Mạng truyền thông công nghiệp I Khoa Điện - Đại học Bách khoa Hà Nội

Mạng truyền thông công nghiệp của Khoa Điện - Đại học Bách khoa Hà Nội, tài liệu gồm 159 trang giúp bạn tham khảo, ôn tập và đạt kết quả cao. Mời bạn đọc đón xem!

Thông tin:
159 trang 5 tháng trước

Bình luận

Vui lòng đăng nhập hoặc đăng ký để gửi bình luận.

Mạng truyền thông công nghiệp I Khoa Điện - Đại học Bách khoa Hà Nội

Mạng truyền thông công nghiệp của Khoa Điện - Đại học Bách khoa Hà Nội, tài liệu gồm 159 trang giúp bạn tham khảo, ôn tập và đạt kết quả cao. Mời bạn đọc đón xem!

89 45 lượt tải Tải xuống
MNG TRUYN THÔNG
CÔNG NGHIP
PGS.TS Hoàng Minh Sơn
B môn Điu khin t động
Khoa Đin - Đại hc Bách khoa Hà Ni
i
MC LC
Chơng 1: M đầu 1
1.1 Mng truyn thông công nghip là gì? 1
1.2 Vai trò ca mng truyn thông công nghip 3
1.3 Phân loi và đặc trng các h thng MCN 4
1.4 Tài liu tham kho 6
Chơng 2: Cơ s k thut 7
2.1 Các khái nim cơ bn 7
2.1.1 Thông tin, d liu và tín hiu 7
2.1.2 Truyn thông, truyn d liu và truyn tín hiu 9
2.2 Chế độ truyn ti 12
2.2.1 Truyn bit song song và truyn bit ni tiếp 12
2.2.2 Truyn đồng b và không đồng b 12
2.2.3 Truyn mt chiu và truyn hai chiu 13
2.2.4 Truyn ti di cơ s, di mang và di rng 14
2.3 Cu trúc mng - Topology 16
2.3.1 Cu trúc bus 16
2.3.2 Cu trúc mch vòng (tích cc) 17
2.3.3 Cu trúc hình sao 19
2.3.4 Cu trúc cây 20
2.4 Truy nhp bus 21
2.4.1 Đặt vn đề 21
2.4.2 Ch/t (Master/Slave) 23
2.4.3 TDMA 24
2.4.4 Token Passing 25
2.4.5 CSMA/CD 26
2.4.6 CSMA/CA 28
2.5 Bo toàn d liu 31
2.5.1 Đặt vn đề 31
2.5.2 Bit chn l (Parity bit) 33
2.5.3 Bit chn l 2 chiu 34
2.5.4 CRC 36
2.5.5 Nhi bit (Bit Stuffing) 38
2.6 Mã hóa bit 40
2.6.1 Các tiêu chun trong mã hóa bit 40
2.6.2 NRZ, RZ 41
2.6.3 Mã Manchester 42
ii
2.6.4 AFP 42
2.6.5 FSK 43
2.7 K thut truyn dn 44
2.7.1 Phơng thc truyn dn tín hiu 45
2.7.2 RS-232 47
2.7.3 RS-422 50
2.7.4 RS-485 51
2.7.5 MBP (IEC 1158-2) 57
2.8 Kiến trúc giao thc 59
2.8.1 Dch v truyn thông 59
2.8.2 Giao thc 59
2.8.3 Mô hình lp 62
2.8.4 Kiến trúc giao thc OSI 63
2.8.5 Kiến trúc giao thc TCP/IP 70
2.9 Tài liu tham kho 73
Chơng 3: Các thành phn h thng mng 74
3.1 Phơng tin truyn dn 74
3.1.1 Đôi dây xon 75
3.1.2 Cáp đồng trc 77
3.1.3 Cáp quang 78
3.1.4 Vô tuyến 80
3.2 Giao din mng 82
3.2.1 Cu trúc giao din mng 82
3.2.2 Ghép ni PLC 84
3.2.3 Ghép ni PC 85
3.2.4 Ghép ni vào/ra phân tán 87
3.2.5 Ghép ni các thiết b trng 88
3.3 Phn mm trong h thng mng 90
3.3.1 Phn mm giao thc 90
3.3.2 Phn mm giao din lp trình ng dng 91
3.4 Thiết b liên kết mng 93
3.4.1 B lp 93
3.4.2 Cu ni 94
3.4.3 Router 95
3.4.4 Gateway 96
3.5 Các linh kin mng khác 98
3.6 Tài liu tham kho 100
Chơng 4: Các h thng bus tiêu biu 101
4.1 PROFIBUS 101
4.1.1 Kiến trúc giao thc 102
iii
4.1.2 Cu trúc mng và k thut truyn dn 103
4.1.3 Truy nhp bus 105
4.1.4 Dch v truyn d liu 105
4.1.5 Cu trúc bc đin 107
4.1.6 PROFIBUS-FMS 109
4.1.7 PROFIBUS-DP 111
4.1.8 PROFIBUS-PA 117
4.1.9 Tài liu tham kho 119
4.2 Modbus 120
4.2.1 Cơ chế giao tiếp 120
4.2.2 Chế độ truyn 122
4.2.3 Cu trúc bc đin 123
4.2.4 Bo toàn d liu 125
4.2.5 Tài liu tham kho 126
4.3 Foundation Fieldbus 127
4.3.1 Kiến trúc giao thc 127
4.3.2 Cu trúc mng và k thut truyn dn 128
4.3.3 Cơ chế giao tiếp 130
4.3.4 Cu trúc bc đin 132
4.3.5 Dch v giao tiếp 132
4.3.6 Khi chc năng ng dng 134
4.3.7 Tài liu tham kho 136
4.4 Ethernet 137
4.4.1 Kiến trúc giao thc 137
4.4.2 Cu trúc mng và k thut truyn dn 138
4.4.3 Cơ chế giao tiếp 140
4.4.4 Cu trúc bc đin 140
4.4.5 Truy nhp bus 141
4.4.6 Hiu sut đng truyn và tính năng thi gian thc 142
4.4.7 Mng LAN 802.3 chuyn mch 142
4.4.8 Fast Ethernet 143
4.4.9 High Speed Ethernet 144
4.4.10 Industrial Ethernet 146
4.4.11 Tài liu tham kho 146
Chơng 5: Thiết kế h thng mng 147
5.1 Thiết kế h thng mng 147
5.1.1 Phân tích yêu cu 147
5.1.2 Các bớc tiến hành 148
5.2 Đánh giá và la chn gii pháp mng 150
5.2.1 Đặc thù ca cp ng dng 150
iv
5.2.2 Đặc thù ca lĩnh vc ng dng 151
5.2.3 Yêu cu k thut chi tiết 152
5.2.4 Yêu cu kinh tế 153
Chương1: M đầu 1
Bài ging: Mng truyn thông công nghip © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Hà Ni
Chng 1: M đầu
1.1 Mng truyn thông công nghip là gì?
Mng truyn thông công nghip hay mng công nghip (MCN) là mt khái nim
chung ch các h thng mng truyn thông s, truyn bit ni tiếp, được s dng để ghép
ni các thiết b công nghip. Các h thng truyn thông công nghip ph biến hin nay
cho phép liên kết mng nhiu mc khác nhau, t các cm biến, cơ cu chp hành dới
cp trng cho đến các máy tính điu khin, thiết b quan sát, máy tính điu khin giám
sát và các máy tính cp điu hành xí nghip, qun lý công ty.
V cơ s k thut, mng công nghip và các h thng mng vin thông có rt nhiu
đim tơng đồng, tuy nhiên cũng có nhng đim khác bit sau:
Mng vin thông có phm vi địa lý và s lợng thành viên tham gia ln hơn rt
nhiu, nên các yêu cu k thut (cu trúc mng, tc độ truyn thông, tính năng
thi gian thc,...) rt khác, cũng nh các phơng pháp truyn thông (truyn ti
di rng/di cơ s, điu biến, dn kênh, chuyn mch,...) thng phc tp hơn
nhiu so vi mng công nghip.
Đối tợng ca mng vin thông bao gm c con ngi và thiết b k thut, trong
đó con ngi đóng vai trò ch yếu. Vì vy các dng thông tin cn trao đổi bao
gm c tiếng nói, hình nh, văn bn và d liu. Đối tợng ca mng công nghip
thun túy là các thiết b công nghip, nên dng thông tin đợc quan tâm duy nht
là d liu. Các k thut và công ngh đợc dùng trong mng vin thông rt
phong phú, trong khi k thut truyn d liu theo chế độ bit ni tiếp là đặc trng
ca mng công nghip.
Mng truyn thông công nghip thc cht là mt dng đặc bit ca mng máy tính,
có th so sánh vi mng máy tính thông thng nhng đim ging nhau và khác nhau
nh sau:
K thut truyn thông s hay truyn d liu là đặc trng chung ca c hai lĩnh
vc.
Trong nhiu trng hp, mng máy tính s dng trong công nghip đợc coi là
mt phn ( các cp điu khin giám sát, điu hành sn xut và qun lý công ty)
trong mô hình phân cp ca mng công nghip.
Yêu cu v tính năng thi gian thc, độ tin cy và kh năng tơng thích trong
môi trng công nghip ca mng truyn thông công nghip cao hơn so vi mt
Chương1: M đầu 2
Bài ging: Mng truyn thông công nghip © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Hà Ni
mng máy tính thông thng, trong khi đó mng máy tính thng đòi hi cao
hơn v độ bo mt.
Mng máy tính có phm vi tri rng rt khác nhau, ví d có th nh nh mng
LAN cho mt nhóm vài máy tính, hoc rt ln nh mng Internet. Trong nhiu
trng hp, mng máy tính gián tiếp s dng dch v truyn d liu ca mng
vin thông. Trong khi đó, cho đến nay các h thng mng công nghip thng có
tính cht độc lp, phm vi hot động tơng đối hp.
S khác nhau trong phm vi và mc đích s dng gia các h thng mng truyn
thông công nghip vi các h thng mng vin thông và mng máy tính dn đến s khác
nhau trong các yêu cu v mt k thut cũng nh kinh tế. Ví d, do yêu cu kết ni
nhiu nn máy tính khác nhau và cho nhiu phm vi ng dng khác nhau, kiến trúc giao
thc ca các mng máy tính ph thông thng phc tp hơn so vi kiến trúc giao thc
các mng công nghip. Đối vi các h thng truyn thông công nghip, đặc bit là các
cp dới thì các yêu cu v tính năng thi gian thc, kh năng thc hin đơn gin, giá
thành h li luôn đợc đặt ra hàng đầu.
Chương1: M đầu 3
Bài ging: Mng truyn thông công nghip © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Hà Ni
1.2 Vai trò ca mng truyn thông công nghip
S dng mng truyn thông công nghip, đặc bit là bus trng để thay thế cách ni
đim-đim c đin gia các thiết b công nghip mang li hàng lot nhng li ích nh
sau:
Đơn gin hóa cu trúc liên kết gia các thiết b công nghip: Mt s lợng ln
các thiết b thuc các chng loi khác nhau đợc ghép ni vi nhau thông qua
mt đng truyn duy nht.
Tiết kim dây ni và công thiết kế, lp đặt h thng: Nh cu trúc đơn gin, vic
thiết kế h thng tr nên d dàng hơn nhiu. Mt s lợng ln cáp truyn đợc
thay thế bng mt đng duy nht, gim chi phí đáng k cho nguyên vt liu và
công lp đặt.
