Chổồng 1. Lyù thuyóỳt chung vóử maỷng truyóửn thọng trong cọng nghióỷp
Nguyóựn Kim Aẽnh & Nguyóựn Maỷnh Haỡ - Tổỷ õọỹng hoùa - BKN 1
ch ơng 1
Lý thuyết chung về mạng truyền thông
trong công nghiệp
1. Tổng quan chung
1.1. Giới thiệu về mạng truyền thông trong công nghiệp
Do đặc thù của các ngành công nghiệp mà đã tạo ra nhiều loại mạng truyền
thông khác nhau. Mặt khác mạng truyền thông trong công nghiệp cũng có
những đặc thù riêng, có thể phân biệt chúng với mạng thông tin quảng đại
thông qua một số khía cạnh sau:
- Phạm vi hoạt động
- Yêu cầu về độ tin cậy khi truyền
Ưu điểm của sử dụng mạng truyền thông trong công nghiệp:
- Thay thế đ ợc hoàn toàn các hệ thống truyền cũ nh : 0-20mA, 0-10V
- Cho phép làm việc với các sản phẩm của nhiều nhà sản xuất khác nhau.
- Là hệ thống mở, đồng thời cho phép hiệu chỉnh điều khiển từ phòng điều
khiển trung tâm
- Hệ thống hoạt động với độ tin cậy cao hơn
- Độ mềm dẻo gần nh không có giới hạn.
- Giá thành thấp.
- L ợng thông tin truyền tải lớn

1.2. Mô hình phân cấp trong mạng truyền thông công nghiệp
Để có cái nhìn tổng thể về mạng truyền thông trong công nghiệp, hãy xem
mô hình phân cấp để thấy các đặc tr ng, cũng nh chức năng nhiệm vụ của
của từng cấp.
Chổồng 1. Lyù thuyóỳt chung vóử maỷng truyóửn thọng trong cọng nghióỷp
Nguyóựn Kim Aẽnh & Nguyóựn Maỷnh Haỡ - Tổỷ õọỹng hoùa - BKN 2
Các sensor và cơ cấu chấp hành đ ợc nối trên đ ờng Bus có thể là các thiết
bị thông minh hoặc cũng có thể là các thiết bị thông th ờng có xử dụng
thêm các bộ chuyển đổi giao thức t ơng thích.
Điển hình của Bus tr ờng là: Profibus-DP, Profibus-PA, Can, Foundation
Fielbus, DeviceNet. PC

PC

PC

PC

PC

HIS

HIS

EWS

FCS

FCS

FCS

FCS

Quản lí kỹ
thuật
Điều khiển
và giám sát
Hiện điều
khiển
Hình 1.1
Mô hình phân cấp các hệ thống mạng trong công nghiệp

Hiện tr ờng

Chổồng 1. Lyù thuyóỳt chung vóử maỷng truyóửn thọng trong cọng nghióỷp
Nguyóựn Kim Aẽnh & Nguyóựn Maỷnh Haỡ - Tổỷ õọỹng hoùa - BKN 3
Cấp điều khiển:
Cấp này bao gồm các trạm điều khiển hiện tr ờng (FCS), các bộ điều khiển
logic lập trình (PLC), các thiết bị quan sát . Chức năng thu thập các tín
hiệu từ hiện tr ờng, thực hiện điều khiển cơ sở, điều khiển logic, tổng hợp
dữ liệu
Các thiết bị ở cấp này đ ợc kết nối với nhau và kết nối với các thiết bị ở cấp
trên (cấp điều khiển giám sát) thông qua Bus hệ thống, thực tế các bản tin
trao đổi trên Bus hệ thống cũng đòi hỏi tín năng thời gian thực cao, mặt
khác đặc thù của các bản tin là chiều dài lớn hơn nhiều so với các bản tin
trao đổi trên Bus tr ờng
Điển hình của Bus hệ thống là: Profibus-FMS, ControlNet, Industrial
Ethernet.
Cấp điều khiển giám sát:
Các thiết bị trong cấp này bao gồm các trạm giao tiếp ng ời máy HIS, các
trạm thiết kế kỹ thuật EWS, và các thiết bị phụ trợ khác. Chức năng của cấp
này là thực hiện điều khiển quá trình (Process Control), thực hiện các thuật
toán điều khiển tối u


