(NB) Giáo trình Thực hành Mạng truyền thông công nghiệp là một trong những giáo trình mô đun đào tạo chuyên ngành được biên soạn theo nội dung chương trình chi tiết mô đun Thực hành Mạng truyền thông công nghiệp. Nội dung biên soạn ngắn gọn, dễ hiểu, tích hợp kiến thức và kỹ năng chặt chẽ với nhau, logíc. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung phần 1 giáo trình.
Giới thiệu
Mạng truyền thông công nghiệp là gì?
Mạng truyền thông công nghiệp là hệ thống kết nối các thiết bị công nghiệp thông qua việc truyền dữ liệu nối tiếp Các hệ thống này hiện nay cho phép kết nối đa dạng từ cảm biến, thiết bị quan sát đến máy tính điều khiển và các máy tính cấp quản lý doanh nghiệp.
Mạng truyền thông công nghiệp không hoàn toàn giống với mạng máy tính hay mạng viễn thông, mặc dù chúng có một số điểm chung Mạng viễn thông có phạm vi địa lý và số lượng thành viên tham gia lớn hơn nhiều, dẫn đến các yêu cầu kỹ thuật như cấu trúc mạng, tốc độ truyền thông và tính năng thời gian thực khác biệt rõ rệt Ngoài ra, các phương pháp truyền thông trong mạng viễn thông, như truyền tải dải rộng, điều biến, dồn kênh và chuyển mạch, thường phức tạp hơn so với mạng truyền thông công nghiệp.
Mạng viễn thông bao gồm con người và thiết bị kỹ thuật, trong đó con người là yếu tố chủ yếu Các dạng thông tin cần trao đổi trong mạng viễn thông bao gồm tiếng nói, hình ảnh, văn bản và dữ liệu Ngược lại, mạng công nghiệp chủ yếu tập trung vào các thiết bị công nghiệp, vì vậy dạng thông tin chính mà mạng này quan tâm là dữ liệu.
Mạng truyền thông công nghiệp là một loại mạng máy tính đặc biệt, có những điểm tương đồng và khác biệt so với mạng máy tính thông thường.
Kỹ thuật truyền thông số, hay còn gọi là truyền dữ liệu, là đặc điểm chung của hai lĩnh vực khác nhau Trong nhiều trường hợp, mạng máy tính được áp dụng trong công nghiệp được xem như một phần của mô hình phân cáp trong mạng công nghiệp, đặc biệt ở các cấp điều khiển giám sát, điều hành sản xuất và quản lý công ty.
Mạng truyền thông công nghiệp yêu cầu tính năng thời gian thực, độ tin cậy và khả năng tương thích cao hơn so với mạng máy tính thông thường, trong khi mạng máy tính lại chú trọng hơn đến độ bảo mật Phạm vi của mạng máy tính rất đa dạng, từ mạng LAN cho vài máy tính đến mạng Internet rộng lớn, thường sử dụng dịch vụ truyền dữ liệu từ mạng viễn thông Ngược lại, các hệ thống mạng công nghiệp thường độc lập và có phạm vi hoạt động hẹp hơn Đối với hệ thống truyền thông công nghiệp, đặc biệt là ở các cấp thấp, yêu cầu về tính năng thời gian thực, khả năng thực hiện đơn giản và chi phí thấp được đặt lên hàng đầu.
Vai trò của mạng truyền thông công nghiệp
Một bộ điều khiển cần được kết nối với cảm biến và cơ cấu chấp hành, đồng thời các bộ điều khiển trong hệ thống điều khiển phân tán cũng cần trao đổi thông tin để phối hợp trong quá trình sản xuất Ở cấp độ cao hơn, các trạm vận hành trong trung tâm điều khiển cần giao tiếp với các bộ điều khiển để theo dõi và giám sát toàn bộ quá trình sản xuất và hệ thống điều khiển Việc sử dụng mạng truyền thông trong công nghiệp mang lại nhiều lợi ích quan trọng.
Đơn giản hóa cấu trúc kết nối giữa các thiết bị công nghiệp giúp tối ưu hóa việc quản lý, khi nhiều thiết bị khác nhau có thể kết nối qua một đường truyền duy nhất.
Cấu trúc đơn giản giúp tiết kiệm dây nối và giảm công thiết kế, lắp đặt hệ thống, làm cho quá trình thiết kế trở nên dễ dàng hơn Việc thay thế một số lượng lớn cáp truyền bằng một đường duy nhất không chỉ giảm thiểu chi phí nguyên vật liệu mà còn tiết kiệm đáng kể chi phí lắp đặt.
Kỹ thuật truyền thông số nâng cao độ tin cậy và chính xác của thông tin bằng cách giảm thiểu tác động của nhiễu, điều này giúp thông tin ít bị sai lệch hơn so với phương pháp truyền tín hiệu tương tự cổ điển Các thiết bị mạng không chỉ có khả năng tự phát hiện và chẩn đoán lỗi mà còn giảm thiểu sự chuyển đổi qua lại giữa tín hiệu tương tự và số, từ đó cải thiện độ chính xác của thông tin truyền đi.
Nâng cao độ linh hoạt và tính năng mở của hệ thống mạng chuẩn hóa quốc tế cho phép sử dụng thiết bị từ nhiều hãng khác nhau, dễ dàng thay thế và nâng cấp Điều này không chỉ giúp mở rộng phạm vi chức năng mà còn cải thiện khả năng tương tác giữa các thành phần nhờ vào giao diện chuẩn.
