Mạng truyền thông công nghiệp là gì?
Sự phát triển của giải pháp tự động hóa dựa trên hệ thống truyền thông số là kết quả của các tiến bộ trong vi điện tử, máy tính, thông tin và tự động hóa Mạng truyền thông công nghiệp (MCN) là hệ thống mạng số, truyền bit nối tiếp, kết nối các thiết bị công nghiệp Các hệ thống này hiện nay cho phép liên kết từ cảm biến, cơ cấu chấp hành đến máy tính điều khiển và giám sát Để hiểu rõ hơn về truyền thông công nghiệp, cần phân biệt nó với mạng viễn thông và mạng máy tính Mặc dù có nhiều điểm tương đồng về kỹ thuật, nhưng mạng công nghiệp và mạng viễn thông cũng có những khác biệt quan trọng.
Mạng viễn thông có quy mô lớn với phạm vi địa lý rộng và số lượng người dùng đông đảo, do đó, các yêu cầu kỹ thuật như cấu trúc mạng, tốc độ truyền thông và tính năng thời gian thực trở nên đa dạng và phức tạp hơn Bên cạnh đó, các phương pháp truyền thông như truyền tải dải rộng, dải cơ sở, điều biến, dồn kênh và chuyển mạch cũng yêu cầu kỹ thuật cao hơn so với mạng công nghiệp.
Mạng viễn thông bao gồm con người và thiết bị kỹ thuật, trong đó con người giữ vai trò chủ yếu Thông tin trao đổi trong mạng viễn thông đa dạng, 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, với dữ liệu là dạng thông tin duy nhất được quan tâm Kỹ thuật và công nghệ trong mạng viễn thông rất phong phú, trong khi mạng công nghiệp đặc trưng bởi kỹ thuật truyền dữ liệu theo chế độ bit nối tiếp.
Mạng truyền thông công nghiệp là một loại mạng máy tính đặc biệt, có những điểm tương đồng và khác biệt với mạng máy tính thông thường.
• Kỹ thuật truyền thông số hay truyền dữ liệu là đặc trưng chung của cả hai lĩnh vực.
Mạng máy tính trong công nghiệp thường được xem là một thành phần quan trọng trong mô hình phân cấp của mạng công nghiệp, đóng vai trò thiết yếu 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 đó, mạng máy tính thường có yêu cầu cao hơn về độ bảo mật.
Mạng máy tính có thể có quy mô khác nhau, từ mạng LAN nhỏ cho vài máy tính đến mạng Internet rộng lớn Nhiều hệ thống mạng hiện nay thường dựa vào dịch vụ truyền tải dữ liệu của mạng viễn thông Tuy nhiên, các hệ thống mạng công nghiệp vẫn thường mang tính chất độc lập và có phạm vi hoạt động tương đối hẹp.
Sự khác biệt giữa hệ thống mạng truyền thông công nghiệp và mạng viễn thông, mạng máy tính chủ yếu nằm ở phạm vi và mục đích sử dụng, dẫn đến yêu cầu kỹ thuật và kinh tế khác nhau Mạng máy tính thường có kiến trúc giao thức phức tạp hơn do cần kết nối nhiều nền tảng khác nhau và phục vụ nhiều ứng dụng Ngược lại, các hệ thống truyền thông công nghiệp, đặc biệt ở các cấp độ thấp, ưu tiên tính năng thời gian thực, khả năng thực hiện đơn giản và chi phí thấp.
Vai trò của mạng truyền thông công nhiệp
Ghép nối thiết bị và trao đổi thông tin là yếu tố quan trọng trong giải pháp tự động hóa Bộ điều khiển cần kết nối với cảm biến và cơ cấu chấp hành, đồng thời các bộ điều khiển trong hệ thống điều khiển phân tán phải giao tiếp để phối hợp điều khiển quá trình sản xuất Ngoài ra, các trạm vận hành trong trung tâm điều khiển cũng cần được kết nối với bộ điều khiển để theo dõi và giám sát toàn bộ quy trình sản xuất và hệ thống điều khiển.
Mạng truyền thông công nghiệp đóng vai trò quan trọng trong lĩnh vực đo lường, điều khiển và tự động hóa hiện nay Việc sử dụng mạng truyền thông công nghiệp, đặc biệt là bus trường, thay thế các kết nối điểm-điểm truyền thống giữa các thiết bị công nghiệp mang lại nhiều lợi ích đáng kể.
Đơn giản hóa cấu trúc kết nối giữa các thiết bị công nghiệp cho phép nhiều loại thiết bị khác nhau được kết nối qua một đường truyền duy nhất, nâng cao hiệu quả và giảm thiểu sự phức tạp trong hệ thống.
Hệ thống có cấu trúc đơn giản giúp tiết kiệm dây nối và giảm công thiết kế, lắp đặt Việc thay thế nhiều cáp truyền bằng một đường duy nhất không chỉ làm cho quá trình thiết kế dễ dàng hơn mà còn giảm đáng kể chi phí nguyên vật liệu và công 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 truyền đi ít bị sai lệch hơn Ngoài ra, các thiết bị kết nối mạng có khả năng tự phát hiện và chẩn đoán lỗi, góp phần nâng cao tính chính xác Việc giảm thiểu chuyển đổi giữa tín hiệu tương tự và số cũng giúp cải thiện độ chính xác của thông tin truyền tải.
Hệ thống mạng chuẩn hóa quốc tế nâng cao độ linh hoạt và tính năng mở, cho phép sử dụng thiết bị từ nhiều hãng khác nhau Điều này giúp việc thay thế, nâng cấp và mở rộng chức năng của hệ thống trở nên dễ dàng hơn Khả năng tương tác giữa các thành phần phần cứng và phần mềm được cải thiện nhờ vào các giao diện chuẩn.
Việc đơn giản hóa và tiện lợi hóa quá trình tham số hóa, chẩn đoán, định vị lỗi và sự cố của các thiết bị được thực hiện thông qua một đường truyền duy nhất Điều này cho phép các thiết bị không chỉ trao đổi dữ liệu quá trình mà còn chia sẻ dữ liệu tham số, trạng thái, cảnh báo và chẩn đoán Các thiết bị có khả năng tự chẩn đoán, đồng thời các trạm trong mạng có thể cảnh giới lẫn nhau Hệ thống có thể được cấu hình, lập trình và đưa vào vận hành từ xa thông qua một trạm kỹ thuật trung tâm.
Hệ thống mạng truyền thông công nghiệp mở ra nhiều chức năng và khả năng ứng dụng mới, cho phép áp dụng các kiến trúc điều khiển tiên tiến như điều khiển phân tán và giám sát từ xa qua Internet Điều này không chỉ giúp tích hợp thông tin giữa hệ thống điều khiển và giám sát mà còn kết nối với thông tin điều hành sản xuất và quản lý công ty, nâng cao hiệu quả hoạt động.
Mạng truyền thông công nghiệp đã cách mạng hóa tư duy thiết kế và tích hợp hệ thống, mang lại lợi ích kỹ thuật và kinh tế Ứng dụng của nó rất đa dạng trong các lĩnh vực như điều khiển quá trình, tự động hóa xí nghiệp, tự động hóa tòa nhà và điều khiển giao thông Trong điều khiển quá trình, các hệ thống bus trường đã thay thế mạch dòng tương tự 4-20mA, trong khi đó, trong tự động hóa xí nghiệp và tòa nhà, nhiều phần tử trung gian được loại bỏ nhờ vào việc kết nối trực tiếp các thiết bị cảm biến và chấp hành Tóm lại, việc sử dụng mạng truyền thông công nghiệp là thiết yếu cho sự tích hợp của các hệ thống tự động hóa hiện đại.
Phân loại và đặc trưng các hệ thống MCN
Để phân loại và phân tích các hệ thống mạng truyền thông công nghiệp, chúng ta sử dụng mô hình phân cấp phổ biến trong các công ty sản xuất Mô hình này cho phép chia sẻ các chức năng thành nhiều cấp độ khác nhau, giúp hiểu rõ hơn về đặc trưng của từng hệ thống.
Ở các cấp dưới, các chức năng mang tính chất cơ bản và yêu cầu độ nhanh nhạy cao cùng thời gian phản ứng nhanh Trong khi đó, các chức năng ở cấp trên dựa vào các chức năng cấp dưới, không yêu cầu phản ứng nhanh như cấp dưới nhưng lại cần xử lý lượng thông tin lớn hơn Điều này thể hiện mô hình phân cấp chức năng trong hệ thống tự động hóa và hệ thống truyền thông của một công ty.
Hệ thống truyền thông được chia thành bốn cấp tương ứng với năm cấp chức năng Ở các cấp từ điều khiển giám sát trở xuống, thuật ngữ “bus” thường được sử dụng thay cho “mạng” do phần lớn các hệ thống mạng ở cấp độ này có cấu trúc vật lý hoặc logic tương tự như bus.
Mô hình phân cấp chức năng rất hữu ích trong việc thiết kế hệ thống và lựa chọn thiết bị Tuy nhiên, trong thực tế, sự phân cấp này có thể thay đổi tùy thuộc vào mức độ tự động hóa và cấu trúc hệ thống cụ thể Đối với các ứng dụng đơn giản như điều khiển thiết bị dân dụng, việc phân chia nhiều cấp có thể không cần thiết Ngược lại, trong các hệ thống tự động hóa phức tạp như nhà máy điện nguyên tử hay sản xuất xi măng, việc chia nhỏ các cấp chức năng sẽ giúp dễ dàng theo dõi và quản lý hơn.
1.3.1 Bus trường, bus thiết bị
Bus trường (fieldbus) là hệ thống bus nối tiếp sử dụng công nghệ truyền tin số trong ngành công nghiệp chế biến, kết nối các thiết bị điều khiển như PC và PLC với thiết bị chấp hành và thiết bị trường Chức năng chính của thiết bị chấp hành bao gồm đo lường, truyền động và chuyển đổi tín hiệu khi cần thiết Các thiết bị có khả năng kết nối mạng bao gồm đầu vào/ra phân tán, cảm biến, bộ chuyển đổi và cơ cấu chấp hành, tất cả đều tích hợp khả năng xử lý truyền thông Một số loại bus trường được thiết kế đặc biệt để kết nối cảm biến và cơ cấu chấp hành với các bộ điều khiển, thường được gọi là bus chấp hành/cảm biến.
Trong ngành công nghiệp chế tạo, đặc biệt là trong tự động hóa dây chuyền sản xuất và gia công lắp ráp, cũng như trong tự động hóa tòa nhà và sản xuất xe hơi, khái niệm "bus thiết bị" ngày càng trở nên phổ biến Mặc dù bus thiết bị và bus trường có chức năng tương đương, nhưng chúng cũng có những tính năng khác nhau do đặc điểm riêng của từng ngành Tuy nhiên, sự khác biệt này đang dần trở nên mờ nhạt khi phạm vi ứng dụng của cả hai loại ngày càng mở rộng và giao thoa với nhau, dẫn đến việc nhiều người sử dụng chung khái niệm "bus trường".
Bus trường có nhiệm vụ chuyển dữ liệu quá trình lên cấp điều khiển và truyền quyết định xuống các cơ cấu chấp hành, do đó tính năng thời gian thực là ưu tiên hàng đầu với thời gian phản ứng từ 0,1 đến vài mili giây Lượng thông tin trong một bức điện thường chỉ khoảng vài byte, vì vậy tốc độ truyền thông yêu cầu chỉ cần đạt Mbit/s hoặc thấp hơn Việc trao đổi thông tin về các biến quá trình chủ yếu diễn ra định kỳ và tuần hoàn, kèm theo các thông tin tham số hóa hoặc cảnh báo bất thường.
Các hệ thống bus trường được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay là PROFIBUS, ControlNet,INTERBUS, CAN, WorldFIP, P-NET, Modbus và gần đay phải kể tới Foundation Fieldbus.
Devicenet, AS-i, EIB và Bitbus là một vài hệ thống bus cảm biến/ chấp hành tiêu biểu co thể nêu ra ở đây.
1.3.2 Bus hệ thống, bus điều khiển
Các hệ thống mạng công nghiệp, hay còn gọi là bus hệ thống hoặc bus quá trình, được sử dụng để kết nối các máy điều khiển và máy tính trong cấp điều khiển giám sát Qua bus hệ thống, các máy tính điều khiển có thể phối hợp hoạt động, cung cấp dữ liệu quá trình cho các trạm kỹ thuật và trạm quan sát, đồng thời nhận lệnh và tham số điều khiển từ các trạm cấp trên Thông tin được trao đổi không chỉ theo chiều dọc mà còn theo chiều ngang giữa các trạm kỹ thuật, trạm vận hành và trạm chủ Hệ thống này cũng cho phép kết nối các máy in báo cáo và lưu trữ dữ liệu.
Sự phân biệt giữa bus trường và bus hệ thống không chỉ nằm ở kiểu bus mà còn ở mục đích sử dụng và các thiết bị kết nối Trong một số giải pháp, cả hai cấp có thể sử dụng một kiểu bus duy nhất Đối với bus hệ thống, yêu cầu về tính năng thời gian thực có thể rất nghiêm ngặt tùy theo lĩnh vực ứng dụng, với thời gian phản ứng thường từ vài trăm miligiây Lưu lượng thông tin cần trao đổi trên bus hệ thống lớn hơn nhiều so với bus trường, với tốc độ truyền thông nằm trong khoảng từ vài trăm kilobit/s đến vài Mbit/s.
Bus điều khiển là hệ thống được sử dụng để kết nối ngang giữa các máy tính điều khiển, phục vụ cho việc trao đổi dữ liệu thời gian thực trong các hệ thống phân tán Mặc dù tốc độ truyền của bus điều khiển thường không cao, nhưng yêu cầu về tính năng thời gian thực lại rất khắt khe.
Do yêu cầu về tốc độ truyền thông cao và khả năng kết nối linh hoạt giữa các loại máy tính, nhiều bus hệ thống phổ biến hiện nay đều dựa trên công nghệ Ethernet, chẳng hạn như Industrial Ethernet.
Fieldbus Foundation’s High Speed Ethernet (HES), Ethernet/IP Bên cạnh đó phải kể đến PROFIBUS-FMS, ControlNet và Modbus Plus.
Mạng xí nghiệp thực chất là một mạng LAN kết nối các máy tính văn phòng trong cấp điều hành sản xuất với cấp điều khiển giám sát Nó truyền tải thông tin về trạng thái làm việc của các quá trình kỹ thuật, các giàn máy, hệ thống điều khiển tự động, cùng với số liệu thống kê về sản xuất và chất lượng sản phẩm Ngược lại, mạng cũng nhận các thông số thiết kế, công thức điều khiển và mệnh lệnh điều hành Thêm vào đó, thông tin được trao đổi mạnh mẽ giữa các máy tính trong cấp điều hành sản xuất, hỗ trợ làm việc nhóm, dự án và sử dụng chung tài nguyên mạng như máy in và máy chủ.
Mạng xí nghiệp khác với các hệ thống bus cấp dưới ở chỗ không yêu cầu nghiêm ngặt về tính năng thời gian thực Dữ liệu thường được trao đổi không định kỳ, đôi khi với khối lượng lớn lên tới hàng Mbyte Hai loại mạng phổ biến cho mục đích này là Ethernet và Token-Ring, sử dụng các giao thức chuẩn như TCP/IP và IPX/SPX.
Mạng công ty đóng vai trò quan trọng trong mô hình phân cấp hệ thống truyền thông của các công ty sản xuất công nghiệp, tương tự như một mạng truyền thông hoặc mạng máy tính diện rộng Chức năng chính của mạng công ty là kết nối các máy tính văn phòng, cung cấp dịch vụ trao đổi thông tin nội bộ và với khách hàng, bao gồm thư viện điện tử, thư điện tử, hội thảo từ xa, và dịch vụ truy cập Internet Hình thức tổ chức và công nghệ mạng rất đa dạng, phụ thuộc vào mức đầu tư của công ty Trong nhiều trường hợp, mạng công ty và mạng xí nghiệp có thể được triển khai trên cùng một hệ thống vật lý, nhưng được chia thành các phạm vi và nhóm mạng làm việc riêng biệt.
Mạng công ty đóng vai trò quan trọng như một đường cao tốc trong hạ tầng truyền thông, yêu cầu tốc độ truyền tải và độ an toàn, tin cậy cao Một số công nghệ tiên tiến như Fast Ethernet, FDDI và ATM đang được áp dụng hiện tại và dự kiến trong tương lai.
1.4 Về nội dung cuốn sách
Cơ sở dữ liệu
Các khái niệm cơ bản
Trong phần này, một số khái niệm cơ bản và thuật ngữ thông dụng trong kỹ thuật truyền thông công nghiệp sẽ được giới thiệu và củng cố.
2.1.1 Thông tin, dữ liệu và tín hiệu
Thông tin là một khái niệm cơ bản quan trọng trong khoa học kỹ thuật, bên cạnh vật chất và năng lượng Các đầu vào và đầu ra của hệ thống kỹ thuật thường chỉ bao gồm vật chất, năng lượng hoặc thông tin Hệ thống xử lý thông tin và hệ thống truyền thông tập trung vào thông tin như đầu vào và đầu ra, trong khi hầu hết các hệ thống kỹ thuật khác thường có đầu vào và đầu ra hỗn hợp.
Hình 2.1: Vai trò của thông tin trong các hệ thống kỹ thuật
Thông tin là thước đo mức độ nhận thức và hiểu biết về các vấn đề, sự kiện hoặc hệ thống Nó cung cấp cho chúng ta những dữ liệu chính xác hoặc tương đối, như nhiệt độ ngoài trời hay mực nước trong bể chứa Thông tin giúp phân biệt các khía cạnh của vấn đề và trạng thái của sự vật, đồng thời loại trừ tính bất định Trong khi vật chất và năng lượng là nền tảng của vật lý và hóa học, thông tin lại là chủ thể của tin học và công nghệ thông tin.
Thông tin đóng vai trò quan trọng trong giao tiếp, giúp các đối tác hiểu biết lẫn nhau hơn về các vấn đề, sự kiện hoặc hệ thống cụ thể.
Thông tin là một khái niệm trừu tượng và cần được thể hiện dưới nhiều hình thức khác nhau, như chữ viết, hình ảnh, và cử chỉ Cách thức biểu diễn thông tin phụ thuộc vào mục đích và tính chất của ứng dụng, giúp tối ưu hóa việc truyền tải và tiếp nhận thông tin.
HỆ THỐNG KỸ THUẬT Vật chất
Năng lượng thông tin có thể được mô tả là quá trình "số lượng hóa" dữ liệu để lưu trữ và xử lý trên máy tính Thông tin được số hóa sử dụng hệ đếm nhị phân, hay còn gọi là mã hóa nhị phân Trong ngữ cảnh cấu trúc một bức điện, dữ liệu chính là phần thông tin hữu ích được biểu diễn bằng dãy các bit {1,0}.
Mặc dù các khái niệm như xử lý thông tin và xử lý dữ liệu thường được sử dụng tương tự, việc phân biệt rõ ràng giữa thông tin và dữ liệu là rất quan trọng Hai tập dữ liệu khác nhau có thể mô tả cùng một nội dung thông tin, trong khi hai tập dữ liệu giống nhau lại có thể truyền tải những thông tin khác nhau, tùy thuộc vào cách diễn đạt Mối quan hệ giữa dữ liệu và thông tin có thể được so sánh với mối quan hệ trong toán học giữa số và ý nghĩa của số.
Theo nghĩa thứ hai, dữ liệu được coi là phần biểu diễn thông tin hữu dụng trong một bức điện Tuy nhiên, dựa vào ngữ cảnh cụ thể, chúng ta có thể phân biệt rõ ràng giữa hai cách sử dụng thuật ngữ này mà không lo nhầm lẫn.
Thông tin giúp xóa bỏ tính bất định, với mức độ xóa bỏ này được gọi là lượng thông tin Dữ liệu, dưới dạng biểu diễn thông tin có thể xử lý trong máy tính, được đo bằng đơn vị bit Đối với thông tin đúng/sai, chỉ cần 1 bit để mã hóa Ví dụ, để phân biệt 16 màu, cần 4 bit; 256 màu cần 8 bit Để biểu diễn một ký tự trong bảng 256 ký tự, cũng cần 8 bit Một thông báo như “Hello” với 5 ký tự sẽ cần 40 bit Các đơn vị thông tin như 1 kbit = 1024 bit, 1 Mbit = 1024 kbit và 1 Gbit = 1024 Mbit.
Việc trao đổi thông tin giữa người và máy, cũng như giữa các máy với nhau, phụ thuộc vào tín hiệu Tín hiệu có thể được định nghĩa là sự biến đổi của một đại lượng vật lý mang thông tin và có khả năng truyền dẫn Từ góc độ toán học, tín hiệu được xem như một hàm của thời gian Trong các lĩnh vực kỹ thuật, các loại tín hiệu phổ biến bao gồm điện, quang, khí nén, thủy lực và âm thanh.
Các tham số sau đây thường được dùng trực tiếp, gián tiếp hay kết hợp để biểu thị nội dung thông tin:
• Biên độ (điện áp, dòng )
• Tần số, nhịp xung, độ rộng của xung, sườn xung.
Tín hiệu có thể được phân loại dựa trên tập hợp giá trị của tham số thông tin hoặc theo diễn biến thời gian, bất kể tính chất vật lý của chúng như điện, quang hay khí nén.
• Tương tự: Tham số thông tin có thể có một giá trị bất trị bất kỳ trong một khoảng nào đó.
• Rời rạc: Tham số thông tin chỉ có thể có một số giá trị (rời rạc) nhất định.
Tín hiệu liên tục là một hàm liên tục theo thời gian trong một khoảng xác định, có ý nghĩa tại bất kỳ thời điểm nào trong khoảng thời gian quan tâm.
• Gián đoạn: Tín hiệu chỉ có ý nghĩa tại những thời điểm nhất định.
Việc sử dụng các tín hiệu khác nhau nhằm phục vụ nhiều mục đích khác nhau Khi các giá trị tham số của tín hiệu được mã hóa bằng mã nhị phân, tín hiệu này được gọi là tín hiệu số Tín hiệu số được sử dụng để truyền tải thông tin đã được mã hóa nhị phân Với tín hiệu số, chỉ cần phân biệt giữa hai trạng thái tương ứng với các bit 1 và 0, giúp giảm thiểu sai lệch thông tin do nhiễu.
Sự phân biệt giữa tín hiệu tương tự và tín hiệu rời rạc không chỉ dựa vào dạng tín hiệu thực tế mà còn phụ thuộc vào ý nghĩa của tham số thông tin Tham số thông tin có thể là biến số học hoặc biến logic, do đó, chỉ nhìn vào một tín hiệu, chúng ta không thể ngay lập tức xác định đó là tín hiệu số hay không.
2.1.2 Truyền thông, truyền dữ liệu và truyền tín hiệu
Giao tiếp và truyền thông
Giao tiếp hay truyền thông là quá trình trao đổi thông tin giữa hai đối tác, có thể là người hoặc hệ thống kỹ thuật, theo phương pháp đã được quy định Trong bối cảnh hệ thống truyền thông công nghiệp, các đối tác chủ yếu là thiết bị và hệ thống kỹ thuật, do đó, hai thuật ngữ giao tiếp và truyền thông được coi là tương đương Để thực hiện giao tiếp, cần có các tín hiệu thích hợp, bao gồm tín hiệu tương tự và tín hiệu số Việc phân biệt giữa tín hiệu và thông tin dẫn đến sự khác biệt giữa xử lý tín hiệu và xử lý thông tin, cũng như giữa truyền tín hiệu và truyền thông Một nguồn thông tin có thể được truyền tải qua nhiều dạng tín hiệu khác nhau, và một tín hiệu có thể chứa nhiều nguồn thông tin khác nhau.
Trên cơ sở các dạng tín hiệu khác nhau, người ta có thể phân biệt các kiểu giao tiếp như:
Dữ liệu, được biểu diễn dưới dạng mã nhị phân, là phương tiện truyền tải thông tin qua tín hiệu số, được gọi là truyền dữ liệu Phương pháp này là cách duy nhất để các máy tính giao tiếp với nhau Hiện nay, kỹ thuật số cũng được áp dụng rộng rãi trong việc truyền tải âm thanh, hình ảnh và văn bản, khẳng định vai trò quan trọng của truyền dữ liệu trong cuộc sống hiện đại.
Chế độ truyền tải
Chế độ truyền tải là phương thức chuyển dữ liệu giữa các đối tác truyền thông, và có thể phân loại thành nhiều loại khác nhau dựa trên các góc độ khác nhau.
• Truyền bit song song hoặc truyền bit nối tiếp
• Truyền đồng bộ hoặc không đồng bộ
Truyền thông có thể được phân loại thành nhiều loại khác nhau, bao gồm truyền một chiều hay đơn công (simplex), truyền hai chiều toàn phần (full-duplex), truyền hai chiều đồng thời (duplex), và truyền hai chiều gián đoạn hay bán song công (half-duplex) Mỗi loại hình truyền này có những đặc điểm và ứng dụng riêng, phục vụ cho các nhu cầu giao tiếp khác nhau trong hệ thống mạng.
• Truyền tải dải cơ sở, truyền tải dải mang và truyền tải dải rộng.
2.2.1 Truyền bit song song và truyền bit nối tiếp
Phương pháp truyền bit song song được sử dụng phổ biến trong nội bộ máy tính thông qua các bus địa chỉ, bus dữ liệu và bus điều khiển Tốc độ truyền tải phụ thuộc vào số kênh dẫn, hay độ rộng của bus, ví dụ như 8 bit, 16 bit, 32 bit hoặc 64 bit Việc truyền nhiều bit đồng thời đặt ra thách thức về đồng bộ hóa giữa nơi phát và nơi nhận tín hiệu, đặc biệt khi khoảng cách giữa các thiết bị truyền thông tăng lên Hơn nữa, chi phí cho các bus song song cũng hạn chế khả năng ứng dụng của phương pháp này, thường chỉ phù hợp với khoảng cách ngắn và yêu cầu cao về thời gian và tốc độ truyền.
Phương pháp truyền bi nối tiếp cho phép từng bit được truyền đi tuần tự qua một đường truyền duy nhất, mặc dù tốc độ bit bị hạn chế Tuy nhiên, phương pháp này có ưu điểm là đơn giản và độ tin cậy của dữ liệu cao Chính vì vậy, nó được áp dụng rộng rãi trong tất cả các mạng truyền thông công nghiệp.
Mạng truyền thông công nghiệp kết nối các thiết bị kỹ thuật có khả năng xử lý thông tin, tức là xử lý dữ liệu Các thiết bị này, dù ở dạng nào, đều là máy tính với bộ vi xử lý và hệ thống bus nội bộ song song Để sử dụng phương pháp truyền nối tiếp, cần có các bộ chuyển đổi giữa bus song song và nối tiếp, như minh họa trong Hình 2.4.
2.2.2 Truyền đồng bộ và không đồng bộ
Sự khác biệt giữa chế độ truyền đồng bộ và không đồng bộ chủ yếu liên quan đến cách thức truyền bit nối tiếp Vấn đề chính là đồng bộ hóa giữa bên gửi và bên nhận dữ liệu, tức là cách xác định thời điểm tín hiệu trên đường truyền chứa dữ liệu và khi nào thì không.
Trong chế độ truyền đồng bộ, các đối tác truyền thông hoạt động theo cùng một nhịp với tần số và độ lệch pha cố định Một trạm có thể đóng vai trò tạo nhịp và sử dụng đường dây riêng để truyền nhịp đồng bộ cho các trạm khác Phương pháp kinh tế hơn là sử dụng mã hóa bit thích hợp để bên nhận tái tạo nhịp từ tín hiệu mang dữ liệu Nếu mã hóa bit không cho phép, có thể sử dụng kỹ thuật đóng gói dữ liệu và thêm dãy bit đồng bộ hóa vào phần đầu mỗi gói Cần lưu ý rằng, bên gửi và bên nhận chỉ cần đồng bộ trong quá trình trao đổi dữ liệu.
Với chế độ truyền không đồng bộ, bên gửi và bên nhận không làm việc theo một nhịp chung.
Dữ liệu trao đổi được chia thành các nhóm ký tự 7 hoặc 8 bit, với hai bit bổ sung để đánh dấu khởi đầu và kết thúc cho mỗi ký tự Quá trình đồng bộ hóa diễn ra với từng ký tự riêng lẻ Ví dụ, mạch UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter) sử dụng bức điện 11 bit, bao gồm 8 bit ký tự, 2 bit để đánh dấu khởi đầu và kết thúc, cùng với 1 bit kiểm tra lỗi chẵn lẻ.
Hình 2.4: Nguyên tắc truyền bit nối tiếp
2.2.3 Truyền một chiều và truyền hai chiều
Tương tự như hệ thống giao thông, đường truyền dữ liệu có thể hoạt động theo chế độ một chiều, hai chiều toàn phần hoặc hai chiều gián đoạn Chế độ truyền này không chỉ phụ thuộc vào tính chất vật lý của môi trường truyền dẫn mà còn vào phương pháp truyền tín hiệu, chuẩn truyền dẫn như RS-232, RS-422, RS-485, và cấu hình của hệ thống truyền dẫn.
Trong chế độ truyền một chiều, thông tin chỉ được gửi đi theo một hướng, với một thiết bị chỉ có thể hoạt động như bên phát (transmitter) hoặc bên nhận (receiver) Ví dụ về chế độ này trong kỹ thuật máy tính bao gồm giao diện bàn phím, chuột và màn hình với máy tính Các hệ thống phát thanh và truyền hình cũng minh họa rõ ràng cho chế độ truyền một chiều Tuy nhiên, chế độ này gần như không có vai trò trong mạng công nghiệp.
Hình 2.5: Truyền simplex, haft-duplex và duplex
Chế độ truyền hai chiều gián đoạn cho phép các trạm gửi và nhận thông tin luân phiên trên cùng một đường truyền vật lý, mà không cần cấu hình hệ thống phức tạp Ưu điểm nổi bật của chế độ này là khả năng đạt tốc độ truyền cao Mỗi trạm được trang bị cả bộ phát và bộ thu, với thuật ngữ "transceiver" được hình thành từ hai từ "transmitter" và "receiver" Khi bộ phát hoạt động, bộ thu sẽ ngừng hoạt động và ngược lại.
Do đặc tính này, chế độ truyền hai chiều gián đoạn thích hợp với kiểu liên kết điểm-nhiều điểm cũng như
Bộ phát Bộ thu a) Simplex 10110101
Bộ thu phát Bộ thu phát b) Half-duplex 10110101
Bộ thu phát Bộ thu phát c) Duplex
Trong hệ thống bus, tín hiệu 10101010 và 10110101 rất phù hợp với cấu trúc này, vì mọi trạm đều có quyền phát Để tránh xung đột tín hiệu, cần áp dụng phương pháp phân chia thời gian cho việc truy nhập bus Khi một trạm đang phát, tất cả các trạm khác phải ở trạng thái nhận tín hiệu Chế độ truyền này thường được sử dụng trong mạng công nghiệp, chẳng hạn như chuẩn RS-485.
Chế độ truyền hai chiều toàn phần cho phép mỗi trạm gửi và nhận thông tin đồng thời, khác với chế độ hai chiều gián đoạn chỉ sử dụng một đường truyền cho thu và phát Sự khác biệt chính nằm ở cấu hình hệ thống truyền thông, với chế độ này phù hợp nhất cho kiểu liên kết điểm-điểm Điều này cho thấy chế độ truyền hai chiều toàn phần thích hợp với cấu trúc mạch vòng và hình sao.
2.2.4 Truyền tải dải cơ sở, dải mang và dải rộng
Truyền tải dải cơ sở
Tín hiệu mang thông tin có thể được biểu diễn bằng tổng của nhiều dao động với tần số khác nhau trong một dải tần hẹp Tín hiệu này được tạo ra sau khi mã hóa bit, có tần số cố định hoặc trong khoảng hẹp tùy thuộc vào phương pháp mã hóa Ví dụ, mức tín hiệu cao có thể tương ứng với bit 0, trong khi mức tín hiệu thấp tương ứng với bit 1 Tần số tín hiệu thường nhỏ hơn hoặc tương đương với tần số nhịp bus Trong mỗi nhịp, chỉ một bit duy nhất có thể được truyền đi, buộc các thành viên trong mạng phải chia sẻ thời gian sử dụng đường truyền Mặc dù tốc độ truyền tải bị hạn chế, phương pháp này dễ thực hiện và đáng tin cậy, thường được áp dụng trong các hệ thống mạng truyền thông công nghiệp.
Trong một số trường hợp, dải tần cơ sở không tương thích trong môi trường làm việc.
Tín hiệu có tần số cao có thể gây nhiễu cho các thiết bị điện tử khác và ngược lại Để giải quyết vấn đề này, người ta sử dụng tín hiệu mang với tần số nằm trong một dải tần phù hợp, thường lớn hơn nhiều so với tần số nhịp Dữ liệu được truyền tải sẽ điều chế tần số, biên độ hoặc pha của tín hiệu mang, và bên nhận sẽ tiến hành giải điều chế để khôi phục thông tin nguồn Phương thức truyền tải dải mang chỉ áp dụng cho một kênh truyền tin duy nhất, tương tự như truyền tải dải cơ sở.
Cấu trúc mạng Topology
Cấu trúc mạng là yếu tố quan trọng liên quan đến tổ chức và cách thức phối hợp giữa các thành phần trong một hệ thống mạng Nó ảnh hưởng đến nhiều tính năng kỹ thuật, đặc biệt là độ tin cậy của hệ thống Trước khi khám phá các cấu trúc phổ biến trong mạng truyền thông công nghiệp, cần hiểu một số định nghĩa cơ bản liên quan.
Liên kết (link) là mối quan hệ giữa các đối tác truyền thông, có thể là vật lý hoặc logic Liên kết vật lý bao gồm các trạm truyền thông kết nối qua môi trường vật lý, như thẻ nối mạng trong máy tính, bộ xử lý truyền thông của PLC, hoặc các bộ lặp Trong trường hợp này, mỗi nút mạng chỉ có một đối tác duy nhất.
Khái niệm liên kết logic có thể được hiểu theo hai cách Đầu tiên, một đối tác truyền thông không nhất thiết phải là thiết bị phần cứng, mà có thể là chương trình hệ thống hoặc ứng dụng trên một trạm, dẫn đến mối quan hệ giữa các đối tác mang tính chất logic Do đó, một đối tác vật lý có thể tương ứng với nhiều đối tác logic, cùng với nhiều mối liên kết được xây dựng dựa trên một mối liên kết vật lý Thứ hai, mặc dù các đối tác vẫn là thiết bị phần cứng, nhưng mối quan hệ của chúng về mặt logic lại hoàn toàn khác biệt so với mối quan hệ vật lý.
Có thể phân biệt các kiểu liên kết sau đây:
Liên kết điểm-điểm (point-to-point) là mối kết nối giữa hai đối tác duy nhất, với đường truyền chỉ kết nối hai trạm Để thiết lập một mạng truyền thông dựa trên mô hình này, cần phải có nhiều đường truyền riêng biệt để đảm bảo kết nối hiệu quả.
Liên kết điểm-nhiều điểm (multi-drop) là một hình thức kết nối trong đó nhiều đối tác tham gia, nhưng chỉ có một trạm chủ duy nhất có khả năng phát tín hiệu, trong khi các trạm tới nhận thông tin đồng thời Giao tiếp từ các trạm tới trạm chủ chỉ diễn ra theo kiểu điểm-điểm Về mặt vật lý, nhiều đối tác có thể được kết nối qua một cáp chung duy nhất.
Liên kết nhiều điểm (multipoint) cho phép nhiều đối tác tham gia trong một môi trường kết nối, nơi thông tin có thể được trao đổi tự do theo bất kỳ hướng nào Mỗi đối tác đều có quyền phát tín hiệu và mọi trạm đều có khả năng tiếp nhận Tương tự như liên kết điểm- nhiều điểm, một cáp dẫn duy nhất có thể được sử dụng để kết nối mạng giữa các đối tác.
Hệ thống truyền thông không nhất thiết phải hỗ trợ mọi kiểu liên kết Khả năng liên kết điểm-nhiều điểm bao gồm cả liên kết điểm-điểm, trong khi liên kết nhiều điểm cũng bao hàm hai khả năng còn lại Đặc trưng của mạng truyền thông công nghiệp chính là khả năng liên kết nhiều điểm.
Topology là cấu trúc liên kết của một mạng, bao gồm cách sắp xếp và tổ chức vật lý cũng như logic của các nút mạng Nó định nghĩa tổ chức logic các mối liên kết giữa các nút mạng Mặc dù topology và cấu trúc mạng không hoàn toàn giống nhau, nhưng trong thực tế, chúng thường được sử dụng với nghĩa tương đương Thuật ngữ này sẽ được áp dụng trong phạm vi cuốn sách này.
Có ba dạng cấu trúc cơ bản trong thiết kế mạng là bus, mạch vòng (tích cực) và hình sao Ngoài ra, các cấu trúc phức tạp hơn như cấu trúc cây có thể được xây dựng dựa trên sự kết hợp của ba cấu trúc cơ bản này.
Cấu trúc bus là một hệ thống mạng đơn giản, trong đó tất cả các thành viên được kết nối trực tiếp với một đường dẫn chung Điểm nổi bật của cấu trúc này là việc sử dụng một đường dẫn duy nhất cho tất cả các trạm, giúp tiết kiệm cáp dẫn và giảm thiểu công suất lắp đặt.
Trong cấu trúc bus, có ba kiểu cấu hình chính: daisy-chain, trunk-line/drop-line và mạch vòng không tích cực Hai kiểu cấu hình đầu tiên thuộc dạng cấu trúc đường thẳng, do hai đầu của đường truyền không khép kín.
Cấu hình daisy-chain cho phép mỗi trạm kết nối trực tiếp tại giao lộ của hai đoạn dây dẫn mà không cần dây nối phụ Trong khi đó, cấu hình trunk-line/drop-line sử dụng đường nhánh (drop-line) để kết nối các trạm tới đường trục (trunk-line) Mạch vòng không tích cực chỉ khác ở chỗ đường truyền được khép kín, tạo thành một vòng kín.
Cấu trúc bus là lựa chọn phổ biến trong các hệ thống mạng truyền thông công nghiệp nhờ vào tính đơn giản và dễ thực hiện, giúp tiết kiệm dây dẫn Khi một trạm gặp sự cố như hỏng hóc hoặc mất nguồn, nó không ảnh hưởng đến các phần còn lại của mạng Hơn nữa, nhiều hệ thống cho phép tách hoặc thay thế một trạm mà không làm gián đoạn hoạt động của toàn bộ mạng.
Việc sử dụng chung một đường dẫn trong mạng yêu cầu áp dụng phương pháp phân chia thời gian hợp lý để tránh xung đột tín hiệu, được gọi là phương pháp truy nhập môi trường hay truy nhập bus Nguyên tắc truyền thông này đảm bảo rằng tại mỗi thời điểm, chỉ có một thành viên trong mạng được phép gửi tín hiệu, trong khi các thành viên khác chỉ có quyền nhận tín hiệu.
Hình 2.6: Các cấu trúc bus
Ngoài việc cần phải kiểm soát truy nhập môi trường, cấu trúc bus có những nhược điểm sau:
Một tín hiệu có thể được gửi đến tất cả các trạm mà không theo một trình tự nhất định, do đó cần phải thực hiện việc gán địa chỉ theo cách thủ công cho từng trạm Tuy nhiên, quá trình gán địa chỉ này thường gặp nhiều khó khăn trong thực tế.
Kỹ thuật truyền dẫn
Truyền dữ liệu nối tiếp, không đồng bộ là phương pháp phổ biến trong các hệ thống mạng truyền thông công nghiệp, trong đó các bit được gửi tuần tự qua một đường truyền duy nhất Do không có tín hiệu nhịp riêng biệt, việc đồng bộ hóa phụ thuộc vào thỏa thuận giữa bên gửi và bên nhận dựa trên một giao thức truyền thống.
Các chuẩn truyền dẫn TIA/EIA
The Electronic Industry Association (EIA) and the Telecommunications Industry Association (TIA) have developed various standards for industrial communication interfaces, particularly focusing on serial communication standards Traditionally, a serial communication standard is understood as a unified set of regulations governing the physical interface between Data Terminal Equipment (DTE) and Data Communication Equipment (DCE) A prominent example of this DTE/DCE relationship is the RS-232 standard, which facilitates communication between computers and modems However, the application of serial communication standards extends beyond the classic connections between DTE and DCE.
Các chuẩn truyền nối tiếp phổ biến trong truyền thông công nghiệp bao gồm EIA/TIA-232, EIA/TIA-422 và EIA/TIA-485 Trước đây, các chuẩn này được gọi là “RS” với nghĩa là “Recommended Standard”, nhưng sau đó đã được thay thế bằng “EIA/TIA” Chữ cái cuối trong tên mỗi chuẩn chỉ ra phiên bản chỉnh lý, ví dụ, EIA/TIA-232-E là phiên bản chỉnh lý lần thứ năm của RS-232, trong khi EIA/TIA-485-A là phiên bản chỉnh lý lần thứ nhất của RS-485.
Các chuẩn truyền dẫn của EIA/TIA được chia thành ba phạm trù sau:
Complete Interface Standards, such as EIA/TIA-232-F, EIA/TIA-530-A, and EIA/TIA-561, outline comprehensive regulations covering functional, mechanical, and electrical aspects.
- Các chuẩn riêng về mặt điện học( ), ví dụ EIA/TIA-232-F ph ần 2, EIA/TIA-422-
B và EIA/TIA-485-A,chỉ định nghĩa các thông số về mặt điện học, được trích dẫn trong các giao diện trọn vẹn.
- Các chuẩn về chất lượng tín hiệu ( ), ví dụ EIA-334-A,EIA-363 và EIA-404-A, định nghĩa các thuật ngữ và phương pháp cho việc đánh giá chât lượng tín hiệu.
Bài viết này tập trung vào các vấn đề liên quan đến giao diện điện học của ba chuẩn EIA/TIA-232-F, EIA/TIA-422-B và EIA/TIA-485-A Để thuận tiện cho việc trình bày và theo dõi, thuật ngữ "RS" sẽ được sử dụng xuyên suốt Đặc biệt, do vai trò quan trọng của RS-485 trong mạng truyền thông công nghiệp, chuẩn này sẽ được mô tả chi tiết hơn.
2.7.5 Phương thức truyền dẫn tín hiệu
Truyền dẫn không đối xứng
Truyền dẫn không đối xứng sử dụng điện áp của dây dẫn so với đất để biểu thị trạng thái logic (1 và 0) của tín hiệu số Sự liên quan giữa trạng thái logic của tín hiệu và dãy bit mang thông tin phụ thuộc vào phương pháp mã hóa bit, vì giá trị logic của tín hiệu tại một thời điểm không nhất thiết phải khớp với giá trị logic của bit tương ứng Một trong những ưu điểm của phương thức này là cho phép sử dụng một đường dây đất chung cho nhiều kênh tín hiệu, giúp tiết kiệm số lượng dây dẫn và linh kiện ghép nối.
Việc sử dụng đất làm điểm tựa trong đánh giá tín hiệu gặp phải nhược điểm lớn là khả năng chống nhiễu kém Nhiễu có thể phát sinh từ môi trường xung quanh, sự xuyên âm, hoặc do chênh lệch điện áp đất giữa các đối tác truyền thông Những yếu tố này không chỉ hạn chế chiều dài dây dẫn mà còn ảnh hưởng đến tốc độ truyền tín hiệu.
Truyền dẫn chênh lệch đối xứng
Truyền dẫn chênh lệch đối xứng sử dụng điện áp giữa hai dây dẫn (A và B hoặc dây – và dây +) để biểu diễn trạng thái logic (1 và 0) của tín hiệu, không phụ thuộc vào đất.
Chênh lệch đối xứng thể hiện sự cân xứng về điện áp giữa hai dây A và B so với điện áp chung trong điều kiện làm việc bình thường Khi có tác động nhiễu từ bên ngoài, điện áp ở hai dây sẽ tăng hoặc giảm một cách tương đương, giúp tín hiệu ít bị sai lệch Sự khác biệt về điện áp đất giữa các thiết bị truyền thông không ảnh hưởng trực tiếp đến giá trị logic của tín hiệu Ngoài ra, hiện tượng xuyên âm cũng được giảm thiểu đáng kể khi sử dụng dây xoắn Những ưu điểm này đã góp phần vào sự phổ biến của phương thức truyền dẫn chênh lệch đối xứng trong các hệ thống truyền thông tốc độ cao và phạm vi rộng.
Bốn thông số sau đây chiếm vai trò quan trọng trong phương thức truyền dẫn chênh lệch đối xứng như được minh họa trên hình 2.32 và hình 2.33:
VOD, hay điện áp chênh lệch đầu ra của bộ kích thích qua trở đầu cuối giữa hai dây a và b, còn được gọi là điện áp đầu cuối vt Theo tiêu chuẩn quy định, VOD tối thiểu phải đạt 1.5V tại đầu ra của bộ kích thích Dọc theo đường dây dài, điện áp này có thể bị suy giảm do điện trở DC hoặc bị sai lệch bởi nhiễu, nhưng bộ thu chỉ cần mức 200mV để xác định logic của tín hiệu.
- VOS: điện áp dịch của bộ kích thích , còn được gọi là điện áp chế độ chung đầu ra voc.
Chênh lệch giữa điểm giữa của tải đầu ra và đất của bộ kích thích được xác định là yếu tố quan trọng VOC có mối liên hệ trực tiếp với điện áp chế độ chung VCM.
Điện áp chế độ chung (VCM) được xác định bằng giá trị trung bình của điện áp hai dây, cụ thể là va và vb Trong quá trình tính toán VCM, cần lưu ý đến nhiễu và chênh lệch điện áp đất Công thức tính VCM có thể được áp dụng để đảm bảo độ chính xác trong các phép đo điện.
- VGPD: chênh lệch điệ áp đất giữa các trạm trong một hệ thống giới hạn cho giá trị này được qui định cụ thể trong mỗi chuẩn.
Khi tín hiệu được phát đi và phản xạ ngược lại, hiện tượng này tương tự như phản xạ ánh sáng Nếu tốc độ truyền tín hiệu thấp hoặc dây dẫn ngắn, thời gian bit TB sẽ lớn hơn nhiều so với thời gian lan truyền tín hiệu TS, dẫn đến tín hiệu phản xạ sẽ suy giảm và không ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu mang bit dữ liệu tiếp theo Tuy nhiên, trong một số trường hợp, xung đột tín hiệu có thể xảy ra, do đó cần sử dụng trở kết thúc để hấp thụ tín hiệu ban đầu Ý tưởng là khi dây dẫn dài vô hạn, hiện tượng phản xạ tín hiệu sẽ không xảy ra, vì vậy trở đầu cuối được chọn có giá trị tương đương với trở kháng đặc trưng của cáp truyền.
RS-232, tương ứng với chuẩn châu Âu CCITT V.24, được phát triển chủ yếu để kết nối điểm - điểm giữa hai thiết bị đầu cuối (DTE), chẳng hạn như giữa hai máy tính, máy tính và máy in, hoặc giữa thiết bị đầu cuối và thiết bị truyền dữ liệu (DCE) như máy tính và modem.
Mặc dù có những hạn chế, RS-232 là một trong những chuẩn tín hiệu lâu đời nhất và được sử dụng rộng rãi Hiện nay, hầu hết các máy tính cá nhân đều trang bị cổng RS-232 (cổng Com), cho phép kết nối dễ dàng với các thiết bị ngoại vi hoặc máy tính khác Nhiều thiết bị công nghiệp cũng tích hợp cổng RS-232 để phục vụ cho việc lập trình và tham số hóa.
