ (th ờng là các PC, PLC) đ ợc quyền kiểm soát truyền
thông trên Bus, các trạm tớ (th ờng là các Module vào/ra phân tán, các thiết
bị đo thông minh ) không đ ợc phép truy nhập Bus, mà chỉ đ ợc xác nhận
hoặc trả lời các yêu cầu từ trạm chủ.
Chổồng 2. Caùc bus tióu bióứu cuớa hóỷ thọỳng maỷng SIMATICNET
Nguyóựn Kim Aẽnh & Nguyóựn Maỷnh Haỡ - Tổỷ õọỹng hoùa - BKN 24
Profibus gồm 3 loại t ơng thích với nhau: Profibus FMS, Profibus
DP và Profibus PA. Profibus FMS đ ợc dùng chủ yếu trong việc
nối mạng các máy tính điều khiển và cấp điều khiển giám sát. Profibuss
DP đ ợc dùng để kết nối các thiết bị tr ờng với các máy tính điều khiển,
còn Profibus PA đ ợc sử dụng trong các lĩnh vực tự động hoá các quá
trình có môi tr ờng dễ cháy nổ.

3.1. Cấu trúc giao thức Profibus


Profibus - FMS Profibus - DP

Profibus- PA

Lớp 7 Fieldbus Message Specification


Lớp 3 6
Lớp 2 Fieldbus Data Link (FDL)
Lớp 1 RS-48S/ Cáp quang IEC 1158-2

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 t ợng 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.
- Lớp vật lý quy định về kỹ thuật truyền dẫn tín hiệu, môi tr ờng
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 th ờng tring khoảng 9.6 500Kb/s và số l ợng trạm tối đa là
127, nó sử dụng ph ơng pháp mã hoá NRZ.
Quan hệ giữa tốc độ truyền và chiều dài dây dẫn thể hiện trên bảng sau:
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

Chổồng 2. Caùc bus tióu bióứu cuớa hóỷ thọỳng maỷng SIMATICNET
Nguyóựn Kim Aẽnh & Nguyóựn Maỷnh Haỡ - Tổỷ õọỹng hoùa - BKN 25
3.2. Truy cập Bus và các dịch vụ truyền số liệu.

Hai ph ơng pháp truy nhập bus có thể đ ợc 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 đ ợc 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.
















+ 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)
- SDA (Send Data with Acknowledge)
- SRD (Send and Request Data with Reply)
- CSRD (Cyclic Send and Request Data with Reply)
Dịch vụ SDN chủ yếu dùng trong gửi đông floạt (broadcast) hoặc gửi
tới nhiều đích (multi cast).
Dịch vụ SDA và SRD là những dịch vụ trao đổi dữ liệu yêu cầu có sự

trả lời. Do tính chất không tuần hoàn của 2 dịch vụ này, để thực hiện mỗi
cuộc trao đổi dữ liệu đều phải có yêu cầu từ lớp trên xuống lớp 2, thời gian
xử lý giao thức tăng nên xuất hiệu suất truyền thông giảm. Nên 2 dịch vụ
này đ ợc ứng dụng trong truyền số liệu bình th ờng.
Dịch vụ CSRD là dịch vụ trao đổi dữ liệu tuần hoàn với mục đích hỗ trợ
việc trao đổi dữ liệu quá trình ở cấp chấp hành, giữa các thiết bị cảm biến,
Controller

PC

PC

Controller

M

Drive

Sensor

Sensor

Actuator

M

Drive

V

Transmiter

M

Drive

Sensor

Hình 2.4.
Cấu trúc điển hình về hệ thống mạng Profibus