Việc đơn giản hóa và tiện lợi hóa quá trình tham số hóa, chuẩn đoán và định vị lỗi của các thiết bị được thực hiện thông qua một đường truyền duy nhất Nhờ đó, các thiết bị không chỉ có khả năng trao đổi dữ liệu quá trình mà còn có thể chia sẻ dữ liệu tham số, trạng thái, cảnh báo và chuẩn đoán Hơn nữa, các thiết bị có thể tích hợp tính năng tự chuẩn đoán và các trạm trong mạng có thể cảnh báo lẫn nhau Hệ thống có thể được cấu hình, lập trình, tham số hóa và đưa vào vận hành từ xa thông qua một trạm kỹ thuật trung tâm.
Hệ thống truyền thông công nghiệp mở ra nhiều chức năng và khả năng ứng dụng mới, cho phép áp dụng các kiến trúc điều khiển hiện đại như điều khiển phân tán và giám sát từ xa qua Internet Điều này giúp tích hợp thông tin từ hệ thống điều khiển và giám sát với thông tin quản lý sản xuất và công ty, nâng cao hiệu quả hoạt động.
Các hệ thống và thiết bị điều khiển hiện đại
Hệ điều khiển phân tán(Distributed Control System, DCS)
DCS (Hệ thống điều khiển phân tán) là giải pháp điều khiển và giám sát có cấu trúc phân cấp, được cung cấp trọn gói từ một nhà sản xuất, chủ yếu áp dụng trong ngành công nghiệp chế biến Các trạm điều khiển trong hệ thống DCS là những máy tính chuyên dụng, có cấu trúc module và khả năng xử lý số liệu lớn, giúp tối ưu hóa quá trình sản xuất.
PLC và các trạm điều khiển DCS cung cấp khả năng lập trình và điều chỉnh linh hoạt thông qua phần mềm mạnh mẽ DCS đầu tiên, TDC2000, được Honeywell giới thiệu vào năm 1975, đánh dấu sự khởi đầu cho sự phát triển liên tục của các sản phẩm DCS Mặc dù DCS là một giải pháp điều khiển phân tán, không phải tất cả các giải pháp phân tán đều được gọi là DCS Các hệ thống tự động hóa có cấu trúc phân tán có thể được xây dựng dựa trên nền tảng DCS, PLC, IPC… Tuy nhiên, sự phân biệt giữa các thiết bị điều khiển này đôi khi vẫn gặp khó khăn.
Giải pháp DCS hiện nay có thể được xây dựng dựa trên PLC hoặc IPC, nhờ vào sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ máy tính, các thiết bị điều khiển ngày càng tương đồng Khái niệm hệ điều khiển lai ngày càng phổ biến, với mỗi trạm điều khiển có thể mang hình thức của DCS, PLC hoặc IPC hiện đại Xu hướng sử dụng bus trường và thiết bị thông minh tích hợp chức năng điều khiển cơ sở đã tạo ra những giải pháp điều khiển mới mẻ Khi không xác định được tên gọi chính xác cho các giải pháp này, người ta thường sử dụng các thuật ngữ như hệ thống tự động hoá quá trình, hệ thống tự động hoá xí nghiệp hoặc hệ thống tự động hoá kỹ thuật số.
Hình 1.2 : Hệ thống điều khiển bằng DCS YOKOGAWA
Hệ thống điều khiển quá trình
SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) là hệ thống giám sát và thu thập dữ liệu, hỗ trợ con người trong việc điều khiển và giám sát từ xa, vượt trội hơn hệ thống điều khiển tự động thông thường Để thực hiện chức năng này, SCADA cần có hệ thống truy cập, truyền tải dữ liệu và giao diện người – máy (HMI).
Trong hệ thống điều khiển giám sát, HMI đóng vai trò quan trọng không chỉ ở cấp giám sát mà còn ở các cấp thấp hơn, nơi cần giao diện người-máy để quan sát và thao tác vận hành cục bộ Do yếu tố giá thành và đặc điểm kỹ thuật, các màn hình vận hành (OP - Operator Panel) và màn hình cảm ứng (TP - Touch Panel) thường được sử dụng để tối ưu hóa hiệu quả công việc.
Hình 1.3 : Hệ thống điều khiển bằng SCADA
Multi Panel chuyên dụng đóng vai trò quan trọng trong hệ thống SCADA, vốn được hiểu theo cách truyền thống là mạng lưới thiết bị thu thập dữ liệu từ các trạm xa và truyền về trung tâm xử lý Truyền thông và phần cứng từng là ưu tiên hàng đầu, nhưng với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ truyền thông công nghiệp và phần mềm, việc thiết kế hệ thống SCADA hiện nay tập trung vào việc lựa chọn công cụ phần mềm để thiết kế giao diện và tích hợp hệ thống hiệu quả hơn.
Hệ điều khiển lai (SCADA và DCS)
Để đáp ứng nhu cầu từ các ứng dụng công nghiệp và xu hướng tiết kiệm chi phí cho hệ thống điều khiển, các nhà cung cấp đã giới thiệu hệ thống điều khiển lai (Hybrid Control System) mới.
Hệ thống lai, được phát triển từ công nghệ của PLC và DCS, kết hợp ưu điểm của cả hai, cho phép quản lý khoảng 10.000 ngõ vào/ra và thực hiện các quá trình liên tục lẫn gián đoạn Với thiết bị nhỏ gọn hơn hệ DCS thương phẩm, hệ thống này tận dụng những lợi thế thiết kế của DCS Hệ lai hỗ trợ công nghệ Bus như Foundation Fieldbus, AS-i, Profibus và Device Net, đồng thời tương thích với các chuẩn mực OPC, XML và ODBC Đặc biệt, chúng còn tích hợp hiệu quả với các thiết bị lập kế hoạch doanh nghiệp như điện thoại không dây, máy nhắn tin và PDA.
Hệ lai hiện đại thường tích hợp chức năng điều khiển theo mẻ và giám sát hiệu quả Các công cụ phát triển ứng dụng đi kèm với nhiều tính năng, giao diện thân thiện và ngôn ngữ lập trình bậc cao đã được chuẩn hóa, giúp kỹ sư dễ dàng và nhanh chóng xây dựng ứng dụng.
Hạn chế của ứng dụng điều khiển lai bao gồm lưu lượng truyền thông lớn do các thiết bị điều khiển nhỏ, dẫn đến việc giảm số lượng điểm vào ra, đặc biệt trong các hệ thống yêu cầu chu trình điều khiển ngắn Ngoài ra, khả năng mở rộng dữ liệu hạn chế cũng khiến các hệ thống lai không đủ đáp ứng cho các ứng dụng quy mô lớn.
Một số hệ điều khiển lai có thể kể ra như: Delta V (Fisher-rosemount), Plantcape (Holley well), Micro I/A (Foxboro), Simatic PCS7 (Siemens), stardom (Yokogawa), Inductrial IT (ABB)
Hình 1.4 : Hệ thống điều khiển bằng FCS
Các hệ điều khiển khác
Hệ điều khiển FCS (Field Control System) là một giải pháp tiên tiến, sử dụng các bus trường để xử lý tín hiệu thông minh Việc áp dụng hệ thống này giúp tiết kiệm vật liệu và công suất lắp đặt, đồng thời nâng cao hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống nhờ vào việc điều khiển tại chỗ, giảm tải cho bus.
Hình 1.5 : Hệ thống điều khiển bằng FCS
- Ngoài ra trong công nghiệp còn có hệ điều khiển giám sát cục bộ, hệ thống điều khiển giám sát trung tâm phẳng và phân cấp
Hình 1.6 : Điều khiển giám sát cục bộ
Hình 1.7 : Điều khiển giám sát trung tâm phẳng
Hình 1.8 : Điều khiển giám sát trung tâm phân cấp
Mô hình kết nối hệ thống mở
Các tầng hệ thống mở
Mô hình OSI mô tả cách thức truyền tin giữa các chương trình ứng dụng của hai hệ thống máy tính thông qua các phương tiện truyền thông vật lý Thông tin từ ứng dụng trên hệ thống máy tính A sẽ được truyền xuống các lớp thấp hơn và qua các thiết bị vật lý đến hệ thống máy tính B Tại hệ thống B, thông tin sẽ đi từ lớp thấp nhất lên lớp cao nhất, tức là đến ứng dụng của hệ thống B Mỗi lớp trong hai hệ thống máy tính A và B đều giao tiếp với nhau thông qua một giao thức (Protocol) nhất định.
Mô hình OSI bao gồm 7 lớp: lớp ứng dụng, lớp biểu diễn dữ liệu, lớp kiểm soát nối, lớp vận chuyển, lớp mạng, lớp liên kết dữ liệu và lớp vật lý Mỗi lớp trong mô hình này đảm nhiệm những chức năng cụ thể, đóng góp vào việc truyền tải dữ liệu hiệu quả và đáng tin cậy trong mạng.
Hình 1.9 : Mô hình hệ thống mở
Nguyên tắc định nghĩa các tầng trong hệ thống mở
Sau đây là các nguyên tắc mà ISO quy định dùng trong quá trình xây dựng mô hình OSI
Không định nghĩa quá nhiều tầng để việc xác định và ghép nối các tầng không quá phức tạp
Tạo các ranh giới các tầng sao cho việc giải thích các phục vụ và số các tương tác qua lại hai tầng là nhỏ nhất
Tạo các tầng riêng biệt cho các chức năng khác biệt nhau hoàn toàn về kỹ thuật sử dụng hoặc quá trình thực hiên
Các chức năng giống nhau được đặt trong cùng một tầng
Lựa chọn ranh giới các tầng tại các điểm mà những thử nghiệm trong quá khứ thành công
Các chức năng được xác định sao cho chúng có thể dễ dàng xác định lại, và các nghi thức của chúng có thể thay đổi trên mọi hướng
Tạo ranh giới các tầng mà ở đó cần có những mức độ trừu tượng khác nhau trong việc sử dụng số liệu
Cho phép thay đổi các chức năng hoặc giao thức trong tầng không ảnh hưởng đến các tầng khác
Tạo các ranh giới giữa mỗi tầng với tầng trên và dưới nó.
Các giao thức trong mô hình
Trong mô hình OSI có hai loại giao thức chính được áp dụng: giao thức có liên kết (connection - oriented) và giao thức không liên kết (connectionless)
Giao thức có liên kết yêu cầu thiết lập một liên kết logic trước khi truyền dữ liệu giữa hai tầng đồng mức Các gói tin được trao đổi qua liên kết này, giúp nâng cao độ an toàn trong quá trình truyền dữ liệu.
Giao thức không liên kết là loại giao thức mà trước khi truyền dữ liệu, không thiết lập liên kết logic nào Mỗi gói tin được truyền độc lập, không phụ thuộc vào các gói tin trước hoặc sau nó.
Như vậy với giao thức có liên kết, quá trình truyền thông phải gồm 3 giai đoạn phân biệt:
Thiết lập liên kết logic giữa hai thực thể đồng mức trong các hệ thống thương lượng là quá trình thỏa thuận về các tham số sẽ được sử dụng trong giai đoạn truyền dữ liệu tiếp theo.
Truyền dữ liệu: dữ liệu được truyền với các cơ chế kiểm soát và quản lý kèm theo
(như kiểm soát lỗi, kiểm soát luồng dữ liệu, cắt/hợp dữ liệu ) để tăng cường độ tin cậy và hiệu quả của việc truyền dữ liệu
Hủy bỏ liên kết (logic) là quá trình giải phóng tài nguyên hệ thống đã được cấp phát cho liên kết, cho phép sử dụng lại cho các liên kết khác Đối với giao thức không liên kết, chỉ có một giai đoạn truyền dữ liệu duy nhất.
Truyền dữ liệu trong mô hình
Gói tin trong giao thức mạng là đơn vị thông tin thiết yếu cho việc liên lạc và chuyển giao dữ liệu giữa các máy tính Khi một thông điệp được gửi từ máy nguồn, nó sẽ được phân chia thành các gói tin, và khi đến đích, các gói tin này sẽ được kết hợp lại để tái tạo thông điệp ban đầu Mỗi gói tin không chỉ chứa dữ liệu mà còn bao gồm các yêu cầu phục vụ và thông tin điều khiển, đảm bảo quá trình truyền tải diễn ra suôn sẻ.
Hình 1.10 :Phương thức xác lập các gói tin trong mô hình OSI
Trong mô hình mạng phân tầng, mỗi tầng chỉ thực hiện chức năng nhận và chuyển giao dữ liệu giữa các tầng Chức năng này liên quan đến việc thêm và gỡ bỏ phần đầu (header) của các gói tin trước khi truyền đi Mỗi gói tin bao gồm phần đầu và phần dữ liệu, và khi chuyển đến một tầng mới, gói tin sẽ được gắn thêm một phần đầu mới, trở thành gói tin của tầng đó Quá trình này tiếp diễn cho đến khi gói tin được gửi qua mạng đến bên nhận Tại bên nhận, các gói tin sẽ được gỡ bỏ phần đầu tương ứng với từng tầng, phản ánh nguyên lý cơ bản của mô hình phân tầng.
Các chuẩn truyền thông
Foudation Fieldbus
Foundation Fieldbus là một công nghệ được phát triển bởi tổ chức phi lợi nhuận Foundation Fieldbus, với hơn một trăm công ty thành viên hoạt động trong lĩnh vực tự động hóa toàn cầu Ban đầu, Foundation Fieldbus được phát hành với hai tốc độ là 31.25kbps và 1Mbps, trong khi các hệ thống cao hơn như 2.5Mbps chủ yếu thay thế cho các đường truyền kỹ thuật tương tự 4-20mA, với mỗi phân đoạn hỗ trợ tối đa 32 thiết bị Ở tốc độ cao hơn, Foundation Fieldbus được phát triển dựa trên nền tảng mạng Ethernet, sử dụng switch và được gọi là fieldbus HSE (High Speed Ethernet).
HSE chủ yếu được sử dụng để liên kết các phân loại mạng Fieldbus, tạo thành hệ thống lớn hơn Hiện nay, nhiều thiết bị đã được phát triển để kết nối trực tiếp vào Fieldbus HSE Foundation Fieldbus đã trở thành chuẩn quốc tế, và xu hướng phát triển hệ thống tự động hóa hiện nay là áp dụng Foundation Fieldbus để nâng cao khả năng tích hợp Việc sử dụng Foundation Fieldbus cho phép kết nối dễ dàng các thiết bị điều khiển, đo lường và chấp hành từ nhiều nhà sản xuất khác nhau trong cùng một hệ thống điều khiển.
Hình 1.14 : Hình chuẩn truyền thông Foudation Fieldbus
Ethernet
Ethernet, được phát triển bởi trung tâm nghiên cứu Palo Alto (PARC) thuộc tập đoàn Xerox vào những năm 70, sử dụng phương pháp truy cập mạng CSMA/CD Mặc dù có nhiều giao thức mạng được xây dựng trên nền tảng Ethernet, TCP (Transport Control Protocol) vẫn là giao thức phổ biến nhất Ethernet công nghiệp, phát triển để tận dụng các ưu điểm của Ethernet như tốc độ cao, chi phí thấp và dễ triển khai, đồng thời khắc phục những nhược điểm như không đáp ứng yêu cầu thời gian thực và tính dự phòng.
Hình 1.15 : Hình chuẩn truyền thông Ethernet
Profibus
PROFIBUS (Process Field Bus) là kết quả của dự án nghiên cứu do 13 công ty và 5 viện nghiên cứu phối hợp, được khởi xướng bởi Bộ Công nghệ và Nghiên cứu CHLB Đức vào năm 1987 Dự án nhằm phát triển một mạng truyền thông kỹ thuật số thay thế cho truyền thông tương tự 4-20mA trong điều khiển quá trình công nghiệp PROFIBUS sử dụng phương pháp điều khiển truy cập Bus thẻ bài và giao tiếp theo kiểu Master-Slave, với môi trường truyền dẫn là cáp xoắn hoặc cáp quang, cho phép kết nối tối đa 124 nút mạng trong một phân đoạn và đạt tốc độ tối đa 12Mbps Các phiên bản của PROFIBUS bao gồm PROFIBUS-PA, PROFIBUS-FMS, PROFINET và PROFIBUS-DP, trong đó PROFIBUS-DP là phiên bản phổ biến nhất trong điều khiển.
Hình 1.16 : Hình chuẩn truyền thông PROFIBUS DP
Những sự cố thường gặp và cách giải quyết
Các phương pháp cụ thể
Nguồn gốc của nhiễu điện
- Nhiễu là đại lượng vật lý không mong muốn tác động lên đối tượng
- Nguồn nhiễu có thể là bất cứ tín hiệu nào
- Đại lượng này có thể là nhiễu đối với đối tượng và sự việc này, không là nhiếu đối với sự việc kia
- Nhiễu có độ lớn và pha là khác nhau và ngẫu nhiên
Nhiễu điện từ là hiện tượng gây ra bởi các nguồn điện từ khác nhau, bao gồm sóng radio, truyền hình và sóng điện thoại ở dải tần cao Ngoài ra, các nguồn nhiễu số như ánh sáng, rơle, motor, cùng với các nguồn phóng xạ và điện áp cao trong truyền dẫn điện cũng góp phần tạo ra nhiễu này.
- Ba vấn đề chính của nhiễu điện từ
Vỏ bọc che chắn
Sử dụng cáp có vỏ bọc che chắn để chống các nguồn nhiễu từ bên ngoài
Hình 2.2: Cáp có vỏ bọc che chắn
Tốc độ dẫn của dây cáp
- Đối với các hệ thống thương phẩm có thể đạt tới 1 đến 50 Gbits/s với các đường truyền đến 10Km
Yêu cầu nối đất
Các dạng nối đất cơ bản
- Nguồn cách điện với đất
- Tải cách điện với đất
Hình 2.3: Các kiểu nối đất
Nối đất/chống nhiễu và nhiễu
Nguồn gốc của nhiễu điện
Nhiễu có thể “đến từ” ở bất cứ đâu: không khí, nguồn điện, một LDO, bộ điều chỉnh chuyển mạch, điện trở …
Tiếng ồn nhiệt là dạng biến thể điện áp ngẫu nhiên, chịu ảnh hưởng bởi nhiệt độ, trở kháng và băng thông Khi nhiệt độ và trở kháng tăng cao, biên độ tiếng ồn cũng sẽ tăng theo Băng thông ở đây được hiểu là phạm vi tần số liên quan đến mạch điện.
Những biến đổi ngẫu nhiên trong chuyển động điện tử tạo ra các biến thể tương ứng trong dòng điện, gây ra tiếng ồn (nhiễu) đặc biệt trong chất bán dẫn Điều này xảy ra do chất bán dẫn có nhiều rào cản hơn so với dây dẫn Hơn nữa, khi dòng điện tăng cao, tiếng ồn cũng gia tăng, và băng thông rộng hơn, bao gồm nhiều tần số, sẽ dẫn đến việc xuất hiện nhiều nhiễu hơn.
Vỏ bọc che chắn
Để ngăn chặn hiện tượng phóng điện cục bộ giữa ruột dẫn và lớp cách điện, cần thêm một lớp che chắn bằng vật liệu bán dẫn trên bề mặt của ruột dẫn, đảm bảo tính đẳng thế và tiếp xúc tốt với lớp cách điện Lớp che chắn này, thường được gọi là lớp che chắn bên trong, có thể có khoảng cách với vỏ bọc Khi cáp bị uốn cong, bề mặt cách điện của cáp giấy dầu dễ bị nứt, góp phần vào nguy cơ phóng điện cục bộ.
Để tăng cường bảo vệ cho lớp cách điện, một lớp che chắn bằng vật liệu bán dẫn được thêm vào bề mặt lớp cách điện, giúp tiếp xúc tốt với lớp cách điện và tạo thế năng với vỏ bọc kim loại, từ đó ngăn ngừa phóng điện cục bộ Các loại cáp điện trung thế và cao thế từ 6 kV trở lên thường được trang bị lớp che chắn ruột dẫn và lớp cách điện, trong khi một số loại cáp hạ thế có thể không có lớp che chắn Lớp che chắn này có hai loại chính là che chắn bán dẫn và che chắn kim loại.
Lớp che chắn của cáp này thường sử dụng dây kim loại dệt thành lưới hoặc màng kim loại, với các loại lá chắn đơn và nhiều lớp khác nhau Màn hình đơn là một lớp bảo vệ đơn giản, trong khi phương pháp đa che chắn bao gồm nhiều mạng lưới và màng chắn bên trong cáp Một số lớp che chắn được thiết kế để cách ly nhiễu điện từ giữa các dây dẫn, trong khi các lớp bảo vệ kép giúp tăng cường hiệu quả che chắn Cơ chế che chắn hoạt động bằng cách nối đất lớp che chắn, nhằm cách ly điện áp nhiễu cảm ứng từ các kết nối bên ngoài với ruột dẫn.
Lớp che chắn bán dẫn được bố trí ở bên ngoài lõi dây dẫn và lớp cách điện, bao gồm lớp che chắn bên trong và bên ngoài Chúng được cấu tạo từ vật liệu bán dẫn với điện trở suất thấp và độ dày mỏng Lớp che chắn bên trong giúp làm đều điện trường trên bề mặt ngoài của vật dẫn, ngăn ngừa phóng điện cục bộ do bề mặt không nhẵn và khe hở không khí Trong khi đó, lớp che chắn bên ngoài tiếp xúc chặt chẽ với lớp cách điện và đẳng thế với vỏ bọc kim loại, nhằm tránh phóng điện cục bộ từ các khuyết tật trên bề mặt cách điện của cáp.
Đối với cáp điện trung thế và hạ thế không có vỏ bọc kim loại, việc lắp thêm lớp che chắn bán dẫn là không đủ; cần thiết phải tăng cường lớp che chắn bằng kim loại Lớp che chắn này thường được làm từ băng đồng hoặc dây đồng quấn, có chức năng chính là bảo vệ và che chắn điện trường hiệu quả.
Dòng điện lớn qua cáp nguồn tạo ra từ trường xung quanh, do đó cần lắp thêm lớp che chắn để bảo vệ các linh kiện khác khỏi ảnh hưởng của điện từ trường Lớp bảo vệ cáp không chỉ giúp che chắn mà còn có vai trò quan trọng trong việc bảo vệ nối đất Nếu dây lõi cáp bị hư hỏng, dòng điện rò rỉ có thể chảy qua lớp che chắn, như lưới nối đất, đảm bảo an toàn Điều này chứng tỏ vai trò thiết yếu của lớp chắn cáp trong hệ thống điện.
Tốc độ dẫn của dây cáp
Cáp LAN được phân chia chủ yếu dựa trên tốc độ truyền dẫn, với Cat7a là loại cáp có tốc độ cao nhất, hỗ trợ lên đến 1000 Mbps (125 MB/s) Loại cáp này, còn được gọi là cáp giga-bit (Gbps), được thiết kế cho các thiết bị mạng hiện đại có khả năng hỗ trợ tốc độ Gbps Cách viết 1000 Mbps và 1000 Mb/s đều có ý nghĩa tương đương.
Cáp Cat7a có tốc độ truyền tải vượt trội so với các loại cáp trước đó như Cat3 (16 Mbps), Cat4 (20 Mbps), Cat5 (100 Mbps), Cat5e (100 Mbps), Cat6 (250 Mbps), Cat6a (250 Mbps) và Cat7 (600 Mbps) Trong số đó, cáp Cat5 thường được sử dụng trong mạng LAN và kết nối giữa modem ADSL với máy tính qua cổng RJ-45 Mặc dù Cat5 và Cat5e đều có tốc độ 100 Mbps, nhưng Cat5e hỗ trợ chế độ song công, khiến nó trở thành lựa chọn cao cấp hơn với giá thành cao hơn Dù là loại cáp nào, độ dài tối đa của cáp LAN xoắn đôi vẫn chỉ là 100 m.
Yêu cầu nối đất
Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 4756:1898 quy định về quy phạm nối đất và nối không các thiết bị điện, cung cấp các định nghĩa và quy định liên quan đến mức điện áp và cường độ dòng điện của thiết bị khi thực hiện nối đất trong hệ thống mạng điện của tòa nhà.
TCVN 4756:1898 quy định các yêu cầu đối với thiết bị điện xoay chiều có điện áp lớn hơn 42V và thiết bị điện một chiều có điện áp lớn hơn 110V Tiêu chuẩn này cũng nêu rõ các yêu cầu về hệ thống nối đất và nối không để đảm bảo an toàn cho người sử dụng.
Một số những quy định trong TCVN 4756:1898 về nối đất thiết bị như sau:
Nối đất các thiết bị điện có mức điện áp lớn hơn 1000V trong mạng điện trung tính nổi
Khi thực hiện nối đất cho thiết bị có điện áp trên 1000V, cần đảm bảo điện trở nối đất không vượt quá 0.5 ohm cho hệ thống nối đất tự nhiên và 1 ohm cho hệ thống nối đất nhân tạo Đồng thời, cũng cần chú ý đến trị số điện áp chạm để đảm bảo an toàn cho người sử dụng và thiết bị.
Trang bị nối đất cần đáp ứng yêu cầu trị số điện áp chạm không được vượt quá giá trị quy định khi có dòng ngắ mạch chạy qua
Hình 2.13.Quy định về tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 4756:1898 về Quy phạm nối đất và nối không các thiết bị điện trong tòa nhà
Xử lý sự cố
Giới thiệu
Cáp RS232 từng được sử dụng phổ biến trong đời sống hàng ngày và trong ngành công nghiệp, nhưng hiện nay đang dần được thay thế bởi các loại cáp truyền dữ liệu nhanh hơn và tiện lợi hơn như RS422 và RS485 Một số loại cáp RS232 thường gặp bao gồm cáp PLC S7200 cổng COM, cáp PLC Mitsubishi, cáp kết nối máy in và cáp màn hình máy tính.
Hình 3.4 : một số loại cáp plc cổng truyền thông RS232
Các phương pháp tiếp cận
Một số sự cố thường gặp đối với cổng truyền thông RS232
- Tiếp xúc giữa các chân
- Đứt một trong các dây
- Một trong các jắc cắm bị hỏng
Kiểm tra thiết bị
Thực hành kiểm tra các loại cáp chuẩn RS232
Kiểm tra thông mạch bằng đồng hồ VOM giúp xác định tình trạng kết nối của các loại cáp và phát hiện dây bị đứt Trong quá trình kiểm tra, cần vệ sinh khe cắm và kiểm tra xem có chân nào bị gãy trong số 9 chân hay không.
Để kiểm tra chức năng truyền thông RS232 trên máy tính, cần cài đặt phần mềm RS232 kiểm tra Kết nối một đầu cáp vào cổng COM của máy tính và đầu còn lại vào thiết bị cần kiểm tra Lưu ý cắm đúng khe cắm chân RS232; nếu có khiếm khuyết, có thể đổi khe cắm khác Sau đó, chọn cổng COM mà máy tính nhận được và thiết lập cổng đúng trên phần mềm RS232-test Tiếp theo, chọn tốc độ truyền và dữ liệu bít, rồi nhấn nút start để phần mềm tự động dò tìm thông số của cáp.
Hình 3.5 : Phần mềm test thử RS232
Để kiểm tra thực tế trên thiết bị PLC S7-200, đầu tiên, bạn cần kết nối một đầu cáp PLC S7-200 với máy tính và đầu còn lại với PLC Sau đó, mở phần mềm Microwin 4.0 trên máy tính Khi màn hình soạn thảo xuất hiện, hãy nhấn đúp vào biểu tượng để mở khung màn hình, sau đó chọn cáp PC/PPI.
Hình 3.6 : hình chọn cài đặt PC/PPI
Bước 2 : chọn PC/PPI sẽ xuất hiện màn hình chọn cổng giao tiếp tùy vào cáp mình là cổng com nào sẽ chọn cổng com đó
Hình 3.7 : hình chọn cổng com Sau đó ta click vào tab PPI và chọn tốc độ truyền thời gian time out sau đó nhấn ok
Hình 3.7 : hình chọn tốc độ truyền
Sau khi nhấn "OK", chọn biểu tượng "Communication" để hiển thị giao diện như hình dưới Tiếp theo, nhấn vào "Double Refresh" để ghi nhận giá trị và kiểm tra trạng thái hoạt động của cáp.
Học sinh thực hiện lại các bước kiểm tra cáp Siemens theo từng loại cáp cụ thể, sử dụng thiết bị phù hợp Giáo viên sẽ hướng dẫn thực hành và yêu cầu học sinh ghi chép kết quả để báo cáo.
Chuẩn truyền thông RS485
Đặc tính điện học
RS-485 là một phương thức truyền dẫn sử dụng chênh lệch điện áp giữa hai dây dẫn để biểu diễn trạng thái logic, trong đó có dây âm và dây dương.
(1 và 0) của tín hiệu, không phụ thuộc vào đất
Thông số Điều kiện Tối thiểu Tối đa Điện áp đầu ra hở mạch 1,5V 6V Điện áp đầu ra khi có tải RLOAD = 100 1.5V 5V
Dòng ra ngắn mạch 250mA
Thời gian quá độ đầu ra RLOAD = 54
30% Tb * Điện áp chế độ chung đầu ra
RLOAD = 54 -1V 3V Độ nhạy cảm đầu vào -7VVCM12V 200mV Điện áp chế độ chung VCM -7V 12V
Bảng 4.1: Tóm tắt các thông số quan trọng của RS-485
Hình 4.2: Quy định trạng thái logic của tín hiệu RS-485
Xử lý sự cố
Giới thiệu
Chuẩn RS-485 cho phép kết nối lên đến 32 mạch truyền và nhận trên cùng một đường dây bus, với khả năng mở rộng lên đến 256 node mạng khi sử dụng bộ lặp Repeater tự động và các bộ truyền nhận trở kháng cao RS-485 có khả năng chịu đựng các xung đột dữ liệu và lỗi trên đường truyền nhờ vào việc Receiver nhận tín hiệu bằng cách lấy chênh lệch áp giữa hai đường dây, giúp tự động triệt tiêu nhiễu Mặc dù các linh kiện RS-485 chỉ chịu được chênh lệch điện áp giữa các đất trong giới hạn chỉ định, việc cách ly đường kết nối có thể giảm thiểu ảnh hưởng lẫn nhau giữa bộ truyền và bộ nhận Dù giới hạn nhiễu của RS-485 nhỏ hơn so với RS-232, vẫn cần có biện pháp lọc nhiễu do ảnh hưởng từ các thiết bị khác và chính RS-485.
Chuẩn truyền thông RS485 và RS422
Về mặt điện học, RS-485 và RS-422 có nhiều điểm tương đồng, đặc biệt là việc sử dụng tín hiệu điện áp chênh lệch giữa hai dây dẫn A và B RS-485 có ngưỡng giới hạn V CM được mở rộng từ -7 V đến 12 V, cùng với trở kháng đầu vào cho phép lớn gấp ba lần so với RS-422.
RS-485, giống như RS-422, cho phép kết nối giữa trạm đầu và trạm cuối trong một mạng với khoảng cách tối đa lên tới 1200m, không phụ thuộc vào số lượng trạm tham gia Tốc độ truyền dẫn tối đa có thể đạt 10Mbit/s, tuy nhiên, tốc độ này bị ảnh hưởng bởi độ dài của dây dẫn; do đó, một mạng dài 1200m sẽ không thể hoạt động ở tốc độ 10MB/s.
Trong trường hợp cáp truyền ngắn và tốc độ truyền thấp, không cần sử dụng điện trở đầu cuối (100Ω đến 120Ω) vì tín hiệu phản xạ sẽ suy giảm và triệt tiêu sau vài lần Tốc độ truyền dẫn thấp đồng nghĩa với chu kỳ nhịp bus dài, và nếu tín hiệu phản xạ triệt tiêu hoàn toàn trước thời điểm trích mẫu, thông tin sẽ không bị ảnh hưởng Có nhiều phương pháp chặn đầu cuối cho đường dẫn RS-485, RS-422, trong đó phương pháp phổ biến nhất là sử dụng một điện trở thuần nối giữa hai dây A và B tại mỗi đầu, gọi là chặn song song Điện trở được chọn phải có giá trị tương đương với trở kháng đặc trưng của cáp, giúp ngăn chặn tín hiệu phản xạ và đảm bảo chất lượng tín hiệu Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp này là sự hao tổn nguồn tại hai điện trở.
Phương pháp chặn RC thứ hai sử dụng tụ điện C kết hợp với điện trở R để cải thiện hiệu suất Mạch RC giúp khắc phục nhược điểm của điện trở thuần, nhưng hiệu ứng thông thấp của nó giới hạn khả năng hoạt động của hệ thống ở tốc độ cao.
Phương pháp nối đất mặc dù tính hiệu điện áp chênh lệch giữa hai dây dẫn A và
Hệ thống RS-485 và RS-422, mặc dù không liên quan đến nối đất, vẫn cần một đường dây nối đất để giảm thiểu nhiễu chế độ chung và dòng điện không mong muốn Việc nối đất này giúp duy trì một mức điện áp tối thiểu giữa hai dây A và B, ngay cả khi bus không hoạt động hoặc gặp sự cố.
Hình 4.3 : Phương pháp chặn đầu cuối RS485/ RS422
Phương pháp Không chặn Song song RC Tin cậy
Tốc độ Thấp Cao Trung bình Cao
Chất lượng Kém Cao Trung bình Cao
Tổn hao nguồn Thấp Cao Thấp Cao
Bảng 4.2 : Tóm tắt các phương pháp chặn đầu cuối RS-485/RS422.
Lắp đặt truyền thông RS485
Tất cả thiết bị trong cấu trúc Bus có thể kết nối tối đa 32 trạm (Master hoặc Slave) vào một Segment Mỗi Segment được hoàn thiện bằng Bus tích cực (Active Bus Terminator) ở cả hai đầu Để đảm bảo hoạt động ổn định và không có lỗi, nguồn điện luôn phải được duy trì cho cả hai đầu kết thúc Bus.
Hình 4.4a : Mạng RS485 đa điểm dùng 2 dây
Hình 4.4b : Mạng RS485 đa điểm dùng 2 dây
Hình 4.5a : Mạng RS485 đa điểm dùng 4 dây
Hình 4.5b : Mạng RS485 đa điểm dùng 4 dây
Các vấn đề nhiễu
Tốc độ truyền tải có thể bị hạn chế do dãi tần cơ sở không tương thích trong môi trường làm việc, dẫn đến hiện tượng bức xạ nhiễu ảnh hưởng đến hoạt động của các thiết bị điện tử khác Ngược lại, các thiết bị này cũng có thể gây nhiễu cho tín hiệu Nếu điện trở đầu cuối không phù hợp với giá trị trở kháng của đường dây, hiện tượng phản xạ có thể xảy ra, gây ra nhiễu Nhiễu ở mức độ nhỏ có thể chấp nhận được, nhưng nếu ở mức độ lớn, nó có thể làm sai lệch tín hiệu Hình minh họa dưới đây cho thấy dạng tín hiệu thu được khi sử dụng hai điện trở đầu cuối khác nhau.
Hình 4.6 :Cách đặt điện trở R T trong RS485
Loại cáp quang bình thường
Cáp trong nhà
3 Mô hình kết nối hệ thống mở
4 Các thủ tục truyền thông
2 Bài 2: Nhiễu và giải pháp
2 Những sự cố thường gặp và cách giải quyết
3 Các phương pháp cụ thể
4 Nối đất/chống nhiễu và nhiễu
2 Các yếu tố của RS232
3 Hoạt động của giao diện RS232
4 Bài 4: Chuẩn truyền thông RS485
5 Loại cáp quang bình thường
Kết nối cáp
Xử lý sự cố
3 Mô hình kết nối hệ thống mở
4 Các thủ tục truyền thông
2 Bài 2: Nhiễu và giải pháp
Giới thiệu tổng quan
2 Những sự cố thường gặp và cách giải quyết
3 Các phương pháp cụ thể
4 Nối đất/chống nhiễu và nhiễu
2 Các yếu tố của RS232
3 Hoạt động của giao diện RS232
4 Bài 4: Chuẩn truyền thông RS485
5 Loại cáp quang bình thường
Cấu trúc giao thức Modbus
Cấu trúc bức điện
4 Xử lý các sự cố
3 Lớp kết nối dữ liệu
2 Các ngăn xếp giao thức Profibus
3 Mô hình truyền thông Profibus
4 Mối quan hệ giữa xử lý ứng dụng và truyền thông
5 Mục tiêu của truyền thông
2 Một số loại tốc độ truyền thông
Thi kết thúc mô đun 3 3
Các mã số chức năng
Xử lý các sự cố
Chi tiết quá trình xử lý sự cố
4 Xử lý các sự cố
Lớp vật lý
Cấu trúc bức điện
4 Xử lý các sự cố
Đặc điểm hoạt động
Công cụ
4 Xử lý các sự cố
3 Lớp kết nối dữ liệu
Mối quan hệ giữa xử lý ứng dụng và truyền thông
Xử lý sự cố
Một số loại tốc độ truyền thông Ethernet
Industrial Ethernet
Cấu trúc
4 Xử lý các sự cố
3 Lớp kết nối dữ liệu
2 Các ngăn xếp giao thức Profibus
3 Mô hình truyền thông Profibus
4 Mối quan hệ giữa xử lý ứng dụng và truyền thông
5 Mục tiêu của truyền thông
2 Một số loại tốc độ truyền thông