Bài giảng mạng truyền thông công nghiệp

Bài giảng chi tiết môn mạng truyền thông công nghiệp.Trong bài giảng này đc soạn rẩ chi tiết nhằm giúp cho mọi người dễ hiểu và thực hành được.............................................................................................................................................

Trang 1

MÔN HỌC

MẠNG TRUYỀN THÔNG CÔNG NGHIỆP

GIẢNG VIÊN: VŨ QUỐC TUẤN

Trang 2

GIỚI THIỆU MÔN HỌC

1 Mục tiêu môn học

 Trang bị các kiến thức cơ bản về mạng truyền thông công nghiệp, phương pháp kết nối các thành phần trong mạng, các vấn đề về tích hợp hệ thống.

2 Nội dung môn học

 Vấn đề 1: Cơ sở kỹ thuật

 Vấn đề 2: Các thành phần hệ thống mạng

 Vấn đề 3: Các hệ thống Bus tiêu biểu

 Vấn đề 4: Truyền thông giữa các VĐK

Trang 3

 Tài liệu chính: Bài giảng

 Tài liệu tham khảo:

+ Mạng truyền thông công nghiệp

+ SCADA mạng truyền thông trong công nghiệp

Trang 4

4 Tài liệu tham khảo

Trang 5

Vấn đề 1: CƠ SỞ KỸ THUẬT

NỘI DUNG:

NỘI DUNG 1 Các khái niệm cơ bản

NỘI DUNG 2 Chế độ truyền tải

NỘI DUNG 3 Cấu trúc mạng

NỘI DUNG 4 Kiến trúc giao thức

NỘI DUNG 5 Truy cập bus

NỘI DUNG 6 Bảo toàn dữ liệu và mã hóa bit

NỘI DUNG 7 Kỹ thuật truyền dẫn

Trang 6

NỘI DUNG 1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ

BẢN

1) Thông tin, dữ liệu, tín hiệu

- Thông tin ( information ) : Là thước đo mức nhận thức,

sự hiểu biết về một vấn đề, một sự kiện hoặc một hệ thống

- Dữ liệu ( Data ): Là dạng biểu diễn của thông tin

- Lượng thông tin: Bit ( B inary dig it )

- Tín hiệu ( Signal ): Là diễn biến của 1 đại lượng vật lý chứa đựng tham số Thông tin/Dữ liệu và có thể truyền dẫn được.

+ Tín hiệu liên tục, tín hiệu rời rạc, tín hiệu số

Trang 7

BẢN

Trang 8

BẢN

3) Mạng truyền thông công nghiệp

- Khái niệm: mạng truyền thông công nghiệp (Mạng công nghiệp) là một khái niệm chung chỉ các hệ thống truyền thông số, truyền bít nối tiếp, được sử dụng để ghép nối các thiết bị công nghiệp.

- Vai trò của mạng công nghiệp

+ Đơn giản hóa cấu trúc liên kết giữa các thiết bị công nghiệp

+ Tiết kiệm dây nối và công thiết kế, lắp đặt hệ thống

Trang 9

BẢN

- Vai trò của mạng công nghiệp

+ Nâng cao độ tin cậy và độ chính xác của thông tin

+ Nâng cao độ linh hoạt, tính năng mở của hệ thống

+ Đơn giản hóa việc tham số hóa, chuẩn đoán, định vị lỗi, sự cố của các thiết bị.

+ Mở ra nhiều chức năng và khả năng ứng dụng mới của hệ thống

Trang 10

BẢN

- Phân biệt MCN với mạng máy tính và mạng viễn

thông

+ Mạng công nghiệp và mạng máy tính:

+ Mạng công nghiệp và mạng viễn thông:

Trang 11

BẢN

- Mô hình mạng truyền thông công nghiệp

Trang 12

BẢN

4) Tính năng thời gian thực

- Vai trò: Tính năng thời gian thực là một trong những đặc trưng quan trọng nhất đối với các hệ thống tự động hóa nói chung và các hệ thống truyền thông công nghiệp nói riêng.

