ĐỀ tài MẠNG TRUYỀN THÔNG ETHERNET

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỀU KHIỂN HỌC TIỂU LUẬN MẠNG TRUYỀN THÔNG CÔNG NGHIỆP ĐỀ TÀI: MẠNG TRUYỀN THÔNG ETHERNET Sinh viên thực hiện: Phan Đức Minh Luân Mã sinh viên : 5851031021 Lớp: Tự động hoá K58 Giáo viên hướng dẫn: Võ Văn Ân TP HỒ CHÍ MINH, Tháng năm 2021 Lời cảm ơn LỜI CẢM ƠN Trên thực tế khơng có thành cơng mà khơng gắn liền với hỗ trợ, giúp đỡ dù hay nhiều, dù trực tiếp hay gián tiếp người khác Trong suốt thời gian từ bắt đầu học tập giảng đường đại học đến nay, em nhận nhiều quan tâm, giúp đỡ q Thầy Cơ, gia đình bạn bè Với lòng biết ơn sâu sắc nhất, với tri thức tâm huyết để truyền đạt vốn kiến thức quý báu cho em suốt trình học Và đặc biệt, mơn học Mạng Truyền Thông Công Nghiệp thầy Võ Văn Ân tận tình giảng dạy, truyền đạt thêm cho em kiến thức hay môn học Em xin chân thành cảm ơn thầy tận tâm hướng dẫn em suốt trình học tập Bài báo cáo thực trình học Bước đầu vào thực tế, kiến thức em hạn chế cịn nhiều bỡ ngỡ Do vậy, khơng tránh khỏi thiếu sót điều chắn, em mong nhận ý kiến đóng góp quý báu quý Thầy để kiến thức em hoàn thiện Em xin gửi đến thầy lời chúc tốt đẹp sống Kính chúc quý thầy dồi sức khỏe thành công nghiệp cao quý Em xin trân trọng cảm ơn! TP.HCM, ngày 12 tháng năm 2021 Sinh viên thực Phan Đức Minh Luân Phan Đức Minh Luân – Tự động hoá K58 i Mục lục MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i DANH MỤC BẢNG BIỂU iv DANH MỤC HÌNH VẼ v MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ MẠNG ETHERNET 1.1 Tổng quan mạng LAN 1.2 Tổng quan mạng Ethernet 1.2.1 Ethernet ? 1.2.2 Sơ lược lịch sử Ethernet 1.3 Tiêu chuẩn mở rộng khả Ethernet .3 1.4 Hiện trạng chuẩn hoá .4 1.4.1 Tốc độ khoảng cách .6 1.4.2 Khả thay cho mạng truy cập 1.4.3 Mở rộng khả VLAN 1.4.4 Mở rộng chức OAM 1.4.5 Chuyển mạch với độ phục hồi nhanh 1.4.6 Truyền tải tín hiệu thời gian thực .9 1.4.7 Điều khiển lưu lượng CHƯƠNG MẠNG ETHERNET .10 2.1 Cách thức Ethernet hoạt động 11 2.2 Kiến trúc giao thức 11 2.3 Cáp Ethernet 12 2.3.1 Các loại cáp Ethernet 12 2.3.2 Một số hạn chế cáp Ethernet 14 2.4 Cấu trúc mạng kỹ thuật truyền dẫn .15 2.4 Cơ chế giao tiếp .18 2.5 Cấu trúc điện 19 2.6 Truy cập bus 20 2.7 Hiệu suất đường truyền tính thời gian thực .20 CHƯƠNG TƯƠNG LAI PHÁT TRIỂN CỦA CÁC CHUẨN ETHERNET 22 Phan Đức Minh Luân – Tự động hoá K58 ii Mục lục 3.1 Fast Ethernet 22 3.2 High Speed Ethernet 23 3.2.1 Kiến trúc giao thức 23 3.2.2 Cấp phát địa động .23 3.2.3 Cấu trúc dự phòng 24 3.2.4 Khối chức linh hoạt 24 3.3 Industrial Ethernet 25 3.4 Ứng dụng truyền thông Ethernet .26 3.4.1 Mạng truyền thông công nghiệp Ethernet nhà máy xi măng 26 3.5 Ưu điểm nhược điểm mạng dây Ethernet 31 3.5.1 Ưu điểm 31 3.5.2 Nhược điểm 31 3.6 Ethernet & Wi-Fi 32 3.6.1 Ưu điểm Etherner so với Wi-Fi 32 3.6.2 Nhược điểm Etherner so với Wi-Fi 32 CHƯƠNG KẾT LUẬN 34 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 36 Phan Đức Minh Luân – Tự động hoá K58 iii Danh mục bảng biểu DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Các chuẩn liên quan đến Ethernet Bảng 1.2 Chức OAM Ethernet Bảng 2.1 Các loại cáp Ethernet 12 Bảng 2.2 Một số loại cáp truyền Ethernet thông dụng 15 Bảng 3.1 Một số loại cáp truyền Fasr Ethernet thông dụng 22 Bảng 3.2 Bảng so sánh số khác 28 Phan Đức Minh Luân – Tự động hoá K58 iv Danh mục hình vẽ DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Định dạng frame 802.1ad Hình 1.2 Định dạng frame 802.1ah Hình 2.1 Đầu nối BNC BNC-T 10 Hình 2.2 Đầu nối RJ45 10 Hình 2.3 Ethetnet/IEEE 