Đơn giản hóa cấu trúc liên kết giữa các thiết bị công nghiệp Tiết kiệm dây nối và công thiết kế, lắp ₫ặt hệ thống Nâng cao ₫ộ tin cậy và ₫ộ chính xác của thông tin Nâng cao ₫ộ li
Trang 1thông tin công nghiệp
công nghiệp
Trang 21 Giới thiệu chung
2 Cấu trúc mạng
3 Kiểm soát truy nhập bus
4 Bảo toàn dữ liệu
5 Mã hóa bit
6 Kỹ thuật truyền dẫn
7 Kiến trúc giao thức
Trang 3Thế nào là truyền kỹ thuật số?
Tại sao lại truyền kỹ thuật số?
Thế nào là truyền bit nối tiếp?
Tại sao lại truyền bit nối tiếp?
Các thiết bị công nghiệp là những gì?
Yêu cầu giao tiếp giữa các thiết bị công nghiệp ra sao? Phân biệt MCN với mạng viễn thông, mạng máy tính?
Trang 4Vai trò của mạng truyền thông CN?
Đơn giản hóa cấu trúc liên kết giữa các thiết bị công nghiệp
Tiết kiệm dây nối và công thiết kế, lắp ₫ặt hệ thống
Nâng cao ₫ộ tin cậy và ₫ộ chính xác của thông tin
Nâng cao ₫ộ linh hoạt, tính năng mở của hệ thống
Đơn giản hóa/tiện lợi hóa việc tham số hóa, chẩn ₫oán, ₫ịnh
vị lỗi, sự cố của các thiết bị
Mở ra nhiều chức năng và khả năng ứng dụng mới của hệ
Trang 5Các yêu cầu cơ bản ₫ối với MCN
Tính năng thời gian thực (vì sao?)
Độ tin cậy và tính sẵn sàng cao (vì sao?)
Tính ₫ơn giản, dễ thực hiện, dễ sử dụng (₫ể làm gì?)
Tốc ₫ộ truyền: vừa phải, tùy theo từng cấp ứng dụng
Số lượng trạm cần ghép nối: vừa phải (một vài chục)
Khoảng cách truyền: vừa phải, tùy theo phạm vi ứng
dụng (một vài chục - một vài nghìn mét)
Trang 6ChÊp hµnh
Bus tr−êng Bus thiÕt bÞ Bus c¶m biÕn/ chÊp hµnh M¹ng c«ng ty
Trang 7M·hãa/Gi¶i m·
mã hóa nguồn và mã hóa đường truyền
Trang 8Chế ₫ộ truyền
Chế ₫ộ truyền nào thông dụng nhất trong các hệ
thống truyền thông công nghiệp?
Trang 9Chế ₫ộ truyền tải - ₫iều chế tín hiệu
Truyền tải dải cơ sở: Tín hiệu mang một nguồn thông tin duy nhất trên dải tần cơ sở
Truyền tải dải mang: Tín hiệu mang một nguồn thông tin duy nhất trên dải sóng mang (vì sao và làm như
thế nào?)
Truyền tải dải rộng: Tín hiệu mang nhiều nguồn thông
tin cùng một lúc trên một dải tần rộng (vì sao và làm như thế nào?)
Trang 10 Thời gian lan truyền tín hiệu TS = l/(k*c)
— l là chiều dài dây dẫn,
— c là tốc ₫ộ ánh sáng trong chân không (300.000.000m/s) và
— k là hệ số giảm tốc ₫ộ truyền
— ε là hằng số ₫iện môi của lớp cách ly
— Polyethylen với hằng số ₫iện môi ε = 2.3 => k ≈ 0.67
1 /
Trang 11 Khái niệm liên kết (link):
— Liên kết vật lý
— Liên kết logic
Các kiểu liên kết
— Liên kết ₫iểm - ₫iểm (point-to-point)
— Liên kết ₫iểm - nhiều ₫iểm (multi-drop)
— Liên kết nhiều ₫iểm (multipoint)
Khái niệm Topology: cấu trúc liên kết của một mạng,
tổng hợp của các liên kết.
