Tài liệu Chương 1: Lý thuyết chung về mạng truyền thông trong công nghiệp doc

Chỉång 1. L thuút chung vãư mảng truưn thäng trong cọng nghióỷp

chương 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 đà 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 được hoàn toàn các hệ thống trun cị nh­: 0-20mA, 0-10V...
- Cho phÐp lµm viƯc víi 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 như không có giới hạn.
- Giá thành thấp.
- Lượng 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 trưng, cũng như chức năng nhiệm vụ của
của từng cấp.

Nguyóựn Kim Aẽnh & Nguyóựn Mảnh H - Tỉû âäüng họa - BKÂN

1

Chỉång 1. L thuút chung vãư mảng truưn thäng trong cäng nghiãûp

Qu¶n lÝ
kinh tÕ

PC

PC

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

Qu¶n lÝ kỹ
thuật

PC

PC

PC

Ethernet
Điều khiển
và giám sát

Hiện điều
khiển

HIS

HIS

EWS

System bus

FCS

FCS

FCS

FCS

Fieldbus
Hiện trường
S

A

S

S

A

Hình 1.1 Mô hình phân cấp các hệ thống mạng trong công nghiệp

Cấp hiện trường:
Đây là cấp nằm tại hiện trường 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 được nối mạng trực tiếp hoặc thông qua đường Bus để
nối với cấp trên (cấp ®iỊu khiĨn).
HƯ thèng Bus dïng ®Ĩ kÕt nèi c¸c thiÕt bị ở cấp hiện trường với cấp điều
khiển gọi là Bus tr­êng (fieldbus), trong thùc tÕ hƯ thèng Bus nµy đòi hỏi
cần có đáp ứng thời gian thực trong các cuộc trao đổi thông tin, một đặc
trưng của các cuộc trao đổi tin trong cấp trường là các bản tin thường có
chiều dài không lớn
Các sensor và cơ cấu chấp hành được nối trên đường Bus có thể là các thiết
bị thông minh hoặc cũng có thể là các thiết bị thông thường có xử dụng
thêm các bộ chuyển đổi giao thức tương thích.
Điển hình của Bus trường là: Profibus-DP, Profibus-PA, Can, Foundation
Fielbus, DeviceNet.

Nguùn Kim Ạnh & Nguùn Mảnh H - Tỉû âäüng họa - BKÂN

2


Chỉång 1. L thuút chung vãư mảng truưn thäng trong cọng nghióỷp

Cấp điều khiển:
Cấp này bao gồm các trạm điều khiển hiện trường (FCS), các bộ điều khiển
logic lập trình (PLC), các thiết bị quan sát .. . Chức năng thu thập các tín

hiệu từ hiện trường, thực hiện điều khiển cơ sở, điều khiển logic, tổng hợp
dữ liệu ...
Các thiết bị ở cấp này được 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 trường
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 người 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 ưu...
Việc kết nối các thiết bị ở cấp này với các thiết bị ở cấp trên (cấp quản lí kỹ
thuật) được 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 như 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 như hoạch định chiến lược
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) ®· ®­a ra 1 kiÕn tróc giao thøc víi chuẩn ISO 7498 được
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 & Nguùn Mảnh H - Tỉû âäüng họa - BKÂN

3


Chỉång 1. L thuút chung vãư mảng truưn thäng trong cọng nghióỷp

- Chuẩn này không đưa 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 như làm cơ sở cho phát triển
hệ thống.
A Protocol

