Giáo trình hệ thu thập dữ liệu điều khiển và truyền số liệu

LỜI NÓI ĐẦU
Để đáp ứng yêu cầu học tập và nghiên cứu của cán bộ, học sinh, sinh viên, thống
nhất nội dung chương trình, thống nhất giáo trình cho việc giảng dạy và học tập của giảng
viên, sinh viên, chúng tôi đã tiến hành biên soạn cuốn “Hệ thu thập dữ liệu điều khiển và
truyên số liệu”. Cuốn giáo trình này được biên soạn dựa trên đề cương chi tiết của môn
học Hệ thu thập dữ liệu điều khiển và truyền số liệu dành cho hệ Đại học và Cao đẳng
chun ngành Điện
Với mục đích biên soạn cuốn giáo trình này làm tài liệu học tập, giảng dạy nên khi
thực hiện chúng tơi cố gắng trình bày với tinh thần ngắn gọn, phù hợp với đối tượng sử
dụng. Trong phần phụ lục của giáo trình chúng tơi dành một thời lượng cho các ví dụ rất
dễ hiểu đối với những người mới tiếp cận với môn học. Tuy vậy, giáo trình cũng chỉ là một
phần trong nội dung của chuyên ngành đào tạo cho nên người dạy, người học cần tham
khảo thêm các giáo trình có liên quan đối với ngành học để việc sử dụng giáo trình có hiệu
quả cao hơn.
Nội dung cuốn giáo trình bao gồm 3chương:
Chương 1: Tổng quan về HTTDLĐK&TSL
Chương 2:Cơ sở truyền dữ liệu trong công nghiệp
Chương 3: Hệ thu thập dữ liệu điều khiển trong công nghiệp
Chúng tôi xin chân thành cảm ơn đến các đồng nghiệp Bộ môn ĐL&ĐK-Khoa
Điện-Đại Học Công Nghiệp Hà Nội đã động viên, góp ý, giúp đỡ chúng tơi hồn thiện
cuốn giáo trình này.
Mặc dù đã rất cố gắng nhưng giáo trình cũng khó tránh khỏi những thiếu sót. Rất
mong nhận được những ý kiến đóng góp từ các thầy, cô giáo, bạn đọc và đồng nghiệp để
lần xuất bản sau được tốt hơn. Mọi góp ý xin gửi về: Bộ môn ĐL&ĐK- Khoa Điện-Đại
Học Công Nghiệp Hà Nội hoặc
Hà nội, tháng 7 năm 2013
Các tác giả.

1

MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU

1 

MỤC LỤC

2 

Chương 1:

4 

TỔNG QUAN VỀ HỆ THU THẬP DỮ LIỆU ĐIỀU KHIỂN VÀ TRUYỀN SỐ LIỆU

4 

1.1 Các giải pháp điều khiển và hệ thu thập dữ liệu điều khiển ............................... 4 
1.1.1 Đặc trưng các lĩnh vực ứng dụng điều khiển ..................................................................4 
1.1.2 Các hệ thống điều khiển công nghiệp : ..........................................................................5 

1.2 Đặc trưng của mạng truyền thông công nghiệp ................................................ 11 
1.2.1 Khái quát chung về mạng truyền số liệu ...................................................................... 11 
1.2.2 Mạng truyền thơng cơng nghiệp ................................................................................... 16 

Tóm tắt nội dung chương 1 ..................................................................................... 21 
Câu hỏi và bài tập chương 1 .................................................................................... 21 
Chương2:

22 

CƠ SỞ TRUYỀN DỮ LIỆU TRONG CÔNG NGHIỆP

22 

2.1 Cơ sở kỹ thuật ................................................................................................... 22 
2.1.1 Chế độ truyền tải ......................................................................................................... 22 
2.1.2 Cấu trúc mạng ............................................................................................................... 26 
2.1.3 Giao thức ..................................................................................................................... 29 
2.1.4 Truy nhập bus ............................................................................................................... 35 
2.1.5 Bảo toàn dữ liệu ............................................................................................................ 42 
2.1.6 Mã hóa bit ..................................................................................................................... 45 
2.1.7 Phương thức truyền dẫn tín hiệu .................................................................................. 48 

2.2 Các thành phần trong mạng công nghiệp .......................................................... 55 
2.2.1 Phương tiện truyền dẫn ................................................................................................. 55 
2.2.2 Giao diện mạng............................................................................................................. 60 
2.2.3Thiết bị liên kết mạng .................................................................................................... 62 

2.3 Một số hệ thống bus tiêu biểu ........................................................................... 66 
2.3.1 Modbus ......................................................................................................................... 66 
2.3.2 Profibus......................................................................................................................... 72 

Tóm tắt nội dung chương 2 ..................................................................................... 79 
Câu hỏi và bài tập chương 2 .................................................................................... 79 
2


Chương 3:

81 

Hệ THU THẬP DỮ LIỆU VÀ ĐIỀU KHIỂN

81 

3.1 Cấu trúc cơ bản hệ thu thập dữ liệu điều khiển................................................ 81 
3.1.1 Cấu trúc cơ bản ............................................................................................................. 81 
3.1.2 Cấu trúc điều khiển ....................................................................................................... 82 

3.2 Các thành phần cơ bản của một hệ DCS ........................................................... 87 
3.2.1 Cấu trúc cơ bản ............................................................................................................ 87 
3.2.2 Phân loại .......................................................................................................................93 

3.3 Các vấn đề cơ bản khi xây đựng hệ thu thập dữ liệu điều khiển ...................... 97 
3.3.1 Các vấn đề kỹ thuật ...................................................................................................... 97 
3.3.2 Xử lý thời gian thực và xử lý phân tán ......................................................................... 98 
3.3.3 Công nghệ hướng tới đối tượng trong điều khiển phân tán ........................................ 106 

3.4 Chức năng xây dựng HMI trong hệ thu thập dữ liệu điều khiển .................... 113 
3.4.1: Các thành phần của HMI ........................................................................................... 113 
3.4.2 Các bước thiết kế HMI ............................................................................................... 114 

Tóm tắt nội dung chương 3 ................................................................................... 117 
Câu hỏi và bài tập chương 3 .................................................................................. 117 
TÀI LIỆU THAM KHẢO

118 

3

Chương 1:
TỔNG QUAN VỀ HỆ THU THẬP DỮ LIỆU ĐIỀU KHIỂN VÀ
TRUYỀN SỐ LIỆU
1.1 Các giải pháp điều khiển và hệ thu thập dữ liệu điều khiển
1.1.1 Đặc trưng các lĩnh vực ứng dụng điều khiển
Ngày nay trong các nhà máy, việc kiểm soát và vận hành liên tục quá trình sản xuất
đóng vai trị đặc biệt quan trọng. Để tạo ra một sản phẩm, nhà máy thường được phân
thành nhiều khâu chun mơn khác nhau, các khâu lại có mối quan hệ ràng buộc logic nhịp
nhàng trong mối quan hệ. Một vài lĩnh vực ứng dụng tiêu biểu đặc thù được tóm tắt dưới
đây:
¾ Điều khiển các thiết bị và máy móc đơn lẻ (cơng nghiệp và gia dụng): Các máy
móc, thiết bị được sản xuất hàng loạt
¾ Tự động hóa cơng nghiệp được chia ra hai lĩnh vực:
-

