Các thành phần hệ thống mạng

3.1 Phương tiện truyền dẫn Chương 3: 75 Các thành phần hệ thống mạng Chương giới thiệu thành phần hệ thống mạng truyền thông công nghiệp phương tiện truyền dẫn, phần cứng phần mềm giao diện mạng, thiết bị liên kết mạng linh kiện mạng khác 3.1 Phương tiện truyền dẫn Môi trường truyền dẫn hay phương tiện truyền dẫn ảnh hưởng lớn tới chất lượng tín hiệu, tới độ bền vững tín hiệu với nhiễu bên ngồi tính tương thích điện từ hệ thống truyền thơng Tốc độ truyền khoảng cách truyền dẫn tối đa cho phép phụ thuộc vào lựa chọn phương tiện truyền dẫn Ngồi đặc tính kỹ thuật, phương tiện truyền dẫn khác mức độ tiện lợi sử dụng (lắp đặt, đấu dây) giá thành Bên cạnh chuẩn truyền dẫn, hệ thống bus có qui định chặt chẽ chủng loại tiêu chất lượng môi trường truyền dẫn phép sử dụng Tuy nhiên, qui định chuẩn truyền dẫn thuộc lớp vật lý mơi trường truyền dẫn lại nằm phạm vi đề cập mơ hình qui chiếu OSI Nếu khơng xét tới đặc điểm riêng biệt hệ thống mạng cụ thể (ví dụ phương pháp truy nhập bus), tốc độ truyền tối đa kênh truyền dẫn phụ thuộc vào (độ rộng) băng thông kênh truyền Đối với mơi trường khơng có nhiễu, theo thuyết Nyquist thì: Tốc độ bit tối đa (bits/s) = 2H log2 X, H băng thơng kênh truyền X số mức trạng thái tín hiệu sử dụng mã hóa bit Đối với hệ thống mạng truyền thơng cơng nghiệp sử dụng tín hiệu nhị phân, ta có X = tốc độ bit (tính bit/s) khơng vượt q hai lần độ rộng băng thông Bên cạnh hạn chế băng thông kênh truyền dẫn, tốc độ truyền tối đa thực tế bị giảm đáng kể tác động nhiễu Shannon rằng, tốc độ truyền bit tối đa kênh truyền dẫn có băng thơng H (Hz) tỉ lệ tín hiệu-nhiễu S/N (signalto-noise ratio) tính theo cơng thức: Tốc độ bit tối đa (bits/s) = H log2 (1+S/N) Từ phân tích đây, ta thấy độ rộng băng thông khả kháng nhiễu hai yếu tố định tới chất lượng đường truyền Bên cạnh đó, khoảng cách truyền tối đa phụ thuộc vào độ suy giảm tín hiệu đường truyền Trong kỹ thuật truyền thơng nói chung truyền thơng cơng nghiệp nói riêng, người ta sử dụng phương tiện truyền dẫn sau: • Cáp điện: Cáp đồng trục, đôi dây xoắn, cáp trơn Bài giảng: Mạng truyền thơng cơng nghiệp © 2008, Hồng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội 3.1 Phương tiện truyền dẫn 76 • Cáp quang: Cáp sợi thủy tinh (đa chế độ, đơn chế độ), sợi chất dẻo • Vơ tuyến: Sóng truyền (radio AM, FM), sóng truyền hình (TV), vi sóng (microwave), tia hồng ngoại (UV) Dải tần số phương tiện truyền dẫn tiêu biểu mơ tả Hình 3.1 f(Hz) 104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016 Vệ tinh Đôi dây xoắn Cáp đồng trục Vi sóng mặt đất Sợi quang Hồng ngoại FM radio AM radio TV Dải tần LF MF HF VHF UHF SHF EHF THF Hình 3.1: Dải tần phương tiện truyền dẫn tiêu biểu Loại cáp điện phổ biến hệ bus trường đơi dây xoắn Đối với ứng dụng có u cầu cao tốc độ truyền độ bền với nhiễu cáp đồng trục lựa chọn tốt Cáp quang sử dụng rộng rãi ứng dụng có phạm vi địa lý rộng, mơi trường xung quanh nhiễu mạnh dễ xâm thực, có yêu cầu cao độ tin cậy tốc độ truyền liệu 3.1.1 Đôi dây xoắn Đôi dây xoắn (Twisted Pair) phát minh A Grahm Bell vào năm 1881 từ trở thành phương tiện kinh điển công nghiệp điện thoại Một đôi dây xoắn bao gồm hai sợi dây đồng quấn cách ly ôm vào Tác dụng thứ việc quấn dây trường điện từ hai dây trung hịa lẫn nhau, Hình 3.2 minh họa, nhiễu xạ mơi trường xung quanh tạp nhiễu xuyên âm giảm thiểu Hiện tượng nhiễu xuyên âm (crosstalk) xuất giao thoa trường điện từ hai dây dẫn Khái niệm xuyên âm có nguồn gốc kỹ thuật điện thoại, chồng chéo làm méo tiếng nói tác động qua lại hai dây dẫn Nếu kích thước, độ xoắn đơi dây thiết kế, tính tốn phù hợp, trường điện từ chúng gây tự triệt tiêu lẫn khơng làm ảnh hưởng tới chất lượng tín hiệu Hình 3.2: Đơi dây xoắn tác dụng trung hịa trường điện từ Bài giảng: Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội 3.1 Phương tiện truyền dẫn 77 Trong hệ thống truyền thông công nghiệp, đôi dây xoắn thường sử dụng kèm với chuẩn RS-485 Che chắn đường truyền RS-485 bắt buộc, tùy theo địi hỏi chất lượng đường truyền tính tương thích điện từ lĩnh vực ứng dụng khác Các lớp bọc lót, che chắn