Giáo trình mạng truyền thông công nghiệp

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN
TRƯỜNG CAO ĐẲNG CƠ ĐIỆN HÀ NỘI
******************

GIÁO TRÌNH
MẠNG TRUYỀN THƠNG
CƠNG NGHIỆP
( Lưu hành nội bộ )

Chủ biên : Th.S Nguyễn Xuân Nguyên
Th.S Lê Xuân Phong


Giáo trình Mạng truyền thơng cơng nghiệp

ch¬ng 1
Lý thut 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 đà tạo ra nhiều loại mạng tru
yền
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 c¸c hƯ thèng trun cị nh: 0-20mA, 0-10V...
- Cho phÐp làm việc với các sản phẩm của nhiều nhà sản xuất khác nha
u.
- Là hệ thống mở, đồng thời cho phép hiệu chỉnh điều khiển từ phò
ng 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 v
ụ của
của từng cấp.


1

Khoa Điện –Trường CĐN Cơ điện Hà nội

Giáo trình Mạng truyền thơng cơng nghiệp

Qu¶n lÝ
kinh tÕ

PC

Qu¶n lÝ kü

tht

PC - Personal Computer
HIS -Human Interface Station
FCS - Field Control Station
S - Sensor
A - Actuator

PC

Fast Ethernet
PC

PC

PC

Ethernet
HIS

Điều khiển
và giám sát

Hiện điều
khiển

HIS

EWS

System bus

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 gäi lµ Bus trêng (fieldbus), trong thùc tÕ hƯ thèng 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 cđa Bus trêng lµ: Profibus-DP, Profibus-PA, Can, Foundation
Fielbus, DeviceNet.

Khoa Điện –Trường CĐN Cơ điện Hà nội

2

Giáo trình Mạng truyền thơng cụng nghip

Cấp điều khiển:
Cấp này bao gồm các trạm điều khiển hiện trờng (FCS), các bộ điều kh
iển
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, tổn
g hợp
dữ liệu ...
Các thiết bị ở cấp này đợc kết nối với nhau và kết nối với các thiết bị ở c
ấp
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, m
ặt
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 c
ấp
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 l
í kỹ
thuật) đợc thực hiện thông qua mạng Ethernet, thực chất đây là một m
ạng
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 gia
n
thực là không cao, chức năng của các cấp này là quản lí tình trạng hoạ
t
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 Etherne
t,
TCP/IP
2. Cơ sở thực hiện mạng truyền thông trong công
nghiệp
2.1. Mô h×nh tham chiÕu OSI (Open Systems Interconnection)
- 1983 tỉ chøc tiêu chuẩn
hoá quốc tế ISO (International Stand
ards
Organization) đà 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 th
ống
truyền thông có khả năng giao tiÕp víi nhau.

3

Khoa Điện –Trường CĐN Cơ điện Hà nội

Giáo trỡnh Mng truyn thụng cụng nghip

-

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 hìn

h
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.
A Protocol
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

N
D
P


Lớp mạng
Lớp ứng dụng
Lớp biểu diễn dữ liệu

Lớp kiểm soát nối
Lớp liên kết dữ liệu
Lớp vận chuyển
Lớp vật lí

Môi trờng truyền dẫn
Hình 1.2. Cấu trúc mô hình tham chiếu O
SI

Immediate data
Communication

network

ã 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 mà hoá tín hiệu
- Theo giao diện cơ học (cáp hoặc giắc cắm)
ã 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 mét sè hÖ thèng 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.
Khoa in Trng CN C in H ni

4

Giỏo trỡnh Mng truyn thụng cụng nghip

ã 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 khá
c
trong mạng.

ã 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.


ã 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.
ã Lớp biểu diễn dữ liệu (Presentation Layer)
Chức năng của lớp này là chuyển đổi các dạng biểu diễn dữ liệu khác n
hau
về cú pháp thành dạng chuẩn, để các đối tác truyền thông khác nhau c
ó 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 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 thôn
g.
Với liên kết vật lý các đối tác là các trạm truyền thông đợc liên kết với
nhau qua một môi trêng vËt lý. Liªn kÕt logic vã thĨ hiĨu nh sau: Đối tác

truyền thông không nhất thiết phải là một thiết bị phần cứng mà có th
ể là
một chơng trình hệ thống hay một chơng trình ứng dụng trên một trạ
m
nên quan hệ giữa các đối tác này chỉ có tính logic. Tơng ứng với một đ
ối
tác vật lý thờng có nhiều đối tác logic và tất nhiên nhiều mối liên kết log
ic
đợc xây dựng trên cơ sở một mối liên lết vật lý.
Các loại liên kết:
Khoa in Trng CN Cơ điện Hà nội

5

Giáo trình Mạng truyền thơng cơng nghiệp

- 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 mét ®êng trun.