- Đặc điểm: Một hệ thống truyền thông có tính năng thời gian thực phải có khả năng truyền tải thông tin một cách tin cậy và kịp thời với yêu cầu của đối tác truyền thông

Trang 13

BẢN

4) Tính năng thời gian thực

- Yêu cầu: Để đảm bảo tính năng thời gian thực, một hệ thống BUS phải có những đặc điểm sau:

+ Độ nhanh nhạy

+ Tính tiền định

+ Độ tin cậy, kịp thời

+ Tính bền vững

Trang 14

NỘI DUNG 2 CHẾ ĐỘ TRUYỀN TẢI

1) Truyền bit song song và truyền bit nối tiếp

- Truyền bit song song

+ Đặc điểm:

+ Ứng dụng: Trao đổi giữa các TP bên trong máy tính

1 0 1 0 0 1 1 1

Trang 15

1) Truyền bit song song và truyền bit nối tiếp

- Truyền bit nối tiếp

+ Đặc điểm:

+ Ứng dụng: Trao đổi giữa máy tính với các thiết bị

ĐK

10100111

Trang 16

2) Truyền đồng bộ và không đồng bộ

- Chỉ liên quan tới phương thức truyền bit nối tiếp

- Truyền đồng bộ: Các đối tác truyền thông làm việc theo cùng 1 nhịp tức là với cùng tần số và độ lệch pha

cố định.

Ví dụ: Giao tiếp giữa Mainboard với Keyboard (PS2)

- Truyền không đồng bộ: Các đối tác truyền thông không làm việc với 1 nhịp chung Dữ liệu truyền được chia thành từng nhóm (gọi là ký tự ), việc đồng bộ hóa được thực hiện với từng ký tự.

Ví dụ: Các mạch giao tiếp UART

Trang 17

3) Truyền một chiều và 2 chiều

- Một đường truyền dữ liệu có khả năng hoặc làm việc dưới chế độ truyền 1 chiều hoặc 2 chiều (toàn phần, gián đoạn)

(Receiver)

Trang 18

- Truyền hai chiều:

Đặc điểm: Thích hợp với cấu trúc BUS (kiểu liên kết điểm – nhiều điểm, liên kết nhiều điểm)

Ví dụ: Chuẩn RS232, RS442, RS485

Ứng dụng: Sử dụng phổ biến trong mạng công nghiệp

Bộ thu phát (Transceiver)

10100111

Trang 19

- Truyền hai chiều:

Đặc điểm: Thích hợp với cấu trúc mạch vòng, cấu trúc hình sao (kiểu liên kết điểm – điểm)

Ví dụ: Internet

Ứng dụng: Sử dụng phổ biến trong mạng công nghiệp

10100111

Trang 20

NỘI DUNG 3 CẤU TRÚC MẠNG

1) Cấu trúc BUS

- Đặc điểm :

+ Tất cả các thành viên đều được nối trực tiếp với 1 đường dẫn chung.

+ Kiểu liên kết: đa điểm

- Phân loại: Daisy – chain; Trunk – line / Drop – line; mạch vòng không tích cực

Daisy - chain

Trang 21

Trang 22

Mạch vòng không tích cực

Trang 23

Trang 24

- Nhược điểm :

+ Một tín hiệu gửi đi có thể tới tất cả các trạm và với

một trình tự không kiểm soát được.

+ Phải hạn chế số trạm trong một đoạn mạng, khi cần

mở rộng mạng phải dùng tới các bộ lặp

+ Chiều dài dây dẫn lớn gây giảm chất lượng tín hiệu

+ Việc xác định vị trí gây lỗi khi gặp sự cố khó khăn

+ Khó khăn trong việc áp dụng công nghệ truyền tín

hiệu mới như cáp quang.

