LÝ THUYẾT CHUNG VỀ MẠNG TRUYỀN THÔNG TRONG CÔNG NGHIỆP
Chỉång L thuút chung vãư mảng truưn thäng cọng nghióỷp chương Lý thuyết chung mạng truyền th«ng c«ng nghiƯp Tỉng quan chung 1.1 Giíi thiệu mạng truyền thông công nghiệp Do đặc thù ngành công nghiệp mà đà tạo nhiều loại mạng truyền thông khác Mặt khác mạng truyền thông công nghiệp có đặc thù riêng, phân biệt chúng với mạng thông tin quảng đại thông qua số khía cạnh sau: - Phạm vi hoạt động - Yêu cầu độ tin cậy truyền Ưu điểm sử dụng mạng truyền thông công nghiệp: - Thay hoàn toàn c¸c hƯ thèng trun cị nh: 0-20mA, 0-10V - Cho phép làm việc với sản phẩm nhiều nhà sản xuất khác - Là hệ thống mở, ®ång thêi cho phÐp hiƯu chØnh ®iỊu khiĨn tõ phßng điều khiển trung tâm - Hệ thống hoạt động với độ tin cậy cao - Độ mềm dẻo gần giới hạn - Giá thành thấp - Lượng thông tin truyền tải lớn 1.2 Mô hình phân cấp mạng truyền thông công nghiệp Để có nhìn tổng thể mạng truyền thông công nghiệp, hÃy xem mô hình phân cấp để thấy đặc trưng, chức nhiệm vụ của cÊp Nguùn Kim Ạnh & Nguùn Mảnh H - Tỉû âäüng họa - BKÂN Chỉång L thuút chung vãư mảng truưn thäng cäng nghiãûp Qu¶n lÝ kinh tÕ PC PC PC - Personal Computer HIS -Human Interface Station FCS - Field Control Station S - Sensor A - Actuator Fast Ethernet Qu¶n lÝ kü thuËt PC PC PC Ethernet Điều khiển giám sát HIS HIS EWS System bus HiƯn ®iỊu khiĨn FCS FCS FCS FCS Fieldbus Hiện trường S A S S A Hình 1.1 Mô hình phân cấp hệ thống mạng công nghiệp Cấp trường: Đây cấp nằm trường tất nhiên cấp nằm sát với dây chuyền sản xuất Các thiết bị cấp sensor cấu chấp hành, chúng nối mạng trực tiếp thông qua đường Bus ®Ĩ nèi víi cÊp trªn (cÊp ®iỊu khiĨn) HƯ thèng Bus dùng để kết nối thiết bị cấp trường với cấp điều khiển gọi Bus trường (fieldbus), thực tế hệ thống Bus đòi hỏi cần có đáp ứng thời gian thực trao đổi thông tin, đặc trưng trao đổi tin cấp trường tin thường có chiều dài không lớn Các sensor cấu chấp hành nối đường Bus thiết bị thông minh thiết bị thông thường có xử dụng thêm chuyển đổi giao thức tương thích Điển hình cđa Bus trêng lµ: Profibus-DP, Profibus-PA, Can, Foundation Fielbus, DeviceNet Nguùn Kim Ạnh & Nguùn Mảnh H - Tỉû âäüng họa - BKÂN Chỉång L thuút chung vãư mảng truưn thäng cäng nghiãûp CÊp ®iỊu khiĨn: CÊp bao gồm trạm điều khiển trường (FCS), điều khiển logic lập trình (PLC), thiết bị quan sát Chức thu thập tín hiệu từ trường, thực điều khiển sở, điều khiển logic, tổng hợp liệu Các thiết bị cấp kết nối với kết nối với thiết bị cấp (cấp điều khiển giám sát) thông qua Bus hệ thống, thực tế tin trao đổi Bus hệ thống đòi hỏi tín thời gian thực cao, mặt khác đặc thù tin chiều dài lớn nhiều so với tin trao đổi Bus trường Điển hình Bus hệ thống là: Profibus-FMS, ControlNet, Industrial Ethernet Cấp điều khiển giám sát: Các thiết bị cấp bao gồm trạm giao tiếp người máy HIS, trạm thiết kế kỹ thuật EWS, thiết bị phụ trợ khác Chức cấp thực điều khiển trình (Process Control), thực thuật toán điều khiển tối ưu Việc kết nối thiết bị cấp