Tài liệu Mạng truyền thông doc

Mạng truyền thông
Mạng truyền thông được xem như đường cao tốc. Chúng ta cần nó, nhưng những người
thực sự nghĩ về nó là ai? Nếu chúng ta không coi mạng truyền thông mang tầm quan
trọng chiến lược thì chúng ta sẽ đóng lại một thế giới hoàn toàn mới về khả năng tự động
hóa và hiệu quả.
Hình 1. Đường cao tốc tại thành phố Los Angeles
Trong thập niên 1950, đã có rất nhiều con đường, và thương mại phát triển mạnh tại Hoa
Kỳ. Không phải là hài lòng với hiện trạng, tổng thống Dwight Eisenhower đã dẫn đầu
trong một nỗ lực để thiết lập hệ thống xa lộ liên tiểu bang. Trên thực tế, Eisenhower tạo
ra một đường dẫn lớn hơn cho thương mại của Hoa Kỳ. Hoa Kỳ ngày nay là một quốc gia
khác biệt nhờ những xa lộ liên tiểu bang. Vào những năm 1950 thì ai có thể dự đoán được
điều đó: nhờ vào các xa lộ liên tiểu bang mà một xa lộ lớn hơn là thương mại và xã hội đã
thay đổi.
Tình hình tương tự cũng đang tồn tại giữa hiện trạng mạng truyền thông và những viễn
cảnh mới. Hầu hết các mạng Ethernet công nghiệp truyền thông hiện nay có thông lượng
lên đến 100 Mbps - một con số khó tin nổi chỉ một vài năm trước đây. Những ai sẽ chọn
việc lái xe 10 dặm/giờ trong khi có thể lái dễ dàng và an toàn với tốc độ gấp 10 lần? Ai sẽ
chọn việc lái xe trên đường hai làn xe khi những cao tốc 12 làn đường đã sẵn sàng?
Băng tần là một dải tần số nào đó được giới hạn bởi một tần số thấp nhất và một tần số
cao nhất. Băng thông là băng tần được gán cho một người sử dụng nào đó để truyền/nhận
dữ liệu. Nếu coi băng tần là một xa lộ thì băng thông là chiều rộng của một làn đường.
Những khái niệm tương đương với việc lái xe 100 dặm/giờ với xa lộ 12 làn xe đang trở
thành hiện thực với các mạng truyền thông công nghiệp. Các thế hệ tiếp theo của mạng
truyền thông Ethernet công nghiệp sẽ có băng thông là 1Gbps - gấp 10 lần so với ngày
hôm nay. Điều này sẽ có nghĩa thế nào cho các hoạt động của nhà máy?
Với băng thông lớn 1 Gbps, sẽ không chỉ dễ dàng kiểm soát tốc độ tự động hóa, mà thực
tế còn không giới hạn khả năng thu thập dữ liệu cho việc truy xuất thông tin về sản xuất,
cải tiến quy trình sản xuất, bảo trì và theo dõi các sai hỏng. Mỗi bit thông tin cần thiết cho
các việc điều khiển, hiểu, dự đoán, phản ứng và chủ động thay đổi sẽ đều sẵn sàng mọi
lúc mọi nơi.
Hình 2. Mạng Ethernet công nghiệp

Hơn cả tốc độ: băng thông
Thế hệ mới của truyền thông công nghiệp Ethernet 1 Gbps sẽ không yêu cầu thiết bị
chuyển mạch tốn kém và nhân viên cần đào tạo kỹ lưỡng về IT hoặc Ethernet như ngày
nay. Sự cải tiến sẽ thấy ở các cáp Ethernet thương mại sẵn có, các kết nối, và các hub đơn
giản sẽ được tiêu chuẩn hoá ở cấp thiết bị cho hoạt động ở 1 Gbps. Về cơ bản, các hệ
thống giá trị cao hơn sẽ dễ dàng được bảo trì bởi nhân viên nhà máy.
Các mạng truyền thông thế hệ mới cũng sẽ có các topo với tính năng linh hoạt cao. Nhân
viên nhà máy sẽ có thể cấu hình các mạng truyền thông một cách thích hợp nhất cho hoạt
động sản xuất, làm cho nó dễ dàng hơn khi thêm phần cứng vào mạng hay là các nhu cầu
mới phát sinh. Mạng sẽ có khả năng kết nối nóng P&P và khả năng kết hợp mạng 1 Gbps
với mạng 100 Mbps.