— Cấu trúc bus (liên kết nhiều ₫iểm hoặc ₫iểm - nhiều
₫iểm)
— Cấu trúc vòng (liên kết ₫iểm-₫iểm)
— Cấu trúc sao (liên kết ₫iểm - nhiều ₫iểm)
Trang 14Ơ
Trang 16ThiÕt bÞ
Trang 17Cấu trúc hình sao
*
Trang 19Ví dụ cấu trúc mạng trong hệ DeltaV
Trang 20Ví dụ một cấu trúc mạng sử dụng
Foundation Fieldbus
Trang 22Ví dụ các cấu trúc mạng sử dụng
Foundation Fieldbus
Trang 23Ơ
Trang 24Ví dụ cấu trúc mạng trong hệ PCS7
Trang 25thông tin công nghiệp
4.3 Kiểm soát truy nhập bus
Trang 261 Vấn ₫ề kiểm soát truy nhập bus
Trang 27 Kiểm soát truy nhập bus (Bus access control, Medium
Access Control ): Phân chia thời gian truy nhập ₫ường truyền (gửi tín hiệu ₫i)
Phương pháp kiểm soát truy nhập bus ảnh hưởng tới:
— ₫ộ tin cậy
— tính năng thời gian thực
— hiệu suất sử dụng ₫ường truyền
Phương pháp kiểm soát truy nhập bus liên quan chặt
chẽ tới, nhưng không ₫ồng nghĩa với cơ chế giao tiếp.
So sánh ví dụ: Làm thế nào ₫ể trong một cuộc họp ₫ể
khi một người nói thì những người khác không chen vào?
Trang 28Truy nhËp ngÉu nhiªn
Trang 29 Vai trò của trạm chủ:
— Kiểm soát hoàn toàn giao tiếp trong hệ thống, hoặc
— Chỉ ₫óng vai trò phân chia quyền truy nhập bus
Master
Trang 30— Độ tin cậy phụ thuộc vào một trạm duy nhất
— Hiệu suất trao ₫ổi dữ liệu giữa hai trạm tớ thấp
Ứng dụng chủ yếu
— phổ biến trong các hệ thống bus cấp thấp (bus trường
hay bus thiết bị)
— trao ₫ổi thông tin hầu như chỉ diễn ra giữa trạm chủ làthiết bị ₫iều khiển và các trạm tớ là thiết bị trường hoặc các module vào/ra phân tán
Trang 31Biểu ₫ồ trình tự giao tiếp
Master Slave 1 Slave 2
1: receive_request
2: send_request 3: send_data 4: send_completed 5: receive_completed
Trang 33Start Delimiter
Source Address
End Delimiter
Trang 34Vấn ₫ề kiểm soát Token
Giám sát token : Nếu do một lỗi nào ₫ó mà token bị mất hoặc gia bội, cần phải thông báo xóa các token cũ và tạo một token mới.
Khởi tạo token : Sau khi khởi ₫ộng một trạm ₫ược chỉ
₫ịnh có trách nhiệm tạo một token mới.
Tách trạm ra khỏi mạch vòng logic : Một trạm có sự cố phải ₫ược phát hiện và tách ra khỏi trình tự ₫ược
nhận token.
Bổ sung trạm mới : Một trạm mới ₫ược kết nối mạng,
một trạm cũ ₫ược thay thế hoặc ₫ưa trở lại sử dụng phải ₫ược bổ sung vào mạch vòng logic ₫ể có quyền
nhận token.
Trang 35— Độ tin cậy cao hơn nhờ vai trò bình ₫ẳng
— Phù hợp cho nhiều cơ chế giao tiếp khác nhau
Trang 36(1) Token passing gi÷a c¸c tr¹m tÝch cùc
Trang 37Khe thời gian (time slot)
Chu kú bus (chu kú TDMA)
.
Trang 38Ưu ₫iểm và nhược ₫iểm
— Tiền ₫ịnh, phù hợp với trao ₫ổi dữ liệu tuần hoàn
— Có thể ₫áp ứng yêu cầu rất ngặt nghèo về tính năng thời gian thực
— Không cần kiểm soát tập trung
Nhược ₫iểm
— Hiệu suất sử dụng ₫ường truyền có thể không cao
— Đồng bộ hóa thời gian phức tạp
Ứng dụng:
— Thường là kết hợp với Master/Slave (ví dụ Profibus-DP V2.0, Interbus) hoặc Token Passing (Foundation Fieldbus H1)
Trang 39— Carrier Sense: Cảm nhận, nghe ngóng ₫ường truyền
— Multiple Access: Đa truy nhập (₫ương nhiên!)