Nâng cao độ tin cy và độ chính xác ca thông tin: Khi dùng phơng pháp truyn
tín hiu tơng t c đin, tác động ca nhiu d làm thay đổi ni dung thông tin
mà các thiết b không có cách nào nhn biết. Nh k thut truyn thông s, không
nhng thông tin truyn đi khó b sai lch hơn, mà các thiết b ni mng còn có
thêm kh năng t phát hin li và chn đoán li nếu có. Hơn thế na, vic b qua
nhiu ln chuyn đổi qua li tơng t-s và s-tơng t nâng cao độ chính xác
ca thông tin.
Nâng cao độ linh hot, tính năng m ca h thng: Mt h thng mng chun hóa
quc tế to điu kin cho vic s dng các thiết b ca nhiu hãng khác nhau.
Vic thay thế thiết b, nâng cp và m rng phm vi chc năng ca h thng cũng
d dàng hơn nhiu. Kh năng tơng tác gia các thành phn (phn cng và phn
mm) đợc nâng cao nh các giao din chun.
Đơn gin hóa/tin li hóa vic tham s hóa, chn đoán, định v li, s c ca các
thiết b : Vi mt đng truyn duy nht, không nhng các thiết b có th trao đổi
d liu quá trình, mà còn có th gi cho nhau các d liu tham s, d liu trng
thái, d liu cnh báo và d liu chn đoán. Các thiết b có th tích hp kh năng
t chn đoán, các trm trong mng cũng có th có kh năng cnh gii ln nhau.
Vic cu hình h thng, lp trình, tham s hóa, chnh định thiết bđa vào vn
hành có th thc hin t xa qua mt trm k thut trung tâm.
M ra nhiu chc năng và kh năng ng dng mi ca h thng: S dng mng
truyn thông công nghip cho phép áp dng các kiến trúc điu khin mi nh
điu khin phân tán, điu khin phân tán vi các thiết b trng, điu khin giám
sát hoc chn đoán li t xa qua Internet, tích hp thông tin ca h thng điu
khin và giám sát vi thông tin điu hành sn xut và qun lý công ty.
Chương1: M đầu 4
Bài ging: Mng truyn thông công nghip © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Hà Ni
1.3 Phân loi và đặc trng các h thng MCN
Để sp xếp, phân loi và phân tích đặc trng các h thng mng truyn thông công
nghip, ta da vào mô hình phân cp quen thuc cho các công ty, xí nghip sn xut,
nh đợc minh ha trên Hình 1.1.
Qu¶n lý c«ng ty
§
iÒu hµnh s¶n xuÊt
§
iÒu khiÓn gi¸m s¸t
§
iÒu khiÓn
M¹ng xÝ nghiÖp
Bus hÖ thèng
Bus qu¸ tr×nh
Bus ®iÒu khiÓn
ChÊp hµnh
Bus trêng
Bus thiÕt bÞ
Bus c¶m biÕn
/
chÊp hµnh
M¹ng c«ng ty
Hình 1.1: Mô hình phân cp chc năng công ty sn xut công nghip
Tơng ng vi năm cp chc năng là bn cp ca h thng truyn thông. T cp
điu khin giám sát tr xung thut ng “bus” thng đợc dùng thay cho “mng”, vi
lý do phn ln các h thng mng phía dới đều có cu trúc vt lý hoc logic kiu bus
(xem phn 2.5).
Bus trờng, bus thit b
Bus trường (fieldbus) thc ra là mt khái nim chung đợc dùng trong các ngành
công nghip chế biến để ch các h thng bus ni tiếp, s dng k thut truyn tin s để
kết ni các thiết b thuc cp điu khin (PC, PLC) vi nhau và vi các thiết b cp
chp hành, hay các thiết b trng. Các chc năng chính ca cp chp hành là đo lng,
truyn động và chuyn đổi tín hiu trong trng hp cn thiết. Các thiết b có kh năng
ni mng là các vào/ra phân tán (distributed I/O), các thiết b đo lng (sensor,
transducer, transmitter) hoc cơ cu chp hành (actuator, valve) có tích hp kh năng
x lý truyn thông. Mt s kiu bus trng ch thích hp ni mng các thiết b cm biến
và cơ cu chp hành vi các b điu khin, cũng đợc gi là bus chp hành/cm biến.
Trong công nghip chế to (t động hóa dây chuyn sn xut, gia công, lp ráp) hoc
mt s lĩnh vc ng dng khác nh t động hóa tòa nhà, sn xut xe hơi, khái nim
bus thiết b li đợc s dng ph biến. Có th nói, bus thiết b và bus trng có chc
năng tơng đơng, nhng do nhng đặc trng riêng bit ca hai ngành công nghip,
nên mt s tính năng cũng khác nhau. Tuy nhiên, s khác nhau này ngày càng tr nên
không rõ rt, khi mà phm vi ng dng ca c hai loi đều đợc m rng và đan chéo
sang nhau. Trong thc tế, ngi ta cũng dùng chung mt khái nim là bus trng.
Chương1: M đầu 5
Bài ging: Mng truyn thông công nghip © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Hà Ni
Do nhim v ca bus trng là chuyn d liu quá trình lên cp điu khin để x
và chuyn quyết định điu khin xung các cơ cu chp hành, vì vy yêu cu v tính
năng thi gian thc đợc đặt lên hàng đầu. Thi gian phn ng tiêu biu nm trong
phm vi t 0,1 ti vài miligiây. Trong khi đó, yêu cu v lợng thông tin trong mt bc
đin thng ch hn chế trong khong mt vài byte, vì vy tc độ truyn thông thng
ch cn phm vi Mbit/s hoc thp hơn. Vic trao đổi thông tin v các biến quá trình
ch yếu mang tính cht định k, tun hoàn, bên cnh các thông tin tham s hóa hoc
cnh báo có tính cht bt thng.
Các h thng bus trng đợc s dng rng rãi nht hin nay là PROFIBUS,
ControlNet, INTERBUS, CAN, WorldFIP, P-NET, Modbus và gn đây phi k ti
Foundation Fieldbus. DeviceNet, AS-i, EIB và Bitbus là mt vài h thng bus cm
biến/chp hành tiêu biu có th nêu ra đây.
Bus h thng, bus điu khin
Các h thng mng công nghip đợc dùng để kết ni các máy tính điu khin và các
máy tính trên cp điu khin giám sát vi nhau đợc gi là bus h thng (system bus)
hay bus quá trình (process bus). Khái nim sau thng ch đợc dùng trong lĩnh vc
điu khin quá trình. Qua bus h thng mà các máy tính điu khin có th phi hp hot
động, cung cp d liu quá trình cho các trm k thut và trm quan sát (có th gián tiếp
thông qua h thng qun lý cơ s d liu trên các trm ch) cũng nh nhn mnh lnh,
tham s điu khin t các trm phía trên. Thông tin không nhng đợc trao đổi theo
chiu dc, mà còn theo chiu ngang. Các trm k thut, trm vn hành và các trm ch
cũng trao đổi d liu qua bus h thng. Ngoài ra các máy in báo cáo và lu tr d liu
cũng có th đợc kết ni qua mng này.
Đối vi bus h thng, tùy theo lĩnh vc ng dng mà đòi hi v tính năng thi gian
thc có đợc đặt ra mt cách ngt nghèo hay không. Thi gian phn ng tiêu biu nm
trong khong mt vài trăm miligiây, trong khi lu lợng thông tin cn trao đổi ln hơn
nhiu so vi bus trng. Tc độ truyn thông tiêu biu ca bus h thng nm trong
phm vi t vài trăm kbit/s đến vài Mbit/s.
Khi bus h thng đợc s dng ch để ghép ni theo chiu ngang gia các máy tính
điu khin, ngi ta thng dùng khái nim bus điu khin. Vai trò ca bus điu khin
là phc v trao đổi d liu thi gian thc gia các trm điu khin trong mt h thng
có cu trúc phân tán. Bus điu khin thông thng có tc độ truyn không cao, nhng
yêu cu v tính năng thi gian thc thng rt kht khe.
Do các yêu cu v tc độ truyn thông và kh năng kết ni d dàng nhiu loi máy
tính, hu hết các kiu bus h thng thông dng đều da trên nn Ethernet, ví d
Industrial Ethernet, Fieldbus Foundation’s High Speed Ethernet (HSE), Ethernet/IP.
Mng xí nghip
Mng xí nghip thc ra là mt mng LAN bình thng, có chc năng kết ni các
máy tính văn phòng thuc cp điu hành sn xut vi cp điu khin giám sát. Thông
tin đợc đa lên trên bao gm trng thái làm vic ca các quá trình k thut, các giàn
máy cũng nh ca h thng điu khin t động, các s liu tính toán, thng kê v din
biến quá trình sn xut và cht lợng sn phm. Thông tin theo chiu ngợc li là các
Chương1: M đầu 6
Bài ging: Mng truyn thông công nghip © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Hà Ni
thông s thiết kế, công thc điu khin và mnh lnh điu hành. Ngoài ra, thông tin
cũng đợc trao đổi mnh theo chiu ngang gia các máy tính thuc cp điu hành sn
xut, ví d h tr kiu làm vic theo nhóm, cng tác trong d án, s dng chung các tài
nguyên ni mng (máy in, máy ch,...).
Khác vi các h thng bus cp dới, mng xí nghip không yêu cu nghiêm ngt v
tính năng thi gian thc. Vic trao đổi d liu thng din ra không định k, nhng có
khi vi s lợng ln ti hàng Mbyte. Hai loi mng đợc dùng ph biến cho mc đích
này là Ethernet và Token-Ring, trên cơ s các giao thc chun nh TCP/IP và
IPX/SPX.
Mng công ty
Mng công ty nm trên cùng trong mô hình phân cp h thng truyn thông ca mt
công ty sn xut công nghip. Đặc trng ca mng công ty gn vi mt mng vin
thông hoc mt mng máy tính din rng nhiu hơn trên các phơng din phm vi và
hình thc dch v, phơng pháp truyn thông và các yêu cu v k thut. Chc năng ca
mng công ty là kết ni các máy tính văn phòng ca các xí nghip, cung cp các dch v
trao đổi thông tin ni b và vi các khách hàng nh th vin đin t, th đin t, hi
tho t xa qua đin thoi, hình nh, cung cp dch v truy cp Internet và thơng mi
đin t, v.v... Hình thc t chc ghép ni mng, cũng nh các công ngh đợc áp dng
rt đa dng, tùy thuc vào đầu t ca công ty. Trong nhiu trng hp, mng công ty và
mng xí nghip đợc thc hin bng mt h thng mng duy nht v mt vt lý, nhng
chia thành nhiu phm vi và nhóm mng làm vic riêng bit.
Mng công ty có vai trò nh mt đng cao tc trong h thng h tng cơ s truyn
thông ca mt công ty, vì vy đòi hi v tc độ truyn thông và độ an toàn, tin cy đặc
bit cao. Fast Ethernet, FDDI, ATM là mt vài ví d công ngh tiên tiến đợc áp dng
đây trong hin ti và tơng lai.
1.4 Tài liu tham kho
[1] Hoàng Minh Sơn: Mng truyn thông công nghip. Tái bn ln 2, Nhà xut bn KH&KT,
Hà Ni, 2004.