Trang 25

2) Cấu trúc mạch vòng tích cực

- Đặc điểm :

+ Các thành viên trong mạng được nối từ điểm này đến điểm kia một cách tuần tự trong một mạch vòng khép kín.

+ Tín hiệu được truyền đi theo 1 chiều nhất định

+ Mỗi trạm đều tham gia kiểm soát dòng tín hiệu

+ Kiểu liên kết: Điểm – điểm

- Phân loại: Có điều khiển trung tâm, không có điều khiển trung tâm

Trang 26

Trang 27

Trang 28

- Ưu điểm:

+ Có thể thực hiện với khoảng cách và số trạm lớn

+ Biện pháp tránh xung đột được thực hiện đơn giản

+ Thích hợp cho việc sử dụng các phương tiện truyền

tín hiệu hiện đại như cáp quang, tia hồng ngoại

+ Có khả năng xác định vị trí sảy ra sự cố

Trang 29

- Nhược điểm:

+ Một trạm hỏng sẽ gây ảnh hưởng đến toàn hệ thống,

do đó cần có biện pháp xử lý khi gặp sự cố: dùng đường dây phụ, dùng chuyển mạch tự động.

- Ứng dụng:

Trong các hệ thống có độ tin cậy cao như: Interbus, Token – Ring, FDDI.

Trang 30

- Xử lý sự cố:

Dùng đường dây phụ

Trang 31

- Xử lý sự cố:

Đấu tắt qua trạm hỏng

Trang 32

3) Cấu trúc hình sao

- Đặc điểm :

+ Là một cấu trúc mạng có 1 trạm trung tâm quan trong hơn tất cả các trạm khác, trạm này sẽ điều khiển toàn

bộ hoạt động truyền thông của toàn mạng

+ Kiểu liên kết: Điểm – điểm

+ Mạng trung tâm: Tích cực hoặc thụ động

Trang 33

3) Cấu trúc hình sao

Trang 34

Trang 35

4) Cấu trúc hình cây

- Đặc điểm:

+ Không phải là cấu trúc cơ bản

+ Là sự liên kết của nhiều mạng con với các cấu trúc khác nhau thông qua các bộ liên kết mạng.

+ Đặc trưng là sự phân cấp đường dẫn

- Ứng dụng:

+ LonWorks, DeviceNet, AS-i.

Trang 36

4) Cấu trúc hình cây

Trang 37

NỘI DUNG 4 KIẾN TRÚC GIAO

+ Được quy định bởi 1 chuẩn riêng

+ Phân loại: Dịch vụ sơ cấp, dịch vụ cấp thấp, dịch vụ cao cấp

Trang 38

THỨC

1) Một số khái niệm

- Giao thức:

+ Là các quy tắc, thủ tục cho việc giao tiếp mà các dịch

vụ truyền thông phải tuân theo.

+ Các thành phần của giao thức: Cú pháp (Syntax), ngữ nghĩa (Sematic), định thời (Timing)

+ Phân loại: Giao thức cấp thấp, giao thức cấp cao

+ Được quy định bởi 1 chuẩn riêng

+ Phân loại: Dịch vụ sơ cấp, dịch vụ cấp thấp, dịch vụ cao cấp

Trang 39

+ Các phần việc được xắp xếp theo chiều dọc thành từng lớp với các dịch vụ và nhiệm vụ khác nhau.

+ Công việc được thực hiện trên cơ sở các giao thức quy định (theo mô hình lớp)

+ Các lớp có thể thuộc chức năng của phần cứng, phần mềm.

Trang 40

THỨC

1) Một số khái niệm

- Nguyên tắc xử lý giao thức theo mô hình lớp:

(N+1)-PDU (N)-SDU (N)-PDU

Trang 41

2) Giao thức HDLC ( H igh level D ata- L ink C ontrol )

- Cấu trúc khung truyền:

Trang 42

3) Giao thức UART (U niversal A synchronous

R eceiver / T ransmitter )

- Cấu trúc khung truyền:

Trang 43

4) Mô hình OSI (O pen S ystem I Reference Model )

nterconnection Đặc điểm:

+ Do tổ chức chuẩn hóa quốc tế ISO đưa ra năm 1983 + Không phải là một chuẩn quốc tế về giao thức

+ Không có quy định về cấu trúc bức điện

+ Phục vụ việc xắp xếp và đối chiếu các hệ thống truyền thông có sẵn

+ Chia thành 7 lớp.

