đề cương mạng truyền thông công nghiệp

đề cương mạng truyền thông công nghiệp

Bài 1: Giới thiệu tổng quan

1 Giới thiệu:

a.Mạng truyền thông công nghiệp là gì?:

- Mạng truyền thông công nghiệp hay mạng công nghiệp là một khái niệmchung chỉ các hệ thống thông số, truyền bít nối tiếp, được sử dụng để ghép nốicác thiết bị công nghiệp Các hệ thống mạng truyền thông công nghiệp phổ biếnhiện nay cho phép liên kết mạng ở nhiều mức khác nhau, từ các cảm biến, thiết

bị quan sát, máy tính điều khiển giám sát và các máy tính cấp điều hành xínghiệp, quản lý công ty

Tuy nhiên mạng truyền thông công nghiệp không hẳn là mạng máy tính vàcũng không là mạng viễn thông Giữa chúng có một số điểm chung và vài điểmkhác biệt sau:

+ Mạng viễn thông có phạm vi địa lý và số lượng thành viên tham gia lớn hơnrất nhiều, nên các yêu cầu kỹ thuật ( cấu trúc mạng, tốc độ truyền thông, tínhnăng thời gian thực …) rất khác, cũng như các phương pháp truyềnthông( truyền tải dải rộng) dải cơ sở, điều biến, dồn kênh, chuyển mạch, )thường phức tạp hơn nhiều so với mạng truyền thông công nghiệp

+ Đối tượng của mạng viễn thông bao gồm cả con người và thiết bị kỹ thuật,trong đó cong người đóng vai trò chủ yếu Vì vậy các dạng thông tin cần traođổi bao gồm cả tiếng nói, hình ảnh, văn bản và dư liệu Đối tượng của mạngcông nghiệp thuần túy là các thiết bị công nghiệp nên dạng thông tin quan tâmduy nhất là dữ liệu

Mạng truyền thông công nghiệp thực chất là một dạng đặc biệt của mạng máytính, có thể so sánh với mạng máy tính thông thường ở các điểm giống nhau vàkhác nhau như sau:

+ Kỹ thuật truyền thông số hay truyền dữ liệu là đặc trưng chung của 2 lĩnh vực + Trong nhiều trường hợp, mạng máy tính sử dụng trong công nghiệp được coi

là một phần( ở các cấp điều khiển giám sát, điều hành sản xuất và quản lý côngty) trong mô hình phân cáp của mạng công nghiệp

+ Yêu cầu về tính năng thời gian thực, độ tin cậy và khả năng tương thích trongmôi trường công nghiệp của mạng truyền thông công nghiệp cao hơn so với mộtmạng máy tính thông thường, trong khi đó mạng máy tính thường yêu cầu caohơn về độ bảo mật,

+ Mạng máy tính có phạm vi trải rộng rất khác nhau có thể nhỏ như mạng Lancho một nóm vài máy tính hoặc lớn như mạng Internet Trong nhiều trường hợpmạng máy tính gián tiếp sử dụng dịch vụ truyền dữ liệu của mạng viễn thông.Trong khi đó, cho đến nay các hệ thống mạng công nghiệp thường có tính chấtđộc lập, phạm vi hoạt động tương đối hẹp

Đối với hệ thống truyền thông công nghiệp, đặc biệt là ở các cấp dưới thì cácyêu cầu về tính năng thời gian thực, khả năng thực hiện đơn giản, giá thành hạlại được đặt ra hàng đầu

Vai trò của mạng truyền thông công nghiệp:

Một bộ điều khiển cần được ghép nối với các cảm biến và cơ cấu chấp hành.Giữa các bộ điều khiển trong một hệ thống điều khiển phân tán cũng cần traođổi thông tin với nhau để phối hợp thực hiện điều khiển cả quá trình sản xuất Ởmột cấp cao hơn, các trạm vận hành trong trung tâm điều khiển cũng cần đượcghép nối và giao tiếp với các bộ điều khiển để có thể theo dõi, giám sát toàn bộquá trình sản xuất và hệ thống điều khiển Vậy nếu sử dụng mạng truyền thôngtrong công nghiệp sẽ có những lợi ích sau:

- Đơn giản hóa cấu trúc liên kết giữa các thiết bị công nghiệp: một số lượng lớncác thiết bị thuộc các chủng loại khác nhau được ghép nối với nhau thông quamột đường truyền duy nhất

- Tiết kiệm dây nối và công thiết kế, lắp đặt hệ thống: nhờ cấu trúc đơn giản,việc thiết kế hệ thống trở nên dễ dàng hơn nhiều Một số lượng lớn cáp truyềnđược thay thế bằng một đường duy nhất, giảm chi phí đáng kế cho nguyên vậtliệu và công lắp đặt

- Nâng cao độ tin cậy và độ chính xác của thông tin: Khi dung phương pháptruyền tín hiệu tương tự cổ điển, tác động của nhiễu dễ làm thay đổi nội dungthông tin mà các thiết bị không có cách nào nhận biết Nhờ kỹ thuật truyềnthông số, không những thông tin truyền đi khó bị sai lệch hơn mà các thiết bị nốimạng còn có them khả năng tự phát hiện lỗi và chuẩn đoán lỗi nếu có Hơn thếnữa, việc bỏ qua nhiều lần chuyển đổi qua lại tương tự số và số tương tự nângcao độ chính xác của thông tin

- Nâng cao độ linh hoạt, tính năng mở của hệ thống: Một hệ thống mạng chuẩnhóa quốc tế tạo điều khiện cho việc sử dụng các thiets bị nhiều hang khác nhau.Việc thay thế thiết bị, nâng cấp và mở rộng phạm vi chức năng của hệ thốngcũng dễ dàng hơn nhiều Khả năng tương tác giữa các thành phần được nâng caonhờ giao diện chuẩn

- Đơn giản hóa/ tiện lợi hóa việc tham số hóa, chuẩn đoán, định vị lỗi, sự cố cácthiết bị: Với một đường truyền duy nhất, không những các thiết bị có thể traođổi dữ liệu quá trình mà còn có thể gửi cho nhau các dữ liệu tham số, dữ liệutrạng thái, dữ liệu cảnh báo và dữ liệu chuẩn đoán Các thiết bị có thể tích hợpkhả năng tự chuẩn đoán, các trạm trong mạng cũng có thể có khả năng cảnh giớilẫn nhau Việc cấu hình hệ thống, lập trình, tham số hóa, chỉnh định thiết bị vàđưa vào vận hành có thể thực hiện từ xa qua một trạm kỹ thuật trung tâm

- Mở ra nhiều chức năng và khả năng ứng dụng mới của hệ thống: Sử dụngmạng truyền thông công nghiệp cho phép áp dung các kiến trúc điều khiển mớinhư điều khiển phân tán, điều khiển giám sát hoặc chuẩn đoán lỗi từ xa quaInternet, tích hợp thông tin của hệ thống điều khiển và giám sát với thông tinđiều hành sản xuất và quản lý công ty

Phân loại và đặc trưng các hệ thống mạng truyền thông công nghiệp:

Để phân loại và phân tích đặc trưng của các hệ thống mạng truyền thông công nghiệp, ta dựa vào mô hình phân cấp quen thuộc cho các công ty, xí nghiệp sản xuất Mô hình này thể hiện nhiều phân cấp khác nhau