2.2 Chế độ truyn ti 7
Bài ging: Mng truyn thông công nghip © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Hà Ni
Chng 2: C s k thut
2.1 Các khái nim c bn
2.1.1 Thông tin, d liu và tín hiu
Thông tin
Thông tin là mt trong nhng khái nim cơ s quan trng nht trong khoa hc k
thut, cũng ging nh vt cht và năng lợng. Các đầu vào cũng nh các đầu ra ca mt
h thng k thut ch có th là vt cht, năng lợng hoc thông tin, nh mô t trên Hình
2.1. Mt h thng x lý thông tin hoc mt h thng truyn thông là mt h thng k
thut ch quan tâm ti các đầu vào và đầu ra là thông tin. Tuy nhiên, đa s các h thng
k thut khác thng có các đầu vào và đầu ra hn hp (vt cht, năng lợng và thông
tin).
Hình 2.1: Vai trò ca thông tin trong các h thng k thut
Thông tin là thớc đo mc nhn thc, s hiu biết v mt vn đề, mt s kin hoc
mt h thng. Ví d, mt thông tin cho chúng ta biết mt cách chính xác hay tơng đối
v nhit độ ngoài tri hay mc nớc trong b cha. Thông tin giúp chúng ta phân bit
gia các mt ca mt vn đề, gia các trng thái ca mt s vt. Nói mt cách khác,
thông tin chính là s loi tr tính bt định. Trong khi vt cht và năng lợng là nn tng
ca vt lý và hoá hc, thì thông tin chính là ch th ca tin hc và công ngh thông tin.
D liu
Thông tin là mt đại lợng khá tru tợng, vì vy cn đợc biu din dới mt hình
thc khác. Kh năng biu din thông tin rt đa dng, ví d qua ch viết, hình nh, c
ch, v.v... Dng biu din thông tin ph thuc vào mc đích, tính cht ca ng dng.
Đặc bit, thông tin có th đợc mô t, hay nói cách khác là đợc “s lợng hoá” bng
d liu để có th lu tr và x lý trong máy tính. Trong trng hp đó, ta cũng nói rng
thông tin đợc s hoá s dng h đếm nh phân, hay mã hóa nh phân. Nói trong ng
cnh cu trúc mt bc đin, d liu chính là phn thông tin hu ích đợc biu din bng
dãy các bit {1,0}.
H THNG K THUT
vt cht
năng lượng
thông tin
vt cht
năng lượng
thông tin
2.2 Chế độ truyn ti 8
Bài ging: Mng truyn thông công nghip © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Hà Ni
Tín hiu
Vic trao đổi thông tin (gia ngi và ngi, gia ngi và máy) hay d liu (gia
máy và máy) ch có th thc hin đợc nh tín hiu. Có th định nghĩa, tín hiu là din
biến ca mt đại lợng vt lý cha đựng tham s thông tin/d liu và có th truyn dn
đợc. Theo quan đim toán hc thì tín hiu đợc coi là mt hàm ca thi gian. Trong
các lĩnh vc k thut, các loi tín hiu thng dùng là đin, quang, khí nén, thy lc và
âm thanh.
Các tham s sau đây thng đợc dùng trc tiếp, gián tiếp hay kết hp để biu th
ni dung thông tin:
Biên độ (đin áp, dòng,...)
Tn s, nhp xung, độ rng ca xung, sn xung
Pha, v trí xung
Không phân bit tính cht vt lý ca tín hiu (đin, quang, khí nén,...), ta có th phân
loi tín hiu da theo tp hp giá tr ca tham s thông tin hoc da theo din biến thi
gian thành nhng dng sau:
Tương t: Tham s thông tin có th có mt giá tr bt k trong mt khong nào
đó
Ri rc: Tham s thông tin ch có th có mt s giá tr (ri rc) nht định.
Liên tc: Tín hiu có ý nghĩa ti bt k thi đim nào trong mt khong thi gian
quan tâm. Nói theo ngôn ng toán hc, mt tín hiu liên tc là mt hàm liên tc
ca biến thi gian trong mt khong xác định.
Gián đon: Tín hiu ch có ý nghĩa ti nhng thi đim nht định.
y
t
D¹ng tÝn hiÖu: t¬ng tù, liªn tôc
Tham sè th«ng tin: Biªn ®é
D¹ng tÝn hiÖu: t¬ng tù, gi¸n ®o¹n
Tham sè th«ng tin: Biªn ®é xung
D¹ng tÝn hiÖu: rêi r¹c, liªn tôc
Tham sè th«ng tin: Biªn ®é
D¹ng tÝn hiÖu: rêi r¹c (sè), gi¸n ®o¹n
Tham sè th«ng tin: TÇn sè xung
y
t
y
y
t t
a) b)
c) d)
Hình 2.2: Mt s dng tín hiu thông dng
2.2 Chế độ truyn ti 9
Bài ging: Mng truyn thông công nghip © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Hà Ni
Khi các giá tr tham s thông tin ca mt tín hiu đợc biu din bng mã nh phân,
thì dng tín hiu đặc bit này đợc gi là tín hiu s. Nói mt cách khác, tín hiu s
dùng để truyn ti thông tin đã đợc d liu hóa. Vi tín hiu s, ta ch cn phân bit
gia hai trng thái ca tín hiu ng vi các bit 0 và 1, vì vy s hn chế đợc mt cách
hiu qu s sai lch thông tin bi s tác động ca nhiu.
2.1.2 Truyn thông, truyn d liu và truyn tín hiu
Mã hóa/Gii mã
Hình 2.3 minh ha nguyên tc cơ bn ca truyn thông. Thông tin cn trao đổi gia
các đối tác đợc mã hóa trớc khi đợc mt h thng truyn dn tín hiu chuyn ti
phía bên kia. Trong thut ng truyn thông, mã hóa ch quá trình biến đổi ngun thông
tin (d liu) cn trao đổi sang mt chui tín hiu thích hp để truyn dn. Quá trình này
ít nht thng bao gm hai bớc: mã hóa ngunmã hóa đường truyn.
Trong quá trình mã hóa ngun, d liu mang thông tin thc dng hay d liu ngun
đợc b sung các thông tin ph tr cn thiết cho vic truyn dn, ví d địa ch bên gi
và bên nhn, kiu d liu, thông tin kim li, v.v... D liu trớc khi gi đi cũng có th
đợc phân chia thành nhiu gói d liu bc đin để phù hp vi phơng pháp truyn,
nén li để tăng hiu sut đng truyn, hoc mã hóa bo mt. Nh vy, lợng thông tin
cha đựng trong mt tín hiu s nhiu hơn lợng thông tin thc dng cn truyn ti.
Sau khi đã đợc mã hóa ngun, mã hóa đường truyn là quá trình to tín hiu tơng
ng vi các bit trong gói d liu hay bc đin theo mt phơng pháp nht định để phù
hp vi đng truyn và k thut truyn. Hình 2.4 minh ha mt ví d mã hóa đng
truyn đơn gin, các bit 0 đợc th hin bng mc đin áp cao và các bit 1 bng mc
đin áp thp.
M· hãa
/
Gi¶i m·
HÖ thèng truyÒn dÉn tÝn hiÖu
§
èi t¸c
truyÒn th«ng
§
èi t¸c
truyÒn th«ng
M·hãa/
Gi¶i m·
Hình 2.3: Nguyên tc cơ bn ca truyn thông
Trong truyn thông công nghip, mã hóa đng truyn đồng nghĩa vi mã hóa bit,
bi tín hiu do khâu mã hóa tng bit to ra cũng chính là tín hiu đợc truyn dn. Đối
vi các h thng truyn thông khác, quá trình mã hóa đng truyn có th bao hàm vic
điu biến tín hiu và dn kênh, cho phép truyn cùng mt lúc nhiu ngun thông tin và
truyn tc độ cao. Vic dn kênh có th thc hin theo phơng pháp phân chia tn s,
phân chia thi gian hoc phân chia mã.
2.2 Chế độ truyn ti 10
Bài ging: Mng truyn thông công nghip © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Hà Ni
0 1 1 0 0101
Hình 2.4:d mã hóa bít
Quá trình ngợc li vi mã hóa là gii mã, tc là chuyn đổi các tín hiu nhn đợc
thành dãy bit tơng ng và sau đó x lý, loi b các thông tin b sung để tái to thông
tin ngun.
Tc đ truyn và tc đ bit
Tc độ truyn hay tc độ bit đợc tính bng s bit d liu đợc truyn đi trong mt
giây, tính bng bit/s hoc bps ( bit per second). Nếu tn s nhp đợc ký hiu là f và s
bit truyn đi trong mt nhp là n, s bit đợc truyn đi trong mt giây sv = f*n. Nh
vy, có hai cách để tăng tc độ truyn ti là tăng tn s nhp hoc tăng s bit truyn đi
trong mt nhp. Nếu mi nhp ch có mt bit duy nht đợc chuyn đi thì v = f. Nh vy,
ch đối vi các phơng pháp mã hóa bit s dng hai trng tín hiu, và trng thái tín hiu
thay đổi luân phiên sau mi nhp thì tc độ bit mi tơng đơng vi tc độ baud, hay
1Baud tơng đơng vi 1bit/s.
Thi gian bit/Chu k bit
Trong vic phân tích, đánh giá tính năng thi gian ca mt h thng truyn thông thì
thi gian bit là mt giá tr hay đợc dùng. Thi gian bit hay chu k bit đợc định nghĩa
là thi gian trung bình cn thiết để chuyn mt bit, hay chính bng giá tr nghch đảo
ca tc độ truyn ti:
T
B
= 1/v
T
B
= 1/f, trng hp n = 1
Thi gian lan truyn tín hiu
Thi gian lan truyn tín hiu là thi gian cn để mt tín hiu phát ra t mt đầu dây
lan truyn ti đầu dây khác, ph thuc vào chiu dài và cu to dây dn. Tc độ lan
truyn tín hiu chính là tc độ truyn sóng đin t. Tuy nhiên, trong môi trng kim
loi hoc si quang hc, giá tr này s nh hơn tc độ truyn sóng đin t hay tc độ
ánh sáng trong môi trng chân không. Ta có:
T
S
= l/(k*c), vi
T
S
là thi gian lan truyn tín hiu,
lchiu dài dây dn,
ctc độ ánh sáng trong chân không (300.000.000m/s) và
k biu th h s gim tc độ truyn, đợc tính theo công thc:
1
k
ε
=
, vi
ε
là hng s đin môi ca lp cách ly
2.2 Chế độ truyn ti 11
Bài ging: Mng truyn thông công nghip © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Hà Ni
Đối vi các loi cáp có lp bc cách ly là Polyethylen vi hng s đin môi
ε
= 2.3,
ta có h s k 0.67. H s này cũng đúng vi môi trng truyn là cáp quang và thng
đợc dùng mt cách tng quát để tính toán giá tr tơng đối ca thi gian lan truyn tín
hiu trong nhiu phép đánh giá. Nh vy T
S
s ch còn ph thuc vào chiu dài dây dn:
T
S
(giây) = l (mét)/200.000.000
2.2 Chế độ truyn ti 12
Bài ging: Mng truyn thông công nghip © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Hà Ni
2.2 Ch đ truyn ti
Chế độ truyn ti đợc hiu là phơng thc các bit d liu đợc chuyn gia các đối
tác truyn thông. Nhìn nhn t các góc độ khác nhau ta có th phân bit các chế độ
truyn ti nh sau:
Truyn bit song song hoc truyn bit ni tiếp
Truyn đồng b hoc không đồng b
Truyn mt chiu hay đơn công (simplex), hai chiu toàn phn, hai chiu đồng
thi hay song công (duplex, full-duplex) hoc hai chiu gián đon hay bán song
công (half-duplex)
Truyn ti di cơ s, truyn ti di mang và truyn ti di rng.