802.3 tập chuẩn IEEE 802 11 Hình 2.4 Cáp Ethernet 12 Hình 2.5 Kí hiệu cáp truyền 15 Hình 2.6 Mạng 10BASE5 16 Hình 2.7 Mạng 10BASE2 17 Hình 2.8 Mạng 10BASE – T 17 Hình 2.9 Phân đoạn mạng 10BASE – F 18 Hình 2.10 Cấu trúc khung MAC theo chuẩn IEEE 802.3/Ethernet 19 Hình 2.11 Hiệu suất đường truyền Ethernet 10Mbit/s 21 Hình 3.1 Kiến trúc giao thức HSE 24 Hình 3.2 Một cấu hình dự phịng HSE tiêu biểu 25 Hình 3.3 Industrial Ethernet 25 Hình 3.4 Ví dụ phân cấp hệ thống tự động hoá cơng nghiệp 27 Hình 3.5 Hệ thống điều khiển nhà máy xi măng theo cấu trúc Bus có dự phòng 30 Hình 3.6 Hệ thống điều khiển nhà máy xi măng theo cấu trúc mạch vòng(Ring) 31 Hình 4.1 Module CP 443-1 đèn hiển thị 34 Hình 4.2 Ý nghĩa đèn CP 443 – 35 Phan Đức Minh Luân – Tự động hoá K58 v Mở đầu MỞ ĐẦU Sự cần thiết đề tài Ngày nay, cơng nghệ ngày phát triển, tiến tình cơng nghiệp hóa đại hóa diễn với tốc độ nhanh để phục vụ cho nhu cầu tiêu dùng, sản xuất, học tập, nghiên cứu,… Bên cạnh đó, khu cơng nghiệp, trường học, văn phịng bệnh viện, nhà máy, ngày xây dựng nhiều Vậy nên vấn đề liên kết thiết bị công nghiệp thiết bị trường học, bệnh viện cách an tồn, nhanh chóng, ổn định, linh hoạt tiết kiệm cần thiết Từ Ethernet đời không để phục vụ mục đích mà cịn có nhiều lợi ích, ứng dụng khác lĩnh vực truyền thông Sau nhóm làm rõ hoạt động tính hàng đầu ứng dụng lợi ích mà Ethernet đem lại Đối tượng nghiên cứu Tổng quan tìm hiều sâu mạng Ethernet Kết cấu báo cáo đề tài MỞ ĐẦU CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ MẠNG ETHERNET CHƯƠNG II: MẠNG ETHERNET CHƯƠNG III: TƯƠNG LAI PHÁT TRIỂN CỦA CÁC CHUẨN ETHERNET CHƯƠNG IV: KẾT LUẬN Phan Đức Minh Luân – Tự động hoá K58 Chương 1: Tổng quan mạng Ethernet CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ MẠNG ETHERNET 1.1 Tổng quan mạng LAN Mạng cục (Local Area Network - LAN) nhóm máy tính thiết bị truyền thông mạng kết nối với khu vực địa lý nhỏ, tòa nhà cao ốc hay trụ sở làm việc quan, cơng ty Các LAN thường có đặc tính sau: ▪ ▪ ▪ ▪ Chuyển giao liệu với tốc độ nhanh Thuộc loại mạng có tỉ lệ lỗi thấp Tồn khu vực địa lý giới hạn Công nghệ tương đối rẻ tiền Mạng LAN kết nối theo nhiều kiểu khác song tn theo hai mơ hình mạng mạng khách chủ (Client/Server) mơ hình bình đẳng (Peer To Peer) 1.2 Tổng quan mạng Ethernet 1.2.1 Ethernet ? Ethernet dạng công nghệ truyền thống dùng để kết nối mạng LAN cục bộ, cho phép thiết bị giao tiếp với thông qua giao thức - quy tắc ngôn ngữ mạng chung Là lớp giao thức data-link tầng TCP/IP, Ethernet cho thấy thiết bị mạng định dạng truyền gói liệu nào, cho thiết bị khác phân khúc mạng cục phát hiện, nhận xử lý gói liệu Cáp Ethernet hệ thống dây vật lý để truyền liệu qua Đối tượng ethernet đa dạng, từ doanh nghiệp, game thủ, tập người dùng cuối khác phụ thuộc vào lợi ích mà Ethernet mang lại, có độ tin cậy tính bảo mật cao So với cơng nghệ mạng LAN khơng dây, Ethernet thường bị gián đoạn cho dù nhiễu sóng vô tuyến, trở ngại vật lý hay băng thông Ethernet cung cấp mức độ bảo mật kiểm soát mạng tốt so với công nghệ không dây (các thiết bị phải kết nối cáp vật lý - người ngồi gặp khó khăn truy cập liệu mạng hay cố gắng điều hướng băng thông cho thiết bị không cung cấp 1.2.2 Sơ lược lịch sử Ethernet Được phát triển vào năm 1970 Trung tâm Nghiên cứu Palo Alto (PARC) Xerox, Ethernet thiết kế giao diện mạng chi phí thấp chịu lỗi cho mạng cục mạng diện rộng Vào thời điểm phát minh nó, có mạng khác, chẳng hạn TokenBus, TokenRing, ARCNET, CDDI loạt giao diện mạng biết đến độc quyền Phan Đức Minh Luân – Tự