giảm tác động nhiễu bên ngồi đến tín hiệu truyền dẫn, đồng thời hạn chế nhiễu xạ từ đường truyền môi trường xung quanh Một cáp dẫn thường bao gồm nhiều đôi dây xoắn, trường hợp phổ biến hai đơi dây Cũng có chuẩn LAN IEEE 802.12 qui định sử dụng bốn đôi dây Tùy theo cách che chắn mà người ta phân biệt hai loại cáp dẫn: Shielded Twisted Pair (STP) Unshielded Twisted Pair (UTP) Sự khác STP UTP chỗ, ngồi vỏ bọc chung bên ngồi cáp STP cịn có thêm lớp che chắn riêng cho đơi dây, thấy Hình 3.3 Điện trở đặc tính STP UTP thường 120Ω Đặc điểm STP khả chống tác động nhiễu từ bên cao nhiều so với UTP, thân STP tỏa nhiễu mơi trường xung quanh Nhìn chung, hệ thống bus trường với chuẩn truyền dẫn RS-485 STP sử dụng phổ biến Cũng khả kháng nhiễu tốt mà STP cho phép truyền với tốc độ tương đối cao (1 10Mbit/s) a) STP b) UTP Hình 3.3: Hai kiểu cáp đơi dây xoắn - STP UTP Tùy theo chất lượng cáp truyền, chiều dài dây dẫn tối đa không dùng lặp tới 3000m Tuy nhiên, phương thức truyền không cho phép đạt tốc độ truyền tối đa chiều dài tối đa lúc Ví dụ, để đạt tốc độ truyền tối đa chiều dài dây dẫn không lớn 100m Bảng 3.1 liệt kê số kiểu cáp theo qui chuẩn AWG (American Wire Gauge) Bảng 3.1: Một số kiểu cáp STP theo qui chuẩn AWG AWG 28 26 24 22 20 Tiết diện dây (mm2) 0.08 0.13 0.2 0.32 0.50 Đường kính dây (mm) 0.32 0.40 0.51 0.64 0.80 Điện trở ΔR (Ω/m) 0.436 0.280 0.178 0.106 0.070 Chất lượng truyền STP tốt đôi với giá thành cao Vì khoảng cách truyền dẫn ngắn điều kiện có tác động nhiễu bên ngoài, UTP sử dụng Do dải tần bị hạn chế nhạy cảm với nhiễu, tốc độ truyền sử dụng UTP hệ thống mạng truyền thông công nghiệp thường bị hạn chế mức 167 kbit/s, chiều dài đường truyền tối đa không dùng lặp 200m Bài giảng: Mạng truyền thơng cơng nghiệp © 2008, Hồng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội 3.1 Phương tiện truyền dẫn 78 Tuy tốc độ truyền loại cáp đôi dây xoắn không cao lắm, ưu điểm giá thành hợp lý dễ lắp đặt, nối dây Vì ứng dụng chủ yếu chúng cấp trường, sử dụng hầu hết hệ thống bus trường Trên Hình 3.4 ví dụ cáp đôi dây xoắn kiểu STP, sản phẩm hãng Siemens dùng mạng MPI PROFIBUS Tốc độ truyền tối đa cho phép 12MBit/s Hình 3.4: Cáp đôi dây xoắn STP (Siemens) Đến nay, cáp đôi dây xoắn thiết kế, chế tạo với nhiều cải tiến khác Tùy theo kiểu cách chất lượng sản phẩm, người ta chia thành hạng từ 15 Loại cáp dùng công nghiệp điện thoại mạng thường thuộc hạng 3, cho phép truyền tới tốc độ 12Mbit/s Hạng cho phép truyền tới tốc độ 100Mbit/s, dùng Fast Ethernet (100BASE-TX) Chuẩn IEC 61158 đưa loại đôi dây xoắn xếp hạng từ A tới D với chất lượng cao thuộc hạng A 3.1.2 Cáp đồng trục Một loại cáp truyền thông dụng khác cáp đồng trục (coaxial cable hay coax) Như Hình 3.5 minh họa, cáp đồng trục bao gồm dây lõi bên dây (kiểu ống) bao bọc phía ngồi, ngăn cách lớp cách ly (điện môi) Cũng đôi dây xoắn, chất liệu sử dụng cho dây dẫn đồng Lớp cách ly thường polyethylen (PE), vỏ bọc nhựa PVC Vỏ bọc (PVC) Lớp dẫn (Cu) Dây dẫn lâi (Cu) Líp c¸ch ly (PE) Hình 3.5: Cấu tạo cáp đồng trục Cáp đồng trục thích hợp cho truyền tín hiệu tương tự tín hiệu số Người ta phân biệt hai loại cấp đồng trục cáp dải sở (baseband coax) cáp dải rộng (broadband coax) Loại thứ có trở đặc tính 50Ω, sử dụng rộng rãi truyền liệu, loại thứ hai có trở đặc tính 75Ω, thường sử dụng mơi trường truyền tín hiệu tương tự Phạm vi ứng dụng cổ điển cáp đồng trục hệ thống cáp truyền hình Nhờ cấu trúc đặc biệt tác dụng lớp dẫn ngoài, điện trường từ trường giữ gần hoàn toàn bên cáp đồng trục Chính tượng xun âm khơng đáng kể so với cáp đôi dây xoắn Bên cạnh đó, hiệu ứng bề Bài giảng: Mạng truyền thơng cơng nghiệp © 2008, Hồng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội 3.1 Phương tiện truyền dẫn 79 mặt2 làm giảm tổn hao đường truyền sử dụng cáp truyền có đường kính lớn Hình 3.6 biểu thị suy giảm đường truyền cáp đồng trục so sánh với đơi dây xoắn Về đặc tính động học, cáp đồng trục có dải tần lớn đơi dây xoắn nên việc tăng tần số nhịp để nâng tốc độ truyền dễ thực Tốc độ truyền tối đa cho phép tới 1-2 Gbit/s Với tốc độ thấp, khoảng cách truyền tới vài nghìn