Về mặt vật lý, hai thiết bị có thể được kết nối với nhau theo 2 cách: liên kết điểm – điểm (point to point), trong đó chỉ có 2 thiết bị liên kết truyền thông với nhau. Toàn bộ dung lượng của kênh truyền được dùng bởi 2 thiết bị.
Thứ 2 là liên kết đa điểm (multi – drop, multi point), một liên kết truyền thông được chia sẻ bởi nhiều hơn 2 thiết bị. Kênh truyền được chia sẻ giữa các thiết bị theo 2 cách. Chia sẻ thời gian, một khoảng thời gian cụ thể được cấp phát cho mỗi thiết bị. Chia sẻ không gian, các thiết bị sử dụng kênh truyền cùng lúc.
Khi nhiều liên kết (link) được dùng để kết nối các thiết bị (node), chúng tạo thành một cấu trúc mạng. Dựa trên phương thức kết nối các thiết bị, ta có một số cấu trúc thông dụng như: bus, mạch vòng (ring), cấu trúc hình sao (star), cấu trúc lưới (mesh), hoặc kết hợp của những cấu trúc này.
Hình 2-2: Liên kết điểm – điểm và liên kết nhiều điểm. 2.3.2. Cấu trúc bus
Cấu trúc bus tương đối linh hoạt, được sử dụng rộng rãi trong truyền thông SCADA. Tất cả các thành viên của mạng đều được nối trực tiếp với một đường dẫn chung. Đặc điểm cơ bản nhất của cấu trúc bus là việc sử dụng chung một đường dẫn duy nhất cho tất cả các trạm, vì thế tiết kiệm được cáp dẫn và công lắp đặt.
Bên cạnh việc tiết kiệm dây dẫn thì tính đơn giản, dễ thực hiện là những ưu điểm chính của cấu trúc bus. Trường hợp một trạm không làm việc (do hỏng hóc, mất nguồn, …) không ảnh hưởng tới phần mạng còn lại. Một số hệ thống còn cho phép tách một trạm ra khỏi mạng hoặc thay thế một trạm trong khi cả hệ thống vẫn hoạt động bình thường.
Tuy nhiên, cấu trúc đơn giản này cũng có một số điểm hạn chế:
Một tín hiệu gửi đi có thể tới tất cả các trạm và theo một trình tự không kiểm
Tất cả các trạm đều có khả năng phát và phải luôn luôn "nghe" đường truyền để phát hiện ra một thông tin có phải gửi cho mình hay không, do vậy hạn chế số trạm trong một đoạn mạng.
Chiều dài dây dẫn khá lớn, có thể gây ra hiện tượng phản xạ làm giảm chất lượng của tín hiệu. Để khắc phục vấn đề này, người ta thường chặn hai đầu dây bằng các điện trở đầu cuối (resitor terminator).
Trường hợp đường truyền bị đứt, ngắn mạch trong phần kết nối bus của một trạm bị hỏng đều dẫn đến ngưng hoạt động của cả hệ thống. Việc xác định vị trí xảy ra sự cố cũng gặp phải nhiều khó khăn.
Khó khăn khi áp dụng các kỹ thuật truyền tín hiệu mới như sử dụng cáp quang.
Hình 2-3: Cấu trúc bus. 2.3.3. Cấu trúc mạch vòng (Ring)
Trong cấu trúc dạng vòng, tất cả các nút mạng, bao gồm cả trạm chủ (master) tạo
thành một vòng khép kín (Ring, closed loop), các bản tin được gửi giữa các nút theo
một chiều nhất định. Nếu bản tin không được chấp nhận bởi bất kỳ trạm nào trong mạng, nó sẽ trở về trạm gửi và được hủy bỏ. Cấu trúc này cũng cho phép truyền thông trực tiếp giữa các trạm. Nhược điểm chính của cấu trúc này là khi xảy ra sự cố hỏng hóc ở một nút sẽ làm ngưng toàn bộ hoạt động của mạng. Việc tăng/giảm số lượng trạm cũng là vấn đề do phải dừng việc truyền thông lại. Việc phát hiện, cách ly sự cố cũng gặp khó khăn.
Hình 2-4: Cấu trúc Ring. 2.3.4. Cấu trúc hình sao (Star)
Cấu trúc hình sao (star) là một có trúc mạng có một trạm trung tâm ở giữa, kết nối
với tất cả các nút khác và điều khiển hoạt động truyền thông của toàn mạng. Các thành viên khác được kết nối gián tiếp với nhau qua trạm trung tâm.
Cấu trúc này dễ dàng phát triển, bảo dưỡng, giám sát. Việc thêm/bớt các nút mạng cũng rất dễ dàng. Hơn nữa, khi 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.