Ta nhận thấy càng ở những cấp dưới thì các chức năng càng mang tính chất cơ bản hơn và đòi hỏi yêu cầu cao hơn về độ nhanh nhạy, về thời gian phản ứng Một chức năng ở cấp trên được thực hiện dựa trên các chức năng cấp dưới tuy không đòi hỏi thời gian phản ứng nhanh nhưng lượng thông tin cần trao đổi và

xử lý lớn hơn nhiều

Tương ứng với năm cấp chức năng là bốn cấp của hệ thống truyền thông Từcấp điều khiển giám sát trở xuống thì thuật ngữ “bus” thường được dùng thaycho “mạng” với lý do phần lớn hệ thống mạng phía dưới đều có cấu trúc vật lýhoặc logic kiểu bus

Mô hình phân cấp chức năng sẽ rất tiện lợi cho việc thiết kế hệ thống và lựachọn thiết bị Trong thực tế ứng dụng, sự phân cấp chức năng có thể khác mộtchút so với trình bày ở đây, tùy thuộc vào mức độ tự động hóa và cấu trúc hệthống cụ thể

+Bus trường, bus thiết bị:

Bus trường thực ra là một khái niệm chung được dùng trong các ngành côngnghiệp chế biến để chỉ các hệ thống bus nối tiếp, sử dụng kỹ thuật truyền tin số

để kết nối các thiết bị thuộc cấp điều khiển ( PC, PLC) với nhau và với các thiết

bị ở cấp chấp hành hay các thiết bị trường Các chức năng chính của cấp chấphành là đo lường, truyền động và chuyển đổi tín hiệu trong trường hợp cần thiết.Các thiết bị có khả năng nối mạng là các ngõ vào/ra phân tán, các thiết bị đolường hoặc cơ cấu chấp hành có tích hợp khả năng sử lý truyền thông Một sốkiểu bus trường chỉ thích hợp nối mạng các thiết bị cảm biến và cơ cấu chấphành với các bộ điều khiển cũng được gọi là bus chấp hành/cảm biên

Do nhiệm vụ của bus trường là chuyển dữ liệu quá trình lên cấp điều khiển để

xử lý và chuyển quyết định điều khiển xuống các cơ cấu chấp hành, vì vậy yêucầu về tính năng thời gian thực được đặt lên hàng đầu Các hệ thống bus trường

được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay là: FROFIBUS, CAN, Modbus, Internetbus

và gần đây phải kể tới: Foundation Fieldbus, AS-i

+Bus hệ thống, bus điều khiển:

Các hệ thống mạng công nghiệp được dùng để kết nối các máy tính điều khiển

và các máy tính trên cấp điều khiển giám sát với nhau được gọi là bus hệ thốnghay bus quá trình Khái niệm sau thường chỉ được dùng trong lĩnh vực điềukhiển quá trình Qua bus hệ thống mà các máy tính điều khiển có thể phối hợphoạt động, cung cấp dữ liệu quá trình cho các trạm kỹ thuật và trạm quan sát( có thể gián tiếp thông qua hệ thống quản lý cơ sở dữ liệu trên các trạm chủ)cũng như nhận mệnh lệnh, tham số điều khiển từ các trạm phí trên Thông tinkhông những được trao đổi theo chiều dọc mà còn theo chiều ngang Các trạm

kỹ thuật, trạm vận hành và các trạm chủ cũng trao đổi dữ liệu qua bus hệ thống.Ngoài ra các máy in báo cáo và lưu trữ dữ liệu cũng có thể được kết nối quamạng này

Khái niệm bus trường và bus hệ thống không bắt buộc nằm ở sự khác nhau vềkiểu bus được sử dụng mà ở mục đích sử dụng hay nói cách khác là ở các thiết

bị ghép nối Trong một số giải pháp, một kiểu bus duy nhất dung cho cả hai cấpnày

Đối với bus hệ thống, tùy theo lĩnh vực ứng dụng mà đòi hỏi về tính năng thờigian thực có được đặt ra một cách nghiêm ngặt hay không Thời gian phản ứngtiêu biểu nằm trong khoảng một vài trăm miligiây, trong khi lưu lượng thông tincần trao đổi lớn hơn nhiều so với bus trường Tốc độ truyền thông tiêu biểu củabus hệ thống nằm trong phạm vi từ vài trăm kbit/s đến vài Mbit/s

Khi bus hệ thống được sử dụng chỉ để ghép nối theo chiều ngang giữa các máytính điều khiển, người ta thường dung khái niệm bus điều khiển Vai trò của busđiều khiển là phục vụ trao đổi dữ liệu thời gian thực giữa các trạm điều khiểntrong một hệ thống có cấu trúc phân tán Bus điều khiển thông thường có tốc độtruyền không cao, nhưng yêu cầu về tính năng thời gian thực thường rất khắckhe

+Mạng xí nghiệp:

Mạng xí nghiệp thực ra là một mạng LAN bình thường có chức năng kết nối

các máy tính văn phòng thuộc cấp điều hành sản xuất với cấp điều khiển giám sát Thông tin được đưa lên trên bao gồm trạng thái làm việc của quá trình kỹ thuật, các giàn máy cũng như của hệ thống điều khiển tự động, các số liệu tính toán, thống kê về diễn biến qua trình sản xuất và chất lượng sản phẩm Thông tin theo chiều ngược lại là các thông số thiết kế, công thức điều khiển và mệnh lệnh điều hành Ngoài ra, thông tin cũng được trao đổi mạnh theo chiều ngang giữa các máy tính thuộc cấp điều hành sản xuất

Khác với các hệ thống bus cấp dưới, mạng xí nghiệp không yêu cầu nghiêmngặt về tính năng thời gian thực Việc trao đổi dữ liệu thường diễn ra không định

kỳ, nhưng có khi số lượng lớn tới hang Mbyte Hai loại mạng được dung phổbiến cho mục đích này là Ethernet và Token-Ring trên cơ sở các giao thức chuẩnnhư TCP/IP và IPX/SPX

+Mạng công ty:

Mạng công ty nằm trên cùng trong mô hình phân cấp hệ thống truyền thôngcủa một công ty sản xuất công nghiệp Đặc trưng của mạng công ty gần với mộtmạng viễn thông hoặc một mạng máy tính diện rộng nhiều hơn trên các phươngdiện phạm vi và hình thức dịch vụ, phương pháp truyền thông và các yêu cầu về

kỹ thuật Chức năng của mạng công ty là kết nối các máy tính văn phòng củacác xí nghiệp, cung cấp các dịch vụ kết nối các máy tính văn phòng với xínghiệp, cung cấp các dịch vụ trao đổi thông tin nội bộ và với khách hàng nhưthư viện điện tử, thư điện tử, hội thảo từ xa qua điện thoại, hình ảnh, cung cấpcác dịch vụ truy cập Internet và thương mại điện tử, v v Hình thức tổ chứcghép nối mạng cũng như các công nghệ được áp dụng rất đa dạng, tùy thuộc vàođầu tư xí nghiệp được thực hiện bằng một hệ thống mạng duy nhất về mặt vật lýnhưng chia thành nhiều phạm vi và nhóm mạng làm việc riêng biệt Mạng công

ty đòi hỏi về tốc độ truyền thông và độ an toàn tin cậy cao

2 Các hệ thống và thiết bị điều khiển hiện đại:

a.Hệ điều khiển phân tán (Distributed Control System, DCS) :