ã Lớp vật lý (Physical Layer)
Lớp này đ ợc định nghĩa là sự kết nối vật lý giữa PC và mạng nh sau:
- Theo cấu trúc mạng
- Theo các chuẩn truyền dẫn: áp hoặc dòng
- Theo ph ơng thức mã hoá tín hiệu
- Theo giao diện cơ học (cáp hoặc giắc cắm)
ã Lớp liên kết dữ liệu (Data Link Layer)
Lớp này đ ợc định nghĩa nh sau:
- Protocol phù hợp với việc truy cập mạng theo các bản tin nhận và gửi.
- Chia các khối dữ liệu lớn thành các khung định dạng dữ liệu.
Cả hai lớp này đ ợc gọi là lớp phần cứng, trong mạng cục bộ lớp này đ ợc
chia làm 2 lớp con: lớp điều khiển truy nhập môi tr ờng ( MAC Media
Access Control) và lớp điều khiển liên kết logic (LLC Logical Link
Control). Trong một số hệ thống lớp này có thể đảm nhiệm thêm chức năng
nh kiểm soát l u thông và đồng bộ hoá việc chuyển giao các khung dữ
liệu.
A Protocol


Lớp ứng dụng

Lớp biểu diễn dữ liệu

Lớp kiểm soát nối

Lớp vận chuyển

Lớp liên kết dữ liệu

Lớp vật lí

Lớp mạng

Chổồng 1. Lyù thuyóỳt chung vóử maỷng truyóửn thọng trong cọng nghióỷp
Nguyóựn Kim Aẽnh & Nguyóựn Maỷnh Haỡ - Tổỷ õọỹng hoùa - BKN 5
ã Lớp mạng (Network Layer)
Lớp này đ ợc định nghĩa nh sau:
- Truyền thông tin tối u trên mạng.
- Điều khiển các thông điệp trạng thái để gửi chúng tới các thiết bị khác
trong mạng.
ã Lớp vận chuyển (Transport Layer)
Lớp này đ ợc định nghĩa nh sau:
- Quản lý địa chỉ của thiết bị trên mạng
- Định vị các đối tác truyền thông thông qua địa chỉ.
- Đồng bộ hoá giữa các đối tác.
- Xử lí lỗi và kiểm soát dòng thông tin.
ã Lớp kiểm soát nối (Session Layer)
Chức năng của lớp này là kiểm soát mối liên kết truyền thông giữa các

chung với một trạm chủ (master). Nh vậy các đối tác sẽ đ ợc nối chung
vào một đ ờng dây
- Liên kết nhiều điểm nhiều điểm (multi point): nhiều đối tác tham
gia và thông tin đ ợc trao đổi theo nhiều h ớng. Cũng t ơng tự liên kết
điểm nhiều điểm với liên kết này các đối tác cũng đ ợc nối trên cùng
một đ ờng dây.
Định nghĩa: Cấu trúc mạng là tổng hợp của các mối liên kết.
Cấu trúc mạng cũng hiểu là cách sắp xếp, tổ chức về mặt vật lý của mạng
nh ng cũng hiểu là cách sắp xếp logic của các nút mạng.
Các loại cấu trúc mạng:
+ Topology đầy đủ:

Với cấu trúc đầy đủ này thì sự giao tiếp giữa các trạm là nhanh, một
đối tác bị sự cố sẽ không ảnh h ởng tới các đối tác còn lại nh ng cấu trúc
này giá thành cao do tốn kém dây dẫn
+ Topology hình sao:
Chổồng 1. Lyù thuyóỳt chung vóử maỷng truyóửn thọng trong cọng nghióỷp
Nguyóựn Kim Aẽnh & Nguyóựn Maỷnh Haỡ - Tổỷ õọỹng hoùa - BKN 7