mét mà không cần lặp Tuy nhiên, bên cạnh giá thành cao đơi dây xoắn việc lắp đặt, đấu dây phức tạp nhược điểm chúng Vì truyền thơng cơng nghiệp, cáp đồng trục chủ yếu dùng cấp (bus hệ thống, bus xí nghiệp) ControlNet Ethernet Suy gi¶m (dB/100m) 100 STP 10 Coax 1 10 100 1000 TÇn sè (MHz) Hình 3.6: Suy giảm đường truyền đôi dây xoắn cáp đồng trục 3.1.3 Cáp quang Cáp quang sử dụng lĩnh vực ứng dụng đòi hỏi tốc độ truyền tải cao, phạm vi truyền dẫn lớn môi trường làm việc chịu tác động mạnh nhiễu Với kỹ thuật tiên tiến nay, loại cáp quang đạt tới tốc độ truyền 20Gbit/s Các hệ thống lắp đặt thơng thường có tốc độ truyền khoảng vài Gbit/s Sự suy giảm tín hiệu nhỏ, chiều dài cáp dẫn tới hàng chục, chí hàng trăm kilomét mà khơng cần lặp hay khuếch đại tín hiệu Một ưu điểm lớn cáp quang tính kháng nhiễu tính tương thích điện-từ Cáp quang không chịu tác động nhiễu ngoại cảnh trường điện từ, sóng vơ tuyến Ngược lại, thân cáp quang không xạ nhiễu mơi trường xung quanh, khơng ảnh hưởng tới hoạt động thiết bị khác Bên cạnh đó, sử dụng cáp quang nâng cao độ bảo mật thơng tin truyền Thực tế khó gắn bí mật thiết bị nghe trộm đường truyền mà khơng gây sụt giảm tín hiệu cách đột ngột Với thiết bị kỹ thuật đặc biệt người ta dễ dàng xác định vị trí bị can thiệp Nguyên tắc làm việc cáp quang dựa tượng phản xạ toàn phần ánh sáng bề mặt tiếp xúc hai vật liệu có hệ số khúc xạ n1 n2 khác thỏa mãn điều kiện: Ở tần số cao, dòng điện tập trung chủ yếu bề mặt dây dẫn Bài giảng: Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hồng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội 3.1 Phương tiện truyền dẫn 80 ⎛ n1 ⎞ ⎟ ⎝ n2 ⎠ α ≥ arctan ⎜ với α góc lệch tia ánh sáng tới so với đường trực giao, Hình 3.7 minh họa Thơng thường n1 chọn lớn n2 khoảng 1% n1 α n2 Hình 3.7: Ngun tắc phản xạ tồn phần (n1 > n2) Một sợi cáp quang bao gồm sợi lõi, lớp bọc lớp vỏ bảo vệ Sợi lõi lớp bọc làm thủy tinh chất dẻo suốt Một tia ánh sáng với góc lệch ϕ so với chiều dọc cáp dẫn - tính theo cơng thức sau - nắn theo đường rắc đặn: sin ϕ = n12 − n22 Nguyên tắc làm việc cáp quang minh họa Hình 3.8 ϕ n2 n1 Hình 3.8: Nguyên tắc làm việc cáp quang Tỉ lệ hệ số khúc xạ đường kính sợi lõi lớp bọc ảnh hưởng tới đặc tính đường tia ánh sáng Người ta phân loại cáp quang sợi thủy tinh thành hai nhóm sau: • Sợi đa chế độ (Multimode Fiber, MMF): Sợi quang nhiều kiểu sóng, tín hiệu truyền tia laser có tần số khơng Các LED sử dụng phát Hiện tượng tán xạ gây khó khăn việc nâng cao tốc độ truyền chiều dài cáp dẫn Khả truyền hạn chế phạm vi Gbit/s * km • Sợi đơn chế độ (Single-Mode Fiber, SMF): Sợi quang kiểu sóng, tín hiệu truyền tia laser có tần số Các điơt laze sử dụng phát Tốc độ truyền đạt tới hàng trăm Gbit/s khoảng cách 1km Nhóm thứ chia tiếp thành hai loại: Sợi có hệ số bước (Step Index Fiber) sợi có hệ số dốc (Gradient Index Fiber) Bảng 3.2 tóm tắt số đặc tính thơng số tiêu biểu ba loại cáp quang Bài giảng: Mạng truyền thông cơng nghiệp © 2008, Hồng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội 3.1 Phương tiện truyền dẫn 81 Bên cạnh sợi thủy tinh, số loại sợi chất dẻo sử dụng tương đối rộng rãi Sợi chất dẻo cho phép truyền với tốc độ thấp (khoảng vài chục tới vài trăm Mbit/s) khoảng cách truyền ngắn (tối đa 80m), giá thành thấp lắp đặt dễ dàng nhiều Bảng 3.2: Các loại sợi thủy tinh Sợi đa chế độ Hệ số bước Sợi đơn chế độ Hệ số dốc Đường đặc tính hệ số khúc xạ Đường tia sáng Đường kính 50 μm μm Đường kính ngồi 250 μm 125 μm 125 μm Độ suy giảm 100 MHz 1GHz 100GHz 1dB/100m tần số Bộ phát / thu LED / Điôt PIN APD1 Điôt laze / APD Tốc độ truyền * ~ 1Gbit/s * km ~ 100Gbit/s * km Cao Thấp Khoảng cách Giá thành LED: Light-emitting Diode, APD: Avalanche Photodiode 3.1.4 Vô tuyến Trong số lĩnh vực ứng dụng sử dụng cáp truyền, với chi phí cho lắp đặt cao - ví dụ cơng nghiệp khai thác dầu khí biển lĩnh vực theo dõi khí tượng thủy văn - phương pháp truyền vơ tuyến đóng vai trị quan trọng Trong năm gần đây, phương pháp truyền liệu phương tiện vô tuyến ứng dụng ngày rộng rãi, nhờ có mặt công nghệ đại, dễ sử dụng tin cậy Một vấn đề việc truyền liệu qua vi sóng