4. Ý nghĩa của đề tài
1.2.1. Khái quát chung về mạng máy tính
1.2.1.1. Mạng cục bộ LAN
Mạng cục bộ LAN (Local Area Network) là hệ truyền thông tốc độ cao được thiết kế để kết nối các máy tính và các thiết bị xử lý dữ liệu khác cùng hoạt động
Luận văn tốt nghiệp Chuyên ngành: Điều khiển & Tự Động Hóa
Lê Thanh Bằng – 13BĐKTĐH Page | 15
với nhau trong một khu vực địa lý nhỏ như ở một tầng của toà nhà, hoặc trong một toà nhà v v…Một số mạng LAN có thể kết nối lại với nhau trong một khu làm việc.
Các mạng LAN trở nên thông dụng vì nó cho phép những người sử dụng (users) dùng chung những tài nguyên quan trọng như máy in,ổ đĩa CD-ROM, dữ liệu chia sẻ, các phần mềm ứng dụng và những thông tin cần thiết khác. Để tận dụng những ưu điểm của mạng LAN người ta đã kết nối các LAN riêng biệt vào mạng chính yếu diện rộng WAN (Wide Area Network). Các thiết bị gắn với mạng LAN đều dùng chung một phương tiện truyền tin đó là dây cáp, cáp thường dùng hiện nay là: Cáp đồng trục (Coaxial cable), Cáp dây xoắn (shielded twisted pair), cáp quang (Fiber optic),….
1.2.1.2. Mạng diện rộng WAN
Mạng WAN là mạng được thiết lập để liên kết các máy tính của hai hay nhiều khu vực khác nhau cách xa về mặt địa lý. Các WAN kết nối các mạng người sử dụng qua một phạm vi địa lý rộng lớn, nên chúng mở ra khả năng cung ứng hoạt động thông tin cự ly xa cho cơ quan, doanh nghiệp. Sử dụng mạng WAN cho phép các máy tính, máy in và các thiết bị khác trên một LAN chia sẻ và được chia sẻ với các vị trí ở xa. WAN cung cấp truyền thông tức thời qua các miền địa lý rộng lớn. Các WAN được thiết kế để làm các công việc sau:
- Hoạt động qua các vùng tách biệt về mặt địa lý
- Cho phép các người sử dụng có khả năng thông tin thời gian thực với người
sử dụng khác
- Cung cấp các kết nối liên tục các tài nguyên xa vào các dịch vụ cục bộ
- Cung cấp Email, www, FTP và các dịch vụ thương mại điện tử.
1.2.2. Cấu hình mạng (Topology)
Hình trạng của mạng thể hiện qua cấu trúc hay hình dáng hình học của các đường dây cáp mạng dùng để liên kết các máy tính thuộc mạng với nhau. Các mạng cục bộ thường hoạt động dựa trên cấu trúc đã định sẵn liên kết các máy tính và các thiết bị có liên quan. Trước hết chúng ta xem xét hai phương thức nối mạng chủ yếu được sử dụng trong việc liên kết các máy tính là "một điểm - một điểm" và "một điểm - nhiều điểm ".
Luận văn tốt nghiệp Chuyên ngành: Điều khiển & Tự Động Hóa
Lê Thanh Bằng – 13BĐKTĐH Page | 16
Với phương thức "một điểm - một điểm" các đường truyền riêng biệt được thiết lập để nối các cặp máy tính lại với nhau. Mỗi máy tính có thể truyền và nhận trực tiếp dữ liệu hoặc có thể làm trung gian như lưu trữ những dữ liệu mà nó nhận được rồi sau đó chuyển tiếp dữ liệu đi cho một máy khác để dữ liệu đó đạt tới đích.
Theo phương thức "một điểm - nhiều điểm " tất cả các trạm phân chia chung một đường truyền vật lý. Dữ liệu được gửi đi từ một máy tính sẽ có thể được tiếp nhận bởi tất cả các máy tính còn lại, bởi vậy cần chỉ ra điạ chỉ đích của dữ liệu để mỗi máy tính căn cứ vào đó kiểm tra xem dữ liệu có phải dành cho mình không nếu đúng thì nhận còn nếu không thì bỏ qua.
Tùy theo cấu trúc của mỗi mạng chúng sẽ thuộc vào một trong hai phương thức nối mạng và mỗi phương thức nối mạng sẽ có những yêu cầu khác nhau về
phần cứng và phần mềm.[1].
1.2.2.1.Cấu hình mạng hình sao (Star)
Hình 1.3. Mô hình mạng hình sao
Mạng dạng hình sao bao gồm một trung tâm và các nút thông tin. Các nút thông tin là các trạm đầu cuối, các máy tính và các thiết bị khác của mạng.
Trung tâm của mạng điều phối mọi hoạt động trong mạng với các chức năng cơ bản là:
- Xác định cặp địa chỉ gửi và nhận được phép chiếm tuyến thông tin và liên lạc
với nhau.
- Cho phép theo dõi và xử lý sai trong quá trình trao đổi thông tin.
- Thông báo các trạng thái của mạng.
Luận văn tốt nghiệp Chuyên ngành: Điều khiển & Tự Động Hóa
Lê Thanh Bằng – 13BĐKTĐH Page | 17
Hoạt động theo nguyên lý nối song song nên nếu có một thiết bị nào đó ở một nút thông tin bị hỏng thì mạng vẫn hoạt động bình thường.
Cấu trúc mạng đơn giản và các thuật toán điều khiển ổn định. Mạng có thể mở rộng hoặc thu hẹp tuỳ theo yêu cầu của người sử dụng.
Nhược điếm
Khả năng mở rộng mạng hoàn toàn phụ thuộc vào khả năng của trung tâm.
Khi trung tâm có sự cố thì toàn mạng ngừng hoạt động.
Mạng yêu cầu nối độc lập riêng rẽ từng thiết bị ở các nút thông tin đến trung tâm. Khoảng cách từ máy đến trung tâm rất hạn chế (100 m).
1.2.2.2. Cấu hình mạng vòng (Ring):
Hình 1.4. Mô hình mạng vòng tròn - Ring
Các đặc điểm của từng topo mạng Ring
Mạng dạng này, bố trí theo dạng xoay vòng, đường dây cáp được thiết kế làm thành một vòng khép kín, tín hiệu chạy quanh theo một chiều nào đó. Các nút truyền tín hiệu cho nhau mỗi thời điểm chỉ được một nút. Dữ liệu truyền đi phải có kèm theo địa chỉ cụ thể của mỗi trạm tiếp nhận.
Ưu điểm của topo mạng Ring
Mạng dạng vòng có thuận lợi là có thể nới rộng ra xa, tổng đường dây cần thiết ít hơn so với các dạng mạng trên.
Nhược điểm
Đường dây phải khép kín, nếu bị ngắt ở một nơi nào đó thì toàn bộ hệ thống cũng bị ngừng.
Luận văn tốt nghiệp Chuyên ngành: Điều khiển & Tự Động Hóa
Lê Thanh Bằng – 13BĐKTĐH Page | 18
1.2.2.3. Cấu hình mạng Bus
Hình 1.5. Mô hình mạng kiểu Bus
Theo cách bố trí hành lang các đường như hình vẽ thì máy chủ (host) cũng như tất cả các máy tính khác (workstation) hoặc các nút (node) đều được nối về với nhau trên một trục đường dây cáp chính để chuyển tải tín hiệu
Tất cả các nút đều sử dụng chung đường dây cáp chính này. Phía hai đầu dây cáp được bịt bởi một thiết bị gọi là terminator. Các tín hiệu và gói dữ liệu (packet) khi di chuyển lên hoặc xuống trong dây cáp đều mang theo điạ chỉ của nơi đến.
Ưu điểm của topomạng bus
- Dùng dây cáp ít, dễ lắp đặt.
- Không giới hạn độ dài cáp
Nhược điểm
- Sẽ gây ra nghẽn mạng khi chuyển lưu lượng dữ liệu lớn
1.2.2.4. Cấu hình mạng hỗn hợp
Là sự kết hợp các kiểu kết nối khác nhau ví dụ hình cây là cấu trúc phân tầng hình sao hay các Hub có thể được nối với nhau theo kiểu Bus còn từ Hub nối máy tính theo dạng hình sao.
Luận văn tốt nghiệp Chuyên ngành: Điều khiển & Tự Động Hóa
Lê Thanh Bằng – 13BĐKTĐH Page | 19
Hình 1.6: Mô hình mạng hỗn hợp
1.2.3. Giao diện kết nối hay sử dụng trong SCADA
Giao diện là chuẩn quy định kỹ thuật ghép nối số liệu giữa 2 thiết bị. Ví dụ RS232, RS485,.v.v...
Giao thức là chuẩn quy định thủ tục (cách thức) giao tiếp giữa 2 thiết bị hoặc 2 trạm phục việc trao đổi số liệu giữa chúng. Ví dụ HDLC, SDLC, TCP/IP,.v.v...
Giao diện là kênh vật lý và giao thức là kênh logic phục vụ trao đổi số liệu giữa 2 thiết bị hoặc 2 trạm.
Để truyền số liệu có thể sử dụng nhiều giao thức khác nhau trên cùng 1 giao diện giữa 2 thiết bị.
Giao thức có liên kết dữ liệu: Giao thức này đòi hỏi 2 trạm tương tác với nhau trong quá trình truyền số liệu. Các giao thức này thao tác trên các phần chia nhỏ từ dữ liệu toàn bộ,
Giao thức không liên kết dữ liệu: Giao thức này không đòi hỏi 2 trạm tương tác với nhau trong quá trình truyền số liệu. Các giao thức này thao tác trên toàn bộ dữ liệu. Thực chất đây là phần mô tả dữ liệu 1.
1.2.3.1.Giao diện kết nối RS232
Giao diện RS232 sử dụng phương pháp truyền dị bộ với các tốc độ chuẩn là 50, 110, 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 38400 bps và có thể cao hơn nhưng không vượt quá 56kbps.
Cổng nối tiếp (Serial port) là một cổng thông dụng trong các máy tính trong các máy tính truyền thống dùng kết nối các thiết bị ngoại vi với máy tính như: bàn
Luận văn tốt nghiệp Chuyên ngành: Điều khiển & Tự Động Hóa
Lê Thanh Bằng – 13BĐKTĐH Page | 20
phím, chuột điều khiển, modem, máy quét...Cổng nối tiếp còn có tên gọi khác như: Cổng COM, Communication.
Ngày nay, do tốc độ truyền dữ liệu chậm hơn so với các cổng mới ra đời nên các cổng nối tiếp đang dần bị loại bỏ trong các chuẩn máy tính hiện nay, chúng được thay thế bằng các cổng có tốc độ nhanh hơn như: USB
1.2.3.2.Giao diện RS485
Mạng sử dụng chuẩn RS-485 rất đa dạng. Đối với một mạng Multi-network thực sự gồm nhiều mạch phát và nhận cùng nối vào một đường dây bus chung, mỗi node đều có thể phát và nhận data thì RS485 đáp ứng cho yêu cầu này.
Chuẩn RS-485 cho phép 32 mạch truyền và nhận cùng nối vào đường dây bus (với bộ lặp Repeater tự động và các bộ truyền nhận trở kháng cao, giới hạn này có thể mở rộng lên đến 256 node mạng). Bên cạnh đó RS-485 còn có thể chịu được các xung đột data và các điều kiện lỗi trên đường truyền.
Một số ưu điểm của RS-485
Giá thành thấp: Các bộ điều khiển Driver và bộ nhận Receiver không đắt và chỉ yêu cầu cung cấp nguồn đơn +5V để tạo ra mức điện áp vi sai tối thiểu 1.5V ở ngõ ra vi sai.
Khả năng nối mạng: RS-485 là một giao diện đa điểm, thay vì giới hạn ở hai đơn vị, RS-485 là giao diện có thể cung cấp cho việc kết nối có nhiều bộ truyền và nhận. Với bộ nhận có trở kháng cao kết hợp với bộ repeater, RS-485 có thể cho kết nối lên đến 256 node.
Khả năng kết nối
RS-485 có thể truyền xa 1200m, tốc độ lên đến 10Mbps. Nhưng 2 thông số này không xảy ra cùng lúc
Ví dụ: khi tốc độ là 90Kbps thì khoảng cách là 1200m, 1Mbps thì khoảng cách là 120m, còn tốc độ 10Mbps thì khoảng cách là 15m
Sở dĩ, RS-485 có thể truyền trên một khoảng cách lớn là do chúng sử dụng đường truyền cân bằng. Mỗi một tín hiệu sẽ truyền trên một cặp dây, với mức điện áp trên một dây là điện áp bù (trái dấu) với điện áp trên dây kia
Vì có khả năng chống nhiễu tốt như vậy nên chuẩn RS-485 có khả năng truyền dữ liệu trên một khoảng cách xa.
Luận văn tốt nghiệp Chuyên ngành: Điều khiển & Tự Động Hóa
Lê Thanh Bằng – 13BĐKTĐH Page | 21
1.2.3.3.Chuẩn kết nối X.25
Ngoài các giao diện hay sử dụng như RS232, RS485, còn có giao diện cũng được sử dụng như X.25.
Trong X25 có chức năng dồn kênh (multiplexing) đối với liên kết logic (virtual circuits) chỉ làm nhiệm vụ kiểm soát lỗi cho các frame đi qua. Điều này làm tăng độ phức tạp trong việc phối hợp các thủ tục giữa hai tầng kề nhau, dẫn đến thông lượng bị hạn chế do tổng phí xử lý mỗi gói tin tăng lên. Do vậy hiện nay không còn phù hợp với công nghệ truyền số liệu.
1.2.3.4.Giao diện Ethernet
Ethernet là gì
Là phương pháp truy cập mạng máy tính cục bộ (LAN) được sử dụng phổ biến nhất. Ngày nay, mạng ethernet trở nên quá thịnh hành đến nỗi khi nói đến "kết nối mạng LAN" hoặc "card mạng" người ta đã nghĩ ngay đến mạng ethernet.
Về căn bản ethernet là một môi trường mạng LAN có môi trường truyền thông được chia sẻ. Tất cả các trạm trên mạng (network station) chia nhau tổng băng thông của mạng (LAN bandwidth). Băng thông này có thể là 10Mbps (megibit per second = megabit/giây), 100Mbps hoặc 1000Mbps.
Hệ thống Ethernet
Ethernet là 1 công nghệ mạng cục bộ (LAN) nhằm chuyển thông tin giữa các máy tính với tốc độ từ 10 đến 100 triệu bít một giây (Mbps). Hiện thời công nghệ Ethernet thường được sử dụng nhất là công nghệ sử dụng cáp đôi xoắn từ 10 - 100 Mbps. Tốc độ chuẩn cho hệ thống ethernet hiện nay là 100-Mbps.
Để cho phép truyền dữ liệu với tốc độ cao và chống nhiễu, ethernet sử dụng tín hiệu vi sai để truyền dẫn. Do khả năng chống nhiễu cao nên ethernet cáp quang đã được áp dụng nhiều trong các mạng công nghiệp.
Ethernet là công nghệ mạng thiết bị và thông dụng, mặc dù ngày nay có nhiều công nghệ LAN nhưng ethernet vẫn là công nghệ được sử dụng nhiều nhất.
1.2.4. Giao thức truyền dữ liệu phổ biến ứng dụng trong hệ thống SCADA
Giao thức truyền thông (Protocol) là tập hợp các quy ước chính thức quy định thủ tục điều khiển, định dạng và định thời liên quan của việc trao đổi thông điệp giữa hai đối tác truyền thông.
Luận văn tốt nghiệp Chuyên ngành: Điều khiển & Tự Động Hóa
Lê Thanh Bằng – 13BĐKTĐH Page | 22
Với một kiểu kết nối vật lý, với các giao thức khác nhau sẽ hình thành nên các kiểu mạng khác nhau. Một số giao thức như TCP/IP; MODBUS; PROFIBUS, IEC870-5-101, IEC870-5-103, IEC870-5-104; ICCP, ELCOM90, ...
Hệ thống SCADA là một hệ thống phức tạp và đắt tiền nên các thành phần của SCADA được cung cấp bởi nhiều nhà sản xuất khác nhau. Do đó có yêu cầu cao về chuẩn hóa thiết bị, đặc biệt là về các giao diện và giao thức.
Do được trải ra trên không gian địa lý rộng lớn nên cần nhiều dịch vụ viễn thông để kết nối các phân hệ của hệ thống SCADA.
Hình 1.7: Cấu trúc hệ thống SCADA thể hiện bằng giao thức kết nối
Kết nối dữ liệu trong hệ thống SCADA hiện nay thường tuân thủ một số giao thức như sau:
- Giữa RTU với dây chuyền công nghệ sử dụng giao thức IEC870-5-103 hoặc
giao thức của nhà sản xuất.
- Giữa SAS/DCS với IED sử dụng giao thức MODBUS trên RS485/RS232,....
- Giữa GateWay của SAS/DCS với CC sử dụng giao thức IEC870-5-101 trên
RS232/Modem hoặc giao thức IEC870-5-101/104 qua mạng TCP/IP (giao diện Ethernet).
Luận văn tốt nghiệp Chuyên ngành: Điều khiển & Tự Động Hóa
Lê Thanh Bằng – 13BĐKTĐH Page | 23
- Giữa CC với hệ thống quản lý thị trường sử dụng giao thức ICCP hoặc ELCOM90. [1], [3], [7].
1.2.4.1. Giao thức truyền tin
Giao thức truyền tin là gì?
Để có thể thực hiện truyền dữ liệu qua kênh viễn thông một cách an toàn và chính xác đòi hỏi một quy tắc nhất định, quy tắc này có khả năng đối phó với các tình huống không bình thường của kênh như lỗi, trễ, gián đoạn kênh,.v.v...Quy tắc này được gọi là giao thức truyền tin.
Giao thức truyền tin đóng vai trò trung gian và là giao diện logic giữa 2 việc: “truyền tin và xử lý thông tin”. Có thể hiểu giao thức truyền tin như là một loại "ngữ pháp" cho phép tập hợp và biên tập các dòng các bit thu được trên kênh thành dạng có thể hiểu được. Giao thức truyền tin bao hàm cả việc quản lý "giao diện logic" nói trên.
Các chức năng của giao thức truyền tin
Chức năng chuyển dữ liệu: Mục đích cơ bản của giao thức truyền tin là truyền số liệu từ 1 phía sang phía bên kia của liên kết.
Chức năng cấu trúc lại dữ liệu: Đối với truyền dị bộ, byte là đơn vị truyền
nhỏ nhất, cần phải tạo khung tin từ nhiều byte. Đối với truyền đồng bộ, khung dữ liệu là đơn vị truyền nhỏ nhất.
Chức năng xác thực dữ liệu: Xác thực dữ liệu là cấu trúc lại dữ liệu thành
khối, khung, bản tin, đánh số thứ tự, đánh dấu đầu, đuôi.