+ Các hệ thống truyền thông có thể chỉ sử dụng một số lớp cần thiết.

THỨC

Trang 44

- Sơ đồ phân lớp:

THỨC

Trang 45

truyền dòng bits qua phương tiện truyền; cung cấp các đặc tả kỹ thuật về

Trang 46

- Ví dụ về giao tiếp theo mô hình OSI:

THỨC

Trang 47

4) Kiến trúc giao thức TCP/IP (T ransmisstion C ontrol

P rotocol/ I nternet P rotocol )

- Đặc điểm:

+ Dùng để chỉ một tập giao thức và dịch vụ truyền thông được công nhận thành chuẩn cho Internet

+ Chia thành 5 lớp.

THỨC

Trang 48

- Sơ đồ phân lớp:

THỨC

Trang 50

- Địa chỉ IP cho biết vị trí của môt hệ thống trong một mạng, địa chỉ IP phải là duy nhất trên một hệ thống mạng độc lập và phải được viết dưới 1 định dạng chuẩn.

THỨC

Trang 51

Tổ chức địa chỉ IP trong giao thức TCP/IP

- Mỗi địa chỉ IP được chia thành 2 phần: Phần địa chỉ mạng (Net ID) và phần địa chỉ trạm (Host ID).

- Các địa chỉ IP có chiều dài 32bit được chia thành

4 dãy Mỗi dãy gồm 8bit (1Byte), mỗi byte được phân cách bằng dấu “.”, mỗi byte là một giá trị nằm trong khoảng từ 0 đến 255.

THỨC

Trang 52

Do tổ chức và độ lớn của các mạng con (subnet) của liên mạng có thể khác nhau, người ta chia các địa chỉ

IP thành 5 lớp, ký hiệu là A, B, C, D và E:

- Lớp A, B, C chứa địa chỉ có thể gán được

- Lớp D dành riêng cho lớp kỹ thuật multicasting

- Lớp E được dành những ứng dụng trong tương lai

Theo cách phân chia này, các địa chỉ IP trong lớp

A, B, C được sử dụng để đặt cho các máy tính khi tham gia hệ thống mạng Lớp D và E không được dùng cho việc đặt địa chỉ IP cho các máy trạm.

THỨC

Trang 53

Cấu trúc của các địa chỉ IP như sau:

Mạng lớp A :

- Địa chỉ mạng (netid) là 1 Byte và địa chỉ host (hostid) là

3 byte:

- Trong byte đầu tiên (Chính là NetID) nếu bit đầu tiên là

bit có giá trị “0” thì địa chỉ IP đó thuộc lớp A.

THỨC

Trang 54

Mạng lớp A :

- Phân tích 8 bít trong byte đầu tiên của lớp A:

Do trường hợp 8 bit trong byte đầu tiên đều là 0 không được sử dụng và trường hợp 01111111 (127) là địa chỉ IP loopback nên cũng không được sử dụng, vì thế địa chỉ NetID của lớp A sẽ nằm trong khoảng từ 1 đến 126.

THỨC

0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1

Trang 55

Mạng lớp A :

- Mỗi một địa chỉ IP hợp lệ sẽ thuộc một đường mạng

nhất định nào đó Để xác định đường mạng của địa chỉ

này, ta giữ nguyên giá trị các bit ở phần NetID còn những byte nào thuộc HostID thì chuyển về 0.

Công thức tính số đường mạng : 2 n – 2

(Với n là số bit tham gia trong phần NetID) Đối với lớp A: n = 7 → số đường mạng: 126.