Một nhược điểm của cấu trúc hình sao là khi trạm trung tâm gặp sự cố sẽ làm ngừng hoạt động của toàn mạng. Vì vậy trạm trung tâm này phải có độ tin cậy rất cao.
Nhược điểm tiếp theo của cấu trúc này là tốn dây dẫn. Do yêu cầu phải nối độc lập riêng rẽ từng thiết bị ở các nút thông tin đến trung tâm. Khoảng cách đến máy trung tâm cũng bị hạn chế.
Hình 2-5: Cấu trúc hình sao. 2.3.5. Cấu trúc lƣới (Mesh)
Cấu trúc lưới (mesh) cũng có thể được sử dụng, đó là một cải tiến của cấu trúc mạch
2.3.6. Cấu trúc lai
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.
Hình 2-6: Cấu trúc lai. 2.3.7. Luồng dữ liệu
Dữ liệu trao đổi giữa hai thiết bị có thể theo 2 cách: một chiều hoặc hai chiều. Ở chế
độ đơn công (một chiều – simplex), thông tin chỉ đi theo một chiều duy nhất, một trạm
chỉ có thể đóng vai trò hoặc bên phát (transmitter) hoặc bên nhận thông tin (receiver)
trong suốt quá trình giao tiếp.
Chế độ truyền hai chiều gián đoạn (half duplex) cho phép mỗi trạm có thể tham gia
gửi hoặc nhận thông tin, nhưng không cùng một lúc. Nhờ vậy thông tin được trao đổi theo cả hai chiều luân phiên trên cùng một đường truyền vật lý. Ưu điểm của chế độ này là không đòi hỏi cấu hình hệ thống phức tạp, trong khi có thể đạt được tốc độ truyền khá cao. Một trạm có cả một bộ phát và một bộ thu. Trong khi bộ phát làm việc thì bộ thu nghỉ và ngược lại. Do đặc tính này, chế độ truyền hai chiều gián đoạn thích hợp với kiểu liên kết đa điểm, sử dụng cấu trúc bus. Khi một trạm phát thì tất cả các trạm khác trên bus phải được giữ ở trạng thái thu nhận tín hiệu.
Với chế độ truyền hai chiều toàn phần (full duplex), mỗi trạm đều có thể gửi và nhận thông tin đồng thời. Thực chất, chế độ này chỉ khác với chế độ 2 chiều gián đoạn ở chỗ phải sử dụng hai đường truyền riêng biệt cho thu và phát, tức là khác ở cấu hình hệ thống truyền thông. Chế độ này phù hợp với dạng liên kết điểm – điểm, sử dụng trong các cấu trúc mạch vòng và cấu trúc hình sao.
2.4. Các kỹ thuật truyền thông dữ liệu SCADA 2.4.1. Chủ - tớ (Master – slave) 2.4.1. Chủ - tớ (Master – slave)
Trong chế độ truyền thông chủ - tớ (master – slave), một thiết bị đóng vai trò master điều khiển kênh truyền và định thời. Tất cả các thiết bị khác chỉ có thể truyền tin nếu được trạm chủ khởi tạo và cho phép truyền thông. Các trạm tớ không thể truyền tin với
nhau một cách độc lập mà phải thực hiện gián tiếp thông qua master. Kỹ thuật này có thể được sử dụng trên nhiều cấu trúc mạng khác nhau, và cho phép đặt quyền ưu tiên khi thu thập dữ liệu ở một số hệ thống. Phương pháp này sử dụng tài nguyên truyền thông ở mức tối thiểu, tốc độ truyền tin khá chậm. Một trạm chủ trong hệ SCADA thường khởi tạo truyền thông từ các thiết bị tớ RTU và IED.
Phương pháp chủ - tớ có ưu điểm là việc kết nối mạng ở các trạm tớ đơn giản, đỡ tốn kém bởi hầu hết thao tác xử lý được tập trung tại trạm chủ. Hơn nữa, các trạm chủ thường là thiết bị điều khiển, vì vậy khả năng tích hợp thêm chức năng truyền thông là điều không khó khăn.
Một nhược điểm của phương pháp chủ - tớ là hiệu suất trao đổi thông tin giữa các trạm tớ bị giảm do phải gửi dữ liệu đi qua khâu trung gian là trạm chủ, dẫn đến giảm hiệu suất sử dụng đường truyền.
Một hạn chế nữa là độ tin cậy của hệ thống truyền thông phụ thuộc hoàn toàn vào một trạm chủ duy nhất. Trong trường hợp xảy ra sự cố ở trạm chủ thì toàn bộ hệ thống truyền thông ngừng làm việc.
Với những lý do nêu trên, phương pháp chủ - tớ thường được dùng trong các hệ thống bus cấp thấp (bus trường, bus thiết bị), khi việc trao đổi thông tin chỉ diễn ra giữa thiết bị điều khiển (trạm chủ) với các module vào/ra (trạm tớ).