Cơng nghiệp chế biến, khai thác

-

Cơng nghiệp chế tạo, lắp ráp

¾ Điều khiển các hệ thống giao thơng, vận tải
¾ Điều khiển các hệ thống phân phối năng lượng (dầu khí, gas, điện)
¾ Tự động hóa tịa nhà
¾ Điều khiển và giám sát các hệ thống quốc phịng
¾ Điều khiển và giám sát các hệ thống thủy lợi, mơi trường
¾…
Khi xây dựng một giải pháp điều khiển ta phải quan tâm tới qui mô và đặc thù của lĩnh

vực ứng dụng. Ví dụ với lĩnh vực điều khiển các máy móc đơn lẽ: ta có thể xây dựng các
bài tốn điều khiển có thể rất khác nhau, từ điều khiển logic tới điều khiển phản hồi, điều
khiển chuyển động, điều khiển mờ,… Các giải pháp điều khiển tiêu biểu là điều khiển
nhúng (μP, μC), CNC, PLC,... Với công nghiệp chế biến, khai thác: Các bài toán điều
khiển tiêu biểu là điều khiển quá trình (process control), điều khiển trình tự (sequence
4


control), bên cạnh điều khiển logic. Các thiết bị được dùng phổ biến là PLC, DCS, (I)PC,
Compact Digital Controllers…Với công nghiệp chế tạo lắp ráp: Các bài toán điều khiển
tiêu biểu là điều khiển logic, điều khiển chuyển động, điều khiển sự kiện rời rạc. Các thiết
bị được dùng chủ yếu là PLC, CNC, PC, hiện nay các hệ DCS cũng tìm được một số ứng
dụng trong lĩnh vực này…
Chương trình học đặt trọng tâm vào các giải pháp điều khiển công nghiệp, chia làm hai
lĩnh vực ứng dụng cơ bản:
+ Cơng nghiệp chế biến, khai thác: dầu khí, hóa dầu, hóa mĩ phẩm, dược phẩm xi
măng, giấy…..
+ Cơng nghệ chế tạo, lắp rắp: công nghiệp ô tô, máy, công cụ, công nghiệp điện tử,
vi điện tử, thiết bị dân dụng…..
1.1.2 Các hệ thống điều khiển công nghiệp :
1.1.2.1 Khái quat chung về hệ thống điều khiển công nghiệp
Hệ thống điều khiển công nghiệp (ICS-Industrial control system) là một thuật ngữ
chung chỉ một số hệ thống điều khiển: hệ thống điều khiển giám sát và thu thâp dự liệu
(SCADA- supervisory control and data acquisition system); hệ thống điều khiển phân
(DCS- distributed control system); và một số hệ thống khác như hệ thống điều khiển trên
nền PLCs …hiện nay được ứng dụng rỗng rãi trong các lĩnh vực công nghiệp và các hạ
tầng quan trọng.

Hình 1.1:

Cấu trúc cơ bản của một hệ ICS

5


Các lĩnh vực công nghiệp như: điện, nước, xử lý nước thải, dầu và khí tự nhiên, hóa
chất, giao thơng vận tải, dược phẩm, giấy và bột giấy, thực phẩm và nước giải khát và các
hệ thống sản xuất riêng biệt ( ví dụ ơ tơ, hàng khơng….). Tất cả các lĩnh vực ứng dụng này
khơng những đóng vai trị quyết định cho sự phát triển hạ tầng mà còn liên quan lẫn nhau
phụ thuộc lẫn nhau. Trong giáo trình này sẽ cung cấp một cái nhìn tổng quan về hệ thống
điều công nghiệp cơ bản bao gồm các cấu trúc tiêu biểu và các thành phần. Các cấu trúc
mô tả đều có phần kết nối mạng. Tuy nhiên khi triển khai thực tế của các hệ ICS có thể
làm mờ đi ranh giới của các hệ như DCS và SCADA bằng cách kết hợp các thuộc tính của
cả hai.
SCADA có thể hiểu là một hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu nhằm hỗ trợ
con người trong quá trình giám sát và điều khiển từ xa. Nói một các khác, SCADA là hệ
thống hỗ trợ con người trong việc giám sát và điều khiển từ xa ở cấp cao hơn hệ điều khiển
tự động thông thường. Để có thể điều khiển và giám sát từ xa, một hệ SCADA phả có hệ
thống truy cập, truyền tải dữ liệu cũng như hệ giao diện người – máy (HMI- Human
Machine Interface). Như vậy SCADA có các chức năng chính là thu thập các thơng tin,
truyền chúng trở về trạm trung tâm, thực hiện các phân tích và điều khiển cần thiết và sau
đó hiển thị các thơng tin đó lên một số các màn hình điều khiển. Các lệnh điều khiển tác vụ
và thực thi sẽ cũng sẽ được truyền đến bộ phận điều khiển chấp hành tương ứng. Các hệ
thống SCADA được dùng để giám sát và điều khiển các nhà máy hoặc thiết bị trong công
nghiệp như hệ thống viễn thông, hệ thống năng lượng, giao thơng, dầu khí, cấp thốt, xử lý
nước… Một hệ thống SCADA thu thập các thơng tin (ví dụ vị trí của lỗ thủng trên đường
ống), truyền tải thông tin về trung tâm, sau đó cảnh báo trạm vận hành về sự cố lỗ thủng,
thực hiện các phân tích và điều khiển cần thiết, như là xác định xem lỗ thủng có nghiêm
trọng khơng, và hiển thị các thơng tin theo một cách logic và có tổ chức. Các hệ thống này
có thể khá đơn giản như là hệ thống giám sát các điều kiện mơi trường của một tịa nhà văn

phịng nhỏ, hoặc rất phức tạp, ví dụ như hệ thống giám sát tất cả các hoạt động của nhà
máy điện hạt nhân hoặc giám sát hoạt động của hệ thống nước thành phố. Trước đây, các
hệ thống SCADA sử dụng mạng chuyển mạch cơng cộng (PSN) cho mục đích giám sát.
Ngày nay, nhiều hệ thống được giám sát sử dụng hạ tầng mạng cục bộ LAN hoặc mạng
diện rộng WAN. Công nghệ truyền thông không dây hiện nay cũng đang được triển khai
rộng rãi cho mục đích giám sát.
6


DCS là viết tắt của Distributed Control System, hệ thống điều khiển phân tán. DCS là
một hệ thống điều khiển thường ứng dụng cho một hệ thống sản xuất, một quá trình hoặc
bất cứ một hệ thống động học nào, trong đó các bộ điều khiển khơng tập trung tại một nơi
(như bộ não) mà được phân tán trên toàn hệ thống với mỗi hệ thống con được điều khiển
bởi một hoặc nhiều bộ điều khiển. Toàn bộ hệ thống các bộ điều khiển được nối mạng với
nhau để có thể truyền thông và giám sát. Cấu trúc của hệ thống DCS tương tự với hệ thống
SCADA, cũng bao gồm các thiết bị giao diện dữ liệu trường, hệ thống truyền thông, các
máy chủ trung tâm và tập hợp các phần mềm. Tuy nhiên, các chức năng chính và các yêu
cầu đối với các phần cũng khác nhau. Trong hệ thống DCS, chức năng chính của các thiết
bị giao diện dữ liệu trường là các bộ điều khiển mà ở đó các thuật tốn điều khiển q trình
được thực thi. Thêm vào đó, hệ thống truyền thơng phải đảm bảo việc trao đổi dữ liệu giữa
các đơn vị điều khiển là theo thời gian thực.
Trong một vài lĩnh vực công nghiệp có sự lẫn lộn giữa hai khái niệm SCADA và DCS.
Nói chung, một hệ thống SCADA là một hệ thống phối hợp, chứ khơng điều khiển các q
trình theo thời gian thực. Khái niệm điều khiển thời gian thực là không rõ ràng do các công
nghệ truyền thông mới cho phép truyền thông tin cậy với tốc độ cao, độ trễ thấp trong một
khu vực rộng lớn. DCS hướng q trình cơng nghệ, trong khi SCADA là hướng thu thập
dữ liệu. DCS là điều khiển theo q trình cơng nghệ, trong khi SCADA là điếu khiển theo
sự kiện.
PLCs vẫn là một trong các bộ điều khiển được sử dụng rộng rãi nhất trong công nghiệp.
Không những PLCs là thành phần hệ thống điều khiển được sử dụng trong hệ SCADA và

