MẠNG TRUYỀN THƠNG CƠNG NGHIỆP PGS.TS Hồng Minh Sơn Bộ môn Điều khiển tự động Khoa Điện - Đại học Bách khoa Hà Nội i MỤC LỤC Mở đầu Mạng truyền thơng cơng nghiệp gì? Vai trị mạng truyền thông công nghiệp Phân loại đặc trưng hệ thống MCN Tài liệu tham khảo 1 Chương 2: Cơ sở kỹ thuật 2.1 Các khái niệm 2.1.1 Thông tin, liệu tín hiệu 2.1.2 Truyền thơng, truyền liệu truyền tín hiệu 2.2 Chế độ truyền tải 2.2.1 Truyền bit song song truyền bit nối tiếp 2.2.2 Truyền đồng không đồng 2.2.3 Truyền chiều truyền hai chiều 2.2.4 Truyền tải dải sở, dải mang dải rộng 2.3 Cấu trúc mạng - Topology 2.3.1 Cấu trúc bus 2.3.2 Cấu trúc mạch vịng (tích cực) 2.3.3 Cấu trúc hình 2.3.4 Cấu trúc 2.4 Truy nhập bus 2.4.1 Đặt vấn đề 2.4.2 Chủ/tớ (Master/Slave) 2.4.3 TDMA 2.4.4 Token Passing 2.4.5 CSMA/CD 2.4.6 CSMA/CA 2.5 Bảo toàn liệu 2.5.1 Đặt vấn đề 2.5.2 Bit chẵn lẻ (Parity bit) 2.5.3 Bit chẵn lẻ chiều 2.5.4 CRC 2.5.5 Nhồi bit (Bit Stuffing) 2.6 Mã hóa bit 2.6.1 Các tiêu chuẩn mã hóa bit 2.6.2 NRZ, RZ 2.6.3 Mã Manchester 7 12 12 12 13 14 16 16 17 19 20 21 21 23 24 25 26 28 31 31 33 34 36 38 40 40 41 42 Chương 1: 1.1 1.2 1.3 1.4 ii 2.6.4 AFP 2.6.5 FSK 2.7 Kỹ thuật truyền dẫn 2.7.1 Phương thức truyền dẫn tín hiệu 2.7.2 RS-232 2.7.3 RS-422 2.7.4 RS-485 2.7.5 MBP (IEC 1158-2) 2.8 Kiến trúc giao thức 2.8.1 Dịch vụ truyền thông 2.8.2 Giao thức 2.8.3 Mơ hình lớp 2.8.4 Kiến trúc giao thức OSI 2.8.5 Kiến trúc giao thức TCP/IP 2.9 Tài liệu tham khảo 42 43 44 45 47 50 51 57 59 59 59 62 63 70 73 Chương 3: Các thành phần hệ thống mạng 3.1 Phương tiện truyề n dẫn 3.1.1 Đôi dây xoắn 3.1.2 Cáp đồng trục 3.1.3 Cáp quang 3.1.4 Vô tuyến 3.2 Giao diện mạng 3.2.1 Cấu trúc giao diện mạng 3.2.2 Ghép nối PLC 3.2.3 Ghép nối PC 3.2.4 Ghép nối vào/ra phân tán 3.2.5 Ghép nối thiết bị trường 3.3 Phần mềm hệ thống mạng 3.3.1 Phần mềm giao thức 3.3.2 Phần mềm giao diện lập trình ứng dụng 3.4 Thiết bị liên kết mạng 3.4.1 Bộ lặp 3.4.2 Cầu nối 3.4.3 Router 3.4.4 Gateway 3.5 Các linh kiện mạng khác 3.6 Tài liệu tham khảo 74 74 75 77 78 80 82 82 84 85 87 88 90 90 91 93 93 94 95 96 98 100 Chương 4: Các hệ thống bus tiêu biểu 4.1 PROFIBUS 4.1.1 Kiến trúc giao thức 101 101 102 iii 4.1.2 Cấu trúc mạng kỹ thuật truyền dẫn 4.1.3 Truy nhập bus 4.1.4 Dịch vụ truyền liệu 4.1.5 Cấu trúc điện 4.1.6 PROFIBUS-FMS 4.1.7 PROFIBUS-DP 4.1.8 PROFIBUS-PA 4.1.9 Tài liệu tham khảo 4.2 Modbus 4.2.1 Cơ chế giao tiếp 4.2.2 Chế độ truyền 4.2.3 Cấu trúc điện 4.2.4 Bảo toàn liệu 4.2.5 Tài liệu tham khảo 4.3 Foundation Fieldbus 4.3.1 Kiến trúc giao thức 4.3.2 Cấu trúc mạng kỹ thuật truyền dẫn 4.3.3 Cơ chế giao tiếp 4.3.4 Cấu trúc điện 4.3.5 Dịch vụ giao tiếp 4.3.6 Khối chức ứng dụng 4.3.7 Tài liệu tham khảo 4.4 Ethernet 4.4.1 Kiến trúc giao thức 4.4.2 Cấu trúc mạng kỹ thuật truyền dẫn 4.4.3 Cơ chế giao tiếp 4.4.4 Cấu trúc điện 4.4.5 Truy nhập bus 4.4.6 Hiệu suất đường truyền tính thời gian thực 4.4.7 Mạng LAN 802.3 chuyển mạch 4.4.8 Fast Ethernet 4.4.9 High Speed Ethernet 4.4.10 Industrial Ethernet 4.4.11 Tài liệu tham khảo Chương 5: Thiết kế hệ thống mạng 5.1 Thiết kế hệ thống mạng 5.1.1 Phân tích yêu cầu 5.1.2 Các bước tiến hành 5.2 Đánh giá lựa chọn giải pháp mạng 5.2.1 Đặc thù cấp ứng dụng 103 105 105 107 109 111 117 119 120 120 122 123 125 126 127 127 128 130 132 132 134 136 137 137 138 140 140 141 142 142 143 144 146 146 147 147 147 148 150 150 iv 5.2.2 5.2.3 5.2.4 Đặc thù lĩnh vực ứng dụng Yêu cầu kỹ thuật chi tiết Yêu cầu kinh tế 151 152 153 Chương1: Mở đầu Chương 1: Mở đầu 1.1 Mạng truyền thông công nghiệp gì? Mạng truyền thơng cơng nghiệp hay mạng cơng nghiệp (MCN) khái niệm chung hệ thống mạng truyền thông số, truyền bit nối tiếp, sử dụng để ghép nối thiết bị công nghiệp Các hệ thống truyền thông công nghiệp phổ biến cho phép liên kết mạng nhiều mức khác nhau, từ cảm biến, cấu chấp hành cấp trường máy tính điều khiển, thiết bị quan sát, máy tính điều khiển giám sát máy tính cấp điều hành xí nghiệp, quản lý công ty Về sở kỹ thuật, mạng công nghiệp hệ thống mạng viễn thơng có nhiều điểm tương đồng, nhiên có điểm khác biệt sau: • Mạng viễn thơng có phạm vi địa lý số lượng thành viên tham gia lớn nhiều, nên yêu cầu kỹ thuật (cấu trúc mạng, tốc độ truyền thơng, tính thời gian thực, ) khác, phương pháp truyền thông (truyền tải dải rộng/dải sở, điều biến, dồn kênh, chuyển mạch, ) thường phức tạp nhiều so với mạng cơng nghiệp • Đối tượng mạng viễn thơng bao gồm người thiết bị kỹ thuật, người đóng vai trị chủ yếu Vì dạng thông tin cần trao đổi bao gồm tiếng nói, hình ảnh, văn liệu Đối tượng mạng công nghiệp túy thiết bị công nghiệp, nên dạng thông tin quan tâm liệu Các kỹ thuật công nghệ dùng mạng viễn thông phong phú, kỹ thuật truyền liệu theo chế độ bit nối tiếp đặc trưng mạng công nghiệp Mạng truyền thông công nghiệp thực chất dạng đặc biệt mạng máy tính, so sánh với mạng máy tính thơng thường điểm giống khác sau: • Kỹ thuật truyền thông số hay truyền liệu đặc trưng chung hai lĩnh vực • Trong nhiều trường hợp, mạng máy tính sử dụng cơng nghiệp coi phần (ở cấp điều khiển giám sát, điều hành sản xuất quản lý công ty) mơ hình phân cấp mạng cơng nghiệp • Yêu cầu tính thời gian thực, độ tin cậy khả tương thích mơi trường cơng nghiệp mạng truyền thông công nghiệp cao so với Bài giảng: Mạng truyền thơng cơng nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội Chương1: Mở đầu mạng máy tính thơng thường, mạng máy tính thường địi hỏi cao độ bảo mật • Mạng máy tính có phạm vi trải rộng khác nhau, ví dụ nhỏ mạng LAN cho nhóm vài máy tính, lớn mạng Internet Trong nhiề u trường