Relay1/XCBR1$ST$Loc$stVal Thiết bịlogic
3.1.1Một số cấu trúc mạng truyền thông công nghiệp
Kiến trúc mạng( Network Architecture) thể hiện qua các máy tính, các thiết bị tựđộng nối với nhau ra sao và tập hợp các nguyên tắc, các quy ước mà tất cả các thực thể tham gia truyền thông trên mạng phải tuân theo đểđảm bảo cho mạng hoạt động tốt. Cách nối này gọi là cấu trúc(topology) cuả mạng ( gọi là tôpô của mạng). Có hai kiểu nối mạng chủ yếu là điểm-điểm( point-to-point) và quảng bá (point-to- multipoint):
- Nếu một mạng chỉ gồm hai nút được nối trực tiếp với nhau thì được gọi là mạng có cấu trúc điểm-điểm(point-to-point structure). Theo kiểu điểm-điểm thì các
đường truyền nối với nhau và mỗi nút đều có trách nhiệm lưu trữ tạm thời sau đó chuyển tiếp dữ liệu đi cho tới đích.
- Nếu một mạng gồm nhiều nút, liên kết với nhau theo kiểu quảng bá( cấu trúc kiểu đường thẳng, vòng, hình sao, hình cây) thì tả các nút có chung đường truyền vật lý. Dữ liệu được gửi đi từ một nút nào đó sẽ có thểđược tiếp nhận bởi tất cả các nút còn lại nên chỉ cần chỉ ra địa chỉ đích của dữ liệu để mỗi nút căn cứ vào đó để kiểm tra dữ liệu xem có phải dành cho mình không.
Các dạng cấu trúc cơ bản là Bus, mạch vòng và hình sao.
+ Cấu trúc Bus
Trong cấu trúc Bus tất cả các thành viên của mạng đều được nối trực tiếp với một đường dẫn chung gọi là cấu trúc kiểu đường thẳng.Tất cả các thành viên trong mạng đều phải có một điểm ghép nối vào mạng. Nó có thể nối thông qua một đường dẫn ngắn để đến điểm dẫn chính. Trong mạng này nguyên tắc truyền thông được thực hiện như sau: Ở tại một thời điểm nhất định khi một máy cần phát tín hiệu cho một máy khác nó sẽ phát tín hiệu broadcast đến tất cả các máy nhưng chỉ máy nào mang địa chỉ đích mới lấy được tín hiệu này, tín hiệu được truyền cả hai chiều của bus. Đối với các bus một chiều thì tín hiệu chỉ đi về một phía. Lúc đó các Terminator(
thiết bị đầu cuối) phải được thiết kế sao cho các tín hiệu phải được dội lại trên bus để có thể đến được các thành viên trong mạng. Điều này là cần thiết để tránh các xung đột trên đường dẫn. Đặc điểm cơ bản của cấu trúc này là việc sử dụng chung một đường dây dẫn duy nhất cho tất cả các thiết bị trong trạm, vì thế tiết kiệm được dây dẫn và công lắp đặt. Trong dạng bus tất cả các thành viên phân chia chung một đường truyền chính(bus). Đường truyền chính này được giới hạn bởi một loại đầu nối đặc biệt gọi là Terminator. Mỗi thành viên được nối vào bus qua một đầu nối chữ T( T-connector) hoặc một bộ thu phát( Transceiver). Trong tôpô mạng dạng bus, dữ liệu được truyền dựa vào liên kết điểm – nhiều điểm ( point-to-multipoint) Có thể phân biệt ba kiểu cấu hình trong cấu trúc bus: Daisy-chain, trunk- line/drop-line và mạch vòng không tích cực được minh họa trong hình vẽ. Hai cấu trúc đầu được xếp vào cấu trúc đường thẳng bởi hai đầu đường truyền không khép kín.
Bên cạnh việc tiết kiệm dây dẫn thì tính đơn giản dễ thực hiện là những ưu điểm chính của cấu trúc bus, nhờ vậy mà cấu trúc này phổ biến nhất trong các hệ thống mạng truyền thông công nghiệp.