động hoá K58 Chương 1: Tổng quan mạng Ethernet Nhà khoa học Robert Metcalf PARC giao nhiệm vụ tìm cách kết nối hàng trăm máy tính cơng ty để chúng dùng chung máy in laser giới Xerox phát minh gần Ngày vấn đề nhỏ, vào đầu năm 1970, số công ty có nhiều hai ba máy tính Khơng có máy tính cá nhân, máy tính xách tay, điện thoại di động, máy tính bảng, v.v Các mạng mở rộng đủ nhanh để kết nối nhiều máy vậy, Metcalf đồng nghiệp ông cần cách tiếp cận để giải vấn đề Họ kết hợp số công nghệ internet với ý tưởng riêng khai sinh mạng ngày khắp nơi giới, kết nối hàng triệu thiết bị với với internet Theo IEEE-802.3 ban hành thức vào năm 1985, Ethernet trở thành giao diện chuẩn thực tế cho mạng lớn nhỏ, chí cho thiết bị riêng lẻ Đó kết hợp phần cứng phần mềm phát triển để chịu lỗi nhanh chóng Thơng tin chia thành “gói” “khung” gọi biểu đồ liệu Mỗi sơ đồ liệu không chứa thân liệu mà cịn có thơng tin nhận dạng tiêu đề địa để tạo lại đầu nhận CRC 32-bit (kiểm tra dự phòng theo chu kỳ) cuối để ngăn lỗi Các thiết bị mạng có giao diện Ethernet, thiết bị có địa Điều quan trọng với nhiều thiết bị có khả truyền nhận mạng, thiết bị cần biết liệu dành cho 1.3 Tiêu chuẩn mở rộng khả Ethernet Cho đến năm 2002, hệ thống tiêu chuẩn Ethernet ủy ban tiêu chuẩn Ethernet IEEE 802 (LMSC - LAN/MAN Standards Committee) quản lý Bắt đầu từ 2002, ITU-T SG13 SG 15 (ITU-T: International Telecommunications Union Telecommunication Standardization Sector ; SG : Study Group) tiến hành nghiên cứu chuẩn (Ethernet) để đáp ứng yêu cầu mạng cung cấp viễn thơng Kể từ đó, IEEE 802 LMSC ( bao gồm 802.1, 802.3 ) ITU-T SG 13, ITUT SG15 kết hợp với để đưa chuẩn thống Những lĩnh vực công nghệ Ethernet chuẩn hóa bổ sung là: • Giao diện tốc độ cao (high bit rate) khoảng cách xa • Khả đáp ứng thay cho mạng truy cập • Khả mở rộng VLAN • Quản lý, điều hành bảo dưỡng – OAM • Bảo vệ chuyển mạch • Truyền tải tín hiệu thời gian thực Phan Đức Minh Luân – Tự động hoá K58 Chương 1: Tổng quan mạng Ethernet • Điều khiển lưu lượng ❖ Lợi ích việc sử dụng mạng Ethernet Ethernet có thị phần 80% có xu hướng ngày tăng Ethernet đưa đặc điểm mang lại nhiều lợi ích cho người sử dụng: • Khởi động nhanh nhờ phương pháp kết nối đơn giản • Độ linh hoạt cao mạng thời mở rộng mà khơng có ảnh hưởng bất lợi • Cơ sở cho nối mạng hệ thống mạng diện rộng( tích hợp theo chiều sâu) • Cơ sở cho dịch vụ Ethernet • Độ sẵn sàng cao có cấu trúc mạng có dự phịng • Thực truyền thơng gần khơng giới hạn áp dụng cơng nghệ chuyển mạch • Kết nối mạng nhiều khu vực khác nhau, ví dụ mạng văn phịng mạng khu vực sản xuất • Truyền thơng diện rộng thông qua kết nối mạng diện rộng(WAN) mạng công nghiệp khơng dây(WLAN) sử dụng SCALANCE W) • Dễ dàng kết nối trạm di động vào mạng WLAN IWLAN Siemens sử dụng SCALANCE W • Mạng liệu bảo vệ thông qua khái niệm bảo mật Siemens sử dụng SCALANCE W 1.4 Hiện trạng chuẩn hoá Các tiêu chuẩn lĩnh vực thơng tin liên quan mơ tả tóm tắt bảng Bảng 1.1 Các chuẩn liên quan đến Ethernet Bộ tiêu chuẩn Kí hiệu tài liệu Tên tiêu chuẩn Thời gian phê chuẩn IEEE IEEE 802.1D MAC Bridges 6/2004 802.1 IEEE 802.1Q VLAN 12/2005 IEEE 802.1 ad Provider Bridges 12/2005 IEEE 802.1ag Connectivity Fault Management 9/2007 IEEE 802.1ah Provider Backbone Briges 12/2008 (dự kiến) Phan Đức Minh Luân – Tự động hoá K58 Chương 3: Tương lai phát triển chuẩn Ethernet Đối với loại mạng trên, việc nối dây thơng qua chia chuyển mạch Một chuyển mạch có chi phí cao nhiều so với chia, nâng cao hiệu suất hệ thống cách đáng kể nhờ chức phân vùng xung