Mng may tinh va truyn thong hoang minh

MẠNG TRUYỀN THƠNG CƠNG NGHIỆP
Tài liệu tham khảo
[1] Hồng Minh Sơn – Mạng truyền thông công
nghiệp – NXB KH & KT 2001
[2] Nguyễn Thúc Hải – Mạng máy tính và các hệ
thống mở- NXB Giáo dục 1997

1


MẠNG TRUYỀN THƠNG CƠNG NGHIỆP
Nội dung mơn học
Phần lý thuyết cơ bản (45 tiết)

– Khái niệm về mạng truyền thông công nghiệp
– Cơ sở kỹ thuật của mạng truyền thông cơng nghiệp
– Các hệ thống mạng tiêu biểu
• Profibus
• CAN
• DeviceNET
• Modbus
• Interbus-S
• AS-I
– Một số mạng truyền thơng trong thực tế
Phần bài tập lớn (15 tiết)

2


CHƯƠNG 1

KHÁI NIỆM
MẠNG TRUYỀN THÔNG CÔNG NGHIỆP

3


KHÁI NIỆM VỀ MẠNG TTCN
1.1 Mạng truyền thông công nghiệp ?
+ Mạng TTCN là một mạng truyền thông số được sử dụng để kết nối các thiết bị công nghiệp với nhau
+ Mạng TTCN giống mạng viễn thông ở điểm gì ?

- Đều là mạng kết nối các thiết bị truyền dữ liệu với nhau
+

Đặc điểm khác biệt của mạng TTCN với mạng viễn thơng ?

- Mạng viễn thơng có phạm vi địa lý và số lượng thiết bị kết nối lớn nên
các đặc điểm kỹ thuật và đặc điểm yêu cầu khác so với mạng TTCN
- Đối tượng của mạng TTCN là các thiết bị cơng nghiệp cịn đối tượng
của mạng viễn thông bao gồm cả con người và máy tính nhưng con
người đóng vai trị chủ đạo

4


KHÁI NIỆM VỀ MẠNG TTCN
+

Ý nghĩa của mạng TTCN
- Đơn giản hóa cấu trúc của mạng cơng nghiệp

- Giảm giá thành hệ thống
- Cải thiện tính linh hoạt, tính chính xác và mang lại khả năng mở rộng hệ thống một cách linh hoạt
- Dễ dàng chuẩn đoán lỗi hệ thống và trong nhiều trường hợp có khả năng tự sửa lỗi hoặc tự động
chuyển sang chế độ dự phòng
- Nâng cao khả năng tương tác giữa các thành phần
- Ứng dụng điều khiển phân tán, điều khiển giám sát

5


KHÁI NIỆM VỀ MẠNG TTCN
1.2 Đặc trưng của mạng TTCN

6


KHÁI NIỆM VỀ MẠNG TTCN
Hệ thống bus trường có nhiệm vụ kết nối các thiết bị trường là các cơ cấu chấp hành, các sensors tại cấp
trường với các bộ điều khiển ở cấp điều khiển. Hệ thống bus ở cấp này có dung lượng truyền rất ít, chủ
yếu là các tín hiệu và các thơng số điều khiển. Băng thông không cần lớn nhưng cần đáp ứng thời gian
thực
Bus hệ thống kết nối các bộ điều khiển với các máy tính giám sát. Bus hệ thống cũng giống như bus trường
có dung lượng truyền khơng lớn nhưng cần có khả năng đáp ứng thời gian thực để đảm bảo giám sát
các q trình cơng nghệ, kỹ thuật để nhanh chóng đưa ra các quyết định điều khiển một cách chính xác
và kịp thời.
Mạng xí nghiệp là hệ thống mạng kết nối các máy tính giám sát