Một số mạng công nghiệp tiêu biểu có cấu trúc Bus là: Profibus, CAN, FondationFieldbus, ASi.
Đặc điểm đối với cấu trúc Bus là nếu một trạm, phần tử hay Rơle không làm việc( hư hỏng, mất nguồn…) gây ảnh hưởng đến các phần tử còn lại. Với mạng có nhiều rơle mang đặc tính khác nhau như: Dung lượng bộ nhớ, tốc độ xử lý và có nhiều protocols thì trong mạng yêu cầu phải cùng làm việc tại giá trị hoạt động thấp nhất và tất cả các thành viên cùng có baud rate và luật nối chung.
Hình 3.1 Cấu trúc Bus
+ Cấu trúc mạch vòng
Cấu trúc vòng cũng có những điểm chung như cấu trúc đường thẳng. Cấu trúc này cũng sử dụng phương pháp truyền thông kiểu bus. Cấu trúc mạch vòng được thiết kế sao cho các thành viên trong mạng được nối từđiểm này đến điểm kia một cách tuần tự trong một mạch vòng khép kín. Mỗi thành viên đều tham gia tích cực vào việc kiểm soát dòng tín hiệu.
Trong cấu trúc mạch vòng mỗi máy được nối với 2 máy gần nó nhất tạo thành một vòng khép kín. Khi tín hiệu truyền từ máy gửi đến máy nhận tín hiệu đó sẽ đi qua các máy trung gian. Nếu máy trung gian không phải là máy nhận tín hiệu thì nó tiếp tục truyền tín hiệu cho máy kế tiếp đến khi tín hiệu đến được máy nhận mới thôi. Quá trình này được lặp lại tới khi dữ liệu quay về trạm đã gửi, sau đó nó sẽ được hủy bỏ. Hình 3.2 Cấu trúc mạch vòng Ưu điểm cơ bản của mạng cấu trúc kiểu này là: Trạm 1 Trạm 2 Trạm 3 Terminator T- connector Bus Terminator Trạm 1 Trạm 2 Trạm 3 Trạm 4 Trạm 5 Trạm 6
- Mỗi nút đồng thời có thể là một bộ khuyêch đại, do vậy khi thiết kế mạng theo cấu trúc vòng có thể thực hiện với một khoảng cách và số trạm rất lớn.
- Mỗi trạm có khả năng vừa nhận vừa phát tín hiệu. Bởi mỗi thành viên ngăn cách mạch vòng ra làm hai phần và tín hiệu chỉ được truyền theo một chiều nên biện pháp tránh xung đột tín hiệu được thực hiện đơn giản hơn.
- Cấu trúc mạch vòng thực chất thực hiện dựa trên cơ sở liên kết điểm-điểm, vì vậy thích hợp cho việc sử dụng các phương tiện truyền tín hiệu hiện đại như cáp quang, tia hồng ngoại, v.v. Việc gán địa chỉ cho các thành viên trong mạng cũng có thể do một trạm chủ thực hiện một cách hoàn toàn tự động, căn cứ vào thứ tự sẵp xếp vật lý của các trạm trong mạch vòng.
- Khả năng xác định vị trí xẩy ra sự cố trong mạng nhưđứt dây, mất nguồn…. - Tuy nhiên vì là mạng có cấu trúc dạng vòng nên khi một máy bị sự cố thì có thể mạng sẽ ngừng hoạt động.
- Một ưu điểm tiếp theo của cấu trúc mạch vòng là khả năng xác định vị trí xảy ra sự cố, ví dụ đứt dây hay một trạm ngừng làm việc. Tuy nhiên, sự hoạt động bình thường của mạng còn lại trong trường hợp này chỉ có thể tiếp tục với một đường dây dự phòng như ở giao diện dữ liệu phân bố theo cáp sợi quang FDDI(Fiber Distributed Data Interface).
