Giáo trình Mạng công nghiệp và Scada

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN

BÀI GIẢNG

MẠNG CÔNG NGHIỆP VÀ SCADA

Biên soạn: Đỗ Văn Cần – Nguyễn An Toàn

Email: [email protected]du.vn

Web: thietbiquynhon.edu.vn

Quy Nhơn, 12/2015

ĐỀ CƯƠNG CHI TIẾT

MẠNG CÔNG NGHIỆP VÀ SCADA

Mã học phần: 1160036

Tên tiếng Anh: Industry Network and SCADA

1. Thông tin chung về học phần

- Tên học phần: Mạng công nghiệp và SCADA

- Mã học phần: 1160036

Số tín chỉ: 3

- Yêu cầu của học phần: Bắt buộc

- Các học phần tiên quyết:

- Các yêu cầu khác đối với học phần (nếu có): Điều khiển Logic

- Phân giờ tín chỉ đối với các hoạt động:

+ Nghe giảng lý thuyết: 30 tiết

+ Làm bài tập trên lớp: 0

+ Thảo luận: 100 tiết

+ Thực hành, thí nghiệm: (15/30 tiết)

+ Hoạt động theo nhóm:

+ Tự học: 100 tiết

- Khoa phụ trách học phần: Kỹ thuật và Công nghệ

2. Mục tiêu của học phần

2.1. Mục tiêu đào tạo chung của học phần

Sinh viên có khả năng thực hiện thiết kế, lắp đặt một ứng dụng lập trình trên máy tính, màn hình có kết nối

phần cứng (PLC) để ứng dụng một hệ thống điều khiển, giám sát thu thập dữ liệu.

2.2. Mục tiêu đào tạo cụ thể về kiến thức của học phần

- Nắm bắt các thông tin tuyền thông, dữ liệu trong hệ thống điều khiển công nghiệp.

- Hiểu được cấu trúc mạng công nghiệp từ đó vận hành hệ thống mạng công nghiệp

- Thiết kế hệ thống mạng công nghiệp cho các ứng dụng SCADA nhà máy, xí nghiệp

- Xây dựng chương trình ứng dụng trong các thiết bị điều khiển mạng

- Xác định và khắc phục một số lỗi của hệ thống mạng công nghiệp

3. Tóm tắt nội dung học phần

Tín hiệu, dữ liệu tuyền tin trên mạng công nghiệp. Cách mã hóa, giải mã quy chuẩn theo tiêu chuẩn quốc tế

về mạng công nghiệp.

Phân loại và đặc trưng các hệ thống mạng công nghiệp; cơ sở kỹ thuật các mạng truyền thông công nghiệp;

các hệ thống mạng truyền thông công nghiệp tiêu biểu; một số ứng dụng trong công nghiệp.

Nội dung phần SCADA cung cấp các kiến thức về: Các thành phần của hệ thống Scada trong hệ thống tự

động hóa; Hệ thống các thiết bị chấp hành; Các thiết bị vào ra đầu cuối từ xa RTU (Remota Terminal Units)

hoặc là các khối điều khiển logic khả trình PLC (Programmale Logic Controllers), Trạm điều khiển, giám sát

trung tâm; Hệ thống truyền thông (bao gồm các mạng truyền thông công nghiệp, các thiết bị viễn thông và

các thiết bị chuyển đổi, dồn kênh có chức năng truyền dữ liệu cấp trường đến các khối điều khiển và máy

chủ); Giao diện người - máy HMI (Human - Machine Interface): là các thiết bị hiển thị quá trình xử lí dữ liệu

để người vận hành điều khiển các quá trình hoạt động của hệ thống; Cách thức tích hợp phần cứng, phần

mềm để xây dựng một hệ thống SCADA trong thực tiễn.

4. Nội dung chi tiết học phần

Chương 1: Các khái niệm cơ bản

1.1. Hệ thống thông tin công nghiệp

1.2. Mô hình phân cấp chức năng

1.3. Các kiến trúc giao thức

PTN#1: Cài đặt phần mềm Win CC, Step 7 và tự học lập trình ở nhà

Chương 2: Cơ sở kỹ thuật mạng

2.1. Cơ sở kỹ thuật

2.2. Cấu trúc mạng

2.3 Kiểm soát và truy nhập

2.4. Bảo toàn dữ liệu

2.5. Mã hóa bit

2.6. Giải mã

2.7. Kỹ thuật truyền dẫn

2.8. Giao thức truyền tin

2.9. Các thành phần trong mạng truyền thông

PTN #2: Thực hiện bài tập ứng dụng sử dụng phần mềm software

Chương 3: Các mạng thông dụng

3.1. Mạng AS- Interface

3.2. Mạng Profibus

3.3 Mạng Interbus

3.4. Mạng Can

3.5 Mạng Ethernet

PTN #3:Thực hiện bài tập ứng dụng phần cứng hardware

Chương 4: Hệ thống SCADA

4.1. Tổng quan

4.2. Các chức năng SCADA

4.3. Kỹ thuật đo lường và ghép nối

4.4. Thành phần trong hệ thống SCADA

4.5. Xây dựng hệ thống SCADA

PTN #4:Thực hiện bài tập ứng dụng kết nối và vận hành SCADA

5. Phương pháp, hình thức giảng dạy

Đọc tài liệu trước là cần thiết, tài liệu có trên các web của internet liên quan đến mạng công nghiệp, mạng

PLC, Ethernet, Profibus, Can bus. Xem videos hướng dẫn trên mạng là cần thiết, đi học nghe giảng viên

giảng bài phân tính và có ý kiến đối với giảng viên và nội dung môn học. Học ứng dụng tại phòng thí

nghiệm, trên các thiết bị cần thiết.

6. Giáo trình, bài giảng, tài liệu tham khảo

6.1. Sách, Giáo trình chính:

[1] Hoàng Minh Sơn, Mạng truyền thông công nghiệp, Nhà Xuất Bản Khoa học Kỹ thuật, 2008.

6.2. Sách tham khảo:

[2] Siemens, SIMATIC NET – Industrial Communikation Networks, Siemens AG 1998.

[3] Huethig, Bustechnologie fuer die Automation, Heidelberg, 2000

[4] Andrew S. Tanenbaum, Computer Networks , Prentice-Hall, 1998

[5] Robert Bosch, Controller Area Network protocol specification, Version 2.0 GmbH 1991

[6] Chuẩn châu âu EN 50254, High efficiency communication subsystem for smal data packages, 1997

7. Phương pháp, hình thức kiểm tra – đánh giá kết quả học tập học phần

+ Chuyên cần: 10% - Đánh giá trên số buổi đi học tại giảng đường và tại phòng thiết bị mạng công nghiệp

+ Giữa kỳ: 20% - Thực hiện bài tập ứng dụng thao tác trên thiết bị

+ Thi cuối kỳ: 70% - Thi tự luận viết

MỤC LỤC

Chương 1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN............................................................................1

1.1 Hệ thống thông tin công nghiệp ..............................................................................1

1.1.1 Khái niệm.........................................................................................................1

1.1.2 Trúc cơ bản một hệ thống điều khiển và giám sát (HTĐK&GS).......................1

1.1.3 Đặc điểm của mạng truyền thông công nghiệp .................................................2

1.2 Mô hình phân cấp chức năng ..................................................................................2

1.2.1 Mục đích phân cấp ...........................................................................................2

1.2.2 Phân loại mạng công nghiệp.............................................................................3

1.2.3 Giao tiếp với thiết bị thông thông thường .........................................................4

1.3 Các kiến trúc giao thức ...........................................................................................5

1.3.1 Kiến trúc Master/Slave.....................................................................................5

1.3.2 Kiến trúc Client/Server.....................................................................................5

1.4 Cài đặt phần mềm Win CC, Step 7 và tự học lập trình ở nhà...................................5

Chương 2 KỸ THUẬT MẠNG CÔNG NGHIỆP .............................................................6

2.1 Cơ sở kỹ thuật mạng ...............................................................................................6

2.2 Cấu trúc mạng.........................................................................................................6

2.2.1 Liên kết (link) ..................................................................................................6

2.2.2 Cấu trúc (Topology) .........................................................................................6

2.3 Kiểm soát và truy nhập bus.....................................................................................7

2.3.1 Vấn đề kiểm soát truy nhập bus........................................................................7

2.3.2 Phương pháp kiểm soát tập trung chủ/tớ (Master/Slave)...................................8

2.3.3 Phương pháp kiểm soát phân tán Token Passing...............................................9

2.3.4 Kết hợp Token với Master/Slave (Multimaster)................................................9

2.3.5 Truy nhập nhận biết xung đột CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with

Collision Detection) ................................................................................................... 10

2.4 Bảo toàn dữ liệu.................................................................................................... 11

2.4.1 Vấn đề bảo toàn dữ liệu.................................................................................. 11

2.4.2 Bảo toàn dữ liệu kiểu bit chẵn/lẻ (parity bit)................................................... 11

2.4.3 Bảo toàn kiểu mã vòng (CRC)........................................................................ 13

2.4.4 Bảo toàn kiểu nhồi bit (Bit stuffing) ............................................................... 14

2.5 Mã hóa và giải mã................................................................................................. 14

2.5.1 Đặt vấn đề...................................................................................................... 14

2.5.2 Các phương pháp mã hóa/ giải mã trong truyền tin công nghiệp..................... 14

2.6 Kỹ thuật truyền dẫn............................................................................................... 17

2.6.1 Phương thức truyền dẫn tín hiệu..................................................................... 17

2.6.2 Đặc điểm cổng truyền thông........................................................................... 18

2.7 Giao thức truyền tin .............................................................................................. 19

2.7.1 Mô hình lớp.................................................................................................... 19

2.7.2 Kiến trúc TCP/IP (Transmission Control Protocol/ Internet Protocol) ........... 20

2.8 Các thành phần trong mạng truyền thông.............................................................. 21

2.8.1 Cáp điện:........................................................................................................ 21

2.8.2 Sóng vô tuyến: ............................................................................................... 21

2.8.3 NIC – Network Interface Card........................................................................ 22

2.8.4 Hup ................................................................................................................ 22

2.8.5 Repeater (Bộ chuyển tiếp) .............................................................................. 22

2.8.6 Bridge (Cầu)................................................................................................... 22

2.8.7 Multiplexor (bộ dồn kênh).............................................................................. 22

2.8.8 Modem (Modulation/Demodulation).............................................................. 23

2.8.9 Router (Bộ chọn đường)................................................................................. 23

2.9 Thực hiện bài tập ứng dụng sử dụng phần mềm software...................................... 23

Chương 3 CÁC MẠNG THÔNG DỤNG ....................................................................... 24

3.1 AS-Interface ......................................................................................................... 24

3.1.1 Giới thiệu chung............................................................................................. 24

3.1.2 Yêu cầu & đặc điểm chung:............................................................................ 24

3.1.3 Kiến trúc giao thức......................................................................................... 25

3.1.4 Cấu trúc mạng & cáp truyền........................................................................... 25

3.1.5 Cơ chế giao tiếp ............................................................................................. 25

3.1.6 Cấu trúc bức điện ........................................................................................... 26

3.1.7 Mã hóa bit...................................................................................................... 26

3.1.8 Bảo toàn dữ liệu ............................................................................................. 26

3.2 Profibus ................................................................................................................ 27

3.2.1 Giới thiệu chung............................................................................................. 27

3.2.2 Đặc điểm........................................................................................................ 27

3.2.3 Kiến trúc giao thức......................................................................................... 27

3.2.4 Kỹ thuật truyền dẫn........................................................................................ 28

3.2.5 Truy nhập bus ................................................................................................ 29

3.2.6 Dịch vụ truyền dữ liệu (lớp 2) ........................................................................ 29

3.2.7 Cấu trúc bức điện (lớp 2)................................................................................ 29

3.3 Interbus................................................................................................................. 30

3.3.1 Giới thiệu chung............................................................................................. 30

3.3.2 Kiến trúc giao thức......................................................................................... 30

3.3.3 Cấu trúc mạng................................................................................................ 31

3.3.4 Kỹ thuật truyền dẫn........................................................................................ 31

3.3.5 Cơ chế giao tiếp ............................................................................................. 32

3.3.6 Cấu trúc bức điện ........................................................................................... 32

3.4 CAN ..................................................................................................................... 32

3.4.1 Giới thiệu chung............................................................................................. 32

3.4.2 Kiến trúc giao thức......................................................................................... 33

3.4.3 Kỹ thuật truyền dẫn........................................................................................ 33

3.4.4 Cơ chế giao tiếp ............................................................................................. 34

3.4.5 Cấu trúc bức điện ........................................................................................... 34

3.4.6 Bảo toàn dữ liệu ............................................................................................. 34

3.5 ETHERNET ......................................................................................................... 35

3.5.1 Giới thiệu chung............................................................................................. 35

3.5.2 Kiến trúc giao thức......................................................................................... 36

3.5.3 Cấu trúc mạng và Kỹ thuật truyền dẫn............................................................ 36

3.5.4 Cơ chế giao tiếp ............................................................................................. 37

3.5.5 Cấu trúc bức điện ........................................................................................... 37

Chương 4 SCADA/EMS TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN.................................................... 38

4.1 Tổng quan SCADA............................................................................................... 38

4.2 Nguyên tắc làm việc của hệ thống SCADA........................................................... 38

4.2.1 Thu thập dữ liệu:............................................................................................ 38

4.2.2 Điều khiển:..................................................................................................... 39

4.2.3 Giám sát:........................................................................................................ 39

4.3 Chức năng scada .................................................................................................. 39

4.3.1 Thu nhận dữ liệu ............................................................................................ 39

4.3.2 Giao tiếp người máy....................................................................................... 39

4.3.3 Quản lý SCADA ............................................................................................ 40

4.3.4 Các ứng dụng SCADA................................................................................... 40

4.4 Kỹ thuật đo lường trong scada .............................................................................. 40

4.4.1 Giao thức truyền tin........................................................................................ 40

4.4.2 Biến dòng và biến áp (CT và VT)................................................................... 40

4.4.3 Bộ chuyển đổi Transducer.............................................................................. 41

4.4.4 Bộ chuyển đổi tương tự - số (ADC- Analog Digital Converter)...................... 41

4.5 Thiết bị thu thập dữ liệu........................................................................................ 41

4.5.1 Công nghệ RTU tập trung .............................................................................. 41

4.5.2 Công nghệ RTU phân tán:.............................................................................. 42

4.5.3 Công nghệ GateWay: ..................................................................................... 42

4.6 GHÉP NỐI RTU với HTĐ.................................................................................... 43

4.6.1 Ghép nối tín hiệu tương tự.............................................................................. 43

4.6.2 Ghép nối tín hiệu số ....................................................................................... 44

4.6.3 Ghép nối tín hiệu đầu ra Analog..................................................................... 45

4.6.4 Ghép nối tín hiệu đầu ra số (DOT) ................................................................. 45

Chương 5 LẬP TRÌNH WINCC..................................................................................... 46

5.1 Các thành phần soạn thảo...................................................................................... 46

5.1.1 Alarm Logging............................................................................................... 46

5.1.2 Tag logging. ................................................................................................... 46

5.1.3 Graphics Designer.......................................................................................... 53

5.1.4 Global scripts. ................................................................................................ 58

5.1.5 Report designer .............................................................................................. 67

5.2 Tạo các giao diện kết nối bằng WinCC. ................................................................ 74

5.2.1 Các bước để tạo một Project trong WinCC..................................................... 74

5.2.2 Cài đặt Driver kết nối PLC............................................................................. 74

5.2.3 Tạo External Tag (biến ngoài)........................................................................ 75

5.2.4 Internal Tag: (biến ngoại).............................................................................. 76

5.2.5 Tạo giao diện.................................................................................................. 77

5.2.6 Cài đặt tham số khi chạy Runtime .................................................................. 79

5.3 Tạo function và action trong Wincc ...................................................................... 80

5.3.1 Các thành phần function và action.................................................................. 80

5.3.2 Khả năng lập trình và ứng dụng:..................................................................... 81

5.4 Cấu trúc chương trình của một C-Action cho một Property của đối tượng: ........... 82

5.5 Bài tập lớn ............................................................................................................ 83

Chương 6 GIAO TIẾP PLC ỨNG DỤNG ...................................................................... 84

6.1 Kết nối Wincc và s7-200:...................................................................................... 84

6.1.1 Giới thiệu về S7-200 và PC Access: ............................................................... 84

6.1.2 Thiết lập OPC-Server với S7-200 PC Access: ................................................ 85

6.2 Thiết kế mô hình giám sát điều khiển trên Wincc.................................................. 87

6.2.1 Tạo dự án mới................................................................................................ 87

6.2.2 Cài đặt Driver kết nối PLC............................................................................. 87

6.2.3 Định nghĩa các Tag sử dụng ........................................................................... 88

6.2.4 Tạo và soạn thảo giao diện người dùng: ......................................................... 89

6.3 Thiết lập các thuộc tính cho các đối tượng: ........................................................... 90

6.3.1 Thiết lập sự kiện của các nút nhấn:................................................................. 90

6.3.2 Thiết lập thuộc tính cho các đèn báo............................................................... 93

6.3.3 Tạo hiệu ứng ảnh động bằng C-Action ........................................................... 95

6.4 Thiết lập mạng plc s7 – 300/400 ........................................................................... 98

6.4.1 Thiết lập cấu hình hardware ........................................................................... 98

6.4.2 Cài đặt simatic net.......................................................................................... 99

6.4.3 Mô hình quản lý và giám sát: ....................................................................... 100

6.4.4 Tạo các giao diện kết nối bằng wincc. .......................................................... 103

Chương 1

1.1 Hệ thống thông tin công nghiệp

1.1.1 Khái niệm

CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN

Mạng truyền thông công nghiệp hay mạng công nghiệp là một khái niệm chung chỉ các

hệ thống mạng truyền thông số, truyền bít nối tiếp, được sử dụng ghép nối các thiết bị công

nghiệp.

Hình 1:

Sơ đồ mạng PCS7(Siemens) trong công nghiệp

Ngoài ra, có rất nhiều mạng công nghiệp của các tập đoàn trên thế giới như: Mạng

PlantScape(Honeywell), DeltaV(Fisher-Rosermount), ProcessLogix(Allen-Bradley)…

1.1.2 Trúc cơ bản một hệ thống điều khiển và giám sát (HTĐK&GS)

Hình 2:

Sơ đồ mạng PCS7 (Siemens) trong công nghiệp

1.1.3 Đặc điểm của mạng truyền thông công nghiệp

Đơn giản hóa cấu trúc liên kết giữa các thiết bị công nghiệp

Tiết kiệm dây nối và công thiết kế, lắp đặt hệ thống

Nâng cao độ tin cậy và độ chính xác của thông tin

Nâng cao độ linh hoạt, tính năng mở của hệ thống

Đơn giản hóa, tiện lợi hóa việc tham số hóa, chẩn đoán, định vị lỗi, sự cố của các thiết bị

Mở ra nhiều chức năng và khả năng ứng dụng mới của hệ thống

Hình 3:

Mô hình mạng truyền thống và mạng truyền thông công nghiệp

1.2 Mô hình phân cấp chức năng

1.2.1 Mục đích phân cấp

- Định nghĩa các cấp theo chức năng, không phụ thuộc lĩnh vực công nghiệp cụ thể. Mỗi

cấp có chức năng và đặc thù khác nhau.

- Với mỗi ngành công nghiệp, lĩnh vực ứng dụng có thể có các mô hình tương tự với số

cấp nhiều hoặc ít hơn.

Hình 4:

Sơ đồ phân cấp chức năng điều khiển

- Ranh giới giữa các cấp không phải bao giờ cũng rõ ràng.

- Càng ở những cấp dưới thì các chức năng càng mang tính chất cơ bản hơn và đòi hỏi

yêu cầu cao hơn về độ nhanh nhạy, thời gian phản ứng.

- Càng ở cấp trên quyết định càng quan trọng hơn, lượng thông tin cần trao đổi và xử lý

càng lớn hơn.

- Phân cấp tiện lợi cho công việc thiết kế hệ thống.

1.2.2 Phân loại mạng công nghiệp

- Mạng công nghiệp vào/ra tập trung (central I/O):

Đặc điểm: Mạng công nghiệp tập trung có số lượng nđi dây nhiều, hệ thống điều khiển tập

trung 1 vị trí nên độ tin cậy chưa cao. Kích thước mạng là một trở ngại cho hệ thống tập

trung bởi đường truyền tư các thiết bị về trung tâm

Hình 5:

Sơ đồ mạng công nghiệp vào ra tập trung, A: actuator S: sensor

- Mạng công nghiệp vào/ra phân tán (distributed I/O)

Mạng vào ra phân tán còn gọi là vào/ra từ xa (remote I/O)

Hình 6:

- Đặc điểm vào ra phân tán:

Sơ đồ mạng công nghệp vào ra phân tán

Ưu điểm nhiều, song vẫn còn nối dây truyền thống. Vào/ra phân tán với bus trường

chuẩn;

Tiết kiệm chi phí dây dẫn và công lắp đặt: Từ bộ điều khiển xuống tới các vào/ra

phân tán chỉ cần một đường truyền duy nhất;

Cấu trúc đơn giản: Thiết kế và bảo trì hệ thống dễ dàng hơn;

Tăng độ tin cậy của hệ thống;

Truyền kỹ thuật số => hạn chế lỗi;

Nếu có lỗi truyền thông cũng dễ dàng phát hiện nhờ các biện pháp bảo toàn dữ liệu

của hệ bus;

Tăng độ linh hoạt của hệ thống;

Tự do hơn trong lựa chọn các thiết bị vào/ra;

Tự do hơn trong thiết kế cấu trúc hệ thống;

Khả năng mở rộng dễ dàng hơn;

Vào/ra phân tán không nhất thiết phải đặt gần tại hiện trường (chỉ lợi dụng ưu điểm

cuối cùng).

1.2.3 Giao tiếp với thiết bị thông thông thường

Để kết nối với thiết bị cảm biến hay chấp hành người ta sử dụng 2 phương pháp nối dây

trực tiếp hay nối dây thông qua bus (bus trường). Ngày nay, hầu hết các thiết bị điều khiển

công nghiệp đều nối dây thông qua bus gọi là mạng công nghiệp.

Hình 7:

So sánh mô hình sử dụng Bus thường và Bus trường

Trên Hình 7: là sơ đồ đấu nối thiết bị cảm biến với bus trường và dây nối thường. Với

những tính năng ưu điểm vượt trội của phương pháp nối mạng là: Cấu trúc đơn giản, dễ

thiết kế và lắp đặt. giảm chi phí cáp truyền, các khối vào/ra và các phụ kiện khác, khả năng

chẩn đoán các thiết bị trường qua mạng một cách dễ dàng, khả năng tích hợp các chức năng

điều khiển tự động xuống các thiết bị trường => trí tuệ phân tán (distributed intelligence).

1.3 Các kiến trúc giao thức

1.3.1 Kiến trúc Master/Slave

Một trạm chủ phối hợp hoạt động của nhiều trạm tớ, các trạm tớ có vai trò, nhiệm vụ

tương tự như nhau, các trạm tớ có thể giao tiếp trực tiếp, hoặc không trực tiếp. Vai trò chủ

động thuộc về Master.

Hình 8:

Kiến trúc Slave/Master

Ví dụ: Các ứng vào/ra phân tán, các thiết bị trường

1.3.2 Kiến trúc Client/Server

Kiến trúc Client/Server thực hiện các dịch vụ chung, phục vụ các client. Giữa các client

không cần thiết có giao tiếp trực tiếp. Vai trò chủ động trong giao tiếp thuộc về client.

Hình 9:

Vào ra phân tán thiết bị trường theo kiến trúc Clien/Server

1.4 Cài đặt phần mềm Win CC, Step 7 và tự học lập trình ở nhà

Chương 2

KỸ THUẬT MẠNG CÔNG NGHIỆP

2.1 Cơ sở kỹ thuật mạng

Chế độ truyền tải - điều chế tín hiệu là chế độ thông dụng nhất trong hệ thống truyền

thông công nghiệp

Truyền tải dải cơ sở: Tín hiệu mang một nguồn thông tin duy nhất trên dải tần cơ sở

Truyền tải dải mang: Tín hiệu mang một nguồn thông tin duy nhất trên dải sóng mang.

Truyền tải dải rộng: Tín hiệu mang nhiều nguồn thông tin cùng một lúc trên một dải tần

rộng.

Hình 10:

Các kiểu truyền trong mạng công nghiệp

Các thông số đặc trưng cho truyền dẫn

Tốc độ truyền và tốc độ bit

Thời gian bit/Chu kỳ bit T_B= 1/v T_B= 1/f.n, n là hệ số môi trường

Thời gian lan truyền tín hiệu T_S= l/(k*c)

c là tốc độ ánh sáng và k là hệ số giảm tốc độ truyền

2.2 Cấu trúc mạng

l là chiều dài dây dẫn,

2.2.1 Liên kết (link)

Các kiểu liên kết: Liên kết điểm - điểm (point-to-point)

Liên kết điểm - nhiều điểm (multi-drop)

Liên kết nhiều điểm (multipoint)

2.2.2 Cấu trúc (Topology)

Cấu trúc liên kết của một mạng, tổng hợp của các liên kết. Cấu trúc bus liên quan tới tính

năng:

Tính thời gian thực

Đô tin cậy và tính sẵn sàng của hệ thống

Tính đơn giản

Khoảng cách truyền

 Cấu trúc bus

Hình 11:

Sơ cấu trúc bus liên kết mạng truyền thông công nghiệp

 Cấu trúc mạch vòng (tích cực)

Hình 12:

Sơ đồ cấu trúc mạch vòng tích cực

 Cấu trúc hình sao

Hình 13:

Sơ đồ cấu trúc hình sao và hình cây

2.3 Kiểm soát và truy nhập bus

2.3.1 Vấn đề kiểm soát truy nhập bus

Kiểm soát truy nhập bus (Bus access control, Medium Access Control): Phân chia thời

gian truy nhập đường truyền (gửi tín hiệu đi)

Phương pháp kiểm soát truy nhập bus ảnh hưởng tới: Độ tin cậy, tính năng thời gian thực,

hiệu suất sử dụng đường truyền

2.3.2 Phương pháp kiểm soát tập trung chủ/tớ (Master/Slave)

Hình 14:

Truy nhập bus theo phương pháp chủ tớ

Vai trò của trạm chủ:

- Kiểm soát hoàn toàn giao tiếp trong hệ thống, hoặc chỉ đóng vai trò phân chia quyền

truy nhập bus

Ưu điểm:

— Tiền định

— Đơn giản, đỡ tốn kém

— Trí tuệ tập trung tại một trạm chủ

Nhược điểm:

— Độ tin cậy phụ thuộc vào một trạm duy nhất

— Hiệu suất trao đổi dữ liệu giữa hai trạm chủ/tớ thấp

Ứng dụng chủ yếu phổ biến trong các hệ thống bus cấp thấp (bus trường hay bus thiết bị)

trao đổi thông tin hầu như chỉ diễn ra giữa trạm chủ là thiết bị điều khiển và các trạm tớ là

thiết bị trường hoặc các module vào/ra phân tán.

Biểu đồ trình tự giao tiếp

Hình 15:

Giao tiếp theo cơ chế chủ/tớ

2.3.3 Phương pháp kiểm soát phân tán Token Passing

Hình 16:

Truy nhập bus theo Phương pháp kiển soát phân tán Token Passing

Tuần tự các bước kiểm soát truy nhập bus theo phương pháp Token Passing

Giám sát token: Nếu do một lỗi nào đó mà token bị mất hoặc gia bội, cần phải thông báo

xóa các token cũ và tạo một token mới.

Khởi tạo token: Sau khi khởi động một trạm được chỉ định có trách nhiệm tạo một token

mới.

Tách trạm ra khỏi mạch vòng logic: Một trạm có sự cố phải được phát hiện và tách ra

khỏi trình tự được nhận token.

Bổ sung trạm mới: Một trạm mới được kết nối mạng, một trạm cũ được thay thế hoặc đưa

trở lại sử dụng phải được bổ sung vào mạch vòng logic để có quyền nhận token.

Ưu điểm:

— Tiền định

— Độ tin cậy cao hơn nhờ vai trò bình đẳng

— Phù hợp cho nhiều cơ chế giao tiếp khác nhau

Nhược điểm:

— Phức tạp

Ứng dụng: chủ yếu ở cấp phía trên (bus điều khiển, bus hệ thống)

2.3.4 Kết hợp Token với Master/Slave (Multimaster)

Ưu điểm:

— Tiền định, phù hợp với trao đổi dữ liệu tuần hoàn

— Có thể đáp ứng yêu cầu rất ngặt nghèo về tính năng thời gian thực

— Không cần kiểm soát tập trung

Nhược điểm:

— Hiệu suất sử dụng đường truyền có thể không cao

— Đồng bộ hóa thời gian phức tạp

Ứng dụng: Thường là kết hợp với Master/Slave (ví dụ Profibus-DP V2.0, Interbus) hoặc

Token Passing (Foundation Fieldbus H1). Chủ yếu ở cấp trường

Hình 17:

Truy nhập bus kết hợp 2 phương pháp chủ tớ với Token

2.3.5 Truy nhập nhận biết xung đột CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with

Collision Detection)

Đây một phương pháp truy nhập bus ngẫu nhiên, nổi tiếng cùng mạng Ethernet (IEEE

802.3). Trình tự các bước cho phương pháp CSMA/CD được chỉ ra trên hình

Carrier Sense: Cảm nhận, nghe ngóng đường truyền

Multiple Access: Đa truy nhập (đương nhiên!)

Collision Detection: Nhận biết xung đột

Ưu điểm:

— Rất linh hoạt, không cần đặt cấu hình mạng trước

— Được sử dụng rộng rãi

Nhược điểm:

— Thiếu tính tiền định

— Thuật toán phức tạp

Ứng dụng: Chủ yếu ở mạng cấp cao (Ethernet), gần đây được sử dụng ở cấp thấp: Sử

dụng công nghệ chuyển mạch (switch) nhằm giảm xung đột tín hiệu.

Hình 18:

2.4 Bảo toàn dữ liệu

Sơ đồ giả định xảy ra xung đột đường truyền

2.4.1 Vấn đề bảo toàn dữ liệu

- Phân loại lỗi

+ Lỗi phát hiện được, không sửa được

+ Lỗi phát hiện được nhưng sửa được

+ Lỗi không phát hiện được.

- Giải pháp khắc phục lỗi

+ Giải pháp phần cứng

+ Giải pháp phần mềm (xử lý giao thức) => Bảo toàn dữ liệu

- Tỉ lệ bit lỗi p : Là thước đo đặc trưng cho độ nhiễu của kênh truyền dẫn, được tính

bằng tỉ lệ giữa số bit bị lỗi trên tổng số bit được truyền đi.

- Tỉ lệ lỗi còn lại R : Là thông số đặc trưng cho độ tin cậy dữ liệu của một hệ thống

truyền thông, sau khi đã thực hiện các biện pháp bảo toàn (kể cả truyền lại trong trường hợp

phát hiện ra lỗi).

- Thời gian trung bình giữa hai lần lỗi T_MTBF(MTBF = Mean Time Between Failures):

T_MTBF= n/(v*R)

- Khoảng cách Hamming: thông số đặc trưng cho độ bền vững của một mã dữ liệu chính

là khả năng phát hiện lỗi của một phương pháp bảo toàn dữ liệu.

2.4.2 Bảo toàn dữ liệu kiểu bit chẵn/lẻ (parity bit)

- Dùng parity: là đếm số bit “1” trong khung dữ liệu từ đó gán cho bit chẵn/lẻ p sao cho

tổng các bít “1” trong dữ liệu + p là số chẵn (có thể lẻ tùy theo phương pháp).

Ví dụ: Khung UART

UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter) được sử dụng khá rộng rãi trong

truyên thông.

Dãy bit nguyên bản: 1001101 sử dụng phương pháp bit chẵn lẽ

Dãy bit gửi đi: 10011010=> dữ liệu 01 byte

Giả sử nhận được: 10111010 => Lỗi phát hiện được

Giả sử nhận được: 11111010 => Lỗi không phát hiện được

Bit chẵn lẻ hai chiều (bảo toàn khối)

Trường hợp xảy ra 3 lỗi, 4 lỗi

Câu hỏi kiểm tra: Cho một mảng dữ liệu hai chiều nhận được là AxB = 4x4 là như sau: sử

dụng phương pháp bít chẳn 2 chiều xác định vị trí lỗi A_i(hàng) B_j(cột) và sửa lỗi chúng cho

đúng với nguyên bản bân đầu.

A/B

0

1

2

3

p

1

0

1

0

1

0

1

0

1

0

1

0

1

0

1

0

1

2

3

p

2.4.3 Bảo toàn kiểu mã vòng (CRC)

- CRC (Cyclic Redundancy Check ): Thông tin kiểm lỗi (ở đây được gọi là checksum)

phải được tính bằng một thuật toán thích hợp, trong đó giá trị mỗi bit của thông tin nguồn

đều được tham gia nhiều lần vào quá trình tính toán. CRC được sử dụng rộng rãi trong đa số

các hệ thống truyền thông công nghiệp. CRC còn được gọi là phương pháp đa thức, bởi nó

sử dụng phép chia đa thức (nhị phân):

- Đa thức nhị phân: các hệ số là 0 hoặc 1, ví dụ: G = x⁷+ x⁶+ x⁵+ x²+ 1

G = x⁷+ x⁶+ x⁵+ 0x⁴+ 0x³+ x²+ 0x¹+ 1 vậy mã G = {11100101}

- Phép chia đa thức nhị phân được qui về các phép so sánh, sao chép và XOR

Nguyên tắc thực hiện

- Hai bên qui ước một “đa thức phát” G bậc n, ví dụ x³+x+1 tương ứng với dãy bit {1011}.

- Dãy bit mang thông tin nguồn I được thêm vào n bit 0 và coi như một đa thức nhị phân P.

- Ví dụ thông tin nguồn là {110101} => P ={110101000}

- Lấy P chia cho G ta được kết quả và phần dư R (bậc P > bậc G)

- Phần dư R của phép chia được thay thế vào chỗ của n chữ 0 bổ sung trong P, tức là ta có

giá tri mới D = P (sau khi bổ sung phần dư vào P).

+ R được gọi là checksum và D chính là dãy bit được gửi đi thay cho I.

Giả sử dãy bit nhận được là D' không chia hết cho G => bức điện chắc chắn bị lỗi. Nếu

D' chia hết cho G, thì xác suất rất cao là bức điện nhận được không có lỗi.

Ví dụ minh họa:

Thông tin cần truyền I = 110101, đa thức G = 1011 (tức x³+ x + 1)

Thêm 3(n=3) bit 0 vào thông tin nguồn I, ta có P = 110101000

Chia đa thức P : G

110101000 : 1011 = 111101 dư 111

Dãy bit được chuyển đi: D = P + R = 110101 111

Giả sử dữ liệu nhận được là D' = 110101 111

Chia đa thức D' : G 110101111 : 1011 = 111101

Phần dư 0 -> Kết luận không có lỗi, ngược lại nếu một bít nhận được mà chia không hết

thì dữ liệu này bị lỗi.