- Subnet Mask của 1 địa chỉ lớp A là : 255.0.0.0

THỨC

Trang 56

Mạng lớp A :

- Số địa chỉ IP có thể có trên 1 đường mạng được tính theo công thức: 2 m –

2 với m là số lượng bit tham gia trong phần HostID.

Trừ đi 2 là 2 trường hợp đặc biệt:

+ Toàn bộ phần HostID đều là 0: đây chính là đường mạng chứ không phải địa chỉ IP hợp lệ.

+ Toàn bộ phần HostID đều là 1: Đây là địa chỉ IP BroadCast Nó dùng để quảng bá cho tất cả các địa chỉ IP còn lại trong đường mạng nên

ta không sử dụng nó.

THỨC

Trang 57

Trang 58

Mạng lớp B và lớp C: Tương tự

THỨC

Trang 59

Bài tập về địa chỉ IP

Nhóm bài tập 1: Cho 1 địa chỉ IP cụ thể, hãy xác định địa chỉ đó thuộc lớp nào? Xác định các tham số tổng quát của địa chỉ IP trong lớp đó: Địa chỉ Byte đầu tiên; số Byte tham gia HostID, NetID; đường mạng tổng quát; số đường mạng; số địa chỉ IP trên mỗi đường mạng; địa chỉ Broadcast; SubnetMask.

Nhóm bài tập 2: Xác định tổng số máy trên một mạng, tổng số mạng con, số HostID trên mỗi mạng con, ước lượng phạm vi địa chỉ trên mỗi mạng con

THỨC

Trang 60

5) Chuẩn MMS (M anufacturing M essage

THỨC

Trang 62

1) Tổng quan

- Phân loại phương pháp truy cập BUS:

NỘI DUNG 5 TRUY CẬP BUS

Trang 63

2) Phương pháp MASTER/ SLAVE

- Mô hình:

Trang 64

- Nguyên tắc làm việc:

+ Trạm chủ (Master): có trách nhiệm chủ động phân chia quyền truy cập cho các trạm tớ (Slave)

+ Trạm chủ có thể sử dụng phương pháp hỏi vòng tuần

tự (polling) theo chu kỳ để kiểm soát hệ thống

+ Trạm tớ (Slave): đóng vai trò bị động, chỉ có quyền

truy cập BUS và gửi tín hiệu khi co yêu cầu

+ Trình tự tham gia giao tiếp của các trạm tớ được người sử dụng quy định trước (tiền định) bằng các công cụ tạo lập cấu hình => tính năng thời gian thực

Trang 65

- Ưu, nhược điểm:

+ Việc kết nối mạng với các trạm tớ đơn giản, đỡ tốn kém, việc tích hợp thêm chức năng xử lý truyền thông đơn giản

+ Hiệu suất trao đổi thông tin giữa các trạm không cao

do dữ liệu phải đi qua trạm chủ => cần có biện pháp cải thiện

+ Độ tin cậy của hệ thống truyền thông phụ thuộc hoàn

toàn vào trạm chủ

+ Ứng dụng: trong các hệ thống BUS cấp thấp

Trang 66

3) Phương pháp TDMA (T ime D ivision M ultiple

A ccess )

- Mô hình:

Trang 67

3) Phương pháp TDMA (T ime D ivision M ultiple

+ Trong các ứng dụng thời gian thực

+ Kết hợp với phương pháp Master / Slave

Trang 68

4) Phương pháp Token Passing

- Mô hình:

Trang 69

+ Trạm giữ Token có thể kiểm soát các trạm khác

+ Một trạm có khả năng tạo Token mới theo trình tự

Trang 70

- Ứng dụng: Kết hợp với phương pháp Master/Slave: (trong hệ PROFIBUS)

Trang 71

5) Phương pháp CSMA/CD (C arrier S ense M ultiple

A ccess with C ollision D etection )

- Mô hình:

Định dạng
Số trang	155
Dung lượng	6,74 MB