+ Cấu trúc hình sao
Cấu trúc hình sao là cấu trúc mà có một nút quan trọng hơn tất cả các nút khác, nút này sẽ điều khiển sự truyền thông của toàn mạng, được gọi là chủ( Master). Nếu như nút này bị hỏng thì sự truyền thông trong mạng cũng không thể tiếp tục được. Tất cả các trạm được nối với thiết bị trung tâm này, thiết bị này có nhiệm vụ nhận tín hiệu từ các trạm và chuyển đến trạm đích của tín hiệu.
Hình 3.3 Cấu trúc hình sao
Mỗi máy trên mạng được nối qua một thiết bị như trung tâm hup hay switch. Một khi cần truyền tín hiệu trước tiên tín hiệu đến Hup sau đó hup sẽ phát tín hiệu cho tất cả các máy trong mạng. Mạng cấu trúc liên kết hình sao được thiết kế trợ giúp cho những hệ thống có nhiều loại IEDs, các thiết bị có xuất xứ từ nhiều nhà sản xuất với các Protocol khác nhau có thể nối trực tiếp tới bộ xử lý trung tâm. Tính mở ở đây thể hiện khi mạng có khả năng giao tiếp giữa phần cứng và phần mềm của nhiều hãng sản suất với nhiều giao thức( Protocols), nhiều tỷ số truyền( bauld rate) và nhiều hình thức giao tiếp mạng.
Ưu điểm của cấu trúc mạng hình sao là khi một máy bị sự cố thì tất cả các máy khác trong mạng vẫn hoạt động tốt. Vì lý do đó mà hup được dùng phổ biến nhất hiện nay.
Nhược điểm của cấu trúc hình sao là sự cố ở trạm trung tâm sẽ làm tê liệt toàn bộ các hoạt động truyền thông trong mạng. Vì vậy trạm trung tâm thường phải có độ tin cậy cao.
+ Cấu trúc lưới
Cấu trúc này cung cấp rất nhiều đường đi trong việc truyền dữ liệu giữa hai máy khi có một đường bị sự cố mạng lưới sẽ dễ dàng thiết lập lại đường mới để dữ liệu đến được máy nhận. Một khó khăn nhất của cấu trúc lưới là giá thành vì phải thiết lập nhiều kết nối.
Trạm 1 Trạm 2 Trạm 3
*
Để tăng cường khả năng làm việc tin cậy, có thể thiết kế thêm hệ thống điều khiển dự phòng( redundant), như vậy khi một điểm đơn bị sự cố cũng không ảnh hưởng đến hệ thống.
Các sự cố có thể do nguyên nhân bộ ghép nối IED bị hư hỏng hay do một đường truyền trên mạng bị đứt. Sự cố “mất dữ liệu lan truyền” ( broadcast datastorm) của Ethernet được coi là sự cố lớn nhất, nơi xẩy ra khi nối ghép một thiết bị vào mạng Ethernet bị hư hỏng, dẫn đến việc gián đoạn các thông báo tín hiệu cần truyền đến các IEDs khác. Các cổng Switches và đường truyền Router có thể ngăn cản sự cố này bằng việc đảm bảo liên lạc thông suốt trên một phân đoạn segment khác của mạng, ngoại trừ các dữ liệu thu được trên segment bị hỏng. Mạng với các nút mạng sẽ nối tắt qua thiết bị sự cố này và duy trì thông tin khi được nối đến segment khác.
+ Cấu trúc cây
Cấu trúc cây thực chất không phải là một cấu trúc cơ bản. Một mạng có cấu trúc cây chính là sự liên kết của nhiều mạng con có cấu trúc đường thẳng, hình sao hoặc thông qua bộ nối vòng như hình 3.4. Đặc trưng của cấu trúc cây là sự phân cấp đường dẫn. Để chia từ đường trục ra các đường nhánh, có thể dùng các bộ nối tích cực (active coupler), hoặc nếu muốn tăng số trạm cũng như phạm vi của một mạng đồng nhất có thể dùng các bộ lặp (repeater). Trong trường hợp các mạng con này hoàn toàn khác loại thì phải dùng tới các bộ liên kết mạng khác như bridge, router và gateway. Một số hệ thống cho phép xây dựng cấu trúc cây cho một mạng đồng nhất là LonWorks, DeviceNet và AS-i.