Lớp ứng dơng

Líp øng dơng

Líp biĨu diƠn d÷ liƯu

Líp biĨu diƠn d÷ liƯu

Líp kiĨm so¸t nèi

Líp kiĨm so¸t nèi

Líp vËn chun

Líp vËn chuyển

Lớp mạng

N

Lớp mạng

Lớp liên kết dữ liệu

D

Lớp liên kết dữ liệu

Lớp vật lí

P

Lớp vật lí

Môi trường truyền dẫn
Hình 1.2. Cấu trúc mô hình tham chiếu OSI

Immediate data
Communication
network

à Lớp vật lý (Physical Layer)
Lớp này được định nghĩa là sự kết nối vật lý giữa PC và mạng như sau:
- Theo cấu trúc mạng
- Theo các chuẩn truyền dẫn: áp hoặc dòng
- Theo phương thức mà hoá tín hiệu
- Theo giao diện cơ học (cáp hoặc giắc cắm)
à Lớp liên kết dữ liệu (Data Link Layer)
Lớp này được định nghĩa như 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 được gọi là lớp phần cứng, trong mạng cục bộ lớp này được
chia làm 2 lớp con: lớp điều khiĨn truy nhËp m«i tr­êng ( MAC – Media
Access Control) và lớp điều khiển liên kết logic (LLC Logical Link
Control). Trong mét sè hƯ thèng líp nµy cã thĨ đảm nhiệm thêm chức năng
như kiểm soát lưu thông và đồng bộ hoá việc chuyển giao các khung dữ
liệu.
Nguyóựn Kim Ạnh & Nguùn Mảnh H - Tỉû âäüng họa - BKÂN

4


Chỉång 1. L thuút chung vãư mảng truưn thäng trong cọng nghióỷp

à Lớp mạng (Network Layer)
Lớp này được định nghĩa như sau:
- Truyền thông tin tối ưu trên mạng.
- Điều khiển các thông điệp trạng thái để gửi chúng tới các thiết bị khác
trong mạng.
à Lớp vận chuyển (Transport Layer)
Lớp này được định nghĩa như 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.
à Lớp kiểm soát nối (Session Layer)
Chức năng của lớp này là kiểm soát mối liên kết truyền thông giữa các
chương trình ứng dụng, bao gồm việc tạo lập, quản lí và kết thúc các đường
nối giữa các ứng dụng của đối tác.
à 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 thĨ
giao tiÕp víi nhau.
· Líp øng dơng (Application Layer)
Cã chøc năng cung cấp các dịch vụ cao cấp (dựa trên cơ sở các giao thức
cao cấp) cho người sử dụng và các chương trình ứng dụng. Các dịch vụ ở
lớp này chủ yếu được thực hiện bằng phần mềm.
2.2. Cấu trúc mạng (Topology)
Trước 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 được liên kết với
nhau qua một môi trường vật lý. Liên kết logic vó thể hiểu như sau: Đối tác
truyền thông không nhất thiết phải là một thiết bị phần cứng mà có thể là
một chương trình hệ thống hay một chương trình ứng dụng trên một trạm
nên quan hệ giữa các đối tác này chỉ có tính logic. Tương ứng với một đối
tác vật lý thường có nhiều đối tác logic và tất nhiên nhiều mối liên kết logic
được xây dựng trên cơ sở một mối liên lết vật lý.
Các loại liên kết:
Nguyóựn Kim Ạnh & Nguùn Mảnh H - Tỉû âäüng họa - BKÂN

5


Chỉång 1. L thuút chung vãư mảng truưn thäng 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 được nối với nhau bởi một đường truyền.
Để thực hiện một mạng truyền tin dựa trên liên kết này sẽ là tập hợp của
nhiều đường dây độc lập.
- Liên kết điểm nhiều điểm (multi drop): Nhiều trạm được nối
chung với một trạm chủ (master). Như vậy các đối tác sẽ được nối chung
vào một đường dây
- Liên kết nhiều điểm nhiều điểm (multi point): nhiều đối tác tham
gia và thông tin được trao đổi theo nhiều hướng. Cũng tương tự liên kết
điểm nhiều điểm với liên kết này các đối tác cũng được nối trên cùng
một đường 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
nhưng cũng hiểu là cách sắp xếp logic của các nút mạng.
Các loại cấu trúc mạng:
+ Topology đầy đủ:
A
B
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 hưởng tới các đối tác còn lại nhưng 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 h×nh sao
Nguùn Kim Ạnh & Nguùn Mảnh H - Tỉû âäüng hoïa - BKÂN