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:
B
+ Topology đầy đủ: A

E
C

D

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
Khoa in Trng CĐN Cơ điện Hà nội

Giáo trình Mạng truyền thơng cơng nghiệp

6


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.
B
+ Topology vòng lặp
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 tí
n
hiêụ chỉ đợc truyền đi theo mét chiỊu.
+ Topology bus

H×nh 1.6. CÊu tróc trunkline/drop-line

H×nh 1.7. CÊu 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 tiế
t
kiệm dây dẫn.


+ CÊu tróc c©y
7

Khoa Điện –Trường CĐN Cơ điện Hà nội

Giáo trình Mạng truyền thơng cơng nghiệp

Bé nèi

Bé lỈp

Bé nèi 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:

ã Dung lợng truyền của môi trờng truyền dẫn đợc tính theo công thức
sau:
Uk = Tk*Fk*Hk
ở đó: Tk - Thời gian trong đó có mặt tín hiệu truyền đi
Fk Khoảng tần số làm việc của kênh
Hk - Đặc tính chỉ rõ sự tăng công suất tín hiệu Pth so với công
suất nhiễu Pnh trong kênh
Ngời ta còn gọi Uk là khả năng truyền của môi trờng truyền dẫn
ã 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.
Khoa in Trng CN C in H ni

8

Giỏo trỡnh Mng truyn thụng cụng nghip

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 b

ức
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 sư trong trun sè liƯu vµ
hiƯn nµy nã vÉn lµ 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 c
ặp
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 trun
g
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 hi
ệu
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 nhiễ
u
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 tro
ng
nhiều ứng dụng truyền số liệu; cáp xoắn đôi bọc kim (STP Shiel
ded
Twisted Pair), có một màn chắn để bảo vệ giảm ảnh hởng của tín hiệu
giao
thoa.
Khoa Điện –Trường CĐN Cơ điện Hà nội

9

Giáo trình Mạng truyền thụng cụng nghip

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 mô
i

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 h×nh 3.10.

10

Khoa Điện –Trường CĐN Cơ điện Hà nội

Giáo trình Mng truyn thụng cụng nghip

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 t
ự
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 thÊp,
hƯ
sè chèng nhiƠu tõ 50dB ®Õn 60 dB. Trong trêng hợp điều chế dải rộng t
hì
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 côn
g
nghiệp bởi các u điểm sau:
- Dung lợng truyền lín
- TÝnh b¶o mËt tÝn hiƯu khi trun cao
- Träng 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 c
ả
tính chất sóng và tính chất hạt. Tốc độ lan truyền của sóng ánh s
áng là
3.108m/s trong chân không

Khoa in Trng CN C điện Hà nội

11

Giáo trình Mạng truyền thơng cơng nghiệp

- 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 sãng t¬ng øng:
λ=

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
n2
- Dựa vào hiện tợng phản xạ toàn phần
- Khi n1>n2 và t <=

n1

+ 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 san
g
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.
Khoa in Trng CĐN Cơ điện Hà nội

Giáo trình Mạng truyền thơng cơng nghiệp

n1

n2

12


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 kh

ác
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 diƯn lâi – vá vµ lan
trun däc theo lâi 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 tí
n
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 kiƯn bê lÊy tõ sỵi quang.
- Sỵi MM (Multiple Modes): Đợc hiểu là có đồng thời nhiều Mode.
Sợi MM có đờng kính dk 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:
- Sỵi SI-MM (Step Index – Multiple Modes)
- Sỵi GI-MM (Granded Index – Multiple Modes)
- Sỵi SI-SM (Step Index – Single Mode)
ã Đồ thị sau chỉ ra sự liên hệ giữa tốc độ truyền và khoảng cách truyề
n của
cáp đôi dây xoắn, cáp đồng trục và cáp quang

Khoa in Trng CĐN Cơ điện Hà nội

Giáo trình Mạng truyền thơng cơng nghiệp

13


V(Mb/s)
100

Cáp quang
10
Cáp đồng trục
1
0.1
0.1

L(km)