Hình 3. Một số ví dụ về topo mạng
Các khía cạnh thú vị về thế hệ tiếp theo của mạng truyền thông là chúng ta có thể không
hoàn toàn dự đoán được tất cả các phương thức mà chúng sẽ giúp ta thay đổi khả năng
chế tạo và sản xuất. Chúng ta sẽ thấy trước khi hoàn toàn hiểu tất cả những gì các mạng
mới sẽ cho phép chúng ta làm.
Các quản trị viên của nhà máy không được ngồi chơi và ỷ lại vào mạng truyền thông hiện
tại. Họ phải hiểu mạng truyền thông là cơ sở hạ tầng của tương lai, tương tự như các xa lộ
liên tiểu bang của Hoa Kỳ trong thập niên 1950. Nếu chúng ta bỏ qua thực tế này, hoặc
đơn giản chỉ quan tâm với các tính năng mặc định nhà cung cấp gửi cho mà không xem
xét lựa chọn khác, thì nghĩa là đã đặt công ty vào tình thế bất lợi trong cạnh tranh.
Giám sát trực tuyến: Truy cập dễ dàng
Giám sát không dây sử dụng máy chủ OPC mở ra rất nhiều cơ hội theo dõi và tối ưu
mạng vô tuyến. Để hiểu rõ cơ chế hoạt động của hệ thống này chúng ta cần khảo sát các
tham số giám sát then chốt thường được sử dụng. Trong các hệ thống liên lạc cao tần,
liên kết giữa các thiết bị vô tuyến (các điểm truy cập không dây, các cầu hay người dùng)
được thiết lập dựa trên các kênh RF tiền định và thủ tục xác thực. Các thiết bị này thực
hiện truyền hoặc nhận dữ liệu (không đồng thời).
Tín hiệu RF phát đi mang một năng lượng xác định, đo bằng dBm - đơn vị dB của công
suất tính theo miliwatt. Trên đường truyền năng lượng này bị suy hao do khoảng cách

hoặc do có vật chắn trên đường truyền. Tín hiệu nhận được bên thu phải đủ lớn để có thể
giải mã thành công. Độ lớn của tín hiệu nhận được đo bằng RSSI (Bộ chỉ thị độ lớn tín
hiệu nhận).
Một thông số quan trọng khác là nhiễu trên đường truyền. Tín hiệu nhận được phải lớn
gấp một số lần nào đó nhiễu thì mới có thể giải mã được. Độ lớn của nhiễu cũng được
biểu thị bằng dBm.
Tỉ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) là một thông số quan trọng khác, được đo bằng hiệu số
giữa RSSI và nhiễu. Tỉ số SNR càng lớn thì đường truyền càng tin cậy.
Hầu hết các thiết bị vô tuyến công nghiệp đều có thuật toán sửa lỗi vì các gói dữ liệu phát
đi bị thay đổi. Thuật toán sửa lỗi này đảm bảo cho dữ liệu thu chính xác hoặc bên phát
phải truyền lại tín hiệu khi cần. Các công cụ giám sát có thể phản hồi số các gói nhận
đúng và số các gói sai, từ đó tính được xác suất lỗi của kênh truyền, một thông số quan
trọng khác của hệ thống.
Giám sát cũng có thể điều khiển số người dùng trong mạng. Điều thú vị của thuộc tính
này là nó có thể nhanh chóng phát hiện và cảnh báo nếu đường truyền xấu hoặc khi số
người truy cập mạng lớn hơn số lượng cho phép. Đây có thể xem như một hình thức bảo
mật đơn giản. Nó cũng cho phép điều khiển địa chỉ MAC của người dùng, nâng cao tính
bảo mật của hệ thống.
Cuối cùng, số byte truyền đi là một thông số quan trọng vì nó thể hiện tình trạng hiện thời
của mạng. Thông qua việc tính số byte truyền được trong 1 giây và so sánh với dung
năng kênh truyền, ta có thể tính được hiệu suất sử dụng phổ trong hệ thống. Giám sát
không dây có thể có nhiều tính năng khác nữa, nhưng các tính năng trên mang ý nghĩa
then chốt. Các thống số khác có thể được điều khiển bao gồm các điều kiện môi trường
(nhiệt độ, điện áp cung cấp), VSWR rất hữu hiệu trong việc dò tìm anten hoặc dịch tần.