với thiết bị cấp (cấp quản lí kỹ thuật) thực thông qua mạng Ethernet, thực chất mạng cục LAN, với tính trao đổi thông tin không thiết thời gian thực, Cấp quản lí kỹ thuật cấp quản lí kinh tế: Thực chất cấp quan trọng hoạt động công ty, nhiên yêu cầu tốc độ trao đổi thông tin đòi hỏi thời gian thực không cao, chức cấp quản lí tình trạng hoạt động thiết bị toàn hệ thống hoạch định chiến lược phát triển sản xuất dựa tình trạng thiết bị Mét sè giao thøc dïng c¸c hƯ thèng mạng Fast Ethernet, TCP/IP Cơ sở thực mạng truyền thông công nghiệp 2.1 Mô hình tham chiÕu OSI (Open Systems Interconnection) - 1983 tæ chøc tiêu chuẩn hoá quốc tế ISO (International Standards Organization) đà ®a kiÕn tróc giao thøc víi chn ISO 7498 gọi mô hình tham chiếu OSI, nhằm hỗ trợ việc xây dựng hệ thống truyền thông có khả giao tiếp với Nguyóựn Kim Aẽnh & Nguùn Mảnh H - Tỉû âäüng họa - BKÂN Chỉång L thuút chung vãư mảng truưn thäng cọng nghióỷp - Chuẩn không đưa quy định cấu trục tin, không định nghĩa chuẩn dịch vụ cụ thể OSI mô hình kiến trúc phân lớp với mục đích phục vụ việc xắp xếp đối chiếu hệ thống truyền thông có sẵn, bao gồm việc so sánh đối chiếu giao thức dịch vụ truyền thông, làm sở cho ph¸t triĨn hƯ thèng A Protocol Líp øng dơng Líp øng dơng Líp biĨu diƠn d÷ liƯu Líp biĨu diễn liệu Lớp kiểm soát nối Lớp kiểm soát nèi Líp vËn chun Líp vËn chun Líp m¹ng N Lớp mạng Lớp liên kết liệu D Lớp liên kÕt d÷ liƯu Líp vËt lÝ P Líp vËt lÝ Môi trường truyền dẫn Hình 1.2 Cấu trúc mô hình tham chiÕu OSI Immediate data Communication network · Líp vËt lý (Physical Layer) Lớp định nghĩa kết nối vật lý PC mạng sau: - Theo cấu trúc mạng - Theo chuẩn truyền dẫn: áp dòng - Theo phương thức mà hoá tín hiệu - Theo giao diện học (cáp giắc cắm) à Lớp liên kết liệu (Data Link Layer) Lớp định nghĩa sau: - Protocol phù hợp với việc truy cập mạng theo tin nhận gửi - Chia khối liệu lớn thành khung định dạng liệu Cả hai lớp gọi lớp phần cứng, mạng cục lớp chia làm lớp con: lớp điều khiển truy nhập môi trường ( MAC Media Access Control) lớp điều khiển liên kết logic (LLC – Logical Link Control) Trong mét sè hÖ thèng lớp đảm nhiệm thêm chức kiểm soát lưu thông đồng hoá việc chuyển giao khung liệu Nguyóựn Kim Aẽnh & Nguyóựn Mảnh H - Tỉû âäüng họa - BKÂN Chỉång L thuút chung vãư mảng truưn thäng cäng nghióỷp à Lớp mạng (Network Layer) Lớp định nghĩa sau: - Truyền thông tin tối ưu mạng - Điều khiển thông điệp trạng thái để gửi chúng tới thiết bị khác mạng à Lớp vận chuyển (Transport Layer) Lớp định nghĩa sau: - Quản lý địa thiết bị mạng - Định vị đối tác truyền thông thông qua địa - Đồng hoá đối tác - Xử lí lỗi kiểm soát dòng thông tin à Lớp kiểm soát nối (Session Layer) Chức lớp kiểm soát mối liên kết truyền thông chương trình ứng dụng, bao gồm việc tạo lập, quản lí kết thúc đường nối ứng dụng đối tác à Lớp biểu diễn liệu (Presentation Layer) Chức lớp chuyển đổi dạng biểu diễn liệu khác cú pháp thành dạng chuẩn, để đối tác truyền thông khác giao tiếp víi · Líp øng