DCS.
Với sự phát triển của lý thuyết và công nghệ thông tin, ngày nay các thành phần trong
các hệ thống các ICS như HMI (Human-Machine Interface), OPC (OLE for Process
Control) Server ….đều có xu hướng được cải thiện lại (đối với những thành phần đã tồn
tại) hoặc được thiết kế theo định hướng đối tượng và cụ thể hơn các hệ thống ICS sẽ được
thể hiện mình là hệ thống mở (open system) và thừa kế tất cả những ưu điểm của phân
tích, thiết kế và lập trình hướng đối tượng, hướng Component. Như vậy một hệ ICS sẽ
được cấu thành từ tập hợp các Component. Với cấu hình này, các hệ thống ICS sẽ thể hiện
mình là một hệ thống mở.
7


1.1.2.2 Chức năng cơ bản của hệ thống điều khiển công nghiệp
Cùng với sự phát triển của ngành công nghệ thông tin, tin học ứng dụng trong công
nghiệp đã và đang được phát triển mạnh mẽ cho ra đời hàng loạt các thiết bị điều khiển với
cấu hình ngày càng cao, phương pháp điều khiển mới. Bên cạch đó là sự phát triển như vũ
bão của công nghệ sản suất các thiết bị và các phương pháp đo, phương pháp đo lường, hệ
thống truyền dẫn thơng tin.. Do đó việc xây dựng một hệ thống điều khiển cơng nghiệp có
chức năng thu thập dữ liệu và điều khiển ( hệ thu thập dữ liệu & điều khiển ) ngày càng
đơn giản và hiệu quả. Hệ thu thập dữ liệu & điều khiển đang trở lên phổ biến với nhiều
dạng và khả năng thực hiện cơng việc, nó đa dạng về thiết kế và phong phú về chức năng.
Một hệ thu thập dữ liệu và điều khiển (DAQ&CS- Data Acquisition And Control ) là
hệ thống thông tin đo lường và điều khiển có nhiệm vụ đảm bảo cho q trình sản xuất
ln ổn định theo đúng u cầu cơng nghệ
Mục đích của bất kỳ hệ thu thập dữ liệu & điều khiển nào cũng để phục vụ cho quá trình
giám sát, đánh giá, hoặc điều khiển….Các thông số trong từng ứng dụng sẽ thể hiện các
yêu cầu về độ phân giải, độ chính xác, số lượng các kênh, số lượng các điểm đo và tốc độ
cho một hệ thu thập dữ liệu. Dữ liệu thu thập càng chính xác thì khi lựa chọn, thiết kế, hiệu
chỉnh thiết bị điều khiển càng dễ dàng và sẽ tối ưu được bài toán kinh tế.
Để đảm bảo nhiệm vụ trên thì hệ thu thập dữ liệu điều khiển phải thực hiện được các

nhiệm vụ sau:

Hình 3.1

Các quá trình thu thập dữ liệu

+ Đo lường
+Thu thập thông tin
+ Biến đổi thông tin và truyền thông ti
+Lưu giữ, tìm kiếm và thể hiện thơng tin
+Đưa thơng tin đi điều khiển đối tượng
8


Để có cái nhìn tổng thể về hệ thu thập dữ liệu và điều khiển trong công nghiệp, hãy xem
mô hình phân cấp để thấy các đặc trưng, cũng như chức năng nhiệm vụ của của từng cấp:

Hình 1.2:

Mơ hình phân cấp chức năng

+ Cấp trường:
Cấp điều khiển và cấp chấp hành cũng hay được gọi chung là cấp trường (field level)
chính vì các bộ điều khiển, cảm biến và chấp hành được cài đặt trực tiếp tại hiện trường,
gần kề với hệ thống kỹ thuật .
Các chức năng chính của cấp chấp hành là đo lường, dẫn động và chuyển đổi tín hiệu
trong trường hợp cần thiết. Thực tế, đa số các thiết bị cảm biến (sensor) hay chấp hành
(actuator) cũng có phần điều khiển riêng cho việc thực hiện đo lường, truyền động được
chính xác và nhanh nhạy. Các thiết bị thơng minh (smart device) có thể đảm nhận việc xử
lý và chuẩn bị thông tin trước khi đưa lên cấp điều khiển

Nhiệm vụ chính của cấp điều khiển là nhận thông tin từ các bộ cảm biến, xử lý các
thơng tin theo thuật tốn nhất định và truyền đạt lại kết quả xuống các chấp hành. Khi cịn
điều khiển thủ cơng, nhiệm vụ đó được người đứng máy trực tiếp đảm nhận qua việc theo
9


dõi các công cụ đo lường, sử dụng kiến thức và kinh nghiệm để thực hiện những thao tác
cần thiết như ấn nút đóng/ mở van, điều chỉnh cần gạt, núm xoay… Trong một hệ thống
điều khiển tự động, việc thực hiện thủ cơng những nhiệm vụ đó được thay thế bằng máy
tính. Do đặc tính nổi bật của cấp điều khiển là xử lý thông tin, nên khái niệm cấp xử lý
(process level) cũng hay được sử dụng. Tuy nhiên, khái niệm này khơng được chính xác vì
trong các hệ thống tự động hoá hiện đại, việc xử lý thông tin không phải là độc quyền ở
cấp này. Như đã nêu trên, các thiết bị thông minh ở cấp cảm biến/chấp hành cũng có thể
đảm nhận một phần việc này. Ngoài ra, việc thực hiện các chức năng ở bất kỳ cấp nào bên
trên đều mang bản chất là xử lý thơng tin.
+Cấp điều khiển q trình:
Điều hành q trình tức là điều khiển và vận hành một quá trình kỹ thuật. Khi đa số các
chức năng như đo lường điều khiển, điều chỉnh, bảo trì hệ thống được các cấp cơ sở thực
hiện, thì nhiệm vụ của các cấp điều hành quá trình là hỗ trợ người sử dụng trong việc cài
đặt ứng dụng, thao tác, theo dõi, giám sát vận hành và xử lý những tình huống bất thường.
Ngoài ra, trong một số trường hợp, cấp này cịn thực hiện các bài tốn điều khiển cao cấp
như điều khiển phối hợp, điều khiển khởi động/ dừng và điều khiển theo cơng thức (ví dụ
như trong chế biến dược phẩm, hoá chất). Khác với các cấp dưới, việc thực hiện các chức
năng ở cấp điều hành quá trình thường khơng địi hỏi phương tiện, thiết bị phần cứng đặc
biệt có giao diện mạng ngồi các máy tính điều hành.
Hiện nay, do nhu cầu tự động hoá tổng thể ở các cấp điều hành sản xuất và quản lý cơng
ty, việc tích hợp hệ thống và loại bỏ các cấp trung gian khơng cần thiết trong mơ hình chức
năng trở nên cần thiết. Cũng vì thế, ranh giới giữa cấp điều hành quá trình và điều hành
sản xuất nhiều khi khơng rõ ràng, hình thành xu hướng hội nhập hai cấp này thành một cấp
duy nhất, gọi chung là cấp điều hành. Sự phân chia ranh giới này chỉ mang tính chất tương

đối.