- DCS là một giải pháp điều khiển và giám sát có cấu trúc phân cấp và phân tán,được cung cấp trọn gói từ một nhà sản xuất, được sử dụng chủ yếu trong cácngành công nghiệp chế biến Trạm điều khiển trong một hệ DCS là các máy tínhchuyên dụng trong điều khiển quá trình, có cấu trúc module, khả năng xử lý sốthực lớn Tương tự như PLC, các trạm điều khiển DCS cũng cho phép lập trình

và thay đổi chương trình một cách rất linh hoạt bằng các công cụ phần mềmmạnh Sản phẩm DCS đầu tiên là hệ TDC2000 do Honeywell đưa ra vào năm

1975 Từ đó tới nay, các sản phẩm DCS liên tục được phát triển và tiến hoá,nhiều sản phẩm mới ra đời thậm chí không còn được gắn cái tên DCS.DCS là một giải pháp điều khiển phân tán, tuy nhiên không phải bất cứ giảipháp điều khiển phân tán nào cũng là DCS Ta hoàn toàn có thể xây dựng các hệthống tự động hoá có cấu trúc phân tán dựa trên nền DCS, PLC, IPC… Cũngphải nói rằng, đôi khi cũng khó có sự phân biệt rạch ròi giữa các loại thiết bịđiều khiển nói trên Ví dụ, một giải pháp DCS có thể sử dụng PLC (PLC-basedDCS) hoặc IPC (PC-based DCS) cho các trạm điều khiển của nó Do có sự pháttriển mạnh mẽ của công nghệ máy tính, các thiết bị điều khiển ngày càng giốngnhau hơn về bản chất Một khái niệm được dùng rộng rãi gần đây là hệ điềukhiển lai (hybrid control system), trong đó mỗi trạm điều khiển có thể mangdáng dấp của một DCS kinh điển, một PLC hoặc một IPC hiện đại Sự phát triểncác giải pháp điều khiển đương nhiên cũng không chỉ dừng ở đó Xu thế sử dụngbus trường và các thiết bị trường thông minh tích hợp chức năng điều khiển cơ

sở đã tạo ra các giải pháp điều khiển hoàn toàn mới Và khi không biết phải gọitên giải pháp đó chính xác là gì, người ta sẽ dùng các khái niệm chung chungnhư hệ thống tự động hoá quá trình (Process Automation System), hệ thống tựđộng hoá xí nghiệp (Factory Automation System) hoặc hệ thống tự động hoá kỹthuật số (Digital Automation System)

b Hệ thống điều khiển quá trình:

- SCADA – Supervisory Control And Data Acquisition là một hệ thống điềukhiển giám sát và thu thập dữ liệu, nói một cách khác là một hệ thống hỗ trợ con

người trong việc giám sát và điều khiển từ xa, ở cấp cao hơn hệ điều khiển tựđộng thông thường Để có thể điều khiển và giám sát từ xa thì hệ SCADA phải

có hệ thống truy cập, truyền tải dữ liệu cũng như hệ giao diện người – máy(HMI – Human Machine Interface)

Trong hệ thống điều khiển giám sát thì HMI là một thành phần quan trọngkhông chỉ ở cấp điều khiển giám sát mà ở các cấp thấp hơn người ta cũng cầngiao diện người – máy để phục vụ cho việc quan sát và thao tác vận hành ở cấpđiều khiển cục bộ Vì lý do giá thành, đặc điểm kỹ thuật nên các màn hình vậnhành (OP – Operator Panel), màn hình sờ (TP – Touch Panel), Multi Panel …chuyên dụng được sử dụng nhiều và chiếm vai trò quan trọng hơn.Nếu nhìn nhận SCADA theo quan điểm truyền thống thì nó là một hệ thốngmạng và thiết bị có nhiệm vụ thuần tuý là thu thập dữ liệu từ các trạm ở xa vàtruyền tải về khu trung tâm để xử lý Trong các hệ thống như vậy thì hệ truyềnthông và phần cứng được đặt lên hàng đầu và cần sự quan tâm nhiều hơn Trongnhững năm gần đây sự tiến bộ vượt bậc của công nghệ truyền thông công nghiệp

và công nghệ phần mềm trong công nghiệp đã đem lại nhiều khả năng và giảipháp mới nên trọng tâm của công việc thiết kế xây dựng hệ thống SCADA là lựachọn công cụ phần mềm thiết kế giao diện và các giải pháp tích hợp hệ thống

c Hệ điều khiển lai:

- Xuất phát từ nhu cầu các ứng dụng công nghiệp và xu hướng làm giảm chiphí cho các hệ thống điều khiển, gần đây các nhà cung cấp đã cho ra đời hệthống điều khiển mới gọi là hệ thống điều khiển lai (Hybrid Control System)

Do ra đời sau, kế thừa nền tảng công nghệ của cả PLC và DCS nên cả hai hệ lai

là sự pha trộn PLC và DCS Hai hệ lai có khả năng thực hiện được các quá trìnhliên tục và gián đoạn, có khả năng quản lý được khoảng 10000 ngõ vào/ra Hệthống lai có các thiết bị nhỏ hơn các hệ DCS thương phẩm nhưng tận dụng các

ưu điểm thiết kế của hệ DCS thương phẩm Các hệ lai cung cấp việc sử dụngcông nghệ Bus bao gồm Foundation Fieldbbus, AS-i, Profibus và Device Net.Các hệ lai thường hỗ trợ các chuẩn mực OPC (OLE for Process Control), XML

và ODBC Chúng cũng có rất ưu thế trong việc tích hợp hệ thống lập kế hoạchcho doanh nghiệp các cấp thiết bị như điện thoại không dây, máy nhắn tin vàPDA

Hầu hết các hệ lai đều được trang bị các chức năng điều khiển theo mẻ theokhối và điều khiển giám sát Ngoài ra, các công cụ hỗ trợ phát triển ứng dụngvới nhiều chức năng, giao diện thân thiện, ngôn ngữ lập trình bậc cao đã đượcchuẩn hóa giúp cho các kỹ sư xây dựng phát triển một ứng dụng dễ dàng vànhanh chóng hơn

Hạn chế của ứng dụng điều khiển lai là do các thiết bị điều khiển nhỏ dẫn tớilưu lượng truyền thông lớn và nó sẽ hạn chế số lượng điểm vào ra, đặc biệt khi

hệ thống đòi hỏi chu trình điều khiển nhỏ Với khả năng mở rộng dữ liệu hạnchế, các hệ thống lai cũng không đủ phục vụ cho các ứng dụng lớn

Một số hệ điều khiển lai có thể kể ra như: Delta V (Fisher-rosemount),Plantcape (Holley well), Micro I/A (Foxboro), Simatic PCS7 (Siemens),stardom (Yokogawa), Inductrial IT (ABB)

3 Mô hình kết nối hệ thống mở (OSI).

-Mô hình OSI (Open Systems Interconnection Reference Model, viết ngắn là OSI Model hoặc OSI Reference Model) - tạm dịch là Mô hình tham chiếu kết nối các hệ thống mở - là một thiết kế dựa vào nguyên lý tầng cấp, lý giải một cách trừu tượng kỹ thuật kết nối truyền thông giữa các máy vi tính và thiết kế giao thức mạng giữa chúng Mô hình này được phát triển thành một phần trong

kế hoạch Kết nối các hệ thống mở gọi là Mô hình bảy tầng của OSI

Tầng 1 : Tầng vật lý ( Physical Layer) :