dơng (Application Layer) Cã chøc cung cấp dịch vụ cao cấp (dựa sở giao thức cao cấp) cho người sử dụng chương trình ứng dụng Các dịch vụ lớp chủ yếu thực phần mềm 2.2 Cấu trúc mạng (Topology) Trước trình bày cấu trúc mạng hÃy xem xét khái niệm liên kết Liên kết: Là mối liên hệ vật lý logic hai hay nhiều đối tác truyền thông Với liên kết vật lý đối tác trạm truyền thông liên kết với qua môi trêng vËt lý Liªn kÕt logic vã thĨ hiĨu nh sau: Đối tác truyền thông không thiết phải thiết bị phần cứng mà chương trình hệ thống hay chương trình ứng dụng trạm nên quan hệ đối tác có tính logic Tương ứng với đối tác vật lý thường có nhiều đối tác logic tất nhiên nhiều mối liên kết logic xây dựng sở mối liên lết vật lý Các loại liên kết: Nguyóựn Kim Aẽnh & Nguyóựn Maỷnh Haỡ - Tỉû âäüng họa - BKÂN Chỉång L thuút chung vãư mảng truưn thäng cäng nghiãûp - Liên kết điểm - điểm (Point to Point) : Mối liên kết có đối tác thạm gia, mặt vật lý hai tạm nối với đường truyền Để thực mạng truyền tin dựa liên kết tập hợp nhiều đường dây độc lập - Liên kết điểm nhiều điểm (multi drop): Nhiều trạm nối chung với trạm chủ (master) Như đối tác nối chung vào đường dây - Liên kết nhiều điểm nhiều điểm (multi point): nhiều đối tác tham gia thông tin trao đổi theo nhiều hướng Cũng tương tự liên kết điểm nhiều điểm với liên kết đối tác nối đường dây Định nghĩa: Cấu trúc mạng tổng hợp mối liên kết Cấu trúc mạng hiểu cách xếp, tổ chức mặt vật lý mạng hiểu cách xếp logic nút mạng Các loại cấu trúc mạng: + Topology đầy đủ: A B E C D Hình 1.3 Sơ đồ Topology đầy đủ (Full) Với cấu trúc đầy đủ giao tiếp trạm nhanh, đối tác bị cố không ảnh hưởng tới đối tác lại cấu trúc giá thành cao tốn dây dẫn + Topology hình sao: B C A D F E Hình 1.4 Sơ đồ topology h×nh Nguùn Kim Ạnh & Nguùn Mảnh H - Tỉû âäüng họa - BKÂN Chỉång L thuút chung vóử maỷng truyóửn thọng cọng nghióỷp Các đối tác trao đổi thông tin với thông qua trạm chủ, nhiên cố trạm chủ dẫn đến tê liệt toàn hệ thống trạm chủ đòi hỏi phải có độ tin cậy cao + Topology vòng lặp B A C D Hình 1.5 Sơ đồ topology kiểu vòng loop Trong cấu trúc thành viên nối với tạo thành mạch vòng khép kín, tín hiệu truyền theo chiều cố định ưu điểm phương pháp nút mạng khuếch đại điều khiển cho khoảng cách cấu trúc xa Mặt khác đối tác ngăn mạch vòng làm hai phần nên khả sảy xung đột giảm tín hiêụ truyền theo chiều + Topology bus Hình 1.6 CÊu tróc trunkline/drop-line H×nh 1.7 CÊu tróc daisy-chain Trong cấu trúc đối tác truyền thông nối cung dây dẫn Với cấu trúc daisy-chain đối tác nối trực tiếp vào đường truyền Còn cấu trúc trunk-line/drop-line có dây phụ để nối đối tác vào đường Bus chung ưu điểm phương pháp đơn giản tiết kiệm dây dÉn + CÊu tróc c©y Nguùn Kim Ạnh & Nguùn Mảnh H - Tỉû âäüng họa - BKÂN Chỉång L thuút chung vãư mảng truưn thäng cäng nghióỷp Bộ nối Bộ lặp Bộ nối Hình 1.8 Cấu trúc Cấu trúc tổng hợp nhiều liên kết với cấu trúc đường thẳng, sao, mạch vòng Đây cấu trúc thường gặp thực tế 2.3 Môi trường truyền dẫn 2.3.1 Các đặc tính môi trường truyền dẫn Môi trường truyền dẫn môi trường mà tín hiệu thông tin truyền qua (thực chất đường truyền) Môi trường truyền dẫn có ảnh hưởng lớn tới tốc độ truyền dẫn, chất lượng đường truyền Ta xét đặc tính sau: à Dung lượng truyền môi trường truyền dẫn tính theo công thức sau: Uk = Tk*Fk*Hk ®ã: Tk - Thêi gian ®ã cã mỈt tÝn hiệu truyền Fk Khoảng tần số làm việc kênh Hk - Đặc tính rõ tăng c«ng st tÝn hiƯu Pth so víi c«ng st nhiƠu Pnh kênh Người ta gọi Uk khả truyền môi trường truyền dẫn à Tốc độ truyền thông tin: V=I/T đó: I Lượng thông tin truyền T Thời gian truyền lượng thông tin I 2.3.2 Các loại môi trường truyền dẫn a) Đường hai d©y hë Nguùn Kim Ạnh & Nguùn Mảnh H - Tỉû âäüng họa - BKÂN Chỉång L thuút chung vãư mảng truưn thäng cäng nghiãûp Lµ loại môi trường truyền dẫn đơn giản, hai dây dẫn cách li với khoảng không Loại nối thiết bị với chiều dài không lớn tốc độ truyền không 19.2 Kbis/s Đường dây ứng dụng truyền số liệu DTE DCE Nhược điểm loại dây chịu tác động nhiễu xuyên âm, cấu trúc hở khiến nhạy cảm với nhiễu gây nguồn xạ, lí khiến cho môi trường truyền dẫn hạn chế tốc độ chiều dài dây dẫn b) Cáp đôi dây xoắn Đây môi trường truyền dẫn có tính lịch sử truyền số liệu môi trường truyền dẫn dùng phổ biến Nó phát minh thời với điện thoại, giá tương đối rẻ tiền Cáp dây đôi xoắn loại trừ tốt Trong cáp có nhiều cặp dây xoắn vào Một đôi dây xoắn bao gồm hai sợi dây quấn cách li ôm vào cấu trúc mà trường điện từ hai dây trung hoà lẫn nhau, mặt khác dây tín hiệu dây đất xoắn vào giúp cho tín hiệu giao thoa hai dây thu nhận, không làm ảnh hưởng lên tín hiệu vi sai Chính mà nhiễu môi trường xung quanh nhiễu xuyên âm giảm thiểu đáng kể Hình 1.9 Cấu tạo cáp đôi dây xoắn Đường dây xoắn đôi thích hợp với thiết bị điều khiển đường dây mạch thu riêng, sử dụng tốc độ bit Mbps cho khoảng cách từ vài m đến 15Km tốc độ bit thấp cho khoảng cách dài Điển hình cáp đôi dây xoắn việc ứng dụng hệ thống truyền thông sử dụng chuẩn RS485 với tốc độ truyền thông thường 64Kb/s 96Kb/s Tuy cáp đôi dây xoắn có nhược điểm chịu ảnh hưởng nhiễu kí sinh tượng can nhiệt (couplage) Có loại cáp xoắn đôi: Cáp xoắn đôi không bäc kim (UTP – Unshielded Twisted Pair) dïng réng r·i mạng điện thoại nhiều ứng dụng truyền số liệu; cáp xoắn đôi bọc kim (STP Shielded Twisted Pair), có chắn để bảo vệ giảm ¶nh hëng cđa tÝn hiƯu giao thoa Nguùn Kim Ạnh & Nguùn Mảnh H - Tỉû âäüng họa - BKÂN Chỉång L thuút chung vãư mảng truưn thäng cọng nghióỷp c) Cáp đồng trục Hạn chế cáp xoắn đôi gây hiệu ứng bề mặt Khi tốc độ bit (cũng tần số) tín hiệu truyền dẫn tăng lên luồng chảy dòng điện dây bề mặt, sử dụng tiết diện sẵn có, dẫn đến tăng điện trở dây tín hiệu cao tần, làm tăng suy hao Ngoài ra, tần số cao, suất tín hiệu bị mát nhiều hiệu ứng xạ Vì vậy, với ứng dụng đòi hỏi tốc độ bit cao Mbps, cần phải có thiết bị điện tử thu điều khiển tinh vi sử dụng môi trường truyền dẫn khác Cáp đồng trục làm giảm tối thiểu hai hiệu ứng Cáp có chất dẫn điện trục