2.4.2. Peer – to – peer
Ở chế độ hoạt động peer – to – peer, một thiết bị có thể khởi tạo truyền thông với bất kỳ thiết bị nào khác trên mạng; mọi thiết bị đều ngang hàng, tuy vậy một thiết bị quản lý bus có thể được dùng để điều khiển luồng thông tin trên mạng. Trong các hệ thống SCADA, trạm chủ nhận đa số dữ liệu và khởi tạo các lệnh điều khiển, tuy nhiên các thiết bị khác cũng có khả năng khởi tạo truyền thông. Mạng vẫn có thể hoạt động thậm chí khi trạm master gặp sự cố. Cấu trúc hình sao không hỗ trợ chế độ này, bởi vì tất cả các kết nối đều kết thúc ở trạm chủ và không có khả năng truyền thông giữa bản thân các nút. Hiệu suất sử dụng tài nguyên truyền thông tốt hơn, nhưng khi số nút tăng lên, hiệu suất sẽ giảm xuống.
2.4.3. Multi – peer
Kỹ thuật multi – peer cho phép một trạm truyền thông với nhiều trạm khác trong nhóm theo 2 cách: broadcast và multicast. Với broadcast, trạm chủ động sẽ gửi một bản tin tới tất cả các trạm khác trên mạng, không có gói bắt tay. Đối với multicast, trạm chủ động gửi các bản tin tới một nhóm các thiết bị xác định trước, và cũng không có gói bắt tay.
2.5. Truyền thông dữ liệu
Sensor đo tín hiệu từ các thiết bị trường (tín hiệu tương tự và số), qua chuyển đổi ADC và gửi tới RTU/IED. Hệ thống truyền thông SCADA truyền các dữ liệu dưới
Phần này trình bày về truyền thông dữ liệu, trong đó thông tin được trao đổi giữa các thiết bị trường (cần giám sát/điều khiển) với các thiết bị đặt tại trạm biến áp/ trung tâm điều khiển thông qua một số môi trường truyền dẫn tín hiệu.
2.5.1. Các thành phần trong hệ thống truyền thông dữ liệu
1. Bản tin (message): là thông tin được truyền đi, có thể là giá trị đo lường, vị trí các chuyển mạch, âm thanh, hình ảnh, …
2. Nơi gửi (sender): là nơi bản tin được gửi đi: các RTU/IED, máy tính trong TBA, điện thoại, …
3. Nơi nhận (receiver): là nơi bản tin được gửi tới: thiết bị giao diện mạng của trạm chủ, trạm biến áp, …
4. Môi trường (medium): đường dẫn (vật lý) của các bản tin: dây xoắn đôi, cáp đồng trục, cáp quang, …
5. Giao thức (protocol): là tập hợp các quy ước và quy tắc giúp kiểm soát truyền
thông, sự bắt tay giữa các thiết bị truyền thông. Hai thiết bị chỉ có thể giao tiếp được với nhau nếu chúng có cùng một giao thức truyền thông. Một giao thức định nghĩa nội dung truyền thông, truyền như thế nào, vào thời điểm nào.
2.5.2. Truyền dẫn các tín hiệu số
Dữ liệu từ một trạm được truyền tải thông qua một số môi trường truyền dẫn vật lý. Do vậy, trước tiên dữ liệu được chuyển thành các tín hiệu số để truyền dẫn. Quá trình này gọi là mã hóa (encoding). Ở phía nhận, tín hiệu được giải mã (decoded) để thu lại dữ liệu số. Nhìn chung, các tín hiệu số không có tính chu kỳ.
Việc truyền dẫn các tín hiệu số diễn ra theo 2 cách: truyền thông dải cơ sở và truyền thông dải rộng.
a) Truyền thông dải cơ sở
Ở đây, dòng bít nhị phân được truyền dẫn một cách trực tiếp. Phương pháp này thường dùng trong các mạch điện với khoảng cách ngắn, và truyền thông qua đường cáp quang. Trong đó, bit 1 được truyền khi một mức điện áp/ dòng điện được đặt lên kênh truyền, và bit 0 khi không có tín hiệu.
Hiệu quả của phương pháp này có thể thấy ở khả năng của bộ nhận giải mã/ phục hồi các tín hiệu số. Khi sử dụng ở các mạch điện, kỹ thuật này có tích số tốc độ trừ khoảng cách thấp. Vì thế, để tránh làm méo tín hiệu, khoảng cách giữa bộ phát và bộ thu cần được giữ đủ nhỏ, hoặc sử dụng tốc độ truyền dữ liệu thấp hơn. Các bộ lặp hoặc bộ lọc cân bằng có thể được dùng để loại bỏ hiện tượng méo tín hiệu.
b) Truyền thông dải rộng
Ở đây, tín hiệu số được biến đổi thành các tín hiệu tương tự để truyền dẫn sử dụng các kỹ thuật điều chế. Một sóng mang dạng sin được dùng để truyền dẫn tín hiệu số. Thông số về tần số, biên độ, góc pha của sóng mang có thể được thay đổi theo tín hiệu số để tạo thành các dạng điều chế khác nhau. Các dạng điều chế phổ biến là: FSK
(frequency shift key), ASK (amplitude shift key), PSK (phase shift key); QAM
(quadrrature amplitude modulation).
2.5.3. Các chế độ truyền thông
Việc truyền dẫn tín hiệu số có thể thực hiện ở 2 dạng:
Chế độ song song (parallel mode): nhiều bit được gửi cùng lúc trong một xung
đồng hồ sử dụng nhiều kênh truyền song song.
Chế độ nối tiếp (serial mode): một bit được gửi trong một xung đồng hồ, gồm 2
kiểu:
Truyền dẫn đồng bộ (Synchronous transmission).
Truyền dẫn không đồng bộ (Asynchronous transmission).
a) Truyền bit song song
Phương pháp truyền bit song song được sử dụng phổ biến trong các bus nội bộ của máy tính như bus địa chỉ, bus dữ liệu, bus điều khiển. Tốc độ truyền tải phụ thuộc vào số các kênh dẫn, hay cũng chính là độ rộng của bus song song (ví dụ: 8 bit, 16 bit, 32 bit hay 64 bit). Vì nhiều bit được truyền đi đồng thời, vấn đề đồng bộ hóa tại nơi phát và nơi nhận tín hiệu phải được giải quyết. Điều này gây trở ngại lớn khi khoảng cách truyền thông tăng lên. Ngoài ra, giá thành cho các bus song song cũng là một yếu tố dẫn đến phạm vi ứng dụng của phương pháp này chỉ hạn chế ở khoảng cách nhỏ, có yêu cầu rất cao về thời gian và tốc độ truyền.
b) Truyền bit nối tiếp
Với phương pháp truyền bit nối tiếp, từng bit được chuyển đi tuần tự qua một đường truyền duy nhất. Tuy tốc độ bit vì thế bị hạn chế, nhưng cách thực hiện lại đơn giản, độ tin cậy của dữ liệu cao. Tất cả các hệ thống truyền thông SCADA đều sử dụng phương pháp này.
c) Truyền đồng bộ và không đồng bộ
Sự phân biệt giữa chế độ truyền thông đồng bộ và không đồng bộ chỉ liên quan tới phương thức truyền bit nối tiếp. Vấn đề đặt ra ở đây là việc đồng bộ hóa giữa bên gửi và bên nhận dữ liệu, tức là vấn đề làm thế nào để bên nhận biết khi nào một tín hiệu trên đường truyền mang dữ liệu và khi nào không.
Trong chế độ truyền đồng bộ, các đối tác truyền thông làm việc theo cùng một nhịp, tức là cùng tần số và độ lệch pha cố định. Có thể quy định một trạm có vai trò tạo nhịp và dùng một đường dây riêng mang nhịp đồng bộ cho các trạm khác. Biện pháp kinh tế hơn là dùng một phương pháp mã hóa bit thích hợp để bên nhận có thể tái tạo nhịp đồng hồ từ chính tín hiệu mang dữ liệu. nếu phương pháp mã hóa bit không cho phép như vậy thì có thể dùng kỹ thuật đóng gói dữ liệu và bổ sung một dãy bit mang thông tin đồng bộ hóa vào phần đầu mỗi gói dữ liệu. Lưu ý rằng, bên gửi và bên nhận chỉ cần hoạt động đồng bộ trong khi trao đổi dữ liệu.
Với chế độ truyền không đồng bộ, bên gửi và bên nhận không làm việc theo một nhịp chung. Dữ liệu trao đổi thường được chia thành từng nhóm 7 hoặc 8 bit (ký tự). các ký tự được chuyển đi vào những thời điểm không đồng đều, vì vậy cần thêm hai bit để đánh dấu khởi đầu và kết thúc cho mỗi ký tự. Việc đồng bộ hóa được thực hiện
với từng ký tự. Ví dụ, các mạch UART (Universal Asynchronous Receiver/
Transmiter) thông dụng dùng bức điện 11 bit, bao gồm 8 bit ký tự, 2 bit khởi đầu cũng như kết thúc và 1 bit kiểm tra lỗi chẵn lẻ.
2.5.4. Các kỹ thuật phát hiện lỗi
Trong quá trình truyền dẫn, mặc dù đã sử dụng kỹ thuật truyền tín hiệu số nhưng do