Điều khiển việc truyền tải thật sự các bit trên đường truyền vật lý Nó định

nghĩa các tín hiệu điện, trạng thái đường truyền, phương pháp mã hóa dữ liệu, các loại đầu nối được sử dụng

Tầng 2: Tầng liên kết dữ liệu (Data-Link Layer)

Đảm bảo truyền tải các khung dữ liệu (frame) giữa hai máy tính có đường truyền vật lý nối trực tiếp với nhau Nó cài đặt cơ chế phát hiện và xử lý lỗi dữ liệu nhận

Tầng 3: Tầng mạng (Network Layer)

Đảm bảo các gói tin dữ liệu (Packet) có thể truyền từ máy tính này đến máy tính kia cho dù không có đường truyền vật lý trực tiếp giữa chúng Nó nhận nhiệm vụ tìm đường đi cho dữ liệu đến các đích khác nhau trong mạng

Tầng 4: Tầng vận chuyển (Transport Layer)

Đảm bảo truyền tải dữ liệu giữa các quá trình Dữ liệu gởi đi được đảm bảo không có lỗi, theo đúng trình tự, không bị mất mát, trùng lắp Đối với các gói tin

có kích thước lớn, tầng này sẽ phân chia chúng thành các phần nhỏ trước khi gởi

đi, cũng như tập hợp lại chúng khi nhận được

Tầng 5: Tầng giao dịch (Session Layer)

Cho phép các ứng dụng thiết lập, sử dụng và xóa các kênh giao tiếp giữa chúng (được gọi là giao dịch) Nó cung cấp cơ chế cho việc nhận biết tên và các chức năng về bảo mật thông tin khi truyền qua mạng

Tầng 6: Tầng trình bày (Presentation Layer)

Đảm bảo các máy tính có kiểu định dạng dữ liệu khác nhau vẫn có thể trao đổithông tin cho nhau Thông thường các mày tính sẽ thống nhất với nhau về một kiểu định dạng dữ liệu trung gian để trao đổi thông tin giữa các máy tính Một

dữ liệu cần gởi đi sẽ được tầng trình bày chuyển sang định dạng trung gian trướckhi nó được truyền lên mạng Ngược lại, khi nhận dữ liệu từ mạng, tầng trình bày sẽ chuyển dữ liệu sang định dạng riêng của nó

Tầng 7: Tầng ứng dụng (Application Layer)

Cung cấp các ứng dụng truy xuất đến các dịch vụ mạng Nó bao gồm các ứng dụng của người dùng, ví dụ như các Web Browser, các Mail User Agent hay cácchương trình làm server cung cấp các dịch vụ mạng như các Web Server, các FTP Server, các Mail server

4.Các thủ tục truyền thông.

-Lùa chän kiÕn tróc ®iÒu khiÓn: §iÒu khiÓn tËp trung, ®iÒu khiÓn ph©n t¸n, ®iÒukhiÓn ph©n t¸n trêng

-Lựa chọn giải pháp mạng: Lựa chọn giải pháp mạng đôi khi cũng phụ thuộc vàogiải pháp hệ thống, song thực tế vẫn có thể có một vài lựa chọn Thông thờng ta

có thể lựa chọn một tổ hợp giải pháp bus hệ thống và bus trờng ăn ý với nhau.-Lựa chọn cơ chế giao tiếp: Cơ chế hỏi đáp tuần tự, vào ra tuần hoàn hay không,chào hàng/đặt hàng, lập lịch hay không, vào ra theo sự kiện hoặc thông báo theoyêu cầu

-Lựa chọn thiết bị: Đánh giá hiệu suất làm việc của các thiết bị trên cơ sở thờigian cập nhật dữ liệu vào ra, hiệu suất thực hiện thuật toán điều khiển Khảo sátcác đặc tính truyền thông của các thiết bị nh tốc độ truyền, cơ chế giao tiếp, kiểugiao tiếp

-Thiết kế cấu trúc mạng: Sử dụng cấu trúc thích hợp nh đờng trục, đờng nhánh,mạch vòng đảm bảo các yêu cầu về số trạm, tốc độ và khoảng cách truyền.-Chọn cấu hình các bộ nguồn cho mạng: Đánh giá và tính toán công suất các bộnguồn sao cho phù hợp với số trạm, kiểu thiết bị cáp nối/ bộ nối cũng nh thoảmãn các yêu cầu về chống nhiễu, cháy nổ

-Đặt cấu hình mạng: Sử dụng máy tính với các phần mềm cấu hình mạng, cáccông cụ cấu hình chuyên dụng, các công tắc và các chốt tại thiết bị để đặt địachỉ, tốc độ truyền, quan hệ giao tiếp

5 Cỏc chuẩn truyền thụng.

Foudation Fieldbus

- Foundation fielbus được phỏt triển bởi tổ chức Foundation Fieldbus, một tổchức phi lởi nhuận với số thành viờn hơn một trăm cụng ty hoạt động trong lĩnhvực tự động húa trờn toàn thế giới Foundation Fielbus ban đầu phỏt hành vớihai cấp độ, 31.25kbps và 1Mbps Cỏc hệ thống cao hơn như 2.5Mbps, chủ yếuđược dựng thay thế cho cỏc đường truyền kỹ thuật tương tự 4-200mA và mỗiphõn đoạn hỗ trợ tối đa 32 thiết bị Ở cỏc cấp tốc độ cao hơn, FoundationFieldbus được phỏt triển trờn nền mạng enthernet và sử dụng switch và được gọi

là fieldbus HSE (High speech switch Enthernet) Fieldbus HSE chủ yờu sử dụng

để sử dụng để liờn kết cỏc phõn loại mạng Fieldbus để tạo thành hệ thống lớnhơn nhưn ngày nay cú nhữn thiết bị phỏt triển để cú thể kết nối trực tiếp vàoFieldbus HSE Foundation fieldbus trở thành chuẩn quốc tế và xu hướng phỏttriển của hệ thống tự động húa là sử dụng Foundation Fieldbus nhằm nõng caokhả năng tớch hợp Với việc sử dụng Foundation Fieldbus, ta cú thể kết nối trongcựng một hệ thống điều khiển cỏc thiết bị điều khiển, đo lường và chấp hành củanhiều nhà sản xuất khỏc nhau một cỏch dễ dàng

Ethernet:

- Ethernet được phỏt triển bởi trung tõm nghiờn cứu Palo Alto (PARC) thuộctập đoàn Xerox (Mỹ) được phỏt triển những năm 70 của thế kỷ 20 Ethernet sửdụng phương phỏp truy cập mạng CSMA/CD Cú nhiều giao thức mạng đượcphỏt triển trờn nền Ethernet nhưng phổ biến nhất vẫn là TCP (Transport ControlProtocol) Ethernet cụng nghiệp (Industrial Ethernet) Ethernet cụng nghiệpđược phỏt triển theo hướng tận dụng những ưu điểm của Ethernet tốc độ cao, giỏthành thấp, dễ thực hiện và dễ khắc phục cỏc nhược điểm của nú là khụng đỏpứng yờu cầu thời gian thực và tớnh dự phũng

Profibus:

