BÁO CÁO BÀI TIỂU LUẬN Môn: Kiến trúc máy tính và mạng truyền thông công nghiệp

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ-ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI KHOA CƠ HỌC KĨ THUẬT VÀ TỰ ĐỘNG HÓA BÁO CÁO BÀI TIỂU LUẬN Mơn kiến trúc máy tính mạng truyền thông công nghiệp Giảng viên : Đặng Anh Việt Nhóm thực : An Quang Huy MSSV: 17020317 Nguyễn Huy Hồng MSSV: 17020302 Nội dung mơn học Các khái niệm Cấu trúc mạng Kiến trúc giao thức Truy nhập bus Mã hóa bảo tồn liệu Truyền dẫn tín hiệu Các thành phần mạng Các hệ thống bus tiêu biểu Modbus 10 CAN 11 DeviceNet 12 PROFIBUS PHẦN I, Các khái niệm Giới thiệu 1.1 Mạng truyền thơng cơng nghiệp gì? • Truyền thông khái niệm dùng để trao đổi thông tin đối tác (communications partner) với • Mạng truyền thơng cơng nghiệp (TTCN) khái niệm chung hệ thống mạng truyền thông số, truyền bit nối tiếp, sử dụng để ghép nối thiết bị công nghiệp Mạng TTCN yêu cầu độ tin cậy, tính thời gian thực khả tương thích với mơi trường cơng nghiệp 1.2 Vai trị mạng truyền thơng cơng nghiệp Sử dụng mạng truyền thông công nghiệp, đặc biệt bus trường để thay cách nối điểm-điểm cổ điển thiết bị cơng nghiệp mang lại hàng loạt lợi ích sau: • Đơn giản hóa cấu trúc liên kết thiết bị công nghiệp: Một số lượng lớn thiết bị thuộc chủng loại khác ghép nối với thông qua đường truyền • Tiết kiệm dây nối cơng thiết kế, lắp đặt hệ thống: Nhờ cấu trúc đơn giản, việc thiết kế hệ thống trở nên dễ dàng nhiều • Nâng cao độ tin cậy độ xác thơng tin: Khi dùng phương pháp truyền tín hiệu tương tự cổ điển, tác động nhiễu dễ làm thay đổi nội dung thông tin mà thiết bị khơng có cách nhận biết • Nhờ kỹ thuật truyền thơng số, khơng thơng tin truyền khó bị sai lệch hơn, mà thiết bị nối mạng cịn có thêm khả tự phát lỗi chẩn đốn lỗi có • Nâng cao độ linh hoạt, tính mở hệ thống: Một hệ thống mạng chuẩn hóa quốc tế tạo điều kiện cho việc sử dụng thiết bị nhiều hãng khác • Đơn giản hóa/tiện lợi hóa việc tham số hóa, chẩn đoán, định vị lỗi, cố thiết bị : Với đường truyền nhất, thiết bị trao đổi liệu trình, mà cịn gửi cho liệu tham số, liệu trạng thái, liệu cảnh báo liệu chẩn đốn Các thiết bị tích hợp khả tự chẩn đốn, trạm mạng có khả cảnh giới lẫn 1.3 Phân loại Để xếp, phân loại phân tích đặc trưng hệ thống mạng truyền thơng cơng nghiệp, ta dựa vào mơ hình phân cấp quen thuộc cho cơng ty, xí nghiệp sản xuất Truyền thơng, truyền liệu truyền tín hiệu Mã hóa/Giải mã +) Hình minh họa ngun tắc truyền thông Thông tin cần trao đổi đối tác mã hóa trước hệ thống truyền dẫn tín hiệu chuyển tới phía bên +) Q trình ngược lại với mã hóa giải mã, tức chuyển đổi tín hiệu nhận thành dãy bit tương ứng sau xử lý, loại bỏ thông tin bổ sung để tái tạo thơng tin nguồn • Tốc độ truyền tốc độ bit +) Baud: số lần tín hiệu thay đổi thông tin/giây +) Bps: số bit liệu truyền đi/giây • Tính thời gian thực +) Độ nhanh nhạy: tốc độ truyền thơng tin hữu ích đủ nhanh +) Tính tiền định: Dự đốn thời gian phản ứng tiêu biểu thời gian phản ứng chậm +) Độ tin cậy, kịp thời: đảm bảo tổng thời gian vận chuyển liệu tin cậy trạm khoảng cho phép +) Tính bền vững: khả xử lý cố thích hợp Chế độ truyền tải • Truyền bit song song truyền bit nối tiếp Phương pháp truyền bit song song dùng phổ biến bus nội máy tính bus địa chỉ, bus liệu bus điều khiển Tốc độ truyền tải phụ thuộc vào số kênh dẫn, độ rộng bus song song, ví dụ bit, 16 bit, 32 bit hay 64 bit Với phương pháp truyền bi nối tiếp, bit chuyển cách qua đường truyền (Hình 2.5b) Tuy tốc độ bit bị hạn chế, cách thực lại đơn giản, độ tin cậy liệu cao Tất mạng truyền thông công nghiệp sử dụng phương pháp truyền • Truyền đồng khơng đồng +) Trong chế độ truyền đồng bộ, đối tác truyền thông làm việc theo nhịp, tức với tần số độ lệch pha cố định Có thể qui định trạm có vai trị tạo nhịp dùng đường dây riêng mang nhịp đồng cho trạm khác +) Với chế độ truyền không đồng bộ, bên gửi bên nhận không làm việc theo nhịp chung Dữ liệu trao đổi thường chia thành nhóm bit, gọi ký tự Các ký tự chuyển vào thời điểm khơng đồng đều, cần thêm hai bit để đánh dấu khởi đầu kết thúc cho ký tự • Truyền chiều truyền hai chiều PHẦN II, Cấu trúc mạng – Topology Cấu trúc bus Trong cấu trúc đơn giản này, tất thành viên mạng nối trực tiếp với đường dẫn chung Đặc điểm cấu trúc bus việc sử dụng chung đường dẫn cho tất trạm, tiết kiệm cáp dẫn cơng lắp đặt | Có thể phân biệt ba kiểu cấu hình cấu trúc bus: daisy-chain trunk-line/dropline mạch vòng khơng tích cực (Hình 2.7) Hai cấu hình đầu xếp vào kiểu cấu trúc đường thẳng, hai đầu đường truyền khơng khép kín Với daisy-chain, trạm nối mạng trực tiếp giao lộ hai đoạn dây dẫn, không qua đoạn dây nối phụ Ngược lại, cấu hình trunkline/drop-line, trạm nối qua đường nhánh (drop-line) để đến đường trục (trunk-line) Cịn mạch vịng khơng tích cực thực chất khác với trunkline/drop-line chỗ đường | truyền khép kín Bên cạnh việc tiết kiệm dây dẫn tính đơn giản, dễ thực ưu điểm cấu trúc bus, nhờ mà cấu trúc phổ biến hệ thống mạng truyền thông công nghiệp Trường hợp trạm không làm việc (do hỏng hóc, cắt nguồn, ) khơng ảnh hưởng tới phần mạng lại Một số hệ thống cho việc tách trạm khỏi mạng thay trạm hệ thống hoạt động bình thường Tuy nhiên việc dùng chung đường dẫn đòi hỏi phương pháp phân chia thời gian sử dụng thích hợp để tránh xung đột tín hiệu - gọi phương pháp truy nhập môi trường hay truy nhập bus Nguyên tắc truyền thông thực sau: thời điểm định có thành viên mạng gửi tín hiệu, cịn thành viên khác có quyền nhận Ngồi việc cần phải kiểm sốt truy nhập mơi trường, cấu trúc bus có nhược điểm sau: • Một tín hiệu gửi tới tất trạm theo trình tự khơng kiểm sốt được, phải thực phương pháp gán địa (logic) theo kiểu thủ công cho trạm Trong thực tế, công việc gán địa gây khơng khó khăn • Tất trạm có khả phát phải luôn “nghe” đường dẫn để phát thơng tin có phải gửi cho hay không, nên phải thiết kế cho đủ tải với số trạm tối đa Đây lý phải hạn chế số trạm đoạn mạng Khi cần mở rộng mạng, phải dùng thêm lặp • Chiều dài dây dẫn thường tương đối dài, cấu trúc đường thẳng xảy tượng phản xạ đầu dây làm giảm chất lượng tín hiệu Để khắc phục vấn đề người ta chặn hai đầu dây hai trở đầu cuối Việc sử dụng trở đầu cuối làm tăng tải hệ thống • Trường hợp đường dẫn bị đứt, ngắn mạch phần kết nối bus trạm bị hỏng dẫn đến ngừng hoạt động hệ thống Việc định vị lỗi gặp nhiều khó khăn • Cấu trúc đường thẳng, liên kết đa điểm gây khó khăn việc áp dụng cơng nghệ truyền tín hiệu sử dụng cáp quang Một số ví dụ mạng cơng nghiệp tiêu biểu có cấu trúc bus PROFIBUS, CAN, WorldFIP, Foundation Fieldbus, LonWorks, AS-i Ethernet 2 Cấu trúc mạch vịng (tích cực) +) Cấu trúc mạch vịng thiết kế cho thành viên mạng nối từ điểm đến điểm cách mạch vịng khép kín Mỗi thành viên tham gia tích cực vào việc kiểm sốt dịng tín hiệu Khác với cấu trúc đường thẳng, tín hiệu truyền theo chiều qui định Mỗi trạm nhận liệu từ trạm đứng trước chuyển tiếp sang trạm lân cận đứng sau +) Quá trình lặp lại tới liệu quay trở trạm gửi, hủy bỏ +) Một kỹ thuật khác áp dụng xử lý cố trạm dùng chuyển mạch by-pass tự động, minh họa Hình 2.10 Mỗi trạm thiết bị đấu với mạch vòng nhờ chuyển mạch Trong trường hợp cố xảy ra, chuyển mạch tự động phát ngắn mạch, bỏ qua thiết bị nối mạng qua Cấu trúc mạch vịng sử dụng số hệ thống có độ tin cậy cao INTERBUS, Token-Ring (IBM) đặc biệt FDDI 3 Cấu trúc hình +) Cấu trúc hình cấu trúc mạng có trạm trung tâm quan trọng tất nút khác, nút điều khiển hoạt động truyền thơng tồn mạng Các thành viên khác kết nối gián tiếp với qua trạm trung tâm Tương tự cấu trúc mạch vịng, nhận thấy kiểu liên kết mặt vật lý điểm-điểm Tuy nhiên, liên kết mặt logic nhiều điểm Nếu trạm trung tâm đóng vai trị tích cực, đảm đương nhiệm vụ kiểm sốt tồn việc truyền thơng mạng, cịn khơng chuyển mạch +) Một nhược điểm cấu trúc hình cố trạm trung tâm làm tê liệt toàn hoạt động truyền thơng mạng Vì vậy, trạm trung tâm thường phải có độ tin cậy cao Người ta phân biệt hai loại trạm trung tâm: trạm tích cực trạm thụ động Một trạm thụ động có vai trị trung chuyển thơng tin, trạm tích cực kiểm sốt tồn hoạt động giao tiếp mạng +) Một nhược điểm cấu trúc hình tốn dây dẫn, khoảng trung bình trạm nhỏ khoảng cách từ chúng tới trạm trung tâm Đương nhiên, hệ thống viễn thông tránh khỏi phải dùng cấu trúc Đối với mạng truyền thông công nghiệp, cấu trúc hình tìm thấy phạm vi nhỏ, ví dụ chia, thường dùng vào mục đích mở rộng cấu trúc khác Lưu ý rằng, nhiều trường hợp mạng cấu trúc hình mặt vật lý lại có cấu trúc logic hệ bus, trạm tự liên lạc khơng có tồn trạm trung tâm Chính hệ thống mạng Ethernet cơng nghiệp ngày sử dụng phổ biến cấu trúc kết hợp với kỹ thuật chuyển mạch phương pháp truyền dẫn tốc độ cao Cấu trúc +) Cấu trúc thực chất cấu trúc Một mạng có cấu trúc liên kết nhiều mạng có cấu trúc đường thẳng, mạch vịng hình Hình 2.12 minh họa Đặc trưng cấu trúc phân cấp đường dẫn Để chia từ đường trục đường nhánh, dùng nối tích cực (active coupler), muốn tăng số trạm phạm vi mạng đồng dùng lặp (repeater) Trong trường hợp mạng hồn tồn khác loại phải dùng tới liên kết mạng khác bridge, router gateway Một số hệ thống cho phép xây dựng cấu trúc cho mạng đồng LonWorks, DeviceNet AS-i PHẦN III Truy nhập bus Các phương pháp truy nhập bus 1.1 Chủ/tớ (master/slave) +) Một trạm chủ, nhiều trạm tớ +) Trạm chủ kiểm sốt tồn truy nhập bus +) Có thể sử dụng hỏi (polling) +) Độ tin cậy hệ thống phụ thuộc hoàn toàn vào trạm chủ 1.2 TDMA (Time Division Multiple Access) +) Mỗi trạm phân khoảng thời gian truy nhập bus xác định +) Có thể có trạm chủ với vai trị kiểm soát lát thời gian 1.3 Token Passing +) Bức điện đặc biệt: Token +) Trạm giữ Token quyền truy nhập bus +) Chuyển Token sang trạm khác theo trình tự xác định +) Kết hợp Master/Slave thành Multi-Master 1.4 CSMA/CD +) Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection +) Mỗi trạm tự nghe đường dẫn, truyền tín hiệu đường dẫn rỗi +) Nghe so sánh tín hiệu lúc truyền, tránh xung đột +) Khi xung đột, hủy điện, đợi khoảng thời gian ngẫu nhiên, thử gửi lại +) Có điều kiện ràng buộc tốc độ truyền, chiều dài điện chiều dài dây dẫn +) Thời gian gửi điện lớn hai lần thời gian lan truyền tín hiệu +) Hiệu suất đường truyền thấp, không xác định tương đối xác thời gian phản ứng +) Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance +) Mã hóa bit thích hợp, tín hiệu trội lặn ( Nguồn tư liệu : Slide dạy môn Mạng truyền thông công nghiệp PGS.TS Hoàng Minh Sơn https://www.slideshare.net/huongnguyen828/mng-truyn-thng-cng-nghip-77521774 ) ... 1.1 Mạng truyền thông cơng nghiệp gì? • Truyền thơng khái niệm dùng để trao đổi thông tin đối tác (communications partner) với • Mạng truyền thơng công nghiệp (TTCN) khái niệm chung hệ thống mạng. .. thống mạng truyền thông công nghiệp, ta dựa vào mơ hình phân cấp quen thuộc cho cơng ty, xí nghiệp sản xuất Truyền thơng, truyền liệu truyền tín hiệu Mã hóa/Giải mã +) Hình minh họa ngun tắc truyền. .. thơng công nghiệp Sử dụng mạng truyền thông công nghiệp, đặc biệt bus trường để thay cách nối điểm-điểm cổ điển thiết bị công nghiệp mang lại hàng loạt lợi ích sau: • Đơn giản hóa cấu trúc liên