MẠNG TRUYỀN THÔNG CÔNG NGHIỆP
Tài liệu tham khảo
[1] Hoàng Minh Sơn – Mạng truyền thông công
nghiệp – NXB KH & KT 2001
[2] Nguyễn Thúc Hải – Mạng máy tính và các hệ
thống mở- NXB Giáo dục 1997
1
MẠNG TRUYỀN THÔNG CÔNG NGHIỆP
Nội dung môn học
Phần lý thuyết cơ bản (45 tiết)
– Khái niệm về mạng truyền thông công nghiệp
– Cơ sở kỹ thuật của mạng truyền thông công nghiệp
– Các hệ thống mạng tiêu biểu
• Profibus
• CAN
• DeviceNET
• Modbus
• Interbus-S
• AS-I
– Một số mạng truyền thông trong thực tế
Phần bài tập lớn (15 tiết)
2
CHƯƠNG 1
KHÁI NIỆM
MẠNG TRUYỀN THÔNG CÔNG NGHIỆP
3
KHÁI NIỆM VỀ MẠNG TTCN
1.1
Mạng truyền thông công nghiệp ?
+ Mạng TTCN là một mạng truyền thông số được sử dụng để kết
nối các thiết bị công nghiệp với nhau
+ Mạng TTCN giống mạng viễn thông ở điểm gì ?
- Đều là mạng kết nối các thiết bị truyền dữ liệu với nhau
+ Đặc điểm khác biệt của mạng TTCN với mạng viễn thông ?
- Mạng viễn thông có phạm vi địa lý và số lượng thiết bị kết nối lớn nên
các đặc điểm kỹ thuật và đặc điểm yêu cầu khác so với mạng TTCN
- Đối tượng của mạng TTCN là các thiết bị công nghiệp còn đối tượng
của mạng viễn thông bao gồm cả con người và máy tính nhưng con
người đóng vai trò chủ đạo
4
KHÁI NIỆM VỀ MẠNG TTCN
+ Ý nghĩa của mạng TTCN
- Đơn giản hóa cấu trúc của mạng công nghiệp
- Giảm giá thành hệ thống
- Cải thiện tính linh hoạt, tính chính xác và mang lại khả năng
mở rộng hệ thống một cách linh hoạt
- Dễ dàng chuẩn đoán lỗi hệ thống và trong nhiều trường hợp
có khả năng tự sửa lỗi hoặc tự động chuyển sang chế độ dự
phòng
- Nâng cao khả năng tương tác giữa các thành phần
- Ứng dụng điều khiển phân tán, điều khiển giám sát
5
KHÁI NIỆM VỀ MẠNG TTCN
1.2
Đặc trưng của mạng TTCN
6
KHÁI NIỆM VỀ MẠNG TTCN
Hệ thống bus trường có nhiệm vụ kết nối các thiết bị trường là
các cơ cấu chấp hành, các sensors tại cấp trường với các bộ
điều khiển ở cấp điều khiển. Hệ thống bus ở cấp này có dung
lượng truyền rất ít, chủ yếu là các tín hiệu và các thông số điều
khiển. Băng thông không cần lớn nhưng cần đáp ứng thời gian
thực
Bus hệ thống kết nối các bộ điều khiển với các máy tính giám sát.
Bus hệ thống cũng giống như bus trường có dung lượng truyền
không lớn nhưng cần có khả năng đáp ứng thời gian thực để
đảm bảo giám sát các quá trình công nghệ, kỹ thuật để nhanh
chóng đưa ra các quyết định điều khiển một cách chính xác và
kịp thời.
Mạng xí nghiệp là hệ thống mạng kết nối các máy tính giám sát
7
KHÁI NIỆM VỀ MẠNG TTCN
quá trình công nghệ với hệ thống máy tính quản lý mang tính
chất quản lý kinh tế, điều hướng kinh doanh
Mạng công ty là hệ thống mạng kết nối trong nội bộ các phòng
chức năng quản lý kinh tế và kỹ thuật trong nội bộ công ty.
Mạng công ty cũng như mạng xí nghiệp có đặc điểm là lượng
thông tin cần trao đổi rất lớn, nó cần trao đổi thông tin của
toàn bộ quá trình công nghệ ở dưới nên cần có dung lượng
cao. Tuy nhiên, các quyết định điều khiển ở cấp quản lý công
ty và cấp điều hành sản xuất chỉ mang tính định hướng sản
xuất, không cần tác động ngay vào hệ thống công nghệ phía
dưới nên nó không cần đáp ứng tính thời gian thực. Người ta
có thể sử dụng 1 mạng thông tin viễn thông để thực hiện chức
năng của mạng xí nghiệp và mạng công ty
8
CHƯƠNG 2
CƠ SỞ KỸ THUẬT
MẠNG TRUYỀN THÔNG CÔNG NGHIỆP
9
CƠ SỞ KỸ THUẬT
2.1. Thông tin, dữ liệu và hệ thống truyền dữ liệu
Thông tin là thước đo mức nhận thức, sự hiểu biết của một vấn
đề, một sự kiện hoặc một hệ thống
Dữ liệu là phần thông tin hữu dụng trong một tập hợp các thông
tin về đối tượng, một sự kiện hoặc một vấn đề
Lượng thông tin là lượng dữ liệu cần thiết để biểu diễn một đơn
vị thông tin
VD: 1 tờ báo có rất nhiều chuyên mục khác nhau. Các nội dung mà bài báo đề
cập tới chính là các thông tin. Người đọc A chỉ quan tâm đến thể thao, bài
viết về thể thao chính là dữ liệu cần thiết đối với A. Số lượng từ trong bài
viết chính là lượng thông tin. Nếu bài viết trên internet thì dung lượng nKB
chính là lượng thông tin để biểu diễn bài báo.
10
CƠ SỞ KỸ THUẬT
Tín hiệu biểu diễn một đại lượng vật lý mang thông tin. Các tín
hiệu thường gặp là tín hiệu quang, tín hiệu điện, khí nén, thủy
lực...
Phân loại tín hiệu
• Tín hiệu tương tự: có giá trị liên tục trong một khoảng bất kì
• Tín hiệu liên rời rạc: Tham số chỉ có giá trị nhất định
• Tín hiệu liên tục: tín hiệu có ý nghĩa tại một điểm bất kì trong
khoảng thời gian quan tâm
• Tín hiệu gián đoạn: Tín hiệu chỉ có giá trị xác định tại những
thời điểm xác định. Tại các thời điểm khác, giá trị của nó là
không xác định được.
11
CƠ SỞ KỸ THUẬT
Giao tiếp truyền thông là một quá trình trao đổi thông tin giữa
các thiết bị với nhau. Các tín hiệu có thể là tín hiệu âm thanh,
hình ảnh, văn bản hoặc đơn thuần là dữ liệu
Mã hóa/giải mã
12
CƠ SỞ KỸ THUẬT
Thông tin trước khi được truyền đi trên hệ thống truyền dẫn tín
hiệu phải trải qua quá trình mã hóa. Với bên nhận thông tin,
các thông tin nhận được sẽ được giải mã.
Quá trình mã hóa ít nhất phải trải qua 2 bước
• Mã hóa nguồn: là quá trình thông tin được bổ xung các thông
tin phụ trợ cần thiết cho truyền dẫn như địa chỉ nguồn tin, địa
chỉ đích đến, kiểm soát lỗi, số lượng gói tin,...
• Mã hóa đường truyền: là quá trình chuyển đổi thông tin đã
được mã hóa nguồn thành dạng tín hiệu có thể truyền đi trong
môi trường truyền dẫn(điều chế & điều biến)
Quá trình giải mã là quá trình chuyển tín hiệu nhận được thành
dữ liệu tương ứng, loại bỏ các thông tin thừa để xây dựng lại
nguồn tin
13
CƠ SỞ KỸ THUẬT
Các tham số của quá trình truyền thông
v  f *n
• Tốc độ truyền, tốc độ bit
1
T

B
• Thời gian bit, chu kỳ bit
v
l
• Thời gian lan truyền tín hiệu
T 
S
k *c
Trong đó:
l – chiều dài dây dẫn
c – Tốc độ ánh sáng trong chân không
k – hệ số giảm tốc độ truyền do lớp cách li
1
 hằng số điện môi của lớp cách li
k

14
CƠ SỞ KỸ THUẬT
Tính năng thời gian thực: tính thời gian thực là tính chất kịp
thời của hệ thống. Điều này có nghĩa là các quyết định xảy ra
trong hệ thống không những cần sự chính xác mà còn cần đến
thời điểm đưa ra quyết định.
Những yêu cầu đảm bảo tính thời gian thực
• Độ nhanh nhạy
• Tính tiền định
• Độ tin cậy, kịp thời
• Tính bền vững
15
CƠ SỞ KỸ THUẬT
2.2
Chế độ truyền tải
A, Phân loại chế độ truyền tải
Phân loại theo phương pháp truyền bit
Phương pháp Truyền song song
truyền bit
Truyền nối tiếp
Nguyên tắc
Ưu điểm
Nhiều bit được truyền đi đồng Cách thực hiện đơn giản, độ tin cậy
thời
của dữ liệu cao
Nhược điểm
Giá thành cao
Ứng dụng
Khoảng cách nhỏ cần yêu cầu Thường được sử dụng trong các
cao về thời gian và tốc độ truyền mạng công nghiệp
16
Tốc độ truyền bị hạn chế
CƠ SỞ KỸ THUẬT
Phân loại theo chế độ truyền
Chế độ truyền Truyền đồng bộ
Truyền không đồng bộ
Nguyên tắc
Các đối tác truyền thông hoạt động
theo cùng một xung nhịp, tức là
cùng một tần số với độ lệch pha nhất
định
Một trạm giữ vai trò tạo nhịp và
truyền đến các trạm khác theo hệ
thống dây dẫn
Bên gửi và bên nhận hoạt động
không theo một nhịp chung, dữ
liệu trao đổi theo 1 nhóm có dung
lượng 7 hoặc 8 bit
Các nhóm được truyền đi vào
những thời điểm không đều nhau
Ưu điểm
Kiểm soát được tốc độ hoạt động Hoạt động đơn giản, dễ áp dụng
của tất cả các trạm trong hệ thống
Nhược điểm
Khó áp dụng với hệ thống có số Lượng thông tin truyền đi lớn do
lượng thiết bị lớn và khoảng cách xa phải thêm các trường bổ trợ
truyền thông
Ứng dụng
Thường được áp dụng truyền giữa 2 Hầu hết các trường hợp trong
thiết bị
công nghiệp
17
CƠ SỞ KỸ THUẬT
B, Các chế độ truyền tải
CĐ T Tải
Simplex
Half-Duplex
Full-Duplex
Ưu điểm
Đơn giản
Dữ liệu truyền 2 hướng
Không đòi hỏi cấu hình
phức tạp, có thể đạt được
tốc độ cao
Dữ liệu truyền trên các
đường độc lập nên 1
trạm có thể thu phát
đồng thời
Nhược
điểm
Không áp dụng được Tại 1 thời điểm chỉ truyền Phải dùng 2 đường
trong công nghiệp
theo 1 hướng
truyền riêng cho 1 liên
kết
Ứng dụng
Gần như không có ứng Thường dùng trong liên
dụng trong công nghiệp kết điểm-nhiều điểm.
Được dùng phổ biến
trong
công
nghiệp
(RS485)
Nguyên
tắc
Thích hợp trong liên kết
nhiều điểm-nhiều điểm.
Ứng dụng trong cấu trúc
mạch vòng và cấu trúc
hình sao
18
CƠ SỞ KỸ THUẬT
Truyền tải dải cơ sở, dải mang và dải rộng
Truyền tải dải cơ sở
Truyền tải dải mang
Truyền tải dải rộng
Nguyên
tắc
Tín hiệu truyền đi là tín
hiệu được tạo ra sau khi
mã hóa, có tần số cố định
hoặc nằm trong một
khoảng hẹp nào đó gọi là
dải cơ sở
Tín hiệu truyền đi là tín
hiệu được điều chế lên 1
dải tần số thích hợp,
thông thường có tần số
cao
1 tín hiệu chứa nhiều
nguồn thông tin bằng
cách kết hợp thông
minh. Mỗi tín hiệu được
tạo ra lại được sử dụng
để điều biến 1 tín hiệu
khác
Ưu điểm
Đơn giản, dễ thực hiện, Khắc phục ảnh hưởng Tốc độ cao
tin cậy
nhiễu xạ từ các thiết bị Truyền song song nhiều
điện tử
nguồn tin
Nhược
điểm
Đường truyền chỉ mang Đường truyền chỉ mang
1 kênh thông tin duy 1 kênh thông tin duy
nhất, mọi thành viên phải nhất
phân chia thời gian sử
dụng
Tốc độ hạn chế
Giá thành cao
Tính thời gian thực kém
Chủ yếu dùng trong
mạng viễn thông, không
được sử dụng trong
mạng công nghiệp
19
CƠ SỞ KỸ THUẬT
2.3
Cấu trúc mạng
Các khái niệm
Liên kết là mối quan hệ vật lý hoặc logic giữa hai hay nhiều đối
tác truyền thông. Đối tác truyền thông có thể là một thiết bị
phần cứng nhưng cũng có thể là một đối tượng phần mềm.