2.2.1 Truyn bit song song và truyn bit ni tip
Phơng pháp truyn bit song song (Hình 2.5a) đợc dùng ph biến trong các bus ni
b ca máy tính nh bus địa ch, bus d liu và bus điu khin. Tc độ truyn ti ph
thuc vào s các kênh dn, hay cũng chính là độ rng ca mt bus song song, ví d 8
bit, 16 bit, 32 bit hay 64 bit. Chính vì nhiu bit đợc truyn đi đồng thi, vn đề đồng
b hóa ti nơi phát và nơi nhn tín hiu phi đợc gii quyết. Điu này gây tr ngi ln
khi khong cách gia các đối tác truyn thông tăng lên. Ngoài ra, giá thành cho các bus
song song cũng là mt yếu t dn đến phm vi ng dng ca phơng pháp truyn này
ch hn chế khong cách nh, có yêu cu rt cao v thi gian và tc độ truyn.
1
10010101
0
0
1
0
1
0
1
(a) TruyÒn bit song song (b) TruyÒn bit nèi tiÕp
Hình 2.5: Truyn bit song song (a) và truyn bit ni tiếp (b)
Vi phơng pháp truyn bi ni tiếp, tng bit đợc chuyn đi mt cách tun t qua
mt đng truyn duy nht (Hình 2.5b). Tuy tc độ bit vì thế b hn chế, nhng cách
thc hin li đơn gin, độ tin cy ca d liu cao. Tt c các mng truyn thông công
nghip đều s dng phơng pháp truyn này.
2.2.2 Truyn đng b và không đng b
S phân bit gia chế độ truyn đồng b và không đồng b ch liên quan ti phơng
thc truyn bit ni tiếp. Vn đề đặt ra đây là vic đồng b hóa gia bên gi và bên
2.2 Chế độ truyn ti 13
Bài ging: Mng truyn thông công nghip © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Hà Ni
nhn d liu, tc là vn đề làm thế nào để bên nhn biết khi nào mt tín hiu trên đng
truyn mang d liu gi và khi nào không.
Trong chế độ truyn đồng b, các đối tác truyn thông làm vic theo cùng mt nhp,
tc vi cùng tn sđộ lch pha c định. Có th qui định mt trm có vai trò to nhp
và dùng mt đng dây riêng mang nhp đồng b cho các trm khác. Bin pháp kinh tế
hơn là dùng mt phơng pháp mã hóa bit thích hp để bên nhn có thi to nhp đồng
b t chính tín hiu mang d liu. Nếu phơng pháp mã hóa bit không cho phép nh
vy, thì có th dùng k thut đóng gói d liu và b sung mt dãy bit mang thông tin
đồng b hóa vào phn đầu mi gói d liu. Lu ý rng, bên gi và bên nhn ch cn
hot động đồng b trong khi trao đổi d liu.
Vi chế độ truyn không đồng b, bên gi và bên nhn không làm vic theo mt
nhp chung. D liu trao đổi thng đợc chia thành tng nhóm 7 hoc 8 bit, gi là ký
t. Các ký t đợc chuyn đi vào nhng thi đim không đồng đều, vì vy cn thêm hai
bit để đánh du khi đầu và kết thúc cho mi ký t. Vic đồng b hóa đợc thc hin
vi tng ký t. Ví d, các mch UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmiter)
thông dng dùng bc đin 11 bit, bao gm 8 bit ký t, 2 bit khi đầu cũng nh kết thúc
và 1 bit kim tra li chn l.
2.2.3 Truyn mt chiu và truyn hai chiu
Tơng t nh các đng giao thông, mt đng truyn d liu có kh năng hoc làm
vic dới chế độ mt chiu, hai chiu toàn phn hoc hai chiu gián đon, nh Hình 2.6
minh ha. Chế độ truyn này ít ph thuc vào tính cht vt lý ca môi trng truyn
dn, mà ph thuc vào phơng pháp truyn dn tín hiu, chun truyn dn (RS-232,
RS-422, RS-485, ...) và vào cu hình ca h thng truyn dn.
Trong chế độ truyn mt chiu, thông tin ch đợc chuyn đi theo mt chiu, mt
trm ch có th đóng vai trò hoc bên phát (transmitter) hoc bên nhn thông tin
(receiver) trong sut quá trình giao tiếp. Có th nêu mt vài ví d trong k thut máy
tính s dng chế độ truyn này nh giao din gia bàn phím, chut hoc màn hình vi
máy tính. Các h thng phát thanh và truyn hình cũng là nhng ví d tiêu biu. Hin
nhiên, chế độ truyn mt chiu hu nh không có vai trò đối vi mng công nghip.
Chế độ truyn hai chiu gián đon cho phép mi trm có th tham gia gi hoc nhn
thông tin, nhng không cùng mt lúc. Nh vy thông tin đợc trao đổi theo c hai chiu
luân phiên trên cùng mt đng truyn vt lý. Mt u đim ca chế độ này là không đòi
hi cu hình h thng phc tp lm, trong khi có th đạt đợc tc độ truyn tơng đối
cao. Chế độ truyn này đợc s dng ph biến trong mng công nghip, ví d vi chun
RS-485.
2.2 Chế độ truyn ti 14
Bài ging: Mng truyn thông công nghip © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Hà Ni
Bé ph¸t
Bé thu
10110101
Bé thu ph¸t
Bé thu ph¸t
10110101
Bé thu ph¸t
Bé thu ph¸t
10110101
10101010
a) Simplex
b) Hal
f
-duplex
c) Duplex
Hình 2.6: Truyn simplex, half-duplex và duplex
Vi chế độ truyn hai chiu toàn phn mi trm đều có th gi và nhn thông tin
cùng mt lúc. Thc cht, chế độ này ch khác vi chế độ hai chiu gián đon ch phi
s dng hai đng truyn riêng bit cho thu và phát, tc là khác cu hình h thng
truyn thông. D dàng nhn thy, chế độ truyn hai chiu toàn phn ch thích hp vi
kiu liên kết đim-đim, hay nói cách khác là phù hp vi cu trúc mch vòng và cu
trúc hình sao.
2.2.4 Truyn ti di c s, di mang và di rng
Truyn ti di c s
Mt tín hiu mang mt ngun thông tin có th biu din bng tng ca nhiu dao
động có tn s khác nhau nm trong mt phm vi hp, đợc gi là di tn cơ s hay di
hp. Tín hiu đợc truyn đi cũng chính là tín hiu đợc to ra sau khi mã hóa bit, nên
có tn s c định hoc nm trong mt khong hp nào đó, tùy thuc vào phơng pháp
mã hóa bit. Ví d có th qui định mc tín hiu cao ng vi bit 0 và mc tín hiu thp
ng vi bit 1. Tn s ca tín hiu thng nh hơn, hoc cùng lm là tơng đơng vi
tn s nhp bus. Tuy nhiên, trong mt nhp (có th tơng đơng hoc không tơng
đơng vi chu k ca tín hiu), ch có th truyn đi mt bit duy nht. Có nghĩa là,
đng truyn ch có th mang mt kênh thông tin duy nht, mi thành viên trong mng
phi phân chia thi gian để s dng đng truyn. Tc độ truyn ti vì thế tuy có b hn
chế, nhng phơng pháp này d thc hin và tin cy, đợc dùng ch yếu trong các h
thng mng truyn thông công nghip.
Truyn ti di mang
Trong mt s trng hp, di tn cơ s không tơng thích trong môi trng làm
vic. Ví d, tín hiu có các tn s này có th bc x nhiu nh hng ti hot động ca
các thiết b đin t khác, hoc ngợc li, b các thiết b khác gây nhiu. Để khc phc
tình trng này, ngi ta s mt tín hiu khác - gi là tín hiu mang, có tn s nm trong
mt di tn thích hp - gi là di mang. Di tn này thng ln hơn nhiu so vi tn s
nhp. D liu cn truyn ti s dùng để điu chế tn s, biên độ hoc pha ca tín hiu
2.2 Chế độ truyn ti 15
Bài ging: Mng truyn thông công nghip © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Hà Ni
mang. Bên nhn s thc hin quá trình gii điu chế để hi phc thông tin ngun. Khác
vi truyn ti di rng nêu dới đây, phơng thc truyn ti di mang ch áp dng cho
mt kênh truyn tin duy nht, gin nh truyn ti di cơ s.
Truyn ti di rng
Mt tín hiu có th cha đựng nhiu ngun thông tin khác nhau bng cách s dng
kết hp mt cách thông minh nhiu thông s thông tin. Ví d mt tín hiu phc tp có
th là tng hp bng phơng pháp xếp chng t nhiu tín hiu thành phn có tn s
khác nhau mang các ngun thông tin khác nhau.
Sau khi nhiu ngun thông tin khác nhau đã đợc mã hoá bit, mi tín hiu đợc to
ra s dùng để điu biến mt tín hiu khác, thng có tn s ln hơn nhiu, gi là tín
hiu mang. Các tín hiu mang đã đợc điu biến có tn s khác nhau, nên có th pha
trn, xếp chng thành mt tín hiu duy nht có ph tn tri rng. Tín hiu này cui cùng
li đợc dùng để điu biến mt tín hiu mang khác. Tín hiu thu đợc t khâu này mi
đợc truyn đi. Đây chính là k thut dn kênh phân tn trong truyn ti thông tin,
nhm mc đích s dng hiu qu hơn đng truyn. Phía bên nhn s thc hin vic
gii điu biến và phân kênh, hi phc các tín hiu mang các ngun thông tin khác nhau.
Phơng thc truyn ti di rng và k thut dn kênh đợc dùng rng rãi trong các
mng vin thông bi tc độ cao và kh năng truyn song song nhiu ngun thông tin.
Tuy nhiên, vì đặc đim phm vi mng, lý do giá thành thc hin và tính năng thi gian,
truyn ti băng rng cũng nh k thut dn kênh hu nh không đóng vai trò gì trong
các h thng truyn thông công nghip.