phải sử dụng tần số thích hợp, phép quan hữu quan để tránh gây nhiễu hệ thống khác Ở nhiều nước, nới lỏng qui định cấp phép tạo điều kiện dễ dàng cho việc trang bị đưa vào sử dụng thiết bị Giá thành tổng thể cho hệ thống - kể Bài giảng: Mạng truyền thơng cơng nghiệp © 2008, Hồng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội 3.1 Phương tiện truyền dẫn 82 chi phí cho trang thiết bị bảo trì hệ thống - thấp nhiều so với chi phí cho cáp dẫn Hai phương tiện sử dụng rộng rãi vi sóng mặt đất vi sóng qua vệ tinh Đối với vi sóng mặt đất, sử dụng dịch vụ công cộng tự lắp đặt hệ thống riêng Các hệ thống truyền dẫn mặt đất riêng xây dựng sở hàng loạt thiết bị tương tự kỹ thuật số, phục vụ nhu cầu ứng dụng khác nhau, cần trao đổi liệu theo chiều hai chiều Phạm vi phủ sóng từ vài mét hàng chục kilômét Giá thành khác nhau, từ hệ thống đơn giản, rẻ tiền với giao tiếp đơn kênh, chiều hệ thống đắt cho phép sử dụng nhiều kênh liên lạc hai chiều lúc Một số hệ thống đơn giản sử dụng không cần giấy phép Các hệ thống dịch vụ công cộng mặt đất đa dạng mạng dịch vụ tích hợp kỹ thuật số (ISDN), mạng điện thoại di động (GSM, AMPS, UTSM), đài phát di động cơng cộng (MPT1327, TETRA), sóng phát truyền hình Bên cạnh chi phí mua sắm th trang thiết bị giá thành tổng thể bao gồm tiền thuê bao phí sử dụng tính theo thời gian Vì vậy, đầu tư ban đầu khơng cao, song chi phí cho vận hành lại lớn Sử dụng vệ tinh (Eutelsat, Intelsat, Inmarsat, Panamsat, Orbcomm) phù hợp với ứng dụng đòi hỏi liên lạc khoảng cách lớn, khơng liên tục Truyền dẫn qua vệ tinh đòi hỏi đầu tư cho thuê bao tương đối lớn, phụ thuộc vào hợp đồng sử dụng chất lượng dịch vụ, nhiên nhiều trường hợp lựa chọn Bài giảng: Mạng truyền thơng cơng nghiệp © 2008, Hồng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội 3.2 Giao diện mạng 83 3.2 Giao diện mạng 3.2.1 Cấu trúc giao diện mạng Một giao diện mạng bao gồm thành phần xử lý giao thức truyền thông (phần cứng phần mềm) thành phần thích ứng cho thiết bị nối mạng Hình 3.9 mơ tả phạm vi thực chức thực thành phần giao diện mạng đối chiếu với mơ hình OSI Lưu ý rằng, nhiều ta định nghĩa ranh giới rõ ràng phần cứng phần mềm Phạm vi chức thành phần giao Phần cứng thực chức lớp vật lý phần tồn chức lớp liên kết liệu lớp mạng Phạm vi chức phần mềm xử lý giao thức, từ lớp liên kết liệu lớp ứng dụng Tuy nhiên, lý tính thời gian vấn đề tạo xung nhịp, đồng nhịp, trích mẫu tín hiệu mã hóa bít, lớp vật lý bắt buộc phải vi mạch cứng đảm nhiệm Phần mềm thực dạng phần dẻo (firmware) đổ cứng vi xử lý, phần mềm giao thức tích hợp hệ điều hành (hiểu với nghĩa rộng) dạng hàm thư viện gọi chương trình ứng dng Lớp ứng dụng Lớp biểu diễn liệu Phần mềm Lớp kiểm soát nối Lớp vận chuyển Lớp liên kết liệu Phần cứng Lớp mạng Chơng trình ứng dụng Thành phần thực Hệ điều hành Mô hình OSI Líp vËt lý Hình 3.9: Phạm vi chức thành phần giao diện mạng Hình 3.10 mơ tả cấu trúc tiêu biểu phần cứng ghép nối bus trường cho thiết bị, sử dụng chủ yếu vi mạch tích hợp cao Phần cứng thực dạng bảng mạch riêng để ghép bổ sung, tích hợp sẵn bảng mạch thiết bị Chức xử lý giao thức truyền thơng thực vi xử lý thông dụng kết hợp với vi mạch thu phát không đồng đa UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter) Vi mạch UART thực việc chuyển đổi Bài giảng: Mạng truyền thơng cơng nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội 3.2 Giao diện mạng 84 liệu song song từ vi xử lý sang dãy bit nối tiếp Phần mềm xử lý giao thức lưu trữ nhớ EPROM/EEPROM Flash-ROM Phương pháp có nhược điểm tính thời gian xử lý truyền thơng khó xác định kiểm nghiệm cách xác Bên cạnh chi phí cho thiết kế, phát triển, thử nghiệm chứng nhận hợp chuẩn phần mềm xử lý giao thức cho loại vi xử lý cụ thể lớn Để khắc phục vấn đề đây, nhiều công ty cho sản xuất hàng loạt vi mạch chuyên dụng cho loại bus, gọi ASIC (Application Specific Integrated Circuit), đa dạng chất lượng, hiệu giá thành Một số ASIC chí cịn tích hợp sẵn số phần mềm ứng dụng thuật toán điều khiển, chức tiền xử lý tín hiệu chức tự chẩn đốn Nhờ đó, việc phân tán chức tự động hóa xuống thiết bị trường nối mạng khơng