10


1.2 Đặc trưng của mạng truyền thông công nghiệp
1.2.1 Khái quát chung về mạng truyền số liệu
Ngày nay với sự phát triển của kỹ thuật và công nghệ đã tạo ra một bước tín dài
trong lĩnh vực truyền số liệu nói chung. Sự kết hợp giữa phần cứng, giao thức và các thuật
toán đã tạo ra các hệ thống truyền số liệu hiện đại. Mạng truyền số liệu bao gồm hai hay
nhiều hệ thống truyền/ nhận thông tin ghép nối với nhau theo nhiều hình thức như phân
cấp hoặc phân chia thành các trung tâm xử lý trao đổi tin với chức năng riêng..
Mạng truyền số liệu rất đa dạng về chủng loại cũng như số lượng, có nhiều cách
phân chia mạng truyền số liệu
+ Theo địa lý: mạng nội bộ, mạng diện rộng, mạng tồn cầu
+Theo tính chất sử dụng: mạng truyền số liệu kí sinh, chuyên dụng…
+Theo cấu trúc mạng
+…
1.2.1.1 Hệ thống thông tin cơ bản
Một hệ thống xử lý thông tin hoặc là một hệ thống truyền thông, hoặc là một hệ
thống kỹ thuật chỉ quan tâm tới đầu vào và đầu ra là thông tin. Tuy nhiên đa số các hệ
thống kỹ thuật thường có các đầu vào và đầu ra hỗn hợp (vật chất, năng lượng và thơng
tin).

Hình 1.3:

Một hệ thống thơng tin cơ bản

11

Thông tin là cơ sở cho sự giao tiếp. Thông qua việc giao tiếp và các đối tác có thêm hiểu
biết lẫn nhau hoặc về cùng một vấn đề, một sự kiện hoặc một hệ thống.
1.2.1.2 Các khái niệm cơ bản
+ Thơng tin: là một khái niệm trừu tượng, nó phản ánh thực tại khách quan, cho
chúng ta hiểu biết, nhận thức được thế giới khách quan. Thông tin là một đại lượng trừu
tượng, vì vậy cần được biểu diễn dưới một hình thức khác. Khả năng biểu diễn thơng tin
rất đa dạng. Dạng biểu diễn thông tin phụ thuộc vào mục đích, tính chất của ứng dụng.
+ Dữ liệu: thơng tin có thể đựợc mơ tả, hay nói cách khác là được "số lượng hóa"
bằng dữ liệu để có thể lưu trữ và xử lý bằng máy tính. Trong trường hợp đó ta nói rằng
thơng tin được số hóa sử dụng hệ đếm nhị phân. Khi đó dữ liệu chính là phần thơng tin
hữu ích được biểu diễn bằng các dãy bit {0,1}.
+Tín hiệu: Việc trao đổi thơng tin hay dữ liệu chỉ có thể thực hiện được nhờ tín
hiệu. Có thể định nghĩa, tín hiệu là diễn biến của một đại lượng vật lý chứa đựng tham số
thông tin/dữ liệu và có thể truyền dẫn được. Theo quan điểm tốn học thì tín hiệu được coi
là một hàm của thời gian. Trong các lĩnh vực kỹ thuật, các loại tín hiệu thường dùng là :
quang, điện, khí nén, thủy lực và âm thanh.
Các tham số sau đây thường được dùng trực tiếp, gián tiếp hay kết hợp để biểu thị
nội dung thông tin: Biên độ, tần số, nhịp xung, độ rộng xung, sườn xung, pha, vị trí xung
Ta có thể phân loại tín hiệu dựa theo tập hợp giá trị của tham số thông tin hoặc dựa
theo diễn biến thời gian thành những dạng sau: tương tự, rời rạc, liên tục. Trong các hệ
thống truyền thông công nghiệp hiện đại ta chỉ quan tâm tới truyền tín hiệu số, hay nói
cách khác là truyền dữ liệu. Các chuẩn giao tiếp trong các hệ thống này cũng là các chuẩn
giao tiếp số.
+Giao tiếp và truyền thông: Giao tiếp hay truyền thơng là một q trình trao đổi
thơng tin giữa hai chủ thể với nhau, được gọi là các đối tác giao tiếp, theo một phương
pháp được quy định trước. Đối tác này có thể điều khiển đối tác kia, hoặc quan sát trạng
thái của đối tác. Các đối tác giao tiếp có thể là người hoặc hệ thống kỹ thuật - tức là các
thiết bị phần cứng (đối tác vật lý) hoặc các đối tác phần mềm (đối tác logic). Trong trường
hợp sau, khái niệm truyền thông thường được sử dụng thay cho khái niệm giao tiếp. Tuy

nhiên khái niệm giao tiếp có ý nghĩa bao trùm hơn. Trong phạm vi tài liệu này chỉ đề cập
12


tới hệ thống truyền thông công nghiệp, nên các đối tác thuần túy là các thiết bị, hệ thống
kỹ thuật, nên hai thuật ngữ giao tiếp và truyền thống được sử dụng với nghĩa tương đương.
Chính vì dữ liệu là một dạng biểu diễn thông tin sử dụng mã nhị phân, truyền tải thơng tin
sử dụng tín hiệu số cũng được gọi là truyền dữ liệu. Có thể nói truyền dữ liệu là phương
pháp truyền thông duy nhất giữa các máy tính trong mạng máy tính. Ngày nay kỹ thuật số
cũng được áp dụng rộng rãi trong việc truyền tải tiếng nói, hình ảnh và văn bản, vì vậy
truyền dữ liệu đóng vai trị quan trọng hàng đầu.
+Điều chế và điều biến tín hiệ : Điều chế và điều biến là hai khái niệm được dùng
với nghĩa rất gần nhau. Điều chế được hiểu là q trình tạo một tín hiệu trực tiếp mang
tham số thông tin, thể hiện qua biên độ, tần số hoặc pha, trong đó tham số thơng tin có thể
lấy một giá trị bất kỳ. Khác một chút, điều biến chỉ q trình dùng tín hiệu mang thông tin
để điều khiển, biến đổi các tham số thích hợp của một tín hiệu thứ hai (tín hiệu mang).
Mục đích cơ bản của điều biến là sử dụng một tín hiệu mang có một dải tần khác để thực
hiện phương pháp dồn kênh phân chia tần số, hoặc để tránh truyền dẫn ở dải tần cơ sở dễ
bị nhiễu. Đôi khi ranh giới để phân biệt giữa điều chế và điều biến cũng khơng hồn tồn
rõ ràng, vì vậy trong thực tế khái niệm thứ nhất thường được sử dụng chung cho cả hai
trường hợp. Trong tiếng anh người ta sử dụng một thuật ngữ chung là modulation, tuy
nhiên tùy theo ngữ cảnh mà được hiểu theo hai nghĩa khác nhau.
+Tốc độ truyền và tốc độ bit: Thời gian cần để truyền một tập dữ liệu, ví dụ
một ký tự, phụ thuộc vào hai yếu tố là tốc độ baud và phương pháp mã hóa bit. Tốc độ
baud được định nghĩa là số lần tín hiệu thay đổi giá trị tham số thơng tin (ví dụ biên độ)
trong một giây và có đơn vị là Baud. Do hầu hết các hệ thống truyền dữ liệu hoạt động
theo nhịp tuần hoàn, tốc độ baud tương đương với tần số nhịp của hệ thống thu phát. Tốc
độ truyền hay tốc độ bit được tính bằng số bit dữ liệu được truyền đi trong một giây, tính
bằng bit/s hoặc bps (bit fer second). Nếu tần số nhịp được ký hiệu là f nà số bit được
truyền đi trong một nhịp là n, số bit được truyền đi trong một giây sẽ là v=f*n. Như vậy, có