7

KHÁI NIỆM VỀ MẠNG TTCN
q trình cơng nghệ với hệ thống máy tính quản lý mang tính chất quản lý kinh tế, điều hướng kinh
doanh
Mạng công ty là hệ thống mạng kết nối trong nội bộ các phòng chức năng quản lý kinh tế và kỹ thuật trong
nội bộ công ty. Mạng cơng ty cũng như mạng xí nghiệp có đặc điểm là lượng thông tin cần trao đổi rất
lớn, nó cần trao đổi thơng tin của tồn bộ q trình cơng nghệ ở dưới nên cần có dung lượng cao. Tuy
nhiên, các quyết định điều khiển ở cấp quản lý công ty và cấp điều hành sản xuất chỉ mang tính định
hướng sản xuất, khơng cần tác động ngay vào hệ thống cơng nghệ phía dưới nên nó khơng cần đáp ứng
tính thời gian thực. Người ta có thể sử dụng 1 mạng thông tin viễn thông để thực hiện chức năng của
mạng xí nghiệp và mạng cơng ty

8


CHƯƠNG 2

CƠ SỞ KỸ THUẬT
MẠNG TRUYỀN THÔNG CÔNG NGHIỆP

9


CƠ SỞ KỸ THUẬT
2.1. Thông tin, dữ liệu và hệ thống truyền dữ liệu
Thông tin là thước đo mức nhận thức, sự hiểu biết của một vấn đề, một sự kiện hoặc một hệ thống
Dữ liệu là phần thông tin hữu dụng trong một tập hợp các thông tin về đối tượng, một sự kiện hoặc một vấn
đề
Lượng thông tin là lượng dữ liệu cần thiết để biểu diễn một đơn vị thơng tin
VD: 1 tờ báo có rất nhiều chuyên mục khác nhau. Các nội dung mà bài báo đề cập tới chính là các thơng tin. Người đọc A chỉ
quan tâm đến thể thao, bài viết về thể thao chính là dữ liệu cần thiết đối với A. Số lượng từ trong bài viết chính là lượng

thơng tin. Nếu bài viết trên internet thì dung lượng nKB chính là lượng thông tin để biểu diễn bài báo.

10


CƠ SỞ KỸ THUẬT
Tín hiệu biểu diễn một đại lượng vật lý mang thơng tin. Các tín hiệu thường gặp là tín hiệu quang, tín hiệu
điện, khí nén, thủy lực...
Phân loại tín hiệu

•
•
•
•

Tín hiệu tương tự: có giá trị liên tục trong một khoảng bất kì
Tín hiệu liên rời rạc: Tham số chỉ có giá trị nhất định
Tín hiệu liên tục: tín hiệu có ý nghĩa tại một điểm bất kì trong khoảng thời gian quan tâm
Tín hiệu gián đoạn: Tín hiệu chỉ có giá trị xác định tại những thời điểm xác định. Tại các thời điểm
khác, giá trị của nó là khơng xác định được.

11


CƠ SỞ KỸ THUẬT
Giao tiếp truyền thông là một quá trình trao đổi thơng tin giữa các thiết bị với nhau. Các tín hiệu có thể là tín
hiệu âm thanh, hình ảnh, văn bản hoặc đơn thuần là dữ liệu
Mã hóa/giải mã

12

CƠ SỞ KỸ THUẬT
Thông tin trước khi được truyền đi trên hệ thống truyền dẫn tín hiệu phải trải qua q trình mã hóa. Với
bên nhận thơng tin, các thơng tin nhận được sẽ được giải mã.
Q trình mã hóa ít nhất phải trải qua 2 bước

•

Mã hóa nguồn: là q trình thơng tin được bổ xung các thơng tin phụ trợ cần thiết cho truyền dẫn như
địa chỉ nguồn tin, địa chỉ đích đến, kiểm sốt lỗi, số lượng gói tin,...

•

Mã hóa đường truyền: là q trình chuyển đổi thơng tin đã được mã hóa nguồn thành dạng tín hiệu có
thể truyền đi trong mơi trường truyền dẫn(điều chế & điều biến)

Quá trình giải mã là quá trình chuyển tín hiệu nhận được thành dữ liệu tương ứng, loại bỏ các thông tin
thừa để xây dựng lại nguồn tin

13


CƠ SỞ KỸ THUẬT
Các tham số của quá trình truyền thơng

•
•
•

Tốc độ truyền, tốc độ bit

v = f *n

Thời gian bit, chu kỳ bit
Thời gian lan truyền tín hiệu
Trong đó:

TB =
TS =

l – chiều dài dây dẫn

1
v

l
k *c

c – Tốc độ ánh sáng trong chân không
k – hệ số giảm tốc độ truyền do lớp cách li
hằng số điện môi của lớp cách li

k=

1
ε

ε

14


CƠ SỞ KỸ THUẬT
Tính năng thời gian thực: tính thời gian thực là tính chất kịp thời của hệ thống. Điều này có nghĩa là các
quyết định xảy ra trong hệ thống khơng những cần sự chính xác mà cịn cần đến thời điểm đưa ra quyết
định.
Những yêu cầu đảm bảo tính thời gian thực

•
•
•
•

Độ nhanh nhạy
Tính tiền định
Độ tin cậy, kịp thời
Tính bền vững

15


CƠ SỞ KỸ THUẬT
2.2 Chế độ truyền tải
A, Phân loại chế độ truyền tải
Phân loại theo phương pháp truyền bit

Phương pháp Truyền song song
truyền bit

Truyền nối tiếp

Nguyên tắc

Ưu điểm

Nhiều bit được truyền đi đồng Cách thực hiện đơn giản, độ tin cậy
thời
của dữ liệu cao

Nhược điểm

Giá thành cao

Ứng dụng

Khoảng cách nhỏ cần yêu cầu Thường được sử dụng trong các
cao về thời gian và tốc độ truyền mạng công nghiệp

Tốc độ truyền bị hạn chế
16


CƠ SỞ KỸ THUẬT
Phân loại theo chế độ truyền

Chế độ truyền Truyền đồng bộ

Truyền không đồng bộ

Nguyên tắc

Các đối tác truyền thông hoạt động
theo cùng một xung nhịp, tức là
cùng một tần số với độ lệch pha nhất
định
Một trạm giữ vai trò tạo nhịp và
truyền đến các trạm khác theo hệ
thống dây dẫn

Bên gửi và bên nhận hoạt động
không theo một nhịp chung, dữ
liệu trao đổi theo 1 nhóm có dung
lượng 7 hoặc 8 bit
Các nhóm được truyền đi vào
những thời điểm khơng đều nhau

Ưu điểm

Kiểm sốt được tốc độ hoạt động Hoạt động đơn giản, dễ áp dụng
của tất cả các trạm trong hệ thống

Nhược điểm

Khó áp dụng với hệ thống có số Lượng thơng tin truyền đi lớn do
lượng thiết bị lớn và khoảng cách xa phải thêm các trường bổ trợ
truyền thông

Ứng dụng

Thường được áp dụng truyền giữa 2 Hầu hết các trường hợp trong
thiết bị
công nghiệp
17


CƠ SỞ KỸ THUẬT
B, Các chế độ truyền tải

CĐ T Tải

Simplex

Half-Duplex

Full-Duplex

Ưu điểm

Đơn giản

Dữ liệu truyền 2 hướng
Khơng địi hỏi cấu hình
phức tạp, có thể đạt được
tốc độ cao

Dữ liệu truyền trên các
đường độc lập nên 1
trạm có thể thu phát
đồng thời

Nhược
điểm

Không áp dụng được Tại 1 thời điểm chỉ truyền Phải dùng 2 đường
trong công nghiệp
theo 1 hướng
truyền riêng cho 1 liên
kết

Ứng dụng

Gần như khơng có ứng Thường dùng trong liên
dụng trong cơng nghiệp kết điểm-nhiều điểm.
Được dùng phổ biến
trong
cơng
nghiệp
(RS485)

Ngun
tắc

Thích hợp trong liên kết
nhiều điểm-nhiều điểm.
Ứng dụng trong cấu trúc
mạch vịng và cấu trúc
hình sao
18

CƠ SỞ KỸ THUẬT
Truyền tải dải cơ sở, dải mang và dải rộng

Truyền tải dải cơ sở

Truyền tải dải mang

Truyền tải dải rộng

Nguyên
tắc

Tín hiệu truyền đi là tín
hiệu được tạo ra sau khi
mã hóa, có tần số cố định
hoặc nằm trong một
khoảng hẹp nào đó gọi là
dải cơ sở

Tín hiệu truyền đi là tín
hiệu được điều chế lên 1
dải tần số thích hợp,
thơng thường có tần số
cao

1 tín hiệu chứa nhiều
nguồn thơng tin bằng
cách kết hợp thơng
minh. Mỗi tín hiệu được

tạo ra lại được sử dụng
để điều biến 1 tín hiệu
khác

Ưu điểm

Đơn giản, dễ thực hiện, Khắc phục ảnh hưởng Tốc độ cao
tin cậy
nhiễu xạ từ các thiết bị Truyền song song nhiều
điện tử
nguồn tin

Nhược
điểm

Đường truyền chỉ mang Đường truyền chỉ mang
1 kênh thông tin duy 1 kênh thông tin duy
nhất, mọi thành viên phải nhất
phân chia thời gian sử
dụng
Tốc độ hạn chế

Giá thành cao
Tính thời gian thực kém
Chủ yếu dùng trong
mạng viễn thông, không
được sử dụng trong
mạng công nghiệp
19

CƠ SỞ KỸ THUẬT
2.3 Cấu trúc mạng
Các khái niệm
Liên kết là mối quan hệ vật lý hoặc logic giữa hai hay nhiều đối tác truyền thông. Đối tác truyền thông có thể
là một thiết bị phần cứng nhưng cũng có thể là một đối tượng phần mềm.
Các loại liên kết

•
•
•

Liên kết điểm – điểm
Liên kết điểm – Nhiều điểm
Liên kết nhiều điểm – Nhiều điểm

Topology là tổng hợp các liên kết mạng, tức là nó là cách sắp xếp, tổ chức về mặt vật lý hoặc cách sắp xếp về
mặt logic của các nút mạng

20


CƠ SỞ KỸ THUẬT
Cấu trúc bus

Cấu trúc daisy-chain

Cấu trúc truck-line/drop-line

Cấu trúc mạch vịng khơng tích cực

21


CƠ SỞ KỸ THUẬT
Ưu điểm

Nhược điểm

• Tiết kiệm dây dẫn
• Địi hỏi phương pháp truy cập bus
• Đơn giản, dễ thực hiện
• Phải thực hiện gán địa chỉ logic
• Một trạm hỏng không ảnh hưởng theo kiểu thủ công cho từng trạm
các trạm cịn lại
• Số trạm trong một đoạn mạng hạn
chế
• Có hiện tượng phản xạ tại mỗi đầu
dây, do đó phải tăng trở đầu cuối, điều
này làm tăng tải hệ thống
• Mạng bị dừng hoạt động nếu bị lỗi
đứt dây mạng
• Khó sử dụng các cơng nghệ truyền
dẫn quang

22


CƠ SỞ KỸ THUẬT
Cấu trúc mạch vịng tích cực
Các thành viên trong mạch vịng tích cực được nối từ điểm này đến điểm kia một cách tuần tự trong một mạch vịng

khép kín. Mỗi trạm nhận dữ liêu từ trạm đứng trước và chuyển sang trạm kế tiếp. Quá trình được lặp đi lặp lại cho
đến khi dữ liệu quay về trạm đá gửi

Khơng có điều khiển trung tâm

Có điều khiển trung tâm

23


CƠ SỞ KỸ THUẬT
Ưu điểm

Nhược điểm

• Mỗi nút mạng đồng thời có thể
là một bộ khuếch đại nên khoảng
cách và số lượng thiết bị lớn
• Thích hợp sử dụng các phương
tiện truyền tín hiệu hiện đại như
truyền dẫn quang
• Việc gán địa chỉ các thiết bị
mạng có thể thực hiện hồn tồn tự
động
• Có khả năng xác định vị trí xảy
ra sự cố

• Nếu xảy ra sự cố thì ảnh hưởng
đến hoạt động của tồn hệ thống
nên cần phải có các đường dây dự

phòng

24


CƠ SỞ KỸ THUẬT

Lỗi trên đường dây

Lỗi tại trạm

Bộ chuyển mạch by-pass trong mạch vòng

25