— Collision Detection: Nhận biết xung ₫ột
Trang 41Điều kiện ràng buộc
Điều kiện ràng buộc giữa chiều dài dây dẫn, tốc ₫ộ
truyền thông và chiều dài bức ₫iện
Tại sao? Một trạm chỉ có thể dừng gửi một bức ₫iện khi
nó chưa gửi xong!
Điều kiện:
(Chiều dài bức ₫iện n / Tốc ₫ộ truyền v) > 2T S
<=> n/v > 2l/(0,66*300.000.000), với l là chiều dài dây dẫn và hệ số k = 0,67
<=> lv < 100.000.000n
Ví dụ: Fast Ethernet (100Mbit/s)
l = 100m => một bức ₫iện không thể ngắn hơn 100 bit
Hệ quả xét về hiệu suất sử dụng ₫ường truyền và khả
năng ứng dụng?
Trang 42— Chủ yếu ở mạng cấp cao (Ethernet)
— Gần ₫ây ₫ược sử dụng ở cấp thấp: Sử dụng công nghệ
chuyển mạch (switch) nhằm giảm xung ₫ột tín hiệu
Trang 43Thuật toán tính thời gian chờ
Thuật toán BEB (Binary Exponential Backoff):
— Chọn khe thời gian (Te) là cơ sở: thông thường là thời
gian lan truyền tín hiệu một lần qua lại ₫ường truyền
— Sau lần xảy ra xung ₫ột ₫ầu tiên , mỗi trạm sẽ chọn
ngẫu nhiên 0 hoặc 1 lần khe thời gian chờ trước khi thửgửi lại => xác suất tái xung ₫ột?
— Nếu hai trạm ngẫu nhiên cùng chọn một khoảng thời
gian, hoặc có sự xung ₫ột mới với một trạm thứ ba, thì
số khe thời gian lựa chọn chờ sẽ là 0, 1, 2 hoặc 3 => xác xuất xảy ra xung ₫ột ở lần này?
— Sau lần xung ₫ột thứ i, số khe thời gian chọn ngẫu
nhiên nằm trong khoảng từ 0 tới 2i-1
Trang 44 Một phương pháp cải tiến từ CSMA/CD, bổ sung mức
ưu tiên ₫ể cải thiện tính thời gian thực
Nổi tiếng cùng mạng CAN (Controller Area Network)
Trang 46Điều kiện ràng buộc
Ngặt nghèo hơn so với CSMA/CD
Một trạm phải có khả năng phát hiện ra xung ₫ột
trước khi nó ra quyết ₫ịnh có gửi bit tiếp theo hay
không => thời gian bit TB phải lớn hơn nhiều hai lần
thời gian lan truyền tín hiệu TS
Trang 47Qui ₫ịnh mức ưu tiên
Theo ₫ịa chỉ trạm gửi hoặc trạm nhận (ví dụ ₫ịa chỉ
càng thấp, mức ưu tiên càng cao) => bổ sung ₫ịa chỉ
trạm gửi hoặc nhận ngay ₫ầu bức ₫iện
Theo kiểu bức ₫iện: bổ sung mức ưu tiên ngay ₫ầu
Trang 49thông tin công nghiệp
4.4 Bảo toàn dữ liệu
Trang 501 Vấn ₫ề bảo toàn dữ liệu
2 Phương pháp bit chẵn lẻ
3 Bit chẵn lẻ hai chiều
4 Mã vòng (CRC)
5 Nhồi bit
Trang 511 Vấn ₫ề bảo toàn dữ liệu
Phân loại lỗi
— Lỗi phát hiện ₫ược, không sửa ₫ược
— Lỗi phát hiện ₫ược nhưng sửa ₫ược, và
— Lỗi không phát hiện ₫ược
Giải pháp
— Giải pháp phần cứng
— Giải pháp phần mềm (xử lý giao thức) => Bảo toàn dữ
liệu
Phát hiện lỗi là vấn ₫ề quan trọng hàng ₫ầu!
Nguyên lý cơ bản: Bổ sung thông tin dự trữ
(redundancy) phục vụ kiểm soát lỗi
Trang 52— Tỉ lệ so với lượng thông tin ban ₫ầu?