đột Loại 100BASE-FX cho phép truyền hai chiều toàn phần, sử dụng hai sợi quang đa chế độ cho hai chiều Đối với ứng dụng đòi hỏi khoảng cách truyền lớn khả kháng nhiễu cao giải pháp thích hợp 3.2 High Speed Ethernet High Speed Ethernet (HSE) công nghệ bus Fieldbus Foundation (FF) phát triển sở Fast Ethernet tám hệ bus chuẩn hoá IEC 61158 vào cuối năm 1999 Với tốc độ truyền 100Mbit/s, HSE thiết kế cho việc nối mạng cấp điều khiển điều khiển giám sát, bổ sung cho mạng H1 cấp thấp HSE sử dụng địa 48-bit 64-byte khung MAC tối thiểu Ethernet chuẩn, đồng thời truyền thông báo dịch vụ H1 thơng báo riêng HSE Bên cạnh đó, HSE hỗ trợ tốt việc dự phòng, đồng thời gian liên kết nhiều giao thức 3.2.1 Kiến trúc giao thức Hình 3.1 mơ tả kiến trúc giao thức HSE Phía dưới, HSE sử dụng hồn tồn lớp vật lý lớp MAC theo IEEE 802.3 Cũng nhiều hệ thống dựa Ethernet khác, lớp mạng sử dụng giao thức IP (Internet Protocol) lớp vận chuyển sử dụng TCP (Transmission Control Protocol) UDP (User Datagram Protocol) Đặc biệt, HSE bổ sung mười đặc tả, hầu hết thuộc lớp ứng dụng qui định khối chức ứng dụng, dịch vụ quản trị mạng, quản lý hệ thống, chế dự phòng, truy nhập thiết bị trường 3.2.2 Cấp phát địa động High Speed Ethernet sử dụng giao thức chuẩn DHCP (Dynamic Host Control Protocol) IP (Internet Protocol) chức quản lý hệ thống để cấp phát động địa cho trạm Sau nhận yêu cầu cấp địa từ thiết bị, DHCP Server tìm địa IP cịn trống cấp phát cho thiết bị yêu cầu Tiếp theo, thiết bị thông báo cho phần quản lý hệ thống (System Manager) cấp phát nhãn thiết bị vật lý (Physical Device Tag) Một địa mối liên kết thiết lập, phần quản lý hệ thống nạp cấu hình xuống thiết bị Phan Đức Minh Luân – Tự động hoá K58 23 Chương 3: Tương lai phát triển chuẩn Ethernet Hình 3.1 Kiến trúc giao thức HSE NMA: Network Management Agent (Điệp viên quản trị mạng) VFD: Virtual Field Device (Thiết bị trường ảo) OD: Object Directory (Thư mục đối tượng) SMIB: System Management Information Base (Cơ sở thông tin quản lý hệ thống) NMIB: Network Management Information Base (Cơ sở thông tin quản trị mạng) SMK: System Management Kernel (Nhân quản trị hệ thống) LRE: LAN Redundancy Entity DHCP: Dynamic Host Control Protocol (Giao thức địa cấp phát địa động) SNTP: Simple Network Time Protocol (Giao thức thời gian mạng bản) SNMP: Simple Network Management Protocol (Giao thức quản trị mạng bản) FBFA: Function Block Application (Ứng dụng khối chức năng) 3.2.3 Cấu trúc dự phòng Về bản, giải pháp dự phòng HSE dựa vào cấu trúc thành phần Ethernet thông dụng Cả hai dạng dự phòng - dự phòng mạng dự phòng thiết bị - hỗ trợ Một ví dụ cấu hình dự phịng tiêu biểu minh họa Hình 3.2 3.2.4 Khối chức linh hoạt Khối chức (Function Block, FB) khái niệm trọng tâm Foundation Fieldbus H1 HSE Mở rộng mơ hình khối chức cho ứng dụng sản xuất gián đoạn, khối chức linh hoạt (Flexible Function Block, FFB) coi phần mềm bao bọc, đại diện cho thuật toán ứng dụng đặc biệt cổng vào/ra tương tự số Các ngôn ngữ chuẩn định nghĩa IEC 61131-3 sử dụng để tạo khối chức linh hoạt, tương tự với khối chức thông thường Cũng thông qua khối chức linh hoạt này, việc liên kết với H1 với hệ thống sử dụng giao thức khác thực cách thống Phan Đức Minh Luân – Tự động hoá K58 24 Chương 3: Tương lai phát triển chuẩn Ethernet Hình 3.2 Một cấu hình dự phòng HSE tiêu biểu 3.3 Industrial Ethernet IE (Industrial Ethernet) mạng Ethernet công nghiệp mạng phục vụ cho cấp quản lý cấp phân xưởng để thực truyền thơng máy tính hệ thống tự động hố Nó phục vụ cho việc trao đổi