giảm tải cho máy tính điều khiển cấp trên, mà cịn cải thiện tính thời gian thực hệ thống Tuy nhiên, thông thường bảng mạch vi điện tử “cứng” khơng đảm nhiệm tồn chức xử lý giao thức truyền thông, mà thực dịch vụ thuộc lớp mơ hình OSI, phần thuộc trách nhiệm phần mềm thư viện phần mềm ứng dụng Trong số hệ thống bus số sản phẩm, nhà sản xuất tạo điều kiện cho người sử dụng tự lựa chọn nhiều khả Hầu hết mạch giao diện bus thực cách ly với đường truyền để tránh gây ảnh hưởng lẫn Ngoài ra, cần cung cấp nguồn nuôi trường hợp đường truyền tín hiệu khơng đồng tải nguồn Đa số thành phần ghép nối cho phép thay đổi chế độ làm việc tham số qua công tắc, jumper hiển thị trạng thái qua đèn LED Bài giảng: Mạng truyền thơng cơng nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội 3.2 Giao din mng 85 Bus Giắc cắm Bộ thu phát (Ví dụ RS-485) Cách ly Vi mạch chuyên dụng (ASIC) EPROM/ EEPROM/ Flash • RAM • • VÝ dơ +24VDC Ngn §Êt UART Vi xö lý (Xö lý giao thøc) Giao diện với vi mạch thiết bị IO-Driver ã ã Timer, Watchdog ã Giao diện sử dụng (Công tắc, jumper, LED) Vi mạch thiết bị Hỡnh 3.10: Cu trỳc tiờu biểu bảng mạch giao diện bus 3.2.2 Ghép nối PLC Để ghép nối PLC hệ thống mạng, ví dụ bus trường bus hệ thống, sử dụng module truyền thông riêng biệt trực tiếp CPU có tích hợp giao diện mạng Module giao diện mạng Đối với PLC có cấu trúc kiểu linh hoạt, thành phần hệ thống nguồn (PS), xử lý trung tâm (CPU) vào/ra (I/O) thực module riêng biệt, module chiếm khe cắm (slot) giá đỡ Việc giao tiếp CPU module khác thực thông qua bus nội đặt giá đỡ (backplane bus), theo chế độ truyền liệu song song Khi đó, phương pháp dùng rộng rãi để nối mạng bổ sung thêm module giao diện (interface module, IM) riêng biệt, tương tự việc ghép nối module vào/ra Các module giao diện mạng nhiều gọi xử lý truyền thông (communication processor, CP), module giao diện truyền thông (communication interface module, CIM) ngắn gọn module truyền thông (communication module, CM) Trong hầu hết trường hợp, module giao diện phải nhà sản xuất PLC cung cấp Hình 3.11 mơ tả phương pháp sử dụng hai module giao diện riêng biệt để ghép nối PLC với hai cấp mạng khác Bus trường (ví dụ PROFIBUS-DP) ghép nối Bài giảng: Mạng truyền thơng cơng nghiệp © 2008, Hồng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội 3.2 Giao diện mạng 86 PLC với thiết bị vào/ra phân tán thiết bị trường khác Bus hệ thống (ví dụ Ethernet) ghép nối PLC với với máy tính điều khiển giám sát vận hành Lưu ý rằng, module giao diện trạm có địa riêng mạng Bus hƯ thèng (VD: Ethernet) PLC PS CPU IM IM DI DO AI AO Bus tr−êng (VD: Profibus-DP) Hình 3.11: Giao diện bus cho PLC với module truyền thông CPU tích hợp giao diện mạng Bên cạnh phương pháp thực thành phần giao diện mạng thiết bị dạng module tách rời, có vi xử lý riêng giới thiệu giải pháp kinh tế cho thiết bị điều khiển khả trình lợi dụng CPU cho việc xử lý truyền thông Các vi mạch giao diện mạng phần mềm xử lý giao thức tích hợp sẵn CPU Phương pháp thích hợp cho PLC có cấu trúc module cấu trúc gọn nhẹ Hình 3.12 minh họa việc ghép nối bus trường cho PLC giải pháp sử dụng loại CPU thích hợp, ví dụ có sẵn cổng PROFIBUS-DP PLC PS CPU DI DO AI AO Cæng DP Profibus-DP Hình 3.12: Sử dụng CPU tích hợp giao diện PROFIBUS-DP 3.2.3 Ghép nối PC Các mạch giao diện mạng cho máy tính cá nhân có cấu trúc tương tự cho PLC Tuy nhiên, tính chất đa xử lý trung tâm bảng mạch (main-board), phương án thứ hai cho PLC (CPU tích hợp khả truyền thơng) khơng thể thực Các module giao diện mạng cho PC thường thực dạng sau: • Card giao diện mạng cho khe cắm ISA, PCI, Compact-PCI, Bài giảng: Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội 3.2 Giao diện mạng 87 • Bộ thích ứng mạng qua cổng nối tiếp cổng song song • Card PCMCIA Ngoài ra, sử dụng Modem (trong ngoài) phương pháp thơng dụng để truy nhập mạng qua PC đường điện thoại sẵn có Card giao diện mạng Tương tự PLC, CPU máy tính cá nhân sử dụng hệ thống bus nội (bus song song) để giao tiếp với module vào/ra cho thiết bị ngoại vi máy in, bàn phím, hình, v.v Bên cạnh số module tích hợp sẵn bảng mạch chính, máy tính cá