Thuật toán xác ₫ịnh thông tin kiểm soát lỗi?
Biện pháp kiểm soát lỗi liên quan tới tính năng kỹ
Trang 53Một số khái niệm liên quan
Tỉ lệ bit lỗi p là thước ₫o ₫ặc trưng cho ₫ộ nhiễu của
kênh truyền dẫn, ₫ược tính bằng tỉ lệ giữa số bit bị lỗi
trên tổng số bit ₫ược truyền ₫i
Tỉ lệ lỗi còn lại R là thông số ₫ặc trưng cho ₫ộ tin cậy dữ
liệu của một hệ thống truyền thông, sau khi ₫ã thực
hiện các biện pháp bảo toàn (kể cả truyền lại trong
trường hợp phát hiện ra lỗi)
Thời gian trung bình giữa hai lần lỗi T MTBF (MTBF = Mean
Time Between Failures ): T MTBF = n/(v*R)
Ví dụ: Một bức ₫iện có chiều dài n = 100 bit ₫ược truyền
liên tục với tốc ₫ộ 1200 bit/s
10 -6 1 ngày
10 -10 26 năm
Trang 54m - Số lượng bit dữ liệu trong mỗi bức ₫iện
n - Chiều dài bức ₫iện
Trang 55 Ví dụ dùng parity chẵn:
Dãy bit nguyên bản: 1001101
Dãy bit gửi ₫i: 10011010
Giả sử nhận ₫ược 10111010 => Lỗi phát hiện ₫ược
Giả sử nhận ₫ược 11111010 => Lỗi không phát hiện ₫ược
Hai kiểu parity:
— Parity chẵn: Tổng số bit 1 trong bức ₫iện cuối cùng phải chẵn
— Parity lẻ: Tổng số bit 1 trong bức ₫iện cuối cùng phải lẻ
Khoảng cách Hamming: 2
Trang 614 Mã vòng (CRC)
CRC (Cyclic Redundancy Check ): thông tin kiểm lỗi (ở
₫ây ₫ược gọi là checksum) phải ₫ược tính bằng một
thuật toán thích hợp, trong ₫ó giá trị mỗi bit của
thông tin nguồn ₫ều ₫ược tham gia nhiều lần vào quá trình tính toán
CRC ₫ược sử dụng rộng rãi trong ₫a số các hệ thống truyền thông CN
CRC còn ₫ược gọi là phương pháp ₫a thức, bởi nó sử dụng phép chia ₫a thức (nhị phân)
Trang 62Phép chia ₫a thức (nhị phân)
Đa thức nhị phân: các hệ số là 0 hoặc 1, ví dụ
— G = x7 + x6 + x5 + (0x4 + 0x3) + x2 + (0x1) + 1
— Viết gọn lại thành một dãy bit G = {11100101}
Phép chia ₫a thức nhị phân ₫ược qui về các phép so
sánh, sao chép và XOR (hay trừ không có nhớ)
1 - 1 = 0
0 - 0 = 0
1 - 0 = 1
0 - 1 = 1
Trang 63Nguyên tắc thực hiện
Hai bên qui ước một “₫a thức phát” G bậc n, ví dụ
x3+x+1 tương ứng với dãy bit {1011}
Dãy bit mang thông tin nguồn I ₫ược thêm vào n bit 0
và coi như một ₫a thức nhị phân P.