lượng thông tin lớn, truyền thông phạm vi rộng Các xử lý truyền thông dùng mạng ln kiểm tra xem đường dẫn có bị chiếm dụng khơng Nếu khơng trạm mạng gửi điện tín đi, xảy xung đột mạng có hai trạm gửi ngừng lại q trình gửi điện tín thực lại sau thời gian định, thời gian xác định theo luật toán học ngẫu nhiên Hình 3.3 Industrial Ethernet Mạng Ethernet cơng nghiệp có tính chất đặc trưng sau: - Mạng Ethernet cơng nghiệp sử dụng thủ tục truyền thông ISO TCP/IP (Transmission Control Protocol / Internet Protocol) Phan Đức Minh Luân – Tự động hoá K58 25 Chương 3: Tương lai phát triển chuẩn Ethernet - Theo phương pháp thâm nhập đường dẫn chọn (CSMA/CD – Carrier Sense Multiple Access with Collision Detecion) thành viên mạng Ethernet cơng nghiệp bình đẳng với - Theo tiêu chuẩn truyền thơng ISO ISO on TCP trạm khơng phải SIEMENS có khả tích hợp vào mạng, nói cách khác Ethernet cơng nghiệp mạng truyền thông mở Các thông số mạng Ethernet cơng nghiệp: • Chuẩn truyền thơng : IEEE 802.3 • Số lượng trạm : Max 1024 trạm • Phương pháp thâm nhập đường dẫn : CSMA /CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) • Mơi trường truyền thông : - Dây dẫn : + Cáp đồng + Cáp đôi dây xoắn - Cáp quang : Cáp thuỷ tinh chất dẻo • Kiểu nối : Đường thẳng, cây, hình vịng trịn 3.4 Ứng dụng truyền thông Ethernet 3.4.1 Mạng truyền thông công nghiệp Ethernet nhà máy xi măng a) Tổng quan Cùng với tính truyền thơng chuẩn hóa theo mơ hình OSI, tảng kiến trúc liên tục tạo mà mở rộng phát triển khơng ngừng từ cấp độ bên văn phịng, phòng điều khiển, giám sát vươn tới tận thiết bị trường, máy móc, cảm biến Theo hướng vậy, việc xử lý thông tin liệu hiển diện mức trường mà cịn liên tục tích hợp hệ thống thu thập liệu mức kiểm soát cao Phan Đức Minh Luân – Tự động hoá K58 26 Chương 3: Tương lai phát triển chuẩn Ethernet Hình 3.4 Ví dụ phân cấp hệ thống tự động hố cơng nghiệp • ERP: hoạch định nguồn tài nguyên kinh doanh (Enterprise resource planning) • • SCADA: điều khiển giám sát thu thập liệu (Supervisory control & data acquisition) • DCS: Hệ thống điều khiển phân tán (Distributed control system) • PLC: Bộ điều khiển logic có khả lập trình (Programmable Logic Controler) • Bus trường (Fieldbus) Những loại Bus trường (fieldbus) có sẵn thị trường sử dụng nhiều loại phương tiện truyền tải liệu khác giao diện với mạng cấp cao thông qua "gateway" Đa số nhà sản xuất fieldbus phát triển giao thức họ xây dựng dựa theo chuẩn Ethernet như: Modbus/TCP; EtherNet/IP; ProfiNet, FF HSE; PowerLink Bên cạnh đó, Ethernet tạo tăng đột biến độ rộng băng thơng so với fieldbus (ví dụ: Profibus DP có băng thơng tối đa tới 12Mbit/s, Ethernet có độ rộng băng thơng tối đa tới (10) Gbit/s) Ethernet khơng có khả phát triển tích hợp theo chiều thẳng đứng mà cịn cung cấp giao thức mở để phát triển theo chiều rộng b) Sự khác môi trường Ethernet công nghiệp văn phòng Mặc dù tiêu chuẩn sử dụng cơng nghệ tự động hóa mơi trường văn phòng tương tự, nhiên yêu cầu thiết bị mạng phải khác cách đáng kể Phan Đức Minh Luân – Tự động hoá K58 27 Chương 3: Tương lai phát triển chuẩn Ethernet Thiết bị mạng truyền thông môi trường công nghiệp bắt buộc phải hoạt động tin cậy điều kiện khắc nghiệt, chẳng hạn nhiễu điện tử, nhiệt độ vận hành cao, rung động khí lớn Bảng 3.2 Bảng so sánh số khác TT Các yêu cầu Mơi trường văn phịng Mơi trường cơng nghiệp Về lắp đặt - Về lắp đặt cố định nhà - Đi cáp phụ thuộc vào khơng gian, địa hình nhà máy Về truyền tải liệu - Các gói liệu lớn Mức độ sẵn sàng mạng trung bình Truyền thơng chủ yếu