6


Chỉång 1. L thuút chung vãư mảng truưn thäng 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 được nối với nhau tạo thành mạch vòng
khép kín, tín hiệu được truyền đi theo chiều cố định. ưu điểm của phương
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 được truyền đi theo một chiều.
+ Topology bus

Hình 1.6. Cấu trúc trunkline/drop-line

Hình 1.7. Cấu trúc daisy-chain

Trong cấu trúc này các đối tác truyền thông được nối trên cung một
dây dẫn. Với cấu trúc daisy-chain các đối tác được nối trực tiếp vào đường
truyền. Còn cấu trúc trunk-line/drop-line thì có các dây phụ để nối các đối
tác vào đường Bus chung. ưu điểm của phương pháp này là đơn giản và tiết
kiệm d©y dÉn.
+ CÊu tróc c©y
Nguùn Kim Ạnh & Nguùn Mảnh H - Tỉû âäüng họa - BKÂN

7


Chỉång 1. L thuút chung vãư mảng truưn thäng 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 như
đường thẳng, sao, mạch vòng... Đây là cấu trúc thường gặp trong thực tế.
2.3. Môi trường truyền dẫn
2.3.1. Các đặc tính của môi trường truyền dẫn
Môi trường truyền dẫn là môi trường mà tín hiệu thông tin truyền qua
(thực chất đó là đường truyền). Môi trường truyền dẫn có ảnh hưởng
lớn tới tốc độ truyền dẫn, chất lượng đường truyền... Ta xét các đặc tính
sau:
à Dung lượng truyền của môi trường truyền dẫn được tính theo công thøc
sau:
Uk = Tk*Fk*Hk
ë ®ã: Tk - Thêi gian trong ®ã 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
Người ta còn gọi Uk là khả năng truyền của môi trường truyền dẫn
à Tốc độ truyền thông tin:
V=I/T
ở đó: I Lượng thông tin truyền
T Thời gian truyền lượng thông tin I
2.3.2. Các loại môi trường truyền dẫn
a) Đường hai dây hở.
Nguyóựn Kim Aẽnh & Nguyóựn Mảnh H - Tỉû âäüng họa - BKÂN

8


Chỉång 1. L thuút chung vãư mảng truưn thäng trong cọng nghióỷp

Là loại môi trường truyền dẫn đơn giản, hai dây dẫn được 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. Đường dây này
được ứng dụng trong truyền số liệu giữa các DTE và DCE.
Nhược 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 trường truyền dẫn này hạn chế về
tốc độ và chiều dài dây dẫn.
b) Cáp đôi dây xoắn
Đây là môi trường truyền dẫn có tính lịch sử trong truyền số liệu và
hiện này nó vẫn là môi trường truyền dẫn được dùng rất phổ biến. Nó được
phát minh cùng thời với điện thoại, và giá thì tương 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 được quấn cách
li ôm vào nhau do cấu trúc như thế mà trường 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 được cả hai dây thu nhận, không làm ảnh hưởng lên tín hiệu
vi sai. Chính vì vậy mà nhiễu ra môi trường xung quanh và nhiễu xuyên âm
giảm thiểu đáng kể.

Hình 1.9. Cấu tạo của cáp đôi dây xoắn

Đường dây xoắn đôi thích hợp với thiết bị điều khiển đường dây và
mạch thu riêng, sử dụng tốc độ bit dưới 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 thường là 64Kb/s và 96Kb/s
Tuy vậy cáp đôi dây xoắn có nhược điểm là chịu ảnh hưởng của nhiễu
kí sinh và hiện tượng 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 vƯ gi¶m ¶nh h­ëng cđa tÝn hiƯu giao
thoa.
Nguùn Kim Ạnh & Nguùn Mảnh H - Tỉû âäüng họa - BKÂN

9


Chỉång 1. L thuút chung vãư mảng truưn thäng 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
trường 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 thường được 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 được 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 đường truyền được 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 đường truyền. Chúng được minh hoạ trên hình 3.10.