bao quanh trục chất dẫn điện Khoảng hai lớp chất dẫn điện thường làm đầy chất cách điện rắn cấu trúc tổ ong Lớp dẫn điện Lớp cách điện Hình 1.10 Cấu tạo cáp đồng trục Chất dẫn điện chắn hữu hiệu với tín hiệu nhiễu bên Sự tổn hao tín hiệu nhỏ gây xạ điện từ hiệu ứng bề mặt Cáp đồng trục sử dụng với nhiều kiểu tín hiệu khác nhau, tốc độ điển hình 10Mbps Cáp đồng trục sử dụng rộng rÃi, chế độ hoạt động sử dụng dải sở (BaseBand) dải rộng (BroadBand) Với BaseBand toàn hiệu suất đường truyền dành cho kênh truyền thông BroadBand sử dụng cho nhiều kênh phân chia dải thông đường truyền Chúng minh hoạ h×nh 3.10 Nguùn Kim Ạnh & Nguùn Mảnh H - Tỉû âäüng họa - BKÂN 10 Chỉång L thuút chung vãư mảng truưn thäng cäng nghiãûp BaseBand BroadBand Hình 1.11 Minh hoạ dải sở dải rộng - Phương thức truyền dải sở truyền tín hiệu tương tự tín hiệu số Khoảng cách truyền giải sở từ 1Km đến 3Km tốc độ giải 1Mb/s đến 10Kb/s Với giải rộng khoảng cách từ 10Km đến 50Km, tốc độ lên đến 350Mb/s Với điều chế dải rộng cáp đồng trục nhạy cảm với nhiễu tần sè thÊp, hƯ sè chèng nhiƠu tõ 50dB ®Õn 60 dB Trong trường hợp điều chế dải rộng nhạy cảm hơn, hệ số chống nhiễu từ 80dB đến 100dB d) Sợi quang Đây môi trường truyền dẫn xử dụng rộng rÃi công nghiệp ưu điểm sau: - Dung lượng truyền lớn - TÝnh b¶o mËt tÝn hiƯu trun cao - Träng lượng nhẹ (đặc biệt thích hợp với kỹ thuật hàng không) - Khả chống nhiễu tốt - Tốc độ truyền cao (có thể lên đến hàng trăm Mb/s) - Không bị ăn mòn môi trường oxi hoá Chúng ta hÃy xét số vấn đề lí thuyết trước xem xét sợi quang + Bản chất đặc trưng sóng ánh sáng * Bản chất sóng ánh sáng - ánh sáng cường độ lớn bao gồm lượng tử lượng lớn mà gồm nhiều lượng tử lan truyền Bản chất sóng ánh sáng có tính chất sóng tính chất hạt Tốc độ lan truyền sóng ánh sáng 3.108m/s chân không Nguyóựn Kim Aẽnh & Nguùn Mảnh H - Tỉû âäüng họa - BKÂN 11 Chỉång L thuút chung vãư mảng truưn thäng cọng nghióỷp - Khi nghiên cứu phần tử thu quang người ta xử dụng đặc tính hạt Khi nghiên cứu trình lan truyền cáp quang sợi quang người ta lại quan tâm đến tính chất sóng * Các đặc trưng + Dải phổ xạ quang học Đặc trưng nguồn xạ điện từ dải phổ xạ quang học hay dải bước sóng t¬ng øng: l= c f ( m) & f = c l ( Hz ) - ¸nh s¸ng sư dơng thông tin quang ánh sáng vùng hồng ngoại: - Hồng ngoại gần IR-A: 0.78mm 1.4 mm - Hồng ngoại IR-B: 1.4mm mm - Hồng ngoại gần IR-A: 6mm 1mm - Phổ xạ có loại khác phổ liên tục, phổ rời rạc phổ hấp thụ Trong thông tin quang người ta sử dụng phổ liên tục phổ rời rạc + Đặc tính không kết hợp: Khi nguồn xạ hoạt động, nguyên tử xạ ngẫu nhiên xung ánh sáng, Mỗi xung ánh sáng chứa đựng dao động riêng Các xung ánh sáng tồn thời gian ngắn (18-8) khoảng 3m Sau nguyên tử ngừng xạ thời gian dài, thời gian nguyên tử khác lại xạ tạo ánh sáng liên tục Do nguyên tử nên pha chúng ngẫu nhiên, có tượng giao thoa thời gian dài người ta gọi đặc tính không kết hợp ánh sáng + Nguyên lí truyền dẫn ánh sáng n2 - Dựa vào tượng phản xạ toàn phần - Khi n1>n2 at