khơng theo chu trình Khơng thiết phải tương tác theo chế độ thời gian thực - Các gói liệu nhỏ, mức độ sẵn sàng mạng cao Truyền liệu theo chu trình chủ yếu Tương tác theo thời gian thực Hoạt động dải nhiệt độ trung bình Ít bụi, ẩm rung động - - Về môi trường - - - Dải nhiệt độ rộng lớn Bụi, ẩm rung động xảy Chịu ảnh hưởng va đập khí hố chất u cầu chống nhiễu cao c) Những đặc trưng mang tính cơng nghiệp: - Lắp đặt ray theo tiêu chuẩn DIN - Lắp thiết bị vào ray thép tiêu chuẩn DIN cách ấn vào nhanh chóng, thuận tiện - Nguồn cung cấp 24VDC (có dự phịng redundant) - Các lĩnh vực áp dụng khác - Thiết kế theo kiểu Robot phù hợp cho ứng dụng công nghiệp - Các điều kiện môi trường: nhiệt độ môi trường chịu dải rộng hơn, cụ thể từ -40 độ C đến +70 độ C không cần quạt thơng gió hay làm mát Nhiều cấp bảo vệ tùy thuộc khu vực lắp đặt IP20/IP30/IP67 - Tính ổn định học: thử nghiệm rung chấn động theo tiêu chuẩn IEC 1131-2 IEC60068 Phan Đức Minh Luân – Tự động hoá K58 28 Chương 3: Tương lai phát triển chuẩn Ethernet - Các quy định điện: EMI:EN 50022, EN50082-2, FCC phần 15 (class B), IEC 1000-4-2, IEC1000-4-6, IEC1000-4-4, EN61000 d) Cấu trúc mạng mức độ dự phòng trì Trong mơi trường văn phịng, u cầu giới hạn xảy cố không thông báo mơi trường cơng nghiệp Thử hình dung nhà máy sản xuất hoạt động phải ngừng cố mạng truyền thơng Thời gian dừng gây chi phí thiệt hại lớn Với mơi trường cơng nghiệp có sẵn thành phần thiết bị có khả thay dự phịng kịp thời đảm bảo thời gian dừng máy thấp tốt Bằng cách chi phí dừng máy giảm cách đáng kể Để đưa giải pháp này, cấu trúc mạch vịng (ring) thơng thường lựa chọn cơng nghiệp Cấu trúc mạch vịng có ưu mạnh sau: - Thời gian phục hồi (tự cấu hình trở lại) cực nhanh (< 500ms), mà nhanh cấu trúc STP (Spanning Tree) RSTP (Rapid Spanning Tree) - Có thể có tối đa 50 Switch lắp mạch vòng (ring), theo cách tạo cấu trúc mạng từ nhỏ đến lớn - Giảm công việc cáp tiết kiệm chi phí - Việc cáp kết cấp gọn nhẹ đơn giản không phức tạp - Cho phép mở rộng, nâng cấp nhà máy hoạt động Thực tế cho thấy hầu hết nhà máy xi măng VICEM có hệ thống tự động hóa ứng dụng cơng nghệ Ethernet truyền thông liệu, chẳng hạn như: • • • • • • Dây chuyền 2, xi măng Hoàng Thạch (thiết bị ABB, Siemens) Xi măng Hải Phòng (thiết bị Siemens) Xi măng Bút Sơn 1, (thiết bị Siemens) Xi măng Hoàng Mai (thiết bị Siemens) Xi măng Tam Điệp (thiết bị Allen Bradley) Xi măng Bỉm Sơn (thiết bị Toshiba) Về cấu trúc mạch vịng Ethernet điển hình cho nhà máy xi măng: Trong nhà máy xi măng hình dung mạng Ethernet cấu trúc theo kiểu: - Cấu trúc mạng Ethernet CCR: thiết lập theo cấu trúc hình (Star Topology), máy tính vận hành (OS) liên kết với thông qua Switch tạo thành mạng LAN - Cấu trúc mạch vòng (hoặc bus): điều khiển PLC trạm liên kết với với hệ thống máy tính CCR theo cấu trúc mạch vòng (hoặc bus) Phan Đức Minh Luân – Tự động hoá K58 29 Chương 3: Tương lai phát triển chuẩn Ethernet Để liên kết PLC với thiết bị máy tính vận hành giám sát CCR, thông thường nhà sản xuất thiết bị điều khiển hàng đầu giới đưa mô đun chuyên dùng để kết nối chuẩn Ethernet cổng giao tiếp với mạng Ethernet tích hợp mơ dun CPU Khi truyền tín hiệu xa, cáp quang sử dụng thông qua chuyển đổi quang - điện (OLM) e) Hệ thống điều khiển cấu trúc theo dạng bus có dự phịng trì - Dự phòng đường truyền gồm 02 đường cáp đồng trục (hoặc cáp sợi quang chạy song song) kết nối với cổng truyền thơng (1 cổng dự phịng) điều kiển PLC công đoạn (02 mô đun Ethernet CPU với 02 cổng Ethernet) - Tại CCR cần thiết bố trí 02 