hai cách để tăng tốc độ truyền tải là tăng tần số nhịp hoặc tăng số bit truyền đi trong một
nhịp. Cần phân biệt giữa tốc độ truyền thơng tin hữu ích và tốc độ truyền thông tin tổng
thể. Một thông tin cần truyền đi (thông tin hữu ích) sẽ mã hóa nguồn, tức được đóng gói và
bổ xung các thơng tin phụ trợ cần thiết cho việc truyền tải (overhead). Vì vậy tốc độ truyền
thơng tin tổng thể có thể lớn hơn rất nhiều so với tốc độ truyền thơng hữu ích, phụ thuộc
13


vào hệ thống truyền thông. Thực tế, tốc độ truyền thơng hữu ích rất khó xác định được một
cách chính xác.
+Thời gian bit/Chu kỳ bit: Trong việc phân tích đánh giá tính năng thời gian của
một hệ thống truyền thơng thì thời gian bit là một giá trị hay được dùng. Thời gian bit hay
chu kỳ bit được định nghĩa là thời gian trung bình cần thiết để chuyển một bit, hay chính
bằng giá trị nghịch đảo của tốc độ truyền tải:
TB= 1/v; TB=1/f, trường hợp n=1xx
+ Thời gian lan truyền tín hiệu :Thời gian lan truyền tín hiệu là thời gian cần để
một tín hiệu phát ra từ một đầu dây lan truyền tới đầu dây khác, phụ thuộc vào chiều dài
dây và cấu tạo dây dẫn. Tốc độ lan truyền tín hiệu chính là tốc độ truyền sóng điện từ. Tuy
nhiên, trong môi trường kim loại hoặc sợi quang học, giá trị này sẽ nhỏ hơn tốc độ truyền
sóng điện từ hay tốc độ ánh sáng trong mơi trường chân khơng. Ta có:
TS= l/(k*c), với TS là thời gian lan truyền tín hiệu; l là chiều dài dây dẫn, c là
tốc độ ánh sáng trong chân không (300.000.000m/s) và k biểu thị hệ số giảm tốc độ, được
tính theo công thức k=

1

ε

với ε là hằng số điện môi của lớp cách ly. Đối với các loại cáp

có lớp bọc cách ly là Polyethylen với hằng số điện môi ε =2.3,ta có hệ số k ≈ 0.67 . Hệ số
cũng đúng với môi trường truyền là cáp quang học và thường được dùng một cách tổng
qt để tính tốn giá trị tương đối của thời gian lan truyền tín hiệu trong nhiều phép đánh
giá. Như vậy TS sẽ chỉ phụ thuộc vào chiều dài dây dẫn: TS (giây) = l (mét)/300.000.000
+Tính năng thời gian thực: Tính năng thời gian thực là một trong những đặc trưng
quan trọng nhất đối với các hệ thống tự động hóa nói chung và các hệ thống bus trường nói
riêng. Sự hoạt động bình thường của một hệ thống kỹ thuật làm việc trong thời gian thực
khơng chỉ phụ thuộc vào độ chính xác, đúng đắn của các kết quả đầu ra, mà còn phụ thuộc
vào thời điểm đưa ra kết quả. Một hệ thống có tính năng thời gian thực khơng nhất thiết
phải có phản ứng thật nhanh, mà quan trọng hơn là phải có phản ứng kịp thời đối với các
yêu cầu, tác động bên ngoài. Như vậy, một hệ thống truyền thơng có tính năng thời gian
thực phải có khả năng truyền tải thông tin một cách tin cậy và kịp thời với các u cầu của
đối tác truyền thơng. Tính năng thời gian thực của một hệ thống điều khiển phân tán phụ
thuộc rất nhiều vào hệ thống bus trường được dùng.
14


Để đảm bảo tính năng thời gian thực, một hệ thống bus phải có những đặc điểm sau :
• Độ nhanh nhạy: Tốc độ truyền thơng hữu ích phải đủ nhanh để đáp ứng nhu
cầu trao đổi dữ liệu trong một giải pháp cụ thể.
• Tính tiền định : Dự đoán trước được về thời gian phản ứng tiêu biểu và thời
gian phản ứng chậm nhất với yêu cầu của từng trạm
• Độ tin cậy, kịp thời : Đảm bảo tổng thời gian cần cho việc vận chuyển dữ liệu
một cách tin cậy giữa các trạm nằm trong một khoảng xác định.
• Tính bền vững : Có khả năng xử lý sự cố một cách thích hợp để khơng gây hại
thêm cho hệ thống.
Rõ ràng, khả năng thỏa mãn yêu cầu về thời gian thực phụ thuộc vào bài toán ứng
dụng cụ thể. Một mạng cơng nghiệp có tính năng thời gian thực khơng có nghĩa là sẽ thích
ứng với mọi ứng dụng đòi hỏi yêu cầu về thời gian thực. Nhiệm vụ của người tích hợp hệ
thống là phải lựa chọn và thiết kế một giải pháp thích hợp để thỏa mãn yêu cầu này trên cơ

sở phân tích các tính năng kỹ thuật liên quan, dưới điều kiện ràng buộc là giá thành chi
phí.
1.2.1.3 Nguyên tắc cơ bản của truyển thơng

Hình 1.2: Ngun tắc cơ bản của truyền thơng
+Mã hóa/Giải mã: Thơng tin cẫn trao đổi giữa các đối tác cần được mã hóa trước
khi được một hệ thống truyền dẫn tín hiệu chuyển tới phía bên kia. Trong thuật ngữ truyền
thơng, mã hóa chỉ q trình biến đổi nguồn thông tin (dữ liệu) cần trao đổi sang một chuỗi
tín hiệu thích hợp để truyền dẫn. Q trình này ít nhất gồm hai bước: mã hóa nguồn và mã
hóa đường truyền.
15