- PROFIBUS (Process Field Bus) là kết quả của dự ỏn nghiờn cứu của 13 cụng

ty và 5 viện nghiờn cứu do bộ cụng nghệ và nghiờn cứu chlb Đức chủ trỡ năm

1987 Mục tiờu của dự ỏn là phỏt triển một mạng truyền thụng kỹ thuật số để

thay thế cho truyền thông tương tự (Analog) 4-20mA trong điều khiển quá trìnhcông nghiệp PROFIBUS sử dụng phương pháp điều khiển truy nhập Bus thẻ bài

và truyền thông theo kiểu Master-Slave PROFIBUS sử dụng môi trường truyềndẫn là cáp xoắn hoặc cáp quang, có thể kết nối 124 nút mạng trong một phânđoạn mạng, tốc độ tối đa là 12Mbps PROFIBUS có nhiều phiên bản nhưPROFIBUS-PA, PROFIBUS-FMS, PROFINET và PROFIBUS-DP nhưng phiênbản sử dụng trong điều khiển phổ biến là PROFIBUS-DP

Bài 2: Nhiễu và giải pháp xử lý

1 Giới thiệu:

- Nhiễu là một tín hiệu ngẫu nhiên có mật độ phân bố công suất phẳng nghĩa là tín hiệu nhiễu có công suất bằng nhau trong toàn khoảng băng thông Tín hiệu này có tên là nhiễu trắng vì nó có tính chất tương tự với ánh sáng trắng

Chúng ta không thể tạo ra nhiễu trắng theo đúng lý thuyết vì theo định nghĩa của

nó, nhiễu trắng có mật độ phổ công suất phân bố trong khoảng tần vô hạn và do vậy nó cũng phải có công suất vô hạn Tuy nhiên, trong thực tế, chúng ta chỉ cầntạo ra nhiễu trắng trong khoảng băng tần của hệ thống chúng ta đang xem xét

Một tín hiện nhiễu

Lưu ý rằng nhiễu Gaussian (nhiễu có phân bố biên độ theo hàm Gaussian)

không phải là nhiễu trắng Từ "Gaussan" đề cập đến phân bố xác suất đối với giátrị (độ lớn) trong khi từ "While" đề cập đến cái cách phân bố công suất tín hiệu trong miền thời gian hoặc tần số

Ngoài nhiễu trắng Gaussian chúng ta còn có nhiễu trắng Poisson, Cauchy, Khimiên tả hệ thống bằng toán học chúng ta hay sử dụng nhiễu AWGN (additive white Gaussian noise) vì loại nhiễu này dễ tạo ra nhất

2 Những sự cố thường gặp và cách giải quyết:

Nhiễu trùng kênh : Là do nhiều thiết bị có tần số trùng nhau

Nhiễu do xuyên điều chế: Là do sự kết hợp giữa hai hoặc nhiều tín hiệu có tần

số khác nhau khi truyền qua thiết bị phi tuyến và tạo ra những tín hiệu khôngmong muốn Những tín hiệu không mong muốn này gây nhiễu cho các đài vôtuyến điện khác

Nhiễu tương thích điện từ trường (EMC): Là do thiết bị, hệ thống thiết bị vôtuyến điện, điện, điện tử không hoạt động bình thường trong môi trường điện từ.Một số can nhiễu EMC:

Bức xạ từ các thiết bị ứng dụng trong công nghiệp, khoa học và y tế (ISM) gây

nhiễu cho các thiết bị

Bức xạ do không bảo đảm kỹ thuật tại các điểm tiếp xúc giữa đường dây tải điệnkhông bao bọc và các trụ sứ gây nhiễu cho các mạng đường đay điện đặt gần

Bộ khuyến đại tín hiệu (booster) gây nhiễu cho mạng

Nhiễu do các phát xạ không mong muốn ( bao gồm phát xạ ngoài băng và phát

xạ giả) : Là do các thiết bị phát sóng vô tuyến điện phát các phát xạ ngoài băngkhông đáp ứng các qui chuẩn kỹ thuật về phát xạ không mong muốn, các phát

xạ ngoài băng này gây nhiễu cho các thiết bị khác

3 Các phương pháp cụ thể.

a.Sử dụng điều chế để chống nhiễu

b.Sử dụng các phương pháp thu để chống nhiễu

c Phương pháp hàm tương quan

d Dùng phản hồi để chống nhiễu

4 Nối đất/chống nhiễu và nhiễu.

4.1.Nguồn gốc của nhiễu điện:

Nhiễu là đại lượng vật lý không mong muốn tác động lên đối tượng

Nguồn nhiễu có thể là bất cứ tín hiệu nào

Đại lượng này có thể là nhiễu đối với đối tượng và sự việc này, không là nhiếuđối với sự việc kia

Nhiễu có độ lớn và pha là khác nhau và ngẫu nhiên

Nhiễu điện từ: nguồn nhiễu xuất phát từ các nguồn điện từ khác nhau từ các phátsóng Radio, truyên hình, các nguồn sóng điện thoại ở dải sóng cao và rộng Cácnguồn số như ánh sáng, các rơle, motor, nguồn phóng xạ, nguồn tần số thấp nhưđiện áp cao của truyền dẫn điện

Ba vấn đề chính của nhiễu điện từ: Nguồn phát, truyền dẫn, nhận song

4.5 Yêu cầu nối đất :

- Các dạng nối đất cơ bản: Nguồn cách điện với đất, tải cách điện với đất, nốiđất nối tiếp, nối đất hình sao

4.6 Kỹ thuật triệt nhiễu

- Nhiễu cáp truyền cảm ứng điện dung

- Chống nhiễu bọc kim bằng 1 màn chắn

- Sử dụng bộ khuếch đại vi sai

- Chắn nhiễu: Các hiệu ứng chắn nhiễu, hiệu ứng chắn nhiễu với nguồn ở xa

- Hiệu ứng chắn với nguồn ở xa

- Chống nhiễu bằng cách sử dụng đường truyền tích hợp

Bài 3: Chuẩn truyền thông RS232

1.Chuẩn truyền thông RS232:

- Ngày nay các thiết bị đo lường, điều khiển … đều phải giao tiếp với máy tính

để quan sát thông số và chế độ hoạt động của thiết bị như thế nào? Chuẩn giao tiếp được coi là đơn giản và dễ dùng đó là RS232 Hầu như các thiết bị đều đượcgiao tiếp với máy tính thông qua chuẩn này Bài này sẽ nói về cơ bản chuẩn giaotiếp RS232: Tổng quan chung về RS232, Sơ đồ ghép nối, Giao diện phần mềm

RS-232 (Hiện nay được gọi với tên quốc tế là EIA/TIA-232) tương ứng vớichuẩn châu Âu là CCITT V2.4 lúc đầu được xây dựng phục vụ chủ yếu trongviệc ghép nối điểm – điểm giữa hai thiết bị đầu cuối (DTE – Data TerminalEquipment) ví dụ giữa hai máy (PC, PLC, v.v…), giữa máy tính và máy in, hoặcgiữa một thiết bị đầu cuối và một thiết bị truyền dữ liệu (DCE – DataCommunication Equipment) ví dụ giữa máy tính và Modem (dùng dây Console

để cấu hình mạng cho Modem qua máy tính)

2.Các yếu tố của RS232:

- RS-232 sử dụng phương thức truyền không đối xứng, tức là sử dụng tín hiệuđiện áp chênh lệch giữa một dây dẫn và mass Mức điện áp được sử dụng daođộng trong khoảng -15V  15V Khoảng từ 3V  15V ứng với giá trị logic 0,

từ -15V  -3V ứng với giá trị logic 1

Tốc độ truyền dẫn tối đa phụ thuộc vào chiều dài dây dẫn Đa số các hệ thốnghiện nay chỉ hỗ trợ tới tốc độ 19.2KBd (chiều dài cho phép 30-50m) Hiện nay

đã có những mạch thu phát đạt tốc độ 460KBd và hơn nữa, tuy nhiên tốc độ

truyền dẫn thực tế lớn hơn 115.2KBd theo chuẩn RS-232 trong một hệ thốnglàm việc dựa vào ngắt là một điều khó có thể thực hiện.

Một ưu điểm của chuẩn RS-232 là có thể sử dụng công suất phát tương đối thấp,nhờ trở kháng đầu vào hạn chế trong phạm vi từ 3-7K.

Bảng 1: Tóm tắt các thông số quan trọng của RS-232.

Giao diện cơ học:

- Chuẩn EIA/TIA-232F quy định ba loại giắc cắm RS-232 là DB-9 (9 chân),DB-25 (25 chân) và ALT-A (26 chân), trong đó hai loại đầu được sử dụng rộngrãi hơn, nhất là loại DB-9 Loại DB-9 cũng đã được chuẩn hóa riêng trong EIA/TIA-574

Sơ đồ chân RS-232 loại DB-9.

-Pin 1 - DCD (Data Carrier Detect) được dùng để kiểm soát truy nhập đườngtruyền Một trạm nhận tín hiệu DCD là OFF sẽ hiểu là trạm đối tác chưa đóngmạch yêu cầu gửi dữ liệu (chân RTS – Pin 7) và vì thế có thể đoạt quyền kiểmsoát đường truyền nếu cần thiết Ngược lại, tín hiệu DCD là ON chỉ thị bên đốitác đã gửi tín hiệu RTS và giành quyền kiểm soát đường truyền

-Pin 2 - RxD (Receive Data) nhận dữ liệu từ đường truyền

-Pin 3 - TxD (Transmit Data) gửi dữ liệu lên đường truyền.

-Pin 4 - DTR (Data Terminal Ready) thường ở trạng thái ON khi thiết bị đầucuối sẵn sàng thiết lập kênh truyền thông Qua việc giữ mạch DTR ở trạng thái

ON, thiết bị đầu cuối cho phép DCE của nó ở chế độ tự trả lời chấp nhận lời kêugọi không yêu cầu Mạch DTR ở trạng thái OFF chỉ khi thiết bị đầu cuối khôngmuốn DCE của nó chấp nhận lời gọi từ xa (chế độ cục bộ)

-Pin 5 - GND: Chân nối mass

-Pin 6 - DSR (Data Set Ready, DCE Ready): Cả hai Modem chuyển mạch DSRsang ON khi một đường truyền thông đã được thiết lập giữa hai bên

-Pin 7 - RTS (Request To Send): Đường RTS kiểm soát chiều truyền dữ liệu.Khi một trạm cần gửi dữ liệu, nó đóng mạch RTS sang ON để báo hiệu vớiModem của nó Thông tin này cũng được chuyển tiếp tới Modem xa

-Pin 8 - CTS (Clear To Send): Khi CTS chuyển sang ON, một trạm được thôngbáo rằng modem của nó đã sẵn sàng nhận dữ liệu từ trạm và kiểm soát đườngđiện thoại cho việc truyền dữ liệu đi xa

-Pin 9 – RI (Ring Indicator): Khi modem nhận được một lời gọi, mạch RIchuyển ON/OFF một cách tuần tự với chuông điện thoại báo để báo hiệu chotrạm đầu cuối Tín hiệu này chỉ thị rằng một Modem xa yêu cầu thiết lập liên kếtdial-up

3 Hoạt động của giao diện RS232.

- Chế độ làm việc hai chiều toàn phần (full – duplex): Hai thiết bị tham giatruyền tin đều có thể thu và phát tín hiệu cùng một lúc Việc thực hiện truyềnthông cần tối thiểu 3 dây dẫn, và việc đảm bảo độ an toàn truyền dẫn tín hiệuthuộc về trách nhiệm của phân mềm

Một số ví dụ về kiểu ghép nối của RS-232 tùy vào các trường hợp

Mức điện áp của tiêu chuẩn RS232C ( chuẩn thường dùng bây giờ) được mô tảnhư sau: (Mức logic 0 : +3V , +12V), (Mức logic 1 : -12V, -3V)

Các mức điện áp trong phạm vi từ -3V đến 3V là trạng thái chuyển tuyến Chính

vì từ - 3V tới 3V là phạm vi không được định nghĩa, trong trường hợp thay đổigiá trị logic từ thấp lên cao hoặc từ cao xuống thấp, một tín hiệu phải vượt quaquãng quá độ trong một thơì gian ngắn hợp lý Điều này dẫn đến việc phải hạnchế về điện dung của các thiết bị tham gia và của cả đường truyền Tốc độtruyền dẫn tối đa phụ thuộc vào chiều dài của dây dẫn Đa số các hệ thống hiệnnay chỉ hỗ trợ với tốc độ 19,2 kBd + Độ dài của cáp nối giữa máy tính và thiết

bị ngoại vi ghép nối qua cổng nối tiếp RS232 không vượt qua 15m nếu chúng takhông sử model

Các giá trị tốc độ truyền dữ liệu chuẩn: 50, 75, 110, 750, 300, 600, 1200, 2400,

4800, 9600, 19200, 28800, 38400, ,56600,115200 bps

5 Xử lý sự cố.

5.1.Giới thiệu:

-Một số sự cố thường gặp đối với cổng truyền thông RS 232

-Tiếp xúc giữa các chân

-Đứt 1 trong các dây

-Một trong các jắc cắm bị hỏng

5.2Các phương pháp tiếp cận

- Chọn đúng cổng truyền thông RS 232

- Dùng đồng hồ để đo các chân có bị đứt không

- Kết nối với thiết bị để kiểm tra tốc độ truyền

5.3Kiểm tra thiết bị

-Xác định các giá trị thực tế các mức logic của cổng RS232

-Biết các linh kiện tối thiểu cấu thành nên cổng thông tin RS232

-Biết ảnh hưởng của đường dây lên tín hiệu với các tốc độ truyền khác nhau.-Kiểm tra được chức năng truyền thông RS232 trên máy tính

5.4.Các vấn đề cơ bản

+ Khả năng chống nhiễu của các cổng nối tiếp cao

+ Thiết bị ngoại vi có thể tháo lắp ngay cả khi máy tính đang được cấp điện + Các mạch điện đơn giản có thể nhận được điện áp nguồn nuôi qua công nối tiếp

5.5 Tóm tắt.

Bài 4: Chuẩn truyền thông RS485

1 Chuẩn truyền thông RS485 :

-RS-485 hiện nay được gọi với tên chuẩn quốc tế là EIA/TIA-485, là chuẩn duynhất do EIA đưa ra mà có khả năng truyền thông đa điểm thực sự chỉ dùng mộtđường dẫn chung duy nhất, được gọi là bus Được thiết kế với mục đích có thểdùng nhiều hơn hai trạm trên một đường truyền mà chuẩn RS-232 không làmđược (chuẩn RS-232 chỉ có thể kết nối hai trạm trên một đường truyền)

RS-485 cho phép sử dụng tối đa 32 thiết bị (tải đường truyền) tham gia vàođường một truyền Vì thế được dùng phổ biến trong các hệ thống bus trường 32trạm được ghép nối được định địa chỉ và giao tiếp đồng thời trong một đoạn RS-

485 mà không cần bộ lặp

RS-485 sử dụng cấu hình mạng phổ biến nhất là sử dụng hai dây dẫn cho việctruyền tín hiệu

Cấu hình mạng RS-485 hai dây (A và B).