Vận hành một hệ thống giám sát OPC
Chúng ta đã hiểu các tham số quan trọng trong điều khiển mạng. Giờ chúng ta sẽ tìm hiểu
cách thực thi và vận hành một hệ thống giám sát không dây OPC. Hệ thống này chỉ cần
một máy chủ để thu thập các thông số chẩn đoán. Trong mạng Ethernet bất cứ máy nào
cũng có thể làm máy chủ. Một máy chủ sẽ được cài đặt để thu thập dữ liệu trên từ một số
thiết bị vô tuyến nhất định. Tuy nhiên, vì máy chủ chỉ nằm ở một vị trí nhất định trong

mạng, một phần các dữ liệu giám sát được thu thập qua liên kết dây dẫn, một phần qua
kết nối không dây.
Hình 1: Cấu trúc một mạng giám sát không dây
Do đó, nếu một kênh nào đó bị hỏng thì máy chủ sẽ mất thông tin giám sát từ thiết bị đó.
Thông thường máy chủ đươc đặt tại nơi có ít liên kết vô tuyến đến các thiết bị giám sát
nhất để khi một liên kết vô tuyến nào đó hỏng, các thiết bị khác vẫn có thể có liên kết với
máy chủ. Hình 1 minh họa mạng mà máy chủ được đặt ở trung tâm để có thể thu thập
được hết thông tin giám sát và truyền nó đến các người dùng HMI trong vùng lân cận
hoặc ở xa. Các mạng phức tạp hơn sẽ đòi hỏi nhiều hơn một máy chủ OPC để có thể
truyền trực tiếp thông tin giám sát cho nhiều người dùng.
Khi máy chủ hoạt động, nó thường xuyên thăm dò dữ liệu chẩn đoán từ các thiết bị
không dây. Tần số của cuộc thăm dò thường được cấu hình và có thể được đạt tốc độ
100ms hoặc chậm hơn là mỗi 60 giây. Thiết lập này phụ thuộc vào mức độ quan trọng
của việc cập nhật các thông tin này với các ứng dụng và khả năng tắc nghẽn của mạng
không dây. Thời gian cập nhật càng ngắn thì càng tốn nhiều băng thông cho việc giám
sát, và ít băng thông cho các ứng dụng.
Máy chủ sẽ thường xuyên tổ chức dữ liệu giám sát theo tên thiết bị tương ứng với nó và
mỗi thông tin quan trọng này là duy nhất với người dùng OPC. Phần lớn các phần mềm
HMI và SCADA tương thích với OPC và cung cấp một cách truy cập các ứng dụng có
sẵn trong OPC. Khi một nhiệm vụ được khởi tạo từ người dùng, nó sẽ được sử dụng dưới
mọi hình thức ảo mà kĩ sư điều khiển yêu cầu.
Trước khi phát triển dự án hãy cân nhắc đến kiến trúc truyền thông của hệ thống. Đâu là
các liên kết trọng yếu? Điều gì xảy ra nếu một liên kết bị hỏng? Làm sao để khắc phục sự
cố khi nó xảy ra?
Khi kiến trúc mạng đã được hiểu rõ, hãy xem xét đến yêu cầu của mỗi người dùng. Một
công nhân sản xuất chắc chắn không biết gì về RSSI, nhưng anh ta có thể phản hồi tới kĩ
sư nếu HMI thông báo liên kết vô tuyến đã bị đứt. Nếu chỉ có người vận hành một mình
thì HMI có thể chỉ dẫn người cần gặp để liên lạc. Người vận hành chắc chắn biết rằng
liên kết không dây đang hoạt động. Do đó nếu sự cố xảy ra, chắc chắn lỗi không nằm ở
khâu liên lạc.

Ngược lại, một giám đốc kỹ thuật có thể muốn xem tất cả dữ liệu liên quan trên một màn
hình theo dõi cả mạng. Thông tin càng chi tiết thì kỹ sư càng hiểu rõ các thông số. Điều
này rất quan trọng để kết hợp hiển thị HMI cho một tập kĩ năng và kiến thức cho người
dùng.