— Ví dụ thông tin nguồn là {110101} => {110101000}
Lấy P chia cho G
Phần dư R (lấy n chữ số) của phép chia ₫ược thay thế vào chỗ của n chữ 0 bổ sung trong P, tức là ta có D = P + R R ₫ược gọi là checksum và D chính là dãy bit ₫ược
gửi ₫i thay cho I
Giả sử dãy bit nhận ₫ược là D' không chia hết cho G
=> bức ₫iện chắc chắn bị lỗi Nếu D' chia hết cho G, thì xác suất rất cao là bức ₫iện nhận ₫ược không có
lỗi
Trang 64Ví dụ minh họa
Thông tin cần truyền I = 110101, ₫a thức G = 1011 (tức x3 + x + 1)
Thêm 3 bit 0 vào thông tin nguồn I, ta có P = 110101000
0 111 Phần dư R
Dãy bit ₫ược chuyển ₫i: D = P + R = 110101 111
Giả sử dữ liệu nhận ₫ược là D' = 110101111
Trang 655 Nhồi bit (Bit stuffing)
Nguyên tắc thực hiện:
— Bên gửi: Nếu trong dữ liệu có n bits 1 ₫ứng liền nhau
thì thêm một bit 0 vào ngay sau ₫ó Như vậy trong dãy
bit ₫ược chuyển ₫i không thể xuất hiện n+1 bits 1 ₫i liền
nhau
— Bên nhận: Nếu phát hiện thấy n bits 1 liền nhau mà bit tiếp theo là 0 thì ₫ược tách ra, còn nếu là bit 1 thì dữliệu chắc chắn bị lỗi
Ví dụ với n = 5 (như ở CAN-Bus):
— Thông tin nguồn I = 0111111
— Nếu thông tin nhận ₫ược D' = 01111101, bên nhận có
thể coi xác suất cao không có lỗi
— Nếu thông tin nhận ₫ược D' = 11111101, qua mẫu bit
₫ặc biệt bên nhận sẽ phát hiện ra lỗi
Trang 66 Phân chia thành từng byte
Bổ sung bit chẵn lẻ và các bit ₫ầu, bit cuối
Trang 691 Đặt vấn ₫ề
Mã hóa ₫ường truyền (Line encoding, signal encoding):
Biểu diễn nguồn thông tin cần truyền bằng một tín hiệu thích hợp cho truyền dẫn, có thể bao gồm
— Mã hóa bit (biểu diễn một dãy bit thành một tín hiệu)
Trang 70— Dải tần hẹp hay dải tần rộng thì tốt?
Tính bền vững với nhiễu, khả năng phát hiện lỗi
— Phương pháp mã hóa như thế nào thì bền vững với
nhiễu hơn?
— Bền vững hơn với nhiễu thì có lợi gì?
— Phương pháp mã hóa như thế nào, tín hiệu dạng gì thì
có khả năng phối hợp nhận biết lỗi
Trang 71Các yếu tố kỹ thuật
Triệt tiêu dòng một chiều/khả năng ₫ồng tải nguồn
— Dòng một chiều ảnh hưởng gì tới hệ thống?
— Khi nào thì tín hiệu trên ₫ường truyền triệt tiêu dòng
một chiều?
— Khả năng ₫ồng tải nguồn là gì và mang lại lợi ích gì? Khi nào thực hiện ₫ược?
Thông tin ₫ồng bộ nhịp trong tín hiệu:
— Phân biệt chế ₫ộ truyền ₫ồng bộ và không ₫ồng bộ (cách thức và ưu nhược ₫iểm)
— Làm thế nào ₫ể ₫ồng bộ nhịp giữa bên gửi và bên nhận trong chế ₫ộ truyền ₫ồng bộ?
— Một tín hiệu có dạng như thế nào thì mang thông tin
₫ồng bộ nhịp?
Trang 72NRZ: 1 øng víi møc tÝn hiÖu cao, 0 víi
møc thÊp trong suèt chu kú bit
Trang 733 Mã Manchester
Các tính chất:
— Tần số cao hơn NRZ, dải tần không hẹp
— Khá bền vững với nhiễu, không có khả năng phối hợp
nhận biết lỗi
— Triệt tiêu dòng một chiều, khả năng ₫ồng tải nguồn
— Mang thông tin ₫ồng bộ nhịp
Ứng dụng: Khá phổ biến, vd Ethernet, Profibus-PA,
Trang 755 Mã FSK (frequency shift keying)
Các tính chất:
— Tần số cao (truyền tải dải mang), dải tần hẹp
— Đặc biệt bền vững với nhiễu, có khả năng phối hợp nhận biết lỗi
— Triệt tiêu dòng một chiều, có khả năng ₫ồng tải nguồn
— Mang thông tin ₫ồng bộ nhịp
Ứng dụng: HART, Powerline Communication
FSK: 0 vμ 1 øng víi c¸c tÇn sè kh¸c nhau
Trang 781 Phương thức truyền dẫn tín hiệu
Truyền không ₫ối xứng không ₫ối xứng hay ₫ơn cực
(unbalanced mode, single-ended mode):
— sử dụng ₫iện áp chênh lệch giữa một dây dẫn và ₫ất
— Ví dụ: RS-232
Trang 79Ưu nhược ₫iểm của phương thức ₫ơn cực
Tiết kiệm dây dẫn
Khả năng kháng nhiễu kém (nhiễu ngoại, nhiễu xuyên
âm - crosstalk, chênh lệch ₫iện áp ₫ất)
Phải sử dụng mức tín hiệu cao (hậu quả?)