Nguyóựn Kim Aẽnh & Nguyóựn Mảnh H - Tỉû âäüng họa - BKÂN

10


Chỉång 1. L thuút chung vãư mảng truưn thäng trong cọng nghióỷp

BaseBand

BroadBand

Hình 1.11. Minh hoạ dải cơ sở và dải rộng
- Phương thức truyền dải cơ sở có thể truyền được cả tín hiệu tương 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 trường hợp điều chế dải rộng thì

kém nhạy cảm hơn, hệ số chống nhiễu từ 80dB đến 100dB.
d) Sợi quang
Đây là môi trường truyền dẫn đang được xử dụng rộng rÃi trong công
nghiệp bởi các ưu điểm sau:
- Dung lượng truyền lớn
- Tính bảo mật tín hiệu khi truyền cao
- Trọng lượng 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 tr­êng oxi ho¸
Chóng ta h·y xÐt mét sè c¸c vÊn đề lí thuyết trước khi xem xét sợi quang
+ Bản chất và các đặc trưng của sóng ánh sáng
*. Bản chất sóng ánh sáng
- ánh sáng cường độ lớn không phải bao gồm những lượng tử năng lượng
lớn mà gồm rất nhiều lượng 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
3.108m/s trong chân không

Nguyóựn Kim Aẽnh & Nguyóựn Maỷnh Haỡ - Tổỷ âäüng hoïa - BKÂN

11


Chỉång 1. L thuút chung vãư mảng truưn thäng trong cọng nghióỷp

- Khi nghiên cứu các phần tử thu quang người ta xử dụng các đặc tính hạt
của nó. Khi nghiên cứu quá trình lan truyền của cáp quang trên sợi quang
người ta lại quan tâm đến tính chất sóng của nó.
*. Các đặc trưng cơ bản
+ Dải phổ bức xạ quang học. Đặc trưng cơ bản của các nguồn bức xạ điện

từ là dải phổ bức xạ quang học hay dải bước sóng tương ứng:
l=

c
f

( m)

&

f =

c
l

( Hz )

- 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 người 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 được 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 tượng giao thoa trong một thời gian dài và người ta gọi đó là đặc tính
không kết hợp của ánh sáng.
+ Nguyên lí truyền dẫn ánh sáng
n2
- Dựa vào hiện tượng phản xạ toàn phần
- Khi n1>n2 và at <= a
n1

+ Cấu tạo sợi quang
Cáp sợi quang gồm một sợi thuỷ tinh đơn cho mỗi tín hiệu được truyền,
nằm trong vỏ bọc ngăn ánh sáng bên ngoài. TÝn hiƯu ¸nh s¸ng sinh ra bëi
m¸y ph¸t quang. M¸y phát quang thực hiện sự chuyển đổi từ điện sang
quang. Tương tự, máy thu quang thực hiện chức năng ngược 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 & Nguùn Mảnh H - Tỉû âäüng họa - BKÂN

12


Chỉång 1. L thuút chung vãư mảng truưn thäng 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 nhưng chiết suất là đồng nhÊt. C¸c tia s¸ng do diode ph¸t ra víi gãc
nhá hơn góc tới hạn sẽ được 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 người ta chia sợi quang thành 2 loại: Sợi SM và
sợi MM
- Sợi SM (Single Mode): được hiểu là một trạng thái dao động điện từ
ứng với nghiệm cao của phương trình sóng. Số lượng các Mode có
quan hệ với sóng điện từ đơn thoả mÃn các phương trình Maxwell và
điều kiện bờ lấy từ sợi quang.
- Sợi MM (Multiple Modes): Được hiểu là có đồng thời nhiều Mode.
Sợi MM có đường kính dk lớn hơn sợi SM
Có thể hiểu Mode là các tia sáng thành phần.
Theo sự thay đổi của chiết suất mà người ta phân sợi quang thành một số
loại sau:
- Sợi SI-MM (Step Index Multiple Modes)
- Sỵi GI-MM (Granded Index – Multiple Modes)
- Sỵi SI-SM (Step Index Single Mode)
à 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