Phần lớn các gói phần mềm SCADA và HMI hỗ trợ chức năng cảnh báo và chuyến
hướng. Cảnh báo có thể thông báo tới người vận hành, phụ trách vận hành hoặc kỹ sư về
tình trạng hỏng hóc hoặc liên tốc độ bị suy giảm, nhờ vậy các hành động kịp thời sẽ được
thực hiện. Cảnh báo cũng có thể được gửi từ xa (qua internet, mạng di động), đảm báo
tính cập nhật của thông báo.
Chức năng chuyển hướng rất hữu dụng để xem xét lại quá trình hoạt động và phân tích sự
cố. Ví dụ số byte truyền đi có thể được lưu lại theo thời gian để xem xét khi nào yêu cầu
sử dụng trong mạng tăng.
Nó cũng cho phép các thiết bị tự động ( PLCs) truy cập dữ liệu vào trương trình nội tại.
Điều này mở ra khả năng không chỉ cảnh báo tới người vận hành/quản lý khi có sự cố,
mà cho phép chương trình PLC can thiệp vào đó. Ví dụ, nếu một kết nối không dây bị
hỏng thì PLC có thể khởi tạo kết nối không dây dự phòng khác. Trong trường hợp này hệ
thống có thể được khôi phục một cách tự động. Như ta đã thấy, có nhiều cách để sử dụng
giám sát không dây trong hệ thống OPC. Cách sử dụng tốt nhất phụ thuộc vào dạng quy
trình, vào cách mạng không dây được sử dụng và nhu cầu của người dùng.
Ứng dụng 1: Trạm bơm nước thải
Trạm bơm nước thải sử dụng mạng không dây SCADA để kết nối các trạm bơm ở xa. Bộ
xử lý nước thải PLC điều khiển từ xa hoạt động bật, tắt của các trạm bơm, thông qua các
liên kết không dây với khoảng cách có thể lên tới nhiều dặm, do đó có trễ trong điều
khiển các trạm bơm. Hệ thống điều khiển tích hợp được thiết kế dựa trên giám sát không
dây OPC hoạt động theo phương thức như sau:
 Người vận hành thông báo lỗi liên kết
 Thông tin cảnh báo sẽ được gửi tới giám sát thiết bị
 Chuyển hướng RSSI để điều khiển sang tuyến hoạt động khác
Bộ giao diện vận hành hiển thị trạng thái liên kết RF giữa trạm bơm và thiết bị xử lý
nước. Nếu một trạm bơm không khởi động được thì bộ vận hành sẽ nhanh chóng thông

báo nếu liên kết bị đứt. Nếu không, trong trường hợp các vấn đề khác xảy ra, người vận
hành có thể liên hệ với nguời phù hợp để giải quyết vấn đề.
Ứng dụng 2: Hệ thống ống dẫn dầu
Một hệ thống dẫn dầu sử dụng mạng không dây SCADA cho hệ thống đo lưu lượng dầu,
phát hiện rò rỉ và điều khiển van. Do hệ thống dẫn rất dài nên nó phải sử dụng các bộ lặp
Ethernet không dây để mở rộng tầm hoạt động. Mạng SCADA cung cấp quy trình điều
khiển tự động nhờ hệ thống PLC. Người vận hành có thể điều khiển cảnh báo và các van
bằng tay, trong khi hệ thống thu thập dữ liệu về lưu lượng dầu.
Vì hệ thống SCADA là rất quan trọng trong hệ thống dẫn dầu, hệ thống sẽ dùng nhiều bộ
lặp để có bộ dự trữ và kiến trúc mạng hình lưới. Như vậy, nếu một bộ lặp nào đó bị hỏng
thì liên lạc trong mạng vẫn được duy trì.
Hệ thống HMI sử dụng các thẻ OPC để hiển thị và điều khiển các điều kiện RF giữa các
bộ lặp. Hệ thống sẽ nhanh chóng phát hiện nếu một bộ lặp nào đó bị hỏng hoặc có nguy
cơ bị hỏng. Trong trường hợp đứt kết nối, hệ thống RF sẽ tự động sửa chữa, và người vận
hành được thông báo khu vực đó đã bị hỏng, do đó nó sẽ được sửa chữa.
Hệ thống điều khiển có thể được cảnh báo là các bộ lặp RF tạm thời không hoạt động để
có thể kết thúc chu trình an toàn trong trường hợp không có liên lạc.