Tốc ₫ộ truyền kém (tại sao?)
Khoảng cách truyền ngắn (tại sao?)
Trang 80VCM
VCM: Common Mode Voltage
Trang 822 RS-232
Tên chính thức: EIA/TIA-232, do Electronic Industry
Association và Telecommunication Industry Association cùng
xây dựng
Tên thường dùng: RS-232 (RS: Recommended Standard)
Các phiên bản: RS-232c, RS-232f, chuẩn sử dụng cho cổng
COM của máy tính cá nhân thường là RS-232c
Tương ứng với chuẩn châu Âu là CCITT V.24)
ĐƯỜNG RS-232
Trang 84Một số ₫ặc ₫iểm cơ bản
Phương thức truyền dẫn không ₫ối xứng
Chế ₫ộ truyền hai chiều ₫ồng thời (full duplex)
Trang 85Giao diện cơ học
DSR Data Set Ready RTS Request To Send CTS Clear To Send
RI Ring Indicator
DCD RxD TxD DTR GND
DCD RxD TxD DTR GND DSR RTS CTS RI (a) Sơ đồ giắc cắm DB-9 (b) Sơ đồ chiều tín hiệu
Trang 86TxD RxD RTS CTS DTR DSR GND
TxD RxD RTS CTS DTR DSR GND
Transmit Data Receive Data Request To Send Clear To Send Data Terminal Ready Data Set Ready Ground
b) Chế độ bắt tay a) Cấu hình ghép nối tối thiểu
Trang 87 Truyền chênh lệch ₫ối xứng => các ưu ₫iểm ₫ã nêu
Là chuẩn ₫ược sử dụng thông dụng nhất trong các hệ
thống truyền thông công nghiệp (Profibus FMS/DP,
Interbus, AS-Interface và các giao thức riêng khác )
Trang 89D
Trang 91Một số ₫ặc ₫iểm cơ bản
Phương thức truyền dẫn chênh lệch ₫ối xứng
Chế ₫ộ truyền chủ yếu là hai chiều gián ₫oạn
Ghép nối nhiều ₫iểm, số trạm tối ₫a/₫oạn mạng là 32 (tại sao?)
Tốc ₫ộ truyền cao (có thể tới > 10Mbps)
Khoảng cách truyền lớn (có thể tới 1200m)
Có thể dùng tới 3 bộ lặp (4 ₫oạn mạng), trong thực tế
có thể hơn
Trở ₫ầu cuối: 100 hoặc 120Ohm
Trang 92Quan hệ giữa tốc ₫ộ truyền và khoảng cách
3 30 300 3000
Trang 93— Hai trở ₫ầu cuối mắc song
song tương ứng tải 60Ω(120Ω tại mỗi ₫ầu) với ₫iện
áp tối thiểu 1,5V => 25mA
— 32 tải ₫ơn vị mắc song
song với dòng 1mA qua mỗi
₫ơn vị tải (trường hợp xấu nhất) => 32mA
12V 5V
-0.8mA 1mA
Khái niệm đơn vị tải
Trang 944 MBP (IEC 61158-2)
MBP (Manchester Coded, Bus-Powered):
— Ứng dụng chủ yếu trọng công nghiệp chế biến
— Khả năng dùng trong môi trường yêu cầu an toàn cháy nổ
— Mã Manchester, truyền ₫ồng bộ
— Khả năng ₫ồng tải nguồn
— Truyền chênh lệch ₫ối xứng, mức tín hiệu chênh lệch
0,75-1V
— Tốc ₫ộ truyền 31,25kbps (cố ₫ịnh)
— Số trạm tối ₫a 32/₫oạn, 126/toàn mạng, tối ₫a 4 bộ lặp
— Khoảng cách truyền tối ₫a 1900m/₫oạn => 9500m/toàn mạng
— Trở ₫ầu cuối 100Ohm