Nguùn Kim Ạnh & Nguùn Mảnh H - Tỉû âäüng hoïa - BKÂN

13


Chỉång 1. L thuút chung vãư mảng truưn thäng trong cọng nghióỷp

V(Mb/s)
100
Cáp quang

10

Cáp đồng trục

1
0.1
0.1

Cáp đôi dây xoắn

L(km)

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 trường hữu tuyến, số liệu còn có thể được truyền bằng cách
dùng sóng vô tuyến qua không gian như hệ thống vệ tinh. Số liệu được điều
chế bởi một chùm sóng cực ngắn hình nón, phát từ mặt đất lên vệ tinh.
Chùm tia này được thu và truyền đến đích đà định bằng cách dùng 1

antenna định hướng và bộ chuyển tiếp. Một vệ tinh đơn có nhiều bộ chuyển
tiếp như 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 thường là vệ tinh địa tĩnh. Người 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 thường sử dụng
hệ thống nhiều trạm thu phát, tổ chức thành mạng.
Nguyóựn Kim Aẽnh & Nguyóựn Maỷnh Haỡ - Tỉû âäüng họa - BKÂN

14


Chỉång 1. L thuút chung vãư mảng truưn thäng trong cọng nghióỷp

f) Sóng cực ngắn trên mặt đất (viba)
Đường truyền sóng cực ngắn được sử dụng rộng rÃi khi việc xây dựng
một môi trường 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 người va ®iỊu kiƯn thêi tiÕt cã h¹i. Cịng nh­ vƯ tinh,
chïm 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 được 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) được 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 được vùng phủ sóng lớn hơn bằng
cách sắp xếp nhiều trạm gốc theo cÊu tróc tÕ bµo. Thùc tÕ, kÝch th­íc tÕ bµo
thay đổi và được xác định bởi các yếu tố như mật độ đầu cuối và địa thế địa
phương.
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 được kết nối đến mạng
cố định. Thông thường, tốc dộ truyền số liệu giữa các máy tính trong một tế
bào là 10Kbps.
2.4. Các phương pháp truy nhập đường 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 được gửi thông tin đi,
rõ ràng cần thiết phải có phương pháp thích hợp để phân chia thời gian gửi
dữ liệu trên đường truyền.
Việc truy nhập đường 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.
Nguùn Kim Ạnh & Nguùn Mảnh H - Tỉû âäüng họa - BKÂN

15

Chỉång 1. L thuút chung vãư mảng truưn thäng trong cọng nghióỷp

Người ta đưa ra các phương pháp truy nhập đường truyền như sau:
2.4.1.Phương pháp truy cập Master/ Slave
Với phương pháp truy nhập này, trạm chủ sẽ được quyền phân chia thời
gian truy cập đường 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 phương pháp này là cấu trúc mạng đơn giản, nhưng 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 đà khiến cho hiệu suất đường truyền trong
phương pháp này là không cao.
2.4.2. Phương pháp truy cập Token Passing
CÊu tróc cđa mét token nh­ sau:
Start
1 byte

Access

control
1 byte

End delimiter
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 được sử dụng như thẻ bài có thể tác dụng trao quyền gửi
thông tin khi một trạm nào đó có được thẻ bào này. Việc gửi thẻ bài được
thực hiện theo 1 chu trình định sẵn. Đối với các mạng có cấu trúc khép kín
người ta đưa ra khái niệm Token rinh. Sơ đồ như sau:
Nguyóựn Kim Ạnh & Nguùn Mảnh H - Tỉû âäüng họa - BKÂN