RS-485 không phải là một chuẩn chọn vẹn mà chỉ là một chuẩn về đặc tính điệnhọc, vì vậy không có các quy định cho cáp nối cũng như các bộ nối Có thể dùngđôi dây xoắn, cáp trơn hoặc các loại cáp khác, tuy nhiên đôi dây xoắn vẫn là loạicáp được sử dụng phổ biến nhất nhờ đặc tính chống tạp nhiễu và xuyên âm

Đặc tính điện học:

RS-485 sử dụng phương thức truyền dẫn chênh lệch đối xứng, tức là sử dụng sự chênh lệch điện áp giữa hai dây dẫn (dây âm và dây dương) để biểu diễn trạng thái logic (1 và 0) của tín hiệu, không phụ thuộc vào đất.

Trở kháng đầu vào 12k

Bảng 2: Tóm tắt các thông số quan trọng của RS-485.

Quy định trạng thái logic của tín hiệu RS-485.

Mặc dù mức tín hiệu được xác định bằng điện áp chênh lệch giữa hai dây dẫn A

và B không có liên quan tới hệ đất, hệ thống RS-485 vẫn cần một đường dây nốiđất để tạo một đường thoát cho nhiễu chế độ chung và các dòng khác, ví dụdòng đầu vào bộ thu

2 Xử lý sự cố:

2.1.Giới thiệu:

-Một số sự cố thường gặp đối với cổng truyền thông RS 485

-Tiếp xúc giữa các chân

-Đứt 1 trong các dây

-Một trong các jắc cắm bị hỏng

2.2 Chuẩn truyền thông RS485 và RS422:

-RS232 và RS485 có những qui định cụ thể về đặc tính điện học, cả hai chuẩn này đều là truyền thông dạng bit nối tiếp Với chuẩn RS232, logic "0" và "1" dựa trên giá trị chênh lệch điện áp giữa kênh truyền TxD hoặc kênh nhận RxD với đất Gnd RS485 dựa trên điện áp chênh của 2 dây truyền A và B (trong chế

độ truyền Half-duplex) Vì vậy RS485 cho phép truyền đa điểm và hỗ trợ cự ly truyền xa, tốc độ truyền cao

2.3 Lắp đặt truyền thông RS485:

-Cách lắp đặt RS-485:

Tất cả các thiết bị được nối vào cấu trúc Bus tối đa 32 trạm (Master hay Slave) cóthể được nối vào một Sement (đoạn) Bus được kết thúc bằng Bus tích cực(Active Bus Terminator) ở đầu và cuối mỗi Segment Để đảm bảo hoạt độngkhông có lỗi thì cả đầu kết thúc Bus luôn luôn được có điện

2.5 Kiểm tra thiết bị:

- Kiểm tra kết nối RS-485 đúng hay chưa?

- Kiểm tra kết nối ngõ ra RS-485/422 đúng hay

Chưa?

- Kiểm tra tiếp xúc của các đầu nối

- Mất hoặc sai dữ liệu

- Kiểm tra tốc độ và định dạng dữ liệu phù hợp trên cả hai đầu truyền thông 2.6 Tóm tắt:

Bài 5 : Cáp quang

1 Giới thiệu:

-Cáp quang được sử dụng trong các lĩnh vực ứng dụng đòi hỏi tốc độ truyền tảirất cao, phạm vi truyền dẫn lớn hoặc trong các môi trường làm việc chịu tácđộng mạnh của nhiễu

Một sợi cáp quang bao gồm một sợi lõi, môt lớp bọc và một lớp vỏ bảo vệ Sợilõi và lớp bọc được làm bằng thủy tinh hoặc chất dẻo trong suốt

-Khác với các loại cáp trên, cáp quang thực hiện truyền tải tín hiệu ánh sáng.Với nguyên lý phản xạ toàn phần ánh sáng trong đường truyền

Nguyên tắc làm việc của cáp quang

Ánh sáng được truyền trong môi trường có chiết suất n1, nếu đường đi khôngsong song với trục của cáp thì sẽ bị phản xạ tại bề mặt tiếp giáp của hai môitrường với n2 > n1

-Ngày nay, Internet đã trở thành một nhu cầu thiết yếu, giúp mọi người ở khắpnơi trên thế giới có thể giao tiếp, trao đổi, học tập, mua sắm, giải trí dễ dàng,nhanh chóng Các ứng dụng, dịch vụ trên Internet cũng ngày càng phát triểntheo, điều này đòi hỏi tốc độ, băng thông kết nối Internet cao và cáp quang trởthành lựa chọn số một – FTTH (Fiber To Home) là một điển hình FTTH đápứng các dịch vụ luôn đòi hỏi mạng kết nối tốc độ cao như IPTV, hội nghị truyềnhình, video trực tuyến, giám sát từ xa IP Camera…

1.1 Ứng dụng của cáp quang:

-Trước đây, cáp quang chỉ dùng để kết nối các đường trục chính của quốc gia,nhà cung cấp dịch vụ, doanh nghiệp lớn vì chi phí khá cao Nhưng hiện nay, cápquang được sử dụng khá rộng rãi ở các doanh nghiệp vừa, nhỏ, các trường đạihọc và người sử dụng thông thường…

-Cáp quang dùng ánh sáng truyền dẫn tín hiệu, do đó ít suy hao và thường đượcdùng cho kết nối khoảng cách xa Trong khi cáp đồng sử dụng dòng điện đểtruyền tín hiệu, dễ bị suy hao trong quá trình truyền và có khoảng cách kết nốingắn hơn

2 Các thiết bị:

Một tuyến thông tin quang bao gồm một nguồn, một đầu thu và cáp quangkết nối tuyến Nguồn có thể là LED, IRED hoặc laser diode Nguồn có thể đượcđiều chế với tín hiệu tương tự, nhưng thường được kích bởi các xungsố.Detector thường dùng PIN hoặc APD Tuyến thông tin có thể xem là thôngtin khoảng cách ngắn, trung bình hoặc xa Thông tin khoảng cách ngắn thườngtrong phạm vi vài m và dùng cho:

- Thiết bị điều khiển quá trình và thiết bị công nghiệp

- Cảm biến y tế, đưa vào cơ thể bệnh nhân và nối với thiết bị ghi

- Máy tính và thiết bị ngoại vi

- Các cấu phần có độ chính xác cao cho mục đích quảng cáo

Hệ thống khoảng cách trung bình thường lớn hơn vài m và dưới 1 km, còn gọi làmạng LAN, thường dùng sợi thủy tinh đa mode (băng rộng và tổn hao thấp)hoặc plastic đa mode Nguồn điển hình là IRED hoạt động ở bước sóng 850 nm.Khẩu độ số thường từ 0.2 ÷ 0.5 và đường kính lõi 50 ÷ 100 µm để tiện cho việcghép với bức xạ từ IRED Đường kính lõi lớn hơn sẽ giảm chi phí lắp đặt, kếtnối, nhưng độ rộng băng giảm

Hệ thống khoảng cách xa dễ thiết kế hơn do yêu cầu hạn chế sự lựa chọncấu phần Hệ thống khoảng cách xa dùng để tải dữ liệu băng rộng và có thể dùngsợi chiết suất graded Ở khoảng cách rất xa thì chỉ dùng sợi đơn mode để bảođảm độ rộng băng và mức tổn hao cho phép Có thể dùng nguồncommunication-grade laser diode hoặc edge-emitting IRED để ghép năng lượngvào các sợi quang này

Kỹ thuật hàn cáp sợi quang thường được dùng hơn so với các bộ đấu nối cơ

để bao đảm tổn hao thấp và độ ổn định cao

-Các cấu trúc ống dẫn sóng và các linh kiện khác :

Integrated optics là các ống dẫn sóng và các cấu phần quang được tích hợp trêncác đế vật liệu dùng kỹ thuật tương tự mạch tích hợp bán dẫn Các linh kiện tíchhợpquang thường là các bộ tách tín hiệu, các bộ dời pha, các bộ điều chế và các

bộ chuyển mạch Tất cả các linh kiện tích hợp quang đều dùngcác cấu trúc ốngdẫn sóng được tạo bởi các đường dẫn của vật liệu có chiết suất lớn hơn chiếtsuất của vật liệu đế Các ống dẫn sóng hoạt động tương tự cáp sợi quang vàđược xem xét như các bộ tách hoặc ghép tín hiệu.Bằng cách điều khiển tiết diệnống dẫn sóng, chiết suất của vật liệu, khoảng cách giữa các lõi và chiều dài củamiền ghép, sẽ thiết lập được tỷ phần ghép năng lượng

-Các thông số của bộ ghép quang:

Ph / Ps

Px / PiTrong đó:

PN: công suất ra khỏi cổng N bất kỳ

Pi: công suất vào tổng

Po: công suất ra tổng

Ph: công suất ra lớn nhất

Ps: công suất ra nhỏ nhất

Px: công suất ra cổng không ghép

Quá trình ghép dùng mạng 4 cổng có thể kết hợp với hiệu ứng quang điện(electro-optic effect) để tạo ra các chuyển mạch quang Các vật liệu có hiệu ứngquang điện sẽ thay đổi chiết suất khúc xạ khi có mặt điện trường do áp đặt điện

áp Sự kết hợp của điện áp thiên áp và điện áp chuyển mạch sẽ xác định đầu ratruyền bức xạ

Các vật liệu tinh thể (chẳng hạn GaAs) có hiệu ứng quang điện Vật liệu đế:LiNbO có hiệu ứng quang điện rất mạnh Thế chuyển mạch cỡ 5—10V Hệ sốđịnh hướng cỡ 100:1 đến 3000:1

Chiết suất của vật liệu ảnh hưởng đến vận tốc truyền sóng và thay đổi chiếtsuất có thể thay đổi pha tương đối Các bộ di pha và điều chế pha cấu tạo từ mộtống dẫn sóng đặt trong tinh thể quang điện, giữa 2 điện cực Lượng di pha phụthuộc độ lớn điện áp và chiều dài ống dẫn sóng

3.Các thông số.

- Khoảng cách giữa các góc được phép (hay góc tách được phép:

∆θ = λ / d = λ0/ n1dTrong đó:

d: đường kính sợi quang

n1: chiết suất lõi sợi quang

λ0: bước sóng trong không gian tự do

Số mode có thể tồn tại trong sợi quang phụ thuộc ∆θ và góc tới lan truyền,với cáp tròn:

r: bán kính lõi sợi quangn2: chiết suất vỏ

-Méo mode và tán sắc:

K(λ): hệ số tán sắc, phụ thuộc vật liệu và bước sóng.

L: chiều dài cáp sợi quang

-Công suất thu:

Công suất bức xạ sẽ ra khỏi ống dẫn sóng theo 1 hình nón tương tự như qua lỗhẹp

Khi khoảng cách giữa đầu thu và miệng sợi quang giảm, kích thước vệt chiếu từmiệng sẽ đạt tới đưòng kính lõi sợi quay Nếu diện tích đầu thu nhỏ hơn diệntích vệt chiếu, thì tỷ số dòng bức xạ thu được /dòng rời khỏi sợi quay = tỷ sốdiện tích:

θe / θ0 = (Dd / Dc)2(NAdet / NAfiber)2Trong đó:

NAdet: khẩu độ số đầu thu

NAfiber: khẩu độ số sợi quang

θe: dòng bức xạ đến đầu thu

θ0: dòng bức xạ rời khỏi miệng sợi quan

Dd: đường kính miệng đầu thu

Dc: đường kính lõi sợi quang

-Độ rộng băng:

BW = 0.35 / T

T = (t12 – t22)1/2

T: hệ số mở rộng xung

t2: độ rộng xung đầu ra sợi quang

t1: độ rộng xung đầu vào sợi quang(rad)

4.Các loại

Có 3 loại sợi quang cơ bản :

-Sợi chiết suất bước (step-index fiber): thay đổi đột biến chiết suất lõi và vỏ.-Sợi chiết suất thay đổi từ từ (graded-index fiber)

n(r) = n0[1- (n12 – n22)/n02(r/r0)2]1/2, với 0 < r < r0-Chiết suất giảm dần từ tâm ra biên phân cách với vỏ (n2)

→Step- index- multimode fiber:

→ thông tin khoảng cách xa

Single mode fiber:

Do trễ mode, xung dòng tổng thu được sẽ rộng hơn xung bức xạ gốc

→ quá trình mở rộng xung này xung này gọi là méo mode (modal distortion )

→ Graded - index fiber có méo mode nhỏ hơn so với step-mode fiber

Biên độ xung truyền qua cáp bị suy giảm do hấp thụ, tán xạ và bức xạ

Ngoài ra còn phân ra 2 loại cáp quang theo cấu tạo:

Ribbon: cáp quang dạng ruy-băng, chứa nhiều sợi quang bên trong (Hình a)Zipcord: hai sợi quang có vỏ ngoài liền nhau như dây điện (Hình b)

Hình a Hình b

Bất kỳ giao tiếp quang nào cũng bao gồm 3 thành phần: nguồn phát, vật truyềndẫn trung gian (cáp quang) và nguồn thu Nguồn phát sẽ chuyển đổi tín hiệuđiện tử thành ánh sáng và truyền dẫn qua cáp quang Nguồn thu chuyển đổi ánhsáng thành tín hiệu điện tử Có hai loại nguồn phát là laser và LED Laser ít tánsắc, cho phép truyền dẫn dữ liệu tốc độ nhanh, khoảng cách xa (trên 20km),dùng được cho cả Singlemode và Multimode nhưng chi phí cao, khó sử dụng.LED tán sắc nhiều, truyền dẫn tốc độ chậm hơn, bù lại chi phí thấp, dễ sử dụng,thường dùng cho cáp quang Multimode LED dùng cho hệ thống có khoảngcách ngắn hơn, có thể sử dụng cho cả sợi quang thủy tinh, sợi quang plastic

5.Loại cáp quang bình thường.

5.1.Cáp trên không

- Loose-tube thường dùng ngoài trời (outdoor), cho phép chứa nhiều sợi quang

bên trong Loose-tube giúp sợi cáp quang “giãn nở” trước sự thay đổi nhiệt độ,

co giãn tự nhiên, không bị căng, bẻ gập ở những chỗ cong Hình 1