Các loại liên kết
• Liên kết điểm – điểm
• Liên kết điểm – Nhiều điểm
• Liên kết nhiều điểm – Nhiều điểm
Topology là tổng hợp các liên kết mạng, tức là nó là cách sắp xếp,
tổ chức về mặt vật lý hoặc cách sắp xếp về mặt logic của các
nút mạng
20
CƠ SỞ KỸ THUẬT
Cấu trúc bus
Cấu trúc daisy-chain
Cấu trúc truck-line/drop-line
Cấu trúc mạch vòng không tích cực
21
CƠ SỞ KỸ THUẬT
Ưu điểm
Nhược điểm
• Tiết kiệm dây dẫn
• Đòi hỏi phương pháp truy cập bus
• Đơn giản, dễ thực hiện
• Phải thực hiện gán địa chỉ logic
• Một trạm hỏng không ảnh hưởng theo kiểu thủ công cho từng trạm
các trạm còn lại
• Số trạm trong một đoạn mạng hạn
chế
• Có hiện tượng phản xạ tại mỗi đầu
dây, do đó phải tăng trở đầu cuối, điều
này làm tăng tải hệ thống
• Mạng bị dừng hoạt động nếu bị lỗi
đứt dây mạng
• Khó sử dụng các công nghệ truyền
dẫn quang
22
CƠ SỞ KỸ THUẬT
Cấu trúc mạch vòng tích cực
Các thành viên trong mạch vòng tích cực được nối từ điểm này đến
điểm kia một cách tuần tự trong một mạch vòng khép kín. Mỗi trạm
nhận dữ liêu từ trạm đứng trước và chuyển sang trạm kế tiếp. Quá
trình được lặp đi lặp lại cho đến khi dữ liệu quay về trạm đá gửi
Không có điều khiển trung tâm
Có điều khiển trung tâm
23
CƠ SỞ KỸ THUẬT
Ưu điểm
Nhược điểm
• Mỗi nút mạng đồng thời có thể
là một bộ khuếch đại nên khoảng
cách và số lượng thiết bị lớn
• Thích hợp sử dụng các phương
tiện truyền tín hiệu hiện đại như
truyền dẫn quang
• Việc gán địa chỉ các thiết bị
mạng có thể thực hiện hoàn toàn
tự động
• Có khả năng xác định vị trí xảy
ra sự cố
• Nếu xảy ra sự cố thì ảnh hưởng
đến hoạt động của toàn hệ thống
nên cần phải có các đường dây dự
phòng
24
CƠ SỞ KỸ THUẬT
Lỗi trên đường dây
Lỗi tại trạm
Bộ chuyển mạch by-pass trong mạch vòng
25
CƠ SỞ KỸ THUẬT
Cấu trúc hình sao
Trong cấu trúc hình sao, một trạm trung tâm sẽ đóng vai trò điều
khiển sự truyền thông trong toàn mạng
Ưu điểm
Nhược điểm
• Một trạm trung tâm có
thể kiểm soát được toàn
bộ hoạt động của toàn hệ
thống
• Sự cố ở thiết bị trung
tâm sẽ làm tê liệt hoạt
động của toàn mạng
• Tốn dây dẫn
Ứng dụng
• Thường được sử dụng trong phạm vi nhỏ
• Mạng Ethernet công nghiệp
26
CƠ SỞ KỸ THUẬT
Cấu trúc cây
Cấu trúc cây là sự liên kết, kết hợp của các cấu trúc thẳng, mạch
vòng hoặc cấu trúc hình sao
27
CƠ SỞ KỸ THUẬT
2.4
Kiến trúc giao thức
Dịch vụ truyền thông
Dịch vụ truyền thông là các dịch vụ mà hệ thống cung cấp cho
các thành viên mạng để thực hiện các tác vụ trao đổi dữ liệu,
báo cáo trạng thái, tạo lập cấu hình và tham số hóa thiết bị
trường, giám sát thiết bị và cài đặt chương trình
Việc khai thác các dịch vụ truyền thông được thực hiện thông qua
phần mềm giao diện do từng mạng truyền thông hỗ trợ hoặc
thông qua các thư viện của các phần mềm phổ thông dưới
dạng các hàm dịch vụ C/C++, VisualBasic, OLE/DDE
28
CƠ SỞ KỸ THUẬT
Các nguyên hàm dịch vụ cơ bản
• Yêu cầu – request. Ký hiệu .req
• Chỉ thị nhận lời dịch vụ - indication. Ký hiệu .ind
• Đáp ứng dịch vụ - response. Ký hiệu .res
• Xác nhận đã cung cấp dịch vụ - confirmation. Ký hiệu .con
29
CƠ SỞ KỸ THUẬT
Giao thức
Giao thức là một chuẩn “ngôn ngữ“ mà các thiết bị trong cùng
một hệ thống mạng cần được cung cấp để có thể giao tiếp
được với nhau, ví dụ FTP, HTTP, TCP/IP, HART, UART,
HDLC
Một qui chuẩn giao thức sẽ định nghĩa các thành phần
• Cú pháp: qui định về cấu trúc bức điện, gói dữ liệ khi dùng trao đổi,
trong đó xác định cấu trúc phần dữ liệu mang thông tin và phần dữ
liệu mang thông tin hỗ trợ(địa chỉ, kiểm soát lỗi,...)
• Ngữ nghĩa: qui định ý nghĩa từng trường trong bức điện, phương
pháp đánh địa chỉ, bảo toàn dữ liệu,...
• Định thời: qui định trình tự, thủ tục giao tiếp, chế độ truyền,...
30
CƠ SỞ KỸ THUẬT
Giao thức HDLC
01111110
8/16 bit
8 bit
N bit
16/32 bit
01111110
Cờ
Địa chỉ
Điều khiển
Dữ liệu
FCS
Cờ
Giao thức HDLC có 3 loại bức điện phân biệt ở trường điều
1
2
3
4
5
6
7
8
khiển
Khung thông tin
I-Format
0
N(S)
Khung giám sát vận
chuyển dữ liệu
S-Format
1
0
Khung bổ trợ kiểm
soát liên kết
U-Format
1
1
P/F
N(R)
S
P/F
N(R)
M
P/F
M
N(S)
Số thứ tự khung đã gửi chia
modulo 8
N(R) Số thứ tự khung chờ nhận chia
modulo 8
P/F
Bit chỉ định kết thúc quá trình
truyền
S,M
Bit có chức năng khác
31
CƠ SỞ KỸ THUẬT
Giao thức UART
UART cho phép truyền dữ liệu theo chế độ một chiều, hai chiều
đồng bộ hoặc hai chiều không đồng bộ. Dữ liệu cần truyền đi
có thể có độ dài 7 hoặc 8 bit
Start
0
0
LSB
1
2
3
4
5
6
7
P
MSB
Stop
1
• Nếu chọn parity chẵn thì P = 0 khi tổng số bit 1 là chẵn
• Nếu chọn parity lẻ thì P = 0 khi tổng số bit 1 là lẻ
32
CƠ SỞ KỸ THUẬT
Mô hình lớp OSI (Open System Interconnection – Reference Model)
33
CƠ SỞ KỸ THUẬT
Lớp vật lý đảm nhận toàn bộ công việc truyền dữ liệu bằng
phương tiện vật lý. Lớp này mô tả
•
•
•
•
•
•
Các chi tiết cấu trúc mạng
Chuẩn truyền dẫn
Phương pháp mã hóa bit
Chế độ truyền tải
Các tốc độ truyền cho phép
Giao diện cơ học
Lớp liên kết dữ liệu có nhiệm vụ truyền dữ liệu một cách tin cậy
trong môi trường vật lý, tức là nó có nhiệm vụ:
• Điều khiển truy cập đường truyền
• Thực hiện bảo toàn dữ liệu: Kiểm soát khung dữ liệu, kiểm soát lỗi, kiểm
soát lưu thông và đồng bộ hóa
34
CƠ SỞ KỸ THUẬT
Lớp mạng là lớp có chức năng tìm đường đi tối ưu cho dữ liệu từ
một thiết bị A của mạng này đến một thiết bị B thuộc mạng
khác. Đối với mạng truyền thông công nghiệp thì lớp mạng
không có ý nghĩa gì bởi vì trong mạng công nghiệp không có
nhu cầu trao đổi dữ liệu thuộc 2 mạng khác nhau như đối với
mạng viễn thông
Lớp vận chuyển cung cấp các dịch vụ cho việc thực hiện vận
chuyển dữ liệu giữa các chương trình ứng dụng
Chức năng của lớp vận chuyển
• Quản lý tên hình thức
các trạm
• Dồn kênh các nguồn dữ • Đồng bộ hóa giữa các
liệu khác nhau
trạm đối tác
• Định vị các đối tác
truyền thông qua tên
hình thức hoặc/và địa chỉ
• Xử lý lỗi và kiểm soát
luồng thông tin, gửi lại
dữ liệu khi cần thiết
35
CƠ SỞ KỸ THUẬT
Lớp kiểm soát nối có chức năng kiểm soát mối liên kết truyền
thông giữa các chương trình ứng dụng bao gồm việc tạo lập,
quản lý và kết thúc các đường nối giữa các ứng dụng
Lớp biểu diễn dữ liệu có chức năng chuyển đổi các dạng biểu
diễn dữ liệu khác nhau về cú pháp thành một dạng chuẩn nhằm
tạo điều kiện cho các đối tác truyền thông có thể hiểu được
Lớp ứng dụng có chức năng cung cấp các dịch vụ truyền thông
cho người sử dụng. Các dịch vụ truyền thông này hầu hết được
xây dựng bằng phần mềm dưới dạng driver được nạp khi cần
thiết hoặc tồn dại dưới dạng một thư viện cho ngôn ngữ lập
trình chuyên dụng hoặc ngôn ngữ lập trình phổ thông
36
CƠ SỞ KỸ THUẬT
Kiến trúc giao thức TCP/IP (Transmission Control Protocol/ Internet
Protocol)
Mô hình OSI
Kiến trúc TCP/IP
Lớp ứng dụng
Lớp ứng dụng
TELNET
FTP
SNMP
SMTP
DNS
Lớp biểu diễn dữ liệu
Lớp kiểm soát nối
Lớp vận chuyển
Lớp mạng
Lớp liên kết dữ liệu
Lớp vật lý
Lớp vận chuyển
TCP
UDP
Lớp Internet
ICMP IP ARP RARP
Lớp truy cập mạng
Lớp vật lý
37
CƠ SỞ KỸ THUẬT
• Lớp vật lý đề cập giao diện vật lý giữa các thiết bị truyền dữ
liệu với nhau như môi trường truyền dẫn, đặc tính tín hiệu, chế
độ tryền, tốc độ truyền, cấu trúc cơ học,...
• Lớp truy nhập mạng có chức năng kiểm soát môi trường
truyền, kiểm lỗi, lưu thông dữ liệu,...
• Lớp Internet có chức năng chuyển giao dữ liệu giữa nhiều
mạng liên kết với nhau
• Lớp vận chuyển có chức năng đảm bảo dữ liệu được vận
chuyển một cách an toàn
• Lớp ứng dụng thực hiện các chức năng hỗ trợ cho các ứng
dụng khác nhau
FTP
Chuyển giao file
SMTP
Chuyển thư điện tử
TEL
NET
Làm việc với trạm
chủ từ xa
SNMP
Quản trị mạng
DNS
Quản lý và tra cứu
danh sách tên và địa
chỉ Internet
38
CƠ SỞ KỸ THUẬT
2.5
Truy cập bus
Tại sao lại cần giải quyết vấn đề truy cập bus
Trong các cấu trúc mạng khác nhau như cấu trúc mạch vòng, cấu
trúc hình sao hay đặc biệt là trong cấu trúc bus, các thành viên
trong mạng phải chia nhau thời gian sử dụng đường dẫn. Mục
đích của việc này là tránh sự xung đột về tín hiệu gây ra sai
lệch thông tin. Tại mỗi thời điểm trên 1 đường dây dẫn chỉ duy
nhất 1 tín hiệu điện được phép truyền đi.
Những khía cạnh cần quan tâm khi giải quyết vấn đề truy cập bus
• Độ tin cậy
• Tính thời gian thực : thời gian đáp ứng, chu kỳ bus
• Hiệu suất sử dụng đường truyền
39
CƠ SỞ KỸ THUẬT
Phân loại các phương pháp truy cập bus
40
CƠ SỞ KỸ THUẬT
Master/Slave
Nguyên tắc : Một trạm trong hệ thống đóng vai trò trạm chủ, các
trạm khác là các trạm tớ. Trạm chủ có quyền phân chia quyền
xâm nhập bus cho các trạm tớ. Các trạm tớ chỉ được phép xâm
nhập bus và gửi tín hiệu đi khi được yêu cầu
41
CƠ SỞ KỸ THUẬT
Trong một số hệ thống, các trạm tớ còn không được phép giao
tiếp với nhau. Bất cứ dữ liệu nào cần trao đổi cũng phải được
thực hiện thông qua trạm chủ. Nếu hoạt động theo chu kỳ,
trạm chủ sẽ chủ động gửi yêu cầu dữ liệu từ trạm tớ cần gửi và
chuyển tới trạm tớ cần nhận. Nếu hoạt động là bất thường,
trạm tớ cần gửi sẽ gửi yêu cầu khi được trạm chủ hỏi tới và sau
đó chờ trạm chủ cho phép thực hiện yêu cầu
Ưu điểm
• Việc kết nối mạng đơn giản vì trí tuệ hệ thống tập trung tại
máy chủ
Nhược điểm
• Hiệu suất trao đổi thông tin giảm do thông tin giữa các trạm tớ
phải đi qua trạm chủ
• Độ tin cậy hệ thống hoàn toàn phụ thuộc trạm chủ
42
CƠ SỞ KỸ THUẬT
Ứng dụng
Phương pháp này chủ yếu dùng trong các hệ thống bus cấp
thấp, tức là bus trường hay bus thiết bị, nơi mà việc trao đổi
thông tin hầu như chỉ diễn ra giữa trạm chủ điều khiển và các
trạm tớ là các thiết bị trường hoặc các module vào/ra phân tán
Cải thiện trao đổi dữ liệu giữa 2 trạm tớ
43
CƠ SỞ KỸ THUẬT
TDMA
Nguyên tắc:
• Phương pháp TDMA phân chia thời gian truy cập bus cho tất
cả các thành viên trong mạng. Mỗi thành viên khi được phép
truy cập mạng có khả năng gửi thông tin tới các thành viên
khác. Khoảng thời gian truy cập của mỗi thành viên được gọi
là khe thời gian
• Một chu kỳ bus TDMA là tổng thời gian truy cập bus của tất
cả các thành viên cộng thêm khoảng thời gian dự phòng
• Ngoài ra có thể xây dựng cấu trúc bức điện có số trường dữ
liệu bằng tổng số các thành viên trong mạng. Khi bức điện tới
trạm nào, dữ liệu của trạm đó sẽ được ghi vào trường dữ liệu
tương ứng trong bức điện
44
CƠ SỞ KỸ THUẬT
Ưu điểm
• Hệ thống có thể hoạt động mà không cần có sự tham gia của
trạm chủ
• Mỗi trạm đều có vai trò chủ động trong việc trao đổi dữ liệu
• Thích hợp với các ứng dụng thời gian thực do có tính tiền định
Nhược điểm
• Nếu số lượng các thiết bị lớn thì dẫn tới chu kì bus dài, ảnh
hưởng tới tính thời gian thực của hệ thống
Ứng dụng
• Có thể dùng kết hợp với Master/Slave trong các mạng có quy
mô không lớn lắm, chủ yếu được sử dụng trong các hệ thống
bus trường
45
CƠ SỞ KỸ THUẬT
Token Passing
Nguyên tắc: Một trạm trong hệ thống có khả năng tạo ra 1 bức
điện không mang dữ liệu gọi là Token (thẻ bài). Trạm nào
đang giữ thẻ bài trong một khoảng thời gian nhất định có
quyền truy cập bus thậm chí là có quyền yêu cầu trạm khác
thực hiện các yêu cầu. Sau khi không có nhu cầu trao đổi
thông tin, trạm đang có token phải gửi tới trạm kế tiếp theo
một trình tự nhất định
Có 2 loại Token Passing
• Token Ring – trình tự đúng với thứ tự sắp xếp vật lý trong
mạch vòng
• Token Bus – trình tự chỉ có tính chất logic
46
CƠ SỞ KỸ THUẬT
47
CƠ SỞ KỸ THUẬT
CSMA/CD
Nguyên tắc:
• Mỗi trạm đều phải tự nghe đường dẫn, nếu đường dẫn rỗi thì
mới được phát tín hiệu truyền đi
• Sau khi truyền tín hiệu đi thì vẫn phải nghe đường truyền để so
sánh tín hiệu truyền đi với tín hiệu nhận được xem có xung đột
hay không
• Nếu xảy ra xung đột thì mỗi trạm đều phải hủy bỏ việc truyền
tín hiệu của mình và chờ một khoảng thời gian ngẫu nhiên rồi
thử lại
48
CƠ SỞ KỸ THUẬT
49
CƠ SỞ KỸ THUẬT
Ưu điểm:
• Đơn giản, linh hoạt
• Thêm hay bớt 1 hay nhiều trạm không ảnh hưởng đến cấu hình
hệ thống
Nhược điểm:
• Tính bất định của thời gian phản ứng
• Hiệu suất đường truyền thấp
Ứng dụng:
• Thường được sử dụng trong những hệ thống không đòi hỏi
tính thời gian thực cao
chieu dai buc dien n
chieu dai day dan l
voi k  0, 66

2.
Điều kiện ràng buộc:
toc do truyen v
k.3.10
8
50
CƠ SỞ KỸ THUẬT
CSMA/CA
Nguyên tắc:
• Mỗi trạm đều phải nghe đường truyền trước và sau khi gửi.
• Khi xảy ra xung đột, 1 tín hiệu có mức ưu tiên cao sẽ lấn át tín
hiệu kia.
51
CƠ SỞ KỸ THUẬT
Điều kiện ràng buộc
1
chieu dai day dan l
 2.
van toc truyen v
k.3.108
voi k  0, 66
Ưu điểm
• Tính năng thời gian thực được cải thiện
• Hiệu suất truyền được tăng cao
Nhược điểm
• Điều kiện ràng buộc ngặt nghèo
52
CƠ SỞ KỸ THUẬT
2.6
Bảo toàn dữ liệu
Mục đích: Bảo toàn dữ liệu là phương pháp xử lý giao thức để
phát hiện lỗi và khắc phục lỗi
Nguyên tắc: Trong quá trình mã hóa nguồn, bên gửi bổ xung một
số các thông tin phụ trợ, theo một thuật toán nhất định vào bức
điện cần gửi. Dựa vào các thông tin này, bên nhận sẽ kiểm tra,
phát hiện lỗi nếu có thậm chí là có thể khắc phục được lỗi
Các thông số:
• Tỉ lệ bit lỗi P được tính bằng tỉ lệ giữa số bít bị lỗi trên tổng số
bit được truyền đi. Thông thường P = 10-4 là một giá trị chấp
nhận được
53
CƠ SỞ KỸ THUẬT
• Tỉ lệ lỗi còn lại R được tính bằng tỉ lệ giữa số bức điện bị lỗi
không phát hiện được trên tổng số bức điện đã truyền. Tỉ lệ
này phụ thuộc vào tỉ lệ bít lỗi, phương pháp bảo toàn và độ dài
bức điện
• Thời gian trung bình giữa 2 lần lỗi TMTBF
TMTBF 
n
v*R
• Khoảng cách Hamming HD là số lượng bit lỗi tối thiểu mà
không đảm bảo chắc chắn phát hiện được trong 1 bức điện
• Hiệu suất truyền E được tính bằng tỉ lệ số bit mang thông tin
nguồn không bị lỗi trên toàn bộ số bit được truyền
m(1  p) n
E
n
54
CƠ SỞ KỸ THUẬT
Parity bit
Nguyên tắc
• Nếu chọn parity chẵn, p = 0 nếu tổng số bit 1 là chẵn
• Nếu chọn parity lẻ, p = 0 nếu tổng số bit 1 là lẻ
1
2
3
4
5
6
7
8
P
Ví dụ parity chẵn 1 0 0 1 0 1 0 0 1
Ưu điểm
• Đơn giản, dễ thực hiện
Nhược điểm
• Không phát hiện được lỗi nếu số lỗi là chẵn  HD = 2
55
CƠ SỞ KỸ THUẬT
Parity bit 2 chiều
Nguyên tắc: Dãy bit mang thông tin nguồn được tổ chức dưới
dạng khối thông thường là 7x7. Việc tính parity được thực hiện
theo cả 2 chiều
Ưu điểm:
• Khả năng phát hiện lỗi lớn hơn
• Trong 1 số trường hợp thì phương pháp này còn có khả năng
tự sửa lỗi
Nhược điểm
• Phải xây dựng dữ liệu dưới dạng khối
56
CƠ SỞ KỸ THUẬT
CRC
Nguyên tắc
• Xây dựng một đa thức sinh bậc n G(n) dưới dạng số nhị phân
• Thông tin nguồn I(m) được thêm n bit 0 trở thành P(m+n)
• Thực hiện P(m+n):G được phần dư R(n)
• Dãy gửi đi D(m+n) = I(m) + R(n)
• Bên nhận D*(m+n) thực hiện D*(m+n):G
• Nếu kết quả R*(n) = 0 thì xác suất rất cao là không lỗi
• Nếu kết quả R*(n) khác 0 thì chắc chắn có lỗi
57
CƠ SỞ KỸ THUẬT
Ưu điểm
• Mỗi một giá trị bit đều được tham gia vào nhiều quá trình
kiểm tra nên xác suất phát hiện lỗi là rất lớn
Nhược điểm
• Khả năng phát hiện lỗi hoàn toàn phụ thuộc vào việc chọn đa
thức sinh G(n)
• Cần cân nhắc mối quan hệ giữa chiều dài của dãy dữ liệu
mang thông tin với bậc n của đa thức sinh G(n)
58
CƠ SỞ KỸ THUẬT
Bit Stuffing (nhồi bit)
Nguyên tắc
• Các bức điện sử dụng một dãy bit đặc biệt gồm n bit giống
nhau để làm cờ hiệu bắt đầu và kết thúc, trong phần dữ liệu
còn lại không xuất hiện mẫu bit này
• Nếu trong dữ liệu xuất hiện dữ liệu giống với chuỗi bit mẫu thì
hệ thống sẽ tự động thêm vào đó 1 bit
• Bên nhận dữ liệu khi thấy có n bit giống với chuỗi bit mẫu thì
nó sẽ kiểm tra bit kế tiếp (là bit thêm vào) để kiểm tra lỗi hoặc
để khôi phục dữ liệu
Phương pháp này không được sử dụng độc lập mà thường được
kết hợp với một hay nhiều phương pháp khác
59
CƠ SỞ KỸ THUẬT
2.7
Mã hóa bit
Mục đích của mã hóa bit là chuyển dãy dữ liệu gồm các giá trị
logic 0 và 1 thành tín hiệu thích hợp, thường là tín hiệu điện để
có thể truyền dẫn trong môi trường vật lý
Các tiêu chuẩn trong mã hóa bit
• Tần số tín hiệu thường không phải là dạng điều hòa mà biến
thiên tùy theo số bit cần mã hóa và phương pháp mã hóa bit.
Tần số nhịp là một hằng số
• Thông tin đồng bộ có trong tín hiệu
• Triệt tiêu dòng 1 chiều
• Khả năng phối hợp nhận biết lỗi
60
CƠ SỞ KỸ THUẬT
NRZ, RZ
Mã Manchester
AFP
FSK
Ưu
điểm
• Tín hiệu có tần số thấp
hơn nhiều so với tần số
nhịp bus
• Dòng 1 chiều bi triệt
tiêu
• Bền vững với nhiễu bên
ngoài
• Không tồn tại dòng 1
chiều
• Giảm nhiễu xạ
• Bền vững với nhiễu bên
ngoài
• Có thể dùng để đồng
bộ nhịp
• Bền vững với nhiễu
ngoài
• Triệt tiêu dòng 1 chiều
Nhược
điểm
• Không thích hợp cho
việc đồng bộ hóa
• Không triệt tiêu được
dòng 1 chiều
• Nhiễu xạ của tín hiệu
tương đối lớn
• Tín hiệu tần số thấp
• Không mang thông tin
đồng bộ hóa
• Tần số tương đối cao,
gây nhiễu mạnh
• Khó tăng tốc độ đường
truyền
Ng tắc
Ứng
dụng
• Sử dụng trong các ứng
dụng đòi hỏi khả năng
đồng tải nguồn
• Các hệ thống có tốc độ
truyền tương đối thấp
61
CƠ SỞ KỸ THUẬT
2.8
Các chuẩn truyền dẫn
Phương thức truyền dẫn
Truyền dẫn không đối xứng
Truyền dẫn chênh lệch đối xứng
Nguyên
tắc
Ưu điểm • Cần 1 đường dây đất chung, tiết • Chống nhiễu tốt, đặc biệt khi dùng
kiệm dây dẫn
dây dẫn xoắn
• Tốc độ cao, phạm vi rộng
Nhược
điểm
• Chống nhiễu kém
• Có sóng phản xạ đường dây
• Hạn chế về chiều dài và tốc độ
truyền
62
CƠ SỞ KỸ THUẬT
Các thông số của truyền chênh lệch đối xứng
• Điện áp chênh lệch đầu ra phải đạt tối thiểu 1,5V
• Điện áp lệch được xác định bằng chênh lệch từ điểm giữa của
tải đầu ra so sánh với đất của bộ kích thích
• Điện áp chế độ chung được tính bằng giá trị trung bình của
điện áp 2 dây VA và VB có kể tới nhiễu và chênh lệch điện áp
• Chênh lệch điện áp đất giữa các trạm trong một hệ thống
63
CƠ SỞ KỸ THUẬT
RS-232
Nguyên tắc
• Truyền thông không đối xứng
• Khoảng làm việc -15 đến 15V
• Khoảng điện áp cho phép -25 đến
25V
• Phạm vi vùng cấm -3 đến 3 V
• Độ dốc tối thiểu của tín hiệu
6V/ms hoặc 3% nhịp xung
64
CƠ SỞ KỸ THUẬT
Đặc điểm
• Tốc độ truyền phụ thuộc khoảng cách 19.2kBd với khoảng
cách 30 đến 50m. Hiện nay có thể có những hệ thống truyền
với tốc độ lên tới 460kBd và hơn nữa nhưng trong thực tế sử
dụng thì những hệ thống như vậy rất ít và khó thực hiện
• Chế độ làm việc là full-duplex
65
CƠ SỞ KỸ THUẬT
• Có thể sử dụng công suất phát tương đối thấp
Thông số
Điều kiện
Tối thiểu
Điện áp đầu ra hở mạch
Điện áp đầu ra khi có tải
Trở kháng đầu ra khi cắt nguồn
Tối đa
25V
3k   RL  7k 
5V
15V
300 
2V  V0  2V
Dòng ra ngắn mạch
500mA
Điện dung tải
2500mF
Trở kháng đầu vào
3V  VI  25V
3k
Ngưỡng cho giá trị logic 0
Ngưỡng cho giá trị logic 1
7k
3V
-3V
66
CƠ SỞ KỸ THUẬT
RS-422
Nguyên tắc
• Sử dụng truyền dẫn chênh lệch đối xứng
• Điện áp dương ứng với trạng thái logic 0
• Điện áp âm ứng với trạng thái logic 1
• Điện áp chênh lệch ở đầu vào bên nhận có thể xuống tới
200mV
Đặc điểm
• Chế độ truyền là Simplex hoặc Half-duplex. Để truyền Fullduplex cần sử dụng 2 đôi dây
67
CƠ SỞ KỸ THUẬT
• Cần sử dụng thêm đường dây nối đất để giữ một mức điện áp
chế độ chung cho các trạm tránh mất dữ liệu truyền hoặc các
cổng kết nối bị phá hỏng
• Có khả năng kết nối điểm-điểm hoặc điểm-nhiều điểm
Thông số
Điều kiện
Tối thiểu
Điện áp đầu ra hở mạch
Điện áp đầu ra khi có tải
Tối đa
10V
RT  100
2V
Trở kháng đầu ra
100
Dòng ra ngắn mạch
150mA
Thời gian quá độ đầu ra
RT  100
10%TB
Điện áp chế độ chung đầu ra
RT  100
3V
Độ nhạy cảm đầu vào
200mV
7V  VCM  7V
Điện áp chế độ chung
-7V
Trở kháng đầu vào
4k
7V
68
CƠ SỞ KỸ THUẬT
RS-485
Nguyên tắc
• Sử dụng truyền dẫn chênh lệch đối xứng
• Điện áp dương ứng với trạng thái logic 0
• Điện áp âm ứng với trạng thái logic 1
• Điện áp chênh lệch ở đầu vào bên nhận
có thể xuống tới 200mV
• Ngưỡng điện áp VCM lên tới -7V đến 12V
• Trở kháng đầu vào cho phép lớn gấp 3 so với
RS-422
• Có khả năng ghép nối nhiều điểm
69
CƠ SỞ KỸ THUẬT
Thông số
Điều kiện
Điện áp đầu ra hở mạch
Điện áp đầu ra khi có tải
RLOAD  54
Tối thiểu
1.5V
6V
1.5V
5V
Dòng ra ngắn mạch
Thời gian quá độ đầu ra
250mA
RLOAD  54
RLOAD  54
Độ nhạy cảm đầu vào
7V  VCM  12V
Trở kháng đầu vào
30%TB
CLOAD  54 pF
Điện áp chế độ chung đầu ra
Điện áp chế độ chung
Tối đa
-1V
3V
200mA
-7V
12V
12k
70
CƠ SỞ KỸ THUẬT
• Số trạm tham gia 32 UL (đơn vị tải) ứng với 32 đơn vị thu phát.
Gần đây, kỹ thuật cho phép giảm tải thành ½ hoặc ¼ đơn vị tải
nên số trạm có thể lên tới 64 hoặc 128 trạm
• Chiều dài dây dẫn và tốc độ truyền có quan hệ với nhau.
Khoảng cách tối đa là 1200m (tốc độ nhỏ hơn 100KBit/s). Tốc
độ tối đa là 10Mbit/s (khoảng cách nhỏ hơn 15m), gần đây có
thể lên 12Mbit/s
• Chế độ truyền có thể là Half-duplex hoặc Full-duplex tùy cấu
hình
• Cáp nối sử dụng có thể là đôi dây xoắn, cáp trơn hoặc các loại
cáp khác nhưng cáp đôi dây xoắn được sử dụng phổ biến
• Trở đầu cuối từ 100Ω đến 120Ω
• Nối đất được sử dụng để giảm thiểu tác hại của nhiễu
71
CƠ SỞ KỸ THUẬT
IEC 1158-2
Nguyên tắc
• Truyền đồng bộ
• Tốc độ truyền 31.25KBit/s
• Sử dụng phương pháp truyền dẫn chênh lệch đối xứng
• Sử dụng cáp đôi dây xoắn
• Trở đầu cuối là 100Ω
• Mức điện áp tối đa nằm trong khoảng 0.75V đến 1V
• Phương pháp mã hóa Manchester
• Một đoạn mạng có 1 bộ cung cấp nguồn
• Mỗi thiết bị trường tiêu hao một dòng cơ sở cố định ≥10mA
• Mỗi đầu dây kết thúc bằng 1 trở đầu cuối bị động
• Số trạm tối đa là 32 trạm/1 đoạn, tổng cộng tối đa 126 trạm
72
CƠ SỞ KỸ THUẬT
2.9
Môi trường truyền dẫn
STP
UTP
Đôi dây xoắn
Cáp đồng trục
Cáp sợi thủy tinh
73
CƠ SỞ KỸ THUẬT
2.10 Thiết bị liên kết mạng
Mục đích kết nối 2 hay nhiều mạng lại với nhau
Bộ lặp
Mục đích bộ lặp là sao chép,
khuếch đại và phục hồi tín
hiệu mang thông tin trên
đường truyền. Ngoài ra, bộ lặp
còn có khả năng chỉnh dạng và
tái tạo tín hiệu trong trường
hợp tín hiệu bị biến dạng do
nhiễu
74
CƠ SỞ KỸ THUẬT
Yêu cầu của bộ lặp
• Hai đoạn mạng nối với nhau thông qua bộ lặp phải giống nhau
hoàn toàn cả về các lớp giao thức lẫn đường truyền vật lý. Nói
cách khác, 2 đoạn mạng phải có cấu trúc giao thức giống hệt
nhau
• Các trạm trên các đoạn mạng vẫn có địa chỉ logic riêng biệt
• Mỗi đoạn mạng được coi là được cách li hoàn toàn về điện học
• Một bộ lặp không có địa chỉ logic nhưng vẫn được coi là 1
trạm trong hệ thống mạng
• Nếu 2 đoạn mạng có đường truyền vật lý khác nhau thì ta phải
sử dụng bộ chuyển đổi để tạo ra sự tương thích tín hiệu
75
CƠ SỞ KỸ THUẬT
Cầu nối
Mục đích của cầu nối là liên
kết 2 mạng với nhau. Nhiệm
vụ của cầu nối nhiều khi chỉ
giải quyết vấn đề điều khiển
truy nhập môi trường, còn
chức năng của lớp LLC không
bị thay đổi gì
76
CƠ SỞ KỸ THUẬT
Yêu cầu thực hiện
• Hai mạng phải có các lớp từ lớp 2 trở lên giống nhau hoàn
toàn
• Lớp vật lý có thể khác nhau, môi trường truyền dẫn cũng có
thể khác nhau, các phương pháp truy cập bus cũng có thể khác
nhau
• Bản thân cầu nối không có địa chỉ riêng
• Cầu nối được sử dụng khi liên kết các mạng có cấu trúc khác
nhau hoặc do một yêu cầu thiết kế đặc biệt nào đó
77
CƠ SỞ KỸ THUẬT
Router
Mục đích của router là liên kết
2 mạng với nhau trên cơ sở lớp
3 theo mô hình OSI. Router có
nhiệm vụ xác định đường đi
tối ưu cho một gói dữ liệu
cho 2 đối tác thuộc các mạng
khác nhau.
78
CƠ SỞ KỸ THUẬT
Yêu cầu
• Các mạng có thể có lớp 1 và lớp 2 khác nhau
• Lớp 3 trở lên phải giống nhau hoàn toàn
• Mỗi mạng có 1 địa chỉ riêng và có không gian địa chỉ riêng, 2
trạm thuộc 2 mạng khác nhau có thể có cùng 1 địa chỉ nhưng
chúng phân biệt nhau bởi địa chỉ mạng. 1 trạm nhìn thấy 1
mạng thông qua 1 địa chỉ mạng duy nhất.
• Mã địa chỉ của 1 bức điện bao gồm nhiều thành phần, bao gồm
địa chỉ nơi gửi, nơi nhận cũng như các thành phần mô tả địa
chỉ mạng mà bức điện cần đi qua.
• Việc tìm đường đi tối ưu được thực hiện thông qua việc thay
đổi các trường địa chỉ mạng
• Có nhiều tiêu chuẩn tìm đường đi tối ưu: đường đi ngắn nhất,
nhanh nhất, thời gian truyền thông tin nhanh nhất, qua ít thiết
bị nhất,...
79
CƠ SỞ KỸ THUẬT
Gateway
Mục đích liên kết các hệ thống
mạng khác nhau. Nhiệm vụ chính
của gateway là chuyển đổi giao
thức ở cấp cao, thường được thực
hiện bằng phần mềm. Do đó, gateway có thể chỉ là một PC thông
thường với các phần mềm cần thiết.
Do gateway hoạt động trên lớp ứng dụng nên nó có thể hoạt động
với các hệ thống trên mô hình 7 lớp hoặc không theo mô hình
này
80
CHƯƠNG 3
CÁC HỆ THỐNG BUS TIÊU BIỂU
81
CÁC HỆ THỐNG BUS TIÊU BIỂU
3.1
PROFIBUS
Profibus là một chuẩn hệ thống bus dùng để liên kết các thiết bị
trường với các thiết bị điều khiển và giám sát. Có 2 thiết bị chủ
yếu
• Thiết bị chủ hay các trạm tích cực có khả năng kiểm soát bus
• Thiết bị tớ hay các trạm thụ động thường là các thiết bị trường
phân tán, cảm biến và cơ cấu chấp hành
Các loại Profibus
• PROFIBUS-FMS
• PROFIBUS-DP
• PROFIBUS-PA
82
CÁC HỆ THỐNG BUS TIÊU BIỂU
Kiến trúc giao thức
Giao diện
sử dụng
PROFIBUS-FMS
PROFIBUS-DP
PROFIBUS-PA
FMS-Profile
DP-Profile
PA-Profile
Các hàm DP mở rộng
Các hàm DP cơ bản
Lớp 7
Fieldbus Message
Specification (FMS)
Không thể hiện
Lớp 3-6
Lớp 2
Fieldbus Data Link (FDL)
IEC-Interface
Lớp 1
RS-485/Cáp quang
IEC1158-2
• Profibus chỉ sử dụng lớp 1 và 2 trên mô hình OSI, riêng
Profibus-FMS sử dụng thêm lớp 7
83
CÁC HỆ THỐNG BUS TIÊU BIỂU
• Lớp vật lý qui định về kỹ thuật truyền dẫn tín hiệu, môi trường
truyền, cấu trúc mạng và các giao diện điện học. Profibus sử
dụng cáp quang với chuẩn RS-485 đối với Profibus-FMS và
Profibus-DP. Profibus-PA sử dụng chuẩn IEC-1158-2
• Lớp liên kết dữ liệu (FDL) có chức năng kiểm soát truy cập
bus, cung cấp các dịch vụ cấp thấp cho việc trao đổi dữ liệu.
• Lớp ứng dụng bao gồm
– FMS (Fieldbus Message Specification) thực hiện xử lý giao thức
sử dụng và cung cấp dịch vụ truyền thông
– LLI (Lower Layer Interface) thực hiện kết nối FMS với lớp 2 và
thực hiện các chức năng của lớp 3-6 như tạo ngắt nối, kiểm soát
lưu thông
84
CÁC HỆ THỐNG BUS TIÊU BIỂU
Cấu trúc mạng và kỹ thuật truyền dẫn
Sử dụng chuẩn RS-485
• Sử dụng cấu trúc mạng truckline/dropline với đường nhánh
ngắn
• Cáp sử dụng là đôi dây xoắn STP
• Trở kết thúc 290Ω-220Ω-390Ω
• Tốc độ truyền 9.6kBit/s đến 12 Mbit/s tùy khoảng cách mạng
• Chiều dài dây 100 đến 1200m
• Số lượng trạm tối đa trong mỗi đoạn mạng là 32 với tối đa 3
đoạn mạng
• Chế độ truyền không đồng bộ và Half-duplex
• Phương pháp mã hóa NRZ
85
CÁC HỆ THỐNG BUS TIÊU BIỂU
Tốc độ (kBit/s)
9.6
19.2
93.75
185.5
500
1500
12000
Chiều dài (m)
1200
1200
1200
1000
400
200
100
Truyền dẫn với cáp quang
• Loại cáp sử dụng là sợi thuỷ tinh (tối đa 1km) và sợi nhân tạo
(tối đa 50m)
• Cấu trúc hình sao hoặc mạch vòng hữu hạn, có thể sử dụng
thêm các bộ chuyển đổi
Truyền dẫn với IEC1158-2
• Sử dụng chuẩn vật lý IEC1158-2
• Phương pháp mã hóa Manchester
• Nguồn cung cấp đi cùng với dây tín hiệu
86
CÁC HỆ THỐNG BUS TIÊU BIỂU
Truy cập bus
• Token-Passing thích hợp với mạng FMS dùng ghép nối các
thiết bị đẳng quyền
• Master/Slave thích hợp với DP và PA để ghép các thiết bị điều
khiển với cơ cấu chấp hành và cảm biến
• Kết hợp (multi-master)
87
CÁC HỆ THỐNG BUS TIÊU BIỂU
Dịch vụ truyền dữ liệu
• Gửi dữ liệu không xác nhận (SDN-Send Data with No
Acknowledge) được sử dụng để gửi đồng loạt hoặc gửi đến
nhiều trạm cùng 1 lúc.
• Gửi dữ liệu có xác nhận (SDA-Send Data with Acknowledge)
• Gửi và yêu cầu dữ liệu (SRD-Send and Request Data with
Reply). SRD và SDA thường được sử dụng để phục vụ việc
trao đổi không tuần hoàn
• Gửi và yêu cầu dữ liệu tuần hoàn (CSRD-Cyclic Send and
Request Data with Reply) thường được sử dụng trao đổi dữ
liệu giữa các module vào/ra phân tán, các thiết bị cảm biến, cơ
cấu chấp hành với máy tính điều khiển
88
CÁC HỆ THỐNG BUS TIÊU BIỂU
89
CÁC HỆ THỐNG BUS TIÊU BIỂU
Cấu trúc bức điện
• Khung với chiều dài cố định, không mang dữ liệu
SD1
DA
SA
FC
FCS
ED
• Khung với chiều dài cố định, mang 8 byte dữ liệu
DS3
DA
SA
FC
DU
FCS
ED
• Khung với chiều dài thông tin khác nhau, với 1-246 byte dữ
liệu
SD2
LE
LEr
SD2
DA
SA
FC
DU
FCS
ED
• Token
SD4
DA
SA
90
CÁC HỆ THỐNG BUS TIÊU BIỂU
Ký hiệu
Tên đầy đủ
Ý nghĩa
SD1-SD4
Start Delimiter
Byte khởi đầu, phân biệt các loại khung
SD1=10H, SD2=68H, SD3=A2H, SD4=DCH
LE
Length
Chiều dài thông tin (4-249 byte)
LEr
Length repeated
Nhắc lại độ dài vì lý do an ninh
DA
Destination Address Địa chỉ trạm đích 0-127
SA
Source Address
Địa chỉ trạm nguồn 0-126
DU
Data Unit
Đơn vị dữ liệu
FC
Frame Control
Byte kiểm soát khung
FCS
Frame Check
Sequence
Byte kiểm soát lỗi, HD=4
ED
End Delimiter
Byte kết thúc ED=16H
91
CÁC HỆ THỐNG BUS TIÊU BIỂU
• Với PROFIBUS-FMS và PROFIBUS-DP, việc truyền dữ liệu
là không đồng bộ. Mỗi byte trong bức điện ở lớp 2 chuyển
xuống lớp vật lý được xây dựng thành một khung kí tự có độ
dài 11 bit – khung UART
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
0
B1
B2
B3
B4
B5
B6
B7
B8
P
1
Start
bit
LSB
MSB
Parity
bit
Stop
bit
• Nguyên tắc truyền
– Bus rỗi tương ứng với mức tín hiệu của bit 1
– Trước 1 khung yêu cầu cần 1 khoảng thời gian tương ứng 33 bit phục
vụ mục đích đồng bộ bên gửi và nhận
– Không cho phép thời gian rỗi giữa các kí tự UART của một khung
– Với 1 kí tự UART, hệ thống kiểm tra Start Bit, Stop Bit và Parity, với 1
khung, kiểm tra SD, DA, SA, FCS, ED, LE/Ler. Nếu có lỗi, toàn bộ
khung bị hủy bỏ
92
CÁC HỆ THỐNG BUS TIÊU BIỂU
PROFIBUS-FMS
Profibus-FMS là bus hệ thống thường được sử dụng để kết nối
các thiết bị khả trình với các thiết bị trường thông minh hoặc
với các thiết bị cấp điều khiển giám sát, dữ liệu trao đổi chủ
yếu có tính chất không định kì
Kiến trúc Profibus-FMS
• Xây dựng dựa trên lớp 1, 2 và
lớp 7 của mô hình OSI
• Các lớp 3-6 không được thể
hiện. Chức năng của nó được
thực hiện bằng phần mềm của
chương trình ứng dụng phía
trên lớp 7
93
CÁC HỆ THỐNG BUS TIÊU BIỂU
Giao tiếp hướng đối tượng
• Profibus-FMS xây dựng cơ chế giao tiếp hướng đối tượng về
mặt dữ liệu theo phương thức Client/Server. Tức là các đối
tượng chỉ là dữ liệu, không quan tâm đến thiết bị có đặc điểm
gì, của nhà sản xuất nào
• 1 đối tượng là 1 phần tử có thể truy cập từ 1 trạm trong mạng,
đại diện cho đối tượng thực tế hay các biến quá trình. Các
thành viên trong mạng giao tiếp với nhau thông qua các đối
tượng này
• Truy nhập đối tượng được thực hiện thông qua
– Sử dụng chỉ số đối tượng – object index
– Sử dụng tên hình thức của đối tượng - tag
94
CÁC HỆ THỐNG BUS TIÊU BIỂU
Thiết bị trường ảo
• Thiết bị trường ảo (VFD – Virtual Field Device) là một mô
hình trừu tượng mô tả các dữ liệu, cấu trúc dữ liệu và đặc tính
của một thiết bị tự động dưới góc độ của một đối tác giao tiếp
• 1 đối tượng VFD chứa tất cả các phương thức giao tiếp với các
đối tượng mà nó có thể giao tiếp
• 1 thiết bị thực có thể chứa nhiều đối tượng VFD
Mô tả đối tượng
• Mỗi đối tượng giao tiếp được mô tả thông qua các thuộc tính
Chỉ số
Mã đối tượng
Các thuộc tính
khác
Địa chỉ thực
của ĐT
Tên
Mở rộng
(index)
(Object code)
(further object
attributes)
(real object
address)
(name)
(extension)
95
CÁC HỆ THỐNG BUS TIÊU BIỂU
• Các kiểu đối tượng giao tiếp được FMS định nghĩa
–
–
–
–
–
Biến, mảng, cấu trúc
Danh sách các biến
Sự kiện
Miền nhớ
Gọi chương trình
• Kiểu dữ liệu chuẩn: boolean, interger8, unsigned8,
date,...(bảng 3.3)
Quan hệ giao tiếp
• 1 Client được hiểu là 1 chương trình ứng dụng gửi yêu cầu để
truy cập các đối tượng
• 1 Server là chương trình cung cấp các dịch vụ truyền thông
• 1 chương trình có thể đóng vai trò là Client hoặc Server
96
CÁC HỆ THỐNG BUS TIÊU BIỂU
• Mỗi thành viên trong mạng có thể đồng thời có nhiều quan hệ
giao tiếp với cùng một thành viên khác, hoặc với các thành
viên khác nhau
97
CÁC HỆ THỐNG BUS TIÊU BIỂU
Dịch vụ truyền thông (bảng 3.4)
• Dịch vụ ứng dụng
– Truy cập dữ liệu – Variable Access
– Đối tượng chương trình, liên kết các domain thành 1 chương trình và
kiểm soát các hoạt động chương trình – Program Invocation
– Quản lý miền nhớ, truyền nạp và quản lý miền nhớ có liên kết logic –
Domain Management
– Hỗ trợ xử lý sự kiện – Event Management
• Dịch vụ quản trị
– Hỗ trợ thiết bị ảo thông qua đối tượng VFD – VFD Support
– Quản lý danh mục các đối tượng – Object List Management
– Quản lý các mối liên kết – Context Management
98
CÁC HỆ THỐNG BUS TIÊU BIỂU
PROFIBUS-DP
Profibus-DP được xây dựng để đáp ứng các yêu cầu thời gian
thực trong trao đổi dữ liệu cấp trường. Việc trao đổi dữ liệu ở
đây chủ yếu được thực hiện tuần hoàn theo cơ chế
Master/Slave
Kiến trúc Profibus-DP
• Chỉ thực hiện lớp 1 và 2 nhằm nâng cao hiệu suất xử lý giao
thức và tính năng thời gian thực
• Phía trên lớp 7 (chương trình ứng dụng) có lớp giao diện
người sử dụng (UIL-User Interface Layer) được liên kết với
lớp 2 chứa
– Các hàm DP cơ sở - phục vụ trao đổi dữ liệu tuần hoàn thời gian thực
– Các hàm DP mở rộng – phục vụ truyền dữ liệu không định kì như đặt
tham số thiết bị, đặt chế độ vận hành và thông tin chuẩn đoán
99
CÁC HỆ THỐNG BUS TIÊU BIỂU
Cấu hình hệ thống và kiểu thiết bị
• Số trạm tối đa trong 1 mạng là 126
• Cấu hình 1 trạm chủ (mono-master) hoặc nhiều trạm chủ
(multi-master)
• Cấu hình hệ thống định nghĩa số trạm, gán địa chỉ cho các
trạm, tính nhất quán dữ liệu vào/ra, khuôn dạng các thông báo
chuẩn đoán và tham số các bus sử dụng
• Các loại thiết bị DP
– DP-Master Class 1 (DPM1): trao đổi dữ liệu với các trạm tớ theo một
chu trình được qui định, thông thường là bộ PLC, các bộ điều khiển
trung tâm
– DP-Master Class 2 (DPM2): là các máy lập trình, công cụ cấu hình,
vận hành, chuẩn đoán hệ thống
– DP-Slave: các thiết bị chỉ thực hiện một phần nhỏ các dịch vụ so với
trạm chủ
100
CÁC HỆ THỐNG BUS TIÊU BIỂU
Đặc tính vận hành hệ thống
• Đặc tính vận hành hệ thống thể hiện thông qua trạng thái hoạt
động của các thiết bị chủ
– STOP:không truyền dữ liệu sử dụng giữa trạm chủ và tớ, chỉ có thể
chuẩn đoán và tham số hóa
– CLEAR: Trạm chủ đọc thông tin từ các trạm tớ và giữ đầu ra ở giá trị
an toàn
– OPERATE: Trạm chủ trao đổi dữ liệu vào và ra tuần hoàn với các trạm
tớ
• Các hàm DP cơ sở cho phép đặt trạng thái làm việc cho hệ
thống
• Khi xảy ra lỗi trên quá trình truyền dữ liệu, trạm chủ sẽ đặt cho
tất cả các trạm tớ về trạng thái an toàn(auto-clear). Sau đó trạm
chủ chuyển về trạng thái CLEAR. Nếu tham số này không
được đặt thì nó vẫn được giữ ở trạng thái OPERATE
101
CÁC HỆ THỐNG BUS TIÊU BIỂU
Trao đổi dữ liệu tuần hoàn
• Khi cấu hình hệ thống, người ta cần gán các thiết bị tớ cho 1
thiết bị DPM1, qui định các trạm tham gia hoặc không tham
gia trao đổi dử liệu tuần hoàn
• Các bước thực hiện trao đổi dữ liệu tuần hoàn
– Trạm chủ truyền thông tin cấu hình và các tham số xuống trạm tớ
– Trạm tớ kiểm tra các thông tin. Khi các thông tin đó là phù hợp thì nó
tiến hành trao đổi dữ liệu
– Trong mỗi chu kì, trạm chủ đọc các thông tin đầu vào từ các trạm tớ
vào bộ nhớ đệm và đưa các thông tin đầu ra từ bộ đệm xuống các trạm
tớ theo trình tự được qui định sẵn
– Với mỗi trạm tớ, trạm chủ gửi khung yêu cầu và chờ đợi khung đáp
ứng
102
CÁC HỆ THỐNG BUS TIÊU BIỂU
103
CÁC HỆ THỐNG BUS TIÊU BIỂU
Đồng bộ hóa dữ liệu vào/ra
• 1 thiết bị chủ có thể đồng bộ hóa việc đọc các giá trị đầu vào
và đặt các giá trị đầu ra thông qua việc gửi các bức điện đồng
loạt
• Lệnh SYNC: Đưa một nhóm các thiết bị tớ về chế độ đồng bộ
hóa đầu ra tức là, trạng thái đầu ra của tất cả các thiết bị tớ
được giữ nguyên tới khi nhận được lệnh SYNC tiếp theo. Lệnh
UNSYNC sẽ đưa các trạm tớ về trạng thái bình thường có đầu
ra thay đổi tức thì
• Lệnh FREEZE: Đưa một nhóm trạm tớ về chế độ đồng bộ hóa
đầu vào tức là, tất cả các trạm tớ không được phép cập nhật
vùng dữ liệu đầu vào cho tới khi nhận được lệnh FREEZE kế
tiếp. Lệnh UNFREEZE đưa trạm tớ về trạng thái bình thường,
cho phép đọc đầu vào tức thì
104
CÁC HỆ THỐNG BUS TIÊU BIỂU
Tham số hóa và chẩn đoán hệ thống
• Khi xảy ra sự cố hoặc trạng thái 1 thiết bị vượt qua ngưỡng
cho phép, 1 trạm tớ DP-Slave có thể thông báo cho trạm chủ
thông qua bức điện trả lời. Trạm chủ sẽ có trách nhiệm hỏi các
trạm tớ liên quan về các chi tiết thông tin chuẩn đoán
• Quá trình gửi các thông tin chuẩn đoán được thực hiện không
tuần hoàn nhưng mỗi 1 chu kì chỉ được phép thực hiện 1 dịch
vụ nên tốc độ trao đổi dữ liệu tuần hoàn không bị ảnh hưởng
• Các hàm chuẩn đoán DP cho phép xác định lỗi một cách nhanh
chóng và được truyền về trạm chủ.
• Có 3 loại thông báo
– Chuẩn đoán trạm: thông báo liên quan hoạt động chung cả trạm
– Chuẩn đoán module: xác định lỗi nằm ở 1 khoảng vào/ra của 1 module
– Chuẩn đoán kênh: xác định lỗi nằm ở 1 bit vào/ra riêng biệt
105
CÁC HỆ THỐNG BUS TIÊU BIỂU
PROFIBUS-PA
• Profibus-PA là loại bus trường thích
hợp trong công nghệ chế biến, đặc
biệt trong hóa chất, dầu mỏ
• Thực chất nó là Profibus-DP mở rộng
về phương pháp truyền dẫn an toàn
cháy nổ theo IEC-61158-2
• Cho phép sử dụng nhiều thiết bị trường
của các nhà sản xuất khác nhau
• Sử dụng đôi cáp xoắn STP
• Tốc độ truyền cố định 31.25kBit/s
• Cho phép bảo dưỡng, sửa chữa trong khi vận hành.
• Thích hợp trong môi trường cháy nổ
106
CÁC HỆ THỐNG BUS TIÊU BIỂU
Kiến trúc giao thức
• Profibus-PA có kiến trúc giao thức giống hoàn toàn ProfibusDP từ lớp liên kết dữ liệu trở lên. Do đó có thể ghép nối 2 hệ
thống bằng DP/PA Link hoặc DP/PA Couple
• Mỗi thiết bị trường PA được coi là một DP-Slave. Trạng thái
của thiết bị PA được trao đổi tuần hoàn với DPM1. Các dữ liệu
trao đổi không tuần hoàn được trao đổi thông qua DPM2
107
CÁC HỆ THỐNG BUS TIÊU BIỂU
PA-Profile
PA-Profile hỗ trợ khả năng tương tác và thay thế lẫn nhau giữa
các thiết bị trường của nhiều nhà sản xuất khác nhau
• Profile class A: qui định đặc tính và cá chức năng cho các thiết
bị đơn giản như các cảm biến và các cơ cấu truyền động. Các
giá trị và các tham số có thể truy cập là giá trị và trạng thái của
biến quá trình, đơn vị đo, phạm vi làm việc, giới hạn trễ và
ngưỡng cảnh báo
• Profile class B: qui định đặc tính và chức năng của các thiết bị
có chức năng phức hợp. Các chức năng này bao gồm khả năng
gán địa chỉ tự động, đồng bộ hóa thời gian, cơ sở dữ liệu vào
ra phân tán, tự mô tả thiết bị và lập lịch khối hàm
108
CÁC HỆ THỐNG BUS TIÊU BIỂU
Các khối hàm PA
• Các khối hàm PA là các khối mô tả chức năng và tham số thiết
bị. Mỗi khối hàm đại diện cho một chức năng
• Có 2 loại khối hàm đặc thù cho các thiết bị trường
– Khối hàm vật lý (Physical Block) chứa các thông tin chung của 1 thiết
bị như tên thiết bị, nhà sản xuất, chủng loại, serie,...
– Khối hàm chuyển đổi (Transducer Block) chứa các tham số cần thiết để
ghép nối 1 thiết bị trường với quá trình kỹ thuật
109
CÁC HỆ THỐNG BUS TIÊU BIỂU
3.2
CAN
CAN là hệ thống được xây dựng phục vụ cho các liên kết điểmđiểm ở cự ly ngắn và tốc độ cao
Kiến trúc giao thức
• Lớp vật lý đề cập tới vấn đề truyền tín hiệu, định thời, tạo nhịp
bit, phương pháp mã hóa bit và đồng bộ hóa. Lớp vật lý cho
phép ta lựa chọn môi trường truyền tùy thích phụ thuộc từng
ứng dụng
• Lớp liên kết dữ liệu gồm 2 lớp con
– Lớp điều khiển truy nhập đường truyền (MAC) có trách nhiệm tạo
khung thông báo, điều khiển truy cập môi trường, xác nhận và kiểm
soát lỗi
– Lớp điều khiển logic (LLC) điều khiển các dịch vụ gửi dữ liệu và yêu
cầu dữ liệu từ xa, thanh lọc thông báo, báo cáo tình trạng quá tải và
phục hồi trạng thái
110
CÁC HỆ THỐNG BUS TIÊU BIỂU
111
CÁC HỆ THỐNG BUS TIÊU BIỂU
Cấu trúc mạng và kỹ thuật truyền dẫn
• CAN không qui định cụ thể về chuẩn truyền dẫn cũng như môi
trường truyền nhưng thực tế hay sử dụng cáp đôi dây xoắn
STP kết hợp với RS-485 và cáp quang cũng hay được sử dụng.
• Cấu trúc được sử dụng là truckline/dropline hoặc cấu trúc
thẳng
• Tốc độ có thể chọn ở nhiều mức khác nhau nhưng phải cố định
trong toàn mạng.Vì có sự ràng buộc về tốc độ và chiều dài dây
dẫn trong phương pháp CSMA/CA nên mạng có tốc độ tối đa
1MBit/s ở 50m và 50KBit/s ở 1000m
• Số trạm tối đa thường là 64 trạm ở cấu trúc thẳng
• CAN có 2 trạng thái logic của tín hiệu là trội (dominant) và
lặn (recessive)
112
CÁC HỆ THỐNG BUS TIÊU BIỂU
Cơ chế giao tiếp
• Đặc trưng giao tiếp của CAN là giao tiếp hướng đối tượng.
Mỗi thông tin được coi là một đối tượng và được gán một mã
căn cước
• Các thông tin không được gửi tới một địa chỉ cụ thể mà bất cứ
trạm nào cũng có thể nhận được theo nhu cầu. Nội dung của
mỗi thông báo được các trạm phân biệt thông qua một mã căn
cước nói lên nội dung của thông báo
• Các trạm tự quyết định có nhận thông báo hay không thông
qua phương thức lọc thông báo (Message Filtering)
• Một trạm yêu cầu trạm khác gửi dữ liệu bằng cách gửi 1 khung
REMOTE FRAME, trạm có khả năng cung cấp dữ liệu gửi trả
khung dữ liệu DATA FRAME
• Một mạng CAN có thể thêm hay bớt bất kì 1 trạm mà không
cần thay đổi gì về phần mềm cũng như phần cứng
113
CÁC HỆ THỐNG BUS TIÊU BIỂU
Cấu trúc bức điện
CAN định nghĩa 4 kiểu bức điện
• Khung dữ liệu DATA FRAME mang dữ liệu từ 1 trạm truyền
đến các trạm nhận
• Khung yêu cầu dữ liệu REMOTE FRAME được gửi từ 1 trạm
yêu cầu cùng với mã căn cước
• Khung lỗi ERROR FRAME được gửi từ 1 trạm bất kì phát
hiện ra lỗi bus
• Khung quá tải OVERLOAD FRAME tạo ra một khoảng thời
gian bổ sung giữa 2 khung dữ liệu trong trường hợp bus bị quá
tải
114
CÁC HỆ THỐNG BUS TIÊU BIỂU
Khung dữ liệu/yêu cầu dữ liệu
• Khởi đầu khung là một bit trội đánh dấu khởi đầu của một
khung dữ liệu hoặc khung yêu cầu dữ liệu
• Ô phân xử là mức ưu tiên của bức điện, quyết định quyền truy
cập bus khi có nhiều thông báo được gửi đi. Bit cuối của ô
phân xử RTR phân biệt khung dữ liệu (bit trội) với khung yêu
cầu dữ liệu (bit lặn)
• Ô điều khiển 6 bit trong đó 4 bit cuối mã hóa chiều dài dữ liệu
115
CÁC HỆ THỐNG BUS TIÊU BIỂU
• Ô dữ liệu có chiều dài 0...8 byte. Mỗi byte truyền đi theo thứ
tự MSB đến LSB
• Ô kiểm soát lỗi CRC gồm 15 bit được mã hóa theo phương
pháp
CRC
với
đa
thức
sinh
G
=
X15+X14+X10+X8+X7+X4+X3+1
• Ô xác nhận ACK gồm 2 bit, được phát đi là các bit lặn. Mỗi
trạm nhận được bức điện phải kiểm tra CRC. Nếu dữ liệu đúng
thì sẽ phát chồng 1 bit trội trong thời gian nhận được ACK đầu
tiên. Bức điện truyền chính xác sẽ có 1 bit trội nằm giữa 2 bit
lặn
• Ô kết thúc khung là 7 bit lặn
116
CÁC HỆ THỐNG BUS TIÊU BIỂU
Khung lỗi
Hai loại lỗi của CAN phân biệt bởi cờ lỗi
• Lỗi chủ động có cờ gồm 6 bit trội liền nhau
• Lỗi bị động có cờ gồm 6 bit lặn liền nhau trừ trường hợp bị ghi
đè bởi bit trội từ trạm khác
117
CÁC HỆ THỐNG BUS TIÊU BIỂU
Khung quá tải
• Cờ quá tải bao gồm 6 bit trội tương tự cờ lỗi chủ động
118
CÁC HỆ THỐNG BUS TIÊU BIỂU
Truy cập bus
• CAN sử dụng phương pháp truy nhập môi trường CSMA/CA,
tức là điều khiển phân kênh theo từng bit.
• Mã căn cước của thông báo được sử dụng làm mức ưu tiên
• Bất cứ trạm nào cũng đều có khả năng gửi thông báo. Trong
trường hợp xung đột trên đường truyền, thông báo nào có mức
ưu tiên lớn hơn thì sẽ được truyền tiếp. Do đó 1 trạm sau khi
gửi thông báo vẫn phải tiếp tục theo dõi đường truyền
• Nếu hệ thống sử dụng bit 1 làm bit lặn và bit 0 làm bit trội thì
thông báo có mã căn cước càng nhỏ thì càng được ưu tiên
119
CÁC HỆ THỐNG BUS TIÊU BIỂU
Bảo toàn dữ liệu
• Các biện pháp
–
–
–
–
Theo dõi mức tín hiệu truyền đi và so với tín hiệu nhận được trên bus
Kiểm soát lỗi CRC
Thực hiện nhồi bit (Bit Stuffing)
Kiểm soát khung thông báo
• Hiệu quả
–
–
–
–
–
–
Phát hiện tất cả các lỗi toàn cục
Phát hiện các lỗi cục bộ tại trạm phát
Phát hiện tới 5 bit phân bố ngẫu nhiên trong 1 bức điện
Phát hiện các lỗi đột ngột có chiều dài nhở hơn 15 bit trong 1 thông báo
Phát hiện các lỗi có số bit lỗi là chẵn
Tỉ lệ lỗi còn lại nhỏ hơn 4,7.10-11
120
CÁC HỆ THỐNG BUS TIÊU BIỂU
Mã hóa bit
• CAN sử dụng phương pháp nhồi bit rồi sau đó tín hiệu được mã hóa
bằng phương pháp
• NRZ
Các hệ thống dựa trên nền CAN
• CANopen
– Độ tin cậy cao, hiệu suất đường truyền lớn, thích hợp các ứng dụng điều khiển
chuyển động tốc độ cao
– Tốc độ và chiều dài đoạn mạng bị ràng buộc với nhau
• SDS
– Tính thời gian thực cao, áp dụng trong các hệ thống tập trung và phân tán
– Hoạt động chủ yếu theo cơ chế hướng sự kiện
– Giá thành thấp, độ tin cậy cao, có khả năng chuẩn đoán hệ thống, sử dụng hiệu
quả đường truyền, một thiết bị có khả năng tự nhận biết tốc độ và tự cấu hình
– Tốc độ và chiều dài đoạn mạng bị ràng buộc, không được nhiều nhà sản xuất
hỗ trợ
121
CÁC HỆ THỐNG BUS TIÊU BIỂU
3.3
DeviceNet
Đặc điểm
• Là hệ thống bus được xây dựng trên nền tảng CAN
• Tại lớp vật lý, DeviceNet đưa ra cụ thể
– Phương thức giao tiếp kiểu tay đôi (peer to peer) hoặc Master/Slave
– Cấu hình mạng truckline/dropline, chiều dài dropline tối đa 6m
– Tốc độ truyền cố định 125kBit/s, 250kBit/s và 500kBit/s tương ứng với
khoảng cách tối đa trên đường trục 500m, 250m, 100m
– Số trạm tối đa là 64 trạm
– Mỗi thành viên được đặt một địa chỉ MAC-ID có giá trị từ 0...63
– Việc thêm hay bớt một trạm có thể thực hiện “nóng“
122
CÁC HỆ THỐNG BUS TIÊU BIỂU
Cơ chế giao tiếp
Các hình thức giao tiếp
• Điều khiển theo sự kiện
• Điều khiển theo thời gian-chu kì
• Gửi đồng loạt
• Phương pháp hỏi tuần tự cổ điển với hệ thống có cấu hình
Master/Slave
Với các hình thức giao tiếp trên thì
• Dữ liệu có thể được thu thập theo chu kì hoặc theo nhu cầu
• Sử dụng đường truyền hiệu quả
• Các trạm có thể giao tiếp với nhau mà không cần Master
123
CÁC HỆ THỐNG BUS TIÊU BIỂU
Mô hình đối tượng
• Đối tượng căn cước (Identity Object) chứa mã số nhà sản xuất,
kiểu thiết bị, phiên bản, trạng thái, tên sản phẩm
• Đối tượng chuyển thông báo (Message Router Object) chuyển
thông báo tới các đối tượng khác
• Đối tượng DeviceNet (DeviceNet Object) chứa địa chỉ trạm,
tốc độ truyền, hành động khi ngắt bus, đếm số lần ngắt, địa chỉ
Master
• Đối tượng ghép (Assembly Object) là đối tượng tổng hợp của
nhiều đối tượng khác nhau
• Đối tượng nối (Connection Object) đại diện 1 điểm cuối của
một đường nối 2 trạm của 1 mạng
124
CÁC HỆ THỐNG BUS TIÊU BIỂU
• Đối tượng tham số (Parameter Object) đại diện giao diện cấu
hình của một thiết bị: giá trị, phạm vi, chuỗi, giới hạn
• Đối tượng ứng dụng (Application Object) đại diện chương
trình ứng dụng
125
CÁC HỆ THỐNG BUS TIÊU BIỂU
Mô hình địa chỉ
Mỗi đối tượng chứa một số thuộc tính và dịch vụ. Việc truy
cập các dịch vụ thông qua địa chỉ có dạng
Địa chỉ trạm
MAC-ID
Mã căn cước lớp ĐT
Object Class Identifier
Mã đối tượng
Instance Number
Mã thuộc tính/d.vụ
Attribute Number
0...63
1...65535
0...65535
1...255
126
CÁC HỆ THỐNG BUS TIÊU BIỂU
Cấu trúc bức điện
Nhóm
thông báo
Khoảng
giá trị
Các bit của mã căn cước
10
Nhóm 1
000-3FF
0
Nhóm 2
400-5FF
1
0
Nhóm 3
600-7BF
1
1
Nhóm 4
70C-7EF
1
1
1
1
1
Không
hợp lệ
7F0-7FF
1
1
1
1
1
9
8
7
6
5
4
ID thông báo
3
2
1
0
MAC-ID nguồn
MAC-ID nguồn
ID thông báo
ID thông báo
MAC-ID nguồn
ID-Thông báo
1
1
x
x
x
x
127
CÁC HỆ THỐNG BUS TIÊU BIỂU
Dịch vụ thông báo
DeviceNet có 2 kiểu thông báo
• Thông báo rõ ràng (Explicit Message) có địa chỉ đầy đủ của
thuộc tính cần truy cập hoặc dịch vụ cần gọi
• Thông báo vào/ra chỉ mang dữ liệu, được tự động gửi (không
cần có yêu cầu)
– Polling – hỏi tuần tự: trạm chủ gửi dữ liệu đầu ra tới từng thiết bị, chờ
đáp ứng đầu vào từ các thiết bị này. Ưu điểm dễ kiểm soát, tin cậy.
Nhược điểm hiệu suất không cao
– Strobing – quét đồng loạt: trạm chủ gửi một loạt thông báo yêu cầu, các
trạm tớ đáp lại bằng dữ liệu phụ thuộc mức độ ưu tiên của trạm hoặc
của thông báo. Ưu điểm hiệu suất cao với các thiết bị không có đầu ra
– Cyclic –tuần hoàn: Các thiết bị được đặt cấu hình để gửi dữ liệu định kì
– Change of State – thay đổi trạng thái: Dữ liệu gửi mỗi khi giá trị của nó
thay đổi hoặc đồng hồ cảnh báo Heartbeat-Timer báo Timeout
Bảng mã căn cước (Bảng 3.6)
Các dịch vụ DeviceNet (Bảng 3.7)
128
CÁC HỆ THỐNG BUS TIÊU BIỂU
3.4
Modbus
Đặc điểm
• Là một chuẩn giao thức và dịch vụ thuộc lớp ứng dụng
• Có thể thực hiện trên các cơ chế vận chuyển cấp thấp như
TCP/IP, MAP, RS-232,...
• Quá trình giao tiếp được thực hiện theo cơ chế yêu cầu/đáp
ứng
• Thường được ứng dụng trong
– PLC
– Hệ SCADA
– Kết nối giữa thiết bị dữ liệu đầu cuối với thiết bị truyền dữ liệu
129
CÁC HỆ THỐNG BUS TIÊU BIỂU
Cơ chế giao tiếp
• Modbus chuẩn
– Giao tiếp sử dụng RS-232C
– Cơ chế giao tiếp Master/Slave. Master thường là máy tính điều khiển
trung tâm hoặc các thiết bị lập trình. Slave có thể là PLC hoặc các bộ
điều khiển chuyên dụng khác
– Trạm chủ có thể gửi đồng loạt hoặc gửi thông báo tới từng trạm tớ.
Trạm tớ nhận được yêu cầu mới gửi thông báo đáp ứng
– Thông báo yêu cầu gồm: địa chỉ trạm nhận+mã hàm dịch vụ yêu cầu
bên nhận thực hiện+dữ liệu đi kèm+thông tin kiểm soát lỗi
• Modbus trên các mạng khác
– Giao tiếp theo cơ chế riêng có thể là peer to peer hoặc master/slave
– Ở mức giao tiếp thông báo, giao thức sử dụng vẫn là Master/Slave
130
CÁC HỆ THỐNG BUS TIÊU BIỂU
Chu trình yêu cầu/đáp ứng
Các thành phần của thông báo (yêu cầu hoặc đáp ứng)
– Địa chỉ trạm nhận (0-247), địa chỉ 0 là gửi đồng loạt
– Mã hàm gọi chỉ thị hành động trạm tớ cần thực hiện theo yêu cầu
– Dữ liệu chứa các thông tin bổ sung mà trạm tớ cần thực hiện yêu cầu
đó
– Thông tin kiểm lỗi
131
CÁC HỆ THỐNG BUS TIÊU BIỂU
Chế độ truyền
Chế độ ASCII
Chế độ RTU(Remote Terminal Unit)
Cấu hình
bức điện
Ưu điểm
Nhược
điểm
Nếu không sử dụng parity thì sẽ sử
dụng 2 bit cuối làm Stop bit
Nếu không sử dụng parity thì sẽ sử
dụng 2 bit cuối làm Stop bit
• Cho phép khoảng thời gian
trống tối đa 1s giữa 2 kí tự mà
không phát sinh lỗi
• Hiệu suất cao
• Hiệu suất thấp
• Thông báo phải được truyền liên tục
132
CÁC HỆ THỐNG BUS TIÊU BIỂU
Cấu trúc bức điện
Khung ASCII
Khung RTU
Khởi
đầu
Địa
chỉ
Mã
hàm
Dữ
liệu
Mã
LCR
Kết
thúc
Khởi
đầu
Địa
chỉ
Mã
hàm
Dữ
liệu
Mã
CRC
Kết
thúc
1 kí
tự :
2 ki
tự
2 kí
tự
N ki
tự
2 kí
tự
CR+
LF
(----) 8 bit
8 bit
Nx
8 bit
16
bit
(----)
• Trường địa chỉ chứa 2 kí tự ASCII hoặc 8 bit có giá trị 0-247,
địa chỉ 0 là gửi đồng loạt. Địa chỉ ở đây chỉ là địa chỉ của trạm
tớ vì trong Modbus chỉ có 1 trạm chủ duy nhất. Do đó mà
không cần nêu đia chỉ trạm truyền và trạm nhận
133
CÁC HỆ THỐNG BUS TIÊU BIỂU
• Mã hàm gồm 2 kí tự ASCII hoặc 8 bit có giá trị 1- 255. Mã
hàm thông báo có giá trị 1-127. Một số hàm được nêu ở bảng
3.8. Khi trạm chủ yêu cầu, nó gửi mã hàm tương ứng tới trạm
tớ. Khi trạm tớ trả lời, nó cũng dùng chính mã hàm đó trong
thông báo đáp ứng
• Dữ liệu là phần nói lên chi tiết hành động mà trạm tớ cần thực
hiện theo yêu cầu trạm chủ. Bình thường, phần dữ liệu trong
thông báo đáp ứng chính là kết quả của hành động đã thực
hiện. Nếu xảy ra lỗi, phần dữ liệu chứa mã ngoại lệ, nhờ đó mà
Master xác định hành động tiếp theo cần thực hiện
Các hàm Modbus được các bộ điều khiển Modicon hỗ trợ được
trình bày tại bảng 3.8
134
CÁC HỆ THỐNG BUS TIÊU BIỂU
Bảo toàn dữ liệu
Bảo toàn dữ liệu của Modbus được áp dụng tại 2 mức
• Kiểm soát kí tự khung: sử dụng phương pháp Parity
• Kiểm soát khung
– Chế độ ASCII: sử dụng phương pháp LCR (longitudinal Redundancy
Check). Dãy bit nguồn để tính là LCR gồm địa chỉ + mã hàm + dữ liệu.
Mã LCR (8 bit – 2 kí tự ASCII) được tính bằng cách cộng đại số toàn
bộ các byte của dãy bit nguồn, sau đó lấy bù 2 của kết quả
– Chế độ RTU: sử dụng CRC với G = 1010 0000 0000 0001. Khi đưa
vào khung thông báo thì byte thấp của CRC được gửi đi trước, tiếp sau
là byte cao
135
CÁC HỆ THỐNG BUS TIÊU BIỂU
Modbus Plus
• Đây là hệ thống dựa trên cơ sở Modbus sử dụng ở cấp trường
và cấp điều khiển. Modbus có giá thành thấp, dễ lắp đặt và đưa
vào vận hành
• Modbus Plus sử dụng đôi dây xoắn STP, chiều dài tối đa
500m, sử dụng kỹ thuật truyền RS-485, với tốc độ có thể lên
tới 1 Mbit/s. Cơ chế điều khiển truy cập đường truyền là Token
Passing
• Các thông báo của Modbus Plus được đóng gói thành các
khung LLC. Mỗi khung LLC được bổ sung thông tin về địa
chỉ trạm gửi, trạm nhận và số lượng byte truyền. Trước khi mã
hóa, một khung MAC lại được đóng gói thành bức điện HDLC
136
CÁC HỆ THỐNG BUS TIÊU BIỂU
Output path
Đường dẫn đầu ra có vai trò mux/demux
MAC function
Mã hàm điều khiển truy cập đường truyền
Router Counter
Đếm các router mà khung đã đi qua
Byte Counter
Số lượng byte trong LLC được truyền
Trans sequence
Mã số phiên giao dịch
Preamble
Dãy bit báo hiệu khung đầu
Routing path
Mã số đường dẫn, chứa thông tin chọn
đường đi tối ưu
Opening Flag
Cờ mở đầu khung
Destination
address
Địa chỉ trạm đích
Broadcast
Address
Địa chỉ gửi đồng loạt
Source address
Địa chỉ nguồn
CRC
Kiểm tra CRC
Closing Flag
Cờ kết thúc
137
CÁC HỆ THỐNG BUS TIÊU BIỂU
3.5
Interbus-S
Kiến trúc giao thức
DTI
Data Interface
SGI
Signal Interface
MXI
Mailbox Interface
API
Application Programming Interface
PDC
Process Data Channel
ALI
Application Layer Interface
PMS
Peripheral Message Specification
LLI
Lower Layer Interface
PDL
Peripheral Data Link
BLL
Basic Link Layer
PHY
Physical Layer
138
CÁC HỆ THỐNG BUS TIÊU BIỂU
• Lớp vật lý qui định phương pháp mã hóa bit, kỹ thuật truyền
dẫn tín hiệu và các giao diện điện học, cơ học, tốc độ truyền,...
• Lớp liên kết dữ liệu đảm bảo cho việc truyền thông chính xác,
tin cậy. Lớp liên kết dữ liệu hỗ trợ vào/ra 2 loại dữ liệu chính
thông qua lớp BLL. Đó là các loại dữ liệu:
– Mang tính tuần hoàn như các dữ liệu từ cảm biến, các cơ cấu chấp hành
thông qua khối PDC
– Có thông số không có tính định kì thông qua PMS với sự hỗ trợ của
ALI, LLI và PDL
• Phần chính của lớp ứng dụng là PMS là một tập con của
MMS. Vì thế mà Interbus-S tương thích cơ bản với ProfibusFMS
139
CÁC HỆ THỐNG BUS TIÊU BIỂU
Cấu trúc mạng và kỹ thuật truyền dẫn
• Sử dụng cấu trúc mạch vòng khép kín
• Phương pháp truy cập bus Master/Slave và TDMA, trong đó
có 1 trạm chủ duy nhất, các trạm khác được phân chia khoảng
thời gian thích hợp để trao đổi dữ liệu
• Cấu trúc ghép nối kiểu điểm-điểm sử dụng đôi dây xoắn STP,
cáp quang, hồng ngoại,...Thông dụng nhất là đôi dây xoắn STP
kết hợp RS-485
• Tổng số trạm tối đa là 256
• Chiều dài dây mạng lên tới 13km
• Với tốc độ 500kBit/s thì khoảng cách tối đa là 400m
• Phương pháp mã hóa NRZ, môi trường cháy nổ sử dụng mã
Manchester
• Chế độ truyền Full-duplex
140
CÁC HỆ THỐNG BUS TIÊU BIỂU
141
CÁC HỆ THỐNG BUS TIÊU BIỂU
Cơ chế giao tiếp
• Phương pháp truy cập TDMA kết hợp Master/Slave
• Interbus-S sử dụng 1 khung thông tin bắt đầu từ trạm chủ
mang các dữ liệu ra đi 1 vòng qua các trạm tớ
• Tại các trạm tớ, mỗi trạm được cung cấp 1 khoảng thời gian để
nhận dữ liệu đầu vào và ghi dữ liệu đầu ra (2-16 Byte) tại khe
tương ứng
• Khi khung thông tin đi được 1 vòng thì tất cả các trạm tớ đều
nhận được dữ liệu đầu ra và gửi về trạm chủ dữ liệu đầu vào
• Nếu dữ liệu gửi về trạm có dung lượng lớn (lớn hơn 16 Byte)
thì dữ liệu này được chia nhỏ và gửi về Master theo các chu kì
liên tiếp nhau
• Ưu điểm hiệu suất tương đối cao, đảm bảo tính đồng bộ trong
hệ thống
142
CÁC HỆ THỐNG BUS TIÊU BIỂU
143
CÁC HỆ THỐNG BUS TIÊU BIỂU
Loop
back
Dữ liệu
quá trình
Dữ liệu
quá trình
Trạm 1
Trạm 2
Dữ liệu
quá trình
Dữ liệu
tham số n
Chu kì
n
Dữ liệu
tham số n
Dữ liệu
tham số 3
Chu kì
3
Dữ liệu
tham số 3
Dữ liệu
tham số 2
Chu kì
2
Dữ liệu
tham số 2
Dữ liệu
tham số 1
Chu kì
1
Dữ liệu
tham số 1
Dữ liệu
quá trình
Trạm n-1
Trạm n
Trạm 3
FCS
Giao thức truyền Interbus-S
144
CÁC HỆ THỐNG BUS TIÊU BIỂU
Cấu trúc bức điện
• Cấu trúc khung giao thức lớp 2
• Khung giao thức lớp 2 được chia thành các kí tự 8 bit. Mỗi kí
tự được bổ sung 5 bit
• Cấu trúc khung giao thức lớp 1
145
CÁC HỆ THỐNG BUS TIÊU BIỂU
Dịch vụ giao tiếp
• Dịch vụ truyền tuần hoàn
– Trạm chủ tự động cập nhật nhờ các dịch vụ truyền của lớp 2
– Các chương trình ứng dụng sử dụng dữ liệu tuần hoàn chỉ cần sử dụng
bộ nhớ đệm vào/ra của trạm chủ để đọc các đầu vào và ghi các dữ liệu
ra
– Cách sử dụng đơn giản, đơn giản hóa thủ tục xử lý phức tạp
• Dịch vụ truyền thông báo PMS
– Có khoảng 25 dịch vụ được định nghĩa trong PMS, trong đó các dịch
vụ tiêu biểu gồm
• Context Management: Thiết lập, giám sát các mối liên kết truyền thông
• Variable Access: Đọc và ghi các biến quá trình hoặc tham số
• Program Invocation: Nạp chương trình, khởi động và kết thúc chương trình
– 1 trạm vừa có thể là server cung cấp các dịch vụ PMS vừa là client sử
dụng các dịch vụ do trạm khác cung cấp
146
CÁC HỆ THỐNG BUS TIÊU BIỂU
3.6
AS-i (Actuator Sensor Interface)
Đặc điểm
• Có khả năng đồng tải nguồn
• Phương pháp truyền bền vững trong môi trường công nghiệp
nhưng không đòi hỏi cao về chất lượng đường truyền
• Cấu trúc mạng có thể là mạng đường thẳng hoặc hình cây
• Giao diện mạng có giá thành thấp
• Bộ nối nhỏ gọn, đơn giản, giá thành hợp lý
147
CÁC HỆ THỐNG BUS TIÊU BIỂU
148
CÁC HỆ THỐNG BUS TIÊU BIỂU
Kiến trúc giao thức
• Toàn bộ xử lý giao thức chỉ gói gọn trong lớp 1 theo mô hình
OSI
• Trong lớp vật lý, AS-i đưa ra phương pháp mã hóa hoàn toàn
mới để thích hợp với đường truyền 2 dây đồng tải nguồn và
không dựa vào chuẩn RS-485 như các hệ thống khác
• Lớp vật lý cũng qui định rõ các thành phần mạng
• Chức năng điều khiển truy cập và bảo toàn dữ liệu cũng được
thực hiện tại lớp 1
– Truy cập đường truyền sử dụng phương pháp Master/Slave
– Bảo toàn dữ liệu sử dụng parity bit kết hợp với phương pháp mã hóa bit
mà AS-i tự xây dựng
149
CÁC HỆ THỐNG BUS TIÊU BIỂU
Cấu trúc mạng và cáp truyền
• Cấu trúc mạng có thể chọn là cấu trúc thẳng (daisy-chain hoặc
truckline/dropline)
• Các trạm có thể được phân bố đều, có thể được sắp xếp theo
nhóm
• Không yêu cầu sử dụng trở đầu cuối
• 1 trạm chủ duy nhất kiểm soát hoạt động toàn mạng
• 1 trạm tớ có thể là 1 bộ ghép nối với tối đa 4 cảm biến hoặc cơ
cấu chấp hành có tích hợp giao diện AS-i
• Chiều dài tổng cộng cáp truyền tối đa 100m, khoảng cách lớn
hơn phải sử dụng bộ lặp
• Số trạm trong 1 mạng tối đa là 31, toàn mạng tối đa 124
• Tốc độ qui định không đổi là 167kBit/s
150
CÁC HỆ THỐNG BUS TIÊU BIỂU
151
CÁC HỆ THỐNG BUS TIÊU BIỂU
Cơ chế giao tiếp
• AS-i sử dụng cơ chế giao tiếp Master/Slave
• Trong 1 chu kì bus, trạm chủ giao tiếp với mỗi trạm tớ theo
phương pháp hỏi tuần tự
• Khi giao tiếp với 1 trạm
– Trạm chủ gửi bức điện với độ dài 14 bit gồm 5 bit chứa địa chỉ trạm tớ
và 5 bit thông tin (dữ liệu đầu ra hoặc mã hàm gọi)
– Trạm tớ trả lời bằng 1 bức điện có độ dài 7 bit trong đó có 4 bit là dữ
liệu đầu vào hoặc kết quả thực hiện hàm
• Tốc độ được giữ cố định 167kBit/s nên thời gian 1 chu kì bus
phụ thuộc hoàn toàn vào số trạm ghép nối nhưng không vượt
quá 5ms
• Nếu có sự cố thì trạm chủ có thể gửi riêng từng bức điện
• Ngoài ra AS-i còn có 9 loại thông báo gồm 2 loại phục vụ
truyền dữ liệu, 2 loại dùng để đặt địa chỉ và 5 loại để nhận
152
dạng và xác định trạng thái các trạm tớ
CÁC HỆ THỐNG BUS TIÊU BIỂU
Cấu trúc bức điện
Trao đổi dữ liệu
0
0
A4
A3
A2
A1
A0
0
D3
D2
D1
D0
P
1
Đặt tham số
0
0
A4
A3
A2
A1
A0
0
D3
D2
D1
D0
P
1
Đặt địa chỉ
0
0
0
0
0
0
0
A4
A3
A2
A1
A0
P
1
Reset trạm tớ
0
1
A4
A3
A2
A1
A0
1
1
1
0
0
P
1
Xóa địa chỉ mặc định
0
1
A4
A3
A2
A1
A0
0
0
0
0
0
P
1
Đọc cấu hình vào ra
0
1
A4
A3
A2
A1
A0
1
0
0
0
0
P
1
Đọc mã căn cước
0
1
A4
A3
A2
A1
A0
1
0
0
0
1
P
1
Đọc trạng thái
0
1
A4
A3
A2
A1
A0
1
1
1
1
0
P
1
Đọc và xóa trạng thái
0
1
A4
A3
A2
A1
A0
1
1
1
1
1
P
153
1
CÁC HỆ THỐNG BUS TIÊU BIỂU
Mã hóa bit
• Đặc điểm cáp 2 dây của mạng AS-i
– Đặc tính suy giảm mạnh theo tần số
– Nhiễu xạ lớn
• Phương pháp APM = AFP + Manchester
• Gửi dữ liệu
– Chuyển dãy bit cần gửi sang mã Manchester
– Dòng điện tương ứng sẽ tạo ra mức điện áp mong muốn trên đường
truyền
– Tại sườn lên của dòng tạo điện áp âm và ngược lại
• Nhận dữ liệu
– Nhận biết các xung âm và dương
– Dựa vào khoảng cách giữa các xung để phân biệt các bit 0 và 1
154
CÁC HỆ THỐNG BUS TIÊU BIỂU
155
CÁC HỆ THỐNG BUS TIÊU BIỂU
Bảo toàn dữ liệu
• Phương pháp bảo toàn dữ liệu là Parity bit kết hợp với phương
pháp mã hóa hợp lý
• Trong 1 chu kì bit, tín hiệu trên đường truyền được lấy mẫu 16
lần. Trong mỗi chu kì bit phải có 1 hoặc 2 xung và các xung
kết tiếp phải đảo chiều. Chỉ những tín hiệu dạng này mới được
xử lý, còn lại được coi là lỗi và phải truyền lại
• Tiếp theo, mỗi bức điện có chiều dài cố định, có bit đầu và bit
cuối và được ngăn cách bởi 1 khoảng thời gian nghỉ, nếu xuất
hiện sai lệch thì cũng có thể phát hiện được
• Cuối cùng, các giá trị nhận được sẽ được kiểm tra bằng 1 bit
chẵn lẻ
156
CHƯƠNG 4
MỘT SỐ MẠNG TRUYỀN THÔNG TRONG
THỰC TẾ
157
MỘT SỐ MẠNG TRUYỀN THÔNG TRONG THỰC TẾ
4.1
CENTUM CS 3000 R3
Centum CS 3000 R3 là sản phẩm của hãng Yokogawa, Japan
được phát triển từ những năm 1975. Đây là hệ thống điều
khiển phân tán được sử dụng để điều khiển và giám sát các hệ
thống ứng dụng trong các lĩnh vực hóa chất, hóa dầu, thực
phẩm, sắt thép, năng lượng,...
Cấu hình Centum CS 3000 R3
• Cấu hình cơ sở
158
MỘT SỐ MẠNG TRUYỀN THÔNG TRONG THỰC TẾ
• Cấu hình chuẩn
159
MỘT SỐ MẠNG TRUYỀN THÔNG TRONG THỰC TẾ
Các thành phần chuẩn trong hệ thống
• HIS – Human Interface Station được sử dụng để điều khiển và
giám sát quá trình điều khiển, bao gồm
– Desktop Type HIS là máy PC với bàn phím đặc biệt
– Console Type HIS là máy PC đặc biệt phức hợp với màn hiển thị LCD,
phím điều khiển touch panel function
Console Type HIS
160
MỘT SỐ MẠNG TRUYỀN THÔNG TRONG THỰC TẾ
• FCS - Field Control System là hệ thống máy điều khiển do
hãng Yokogawa chế tạo và sản xuất
• Control LAN – Vnet/IP là hệ thống mạng
theo chuẩn IEEE 802.3 Ethernet có tốc độ
lên tới 1GBit/s được sử dụng để kết nối các
trạm HIS, FCS và BCV
• BCV – Bus Converter
• ENG – Engineering Station là máy trạm
dùng để mô phỏng hoạt động hệ thống và
điều khiển hệ thống khi máy FCS thực thi
FCS
họat động bảo hành hay sửa chữa hệ thống
161
MỘT SỐ MẠNG TRUYỀN THÔNG TRONG THỰC TẾ
162
MỘT SỐ MẠNG TRUYỀN THÔNG TRONG THỰC TẾ
• SIOS – System Integration OPC Station là hệ thống máy điều
khiển trên nền OPC tương thích với các thiết bị điều khiển của
các hãng khác
• Centum CS 3000 R3 có thể hỗ trợ các hệ thống bus khác nhau
như Foundation Fieldbus, HART, Profibus-DP, DeviceNet,
Modbus, Modbus/TCP và Ethernet/IP
Giao diện HMI – Human Machine Interface
• Cung cấp giao diện điều khiển và giám sát hệ thống
• Nhanh chóng cập nhật các thông số điều khiển
• Cung cấp hệ thống cảnh báo
• Hỗ trợ giám sát đa màn hình từ xa, thông qua mạng
163
MỘT SỐ MẠNG TRUYỀN THÔNG TRONG THỰC TẾ
164
MỘT SỐ MẠNG TRUYỀN THÔNG TRONG THỰC TẾ
4.2
PlantScape
PlantScape là hệ thống điều khiển phân tán được xây dựng bởi
hãng Honeywell. Đây là hệ thống lai, có thể điều khiển tương
tự và điều khiển rời rạc
Cấu hình hệ thống
• Cấu hình tối thiểu
165
MỘT SỐ MẠNG TRUYỀN THÔNG TRONG THỰC TẾ
• Cấu hình cơ bản
166
MỘT SỐ MẠNG TRUYỀN THÔNG TRONG THỰC TẾ
Đặc điểm hệ thống
• PlantScape là hệ thống điều khiển giám sát hoạt động linh
hoạt, bền bỉ và có cấu trúc mở
• Hệ thống hoạt động trên giao thức Server/Client có khả năng
hỗ trợ cơ sở dữ liệu của các hãng phần mềm khác nhau, đáp
ứng theo thời gian thực
• Hệ thống hỗ trợ các kỹ thuật và chuẩn mới nhất như ODBC,
AdvanceDDE, ActiveX, Visual Basic, OLE for Process
Control,...
167
MỘT SỐ MẠNG TRUYỀN THÔNG TRONG THỰC TẾ
• Hỗ trợ giám sát từng điểm thông số, các vị trí kỹ thuật, công
nghệ
• Hệ thống hỗ trợ các thiết bị trường khác nhau của Honeywell
và nhiều hãng sản xuất thứ 3
• Dễ dàng xây dựng hệ thống thành hệ thống SCADA hoặc hệ
thống điều khiển phân tán
• Hệ thống hỗ trợ 6 mức bảo vệ
• Giao diện giám sát trực quan, dễ sử dụng
168
MỘT SỐ MẠNG TRUYỀN THÔNG TRONG THỰC TẾ
Xây dựng hệ thống điều khiển giám sát trên nền WEB
169
MỘT SỐ MẠNG TRUYỀN THÔNG TRONG THỰC TẾ
Khai báo và sử dụng modul điều khiển
170
MỘT SỐ MẠNG TRUYỀN THÔNG TRONG THỰC TẾ
Giám sát các thông số điều khiển multi point
171
BÀI GIẢNG KẾT THÚC
172