16


Chỉång 1. L thuút chung vãư mảng truưn thäng trong cọng nghióỷp

: Môi
trường vật
lý
: Đường đi
của Token

Unit 1

Unit 2

Unit 8

Unit 3: bị lỗi

Unit 3

Unit 7

Unit 4

Unit 6

Unit 5

Hình 1.17. Phương ph¸p truy nhËp Token Ring

Unit 1

Unit 8

Unit 2

Unit 7

Unit 3

Unit 6

Unit 4

Unit 5

Hình 1.18. Phương 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 được 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 suèt.
2.4.3. CDMA/ CD(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)
Trong ph­¬ng pháp này, các trạm đều được truy nhập bus mà không có
1 sự kiểm soát nào. Nguyên tắc hoạt động được mô tả như sau:
+ Mỗi trạm đều cảm nhận đường truyền (carier sense), chỉ khi đường truyền
rỗi thì mới được truyền thông tin trên đó.

Nguyóựn Kim Aẽnh & Nguyóựn Mảnh H - Tỉû âäüng họa - BKÂN

17


Chỉång 1. L thuút chung vãư mảng truưn thäng trong cọng nghióỷp

+ Do độ trễ của sự lan truyền mà vẫn xảy ra trường hợp lặp 2 hay nhiều
trạm cùng đưa thông tin lên đường 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 đường truyền
+ Khi hai hay hiều trạm nhận cùng đưa thông tin lên đường 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 được thực hiện bằng cách so sánh tín
hiệu phát và tín hiệu phản hồi. Trong trường hợp có xung đột thì các trạm
này lập tức không phát nữa, và các trạm nhận thì không nhận được byte kết
thúc của khung truyền nên coi như thông báo này bị huỷ bỏ.

Nguyóựn Kim Ạnh & Nguùn Mảnh H - Tỉû âäüng họa - BKÂN

18


Chỉång 1. L thuút chung vãư mảng truưn thäng trong cọng nghióỷp

Ưu điểm của phương pháp này là đơn giản và linh hoạt nhưng 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)
Phương pháp này cũng giống phương pháp CSMA/ CD, nhưng chúng
sử dụng phương pháp mà hoá bit thích hợp để khi xảy ra xung đột 1 tín hiệu
này sẽ lấn át tÝn hiƯu kiĨm tra. VÝ dơ:
n1

n2

A

n3

C

B

X
a. n1 vµ n3 cïng phát
n1

A

n2

n3

C

B

b. n1 liên tục phát và n3 dừng phát
Hình 1.22. Nguyên lí hoạt động của CDMA/CA
Phương pháp này ra đời đà cải thiện được tính năng thời gian thực mà
phương 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 đường truyền
Nguyóựn Kim Aẽnh & Nguùn Mảnh H - Tỉû âäüng họa - BKÂN

19


Chỉång 1. L thuút chung vãư mảng truưn thäng 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 đường 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
được dữ liệu trong khoảng thời gian định trước và bộ nhận không thể
nhận được các bản tin trước đó.
2.5.2.Giao thức công nghiệp
à 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 xưởng 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 trường công nghiệp
có rất nhiều nhiễu điện từ, cần thiết phải truyền số liệu sao cho không có
lỗi, giao thức được chọn phải có khả năng kiểm soát lỗi hiệu quả chẳng
hạn như phương 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 ...) được 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 trường nối tiếp nhau là gần như đồng thời.
Một số các giao thức công nghiệp điển hình như: ASCII, Modbus, Can...sẽ
được xét trong phần mạng của Simatic-net

Nguyóựn Kim Aẽnh & Nguùn Mảnh H - Tỉû âäüng họa - BKÂN

20