hợp, mạng máy tính gián tiếp sử dụng dịch vụ truyền liệu mạng viễn thơng Trong đó, hệ thống mạng cơng nghiệp thường có tính chất độc lập, phạm vi hoạt động tương đối hẹp Sự khác phạm vi mục đích sử dụng hệ thống mạng truyền thông công nghiệp với hệ thống mạng viễn thông mạng máy tính dẫn đến khác yêu cầu mặt kỹ thuật kinh tế Ví dụ, yêu cầu kết nối nhiều máy tính khác cho nhiều phạm vi ứng dụng khác nhau, kiến trúc giao thức mạng máy tính phổ thông thường phức tạp so với kiến trúc giao thức mạng công nghiệp Đối với hệ thống truyền thông công nghiệp, đặc biệt cấp u cầu tính thời gian thực, khả thực đơn giản, giá thành hạ lại đặt hàng đầu Bài giảng: Mạng truyền thơng cơng nghiệp © 2008, Hồng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội Chương1: Mở đầu 1.2 Vai trò mạng truyền thông công nghiệp Sử dụng mạng truyề n thông công nghiệp, đặc biệt bus trường để thay cách nối điểm-điểm c ổ điể n thiết bị công 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 Một số lượng lớn cáp truyền thay đường nhất, giảm chi phí đáng kể cho ngun vật liệu cơng lắp đặt • 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 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 đoán lỗi có Hơn nữa, việc bỏ qua nhiều lần chuyển đổi qua lại tương tự-số số-tương tự nâng cao độ xác thơng tin • 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 Việc thay thiết bị, nâng cấp mở rộng phạm vi chức hệ thống dễ dàng nhiều Khả tương tác thành phần (phần cứng phần mềm) nâng cao nhờ giao diện chuẩn • Đơn giản hóa/tiện lợi hóa việc tham số hóa, chẩn đốn, định vị lỗi, cố thiết bị : Với đường truyền nhất, khơng thiết bị trao đổi liệu q 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 đoán, trạm mạ ng có khả cảnh giới lẫn Việc cấu hình hệ thống, lập trình, tham số hóa, chỉnh định thiết bị đưa vào vận hành thực từ xa qua trạm kỹ thuật trung tâm • Mở nhiều chức khả ứng dụng hệ thống: Sử dụng mạng truyền thông công nghiệp cho phép áp dụng kiến trúc điều khiển điều khiển phân tán, điều khiển phân tán với thiết bị trường, điều khiển giám sát chẩn đốn lỗi từ xa qua Internet, tích hợp thông tin hệ thống điều khiển giám sát với thông tin điều hành sản xuất quản lý công ty Bài giảng: Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội Chương1: Mở đầu 1.3 Phân loại đặc trưng hệ thống MCN 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, minh trờn Hỡnh 1.1 Quản lý công ty Mạng công ty Đ iều hành sản xuất Mạng xí nghiệp Đ iều khiển giám sát Đ iều khiển Chấp hành Bus hệ thống Bus trình Bus điều khiển Bus trờng Bus thiết bị Bus cảm biến / chấp hành Hình 1.1: Mơ hình phân cấp chức cơng ty sản xuất công nghiệp Tương ứng với năm cấp chức bốn cấp hệ thống truyền thông Từ cấp điều khiển giám sát trở xuống thuật ngữ “bus” thường dùng thay cho “mạng”, với lý phần lớn hệ thống mạng phía có cấu trúc vật lý hoặ c logic kiểu bus (xem phần 2.5) Bus trường, bus thiết bị Bus trường (fieldbus) thực khái niệm chung dùng ngành công nghiệp chế biến để hệ thống bus nối tiếp, sử dụng kỹ thuật truyền tin số để kết nối thiết bị thuộc cấp điều khiển (PC, PLC) với với thiết bị cấp chấp hành, hay thiết bị trường Các chức cấp chấp hành đo lường, truyền động chuyển đổi tín hiệu trường hợp cần thiết Các thiết bị có khả nối mạng vào/ra phân tán (distributed I/O), thiết bị đo lường (sensor, transducer, transmitter) cấu chấp hành (actuator, valve) có tích hợp khả xử lý truyền thơng Một số kiểu bus trường thích hợp nối mạng thiết bị cảm biến cấu chấp hành với điều khiển, gọi bus chấp hành/cảm biến Trong công nghiệp chế tạo (tự động hóa dây chuyền sản xuất, gia cơng, lắp ráp) số lĩnh vực ứng dụng khác tự động hóa tịa nhà, sản xuất xe hơi, khái niệm bus thiết bị lại sử dụng phổ biến Có thể nói, bus thiết bị bus trường có chức tương đương, đặc trưng riêng biệt hai ngành cơng nghiệp, nên số tính khác Tuy nhiên, khác ngày trở nên không rõ rệt, mà phạm vi ứng dụng hai loại mở rộng đan chéo sang Trong thực tế, người ta dùng chung khái niệm bus trường Bài giảng: Mạng truyền thơng cơng nghiệp © 2008, Hồng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội Chương1: Mở đầu Do nhiệm vụ bus trường chuyển liệu trình lên cấp điều khiển để xử lý chuyển định điều khiển xuống cấu chấp hành, u cầu tính thời gian thực đặt lên hàng đầu Thời gian phản ứng tiêu biểu nằm phạm vi từ 0,1 tới vài miligiây Trong đó, u cầu lượng thơng tin điện thường hạn chế khoảng vài byte, tốc độ truyền thơng thường cần phạm vi Mbit/s thấp h ơn Việc trao đổi thơng tin biến q trình chủ yếu mang tính chất định kỳ, tuần hồn, bên cạnh thơng tin tham số hóa cảnh báo có tính chất bất thường Các hệ thống bus trường sử dụng rộng rãi PROFIBUS, ControlNet, INTERBUS, CAN, WorldFIP, P-NET, Modbus gần phải kể tới Foundation Fieldbus DeviceNet, AS-i, EIB Bitbus vài hệ thống bus cảm biến/chấp hành tiêu biểu nêu Bus hệ thống, bus điều khiển Các hệ thống mạng công nghiệp dùng để kết nối máy tính điều khiển máy tính cấp điều khiển giám sát với gọi bus hệ thống (system bus) hay bus trình (process bus) Khái niệm sau thường dùng lĩnh vực điều khiển trình Qua bus hệ thống mà máy tính điều khiển phối hợp hoạt động, cung cấp liệu trình cho trạm kỹ thuật trạm quan sát (có thể gián tiếp thông qua hệ thống quản lý sở liệu trạm chủ) nhận mệnh lệnh, tham số điều khiển từ trạm phía Thông tin trao đổi theo chiều dọc, mà theo chiều ngang Các trạm kỹ thuật, trạm vận hành trạm chủ trao đổi liệu qua bus hệ thống Ngoài máy in báo cáo lưu trữ liệu kết nối qua mạng Đối với bus hệ thống, tùy theo lĩnh vực ứng dụng mà đòi hỏi tính thời gian thực có đặt cách ngặt nghèo hay không Thời gian phản ứng tiêu biểu nằm khoảng vài trăm miligiây, lưu lượng thông tin cần trao đổi lớn nhiều so với bus trường Tốc độ truyền thông tiêu biểu bus hệ thống nằm phạm vi từ vài trăm kbit/s đến vài Mbit/s Khi bus hệ thống sử dụng để ghép nối theo chiều ngang máy tính điều khiển, người ta thường dùng khái niệ m bus ều khiển Vai trò bus điều khiển phục vụ trao đổi liệu thời gian thực trạm điều khiển hệ thống có cấu trúc phân tán Bus điều khiển thơng thường có tốc độ truyền khơng cao, u cầu tính thời gian thực thường khắt khe Do yêu cầu tốc độ truyền thông khả kết nối dễ dàng nhiều loại máy tính, hầu hết kiểu bus hệ thống thơng dụng dựa Ethernet, ví dụ Industrial Ethernet, Fieldbus Foundation’s High Speed Ethernet (HSE), Ethernet/IP Mạng xí nghiệp Mạng xí nghiệp thực mạng LAN bình thường, có chức kết nối máy tính văn phịng thuộc cấp điều hành sản xuất với cấp điều khiển giám sát Thông tin đưa lên bao gồm trạng thái làm việc trình kỹ thuật, giàn máy hệ thống điều khiển tự động, số liệu tính tốn, thống kê diễn biến trình sản xuất chất lượng sản phẩm Thông tin theo chiều ngược lại Bài giảng: Mạng truyền thơng cơng nghiệp © 2008, Hồng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội 4.8 Ethernet Tap Lõi 140 Đôi dây xoắn Cáp thu phát Bộ thu phát (a) 10BASE5 Bộ nối (b) 10BASE2 Hub (c) 10BASE-T Hình 4.20: Ba kiểu mạng Ethernet với cáp đồng trục đôi dây xoắn Về chất, hai kiểu dây với cáp đồng trục nói thực cấu trúc bus (vật lý logic), có ưu điểm tiết kiệm dây dẫn Tuy nhiên, lỗi phần cứng đứt cáp, lỏng nối khó phát trực tuyến Mặc dù có số biện pháp khắc phục, phương pháp tin cậy sử dụng cấu trúc hình với chia (hub) chuyển mạch (switch, xem 3.5) Cấu trúc thông thường áp dụng với đôi dây xoắn, áp dụng đượ c với cáp đồng trục (ví dụ Industrial Ethernet) Với 10BASE-T, trạm nối với qua chia giống cách nối máy điện thoại Trong cấu trúc này, việc bổ sung tách trạm khỏi mạng việc phát lỗi cáp truyền đơn giản Bên cạnh nhược ểm tốn dây dẫn cơng dây chi phí cho chia chất lượng cao vấn đề Bên cạnh đó, khoảng cách tối đa cho phép từ trạm tới chia thường bị hạn chế vịng 100150 mét Bên cạnh cáp đồng trục đơi dây xoắn cáp quang sử dụng nhiều Ethernet, đặc biệt phổ biến 10BASE-F Với cách ghép nối điểm-điểm, cấu trúc mạng daisy-chain, hình hình Thơng thường, chi phí cho nối chặn đầu cuối lớn khả kháng nhiễu tốt tốc độ truyền cao yếu tố định nhiều phạm vi ứng dụng Trong nhiều trường hợp, ta sử dụng phối hợp nhiều loại mạng Ethernet Ví dụ, cáp quang cáp đồng trục dầy sử dụng đường trục hay xương sống (backbone) cấu trúc cây, với đường nhánh cáp mỏng đôi dây xoắn Đối với mạng qui mơ lớn, sử dụng lặp Một hệ thống không hạn chế số lượng đoạn mạng số lượng lặp, đường dẫn hai thu phát không phép dài 2,5km không qua bốn lặp Toàn hệ thống theo chuẩn 802.3 sử dụng chế độ truyền đồng với mã Manchester (xem 2.7) Bit tương ứng với sườn lên bit ứng với sườn xuống xung chu kỳ bit Mức tín hiệu môi trường cáp điện +0,85V – 0,85V, tạo mức trung hòa 0V Bài giảng: Mạng truyền thơng cơng nghiệp © 2008, Hồng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội 4.8 Ethernet 141 4.4.3 Cơ chế giao tiếp Sự phổ biến Ethernet có nhờ tính mở Thứ nhất, Ethernet qui định lớp vật lý lớp MAC, cho phép hệ thống khác tùy ý thực giao thức dịch vụ phía Thứ hai, phương pháp truy nhập bus ngẫu nhiên CSMA/CD (xem 2.5) không yêu cầu trạm tham gia phải biết cấu hình mạng, bổ sung hay tách trạm khỏi mạng mà khơng ảnh hưởng tới phần mạng cịn lại Thứ ba, việc chuẩn hóa sớm IEEE 802.3 giúp cho nhà cung cấp sản phẩ m thực dễ dàng Trong mạng Ethernet, không kể tới chia chuyển mạch tất trạm có vai trị bình đẳng Mỗi trạm (hay nói cách khác module giao diện mạng, card mạng) có địa Ethernet riêng biệt, thống toàn cầu Việc giao tiếp trạm thực thơng qua giao thức phía trên, ví dụ NetBUI, IPX/SPX TCP/IP Tùy theo giao thức cụ thể, cước (tên, mã số địa chỉ) bên gửi bên nhận ện lớp phía (ví dụ lớp mạng) dịch sang địa Ethernet trước chuyển xuống lớp MAC Bên cạnh chế giao tiếp tay đơi, Ethernet cịn hỗ trợ phương pháp gửi thơng báo đồng loạt (multicast broadcast) Một thông báo multicast gửi tới nhóm trạm, thơng báo broadcast gửi tới tất trạm Các lo ại thông báo phân biệt kiểu địa chỉ, trình bày mục sau 4.4.4 Cấu trúc điện IEEE 802.3/Ethernet qui định lớp MAC lớp vật lý, điện cịn gọi khung MAC Cấu trúc khung MAC minh họa Hình 4.21 byte byte 2/6 byte 2/6 byte byte Mở đầu SFD Địa Địa Độ dài/ (555 5H) (D5H) đích nguồn Kiểu gói 46-1500 byte Dữ liệu byte PAD FCS Hình 4.21: Cấu trúc khung MAC theo IEEE 802.3/Ethernet Mở đầu khung MAC 56 bit luân phiên, tức byte giống có giá trị 55H Với mã Manchester, tín hiệu tương ứng có dạng tuần hoàn, bên nhận sử dụng để đồng nhịp với bên gửi Như vậy, việc đồng hóa thực lần cho điện Ở tốc độ truyền 10 Mbit/s, khoảng thời gian đồng hóa 5,6μs Tiếp sau byte SFD (Start of Frame Delimiter) chứa dãy bit 10101011, đánh dấu khởi đầu khung MAC Đúng ra, dãy bít mở đầu byte SFD không thực thuộc vào khung MAC Theo 802.3, địa đích địa nguồn byte, chuẩn qui định cho truy ền dải sở 10 Mbit/s (tức 10BASEx) sử dụng địa byte Bit cao địa đích có giá trị cho địa thông thường giá trị cho địa nhóm Đối với thơng báo gửi cho tất trạm (broadcast), tất bit địa đích Bài giảng: Mạng truyền thơng cơng nghiệp © 2008, Hồng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội 4.8 Ethernet 142 Có hai loại địa Ethernet địa cục địa toàn cầu, phân biệt bit 46 (bit gần cao nhất) Các địa cục đổ cứng đặt phần mềm ý nghĩa ngồi mạng cục Ngược lại, địa tồn cầu IEEE cấp phát, ln đổ cứng vi mạch để đảm bảo thống tồn giới Với 46 bit, có tổng cộng 7*1013 địa tồn cầu, 7*1013 địa cục Tuy nhiên, số lượng trạm cho phép hệ thống mạng công nghiệp cịn phụ thuộc vào kiểu cáp truyền, giao thức phía đặc tính thiết bị tham gia mạng Một khác Ethernet IEEE 802.3 ý nghĩa ô tiếp sau phần địa Theo đặc tả Ethernet, hai byte chứa mã giao thức chuyển gói phía Cụ thể, mã 0800H giao thức IP (Internet Protocol) 0806H giao thức ARP (Address Resolution Protocol) Theo 802.3, ô chứa số byte liệu (từ tới 1500) Với điều kiện ràng buộc tốc độ truyền v (tính bit/s), chiều dài điện n khoảng cách truyền l (tính mét) phương pháp CSMA/CD (xem 2.5.5) lv < 100.000.000n, để đảm bảo tốc độ truyền 10 Mbit/s khoảng cách 2.500m điện phả i dài 250 bit hay 32 byte Xét tới thời gian trễ qua bốn lặp, chuẩn 802.3 qui định chiều dài khung tối thiểu 64 byte (51,2μs), không kể phần mở đầu byte SFD Như vậy, ô liệu phải có chiều dài tối thiểu 46 byte Trong trường hợp liệu thực ngắn 46 byte, ô PAD (padding) sử dụng để lấp đầy Ô cuối khung MAC chứa mã CRC 32 bit với đa thức phát G(x) = x32+x26 +x23 +x22 +x16+x12+x11+x10 +x8+x7 +x5+x4 +x2 +x+1 Phần thông tin kiểm sốt lỗi bao gồm địa chỉ, chiều dài ô liệu 4.4.5 Truy nhập bus Một vấn đề lớn thường gây lo ngại việ c sử dụng Ethernet cấp trường phương pháp truy nhập bus ngẫu nhiên CSMA/CD ảnh hưởng tới hiệu suất tính thời gian thực hệ thống Ở đây, yếu tố định tới hiệu suất hệ thống thuật tốn tính thời gian chờ truy nhập lại cho trạm trường hợp xảy xung đột Thời gian lan truyền tín hiệu lần qua lại đường truyền gọi khe thời gian Giá trị tính cho tối đa 2,5km đường truyền bốn lặp 512 thời gian bit hay 51,2 μs Sau lần xảy xung đột , trạm chọn ngẫu nhiên lần khe thời gian chờ trước thử gửi lại Nếu hai trạm ngẫu nhiên chọn khoảng thời gian, có xung đột với trạm thứ ba, số khe thời gian lựa chọn chờ 0, 1, Sau lần xung đột thứ i, số khe thời gian chọn ngẫu nhiên nằm khoảng từ tới 2i − Tuy nhiên, sau mười lần xung đột, số khe thời gian chờ tối đa giữ lại số 1023 Sau 16 lần xung đột liên tiếp, trạm s ẽ coi lỗi hệ thống báo trở lại lớp giao thức phía Thuật tốn tiếng gọi Binary Exponential Backoff (BEB) Bài giảng: Mạng truyền thơng cơng nghiệp © 2008, Hồng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội 4.8 Ethernet 143 4.4.6 Hiệu suất đường truyền tính thời gian thực Với giả thiết tải tương đối lớn không thay đổi, hiệu suất đường truyền tối ưu mạng Ethernet xác định theo công thức ([1]) Hiệu suất tối ưu = , + evl / cn với e giá trị tối ưu cho số khe thời gian tranh chấp khung, v tốc độ truyền, l chiều dài dây dẫn, c tốc độ lan truyền tín hiệu n chiều dài trung bình khung tính bit Hiệu suất tối ưu giá trị lý tưởng, đạt đường truyền sử dụng liên tục xung đột đường truyền Khi số lượng trạm tăng lên, khơng có điều khiển lớp giao thức phía hiệu suất giảm đáng kể Trên Hình 4.22 đồ thị mơ tả quan hệ hiệu suất đường truyền số lượng trung bình trạm đồng thời chờ gửi thơng tin Lưu ý, số trạm ghi trục hồnh khơng phải số trạm mạng Hiệu suất thực tế khó xác định cách xác cho cấu hình mạng 1,0 Hiệu suất đường truyền 0,9 khung 1024 byte 0,8 khung 512 byte 0,7 0,6 khung 256 byte 0,5 0,4 khung 128 byte 0,3 khung 64 byte 0,2 0,1 0,0 16 128 256 Số trạm đồng thời muốn gửi Hình 4.22: Hiệu suất đường truyền Ethernet 10 Mbit/s Bên cạnh vấn đề bất đị nh truy nhập bus, cần phải xét tới độ tin cậy mạng Ethernet Mặc dù Ethernet có khả phát lỗi xung đột lỗi khung, trạm khơng có xác nhận trạng thái điện nhận Như vậy, việc trao đổi thông tin cách tin cậy thiết phải nhờ vào giao thức thích hợp phía Trong hệ thống mạng cục văn phòng mạng công nghiệp dựa Ethernet, tập giao thức TCP/IP sử dụng rộng rãi Thông qua chế xác nhận thông báo, gửi lại liệu kiểm sốt luồng giao thơng, độ tin cậy tính thời gian thực hệ thống cải thiện đáng kể 4.4.7 Mạng LAN 802.3 chuyển mạch Khi số trạm tham gia tăng lên nhiều, hoạt động giao tiếp mạng bị tắc ngẽn mặt tốc độ truyền hạn chế, mặt khác chế truy nhập bus khơng cịn đảm bảo hiệu suất điều kiện bình thường Để khắc phục ta sử dụng mạng Ethernet tốc độ cao hoặc/và sử dụng chế chuyển mạch Mạng LAN 802.3 chuyển Bài giảng: Mạng truyền thơng cơng nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội 4.8 Ethernet 144 mạch xây dựng sở 10BASE-T với tốc độ truyền 10 Mbit/s thơng thường Mục đích việc sử dụng chuyển mạch để phân vùng xung đột hạn chế xung đột Hình 4.23: Sử dụng lặp mạng LAN 802.3 chuyển mạch Hình 4.23 minh họa cấu trúc ghép nối mạng LAN 802.3 với chuyển mạch SWITCH HUB (switch, xem 3.4) Một chuyển mạch tốc độ cao thường gồm đến 32 module, module có đến cổng nối Các trạm nối trực tiếp vào cổng chuyển mạch, qua chia Có hai kiểu phân vùng xung đột (collision domain) theo module theo cổng Một lặ p hỗ trợ phân vùng xung đột theo module cho không cho phép trạm nối chung module gửi tín hiệu, cho phép module hoạt động song song, độc lập Nếu trạm đích nằm module khác, chuyển mạch chép điện gửi tới module tương ứng Một lặ p phân vùng xung đột theo cổng cho phép module hoạt động song song, mà cho phép tất cổng module đồng thời tiếp nhận tín hiệu gửi Cũng với chế chép vào đệm, điện gửi cổng tương ứng với trạm đích Nguyên tắc hoạt động LAN 802.3 chuyển mạch ứng dụng rộng rãi hệ thống mạng công nghiệp Với kỹ thuật chuyển mạch đại, băng thông tổng thể hệ thống nâng cao, mà tính nă ng thời gian thực đượ c cải thiện đáng kể 4.4.8 Fast Ethernet Fast Ethernet phát triển Ethernet, chuẩn hóa IEEE 802.3u Fast Ethernet cho phép truyền với tốc độ 100 Mbit/s Để đảm bảo tương thích với Ethernet, tồn chế giao tiếp kiến trúc giao thức giữ nguyên, có thời gian bit giảm từ 100ns xuống 10ns Về mặt kỹ thuật, cáp đồng trục loại 10BASE5 10BASE2 sử dụng cho Fast Ethernet với chiều dài tối đa giảm xuống mười lần Tuy nhiên, phương pháp nối mạng sử dụng đơi dây xoắn chia có ưu vượt trội, tất hệ Fast Ethernet không hỗ trợ cáp đồng trục Ba loại cáp chuẩn cho Fast Ethernet liệt kê bảng 4.11 Bảng 4.5: Một số loại cáp truyền Fast Ethernet thông dụng Tên hiệu Loại cáp 100BASE-T4 Đôi dây xoắn hạng Chiều dài đoạn tối đa 100 m Bài giảng: Mạng truyền thơng cơng nghiệp © 2008, Hồng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội 4.8 Ethernet 145 100BASE-TX Đôi dây xoắn hạng 100 m 100BASE-FX Cáp quang 2000 m Loại 100BASE-T4 sử dụng bốn đôi dây xoắn UTP hạng Dải tần hạng cáp bị giới hạn 25MHz, mã Manchester sử dụng Ethernet thơng thường tạo tần số tín hiệu cao gấp đơi so với tần số nhịp, tốc độ truyền đôi dây lẽ 12,5 Mbit/s Để đạt tốc độ truyền 100 Mbit/s, phương pháp mã hóa bit với tín hiệu ba mức thay hai mức sử dụng Đồng thời, 100BASE-T4 phải dùng tới bốn đơi dây xoắn (vì có ký hiệu T4), đơi ln truyền tín hiệu vào chia, đôi truyền hai đơi cịn lại sử dụng linh hoạt theo chiều truyền Với ba đơi dây ba mức tín hiệu, nhịp truyền bit, nâng tốc độ truyền tổng cộng lên 100 Mbit/s Với 100BASE-TX, đơi dây xoắn hạng sử dụng có khả làm việc tần số nhịp 125MHz cao Việc sử dụng hai đôi dây xoắn tạo khả truyền hai chiều đồng thời Khác với 100BASE-T4, phương pháp mã hóa bit có tên 4B5B sử dụng Dãy bit từ khung MAC mã hóa lại thành tổ hợp bit đường truyền Chỉ có 16 32 tổ hợp biểu diễn liệu, tổ hợp lại sử dụng cho đánh dấu, điều khiển tín hiệu phầ n cứng Đối với loại mạng trên, việc nối dây thơng qua chia chuyển mạch Một chuyển mạch có chi phí cao nhiều so với chia, nâng cao hiệu suất hệ thống cách đáng kể nhờ chức phân vùng xung đột Loại 100BASE-FX cho phép truyền hai chiều toàn phần, sử dụng hai sợi quang đa chế độ cho hai chiều Đối với ứng dụng đòi hỏi khoảng cách truyền lớn khả kháng nhiễu cao giải pháp thích hợp 4.4.9 High Speed Ethernet High Speed Ethernet (HSE) công nghệ bus Fieldbus Foundation (FF) phát triển sở Fast Ethernet tám hệ bus chuẩn hóa IEC 61158 vào cuối năm 1999 Với tốc độ truyền 100 Mbit/s, HSE thiết kế cho việc nối mạng cấp điều khiển điều khiển giám sát, bổ sung cho mạng H1 cấp thấp (xem 4.7) HSE sử dụng địa 48-bit 64-byte khung MAC tối thiểu Ethernet chuẩn, đồng thời truyền thông báo dịch vụ H1 thông báo riêng HSE Bên cạnh đó, HSE hỗ trợ tốt việc dự phòng, đồng thời gian liên kết nhiều giao thức Kiến trúc giao thức Hình 4.24 mơ tả kiến trúc giao thức HSE Phía dưới, HSE sử dụng hoàn toàn lớ p vật lý lớp MAC theo IEEE 802.3 Cũng nhiều hệ thống dựa Ethernet khác, lớp mạng sử dụng giao thức IP (Internet Protocol) lớp vận chuyển sử dụng TCP (Transmission Control Protocol) UDP (User Datagram Protocol) Đặc biệt, HSE bổ sung mười đặc tả, hầu hết thuộc lớp ứng dụng qui định khối chức ứng dụng, dịch vụ quản trị mạ ng, quản lý hệ thống, chế dự phòng, truy nhập thiết bị trường Bài giảng: Mạng truyền thơng cơng nghiệp © 2008, Hồng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội 4.8 Ethernet 146 Cấp phát địa động High Speed Ethernet sử dụng giao thức chuẩn DHCP (Dynamic Host Control Protocol) IP (Internet Protocol) chức quản lý hệ thống để cấp phát động địa cho trạm Sau nhận yêu cầu cấp địa từ thiết bị, DHCP Server tìm địa IP cịn trống cấp phát cho thiết bị yêu cầu Tiếp theo, thiết bị thông báo cho phần quản lý hệ thống (System Manager) cấp phát nhãn thiết bị vật lý (Physical Device Tag) Một địa mối liên kết thiết lập, phần quản lý hệ thống nạp cấu hình xuống thiết bị NMA: Network Management Agent (Điệp viên quản trị mạng) VFD: Virtual Field Device (Thiết bị trường ảo) OD: Object Directory (Thư mục đối tượng) SMIB: System Management Information Base (Cơ sở thông tin quản lý hệ thống) NMIB: Network Management Information Base (Cơ sở thông tin quản trị mạng) SMK: System Management Kernel (Nhân quản trị hệ thống) NMA VFD OD HSE SMK HSE LRE H1 Bridge H1 Interface Interface N FBAP VFD OD FBAP VFD n OD HSE Management Agent SMIB NMIB DHCP, SNTP SNMP Field Device Access Agent TCP UDP HSE MIB IP IEEE 802.3 (lớp Vật lý + MAC) LRE: LAN Redundancy Entity DHCP: Dynamic Host Control Protocol (Giao thức điều khiển cấp phát địa động) SNTP: Simple Network Time Protocol (Giao thức thời gian mạng đơn giản) SNMP:Simple Network Management Protocol (Giao thức quản trị mạng đơn giản) FBFA: Function Block Application (Ứng dụng khối chức năng) Hình 4.24: Kiến trúc giao thức HSE Cấu trúc dự phòng Về bản, giải pháp dự phòng HSE dựa vào cấu trúc thành phần Ethernet thơng dụng Cả hai dạng dự phịng - dự phòng mạng dự phòng thiết bị - hỗ trợ Một ví dụ cấu hình dự phịng tiêu biểu minh họa Hình 4.25 Khối chức linh hoạt Khối chức (Function Block, FB) khái niệm trọng tâm Foundation Fieldbus H1 HSE Mở rộng mơ hình khối chức cho ứng dụng sản xuất gián đoạn, khối chức linh hoạt (Flexible Function Block, FFB) coi phần mềm bao bọc, đại diện cho thuật toán ứng dụng đặc biệt cổng vào/ra tương tự số Các ngôn ngữ chuẩn định nghĩa IEC 61131-3 sử dụng Bài giảng: Mạng truyền thơng cơng nghiệp © 2008, Hồng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội 4.8 Ethernet 147 để tạo khối chức linh hoạt, tương tự với khối chức thông thường Cũng thông qua khối chức linh hoạt này, việc liên kết với H1 với hệ thống sử dụng giao thức khác thực cách thống Hình 4.25: Một cấu hình dự phòng HSE tiêu biểu Thiết bị chủ dự phòng Switch B Switch A PLC Thiết bị liên kết A Thiết bị liên kết B Phương tiện dự phòng Thiết bị dự phòng Các thiết bị H1 4.4.10Industrial Ethernet Tại thời điểm tác giả biên soạn giảng này, Industrial Ethernet (IE) chưa phải chuẩn quốc tế, mà tên loạt dòng sản phẩm số nhà sản xuất (trong có Synergetic, Siemens) đưa Thực chất, IE Ethernet với thành phần mạng thích hợp mơi trường cơng nghiệp Ví dụ, loại cáp đồng trục bọc lót kép cáp đôi dây xoắn STP sử dụng thay cho loại cáp thông thường Các phần cứng mạng module giao diện, chia router thiết kế với kiểu dáng cơng nghiệp, có độ tin cậy cao, chịu điều kiện làm việc khắc khe so với mạng Ethernet văn phòng Đặc biệt, chuyển mạch chia thường trang bị tính dự phịng 4.4.11Tài liệu tham khảo Tài liệu tham khảo [1] Andrew S Tanenbaum: Computer Networks 3th Edition, Prentice-Hall, 1998 [2] H.W Johnson: Fast Ethernet – Dawn of New Network, Englewood Cliff, NJ [3] Fieldbus Foundation, www.fieldbus.org [4] Industrial Ethernet Association, www.industrialethernet.com Bài giảng: Mạng truyền thông cơng nghiệp © 2008, Hồng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội Chương 5: Thiết kế hệ thống mạng Chương đề cập tớ i số vấn đề liên quan tới tốn tích hợp hệ thống sử dụng mạng truyền thông công nghiệp Bên cạnh vấn đề thiết kế hệ thống mạng, việc đánh giá lựa chọn giải pháp mạng bàn tới Cuối cùng, vấn đề liên quan tới chuẩn cơng nghiệp có vai trị quan trọng việc tích hợp hệ thống thảo luận 5.1 Thiết kế hệ thống mạng 5.1.1 Phân tích yêu cầu Các yếu tố kỹ thuật Khi thiết kế hệ thống mạng ta cần quan tâm tới hàng loạt yếu tố cấu trúc mạng, khoảng cách truyền, chống nhiễu, kiểu thông tin cần trao đổi, kích cỡ điện, tốc độ hệ thống, trễ truyền thông, số lượng mật độ điểm vào/ra, chủng loại thiết bị điều khiển, sách lược điều khiển, khả tương thích, biện pháp an tồn hệ thống, đào tạo nhân lực, khả bảo trì mở rộng tương lai Các yếu tố liên quan tới môi trường làm việc nhiễu điện từ, cấp an tồn điện, độ rung, chất ăn mịn, khơng gian vị trí lắp đặt cần lưu ý Thiết kế mới, nâng cấp thay Với hệ thống xây dựng hồn tồn, nhà tích hợp hệ thống có nhiều lựa chọn thiết kế Vấn đề cần bàn sâu hệ thống hoạt động Khi yếu tố kỹ thuật khảo sát, nhà tích hợp hệ thống cần nghiên cứu trao đổi với chủ đầu tư lựa chọn giải pháp nâng cấp thay Một giải pháp nâng cấp tìm cách nối mạng thiết bị có, nâng cấp hệ thống mạng cũ lạc hậu sử dụng tối đa thành phần có sẵn Giải pháp nâng cấp tiết kiệm cho đầu tư, nhiên không thỏa mãn số chức theo yêu cầu đặt gây vấn đề khơng tương thích thành phần cũ Một giải pháp thay đưa thiết kế hoàn toàn cho hệ thống lạc hậu Bên cạnh bổ sung thành phần hệ thống mạng việc thay thiết bị điều khó tránh khỏi Thiết kế đưa giải pháp quán, nhiên đầu tư cao làm giảm tính thuyết phục dự án Giá thành, tính sẵn sàng khả hỗ trợ Nếu so sánh tới đầu tư tổng thể cho thời gian 15-20 năm kể chi phí cho phát triển, lắp đặt, đưa vào vận hành bảo trì, giá mua hệ thống điều khiển thông thường Bài giảng: Mạng truyền thông cơng nghiệp © 2008, Hồng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội 5.1 Thiết kế hệ thống mạng 149 chiếm khoảng 20% Hơn nữa, độ tin cậy tính sẵn sàng hệ thống yếu tố then chốt định tới lợi nhuận dự án đầu tư Vì vậy, việc đánh giá lợi lâu dài sử dụng bus trường đem lại điề u quan trọng, ảnh hưởng tới định đầu tư định giải pháp Tuy nhiên, thực tế nhiều nhà tích hợp hệ thống nhiều nhà đầu tư e ngại việc đưa vào sử dụng công nghệ bus trường lý hi ểu biết lý bảo thủ Áp dụng công nghệ địi hỏi phải đầu tư cho tìm hiểu nghiên cứu thử nghiệm, tồn mạo hi ểm đầu tư Cũng phải nói rằng, giả i pháp cổ điển hoạt động hiệu mặt kỹ thuật mặt kinh tế có lý phải từ bỏ Song với tình cạnh tranh tồn cầ u hóa nay, tập đồn cơng nghệ tự động hóa có tên tuổi phải tự tiến hóa thay đổi tư giải pháp tích hợp hệ thống 5.1.2 Các bước tiến hành Dựa vào yêu cầu cụ thể nêu, trình thiết kế đưa vào vận hành hệ thống mạng tiến hành theo bước sau đây: • Lựa chọn kiến trúc điều khiển: Điều khiển tập trung, ều khiển phân tán kiểu DCS điều khiển phân tán trường • Lựa chọn giải pháp mạng: Giải pháp mạng nhiều phụ thuộc vào giải pháp hệ thống, song thực tế có vài lựa chọn Thơng thường ta lựa chọn tổ hợp giải pháp bus hệ thống bus trường “ăn ý” với nhau, trình bày chi tiết mục 5.2 • Lựa chọn chế giao tiếp: Cơ chế hỏi đáp tuần tự, vào/ra tuần hoàn hay khơng tuần hồn, chào hàng/đặt hàng, lập lịch không lập lịch, vào/ra theo kiện thông báo theo yêu cầu • Lựa chọn thiết bị: Đánh giá hiệu suất làm việc thiết bị sở thời gian cập nhật liệu vào/ra, độ rung chu kỳ điều khiển hiệu suất thực thuật tốn điều khiển Khảo sát đặc tính truyền thông thiết bị tốc độ truyền, chế giao tiếp, kiểu giao tiếp, chứng tương thích giao thức • Thiết kế cấu trúc mạng: Sử dụng cấu trúc mạng thích hợp đường trục/đường nhánh, mạch vịng, hình cây, đảm bảo u cầu số trạm, tốc độ truyền khoảng cách truyền • Chọn cấu hình nguồn cho mạng: Đánh giá tính tốn cơng suất nguồn cấp cho phù hợp với số trạm, kiểu thiết bị cáp n ối/bộ nối thỏa mãn yêu cầu chống nhiễu, chống cháy nổ • Đặt cấu hình mạng: Sử dụng máy tính với phần mềm cấu hình mạng, cơng cụ cấu hình chuyên dụng, công tắc chốt thiết bị để đặt địa chỉ, tốc độ truyền, quan hệ giao tiế p, Đối với nhiều hệ thống, việc đặt cấu hình mạng liên quan trực tiếp tới lập trình ứng dụng Bài giảng: Mạng truyền thơng cơng nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội 5.1 Thiết kế hệ thống mạng 150 • Tiếp đất: Nối đường dây trung