¾ Mã hóa nguồn: dữ dữ liệu nguồn được bổ xung các thông tin phụ trợ cần
thiết cho việc truyền dẫn, ví dụ địa chỉ bên nhận và bên gửi, kiểu dữ liệu, thơng tin tìm
kiếm lỗi... Dữ liệu trước khi gửi đi cũng có thể phân chia thành nhiều gói dữ liệu bức
điện phù hợp với phương pháp truyền, nén lại để tăng hiệu suất đường truyền, hoặc mã
hóa bảo mật. Như vậy lượng thông tin chứa đựng trong một tín hiệu sẽ nhiều hơn lượng
thơng tin thực dụng cần truyền tải
¾ Mã hóa đường truyền: là q trình tạo tín hiệu tương ứng với các bit trong
gói dữ liệu hay bức điện theo một phương pháp nhất định để phù hợp với đường truyền
và kỹ thuật truyền. Trong truyền thơng cơng nghiệp, mã hóa đường truyền đồng nghĩa
với mã hóa bit, bởi tín hiệu do khâu mã hóa từng bit tạo ra cũng chính là tín hiệu được
truyền dẫn. Đối với các hệ thống truyền thông khác, quá trình mã hóa đường truyền có
thể bao hàm việc điều biến tín hiệu và dồn kênh, cho phép truyền cùng một lúc nhiều
nguồn thông tin và truyền tốc độ cao. Việc dồn kênh có thể thực hiện theo phương pháp
phân chia tần số, phân chia thời gian hoặc phân chia mã.
1.2.2 Mạng truyền thông công nghiệp
1.2.2.1 Khái niệm và phân loại
Ngày nay với sự phát triển mạnh mẽ của ngành cơng nghiệp, địi hỏi phải có sự cải

tiến và áp dụng cơng nghệ mới vào trong q trình sản xuất nhằm nâng cao hiệu quả sản
xuất. Một trong những giải pháp tốt nhất, đó là áp dụng quy trình tự động hóa vào sản
xuất. Các dây chuyền sản xuất khơng thể hoạt động độc lập mà cần phải có sự liên kết với
nhau tạo nên một mơ hình thống nhất. Sự kết nối các thiết bị cơng nghiệp đó với nhau
tạo thành một hệ thống mạng và được gọi là mạng công nghiệp
Mạng công nghiệp hay mạng truyền thông công nghiệp là một khái niệm chỉ các hệ
thống mạng truyền thông số, truyền bit nối tiếp, được sử dụng để ghép nối các thiết bị công
nghiệp.
Do đặc thù của các ngành công nghiệp mà tạo ra nhiều loại mạng truyền thông khác
nhau. Mặt khác mạng truyền thông trong công nghiệp cũng có đặc thù riêng, có thể phân
biệt chúng với mạng thơng tin quảng đại thơng qua mơt số khía cạnh sau.
+ Phạm vi hoạt động

16


+ Độ tin cậy khi truyền
Sự khác nhau trong phạm vi và mục đích sử dụng giữa các hệ thống mạng truyền
thông công nghiệp với các hệ thống mạng viễn thơng và mạng máy tính dẫn đến sự
khác nhau trong các yêu cầu kỹ thuật cũng như kinh tế.
1.2.2.3 Vai trị của mạng truyền thơng cơng nghiệp
Vấn đề ghép nối thiết bị, trao đổi thông tin là một trong những vấn đề cơ bản trong
bất kỳ giải pháp tự động hóa nào. Ví dụ: một bộ điều khiển cần được ghép nối với các cảm
biến và cơ cấu chấp hành; giữa các bộ điều khiển trong hệ thống điều khiển quá trình sản
xuất; cấp cao hơn, các trạm vận hành trong trung tâm điều khiển cũng cần được ghép nối
và giao tiếp với các bộ điều khiển để có thể theo dõi, giám sát toàn bộ hệ thống điều khiển.
Ngày nay người ta sử dụng mạng truyền thông công nghiệp để thay thế cách nối điểmđiểm cổ điển giữa các đối tượng.
Ưu điểm sử dụng mạng truyền thông công nghiệp:
+ Đơn giản hóa cấu trúc liên kết giữa các thiết bị cơng nghiệp vì trong mơt hệ
thống, một lượng lớn các thiết bị thuộc chủng loại khác nhau, nhà sản xuất khác nhau được

ghép nối với nhau qua một đường truyền.
+ Nhờ cấu trúc đơn giản, việc thiết kế hệ thống trở lên dễ dàng hơn nhiều. Một số
lượng lớn cáp truyền được thay thế bằng một đường truyền duy nhất, giảm chi phí đáng kể
cho ngun liệu và cơng lắp đặt.
+ Nhờ kỹ thuật truyền thông số, không những thơng tin truyền đi khó sai lệch mà
các thiết bị nối mạng cịn có thêm khả năng phát hiện lỗi và chuẩn đốn lỗi nếu có. Ngồi
ra, việc bỏ qua nhiều lần chuyển đổi qua lại tương tự-số và số- tương tư nâng cao độ chính
xác thơng tin.
+ Nâng cao độ linh hoạt, tăng tính năng mở của hệ thống. Một hệ thống mạng
chuẩn hóa quốc tế tạo điều kiện cho việc sử dụng các thiếp bị của nhiều hãng khác nhau.
Việc thay thế các thiết bị, nâng cấp và mở rộng chức năng hệ thống cũng dễ dàng hơn.
Nhờ các giao diện chuẩn nên khả năng tương tác giữa các thành phần bao gồm phần cứng
và phần mềm được nâng cao.

17


+ Việc cấu hình hệ thống, lập trình, tham số hóa, chỉnh định thiết bị đưa vào vận
hành có thể thực hiện từ xa qua một trạm kỹ thuật trung tâm.
Ưu điểm của mạng truyền thông trong công nghiệp, không những ở phương diện kỹ
thuật mà cịn ở khía cạnh hiệu quả kinh tế mà nó mang lại. Chính vì vậy, mạng truyền
thông công nghiệp được sử dụng rộng rãi trong hầu hết các lĩnh vực công nghiệp.
1.2.2.2 Đặc trưng của mạng truyền thông công nghiệp
Để sắp xếp phân loại và phân tích đặc trưng của các hệ thống mạng cơng nghiệp, ta
dựa vào mơ hình phân cấp cho các cơng ty, xí nghiệp sản xuất. Với mơ hình này các chức
năng được phân thành nhiều cấp khác nhau được mơ tả trong hình vẽ sau:

Hình 1.4:

Mơ hình phân cấp chức năng công ty sản xuất công nghiệp

Càng ở cấp dưới thì các chức năng càng mang tính chất cơ bản hơn và đòi hỏi
yêu cầu cao hơn về độ nhanh nhậy, thời gian phản ứng. Một chức năng ở cấp trên được
18


thực hiện dựa trên các chức năng cấp dưới, tuy khơng địi hỏi thời gian phản ứng nhanh
như ở cấp dưới, nhưng ngược lại lượng thông tin cần trao đổi và xử lý lại lớn hơn nhiều.
Có thể coi đây là mơ hình phân cấp chức năng cho cả hệ thống tự động hóa nói chung
cũng như cho hệ thống truyền thơng nói riêng của một cơng ty. Tương ứng với năm cấp
chức năng là bốn cấp của hệ thống truyền thông. Từ cấp điều khiển giám sát trở xuống
thuật ngữ "bus" thường được dùng thay thế cho "mạng" với lý do phần lớn cỏc hệ thống
mạng phớa dưới đều cú cấu trúc vật lý hoặc logic theo kiểu bus. Mơ hình phân cấp chức
năng sẽ tiện lợi cho việc thiết kế hệ thống và lựa chọn thiết bị. Trong thực tế ứng dụng, sự
phân cấp chức năng có thể khác một chút so với trình bày, tùy thuộc vào mức độ tự động
hóa và cấu trúc hệ thống cụ thể. Trong những trường hợp ứng dụng đơn giản như điều
khiển trang thiết bị dân dụng (máy giặt, tủ lạnh, điều hịa...), sự phân chia nhiều cấp có thể
hồn tồn khơng cần thiết. Ngược lại trong tự động hóa một nhà máy hiện đại như điện
nguyên tử, xi măng, lọc dầu, ta có thể chia nhỏ hơn nữa các cấp chức năng để tiện theo
dõi.
+Bus trường, bus thiết bị: Bus trường (fieldbus) là một khái niệm chung được dùng
trong các ngành công nghiệp chế biến để chỉ các hệ thống bus nối tiếp, sử dụng kỹ thuật
truyền tin số để kết nối các thiết bị thuộc cấp điều khiển (PC, PLC) với nhau và với các
thiết bị ở cấp chấp hành, hay các thiết bị trường. Các chức năng chính của cấp chấp hành là
đo lường, truyền động và chuyển đổi tín hiệu trong các trường hợp cần thiết.Do nhiệm vụ
của bus trường là chuyển dữ liệu lên cấp điều khiển để xử lý và chuyển quyết định điều
khiển xuống các cơ cấu chấp hành, vì vậy yêu cầu về tính năng thời gian thực được đặt lên
hàng đầu. Thời gian phản ứng tiêu biểu nằm trong phạm vi từ 0,1 tới vài miligiây. Các hệ
thống bus trường được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay là PROFIBUS, ControlNet,
INTERBUS, CAN, WordFIP, P-NET, Modbus và gần đây phải kể tới Foundation Fielfbus,

DeviceNet, AS-i, EIB và Bitbus là một vài hệ thống bus cảm biến/chấp hành tiêu biểu có
thể nêu ra ở đây.
+Bus hệ thống, bus điều khiển: Các hệ thống mạng cơng nghiệp được dùng để kết
nối các máy tính điều khiển và các máy tính trên cấp điều khiển giám sát với nhau được
gọi là bus hệ thống (system bus) hay bus quá trình (process bus). Khái niệm sau thường
được dùng trong lĩnh vực điều khiển quá trình. Qua bus hệ thống mà các máy tính điều
khiển có thể phối hợp hoạt động, cung cấp dữ liệu quá trình cho các trạm kỹ thuật và trạm
19


quan sát (có thể gián tiếp thơng qua hệ thống quản lý cơ sở dữ liệu trên các trạm chủ) cũng
như nhận mệnh lệnh, tham số điều khiển từ các trạm phía trên. Thơng tin khơng những
được trao đổi theo chiều dọc, mà còn theo chiều ngang. Các trạm kỹ thuật, trạm vận hành
và các trạm chủ cũng trao đổi dữ liệu qua bus hệ thống. Do các yêu cầu về tốc độ truyền
thông và khả năng kết nối dễ dàng nhiều loại máy tính, hầu hết các bus hệ thống thơng
dụng đều dựa trên nền Ethernet, ví dụ Industrial Ethernet, Fieldbus Foundation’s High
Speed Ethernet (HSE), Ethernet/IP, bên cạnh đó phải kể đến PROFIBUS- FMS,
ControlNet và Modbus Plus.
+Mạng xí nghiệp: Mạng xí nghiệp thực chất là một mạng LAN bình thường có chức
năng kết nối các máy tính văn phịng thuộc cấp điều hành sản xuất với cấp điều khiển giám
sát. Thông tin được đưa lên trên bao gồm trạng thái làm việc của các quá trình kỹ thuật,
các giàn máy cũng như của hệ thống điều khiển tự động, các số liệu tính tốn, thống kê và
diễn biến q trình sản xuất và chất lượng sản phẩm. Thơng tin theo chiều ngược lại là các
thông số thiết kế, công thức điều khiển và mệnh lệnh điều khiển. Khác với các hệ thống
bus cấp dưới, mạng xí nghiệp khơng u cầu nghiêm ngặt về tính năng thời gian thực.
Việc trao đổi dữ liệu khơng diễn ra định kỳ, nhưng có khi với số lượng lớn đến hàng
Mbyte. Hai loại mạng được dùng phổ biến cho mục đích này là Ethernet và Token-Ring.
Trên cơ sở giao thức chuẩn như TCP/IP và IPX/SPX.
+Mạng công ty: Mạng công ty nằm trên cùng trong mơ hình phân cấp hệ thống
truyền thơng của một cơng ty sản xuất công nghiệp. Đặc trưng của mạng công ty gần với

mạng viễn thơng hoặc một mạng máy tính diện rộng nhiều hơn trên các phương diện phạm
vi và hình thức dịch vụ, phương pháp truyền thơng và các hình thức dịch vụ, phương pháp
truyền thơng và các u cầu về kỹ thuật. Chức năng của mạng công ty là kết nối các máy
tính của các văn phịng của các xí nghiệp, cung cấp các dịch vụ trao đổi thông tin nội bộ và
với các khách hàng như thư viện điện tử, thư điện tử, hội thảo từ xa qua điện thoại, hình
ảnh, cung cấp dịch vụ truy cập Internet và thươg mại điện tử... Hình thức tổ chức ghép nối
mạng cũng như các công nghệ được áp dụng rất đa dạng tùy thuộc vào đầu tư của công ty.
Mạng cơng ty có vai trị như một đường cao tốc trong hệ thống hạ tầng cơ sở truyền thông
của một cơng ty, vì vậy địi hỏi về tốc độ truyền thơng và độ an tồn, tin cậy đặc biệt cao,
Fast Ethernet, FDDI, ATM là một vài ví dụ cơng nghệ tiên tiến được áp dụng ở đây trong
hiện tại và tương lai.
20


Do đặc thù của các ngành công nghiệp mà đã tạo ra nhiều loại mạng truyền thông
khác nhau. Mặt khác mạng truyền thơng trong cơng nghiệp cũng có những đặc thù riêng,
có thể phân biệt chúng với mạng thơng tin quảng đại thơng qua một số khía cạnh sau:
¾ Phạm vi hoạt động
¾ Yêu cầu về độ tin cậy khi truyền
Ưu điểm của sử dụng mạng truyền thông trong công nghiệp:
¾ Thay thế được hồn tồn các hệ thống truyền cũ như: 0-20mA, 0-10V...
¾ Cho phép làm việc với các sản phẩm của nhiều nhà sản xuất khác nhau.
¾ Là hệ thống mở, đồng thời cho phép hiệu chỉnh điều khiển từ phịng điều
khiển trung tâm
¾ Hệ thống hoạt động với độ tin cậy cao hơn
¾ Độ mềm dẻo gần như khơng có giới hạn.
¾ Giá thành thấp.
¾ Lượng thơng tin truyền tải lớn

Tóm tắt nội dung chương 1

Nội dung chính của chương 1 trình bày mơt cách khái qt về hệ thu thập dữ liệu
điều khiển và truyền số liệu. Sau khi học xong chương này sinh viên phải trình bày được
các giải pháp điều khiển và hệ thu thập dữ liệu điều khiển; đặc trưng của truyền số liệu và
mạng truyền thông công nghiệp. Để rõ hơn về từng lĩnh vực chúng ta sẽ nghiên cứu cụ thể
ở các chương tiếp theo.

Câu hỏi và bài tập chương 1
1.
2.
3.
4.
5.

Trình bày các trưng của các lĩnh vực điều khiển ?
Vẽ và nêu chức năng cơ bản của cấu trúc hệ ICS?
Trình bày cách phân chia thiết bị trong mơ hình phân cấp?
Mạng truyền thơng cơng nghiệp là gì ?
Trình bày các các trưng của mạng truyền thông công nghiệp?

21


Chương2:
CƠ SỞ TRUYỀN DỮ LIỆU TRONG CÔNG NGHIỆP

2.1 Cơ sở kỹ thuật
2.1.1 Chế độ truyền tải
Chế độ truyền tải được hiểu là phương thức các bit dữ liệu được chuyển giữa các
đối tác truyền thơng. Nhìn nhận từ các góc độ khác nhau ta có thể phân biệt các chế độ
truyền tải như sau:

2.1.1.1 Truyền bít song song và nối tiếp
+Truyền bít song song: Mỗi bit
được truyền trên một đường truyền
riêng. Phương pháp truyền này được
dùng phổ biến trong các bus nội bộ của
máy tính như bus địa chỉ, bus dữ liệu và
bus điều khiển. Tốc độ truyền tải phụ
thuộc vào số các kênh dẫn, hay cũng
chính là độ rộng của một bus song song,
ví dụ 8 bit, 16 bit, 32 bit hay 64 bit.
Hình 2.1

Truyền bit song song

Mỗi bít dùng một đường truyền riêng, truyền đồng thời. Khi truyền cần thêm một
đường truyền dùng để thông báo cho bên nhận biết khi nào dữ liệu sẵn sàng và một đường
truyền để bên nhận báo cho bên gửi là dữ liệu đã sẵn sàng nhận dữ liệu tiếp theo. Chính vì
nhiều bit được truyền đi đồng thời, vấn đề đồng bộ hóa tại nơi phát và nơi nhận tín hiệu
phải được giải quyết. Điều này gây trở ngại lớn khi khoảng cách giữa các đối tác truyền
thơng tăng lên. Ngồi ra, giá thành cho các bus song song cũng là một yếu tố dẫn đến
phạm vi ứng dụng của phương pháp truyền này chỉ hạn chế ở khoảng cách nhỏ, có yêu cầu
rất cao về thời gian và tốc độ truyền
+Truyền bít nối tiếp: Với phương pháp truyền bit nối tiếp, tất cả các bít được truyền
trền cùng một đường truyền, bit này tiếp sau bit kia.

22


Khơng cần các đường truyền
riêng biệt cho tín hiệu đồng bộ hay bắt

tay vì các tín hiệu này sẽ được mã hóa
vào dữ liệu truyền đi. Tuy tốc độ bit vì
thế mà bị hạn chế, nhưng cách thực
hiện lại đơn giản, độ tin cậy của dữ
liệu cao. Tất cả các mạng truyền thơng
cơng nghiệp đều sử dụng phương pháp

Hình 2.2

truyền này.

Truyền bit nối tiếp

Tuy nhiên địi hỏi phải có cơ chế đồng bộ giữa bên truyền và bên nhận, trong thực
tế có hai cách giải quyết là đồng bộ và khơng đồng bộ.
2.1.1.2 Truyền bít đồng bộ và khơng đồng bộ
Sự phân biệt giữa truyền đồng bộ và không đồng bộ chỉ liên quan tới phương thức
truyền bit nối tiếp. Vấn đề đặt ra ở đây là việc đồng bộ hóa giữa bên gửi và bên nhận dữ
liệu, tức là vấn đề làm thế nào để bên nhận biết khi nào một tín hiệu trên đường truyền
mang dữ liệu gửi và khi nào không.
+ Chế độ truyền đồng bộ: các đối tác truyền thông làm việc theo cùng một nhịp,
tức là cùng tần số và độ lệch pha cố định. Có thể tích hợp xung clock vào dữ liệu truyền đi
hoặc quy định một trạm có vai trị tạo nhịp và dùng một đường dây riêng mang nhịp đồng
bộ cho các trạm khác.
Đồng bộ Frame:

Hình 2.3

Cấu trúc một Frame

+ Chế độ truyền không đồng bộ: bên gửi và bên nhận không làm việc theo một
nhịp chung. Dữ liệu trao đổi thường được chia thành từng nhóm 5 bit đến 8 bit, gọi là ký
tự. Các ký tự cần được chuyển đi vào những thời điểm khơng đồng đều, vì vậy cần thêm
hai bit để đánh dấu khởi đầu và kết thúc cho mỗi kí tự. Việc đồng bộ hóa được thực hiện
với từng ký tự
23


Hình 2.4

Truyền khơng đồng bộ

2.1.1.3 Truyền một chiều và truyền hai chiều
+ Chế độ truyền một chiều (Simplex): thông tin chỉ được chuyển đi theo 1 chiều,
chế độ này không dùng rộng rãi vì khơng thể gửi ngược lại lỗi hoặc tín hiệu điều khiển
cho bên phát. Ví dụ: Television, radio…
Simplex Channel Operation
10110101

Source

Destination

One way only

System
Hình 2.5

System

Chế độ truyền simplex

+ Chế độ truyền hai chiều gián đoạn (Half Duplex): cho phép mỗi trạm có thể
tham gia gửi hoặc nhận thơng tin, nhưng không cùng một lúc. Nhờ vậy thông tin được trao
đổi theo cả hai chiều luân phiên trên cùng một đường truyền vật lý. Ví dụ: bộ đàm….Chế
độ truyền này được sử dụng phổ biến trong mạng cơng nghiệp, ví dụ chuẩn RS-485
Half Duplex Channel Operation
Source/Destination

10110101

Source/Destination

Two way but not

System

System

At the same time
Hình 2.6

Chế độ truyền hulf duplex

24


+ Chế độ truyền hai chiều (Full Duplex): cho phép mỗi trạm có thể tham gia gửi
hoặc nhận thơng tin cùng một lúc. Nhờ vậy thông tin được trao đổi liên tục. Ví dụ: điện
thoại

Half Duplex Channel Operation
10110101
Source/Destination

Both way

System

Source/Destination

At the same time

Hình 2.7

System

Chế độ truyền simplex

2.1.1.4 Truyền tải dải cơ sở, dải mang và dải rộng
+Truyền tải dải cơ sở: Một tín hiệu mang một nguồn thơng tin có thể biểu diễn
bằng tổng của nhiều dao động có tần số khác nhau nằm trong một phạm vi hẹp, được gọi là
dải tần cơ sở hay dải hẹp.Có nghĩa là, đường truyền chỉ có thể mang một kênh thơng tin
duy nhất, mọi thành viên trong mạng phải phân chia thời gian để sử dụng đường truyền.
Tốc độ truyền tải tuy có bị hạn chế, nhưng phương pháp này dễ thực hiện và tin cậy, được
dùng chủ yếu trong các hệ thống mạng truyền thông công nghiệp.
+Truyền tải dải mang: Nếu dải tần cơ sở khơng tương thích trong mơi trường làm
việc, ví dụ tín hiệu có các tần số này có thể bức xạ nhiễu ảnh hưởng tới hoạt động của các
thiết bị điện tử khác, hoặc ngược lại bị các thiết bị khác gây nhiễu. Trong trường hợp này
sử dụng một tín hiệu khác - gọi là tín hiệu mang, có tần số nằm trong một dải tần thích hợp

- gọi là dải mang. Dải tần này thường lớn hơn nhiều so với tần số nhịp. Dữ liệu cần truyền
tải sẽ dùng để điều chế tấn số, biên độ hoặc pha của tín hiệu mang. Bên nhận sẽ thực hiện
quá trình giải điều chế để hồi phục thơng tin nguồn. Truyền tải dải mang chỉ áp dụng cho
một kênh truyền tin duy nhất, giống như truyền tải dải cơ sở.
+ Truyền tải dải rộng:

Một tín hiệu có thể chứa đựng nhiều nguồn thông tin khác

nhau bằng cách sử dụng kết hợp một cách thông minh nhiều thông số thông tin. Sau khi
nhiều nguồn thông tin khác nhau đã được mã hóa bit, mỗi tín hiệu được tạo ra sẽ dùng để
điều biến một tín hiệu khác, thường có tần số lớn hơn nhiều, gọi là tín hiệu mang. Các tín
25