máy tính chủ (server) cấu cài đặt phần mềm hệ th ống để đảm bảo hoạt động song song chế độ vận hành bình thường Khi có cố máy tính chủ thay tồn cơng việc máy tính chủ bị lỗi tồn hệ thống hoạt động bình thường Hình 3.5 Hệ thống điều khiển nhà máy xi măng theo cấu trúc Bus có dự phịng f) Hệ thống điều khiển cấu trúc theo dạng mạch vịng có dự phịng trì Các máy tính vận hành CCR liên kết theo kiểu hình (Star Topology) CCR thông qua switch tạo thành mạng LAN kết nối với điều khiển PLC công đoạn thông qua mạng truyền thông công nghiệp Ethernet tạo nên mạch vịng khép kín đảm bảo mức độ dự phịng q trình truyền liệu Phan Đức Minh Luân – Tự động hoá K58 30 Chương 3: Tương lai phát triển chuẩn Ethernet Hình 3.6 Hệ thống điều khiển nhà máy xi măng theo cấu trúc mạch vòng(Ring) 3.5 Ưu điểm nhược điểm mạng dây Ethernet Ethernet phổ biến mang lại nhiều lợi ích cho người dùng, nhiên mạng dây Ethernet có số nhược điểm định 3.5.1 Ưu điểm • • • • • Chi phí tương đối thấp Khả tương thích ngược Chống nhiễu Chất lượng truyền liệu tốt Tốc độ tính bảo mật cao 3.5.2 Nhược điểm • • • • • • Chỉ dành cho mạng nội nhỏ, khoảng cách ngắn Khả di chuyển bị hạn chế Sử dụng cáp dài tạo nhiễu xun âm Nó khơng hoạt động tốt với ứng dụng tương tác thời gian thực Lưu lượng truy cập nhiều làm cho tốc độ Ethernet giảm xuống Khi khắc phục cố, việc xác định cáp cổng kết nối gặp cố khó khăn So với công nghệ mạng LAN không dây (WLAN) Ethernet thường bị gián đoạn Nó đem lại mức độ kiểm soát an ninh mạng cao cơng nghệ khơng dây thiết bị phải kết nối hệ thống cáp vật lý Điều khiến người ngồi khó truy cập liệu mạng chiếm đoạt băng thông Phan Đức Minh Luân – Tự động hoá K58 31 Chương 3: Tương lai phát triển chuẩn Ethernet 3.6 Ethernet & Wi-Fi 3.6.1 Ưu điểm Etherner so với Wi-Fi ❖ Tín hiệu ổn định Mặc dù việc thiết lập mạng LAN có dây tốn tốn thời gian so với mạng WLAN (Mạng cục khơng dây), có số đặc quyền phủ nhận Đầu tiên, tín hiệu Wi-Fi truyền qua tần số vơ tuyến Nếu qua đường hầm nghe đài tơ bắt tín hiệu hàng xóm dàn âm nổi, sóng vơ tuyến dễ bị nhiễu Và Wi-Fi Với Ethernet có dây, nhiễu khơng phải vấn đề Nếu khơng bị can thiệp, Internet có khả bị chậm, kết nối kết nối không liên tục - ưu điểm thể rõ chuyển tệp phương tiện lớn, ngốn liệu cho khách hàng ❖ Tính linh hoạt bảo mật Mặc dù sử dụng dây dẫn, bạn linh hoạt để truyền liệu lên đến 100 mét — cách modem định tuyến bạn 328 feet — cáp Ethernet Vì hầu hết định tuyến có cổng Ethernet, nên không nhiều thời gian để thực Trong kinh doanh, khả kiểm soát bảo mật liệu đường truyền Ethernet cung cấp khó xâm nhập Với kết nối vật lý, trì quyền kiểm soát kết nối với mạng cục thời điểm Điều không giải phóng liệu cho người dùng mà cịn giúp ngăn chặn vi phạm bảo mật không mong muốn (chưa kể đến vi phạm bảo mật nguy hiểm tống tiền) Với Wi-Fi vượt tường văn phòng, mạng WLAN doanh nghiệp đương nhiên dễ dàng truy cập kèm theo mối đe dọa tiềm ẩn 3.6.2 Nhược điểm Etherner so với Wi-Fi Wi-Fi tiếng khả truy cập dễ dàng khả kiếm nhiều tiền Khi sử dụng mạng WLAN, cần kết hợp modem-bộ định tuyến giá phải thiết bị sẵn sàng hoạt động ❖ Giá Mạng LAN có dây lớn phức tạp chi phí cao Nếu đơn giản chạy cáp Ethernet cho nhà mình, xem giá cáp Nhưng doanh nghiệp nhỏ thiết kế mạng an toàn, ổn định riêng tư, cần modem, tường lửa, máy chủ, thiết bị switch chuyển mạch chí thiết lập nâng cao Khi chi phí tăng lên với máy trạm, cần khoản đầu tư ban đầu lớn ❖ Cổng có sẵn Phan Đức Minh Luân – Tự động hoá K58 32 Chương 3: Tương lai phát triển chuẩn Ethernet Trong hầu hết máy tính