nhân cịn có số khe cắm cho module vào/ra khác hỗ trợ việc mở rộng hệ thống Một card giao diện mạng cho PC lắp vào khe cắm, thông thường theo chuẩn ISA, PCI Compact-PCI Trên Hình 3.13 ví dụ sản phẩm Siemens cho ghép nối máy tính cá nhân PC với PROIBUS-FMS PROFIBUS-DP Trên card giao diện mạng cho PC thường có vi xử lý đảm nhiệm chức xử lý giao thức Tuy nhiên, tùy theo trường hợp cụ thể mà toàn hay phần chức thuộc lớp (lớp ứng dụng) vi xử lý card thực hiện, phần lại thuộc trách nhiệm chương trình ứng dụng, thơng qua CPU máy tính CP 5412 (A2) Hình 3.13: Card giao diện PROFIBUS CP5412 Siemens) Sử dụng card giao diện, máy tính cá nhân (cơng nghiệp) đặt trung tâm đồng thời thực nhiệm vụ điều khiển sở thay cho PLC đảm nhiệm chức hiển thị trình, điều khiển giám sát từ xa qua hệ thống bus trường Thế mạnh giải pháp “PC-based control” giá thành thấp tính mở hệ thống Một vấn đề cố hữu máy tính cá nhân độ tin cậy thấp môi trường công nghiệp phần khắc phục vị trí đặt xa q trình kỹ thuật Hơn nữa, thiết kế cấu hình dự phịng nóng nâng cao độ tin cậy giải pháp Bộ thích ứng mạng qua cổng nối tiếp/song song Trong cấu hình ứng dụng đơn giản, dùng thích ứng mạng (adapter) nối qua cổng máy tính như: • Các cổng nối chuẩn RS-232 (COM1, COM2) Bài giảng: Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hồng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội 3.2 Giao diện mạng 88 • Cổng nối chuẩn USB (Universal Serial Bus)) • Các cổng song song (LPT1, LPT2) Như minh họa Hình 3.14, thích ứng mạng có vai trị trạm mạng, thực chuyển đổi tín hiệu từ cổng nối tiếp song song máy tính sang tín hiệu theo chuẩn mạng, đồng thời đảm nhiệm việc xử lý giao thức truyền thông RS-232 PC Adapter bus tr−êng Hình 3.14: Ghép nối PC với bus trường qua cổng RS-232 Giải pháp sử dụng thích ứng mạng có ưu điểm đơn giản linh hoạt Tuy nhiên, tốc độ truyền bị hạn chế khả cố hữu cổng máy tính Card PCMCIA Đối với loại máy tính xách tay khơng có khả mở rộng qua khe cắm, bên cạnh phương pháp sử dụng thích ứng mạng, ta ghép nối qua khe PCMCIA với kích cỡ card thẻ điện thoại Phương pháp đặc biệt tiện lợi cho máy lập trình, đặt cấu hình, tham số hóa chẩn đốn hệ thống cho điều khiển thiết bị trường 3.2.4 Ghép nối vào/ra phân tán Được lắp đặt gần kề với trình kỹ thuật, thiết bị vào/ra phân tán cho phép tiết kiệm cách triệt để cáp truyền tín hiệu từ cảm biến cấu chấp hành tới điều khiển Bên cạnh đó, cấu trúc vào/ra phân tán cho phép sử dụng module vào/ra khác nhau, không thiết phải đồng với máy tính điều khiển (PLC, PC, DCS) Thực ra, thiết bị vào/ra phân tán khác với PLC chỗ khơng có xử lý trung tâm (CPU) Thay vào đó, tích hợp vi mạch giao diện mạng phần mềm xử lý giao thức Tùy theo cấu trúc thiết bị vào/ra phân tán dạng module hay dạng gọn mà phần giao diện mạng thực module riêng biệt hay khơng Hình 3.15 minh họa cách nối mạng PROFIBUS-DP cho thiết bị vào/ra phân tán có cấu trúc module Về nguyên tắc, phương pháp không khác so với cách ghép nối PLC trình bày Bài giảng: Mạng truyền thơng cơng nghiệp © 2008, Hồng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội 3.2 Giao diện mạng 89 Distributed I/O PS Interface Module DI DO AI AO Cỉng DP Profibus-DP Hình 3.15: Ghép nối vào/ra phân tán qua module giao diện DP 3.2.5 Ghép nối thiết bị trường Các thiết bị đo thông minh, van điều khiển, thiết bị quan sát, khởi động động cơ, điều khiển số biến tần thiết bị trường tiêu biểu có thực chức xử lý thơng tin chí chức điều khiển chỗ Ghép nối thiết bị trường trực tiếp với với cấp điều khiển cấu trúc vào/ra tiên tiến nhất, cho phép thực kiến trúc điều khiển phân tán thực Tương tự PLC vào/ra phân tán, việc nối mạng thiết bị trường với với cấp điều khiển thực theo hai cách tương ứng sử dụng module truyền thông riêng biệt sử dụng thiết bị tích hợp giao diện mạng Trên Hình 3.16 Hình 3.17 cấu hình minh họa cho phương pháp ghép nối với ví dụ mạng DeviceNet DeviceNet DeviceNet module Bé ®iỊu khiĨn số Bộ khởi động động DeviceNet module Hỡnh 3.16: Ghép nối thiết bị trường sử dụng DeviceNet module Bài giảng: Mạng truyền thơng cơng nghiệp © 2008, Hồng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội 3.2 Giao diện mạng 90 DeviceNet Truyền động Cảm biến điện-quang Thiết bị quan sát Hình 3.17: Ghép nối thiết bị trường tích hợp giao diện DeviceNet Đối với hệ bus sử dụng rộng rãi ngành công nghiệp chế biến, xu hướng mặt tích hợp sẵn giao diện mạng, mặt khác bổ sung chức xử lý thông tin điều khiển thiết bị trường Công nghệ vi xử lý tiên tiến ngày cho phép thực tồn chức vi mạch nhỏ gọn minh họa Hình 3.18 Giải pháp mang lại hàng loạt ưu điểm tiết kiệm dây dẫn, đầu tư cho điều khiển, tăng độ tin cậy tồn hệ thống, tăng khả trao đổi thơng tin Hiện nay, Foundation Fieldbus công nghệ đầu xu hướng Hình 3.18: Kích cỡ vi mạch giao diện nối bus trường so với đồng Euro (hình ảnh chụp sản phẩm hãng Bürkert) Bài giảng: Mạng truyền thơng cơng nghiệp © 2008, Hồng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội 3.3 Phần mềm hệ thống mạng 91 3.3 Phần mềm hệ thống mạng Phần mềm hệ thống mạng chia thành lớp phần mềm giao thức, phần mềm hệ thống bao gồm trình điều khiển (driver) trình tích hợp hệ điều hành, phần mềm giao diện ứng dụng Phần mềm giao thức thực chức thuộc lớp phía mơ hình OSI (có thể từ lớp trở lên), ví dụ xây dựng điện, bảo toàn liệu, v.v Trình điều khiển có vai trị liên kết phần cứng giao diện mạng (ví dụ card PCI) với hệ điều hành Các trình tích hợp hệ điều hành có chức quản lý phần cứng, đặt vùng nhớ ngắt cho trình điều khiển, kiểm sốt giao tiếp chương trình ứng dụng phần cứng giao diện mạng Phần mềm giao diện ứng dụng, cịn gọi giao diện lập trình, nằm lớp trước tới chương trình ứng dụng Quan hệ thành phần phần mềm hệ thống mạng minh họa Hình 3.19 Chơng trình ứng dụng PM giao thức Phần mềm giao diện ứng dụng Chơng trình ứng dụng Phần mềm giao diện ứng dụng PM giao thức Chơng trình ứng dụng Hệ điều hành Trình điều khiển Trình điều khiển Phần cứng GD mạng Phần cứng GD mạng Hỡnh 3.19: Quan hệ phần mềm hệ thống mạng 3.3.1 Phần mềm giao thức Phần mềm xử lý giao thức hay nói gọn phần mềm giao thức thành phần giao diện mạng, có nhiệm vụ thực chức xử lý giao thức lại mơ hình OSI Phần mềm giao thức tồn ba hình thức phần dẻo (firmware), thành phần hệ điều hành phần mềm thư viện Firmware Phần mềm dạng firmware đổ cứng vi mạch ghép nối ASIC, chứa nhớ lâu dài (EPROM, Flash-ROM), nạp lên nhớ RAM trước vào hoạt động Hình thức sau gọi bootloading hay downloading, phổ biến card giao diện cho PC Hầu hết ASIC cho bus trường chứa toàn phần mềm xử lý giao thức cho tất lớp chức năng, phần Trong trường hợp sau, chức lại thực bổ sung ASIC qua CPU chủ thông qua sử dụng phần mềm thư viện Bài giảng: Mạng truyền thơng cơng nghiệp © 2008, Hồng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội 3.3 Phần mềm hệ thống mạng 92 Trong số trường hợp, CPU chủ cần truy nhập trực tiếp vào số vùng nhớ ASIC (ví dụ vùng nhớ DPM), phần tổ chức giao tiếp lại ASIC đảm nhiệm hồn tồn Một số vùng nhớ ghi chứa liệu cấu hình, số vùng nhớ khác hộp thư (mailbox) chứa liệu sử dụng cần trao đổi mạng Thành phần hệ điều hành Phần mềm giao thức thực hình thức thành phần tùy chọn hệ điều hành Thông thường, phần mềm khơng thực tồn lớp giao thức hệ thống mạng, mà thực số lớp phía Ví dụ, card giao diện Ethernet chứa sẵn firmware cho xử lý giao thức cấp thấp, hệ điều hành (Windows, UNIX) bổ sung phần mềm giao thức cấp TCP/IP, IPX/SPX, Sự khác biệt so với dạng firmware phần mềm xử lý giao thức CPU máy chủ thực hiện, firmware vi xử lý phần cứng giao diện mạng thực Ưu điểm cách thực linh hoạt tối đa cho ứng dụng Phần mềm thư viện Phần mềm xử lý giao thức thực dạng thư viện lập trình hình thức linh hoạt nhất, cho phép nhúng trực tiếp mã xử lý giao thức vào chương trình ứng dụng cách có lựa chọn Thơng thường, nhà sản xuất phần cứng giao diện mạng cung cấp kèm thư viện hàm (C/C++) Cũng giống dạng cài đặt hệ điều hành, mã phần mềm thư viện CPU máy chủ thực thông thường đảm nhiệm chức xử lý giao thức lớp 3.3.2 Phần mềm giao diện lập trình ứng dụng Để chương trình ứng dụng sử dụng dịch vụ mạng, lớp phần mềm giao diện ứng dụng thực thơng qua hình thức phần mềm thư viện server Thư viện lập trình phổ thơng Các ngơn ngữ lập trình bậc cao