tính nguồn DC vỏ bọc với đất có trở kháng thấp Nếu sử dụng nhiều nguồn cấp, sử dụng đường tiếp đấ t nguồn, tốt gần với trung tâm mạng • Chạy thử: Kiểm tra hoạt động truyền thơng với nhiều sách lược thử khác nhau, với số toàn thiết bị bậ t nguồn Lưu ý hầu hết lỗi truyền thông liên quan tới cáp truyền, trở đầu cuối, tiếp đất, nguồn cho mạng, địa tốc độ truyền • Chẩn đoán lỗi: Lỗi thiết bị, lỗi hở mạch, nhiễu điện từ, tín hiệu méo suy giảm nhận biết nhiều phương pháp Một số lỗi phát cách tách phần mạng quan sát phần cịn lại Có thể sử dụng công cụ chuyên dụng bus monitor máy lập trình với phần mềm cấu hình mạng để chẩn đốn Phần trình bày chương kiến thức sở quan trọng giúp ích cho việc phân tích chẩn đoán lỗi Bài giảng: Mạng truyền thơng cơng nghiệp © 2008, Hồng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội 5.2 Đánh giá lựa chọn giải pháp mạng 151 5.2 Đánh giá lựa chọn giải pháp mạng Từ nhiều năm nay, chủ đề bàn cãi việc tích hợp hệ thống dựa sở mạng truyền thông công nghiệp không cịn vấn đề “nên” hay “khơng nên”, mà thường xoay quanh câu hỏi “mạng gì?” Sự diện hàng loạt hệ thống truyền thông công nghiệp khác kỹ thuật tự động hóa mang đến cho người sử dụng nhiều hội lựa chọn, khơng thách thức Vấn đề mấu chốt đánh giá, lựa chọn giải pháp không nằm u cầu đặc tính kỹ thuật, mà cịn liên quan tới độ linh hoạt, khả mở rộng giá thành tổng thể hệ thống Mỗi hệ thống truyền thơng cơng nghiệp có mạnh riêng trọng dụng số lĩ nh vực định Trong tương lai gần, khó có loại chiếm ưu tuyệt đối Cũng vậy, cố gắng chuẩ n hóa hệ bus trường thống khuôn khổ IEC 61158 khơng thành mục đích đặt ban đầu Thay vào đó, thành viên ban xây dựng chuẩn đại gia tự động hóa phải ngồi lại với nhiều lần vào cuối năm 1999 đưa giải pháp thỏa hiệp gồm nhiều hệ bus thông dụng Bên cạnh chuẩn IEC 1158-2 cũ PROFIBUS, P-Net, WorldFIP, INTERBUS, ControlNet, SwiftNet Foundation Fieldbus’s HSE đưa vào Chuẩn tiếp tục phát triển bao gồm Foundation Fieldbus H1, Ethernet/IP PROFInet Đối với nhà làm công việc thiết kế tích hợ p hệ thống, việc đánh giá giải pháp điều dễ dàng Để có định đắn việc chọn lựa hệ thống bus, có phải kết hợp vài hệ thống cho giải pháp tự động hóa, ta phải ý tới khơng khía cạnh kỹ thuật đặc điểm ứng dụng cụ thể Dưới đây, tác giả đưa qui trình lựa chọn giải pháp mạng dựa theo tiêu chí: Đặc thù cấp ứng dụng, đặc thù lĩnh vực ứng dụng, yêu cầu kỹ thuật chi tiết yêu cầu kinh tế 5.2.1 Đặc thù cấp ứng dụng Ngay chương mở đầu, phần 1.3 phân tích rõ đặc thù cấp ứng dụng yêu cầu hệ thống mạng truyền thông công nghiệp tương ứng Trong thực tế ngày nay, cần tập trung vào hai cấp bus hệ thống (bus điều khiển) bus trường (bus thiết bị) Sự khác yêu cầu hai cấp thể điểm sau đây: • Bus hệ thống yêu cầu tốc độ truyền cao nhiều so với bus trường • Số lượng trạm ghép nối với bus hệ thống thường hơn bus trường, chủng loại thiết bị ghép nối với bus hệ thống đồng • Bus hệ thống địi hỏi tính thời gian thực ngặt nghèo bus trường Có thể nói, việc lựa chọn bus hệ thống ngày gần xoay quanh số không nhiều hệ dựa Ethernet, lựa chọn bus trường lớn nhiều Gần có xu hướng xuất số tổ hợp công nghệ HSE với Foundation Fieldbus H1, PROFInet với PROFIBUS AS-i, Ethernet/IP với ControlNet Bài giảng: Mạng truyền thơng cơng nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội 5.2 Đánh giá lựa chọn giải pháp mạng 152 DeviceNet Đây yếu tố tiếp thị quan trọng, có lợi cho nhà sản xuất đồng thời dễ cho người sử dụng phải đứng trước lựa chọn 5.2.2 Đặc thù lĩnh vực ứng dụng Khi xây dựng giải pháp ứng dụng mạng truyền thông công nghiệp, ta phải quan tâm tới qui mô đặc thù lĩnh vực ứng dụng Có thể kể số lĩnh vực ứng dụng tiêu biểu như: • Tự động hóa thiết bị máy móc đơn lẻ • Tự động hóa q trình • Tự động hóa xí nghiệp • Tự động hóa tịa nhà • Điều khiển giám sát hệ thống giao thơng-vận tải • Điều phối giám sát hệ thống phân phối lượng Tự động hóa thiết bị máy móc đơn lẻ Tự động hóa thiết bị máy móc đơn lẻ bao gồm lĩnh vực điều khiển cần cẩu, điều khiển thang máy, điều khiển máy công cụ, điều khiển robot, điều khiển phương tiện giao thông Ở người ta quan tâm tới nhiệm vụ điều khiển tự động, cịn phần điều khiển giám sát có dừng lại chức giao diện người-máy đơn giản Các tốn điều khiển khác nhau, từ điều khiển logic tới điều khiển trình điều khiển chuyể n động Đặc thù ứng dụng yêu cầu cao tính thời gian thực, lượng liệu trao đổi khơng lớn Các máy móc, thiết bị sản xuất hàng loạt, đầu tư cho giải pháp điều khiển thành phẩm phải thật tiết kiệm Các yêu cầu dẫn đến phải sử dụng giải pháp bus thiết bị với kiến trúc giao thức đơn giản, phù hợp cho ghép nối trực tiếp cảm biến cấu chấp hành, có tính tiền định giá thành thấp Một vài ví dụ tiêu biểu CAN, AS-i, SwiftNet Sercos Tự động hóa q trình Tự động hóa cơng nghiệp thường chia thành hai mảng tự động hóa trình (process automation) tự động hóa xí nghiệp (factory automation), tương ứng với hai lĩnh vực ứng dụng công nghiệp chế biến, khai thác (process industry) công nghiệp chế tạo, lắp ráp (manufacturing) Công nghiệp chế biến khai thác bao gồm ngành dầu khí, than, hóa dầu, hóa chất, thực phẩm, dược phẩm, điện lực, xi măng, giấy, Các ngành lại xe hơi, chế tạo máy công cụ, luyện kim, cán thép, điện tử xếp vào công nghiệp chế tạo, lắp ráp Đặc thù ngành công nghiệp khai thác chế biến trình liên tục diễn biến chậm Vì tần suất trao đổi liệu thấp, nhiên điện thường dài để đủ chứa thông tin biến tương tự Công nghệ bus trường khơng địi hỏi tốc độ cao, độ phủ mạng lớn, phải có tính tiền định có lựa chọn cho phù hợp mơi trường dễ cháy nổ Khơng nghi ngờ gì, hai công nghệ bus trường đầu lĩnh vực Foundation Fieldbus H1 PROFIBUS-PA Bài giảng: Mạng truyền thơng cơng nghiệp © 2008, Hồng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội 5.2 Đánh giá lựa chọn giải pháp mạng 153 Tự động hóa xí nghiệp Trong ngành cơng nghiệp chế tạo lắp ráp, tốn điều khiển logic điều khiển trình tự đóng vai trị trung tâm, khơng kể tới tốn điều khiển máy móc thiết bị đơn lẻ, điều khiển chuyể n động Các hệ thống điều khiển giám sát thường có qui mơ nhỏ so với công nghiệp chế biến, lượng liệu cần trao đổi thường có u cầu cao thời gian phản ứng Các giải pháp mạng tiêu biểu INTERBUS, DeviceNet, PROFIBUS-DP AS-i Tự động hóa tịa nhà Tự động hóa tịa nhà lĩnh vực ứng dụng có nhiều tiềm năng, đặc biệt khu vực phát triển xây dựng mạnh Việt Nam Các tịa nhà cơng sở, khách sạn, sân bay nhà chung cư có nhu cầu tự động hóa cao Các hệ thống lò sưởi, điều hòa nhiệt độ, hệ thống đóng mở cửa, hệ thống thang máy, hệ thống chiếu sáng, hệ thống cảnh báo cháy, đối tượng cần điều khiển giám sát từ trung tâm Tuy tốn điều khiển khơng phải q phức tạp, số lượng thiết bị lớn chủng loại đa dạng Một số cơng nghệ bus có ưu lĩnh vực LON, EIB gần truyền thông qua đường điện lực Các hệ thống giao thông-vận tải Các hệ thống điều khiển giám sát lĩnh vực giao thơng, ví dụ điều khiển giao thơng thị, đường sắt, hàng hải hàng không hệ thống có cấu trúc phân tán cách tự nhiên Các toán tiêu biểu lĩnh vực điều khiển tín hiệu nút giao thơng, điều khiển phân luồng giao thông, điều động phương tiện giao thông tương lai hệ thống xe tự hành Việc nối mạng thực qua nhiều phương thức khác nhau, ví dụ qua đường điện lực, qua sóng vơ tuyến, qua đường điệ n thoại Đến nay, hầu hết ứng dụng dựa giải pháp đặc biệt, đóng kín Tuy nhiên, ta nghĩ tới áp dụng số hệ thống mạng công nghiệp chuẩn INTERBUS PROFIBUS-DP kết hợp với sử dụng cáp quang, giao thức Modbus kết hợp qua đường điện lực điện thoại công cộng Các hệ thống phân phối lượng Tương tự hệ thống giao thông, mạng lưới phân phối lượng cung cấp điện, nước, ga có chất lai phân tán cách tự nhiên Đặc biệt, điều phối giám sát mạng điện lực quốc gia toán tương đối phức tạp mức độ trải rộng phân tán cao, mơ hình bất định, tính thời gian thực ngặt nghèo Việc sử dụng công nghệ truyền thông qua đường điện lực, đường cáp quang kết hợp với số giao thức chuẩn MODBUS giải pháp hợp lý 5.2.3 Yêu cầu kỹ thuật chi tiết Một phương pháp áp dụng phổ biến lựa chọn hệ thống bus phương pháp loại trừ dần dựa sở tiêu chuẩn kỹ thuật sau: • Cấu trúc: Topology, chiều dài tối đa mạng, số trạm tối đa đoạn (segment) Bài giảng: Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hồng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội 5.2 Đánh giá lựa chọn giải pháp mạng 154 • Đặc tính thời gian: Tính thời gian thực (đủ nhanh, kịp thời, dự đoán được), thời gian phản ứng tiêu biểu • Khả truyền tải liệu: T ốc độ tối đa độ dài liệu hữu ích tối đa điện (telegram) • Đồng tải nguồn: Khả cung cấp nguồn bus cho thiết bị tham gia (trạm) • Độ linh hoạt: Khả lắp đặt thay trạm vận hành, khả mở rộng hệ thống (ví dụ mở rộng sản xuất) • Độ an toàn: Loại trừ khả gây cháy nổ, gây ảnh hưởng xấ u tới mơi trường xung quanh • Độ bền vững, tin cậy: Hoạt động ổ n đị nh có ảnh hưởng, nhiễu từ mơi trường xung quanh • Chuẩn hóa: Điều kiện cho khả tương tác, tính nă ng mở hệ thống, tránh lạc hậu tương lai • Cơng cụ hỗ trợ: Phần mềm quản trị mạng, hỗ trợ giám sát, chẩn đoán cố Đối với ứng dụng cụ thể, có nhiều giải pháp tỏ thích hợp mà khác số ểm nhỏ Trong trường hợp vậy, cần phân tích đánh giá cách thận trọng, kỹ lưỡng Ngay thông số kỹ thuật tưởng chừng tương đương, lại khác cách bản, địi hỏi phải cân nhắc th ận trọng Ví dụ, lĩnh vực ứng dụng cần hệ thống bus có tốc độ truyền tải liệu thật cao mà yếu tố quan trọng thời gian phản ứng phải nhỏ dự đoán trước 5.2.4 Yêu cầu kinh tế Trong yêu cầu mang tính chất kinh tế ta cần xét hai yếu tố chính: • Giá thành tổng thể: Tổng hợp giá thành trang thiết bị, công thiết kế, lắp đặt bảo trì • Hiện trạng thị trường: Cơ hội mua sắm thiết bị dịch vụ Kinh nghiệm thực tế cho thấy, người sử dụng thường hay coi nhẹ việc hạch toán giá thành tổng thể tập trung vào đặc tính kỹ thuật giá trang thiết bị phần cứng Ví dụ, trình độ kinh nghiệm sẵn có giá dịch vụ thiết kế, lắp đặt bảo trì đóng vai trị quan trọng đầu tư tổng thể lâu dài Trong hoàn cảnh Việt nam, việc mua sắm thiết bị, công cụ phần mềm dịch vụ hỗ trợ có nhiều hạn chế, yếu tố trạng thị trường, kiến thức kinh nghiệm sẵn có ảnh hưởng lớ n tới định Tuy nhiên, ta cần th ận trọng với thói quen ảnh hưởng nhãn mác, không nên cố giữ mặc cảm, định kiến hệ thống Cũng bấ t lĩnh vực điện tử, tin học, công nghệ bus trường có đổi mới, tiến khơng ngừng Xu hướng thâm nhập Ethernet vào cấp điều khiển cấp chấp hành ví dụ tiêu biểu Bài giảng: Mạng truyền thơng cơng nghiệp © 2008, Hồng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội ... 1.1 Mạng truyền thơng cơng nghiệp gì? Mạng truyền thông công nghiệp hay mạng công nghiệp (MCN) khái niệm chung hệ thống mạng truyền thông số, truyền bit nối tiếp, sử dụng để ghép nối thiết bị công. .. nghiệp, nên dạng thông tin quan tâm liệu Các kỹ thuật công nghệ dùng mạng viễn thông phong phú, kỹ thuật truyền liệu theo chế độ bit nối tiếp đặc trưng mạng công nghiệp Mạng truyền thông công nghiệp... thức chuẩn TCP/IP IPX/SPX Mạng công ty Mạng cơng ty nằm mơ hình phân cấp hệ thống truyền thông công ty sản xuất công nghiệp Đặc trưng mạng công ty gần với mạng viễn thơng mạng máy tính diện rộng