| 1/159

Preview text:

M NG TRUY N THÔNG CÔNG NGHI P PGS.TS Hoàng Minh Sơn
Bộ môn Điều khiển tự động
Khoa Điện - Đại học Bách khoa Hà Nội i M C L C Ch ơng 1: M đầu 1
1.1 Mạng truyền thông công nghiệp là gì? 1
1.2 Vai trò của mạng truyền thông công nghiệp 3 1.3 Phân
loại và đặc tr ng các hệ thống MCN 4 1.4 Tài liệu tham khảo 6
Ch ơng 2: Cơ s kỹ thuật 7
2.1 Các khái niệm cơ bản 7 2.1.1
Thông tin, dữ liệu và tín hiệu 7
2.1.2 Truyền thông, truyền dữ liệu và truyền tín hiệu 9
2.2 Chế độ truyền tải 12
2.2.1 Truyền bit song song và truyền bit nối tiếp 12
2.2.2 Truyền đồng bộ và không đồng bộ 12
2.2.3 Truyền một chiều và truyền hai chiều 13
2.2.4 Truyền tải dải cơ s , dải mang và dải rộng 14
2.3 Cấu trúc mạng - Topology 16 2.3.1 Cấu trúc bus 16
2.3.2 Cấu trúc mạch vòng (tích cực) 17 2.3.3 Cấu trúc hình sao 19 2.3.4 Cấu trúc cây 20 2.4 Truy nhập bus 21 2.4.1 Đặt vấn đề 21
2.4.2 Chủ/tớ (Master/Slave) 23 2.4.3 TDMA 24 2.4.4 Token Passing 25 2.4.5 CSMA/CD 26 2.4.6 CSMA/CA 28
2.5 Bảo toàn dữ liệu 31 2.5.1 Đặt vấn đề 31 2.5.2 Bit chẵn lẻ (Parity bit) 33 2.5.3 Bit chẵn lẻ 2 chiều 34 2.5.4 CRC 36
2.5.5 Nhồi bit (Bit Stuffing) 38 2.6 Mã hóa bit 40 2.6.1
Các tiêu chuẩn trong mã hóa bit 40 2.6.2 NRZ, RZ 41 2.6.3 Mã Manchester 42 ii 2.6.4 AFP 42 2.6.5 FSK 43
2.7 Kỹ thuật truyền dẫn 44
2.7.1 Ph ơng thức truyền dẫn tín hiệu 45 2.7.2 RS-232 47 2.7.3 RS-422 50 2.7.4 RS-485 51 2.7.5 MBP (IEC 1158-2) 57
2.8 Kiến trúc giao thức 59
2.8.1 Dịch vụ truyền thông 59 2.8.2 Giao thức 59 2.8.3 Mô hình lớp 62
2.8.4 Kiến trúc giao thức OSI 63
2.8.5 Kiến trúc giao thức TCP/IP 70 2.9 Tài liệu tham khảo 73
Ch ơng 3: Các thành phần hệ thống mạng 74
3.1 Ph ơng tiện truyền dẫn 74 3.1.1 Đôi dây xoắn 75 3.1.2 Cáp đồng trục 77 3.1.3 Cáp quang 78 3.1.4 Vô tuyến 80 3.2 Giao diện mạng 82
3.2.1 Cấu trúc giao diện mạng 82 3.2.2 Ghép nối PLC 84 3.2.3 Ghép nối PC 85 3.2.4 Ghép nối vào/ra phân tán 87 3.2.5 Ghép nối các thiết bị tr ng 88
3.3 Phần mềm trong hệ thống mạng 90
3.3.1 Phần mềm giao thức 90
3.3.2 Phần mềm giao diện lập trình ứng dụng 91
3.4 Thiết bị liên kết mạng 93 3.4.1 Bộ lặp 93 3.4.2 Cầu nối 94 3.4.3 Router 95 3.4.4 Gateway 96
3.5 Các linh kiện mạng khác 98 3.6 Tài liệu tham khảo 100
Ch ơng 4: Các hệ thống bus tiêu biểu 101 4.1 PROFIBUS 101
4.1.1 Kiến trúc giao thức 102 iii
4.1.2 Cấu trúc mạng và kỹ thuật truyền dẫn 103 4.1.3 Truy nhập bus 105
4.1.4 Dịch vụ truyền dữ liệu 105
4.1.5 Cấu trúc bức điện 107 4.1.6 PROFIBUS-FMS 109 4.1.7 PROFIBUS-DP 111 4.1.8 PROFIBUS-PA 117 4.1.9 Tài liệu tham khảo 119 4.2 Modbus 120
4.2.1 Cơ chế giao tiếp 120
4.2.2 Chế độ truyền 122
4.2.3 Cấu trúc bức điện 123
4.2.4 Bảo toàn dữ liệu 125 4.2.5 Tài liệu tham khảo 126 4.3 Foundation Fieldbus 127
4.3.1 Kiến trúc giao thức 127
4.3.2 Cấu trúc mạng và kỹ thuật truyền dẫn 128
4.3.3 Cơ chế giao tiếp 130
4.3.4 Cấu trúc bức điện 132
4.3.5 Dịch vụ giao tiếp 132
4.3.6 Khối chức năng ứng dụng 134 4.3.7 Tài liệu tham khảo 136 4.4 Ethernet 137
4.4.1 Kiến trúc giao thức 137
4.4.2 Cấu trúc mạng và kỹ thuật truyền dẫn 138
4.4.3 Cơ chế giao tiếp 140
4.4.4 Cấu trúc bức điện 140 4.4.5 Truy nhập bus 141 4.4.6 Hiệu suất đ
ng truyền và tính năng th i gian thực 142
4.4.7 Mạng LAN 802.3 chuyển mạch 142 4.4.8 Fast Ethernet 143 4.4.9 High Speed Ethernet 144 4.4.10 Industrial Ethernet 146 4.4.11 Tài liệu tham khảo 146
Ch ơng 5: Thiết kế hệ thống mạng 147
5.1 Thiết kế hệ thống mạng 147 5.1.1 Phân tích yêu cầu 147 5.1.2 Các b ớc tiến hành 148
5.2 Đánh giá và lựa chọn giải pháp mạng 150 5.2.1
Đặc thù của cấp ứng dụng 150 iv 5.2.2
Đặc thù của lĩnh vực ứng dụng 151 5.2.3 Yêu
cầu kỹ thuật chi tiết 152 5.2.4 Yêu cầu kinh tế 153
Chương1: Mở đầu 1 Ch ng 1: Mở đầu
1.1 M ng truy n thông công nghi p là gì?
Mạng truyền thông công nghiệp hay mạng công nghiệp (MCN) là một khái niệm
chung chỉ các hệ thống mạng truyền thông số, truyền bit nối tiếp, được sử dụng để ghép
nối các thiết bị công nghiệp
. Các hệ thống truyền thông công nghiệp phổ biến hiện nay
cho phép liên kết mạng nhiều mức khác nhau, từ các cảm biến, cơ cấu chấp hành d ới cấp tr
ng cho đến các máy tính điều khiển, thiết bị quan sát, máy tính điều khiển giám
sát và các máy tính cấp điều hành xí nghiệp, quản lý công ty.
Về cơ s kỹ thuật, mạng công nghiệp và các hệ thống mạng viễn thông có rất nhiều
điểm t ơng đồng, tuy nhiên cũng có những điểm khác biệt sau:
• Mạng viễn thông có phạm vi địa lý và số l ợng thành viên tham gia lớn hơn rất
nhiều, nên các yêu cầu kỹ thuật (cấu trúc mạng, tốc độ truyền thông, tính năng
th i gian thực,...) rất khác, cũng nh các ph ơng pháp truyền thông (truyền tải
dải rộng/dải cơ s , điều biến, dồn kênh, chuyển mạch,...) th ng phức tạp hơn
nhiều so với mạng công nghiệp.
• Đối t ợng của mạng viễn thông bao gồm cả con ng i và thiết bị kỹ thuật, trong
đó con ng i đóng vai trò chủ yếu. Vì vậy các dạng thông tin cần trao đổi bao
gồm cả tiếng nói, hình ảnh, văn bản và dữ liệu. Đối t ợng của mạng công nghiệp
thuần túy là các thiết bị công nghiệp, nên dạng thông tin đ ợc quan tâm duy nhất
là dữ liệu. Các kỹ thuật và công nghệ đ ợc dùng trong mạng viễn thông rất
phong phú, trong khi kỹ thuật truyền dữ liệu theo chế độ bit nối tiếp là đặc tr ng của mạng công nghiệp.
Mạng truyền thông công nghiệp thực chất là một dạng đặc biệt của mạng máy tính,
có thể so sánh với mạng máy tính thông th
ng những điểm giống nhau và khác nhau nh sau:
• Kỹ thuật truyền thông số hay truyền dữ liệu là đặc tr ng chung của cả hai lĩnh vực.
• Trong nhiều tr ng hợp, mạng máy tính sử dụng trong công nghiệp đ ợc coi là
một phần ( các cấp điều khiển giám sát, điều hành sản xuất và quản lý công ty)
trong mô hình phân cấp của mạng công nghiệp.
• Yêu cầu về tính năng th i gian thực, độ tin cậy và khả năng t ơng thích trong môi tr
ng công nghiệp của mạng truyền thông công nghiệp cao hơn so với một
Bài giảng: Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội
Chương1: Mở đầu 2 mạng máy tính thông th
ng, trong khi đó mạng máy tính th ng đòi hỏi cao hơn về độ bảo mật.
• Mạng máy tính có phạm vi trải rộng rất khác nhau, ví dụ có thể nhỏ nh mạng
LAN cho một nhóm vài máy tính, hoặc rất lớn nh mạng Internet. Trong nhiều tr
ng hợp, mạng máy tính gián tiếp sử dụng dịch vụ truyền dữ liệu của mạng
viễn thông. Trong khi đó, cho đến nay các hệ thống mạng công nghiệp th ng có
tính chất độc lập, phạm vi hoạt động t ơng đối hẹp.
Sự khác nhau trong phạm vi và mục đích sử dụng giữa các hệ thống mạng truyền
thông công nghiệp với các hệ thống mạng viễn thông và mạng máy tính dẫn đến sự khác
nhau trong các yêu cầu về mặt kỹ thuật cũng nh kinh tế. Ví dụ, do yêu cầu kết nối
nhiều nền máy tính khác nhau và cho nhiều phạm vi ứng dụng khác nhau, kiến trúc giao
thức của các mạng máy tính phổ thông th
ng phức tạp hơn so với kiến trúc giao thức
các mạng công nghiệp. Đối với các hệ thống truyền thông công nghiệp, đặc biệt là các
cấp d ới thì các yêu cầu về tính năng th i gian thực, khả năng thực hiện đơn giản, giá
thành hạ lại luôn đ ợc đặt ra hàng đầu.
Bài giảng: Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội
Chương1: Mở đầu 3
1.2 Vai trò của m ng truy n thông công nghi p
Sử dụng mạng truyền thông công nghiệp, đặc biệt là bus tr
ng để thay thế cách nối
điểm-điểm cổ điển giữa các thiết bị công nghiệp mang lại hàng loạt những lợi ích nh sau:
• Đơn giản hóa cấu trúc liên kết giữa các thiết bị công nghiệp: Một số l ợng lớn
các thiết bị thuộc các chủng loại khác nhau đ ợc ghép nối với nhau thông qua một đ ng truyền duy nhất.
• Tiết kiệm dây nối và công thiết kế, lắp đặt hệ thống: Nh cấu trúc đơn giản, việc
thiết kế hệ thống tr nên dễ dàng hơn nhiều. Một số l ợng lớn cáp truyền đ ợc thay thế bằng một đ
ng duy nhất, giảm chi phí đáng kể cho nguyên vật liệu và công lắp đặt.
• Nâng cao độ tin cậy và độ chính xác của thông tin: Khi dùng ph ơng pháp truyền
tín hiệu t ơng tự cổ điển, tác động của nhiễu dễ làm thay đổi nội dung thông tin
mà các thiết bị không có cách nào nhận biết. Nh kỹ thuật truyền thông số, không
những thông tin truyền đi khó bị sai lệch hơn, mà các thiết bị nối mạng còn có
thêm khả năng tự phát hiện lỗi và chẩn đoán lỗi nếu có. Hơn thế nữa, việc bỏ qua
nhiều lần chuyển đổi qua lại t ơng tự-số và số-t ơng tự nâng cao độ chính xác của thông tin.
• Nâng cao độ linh hoạt, tính năng m của hệ thống: Một hệ thống mạng chuẩn hóa
quốc tế tạo điều kiện cho việc sử dụng các thiết bị của nhiều hãng khác nhau.
Việc thay thế thiết bị, nâng cấp và m rộng phạm vi chức năng của hệ thống cũng
dễ dàng hơn nhiều. Khả năng t ơng tác giữa các thành phần (phần cứng và phần
mềm) đ ợc nâng cao nh các giao diện chuẩn.
• Đơn giản hóa/tiện lợi hóa việc tham số hóa, chẩn đoán, định vị lỗi, sự cố của các thiết bị : Với một đ
ng truyền duy nhất, không những các thiết bị có thể trao đổi
dữ liệu quá trình, mà còn có thể gửi cho nhau các dữ liệu tham số, dữ liệu trạng
thái, dữ liệu cảnh báo và dữ liệu chẩn đoán. Các thiết bị có thể tích hợp khả năng
tự chẩn đoán, các trạm trong mạng cũng có thể có khả năng cảnh giới lẫn nhau.