Cáp đôi dây xoắn
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 tin
h.
Chùm tia này đợc thu và truyền đến đích đà 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.
Khoa in Trng CN C in H ni

14


Giáo trình Mạng truyền thơng cơng nghiệp

f) Sãng cùc ng¾n 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 s
ông
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. Cịng nh vƯ tin
h,
chïm tia sãng cùc ng¾n trun qua không gian nên không hiệu quả. Tru
yền
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 địn
h
qua một khoảng cách vừa phải bằng cách dùng máy phát và thu ở mặt đ
ất.
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 bằn
g
cách sắp xếp nhiều trạm gốc theo cÊu tróc tÕ bµo. Thùc tÕ, kÝch thíc tÕ
bµo
thay đổi và đợc xác định bởi các yếu tố nh mật độ đầu cuối và địa t
hế 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 lạ
i
dải tần của các vùng khác trong mạng. Các trạm gốc đợc kết nối đến mạn
g
cố định. Thông thờng, tốc dộ truyền số liệu giữa các máy tính trong m
ột 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 s
ự
điều khiển để sao cho ở mỗi thời diểm chỉ có đối tác đợc gửi thông ti
n 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 thùc
- HiƯu st sư dơng ®êng trun.
Khoa Điện –Trường CĐN Cơ điện Hà nội

15

Giáo trình Mạng truyền thơng cơng nghip

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 chđ ®· khiÕn cho hiƯu st ®êng trun trong


phơng pháp này là không cao.
2.4.2. Phơng pháp truy cập Token Passing
CÊu tróc cđa mét token nh sau:
Access
control End delimiter
Start
1 byte 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 ®å nh sau:
Khoa Điện –Trường CĐN Cơ điện Hà nội

16

Giáo trỡnh Mng truyn thụng cụng nghip

: Môi

trờng vật
lý
: Đờng đi
của Token

Unit 1

Unit 8

Unit 2

Unit 3

Unit 7

Unit 6

Unit 4

Unit 5

Unit 3: bị lỗi

Hình 1.17. Phơng pháp truy nhập Token Ring

Unit 1

Unit 8

Unit 2

Unit 3

Unit 4

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 r
a
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 tru
yền
rỗi thì mới đợc truyền thông tin trên đó.

Khoa in Trng CN C in Hà nội

17

Giáo trình Mạng truyền thơng cơng nghiệp

+ Do ®é 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 ®êng trun
+ Khi hai hay hiỊu tr¹m nhËn cïng ®a thông tin lên đờng truyền (tức
xung đột xảy ra) thì các trạm này đều phải huỷ bỏ bản tin gửi cđa m×nh
(h×nh...)
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.

Khoa in Trng CN C in H ni

18

Giỏo trỡnh Mng truyn thụng cụng nghip

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 gi
an
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 mà hoá bit thích hợp để khi xảy ra xung đột 1 tín hi
ệu
này sẽ lấn át tín hiệu kiểm tra. VÝ dô:
n1

A

n2

n3
C

X

B


a. n1 và n3 cùng phát
n1

n2

n3
C

A

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 đà 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 c
ác
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 đầ
u
truyền dữ liệu trên đờng truyÒn
Khoa Điện –Trường CĐN Cơ điện Hà nội

19


Giỏo trỡnh Mng truyn thụng cụng nghip

- Tạo khung và đồng bộ khung: Phần này định nghĩa thời điểm khởi đầ
u
và thời điểm kết thúc của khung để bên nhận có thể đồng bộ dữ liệu k
hi
nhận.
- Điều khiển luồng dữ liệu: để đảm bảo rằng với tốc độ này thì bên thu c
ó
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: ¸p dơng víi c¸c bé trun khi nã 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
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 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


Khoa Điện –Trường CĐN Cơ điện Hà nội

Giáo trình Mạng truyền thơng cơng nghiệp

Ch¬ng 2
CÁC BUS TIÊU BIỂU CỦA HỆ THỐNG MẠNG SIMATICNET

1. Tỉng quan chung vỊ m¹ng Simatic

Trong m¹ng Simatic, đà đa các giải pháp cho mạng truyền thông côn
gnghiệp nh: Profibus, Ethernet, AS-i... nhằm kết nối các thiết bị trờng vớ
icác thiết bị ở cấp điều khiển , các thiết bị ở cấp điều khiển giám sát
và cácthiết 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 t
rong
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