Các đối tác trao đổi thông tin với nhau thông qua một trạm chủ, tuy
nhiên một sự cố của trạm chủ sẽ dẫn đến sự tê liệt của toàn hệ thống do đó
trạm chủ đòi hỏi phải có độ tin cậy cao.
+ Topology vòng lặp

Trong cấu trúc này các thành viên đ ợc nối với nhau tạo thành mạch vòng
khép kín, tín hiệu đ ợc truyền đi theo chiều cố định. u điểm của ph ơng
pháp này là mỗi nút mạng có thể là bộ khuếch đại điều đó khiển cho
khoảng cách đối với cấu trúc này có thể là rất xa. Mặt khác mỗi đối tác
ngăn mạch vòng làm hai phần nên khả năng sảy ra xung đột sẽ giảm do tín
hiêụ chỉ đ ợc truyền đi theo một chiều.
+ Topology bus


Cấu trúc cây là tổng hợp của nhiều liên kết với các cấu trúc nh
đ ờng thẳng, sao, mạch vòng Đây là cấu trúc th ờng gặp trong thực tế.

2.3. Môi tr ờng truyền dẫn
2.3.1. Các đặc tính của môi tr ờng truyền dẫn
Môi tr ờng truyền dẫn là môi tr ờng mà tín hiệu thông tin truyền qua
(thực chất đó là đ ờng truyền). Môi tr ờng truyền dẫn có ảnh h ởng
lớn tới tốc độ truyền dẫn, chất l ợng đ ờng truyền Ta xét các đặc tính
sau:
ã Dung l ợng truyền của môi tr ờng truyền dẫn đ ợc tính theo công thức
sau:
U
k
= T
k
*F
k
*H
k

ở đó: T
k
- Thời gian trong đó có mặt tín hiệu truyền đi

Nguyóựn Kim Aẽnh & Nguyóựn Maỷnh Haỡ - Tổỷ õọỹng hoùa - BKN 9
Là loại môi tr ờng truyền dẫn đơn giản, hai dây dẫn đ ợc cách li với
nhau bằng khoảng không. Loại này có thể nối các thiết bị với chiều dài
không lớn lắm và tốc độ truyền không quá 19.2 Kbis/s. Đ ờng dây này
đ ợc ứng dụng trong truyền số liệu giữa các DTE và DCE.
Nh ợc điểm của loại dây này là chịu tác động của nhiễu xuyên âm,
ngoài ra cấu trúc hở khiến nó nhạy cảm với nhiễu gây ra bởi các nguồn bức
xạ, đó cũng chính là lí do khiến cho môi tr ờng truyền dẫn này hạn chế về
tốc độ và chiều dài dây dẫn.
b) Cáp đôi dây xoắn
Đây là môi tr ờng truyền dẫn có tính lịch sử trong truyền số liệu và
hiện này nó vẫn là môi tr ờng truyền dẫn đ ợc dùng rất phổ biến. Nó đ ợc
phát minh cùng thời với điện thoại, và giá thì t ơng đối rẻ tiền
Cáp dây đôi xoắn có thể loại trừ tốt hơn. Trong một cáp có nhiều cặp
dây xoắn vào nhau. Một đôi dây xoắn bao gồm hai sợi dây đ ợc quấn cách
li ôm vào nhau do cấu trúc nh thế mà tr ờng điện từ của hai dây sẽ trung
hoà lẫn nhau, mặt khác dây tín hiệu và dây đất xoắn vào nhau giúp cho tín
hiệu giao thoa đ ợc cả hai dây thu nhận, không làm ảnh h ởng lên tín hiệu
vi sai. Chính vì vậy mà nhiễu ra môi tr ờng xung quanh và nhiễu xuyên âm
giảm thiểu đáng kể.
Đ ờng dây xoắn đôi thích hợp với thiết bị điều khiển đ ờng dây và
mạch thu riêng, sử dụng tốc độ bit d ới 1 Mbps cho khoảng cách từ vài m
đến 15Km và tốc độ bit thấp hơn cho khoảng cách dài hơn. Điển hình của
cáp đôi dây xoắn là việc ứng dụng trong các hệ thống truyền thông sử dụng
Chất dẫn điện ở giữa là màn chắn hữu hiệu với tín hiệu nhiễu bên ngoài. Sự
tổn hao tín hiệu rất nhỏ gây ra do bức xạ điện từ và hiệu ứng bề mặt. Cáp
đồng trục có thể sử dụng với nhiều kiểu tín hiệu khác nhau, tốc độ điển
hình là 10Mbps.
Cáp đồng trục đ ợc sử dụng rộng rãi, chế độ hoạt động có thể sử dụng dải
cơ sở (BaseBand) hoặc dải rộng (BroadBand). Với BaseBand toàn bộ hiệu
suất đ ờng truyền đ ợc dành cho một kênh truyền thông duy nhất trong khi
đó BroadBand thì sử dụng cho 2 hoặc nhiều kênh cùng phân chia dải thông
của đ ờng truyền. Chúng đ ợc minh hoạ trên hình 3.10.
Lớp cách điện

Lớp dẫn điện

Hình 1
.10.
Cấu tạo của cáp đồng trục
Chổồng 1. Lyù thuyóỳt chung vóử maỷng truyóửn thọng trong cọng nghióỷp
Nguyóựn Kim Aẽnh & Nguyóựn Maỷnh Haỡ - Tổỷ õọỹng hoùa - BKN 11


- ánh sáng c ờng độ lớn không phải bao gồm những l ợng tử năng l ợng
lớn mà gồm rất nhiều l ợng tử lan truyền. Bản chất của sóng ánh sáng có cả
tính chất sóng và tính chất hạt. Tốc độ lan truyền của sóng ánh sáng là
3.10
8
m/s trong chân không
BaseBand

BroadBand

Hình 1.11.
Minh hoạ dải cơ sở và dải rộng
Chổồng 1. Lyù thuyóỳt chung vóử maỷng truyóửn thọng trong cọng nghióỷp
Nguyóựn Kim Aẽnh & Nguyóựn Maỷnh Haỡ - Tổỷ õọỹng hoùa - BKN 12
- Khi nghiên cứu các phần tử thu quang ng ời ta xử dụng các đặc tính hạt
của nó. Khi nghiên cứu quá trình lan truyền của cáp quang trên sợi quang
ng ời ta lại quan tâm đến tính chất sóng của nó.
*. Các đặc tr ng cơ bản
+ Dải phổ bức xạ quang học. Đặc tr ng cơ bản của các nguồn bức xạ điện
từ là dải phổ bức xạ quang học hay dải b ớc sóng t ơng ứng:
)(&)( Hz
c
fm
f
c
l
l
==
- ánh sáng sử dụng trong thông tin quang là ánh sáng trong vùng hồng
ngoại:

nằm trong vỏ bọc ngăn ánh sáng bên ngoài. Tín hiệu ánh sáng sinh ra bởi
máy phát quang. Máy phát quang thực hiện sự chuyển đổi từ điện sang
quang. T ơng tự, máy thu quang thực hiện chức năng ng ợc lại tại đầu cuối
thu. Máy phát quang sử dụng LED hoặc ILD, máy thu quang sử dụng diode
quang hoặc transistor quang để thực hiện các chuyển đổi.
n
2n
1
Chổồng 1. Lyù thuyóỳt chung vóử maỷng truyóửn thọng trong cọng nghióỷp
Nguyóựn Kim Aẽnh & Nguyóựn Maỷnh Haỡ - Tổỷ õọỹng hoùa - BKN 13
Trong sợi quang đa mode chiết suất bậc, vật liệu chế tạo vỏ và lõi khác
nhau nh ng chiết suất là đồng nhất. Các tia sáng do diode phát ra với góc
nhỏ hơn góc tới hạn sẽ đ ợc phản xạ toàn phần tại giao diện lõi vỏ và lan
truyền dọc theo lõi bằng cách phản xạ nhiều lần. Các tia sáng phát ra tại
diode với góc khác nhau sẽ truyền đi với thời gian khác nhau, dẫn đến tín
hiệu thu có độ rộng xung lớn hơn tín hiệu vào, làm giảm tốc độ bit.
+ Phân loại sợi quang
Theo đặc tính truyền dẫn ng ời ta chia sợi quang thành 2 loại: Sợi SM và

e) Vệ tinh
Ngoài môi tr ờng hữu tuyến, số liệu còn có thể đ ợc truyền bằng cách
dùng sóng vô tuyến qua không gian nh hệ thống vệ tinh. Số liệu đ ợc điều
chế bởi một chùm sóng cực ngắn hình nón, phát từ mặt đất lên vệ tinh.
Chùm tia này đ ợc thu và truyền đến đích đã định bằng cách dùng 1
antenna định h ớng và bộ chuyển tiếp. Một vệ tinh đơn có nhiều bộ chuyển
tiếp nh 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 th ờng là vệ tinh địa tĩnh. Ng ời ta
chọn quỹ đạo của vệ tinh để cung cấp một tuyến thông tin tầm nhìn thẳng
giữa trạm phát và thu.

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 - BKN 15

f) Sóng cực ngắn trên mặt đất (viba)
Đ ờng truyền sóng cực ngắn đ ợc sử dụng rộng rãi khi việc xây dựng
một môi tr ờng 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 ng ời va điều kiện thời tiết có hại. Cũng nh 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 đ ợc 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) đ ợc 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 đ ợc vùng phủ sóng lớn hơn bằng

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 ph ơng pháp này là cấu trúc mạng đơn giản, nh ng 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 đ ờng truyền trong
ph ơng pháp này là không cao.

2.4.2. Ph ơng pháp truy cập Token Passing
Cấu trúc của một token nh sau:
Token Passing là 1 khung truyền có cấu trúc đặc biệt với các thông tin
dữ liệu chính, nó đ ợc sử dụng nh thẻ bài có thể tác dụng trao quyền gửi
thông tin khi một trạm nào đó có đ ợc thẻ bào này. Việc gửi thẻ bài đ ợc
thực hiện theo 1 chu trình định sẵn. Đối với các mạng có cấu trúc khép kín
ng ời ta đ a ra khái niệm Token rinh. Sơ đồ nh sau:
Master

Slave
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 đ ợc 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 ph ơng pháp này, các trạm đều đ ợc truy nhập bus mà không có
1 sự kiểm soát nào. Nguyên tắc hoạt động đ ợc mô tả nh sau:
+ Mỗi trạm đều cảm nhận đ ờng truyền (carier sense), chỉ khi đ ờng truyền


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 - BKN 18
+ Do độ trễ của sự lan truyền mà vẫn xảy ra tr ờng hợp lặp 2 hay nhiều
trạm cùng đ a thông tin lên đ ờng truyền (hình ) và khi phát các trạm
này vẫn phải cảm nhận xem có xảy ra xung đột không (Collision Detection)

n4

Hình 1.19.
Nhiều trạm nhận cùng gửi thông tin lên đ ờng truyền
n1

n2

n3

n4

Hì
nh 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 - BKN 19
Ưu điểm của ph ơng pháp này là đơn giản và linh hoạt nh ng không
phù hợp với các hệ thống mạng cấp thấp do tính không ổn định về thời gian

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 đ ờng 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

các đối tác trao đổi thông tin (PLC, PC ) đ ợc 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 tr ờng nối tiếp nhau là gần nh đồng thời.
Một số các giao thức công nghiệp điển hình nh : ASCII, Modbus, Can sẽ
đ ợc xét trong phần mạng của Simatic-net