để bàn, máy tính xách tay, TV thơng minh, bảng điều khiển đầu đĩa thông minh hay thiết bị truyền thông trang bị cổng Ethernet, nhiều thiết bị khơng ❖ Tính di động Sẽ tính di động sử dụng Ethernet, thiết bị di động điện thoại thông minh, máy tính bảng, netbook, thiết bị đọc sách điện tử, có Wi-Fi (khá khó để tích hợp cổng Ethernet vào thiết bị này) Đó lý hầu hết thiết lập mạng LAN lại bao gồm số loại có kết nối Wi-Fi bổ sung Và tốc độ tuyệt đối, tiêu chuẩn 802.11ac hỗ trợ định tuyến Wi-Fi hai băng tần ba băng tần đạt tốc độ tối đa 1,3 gigabit / giây (Gbps) — tốc độ lý thuyết Wi-Fi Ethernet bị giới hạn thực tế cịn vấn đề gói liệu với nhà cung cấp dịch vụ Internet Phan Đức Minh Luân – Tự động hoá K58 33 Chương 4: Kết luận CHƯƠNG KẾT LUẬN Kết luận Ethernet công nghệ mạng kết nối thiết bị mạng cục mạng diện rộng Ethernet xuất nhiều nơi, từ gia đình đến văn phịng cơng ty đến bệnh viện, nơi có nhiều thiết bị mạng muốn nói chuyện với Ethernet cung cấp kết nối ổn định đáng tin cậy, không giống công nghệ không dây dễ bị nhiễu khơng ổn định tùy thuộc vào khoảng cách bạn với định tuyến Tuy nhiên, để sử dụng ethernet, bạn cần cắm cáp ethernet vào thiết bị Điều khơng thực tế nhiều thiết bị đại ngày hỗ trợ công nghệ không dây Giới thiệu Module CP443-1 cho Ethernet công nghiệp Module thiết kế để kết hợp với PLC S7 – 400 để truyền thông mạng Ethernet công nghiệp, với đặc điểm sau: • • • • • • • Module đơn thiết kế chiếm khe (slot) Có thể sử dụng khe trung tâm mở rộng Giao diện điều khiển đèn hiển thị đặt mặt trước Không cần quạt Đầu cắm RJ45 dùng cho kết nối Ethernet Có thể dùng cho mạng MPI LAN/Industrial Mỗi CP 443-1 có địa MAC nhà sản xuất cung cấp (địa thiết bị), sử dụng cấu hình CP 443-1 vào mạng Ethernet Hình 4.1 Module CP 443-1 đèn hiển thị Phan Đức Minh Luân – Tự động hoá K58 34 Chương 4: Kết luận ❖ Ý nghĩa đèn hiển thị Đèn FDX (xanh): tín hiệu kết nối song cơng tồn phần (full-duplex) Đèn LINK (xanh): tín hiệu kết nối đến ITP/TP Đèn TXD (xanh nhấp nháy): CP truyền liệu AUI/ITP Đèn RXD (xanh nhấp nháy): CP nhận liệu AUI/ITP Đèn FAST (xanh): tốc độ truyền tín hiệu đạt 100Mbps Hình 4.2 Ý nghĩa đèn CP 443 – ❖ Các chế độ hoạt động CP • Chuyển đổi trạng thái từ STOP sang RUN: CP đọc cấu hình tải liệu vào nhớ làm việc Kết thúc q trình, CP chuyển sang chế độ RUN • Chuyển đổi trạng thái từ RUN sang STOP: CP chuyển sang STOP với nguyên nhân sau: kết nối thiết lập (ISO, ISO on TCP, kết nối TCP) kết thúc • Trong chế độ STOP: - Tất kết nối kết thúc - Cấu hình phần chẩn đốn cịn - FTP truy cập đến tập tin hệ thống cịn - Truy cập HTTP cịn Phan Đức Minh Ln – Tự động hoá K58 35 Danh mục tài liệu tham khảo DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO Mạng truyền thơng cơng nghiệp – Hồng Minh Sơn https://vi.wikipedia.org/wiki/Ethernet#C%E1%BA%A5u_tr%C3%BAc_frame Thơng tư 38/2015 Bộ Tài Sách hỏi đáp Ethernet Phan Đức Minh Luân – Tự động hoá K58 36 Phan Đức Minh Luân – Tự động hoá K58 37 ... 3.3 Industrial Ethernet 25 3.4 Ứng dụng truyền thông Ethernet .26 3.4.1 Mạng truyền thông công nghiệp Ethernet nhà máy xi măng 26 3.5 Ưu điểm nhược điểm mạng dây Ethernet 31... loại mạng Ethernet: • • • • Mạng LAN 802.3 chuyển mạch Fast Ethernet High Speed Ethernet Industrial Ethernet Phan Đức Minh Luân – Tự động hoá K58 10 Chương 2: Mạng Ethernet 2.1 Cách thức Ethernet. .. trạm khơng phải SIEMENS có khả tích hợp vào mạng, nói cách khác Ethernet cơng nghiệp mạng truyền thông mở Các thông số mạng Ethernet cơng nghiệp: • Chuẩn truyền thơng : IEEE 802.3 • Số lượng trạm