Việc cấu hình hệ thống, lập trình, tham số hóa, chỉnh định thiết bị và đ a vào vận
hành có thể thực hiện từ xa qua một trạm kỹ thuật trung tâm.
• M ra nhiều chức năng và khả năng ứng dụng mới của hệ thống: Sử dụng mạng
truyền thông công nghiệp cho phép áp dụng các kiến trúc điều khiển mới nh
điều khiển phân tán, điều khiển phân tán với các thiết bị tr ng, điều khiển giám
sát hoặc chẩn đoán lỗi từ xa qua Internet, tích hợp thông tin của hệ thống điều
khiển và giám sát với thông tin điều hành sản xuất và quản lý công ty.
Bài giảng: Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội
Chương1: Mở đầu 4
1.3 Phân lo i và đặc tr ng các h th ng MCN
Để sắp xếp, phân loại và phân tích đặc tr ng các hệ thống mạng truyền thông công
nghiệp, ta dựa vào mô hình phân cấp quen thuộc cho các công ty, xí nghiệp sản xuất,
nh đ ợc minh họa trên Hình 1.1. Qu¶n lý c«ng ty M¹ng c«ng ty §iÒu hµnh s¶n xuÊt M¹ng xÝ nghiÖp §iÒu khiÓn gi¸m s¸t Bus hÖ thèng Bus qu¸ tr×nh §iÒu khiÓn Bus ®iÒu khiÓn Bus tr−êng Bus thiÕt bÞ ChÊp hµnh Bus c¶m biÕn/ chÊp hµnh
Hình 1.1: Mô hình phân cấp chức năng công ty sản xuất công nghiệp
T ơng ứng với năm cấp chức năng là bốn cấp của hệ thống truyền thông. Từ cấp
điều khiển giám sát tr xuống thuật ngữ “bus” th ng đ ợc dùng thay cho “mạng”, với
lý do phần lớn các hệ thống mạng phía d ới đều có cấu trúc vật lý hoặc logic kiểu bus (xem phần 2.5).
Bus tr ờng, bus thi t bị
Bus trường (fieldbus) thực ra là một khái niệm chung đ ợc dùng trong các ngành
công nghiệp chế biến để chỉ các hệ thống bus nối tiếp, sử dụng kỹ thuật truyền tin số để
kết nối các thiết bị thuộc cấp điều khiển (PC, PLC) với nhau và với các thiết bị cấp
chấp hành, hay các thiết bị tr
ng. Các chức năng chính của cấp chấp hành là đo l ng,
truyền động và chuyển đổi tín hiệu trong tr
ng hợp cần thiết. Các thiết bị có khả năng
nối mạng là các vào/ra phân tán (distributed I/O), các thiết bị đo l ng (sensor,
transducer, transmitter) hoặc cơ cấu chấp hành (actuator, valve) có tích hợp khả năng
xử lý truyền thông. Một số kiểu bus tr
ng chỉ thích hợp nối mạng các thiết bị cảm biến
và cơ cấu chấp hành với các bộ điều khiển, cũng đ ợc gọi là bus chấp hành/cảm biến.
Trong công nghiệp chế tạo (tự động hóa dây chuyền sản xuất, gia công, lắp ráp) hoặc
một số lĩnh vực ứng dụng khác nh tự động hóa tòa nhà, sản xuất xe hơi, khái niệm
bus thiết bị lại đ ợc sử dụng phổ biến. Có thể nói, bus thiết bị và bus tr ng có chức
năng t ơng đ ơng, nh ng do những đặc tr ng riêng biệt của hai ngành công nghiệp,
nên một số tính năng cũng khác nhau. Tuy nhiên, sự khác nhau này ngày càng tr nên
không rõ rệt, khi mà phạm vi ứng dụng của cả hai loại đều đ ợc m rộng và đan chéo
sang nhau. Trong thực tế, ng
i ta cũng dùng chung một khái niệm là bus tr ng.
Bài giảng: Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội
Chương1: Mở đầu 5 Do nhiệm vụ của bus tr
ng là chuyển dữ liệu quá trình lên cấp điều khiển để xử lý
và chuyển quyết định điều khiển xuống các cơ cấu chấp hành, vì vậy yêu cầu về tính
năng thời gian thực
đ ợc đặt lên hàng đầu. Th i gian phản ứng tiêu biểu nằm trong
phạm vi từ 0,1 tới vài miligiây. Trong khi đó, yêu cầu về l ợng thông tin trong một bức
điện th ng chỉ hạn chế trong khoảng một vài byte, vì vậy tốc độ truyền thông th ng
chỉ cần phạm vi Mbit/s hoặc thấp hơn. Việc trao đổi thông tin về các biến quá trình
chủ yếu mang tính chất định kỳ, tuần hoàn, bên cạnh các thông tin tham số hóa hoặc
cảnh báo có tính chất bất th ng. Các hệ thống bus tr
ng đ ợc sử dụng rộng rãi nhất hiện nay là PROFIBUS,
ControlNet, INTERBUS, CAN, WorldFIP, P-NET, Modbus và gần đây phải kể tới
Foundation Fieldbus. DeviceNet, AS-i, EIB và Bitbus là một vài hệ thống bus cảm
biến/chấp hành tiêu biểu có thể nêu ra đây.
Bus h th ng, bus đi u khiển
Các hệ thống mạng công nghiệp đ ợc dùng để kết nối các máy tính điều khiển và các
máy tính trên cấp điều khiển giám sát với nhau đ ợc gọi là bus hệ thống (system bus)
hay bus quá trình (process bus). Khái niệm sau th
ng chỉ đ ợc dùng trong lĩnh vực
điều khiển quá trình. Qua bus hệ thống mà các máy tính điều khiển có thể phối hợp hoạt
động, cung cấp dữ liệu quá trình cho các trạm kỹ thuật và trạm quan sát (có thể gián tiếp
thông qua hệ thống quản lý cơ s dữ liệu trên các trạm chủ) cũng nh nhận mệnh lệnh,
tham số điều khiển từ các trạm phía trên. Thông tin không những đ ợc trao đổi theo
chiều dọc, mà còn theo chiều ngang. Các trạm kỹ thuật, trạm vận hành và các trạm chủ
cũng trao đổi dữ liệu qua bus hệ thống. Ngoài ra các máy in báo cáo và l u trữ dữ liệu
cũng có thể đ ợc kết nối qua mạng này.
Đối với bus hệ thống, tùy theo lĩnh vực ứng dụng mà đòi hỏi về tính năng th i gian
thực có đ ợc đặt ra một cách ngặt nghèo hay không. Th i gian phản ứng tiêu biểu nằm
trong khoảng một vài trăm miligiây, trong khi l u l ợng thông tin cần trao đổi lớn hơn nhiều so với bus tr
ng. Tốc độ truyền thông tiêu biểu của bus hệ thống nằm trong
phạm vi từ vài trăm kbit/s đến vài Mbit/s.
Khi bus hệ thống đ ợc sử dụng chỉ để ghép nối theo chiều ngang giữa các máy tính
điều khiển, ng i ta th ng dùng khái niệm bus điều khiển. Vai trò của bus điều khiển
là phục vụ trao đổi dữ liệu th i gian thực giữa các trạm điều khiển trong một hệ thống
có cấu trúc phân tán. Bus điều khiển thông th
ng có tốc độ truyền không cao, nh ng
yêu cầu về tính năng th i gian thực th ng rất khắt khe.
Do các yêu cầu về tốc độ truyền thông và khả năng kết nối dễ dàng nhiều loại máy
tính, hầu hết các kiểu bus hệ thống thông dụng đều dựa trên nền Ethernet, ví dụ
Industrial Ethernet, Fieldbus Foundation’s High Speed Ethernet (HSE), Ethernet/IP. M ng xí nghi p
Mạng xí nghiệp thực ra là một mạng LAN bình th
ng, có chức năng kết nối các
máy tính văn phòng thuộc cấp điều hành sản xuất với cấp điều khiển giám sát. Thông
tin đ ợc đ a lên trên bao gồm trạng thái làm việc của các quá trình kỹ thuật, các giàn
máy cũng nh của hệ thống điều khiển tự động, các số liệu tính toán, thống kê về diễn
biến quá trình sản xuất và chất l ợng sản phẩm. Thông tin theo chiều ng ợc lại là các
Bài giảng: Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội
Chương1: Mở đầu 6
thông số thiết kế, công thức điều khiển và mệnh lệnh điều hành. Ngoài ra, thông tin
cũng đ ợc trao đổi mạnh theo chiều ngang giữa các máy tính thuộc cấp điều hành sản
xuất, ví dụ hỗ trợ kiểu làm việc theo nhóm, cộng tác trong dự án, sử dụng chung các tài
nguyên nối mạng (máy in, máy chủ,...).
Khác với các hệ thống bus cấp d ới, mạng xí nghiệp không yêu cầu nghiêm ngặt về
tính năng th i gian thực. Việc trao đổi dữ liệu th
ng diễn ra không định kỳ, nh ng có
khi với số l ợng lớn tới hàng Mbyte. Hai loại mạng đ ợc dùng phổ biến cho mục đích
này là Ethernet và Token-Ring, trên cơ s các giao thức chuẩn nh TCP/IP và IPX/SPX. M ng công ty
Mạng công ty nằm trên cùng trong mô hình phân cấp hệ thống truyền thông của một
công ty sản xuất công nghiệp. Đặc tr ng của mạng công ty gần với một mạng viễn
thông hoặc một mạng máy tính diện rộng nhiều hơn trên các ph ơng diện phạm vi và
hình thức dịch vụ, ph ơng pháp truyền thông và các yêu cầu về kỹ thuật. Chức năng của
mạng công ty là kết nối các máy tính văn phòng của các xí nghiệp, cung cấp các dịch vụ
trao đổi thông tin nội bộ và với các khách hàng nh th viện điện tử, th điện tử, hội
thảo từ xa qua điện thoại, hình ảnh, cung cấp dịch vụ truy cập Internet và th ơng mại
điện tử, v.v... Hình thức tổ chức ghép nối mạng, cũng nh các công nghệ đ ợc áp dụng
rất đa dạng, tùy thuộc vào đầu t của công ty. Trong nhiều tr ng hợp, mạng công ty và
mạng xí nghiệp đ ợc thực hiện bằng một hệ thống mạng duy nhất về mặt vật lý, nh ng
chia thành nhiều phạm vi và nhóm mạng làm việc riêng biệt.
Mạng công ty có vai trò nh một đ
ng cao tốc trong hệ thống hạ tầng cơ s truyền
thông của một công ty, vì vậy đòi hỏi về tốc độ truyền thông và độ an toàn, tin cậy đặc
biệt cao. Fast Ethernet, FDDI, ATM là một vài ví dụ công nghệ tiên tiến đ ợc áp dụng
đây trong hiện tại và t ơng lai.
1.4 Tài li u tham khảo [1]
Hoàng Minh Sơn: Mạng truyền thông công nghiệp. Tái bản lần 2, Nhà xuất bản KH&KT, Hà Nội, 2004.
Bài giảng: Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội
2.2 Chế độ truyền tải 7 Ch
ng 2: C sở kỹ thuật
2.1 Các khái ni m c bản
2.1.1 Thông tin, dữ li u và tín hi u Thông tin
Thông tin là một trong những khái niệm cơ s quan trọng nhất trong khoa học kỹ
thuật, cũng giống nh vật chất và năng l ợng. Các đầu vào cũng nh các đầu ra của một
hệ thống kỹ thuật chỉ có thể là vật chất, năng l ợng hoặc thông tin, nh mô tả trên Hình
2.1. Một hệ thống xử lý thông tin hoặc một hệ thống truyền thông là một hệ thống kỹ
thuật chỉ quan tâm tới các đầu vào và đầu ra là thông tin. Tuy nhiên, đa số các hệ thống kỹ thuật khác th
ng có các đầu vào và đầu ra hỗn hợp (vật chất, năng l ợng và thông tin). vật chất vật chất năng lượng H TH NG KỸ THUẬT năng lượng thông tin thông tin
Hình 2.1: Vai trò của thông tin trong các hệ thống kỹ thuật
Thông tin là th ớc đo mức nhận thức, sự hiểu biết về một vấn đề, một sự kiện hoặc
một hệ thống. Ví dụ, một thông tin cho chúng ta biết một cách chính xác hay t ơng đối
về nhiệt độ ngoài tr i hay mực n ớc trong bể chứa. Thông tin giúp chúng ta phân biệt
giữa các mặt của một vấn đề, giữa các trạng thái của một sự vật. Nói một cách khác,
thông tin chính là sự loại trừ tính bất định. Trong khi vật chất và năng l ợng là nền tảng
của vật lý và hoá học, thì thông tin chính là chủ thể của tin học và công nghệ thông tin. Dữ li u
Thông tin là một đại l ợng khá trừu t ợng, vì vậy cần đ ợc biểu diễn d ới một hình
thức khác. Khả năng biểu diễn thông tin rất đa dạng, ví dụ qua chữ viết, hình ảnh, cử
chỉ, v.v... Dạng biểu diễn thông tin phụ thuộc vào mục đích, tính chất của ứng dụng.
Đặc biệt, thông tin có thể đ ợc mô tả, hay nói cách khác là đ ợc “số l ợng hoá” bằng
dữ liệu để có thể l u trữ và xử lý trong máy tính. Trong tr
ng hợp đó, ta cũng nói rằng
thông tin đ ợc số hoá sử dụng hệ đếm nhị phân, hay mã hóa nhị phân. Nói trong ngữ
cảnh cấu trúc một bức điện, dữ liệu chính là phần thông tin hữu ích đ ợc biểu diễn bằng dãy các bit {1,0}.
Bài giảng: Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội
2.2 Chế độ truyền tải 8 Tín hi u
Việc trao đổi thông tin (giữa ng i và ng i, giữa ng
i và máy) hay dữ liệu (giữa
máy và máy) chỉ có thể thực hiện đ ợc nh tín hiệu. Có thể định nghĩa, tín hiệu là diễn
biến của một đại l ợng vật lý chứa đựng tham số thông tin/dữ liệu và có thể truyền dẫn
đ ợc. Theo quan điểm toán học thì tín hiệu đ ợc coi là một hàm của th i gian. Trong
các lĩnh vực kỹ thuật, các loại tín hiệu th
ng dùng là điện, quang, khí nén, thủy lực và âm thanh. Các tham số sau đây th
ng đ ợc dùng trực tiếp, gián tiếp hay kết hợp để biểu thị nội dung thông tin:
• Biên độ (điện áp, dòng,...)
• Tần số, nhịp xung, độ rộng của xung, s n xung • Pha, vị trí xung
Không phân biệt tính chất vật lý của tín hiệu (điện, quang, khí nén,...), ta có thể phân
loại tín hiệu dựa theo tập hợp giá trị của tham số thông tin hoặc dựa theo diễn biến th i
gian thành những dạng sau:
Tương tự: Tham số thông tin có thể có một giá trị bất kỳ trong một khoảng nào đó
Rời rạc: Tham số thông tin chỉ có thể có một số giá trị (r i rạc) nhất định.
Liên tục: Tín hiệu có ý nghĩa tại bất kỳ th i điểm nào trong một khoảng th i gian
quan tâm. Nói theo ngôn ngữ toán học, một tín hiệu liên tục là một hàm liên tục
của biến th i gian trong một khoảng xác định.
Gián đoạn: Tín hiệu chỉ có ý nghĩa tại những th i điểm nhất định. y a) y b) t t
D¹ng tÝn hiÖu: t−¬ng tù, liªn tôc
D¹ng tÝn hiÖu: t−¬ng tù, gi¸n ®o¹n
Tham sè th«ng tin: Biªn ®é
Tham sè th«ng tin: Biªn ®é xung y c) y d) t t
D¹ng tÝn hiÖu: rêi r¹c, liªn tôc
D¹ng tÝn hiÖu: rêi r¹c (sè), gi¸n ®o¹n
Tham sè th«ng tin: Biªn ®é
Tham sè th«ng tin: TÇn sè xung Hình
2.2: Một số dạng tín hiệu thông dụng
Bài giảng: Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội
2.2 Chế độ truyền tải 9
Khi các giá trị tham số thông tin của một tín hiệu đ ợc biểu diễn bằng mã nhị phân,
thì dạng tín hiệu đặc biệt này đ ợc gọi là tín hiệu số. Nói một cách khác, tín hiệu số
dùng để truyền tải thông tin đã đ ợc dữ liệu hóa. Với tín hiệu số, ta chỉ cần phân biệt
giữa hai trạng thái của tín hiệu ứng với các bit 0 và 1, vì vậy sẽ hạn chế đ ợc một cách
hiệu quả sự sai lệch thông tin b i sự tác động của nhiễu.
2.1.2 Truy n thông, truy n dữ li u và truy n tín hi u Mã hóa/Giải mã
Hình 2.3 minh họa nguyên tắc cơ bản của truyền thông. Thông tin cần trao đổi giữa
các đối tác đ ợc mã hóa tr ớc khi đ ợc một hệ thống truyền dẫn tín hiệu chuyển tới
phía bên kia. Trong thuật ngữ truyền thông, mã hóa chỉ quá trình biến đổi nguồn thông
tin (dữ liệu) cần trao đổi sang một chuỗi tín hiệu thích hợp để truyền dẫn. Quá trình này ít nhất th
ng bao gồm hai b ớc: mã hóa nguồnmã hóa đường truyền.
Trong quá trình mã hóa nguồn, dữ liệu mang thông tin thực dụng hay dữ liệu nguồn
đ ợc bổ sung các thông tin phụ trợ cần thiết cho việc truyền dẫn, ví dụ địa chỉ bên gửi
và bên nhận, kiểu dữ liệu, thông tin kiểm lỗi, v.v... Dữ liệu tr ớc khi gửi đi cũng có thể
đ ợc phân chia thành nhiều gói dữ liệu bức điện để phù hợp với ph ơng pháp truyền,
nén lại để tăng hiệu suất đ
ng truyền, hoặc mã hóa bảo mật. Nh vậy, l ợng thông tin
chứa đựng trong một tín hiệu sẽ nhiều hơn l ợng thông tin thực dụng cần truyền tải.
Sau khi đã đ ợc mã hóa nguồn, mã hóa đường truyền là quá trình tạo tín hiệu t ơng
ứng với các bit trong gói dữ liệu hay bức điện theo một ph ơng pháp nhất định để phù hợp với đ
ng truyền và kỹ thuật truyền. Hình 2.4 minh họa một ví dụ mã hóa đ ng
truyền đơn giản, các bit 0 đ ợc thể hiện bằng mức điện áp cao và các bit 1 bằng mức điện áp thấp. §èi t¸c §èi t¸c truyÒn th«ng truyÒn th«ng M· hãa/ M·hãa/
HÖ thèng truyÒn dÉn tÝn hiÖu Gi¶i m· Gi¶i m· Hình 2.3: Nguyên
tắc cơ bản của truyền thông
Trong truyền thông công nghiệp, mã hóa đ
ng truyền đồng nghĩa với mã hóa bit,
b i tín hiệu do khâu mã hóa từng bit tạo ra cũng chính là tín hiệu đ ợc truyền dẫn. Đối
với các hệ thống truyền thông khác, quá trình mã hóa đ
ng truyền có thể bao hàm việc
điều biến tín hiệu và dồn kênh, cho phép truyền cùng một lúc nhiều nguồn thông tin và
truyền tốc độ cao. Việc dồn kênh có thể thực hiện theo ph ơng pháp phân chia tần số,
phân chia th i gian hoặc phân chia mã.
Bài giảng: Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội
2.2 Chế độ truyền tải 10 0 1 1 0 1 0 0 1 Hình 2.4: Ví dụ mã hóa bít
Quá trình ng ợc lại với mã hóa là giải mã, tức là chuyển đổi các tín hiệu nhận đ ợc
thành dãy bit t ơng ứng và sau đó xử lý, loại bỏ các thông tin bổ sung để tái tạo thông tin nguồn.
T c đ truy n và t c đ bit
Tốc độ truyền hay tốc độ bit đ ợc tính bằng số bit dữ liệu đ ợc truyền đi trong một
giây, tính bằng bit/s hoặc bps ( bit per second). Nếu tần số nhịp đ ợc ký hiệu là f và số
bit truyền đi trong một nhịp là n, số bit đ ợc truyền đi trong một giây sẽ là v = f*n. Nh
vậy, có hai cách để tăng tốc độ truyền tải là tăng tần số nhịp hoặc tăng số bit truyền đi
trong một nhịp. Nếu mỗi nhịp chỉ có một bit duy nhất đ ợc chuyển đi thì v = f. Nh vậy,
chỉ đối với các ph ơng pháp mã hóa bit sử dụng hai trạng tín hiệu, và trạng thái tín hiệu
thay đổi luân phiên sau mỗi nhịp thì tốc độ bit mới t ơng đ ơng với tốc độ baud, hay
1Baud t ơng đ ơng với 1bit/s.
Thời gian bit/Chu kỳ bit
Trong việc phân tích, đánh giá tính năng th i gian của một hệ thống truyền thông thì
th i gian bit là một giá trị hay đ ợc dùng. Thời gian bit hay chu kỳ bit đ ợc định nghĩa
là th i gian trung bình cần thiết để chuyển một bit, hay chính bằng giá trị nghịch đảo
của tốc độ truyền tải: TB = 1/v TB = 1/f, tr ng hợp n = 1
Thời gian lan truy n tín hi u
Th i gian lan truyền tín hiệu là th i gian cần để một tín hiệu phát ra từ một đầu dây
lan truyền tới đầu dây khác, phụ thuộc vào chiều dài và cấu tạo dây dẫn. Tốc độ lan
truyền tín hiệu chính là tốc độ truyền sóng điện từ. Tuy nhiên, trong môi tr ng kim
loại hoặc sợi quang học, giá trị này sẽ nhỏ hơn tốc độ truyền sóng điện từ hay tốc độ ánh sáng trong môi tr ng chân không. Ta có:
TS = l/(k*c), với
TS là th i gian lan truyền tín hiệu, l là chiều dài dây dẫn, c
tốc độ ánh sáng trong chân không (300.000.000m/s) và
k biểu thị hệ số giảm tốc độ truyền, đ ợc tính theo công thức: 1 k =
, với ε là hằng số điện môi của lớp cách ly ε
Bài giảng: Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội
2.2 Chế độ truyền tải 11
Đối với các loại cáp có lớp bọc cách ly là Polyethylen với hằng số điện môi ε = 2.3,
ta có hệ số k ≈ 0.67. Hệ số này cũng đúng với môi tr ng truyền là cáp quang và th ng
đ ợc dùng một cách tổng quát để tính toán giá trị t ơng đối của th i gian lan truyền tín
hiệu trong nhiều phép đánh giá. Nh vậy TS sẽ chỉ còn phụ thuộc vào chiều dài dây dẫn:
TS (giây) = l (mét)/200.000.000
Bài giảng: Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội
2.2 Chế độ truyền tải 12 2.2 Ch đ truy n tải
Chế độ truyền tải đ ợc hiểu là ph ơng thức các bit dữ liệu đ ợc chuyển giữa các đối
tác truyền thông. Nhìn nhận từ các góc độ khác nhau ta có thể phân biệt các chế độ truyền tải nh sau:
• Truyền bit song song hoặc truyền bit nối tiếp
• Truyền đồng bộ hoặc không đồng bộ
• Truyền một chiều hay đơn công (simplex), hai chiều toàn phần, hai chiều đồng
th i hay song công (duplex, full-duplex) hoặc hai chiều gián đoạn hay bán song công (half-duplex)
• Truyền tải dải cơ s , truyền tải dải mang và truyền tải dải rộng.
2.2.1 Truy n bit song song và truy n bit n i ti p
Ph ơng pháp truyền bit song song (Hình 2.5a) đ ợc dùng phổ biến trong các bus nội
bộ của máy tính nh bus địa chỉ, bus dữ liệu và bus điều khiển. Tốc độ truyền tải phụ
thuộc vào số các kênh dẫn, hay cũng chính là độ rộng của một bus song song, ví dụ 8
bit, 16 bit, 32 bit hay 64 bit. Chính vì nhiều bit đ ợc truyền đi đồng th i, vấn đề đồng
bộ hóa tại nơi phát và nơi nhận tín hiệu phải đ ợc giải quyết. Điều này gây tr ngại lớn
khi khoảng cách giữa các đối tác 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 ph ơng pháp truyền này
chỉ hạn chế khoảng cách nhỏ, có yêu cầu rất cao về th i gian và tốc độ truyền. 1 0 0 1 10010101 0 1 0 1 (a) TruyÒn bit song song (b) TruyÒn bit nèi tiÕp
Hình 2.5: Truyền bit song song (a) và truyền bit nối tiếp (b)
Với ph ơng pháp truyền bi nối tiếp, từng bit đ ợc chuyển đi một cách tuần tự qua một đ
ng truyền duy nhất (Hình 2.5b). Tuy tốc độ bit vì thế bị hạn chế, nh ng cách
thực hiện lại đơn giản, độ tin cậy của dữ liệu cao. Tất cả các mạng truyền thông công
nghiệp đều sử dụng ph ơng pháp truyền này.
2.2.2 Truy n đ ng b và không đ ng b
Sự phân biệt giữa chế độ truyền đồng bộ và không đồng bộ chỉ liên quan tới ph ơng
thức truyền bit nối tiếp. Vấn đề đặt ra đây là việc đồng bộ hóa giữa bên gửi và bên
Bài giảng: Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội
2.2 Chế độ truyền tải 13
nhận dữ liệu, tức là vấn đề làm thế nào để bên nhận biết khi nào một tín hiệu trên đ ng
truyền mang dữ liệu gửi và khi nào không.
Trong chế độ truyền đồng bộ, các đối tác truyền thông làm việc theo cùng một nhịp,
tức với cùng tần số và độ lệch pha cố định. Có thể qui định một trạm có vai trò tạo nhịp và dùng một đ
ng dây riêng mang nhịp đồng bộ cho các trạm khác. Biện pháp kinh tế
hơn là dùng một ph ơng pháp mã hóa bit thích hợp để bên nhận có thể tái tạo nhịp đồng
bộ từ chính tín hiệu mang dữ liệu. Nếu ph ơng pháp mã hóa bit không cho phép nh
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. L u 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 th
ng đ ợc chia thành từng nhóm 7 hoặc 8 bit, gọi là ký
tự. Các ký tự đ ợc chuyển đi vào những th i điểm không đồng đều, vì vậy cần thêm hai
bit để đánh dấu kh i đầu và kết thúc cho mỗi ký tự. Việc đồng bộ hóa đ ợc 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 kh i đầu cũng nh kết thúc
và 1 bit kiểm tra lỗi chẵn lẻ.
2.2.3 Truy n m t chi u và truy n hai chi u T ơng tự nh các đ ng giao thông, một đ
ng truyền dữ liệu có khả năng hoặc làm
việc d ới chế độ một chiều, hai chiều toàn phần hoặc hai chiều gián đoạn, nh Hình 2.6
minh họa. Chế độ truyền này ít phụ thuộc vào tính chất vật lý của môi tr ng truyền
dẫn, mà phụ thuộc vào ph ơng pháp truyền dẫn tín hiệu, chuẩn truyền dẫn (RS-232,
RS-422, RS-485, ...) và vào cấu hình của hệ thống truyền dẫn.
Trong chế độ truyền một chiều, thông tin chỉ đ ợc chuyển đi theo một chiều, một
trạm chỉ có thể đóng vai trò hoặc bên phát (transmitter) hoặc bên nhận thông tin
(receiver) trong suốt quá trình giao tiếp. Có thể nêu một vài ví dụ trong kỹ thuật máy
tính sử dụng chế độ truyền này nh giao diện giữa bàn phím, chuột hoặc màn hình với
máy tính. Các hệ thống phát thanh và truyền hình cũng là những ví dụ tiêu biểu. Hiển
nhiên, chế độ truyền một chiều hầu nh không có vai trò đối với mạng công nghiệp.
Chế độ truyền hai chiều gián đoạn cho phép mỗi trạm có thể tham gia gửi hoặc nhận
thông tin, nh ng không cùng một lúc. Nh vậy thông tin đ ợc trao đổi theo cả hai chiều
luân phiên trên cùng một đ
ng truyền vật lý. Một u điểm của chế độ này là không đòi
hỏi cấu hình hệ thống phức tạp lắm, trong khi có thể đạt đ ợc tốc độ truyền t ơng đối
cao. Chế độ truyền này đ ợc sử dụng phổ biến trong mạng công nghiệp, ví dụ với chuẩn RS-485.
Bài giảng: Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội
2.2 Chế độ truyền tải 14 Bé ph¸t 10110101 Bé thu a) Simplex 10110101 b) Half-duplex Bé thu ph¸t Bé thu ph¸t 10110101 Bé thu ph¸t Bé thu ph¸t c) Duplex 10101010 Hình
2.6: Truyền simplex, half-duplex và duplex
Với chế độ truyền hai chiều toàn phần mỗi trạm đều có thể gửi và nhận thông tin
cùng một lúc. Thực chất, chế độ này chỉ khác với chế độ hai chiều gián đoạn chỗ phải sử dụng hai đ
ng truyền riêng biệt cho thu và phát, tức là khác cấu hình hệ thống
truyền thông. Dễ dàng nhận thấy, chế độ truyền hai chiều toàn phần chỉ thích hợp với
kiểu liên kết điểm-điểm, hay nói cách khác là phù hợp với cấu trúc mạch vòng và cấu trúc hình sao.
2.2.4 Truy n tải dải c sở, dải mang và dải r ng
Truy n tải dải c sở
Một tín hiệu mang một nguồn thông tin có thể biểu diễn bằng tổng của nhiều dao
động có tần số khác nhau nằm trong một phạm vi hẹp, đ ợc gọi là dải tần cơ s hay dải
hẹp. Tín hiệu đ ợc truyền đi cũng chính là tín hiệu đ ợc tạo ra sau khi mã hóa bit, nên
có tần số cố định hoặc nằm trong một khoảng hẹp nào đó, tùy thuộc vào ph ơng pháp
mã hóa bit. Ví dụ có thể qui định mức tín hiệu cao ứng với bit 0 và mức tín hiệu thấp
ứng với bit 1. Tần số của tín hiệu th ng nhỏ hơn, hoặc cùng lắm là t ơng đ ơng với
tần số nhịp bus. Tuy nhiên, trong một nhịp (có thể t ơng đ ơng hoặc không t ơng
đ ơng với chu kỳ của tín hiệu), chỉ có thể truyền đi một bit duy nhất. Có nghĩa là,
đ ng truyền chỉ có thể mang một kênh thông tin duy nhất, mọi thành viên trong mạng
phải phân chia th i gian để sử dụng đ
ng truyền. Tốc độ truyền tải vì thế tuy có bị hạn
chế, nh ng ph ơng pháp này dễ thực hiện và tin cậy, đ ợc dùng chủ yếu trong các hệ
thống mạng truyền thông công nghiệp.
Truy n tải dải mang Trong một số tr
ng hợp, dải tần cơ s không t ơng thích trong môi tr ng làm
việc. Ví dụ, tín hiệu có các tần số này có thể bức xạ nhiễu ảnh h ng tới hoạt động của
các thiết bị điện tử khác, hoặc ng ợc lại, bị các thiết bị khác gây nhiễu. Để khắc phục tình trạng này, ng
i ta sử một tín hiệu khác - gọi là tín hiệu mang, có tần số nằm trong
một dải tần thích hợp - gọi là dải mang. Dải tần này th
ng lớn hơn nhiều so với tần số
nhịp. Dữ liệu cần truyền tải sẽ dùng để điều chế tần số, biên độ hoặc pha của tín hiệu
Bài giảng: Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội
2.2 Chế độ truyền tải 15
mang. Bên nhận sẽ thực hiện quá trình giải điều chế để hồi phục thông tin nguồn. Khác
với truyền tải dải rộng nêu d ới đây, ph ơng thức truyền tải dải mang chỉ áp dụng cho
một kênh truyền tin duy nhất, giốn nh truyền tải dải cơ s .
Truy n tải dải r ng
Một tín hiệu có thể chứa đựng nhiều nguồn thông tin khác nhau bằng cách sử dụng
kết hợp một cách thông minh nhiều thông số thông tin. Ví dụ một tín hiệu phức tạp có
thể là tổng hợp bằng ph ơng pháp xếp chồng từ nhiều tín hiệu thành phần có tần số
khác nhau mang các nguồn thông tin khác nhau.
Sau khi nhiều nguồn thông tin khác nhau đã đ ợc mã hoá bit, mỗi tín hiệu đ ợc tạo
ra sẽ dùng để điều biến một tín hiệu khác, th
ng có tần số lớn hơn nhiều, gọi là tín
hiệu mang. Các tín hiệu mang đã đ ợc điều biến có tần số khác nhau, nên có thể pha
trộn, xếp chồng thành một tín hiệu duy nhất có phổ tần trải rộng. Tín hiệu này cuối cùng
lại đ ợc dùng để điều biến một tín hiệu mang khác. Tín hiệu thu đ ợc từ khâu này mới
đ ợc truyền đi. Đây chính là kỹ thuật dồn kênh phân tần trong truyền tải thông tin,
nhằm mục đích sử dụng hiệu quả hơn đ
ng truyền. Phía bên nhận sẽ thực hiện việc
giải điều biến và phân kênh, hồi phục các tín hiệu mang các nguồn thông tin khác nhau.
Ph ơng thức truyền tải dải rộng và kỹ thuật dồn kênh đ ợc dùng rộng rãi trong các
mạng viễn thông b i tốc độ cao và khả năng truyền song song nhiều nguồn thông tin.
Tuy nhiên, vì đặc điểm phạm vi mạng, lý do giá thành thực hiện và tính năng th i gian,
truyền tải băng rộng cũng nh kỹ thuật dồn kênh hầu nh không đóng vai trò gì trong
các hệ thống truyền thông công nghiệp.
Bài giảng: Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội