CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU TRỄ TRUYỀN THÔNG TRONG MỘT SỐ MẠNG TRUYỀN THÔNG CÔNG NGHIỆP TIÊU BIỂU
3.4. Đánh giá ảnh hưởng của các thành phần trễ truyền thông
Chất lượng điều khiển sẽ càng tốt nếu thời điểm tác động của cơ cấu chấp hành càng gần thời điểm lấy mẫu tương ứng. Sự chậm trễ nói chung, hoặc ít hoặc nhiều đều gây ra sự suy giảm chất lượng điều khiển và hạn chế khả năng ứng dụng của các hệ điều khiển sử dụng mạng truyền thông số. Trễ truyền thông càng nhỏ và càng tiền định càng tốt. do vậy hướng nghiên cứu là tìm cách giảm thiểu trễ truyền thông và tăng tính tiền định của nó.
Qua việc phân tích, tính toán các thành phần của trễ truyền thông trong một số mạng truyền thông công nghiệp tiêu biểu như trên ta thấy trễ trong truyền thông là một trong những nhân tố ảnh hưởng đến chất lượng của hệ thống điều khiển như: tính thời gian thực, tính ổn định…
Khi lưu lượng truyền tin tăng nó sẽ làm tăng giá trị và độ bất định của trễ truyền thông. Tính bất định của trễ truyền thông được tạo thành chủ yếu là bởi tính bất định của thời gian đợi trong hàng đợi Tqueue thời gian đợi giành quyền truyền tin,
Tblock và độ dài của khung truyền tin, Tframe. Lưu lượng truyền tin tăng dẫn tới sự gia
tăng của thời gian đợi giành quyền truyền tin Tblock và trễ truyền thông sẽ tăng lên, đồng thời tăng chiều dài hàng đợi dẫn tới làm tăng thời gian đợi trong hàng đợi Tqueue.
Thời gian trễ truyền thông trong mạng truyền thông số cũng có ảnh hưởng đến việc chọn chu kỳ lấy mẫu (Ts) vì nó có ảnh hưởng rất nhiều đến chất lượng hệ thống. Nếu thời gian trễ Tcom.d < Ts thì các tín hiệu được chuyển từ cảm biến tới cơ cấu chấp hành chỉ trong phạm vi một chu kỳ lấy mẫu do đó vẫn đảm bảo được trình tự của tín hiệu điều khiển tại mỗi bước tính. Nếu xảy ra tình trạng Tcom.d > Ts thì có nghĩa là tín hiệu từ cảm biến đến cơ cấu chấp hành phải mất nhiều hơn một chu kỳ lấy mẫu do đó tín hiệu điều khiển tại mỗi bước không đến được cơ cấu chấp hành đúng thời điểm cần. Trường hợp này có thể là không xảy ra thường xuyên nhưng nó sẽ được tích luỹ dần dần dẫn đến kết quả là làm cho hệ thống bị mất tính năng thời gian thực, giảm hiệu quả, chất lượng của hệ thống và có thể làm hệ thống mất ổn định. Muốn khắc phục hiện tượng này ta có thể tăng Ts nhưng Ts lại bị hạn chế bởi các yếu tố như đã nêu ở trên nên không thể tăng Ts lên quá lớn được. Vì vậy phải tìm cách giảm bớt thời gian trễ. Nhưng với mỗi mạng thì thời gian trễ này cũng chỉ giảm đến một giá trị nhất định mà thôi vì vậy mà ta phải đề ra được quy luật điều khiển mà nó có thể giải quyết được vấn đề này.
Có thể đánh mức độ ảnh hưởng cũng như tính tiền định của các thành phần trễ như sau:
Trễ do tốc độ truyền tin của đường mạng.
Tốc độ truyền tin của đường mạng phụ thuộc vào tốc độ truyền tin tổng thể và định dạng của một gói thông tin truyền trên mạng. Tốc độ truyền tin tổng thể phụ thuộc vào tần số của tín hiệu mang thông tin nên chúng ta không thể tăng lên tuỳ ý mà nó bị hạn chế bởi công nghệ chế tạo của thiết bị mạng. Còn định dạng của gói thông tin phụ thuộc vào giao thức truyền thông nên đối với một đường mạng vật lý và giao thức truyền thông xác định trước thì tốc độ truyền tin của đường mạng hoàn toàn xác định. Do vậy trễ do tốc độ truyền tin của đường mạng là xác định.
Trễ do thời gian đợi đường mạng trở nên sẵn sàng truyền tin.
Thông thường trên một đường mạng có nhiều node mạng và điều này dẫn tới việc truyền dữ liệu sẽ phải đợi cho tới khi quá trình truyền dữ liệu của node đang truyền dữ liệu kết thúc.
Nếu có một vài thông điệp cần truyền cũng đang đợi để truyền thì thời gian đợi này sẽ bao gồm cả thời gian cần thiết để hoàn thành truyền các thông điệp này.
Kích thước của thông điệp đang truyền và số lượng thông điệp đang đợi để truyền là ngẫu nhiên nên thời gian đợi đường mạng trở nên sẵn sàng cũng có tính ngẫu nhiên.
Trễ do đường mạng rơi vào trạng thái tranh chấp (collision)
Trong một số kiểu mạng, đặc biệt là mạng sử dụng phương thức truy cập theo kiểu CSMA/CD trạng thái tranh chấp có thể xảy ra nếu có 2 node cùng muốn gửi dữ liệu một lúc. Khi phát hiện ra trạng thái này các node sẽ đợi một khoảng thời gian ngẫu nhiên nào đó rồi mới tiếp tục truyền để tránh trạng thái tranh chấp. Trạng thái tranh chấp này gây ra chậm trễ truyền thông trên mạng và sự chậm trễ này mang tính ngẫu nhiên.
Trễ do nhiễu tác động lên quá trình truyền tin.
Quá trình truyền tin chỉ thành công khi node nhận dữ liệu nhận được dữ liệu đúng với dữ liệu được truyền đi bởi node truyền. Trong thực tế, xác suất nhận được dữ liệu đúng không phải là 100% mà do ảnh hưởng của nhiễu có thể dẫn tới việc truyền dữ liệu bị lỗi. Khi việc truyền dữ liệu lỗi, ta phải tiến hành truyền lại cho tới khi node nhận xác nhận là đã nhận được dữ liệu đúng. Trong môi trường công nghiệp thì ảnh hưởng của nhiễu là rất lớn. Lỗi trong việc truyền dữ liệu có thể do nhiễu tác động lên các thiết bị mạng và đường cáp truyền. Người ta có thể giảm ảnh hưởng của nhiễu điện từ lên mạng truyền tín hiệu bằng cách sử dụng cáp chống nhiễu (cáp xoắn, cáp đồng trục) hoặc sử dụng cáp quang.
Sự chậm trễ của một lần truyền tin có thể do một trong các nguyên nhân trên gây ra. Số lượng các nguyên nhân này có tính ngẫu nhiên cộng với tính ngẫu nhiên của các nguyên nhân trễ nên thời gian trễ cũng có tĩnh ngẫu nhiên. Muốn phân tích và điều khiển được hệ thống ta phải xác định được chiều dài của các trễ. Thời gian trễ lớn hay nhỏ có ảnh hưởng rất lớn tới chất lượng của hệ thống, thời gian trễ càng nhỏ sẽ càng tốt cho hệ thống. Vì vậy ta phải tìm cách làm cho thời gian trễ nhỏ nhất.
3.5. Kết luận
Trong chương này, trễ truyền thông, các thành phần và nguyên nhân của nó được phân tích, nghiên cứu. Trên cơ sở đó tiến hành khảo sát cụ thể trễ truyền thông trong một số mạng truyền thông tiêu biểu trong công nghiệp (mạng Ethernet, CAN). Chương này cũng trình bày và phát triển các phương trình giải tích mô tả trễ truyền thông. Kết quả nghiên cứu cho thấy nguyên nhân của trễ truyền thông và tính bất định của nó là do hạn chế của tốc độ truyền tín hiệu, do việc chia sẻ cùng một phương tiện truyền thông và thời gian tính toán mã hoá, xử lý truyền thông. Trễ truyền thông và tính bất định của trễ truyền thông là đặc điểm tự nhiên của các hệ thống mạng truyền thông nói chung, truyền thông công nghiệp nói riêng. Nó phụ thuộc vào giao thức truyền thông, lưu lượng truyền thông và trạng thái mạng truyền thông. Do sự hữu hạn của tốc độ lan truyền tín hiệu, sự không đồng bộ của các thiết bị trong hệ thống mạng và đặc điểm ngẫu nhiên của thông tin sự kiện truyền trên mạng nên với thành tựu hiện tại của khoa học và công nghệ chúng ta vẫn chưa thể loại bỏ trễ truyền thông cùng với tính bất định của nó trong các hệ thống truyền tin sử dụng mạng.
Trong chương tiếp theo ta sẽ tiến hành phân tích sự suy giảm chất lượng điều khiển của hệ thống điều khiển truyền động khi có sự tham gia của trễ truyền thông vào trễ chung của hệ thống điều khiển, đặc biệt là ảnh hưởng của trạng thái nghẽn mạng (bão hoà) và trạng thái nghẽn mạng tạm thời (hay bão hoà tạm thời).