thường sử dụng máy tính cá nhân điều khiển nhúng, nhiều phần mềm giao diện ứng dụng cung cấp dạng thư viện lập trình phổ thơng, đặc biệt cho ngôn ngữ C/C++ Bên cạnh việc định nghĩa số cấu trúc liệu, thư viện dạng cung cấp tập hợp hàm lớp để khai thác dịch vụ mạng trao đổi liệu, xác định thiết lập cấu hình Một số nhà sản xuất cung cấp mã nguồn ANSI-C để dịch nhiều vi xử lý khác Việc sử dụng thư viện lập trình phổ thơng thường gặp khó khăn lớn Đó phụ thuộc vào dịch vụ mạng cụ thể, mà vào cách xây dựng thư viện nhà cung cấp sản phẩm Điều có nghĩa là, mạng khác hay chí với loại mạng, người sử dụng khơng có thư viện lập trình thống Vì thế, việc tuân theo chuẩn giao tiếp MMS (Manufacturing Message Specification) góp phần giảm bớt không thống Bài giảng: Mạng truyền thông cơng nghiệp © 2008, Hồng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội 3.3 Phần mềm hệ thống mạng 93 Thư viện hàm khối chức chuyên dụng Lập trình sử dụng hàm khối chức phương pháp phổ biến phát triển phần mềm điều khiển Vì thế, nhà sản xuất PLC điều khiển khác (ví dụ hệ DCS) thường cung cấp số hàm khối chức giao tiếp để sử dụng tích hợp mơi trường lập trình Các hàm/khối chức có giao diện theo chuẩn quốc tế, riêng hãng tự đặt Ví dụ, mơ hình giao tiếp tập hợp khối chức giao chuẩn IEC 61131-5 tìm thấy ngun biến thể hầu hết công cụ lập trình cho PLC Chuẩn 61131-5 giới thiệu khái quát chương giảng Công nghệ đối tượng thành phần Một đối tượng thành phần thực thơng qua thư viện liên kết động, ví dụ DLL (Dynamic Link Library) chương trình server, cho phép sử dụng nhiều ngơn ngữ lập trình khác Tốt đối tượng thành phần thực theo mơ hình chuẩn quốc tế hay chuẩn cơng nghiệp Hai mơ hình đối tượng thành phần cho ứng dụng phân tán sử dụng rộng rãi CORBA (Common Object Request Broker Architecture) chuẩn hóa quốc tế tổ chức OMG (Object Management Group) chuẩn Microsoft DCOM (Distributed Component Object Model) OPC chuẩn cơng nghiệp dựa mơ hình DCOM có ý nghĩa quan trọng lĩnh vực tự động hóa cơng nghiệp, đề cập chi tiết chương Bài giảng: Mạng truyền thông cơng nghiệp © 2008, Hồng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội 3.4 Thiết bị liên kết mạng 94 3.4 Thiết bị liên kết mạng Để cho dòng liệu hai phần mạng truyền qua lại cho người ta sử dụng thiết bị liên kết đặc biệt Thơng thường phần mạng thiết lập giao thức truyền thông riêng, giao thức giống khác so với phần mạng lại Vấn đề làm liên kết hai mạng lại, mà người sử dụng hồn tồn khơng phải thiết lập lại giao thức truyền thông Tùy theo đặc điểm giống khác hai phần mạng cần liên kết, thực cách chọn loại thiết bị liên kết cho phù hợp số loại kết nối lặp (repeater), cầu nối (bridge), router gateway Những thiết bị liên kết chọn theo nhiệm vụ chúng theo mơ hình ISO/OSI 3.4.1 Bộ lặp Tín hiệu từ trạm phát đường truyền tới trạm khác bị suy giảm biến dạng, hay nhiều tùy theo đặc tính cáp truyền đặc tính tần số tín hiệu Chính mà có liên quan ràng buộc tốc độ truyền (quyết định tần số tín hiệu) với chiều dài tối đa dây dẫn Mặt khác, chuẩn truyền dẫn RS-485 qui định chặt chẽ đặc tính điện học thiết bị ghép nối (được coi tải), dẫn đến hạn chế số trạm tham gia Để mở rộng khoảng cách truyền nâng cao số trạm tham gia cách thơng thường sử dụng lặp (repeater) Vai trò lặp chép, khuếch đại hồi phục tín hiệu mang thơng tin đường truyền Hai phần mạng liên kết với qua lặp gọi đoạn mạng (segment), chúng phải giống hoàn toàn tất lớp giao thức kể đường truyền vật lý Mặc dù đoạn mạng mặt logic thuộc mạng nhất, tức trạm chúng phải có địa riêng biệt, đoạn mạng coi cách ly mặt điện học Vì vậy, số lượng trạm tồn mạng lớn chuẩn truyền dẫn qui định Như Hình 3.20 minh họa, chức lặp coi thuộc phần lớp vật lý đối chiếu với mơ hình OSI Chú ý rằng, lặp nối hai đoạn đường dẫn hệ thống truyền thông, thực giao thức môi trường truyền dẫn hồn tồn giống Trường hợp thiết bị có chức kết nối hai đoạn mạng có mơi trường truyền dẫn khác (ví dụ bên dùng cáp quang, bên dùng cáp đồng trục), ta dùng khái niệm chuyển đổi thích ứng Bài giảng: Mạng truyền thơng cơng nghiệp © 2008, Hồng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội