Giáo trình Mạng truyền thông công nghiệp - Chương 1: Lý thuyết chung về mạng truyền thông trong công nghiệp

 
Ngoài môi trường hữu tuyến, số liệu còn có thể được truyền bằng cách 
dùng sóng vô tuyến qua không gian như hệ thống vệ tinh. Số liệu được điều 
chế bởi một chùm sóng cực ngắn hình nón, phát từ mặt đất lên vệ tinh. 
Chùm tia này được thu và truyền đến đích đã định bằng cách dùng 1 
antenna định hướng và bộ chuyển tiếp. Một vệ tinh đơn có nhiều bộ chuyển 
tiếp như vậy, mỗi bộ tiếp nhận một dải tần số riêng. Một kênh vệ tinh điển 
hình có băng thông lớn (500MHz) và có thể cung cấp hàng trăm kênh số 
liệu tốc độ cao bằng cách dùng kỹ thuật ghép kênh. 
Vệ tinh dùng cho mục đích liên lạc thường là vệ tinh địa tĩnh. Người ta 
chọn quỹ đạo của vệ tinh để cung cấp một tuyến thông tin tầm nhìn thẳng 
giữa trạm phát và thu. 
Mỗi trạm mặt đất thu, phát tại các tần số khác nhau, thực tế thường sử dụng 
hệ thống nhiều trạm thu phát, tổ chức thành mạng. 
0.1 1 10 100 
L(km) 
V(Mb/s) 
100 
10 
1 
0.1 
Cáp quang 
Cáp đồng trục 
Cáp đôi dây xoắn 
Hình 1.13. Đồ thị liên hệ giữa tốc độ truyền và khoảng cách truyền của cáp 
đôi dây xoắn, cáp đồng trục và cáp quang 
Vệ tinh 
Trạm phát Trạm thu 
Hình 1.14. Truyền dẫn bằng sóng vệ tinh 
Chổồng 1. Lyù thuyóỳt chung vóử maỷng truyóửn thọng trong cọng nghióỷp 
Nguyóựn Kim Aẽnh & Nguyóựn Maỷnh Haỡ - Tổỷ õọỹng hoùa - BKÂN 15 
f) Sóng cực ngắn trên mặt đất (viba) 
Đường truyền sóng cực ngắn được sử dụng rộng rãi khi việc xây dựng 
một môi trường hữu tuyến là không thực tế, hoặc quá đắt, ví dụ qua sông 
hồ, sa mạc. Vì sóng cực ngắn truyền qua không khí nên có thể bị gián đoạn 
bởi các vật cản do con người va điều kiện thời tiết có hại. Cũng như vệ tinh, 
chùm tia sóng cực ngắn truyền qua không gian nên không hiệu quả. Truyền 
dẫn bằng sóng cực ngắn có thể cho phép khoảng cách đến 50km. 
g) Sóng vô tuyến tần thấp 
Sóng vô tuyến tần thấp được sử dụng ở những nơi có liên kết cố định 
qua một khoảng cách vừa phải bằng cách dùng máy phát và thu ở mặt đất. 
Ví dụ, dùng để kết nối các máy tính trong thành phố với một máy phát ở xa. 
máy vô tuyến (gọi là trạm gốc) được đặt ở điểm cố định, cung cấp liên kết 
vô tuyến giữa mỗi máy tính và trạm trung tâm. 
Nếu ứng dụng yêu cầu khu vực bao phủ rộng lớn, cần phải sử dụng 
nhiều trạm gốc. Khu vực bao phủ của mối trạm gốc bị giới hạn do giới hạn 
công suất phát, vì vậy mỗi trạm gốc chỉ cung cấp vừa đủ kênh phục vụ cho 
toàn bộ tải trong khu vực đó. Có thể đạt được vùng phủ sóng lớn hơn bằng 
cách sắp xếp nhiều trạm gốc theo cấu trúc tế bào. Thực tế, kích thước tế bào 
thay đổi và được xác định bởi các yếu tố như mật độ đầu cuối và địa thế địa 
phương. 
Mỗi trạm gốc hoạt động sử dụng một dải tần khác với trạm lân cận. 
Tuy nhiên, vì phủ sóng của mỗi trạm gốc bị giới hạn nên có thể sử dụng lại 
dải tần của các vùng khác trong mạng. Các trạm gốc được kết nối đến mạng 
cố định. Thông thường, tốc dộ truyền số liệu giữa các máy tính trong một tế 
bào là 10Kbps. 
2.4. Các phương pháp truy nhập đường truyền 
Trong mạng truyền tin có nhiều đối tác tham gia, cần thiết phải có sự 
điều khiển để sao cho ở mỗi thời diểm chỉ có đối tác được gửi thông tin đi, 
rõ ràng cần thiết phải có phương pháp thích hợp để phân chia thời gian gửi 
dữ liệu trên đường truyền. 
Việc truy nhập đường truyền liên quan đến các yếu tố sau: 
- Độ tin cậy khi truyền thông tin 
- Tính năng thời gian thực 
- Hiệu suất sử dụng đường truyền. 
Chổồng 1. Lyù thuyóỳt chung vóử maỷng truyóửn thọng trong cọng nghióỷp 
Nguyóựn Kim Aẽnh & Nguyóựn Maỷnh Haỡ - Tổỷ õọỹng hoùa - BKÂN 16 
Người ta đưa ra các phương pháp truy nhập đường truyền như sau: 
2.4.1.Phương pháp truy cập Master/ Slave 
Với phương pháp truy nhập này, trạm chủ sẽ được quyền phân chia thời 
gian truy cập đường truyền cho các trạm tớ hình 3.15. 
Trạm chủ có thể gửi các yêu cầu tuần tự đến các trạm tớ hoặc có thể chỉ 
định trạm tớ bất kỳ theo mục đích truy nhập. 
Ưu điểm của phương pháp này là cấu trúc mạng đơn giản, nhưng các 
hoạt động của mạng lại phụ thuộc vào trạm chủ nên đòi hỏi độ tin cậy của 
trạm chủ là rất cao, mặt khác do thông tin giữa các trạm tớ đều phải thông 
qua trung gian là trạm chủ đã khiến cho hiệu suất đường truyền trong 
phương pháp này là không cao. 
2.4.2. Phương pháp truy cập Token Passing 
Cấu trúc của một token như sau: 
Token Passing là 1 khung truyền có cấu trúc đặc biệt với các thông tin 
dữ liệu chính, nó được sử dụng như thẻ bài có thể tác dụng trao quyền gửi 
thông tin khi một trạm nào đó có được thẻ bào này. Việc gửi thẻ bài được 
thực hiện theo 1 chu trình định sẵn. Đối với các mạng có cấu trúc khép kín 
người ta đưa ra khái niệm Token rinh. Sơ đồ như sau: 
Master 
Slave Slave Slave 
Hình 1.15. Truy cập Master/slave 
1 byte 
Start 
1 byte 1 byte 
Access 
control End delimiter 
Hình 1.16. Định dạng của 1 token 
Chổồng 1. Lyù thuyóỳt chung vóử maỷng truyóửn thọng trong cọng nghióỷp 
Nguyóựn Kim Aẽnh & Nguyóựn Maỷnh Haỡ - Tổỷ õọỹng hoùa - BKÂN 17 
Một trạm đang giữ Token không những có quyền giữ thông tin đi mà 
còn có thể kiểm soát thông tin của các trạm khác. Nếu thấy trạm chuẩn bị 
nhận Token bị lỗi nó sẽ không giữ Token cho trạm này, hoặc nếu token 
không được gửi (có nghĩa là trạm token bị lỗi) thì 1 trạm nào đó sẽ tự tạo ra 
token để đảm bảo hoạt động của hệ thống là thông suốt. 
2.4.3. CDMA/ CD(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) 
Trong phương pháp này, các trạm đều được truy nhập bus mà không có 
1 sự kiểm soát nào. Nguyên tắc hoạt động được mô tả như sau: 
+ Mỗi trạm đều cảm nhận đường truyền (carier sense), chỉ khi đường truyền 
rỗi thì mới được truyền thông tin trên đó. 
Unit 5 Unit 7 Unit 6 Unit 8 
Unit 1 Unit 2 Unit 3 Unit 4 : Môi 
trường vật 
lý 
: Đường đi 
của Token 
Unit 3: bị lỗi 
Hình 1.17. Phương pháp truy nhập Token Ring 
Hình 1.18. Phương pháp truy nhập Token bus 
Unit 1 Unit 2 Unit 3 Unit 4 
Unit 5 Unit 7 Unit 6 Unit 8 
Chổồng 1. Lyù thuyóỳt chung vóử maỷng truyóửn thọng trong cọng nghióỷp 
Nguyóựn Kim Aẽnh & Nguyóựn Maỷnh Haỡ - Tổỷ õọỹng hoùa - BKÂN 18 
+ Do độ trễ của sự lan truyền mà vẫn xảy ra trường hợp lặp 2 hay nhiều 
trạm cùng đưa thông tin lên đường truyền (hình....) và khi phát các trạm 
này vẫn phải cảm nhận xem có xảy ra xung đột không (Collision Detection) 
+ Khi hai hay hiều trạm nhận cùng đưa thông tin lên đường truyền (tức 
xung đột xảy ra) thì các trạm này đều phải huỷ bỏ bản tin gửi của mình 
(hình...) 
+ Chờ trong thời gian ngẫu nhiên các trạm này sẽ gửi lại thông báo 
Thực tế việc phát hiện xung đột được thực hiện bằng cách so sánh tín 
hiệu phát và tín hiệu phản hồi. Trong trường hợp có xung đột thì các trạm 
này lập tức không phát nữa, và các trạm nhận thì không nhận được byte kết 
thúc của khung truyền nên coi như thông báo này bị huỷ bỏ. 
n1 n2 n3 n4 
Hình 1.19. Nhiều trạm nhận cùng gửi thông tin lên đường truyền 
n1 n2 n3 n4 
Hình 1.20. Các thông báo gửi bị huỷ bỏ 
n1 n2 n3 n4 
Hình 1.21. Trạm n1 gửi thông báo 
Chổồng 1. Lyù thuyóỳt chung vóử maỷng truyóửn thọng trong cọng nghióỷp 
Nguyóựn Kim Aẽnh & Nguyóựn Maỷnh Haỡ - Tổỷ õọỹng hoùa - BKÂN 19 
Ưu điểm của phương pháp này là đơn giản và linh hoạt nhưng không 
phù hợp với các hệ thống mạng cấp thấp do tính không ổn định về thời gian 
đáp ứng. 
2.4.4. CSMA/ CA (Carrier Sense Multiple with Collision Avoidance) 
Phương pháp này cũng giống phương pháp CSMA/ CD, nhưng chúng 
sử dụng phương pháp mã hoá bit thích hợp để khi xảy ra xung đột 1 tín hiệu 
này sẽ lấn át tín hiệu kiểm tra. Ví dụ: 
Phương pháp này ra đời đã cải thiện được tính năng thời gian thực mà 
phương pháp CSMA/ CD gặp phải. 
2.5. Các giao thức công nghiệp (Industrial Protocol) 
2.5.1. Khái niệm giao thức (Protocol) 
+ Trong quá trình trao đổi thông tin trên mạng, các đối tác truyền thông cần 
thiết phải tuân theo các quy tắc thủ tục chung để phục vụ cho việc giao tiếp 
gọi là giao thức, giao thức chính là cơ sở cho việc thực hiện và sử dụng các 
dịch vụ truyền thông. 
+ Quy định một giao thức bao gồm các phần sau: 
- Khởi tạo: Phần này khởi tạo các thông số của giao thức và bắt đầu 
truyền dữ liệu trên đường truyền 
n1 n2 n3 
a. n1 và n3 cùng phát 
A B C 
X 
n1 n2 n3 
b. n1 liên tục phát và n3 dừng phát 
A B C 
Hình 1.22. Nguyên lí hoạt động của CDMA/CA 
Chổồng 1. Lyù thuyóỳt chung vóử maỷng truyóửn thọng trong cọng nghióỷp 
Nguyóựn Kim Aẽnh & Nguyóựn Maỷnh Haỡ - Tổỷ õọỹng hoùa - BKÂN 20 
- Tạo khung và đồng bộ khung: Phần này định nghĩa thời điểm khởi đầu 
và thời điểm kết thúc của khung để bên nhận có thể đồng bộ dữ liệu khi 
nhận. 
- Điều khiển luồng dữ liệu: để đảm bảo rằng với tốc độ này thì bên thu có 
thể nhận số liệu mà không bị thiếu. 
- Điều khiển truy cập đường truyền: ứng dụng truyền bán song công 
- Sửa lỗi: Các kí thuật ngày nay sử dụng sửa lỗi tổng khối và CRC. 
- Điều khiển Time Out: áp dụng với các bộ truyền khi nó không nhận 
được dữ liệu trong khoảng thời gian định trước và bộ nhận không thể 
nhận được các bản tin trước đó. 
2.5.2.Giao thức công nghiệp 
ã Các yêu cầu đối với các Protocol công nghiệp. 
- Dễ dàng cho các hệ thống xử lí: Mức độ yêu cầu của các hệ thống 
truyền thông công nghiệp ở cấp độ phân xưởng là ở cấp thấp. Cần thiết 
chọn các giao thức đơn giản chẳng hạn giao thức ASCII. 
- Tính bảo toàn dữ liệu khi truyền là cao: Trong môi trường công nghiệp 
có rất nhiều nhiễu điện từ, cần thiết phải truyền số liệu sao cho không có 
lỗi, giao thức được chọn phải có khả năng kiểm soát lỗi hiệu quả chẳng 
hạn như phương pháp soát lỗi CRC. 
- Chuẩn hoá các giao thức: Xuất phát từ yêu cầu trao đổi thông tin giữa 
các đối tác trao đổi thông tin (PLC, PC ...) được sản xuất bởi các hãng 
khác nhau, cần thiết phải có giao thức truyền thông công nghiệp chung, 
chẳng hạn MobBus. 
- Tốc độ truy cập các thông số cao: Yêu cầu việc cập nhật các thông số từ 
các thiết bị trường nối tiếp nhau là gần như đồng thời. 
Một số các giao thức công nghiệp điển hình như: ASCII, Modbus, Can...sẽ 
được xét trong phần mạng của Simatic-net