Giáo trình Mạng truyền thông công nghiệp (Trình độ: Trung cấp/Cao đẳng nghề)

các nhược điểm của nó là không đáp ứng yêu cầu thời gian thực và tính dự phòng. Hình 1.14. Hình chuẩn truyền thông Ethernet Profibus: 30 PROFIBUS (Process Field Bus) là kết quả của dự án nghiên cứu của 13 công ty và 5 viện nghiên cứu do bộ công nghệ và nghiên cứu chlb Đức chủ trì năm 1987. Mục tiêu của dự án là phát triển một mạng truyền thông kỹ thuật số để thay thế cho truyền thông tương tự (Analog) 4-20mA trong điều khiển quá trình công nghiệp. PROFIBUS sử dụng phương pháp điều khiển truy nhập Bus thẻ bài và truyền thông theo kiểu Master-Slave. PROFIBUS sử dụng môi trường truyền dẫn là cáp xoắn hoặc cáp quang, có thể kết nối 124 nút mạng trong một phân đoạn mạng, tốc độ tối đa là 12Mbps. PROFIBUS có nhiều phiên bản như PROFIBUS-PA, PROFIBUS-FMS, PROFINET và PROFIBUS-DP nhưng phiên bản sử dụng trong điều khiển phổ biến là PROFIBUS-DP. Hình 1.15. Hình chuẩn truyền thông PROFIBUS DP Modbus: Modbus là một trong những giao thức trong hệ thống mạng công nghiệp vì tính đơn giản và độ tin cậy của nó. Modbus thực chất là giao thức nằm ở lớp ứng dụng của mô hình OSI, do đó Frame truyền của Modbus có thể truyền trên các chuẩn khác nhau như : RS232, RS422, RS485 và Ethernet. Trên những chuẩn truyền khác nhau mà ta có các loại : Modbus serial : Bao gồm Modbus RTU và Modbus ASCII được truyền trên các chuẩn truyền thông như : RS232, RS485, RSS422. Modbus TCP : truyền thông trên nền Ethernet 31 Hình 1.16. Một mạng truyền thông MODBUS Câu hỏi ôn tập : Câu 1 : so sánh hệ thống SCADA và DCS giống và khác nhau điểm nào?khi nào dùng hệ thống SCADA? Câu 2 : Nêu tầm quang trọng của hệ mở trong nền công nghiệp hiện đại hóa? Câu 3 : Nêu các ví dụ về sử dụng các chuẩn truyền thông?chuẩn nào được dùng nhiều nhất và rộng rãi nhất hiện nay? 32 BÀI 2: NHIỄU VÀ GIẢI PHÁP XỬ LÝ Mục tiêu: Trình bày được nguồn gốc nhiễu và các giải pháp xử lý. Phân tích được các giải pháp chống được nhiễu trong truyền thông Chủ động, sáng tạo an toàn cẩn thận trong quá trình học tập. Nội dung chính : 2.1. Giới thiệu: Nhiễu là một tín hiệu ngẫu nhiên có mật độ phân bố công suất phẳng nghĩa là tín hiệu nhiễu có công suất bằng nhau trong toàn khoảng băng thông. Tín hiệu này có tên là nhiễu trắng vì nó có tính chất tương tự với ánh sáng trắng. Chúng ta không thể tạo ra nhiễu trắng theo đúng lý thuyết vì theo định nghĩa của nó, nhiễu trắng có mật độ phổ công suất phân bố trong khoảng tần vô hạn và do vậy nó cũng phải có công suất vô hạn. Tuy nhiên, trong thực tế, chúng ta chỉ cần tạo ra nhiễu trắng trong khoảng băng tần của hệ thống chúng ta đang xem xét. Hình 3.1. Một tín hiện nhiễu Lưu ý rằng nhiễu Gaussian (nhiễu có phân bố biên độ theo hàm Gaussian) không phải là nhiễu trắng. Từ "Gaussan" đề cập đến phân bố xác suất đối với giá trị (độ lớn) trong khi từ "While" đề cập đến cái cách phân bố công suất tín hiệu trong miền thời gian hoặc tần số. Ngoài nhiễu trắng Gaussian chúng ta còn có nhiễu trắng Poisson, Cauchy, ... Khi miên tả hệ thống bằng toán học chúng ta hay sử dụng nhiễu AWGN (additive white Gaussian noise) vì loại nhiễu này dễ tạo ra nhất. 2.2. Những sự cố thường gặp và cách giải quyết: 2.2.1. Những sự cố thường gặp Nhiễu trùng kênh : Là do nhiều thiết bị có tần số trùng nhau. Nhiễu do xuyên điều chế: Là do sự kết hợp giữa hai hoặc nhiều tín hiệu có tần số khác nhau khi truyền qua thiết bị phi tuyến và tạo ra những tín hiệu không mong muốn. Những tín hiệu không mong muốn này gây nhiễu cho các đài vô tuyến điện khác. 33 Nhiễu tương thích điện từ trường (EMC): Là do thiết bị, hệ thống thiết bị vô tuyến điện, điện, điện tử không hoạt động bình thường trong môi trường điện từ. Một số can nhiễu EMC: Bức xạ từ các thiết bị ứng dụng trong công nghiệp, khoa học và y tế (ISM) gây nhiễu cho các thiết bị. Bức xạ do không bảo đảm kỹ thuật tại các điểm tiếp xúc giữa đường dây tải điện không bao bọc và các trụ sứ gây nhiễu cho các mạng đường đay điện đặt gần. Bộ khuyến đại tín hiệu (booster) gây nhiễu cho mạng Nhiễu do các phát xạ không mong muốn ( bao gồm phát xạ ngoài băng và phát xạ giả) : Là do các thiết bị phát sóng vô tuyến điện phát các phát xạ ngoài băng không đáp ứng các qui chuẩn kỹ thuật về phát xạ không mong muốn, các phát xạ ngoài băng này gây nhiễu cho các thiết bị khác. 2.2.2. Cách giải quyết 2.3. Nhiễu và các giải pháp xử lý: 2.3.1. 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 ü Nhiễu điện từ: nguồn nhiễu xuất phát từ các nguồn điện từ khác nhau từ các phát sóng Radio, truyên hình, các nguồn sóng điện thoại ở dải sóng cao và rộng. Các nguồn số như ánh sáng, các rơle, motor, nguồn phóng xạ, nguồn tần số thấp như điện áp cao của truyền dẫn điện Ba vấn đề chính của nhiễu điện từ - Nguồn phát - Truyền dẫn - Nhận sóng 2.3.2. Vỏ bọc che chắn: Sử dụng cáp có vỏ bọc che chắn để chống các nguồn nhiễu từ bên ngoài 34 Hình 3.2. Cáp có vỏ bọc che chắn 2.3.3. Tốc độ dẫn của dây cáp: - Lưu lượng đến 1Gbits/s - Đối với các hệ thống thương phẩm có thể đạt tới 1 đến 50 Gbits/s với các đường truyền đến 10Km 2.3.4. Yêu cầu nối đất : Các dạng nối đất cơ bản - Nguồn cách điện với đất - Tải cách điện với đất - Nối đất nối tiếp - Nối đất hình sao 35 Hình 3.3. Các kiểu nối đất 2.3.5. Kỹ thuật triệt nhiễu Nhiễu cáp truyền cảm ứng điện dung 36 Hình 3.4.Kỹ thuật triệt nhiễu bằng điện dung Bảo vệ chống cảm ứng điện dung Hình 3.5. Bảo vệ chống cảm ứng điện dung Chống nhiễu bọc kim bằng 1 màn chắn: 37 Hình 3.6.chống nhiễu bọc kim bằng một màn chắn Cảm ứng ở thanh của bọc kim: Hình 3.7. Cảm ứng thanh của bọc kim Cảm ứng điện cảm và cách bảo vệ Hình 3.8. Cảm ứng điện cảm Sử dụng bộ khuếch đại vi sai: Màu xanh lá cây : 2 dây nối với đất vi sai Màu đỏ: dây nối đất cầu Wheatstone với khuếch đại đo lường 38 Hình 3.9. Khuếch đại vi sai Chống nhiễu bằng cách sử dụng đường truyền tích hợp: Truyền có dây có 3 loại chính Truyền 2 đây Truyền có 1 dây nối đất Truyền qua cáp xoắn Cáp quang Loại dây xoắn: loại này phổ biến nhất vì loại xoắn giữa 2 cực tím hiệu nên có khả năng chống được nhiễu điện từ. Hình 3.10. Cáp dây xoắn Loại Cáp đồng trục: Kiểu chống nhiễu của nó dựa vào điện cảm Hình 3.11. Cáp đồng trục Loại dây dẫn quang: Hình 3.12. Cáp quang 39 Đặc điểm: Dây dẫn quang bằng lõi hình trụ, bằng thủy tinh hay bằng nhựa Là chùm sáng trong dây dẫn quang Chùm sáng phản xạ phải trong dây dẫn Lưu lượng: Đến 1 Gbits/s Đối với hệ thống thương phẩm Từ 1 đến 50 Gbits/s và chiều dài truyền khoảng 10Km Chống nhiễu rất tốt: Không nhạy với nhiễu Không có cảm ứng Không bị ngắn mạch Hệ số truyền sai 910 - Ưu điểm: Không gây một nhiễu dạng xung Không phát ra tín hiệu nào Rất chắc chắn khi sử dụng Không cần có biện phát phát hiện sai Câu hỏi ôn tập : Câu 1 : Nêu các phương pháp hạn chế nhiễu trong công nghiệp, cho ví dụ thực tiễn về các hệ thống chống nhiễu này? Câu 2: Nhiễu thường gây hại gì đến sản xuất? tại sao trong nhà máy dùng nhiều biến tần thì gây ra nhiễu lớn?cách khắc phục? 40 BÀI 3 MẠNG INDUSTRIAL ENTHERNET Mục tiêu: - Liệt kê được cấu trúc mạng Industrial Ethernet - Xác định và xử lý được một số vấn đề đơn giản - Chủ động, sáng tạo và an toàn trong quá trình học tập. Nội dung chính: 3.1. Giới thiệu: Mạng Ethernet đầu tiên được phát triển vào năm 1970 bởi công ty Xerox là mộtmạng thử nghiệm, sử dụng dây cáp đồng trục với tốc độ truyền tải dữ liệu 3 Mbps. Mạng sử dụng giao thức CSMA/CD.Sự thành công của dự án này đã gây chú ý cho các nhà sản xuất thiết bị điện tử thời đó. Chính vì thế mà năm 1980, ba nhà sản xuất thiết bị điện tử hàng đầu là Digital Equipment Coperation, Intel Corporation và Xerox Corporation đã cùng nhau phát triển phiên bản Ethernet 1.0 với tốc độ truyền tải dữ liệu là 10 Mbps.Năm 1983, chuẩn mạng IEEE 802.3 đã được soạn thảo với nội dung tương tự nhưchuẩn mạng Ethernet phiên bản 1.0. Đến năm 1985 thì IEEE 802.3 được chuẩn hóa. Sau đó nhiều chuẩn mạng cục bộ khác đã được phát triển dựa theo nguyền tắc chia sẻ đường truyền chung của giao thức CSMA/CD. Ethernet là tên của kỹ thuật thông dụng nhất dùng kết nối mạng Lan. Một số kết nối khác không dùng Ethernet có thể kể kết nối trực tiếp qua cổng Com hay USB (chỉ dùng được cho 2 máy), mạng không dây (wireless), mạng Token ring, Asynchronous tansfer mode ( ATM)...Do công ty Xerox phát minh và đuợc chuẩn hóa thành tiêu chuẩn IEEE 802.3 với vài thay đổi, đa số mạng Lan hiện nay dùng kỹ thuật Ethernet với 2 dạng thường gặp nhất Standard Ethernet tốc độ 10 Mbps và Fast Ethernet với tốc độ 100Mbps. Chuẩn Ethernet đòi hỏi mỗi máy phải có một Ethernet adapter card (thường gọi là NIC hay card mạng) kết nối trực tiếp hay qua hub bằng cáp coaxial hoặc UTP (thường là Cat 5,100BaseT), dạng topology có thể là bus hay star và dùng quy thức CSMA/CD - carrier sense multiple access with collision detection - để điều khiển lưu thông của data trên cáp. 3.2. Một số loại tốc độ truyền thông Enthernet: Ethernet là một môi trường mạng LAN có môi trường truyền thông được chia sẻ (shared media LAN). Tất cả các trạm trên mạng (network station) chia nhau tổng băng thông của mạng (LAN bandwidth). Băng thông này có thể là 10Mbps (megibit per second = megabit/giây), 100Mbps hoặc 1000Mbps. Ngày nay, người ta còn dùng khái niệm Switched Ethernet (Mạng Ethernet 41 chuyển mạch) để nói về công nghệ mạng LAN Ethernet sử dụng Switch thay cho Hub. Với Switched Ethernet, mỗi cặp máy tính Truyền và Nhận sẽ có các đường truyền riêng với băng thông đầy đủ (full bandwidth). Mạng Ethernet có thể sử dụng cáp đồng trục (coaxial cable), cáp xoắn đôi (twisted-pair cable), cáp quang (Optical Fiber) hoặc vô tuyến (wireless).Mạng Ethernet sử dụng cả cấu trúc Tuyến tính (bus) và hình sao (star). 3.2.1. Một số loại tốc độ: Các hệ thống Ethernet 10Mb/s + 10Base5: Đây là tiêu chuẩn Ethernet đầu tiên, dựa trên cáp đồng trục loại dày. Tốc độ đạt được 10 Mb/s, sử dụng băng tần cơ sở, chiều dài cáp tối đa cho 1 phân đoạn mạng là 500m +10Base2: Có tên khác là “thin Ethernet” , dựa trên hệ thống cáp đồng trục mỏng với tốc độ 10 Mb/s, chiều dài cáp tối đa của phân đoạn là 185 m (IEEE làm tròn thành200m). + 10BaseT: Chữ T là viết tắt của “twisted”: cáp xoắn cặp. 10BaseT hoạt động tốc độ 10 Mb/s dựa trên hệ thống cáp xoắn cặp Cat 3 trở lên. +10BaseF: F là viết tắt của Fiber Optic ( sợi quang). Đây là chuẩn Ethernet dùng cho sợi quang hoạt động ở tốc độ 10 Mb/s , ra đời năm 1993. Các hệ thống Ethernet 100 Mb/s – Ethernet cao tốc ( Fast Ethernet ) + 100BaseT: Chuẩn Ethernet hoạt động với tốc độ 100 Mb/s trên cả cắp xoắn cặp lẫn cáp sợi quang +100BaseX: Chữ X nói lên đặc tính mã hóa đường truyền của hệ thống này (sử dụng phương pháp mã hoá 4B/5B của chuẩn FDDI). Bao gồm 2 chuẩn 100BaseFXvà100BaseTX.- 100BaseFX.Tốc độ 100Mb/s, sử dụng cáp sợi quang đa mode. + 100Base TX: Tốc độ 100Mb/s, sử dụng cáp xoắn cặp. 100BaseT2 và 100BaseT4: Các chuẩn này sử dụng 2 cặp và 4 cặp cáp xoắn cặp Cat 3 trở lên tuy nhiên hiện nay hai chuẩn này ít được sử dụng. Các hệ thống Giga Ethernet + 1000BaseX: Chữ X nói lên đặc tính mã hoá đường truyền ( chuẩn này dựa trên kiểu mã hoá 8B/10B dùng trong hệ thống kết nối tốc độ cao Fibre Channel được phát triển bởi ANSI). Chuẩn 1000BaseX gồm 3 loại: - 1000Base-SX: tốc độ 1000 Mb/s, sử dụng sợi quang với sóng ngắn. - 1000Base-LX: tốc độ 1000 Mb/s, sử dụng sợi quang với sóng dài. - 1000Base-CX: tốc độ 1000 Mb/s, sử dụng cáp đồng. 42 + 1000BaseT: Hoạt động ở tốc độ Giga bit, băng tần cơ sở trên cáp xoắn cặp Cat 5 trở lên. Sử dụng kiểu mã hoá đường truyền riêng để đạt được tốc độ cao trên loại cáp này. 3.2.2. Đặc tính kỹ thuật 3.3. Industrial Enthernet: 3.3.1. Giới thiệu: Hình 3.1. Mạng truyền thông Ethernet trong công nghiệp Advantech cung cấp đầy đủ các dòng sản phẩm cho giải pháp Ethernet công nghiệp bao gồm Bộ chuyển mạch Ethernet, Bộ chuyển đổi truyền thông, bộ biến đổi tín hiệu từ Serial sang Ethernet. Tính năng chính của bộ Switches/Hubs công nghiệp. * Hỗ trợ chuẩn IEEE 802.3, 802.3u (10/100 Base-TX) * Bảo vệ chống nghẽn mạng * Bảo vệ ESD cho cổng Ethernet * Bảo vệ đột biến dòng điện * Tự động điều chính chế độ truyền dữ liệu (Full/half duplex) * Giải pháp mạng quang cho các ứng dụng khoảng cách xa và chống nhiễu (100 Base-FX, Single/Multi Mode Cổng nối chuẩn SC) 43 * Tiện lợi trong lắp đặt như gắn tường, DIN Rail, gắn xếp chồng.. * Dải điện áp hoạt động rộng * Hỗ trợ nguồn vào dự phòng * Dải nhiệt độ hoạt động rộng. 3.3.2. Kết nối và dây cáp: + Logic: Cấu trúc bus + Vật lý: Đường thẳng hoặc hình sao + Mã hóa Manchester, truyền chênh lệch đối xứng (±0,85V) + Phương tiện truyền dẫn: — Cáp đồng trục: 10BASE2 (cáp mỏng), 10BASE5 (cáp dầy) — Đôi dây xoắn: 10BASE-T, 100BASE-T4, 100BASE-TX — Cáp quang: 10BASE-F, 100BASE-FX,.. Hình 3.2. Cáp truyền thông Ethernet 44 Hình 3.3. Mô hình đấu nối cáp mạng ethernet Ở sơ đồ này Sử dụng một nhánh mạng 10BASE-2 làm xương sống: Trường hợp này phải chọn các Hub có môđun mở rộng (Add- in module) 10BASE-2. 3.3.3. Khung truyền thông: Khuôn dạng khung truyền được thể hiện trên hình sau: Hình 3.4. Cấu trúc khung truyền trong Ethernet IEEE 802.3 Trong đó : Premable (7 byte): là phần đầu dùng để thiết lập sự đồng bộ, nó là dãy bít luân phiên 1 và 0 kết thúc là 0 SFD (Start frame Delimiter): là dãy bít 10101011, để chỉ sự bắt đầu thực sự của khung truyền. DA (Destination Address) 2 byte hoặc 6 byte : địa chỉ trạm đích, có thể lựa chọn thống nhất địa chỉ là 16 bít hoặc 48 bit SA (Source Address): địa chỉ trạm nguồn, có chiều dài tương ứng với địa chỉ đích. Length (2 byte): chỉ độ dài của phần LLC data LLC data: đơn vị dữ liệu của LLC PAD: Phần dữ liệu them vào với mục đích phát hiện xung đột 45 FCS(Frame Check Sequence): mã kiểm tra lỗi CRC 32 bít cho tất cả các vùng trừ Preamble, SFD và FCS. Khuôn dạng của vùng địa chỉ 16 bít và 48 bít được chỉ ra trên hình sau: I/G = 0, Địa chỉ riêng biệt I/G = 1, Địa chỉ nhóm Hình 8.5: Dạng địa chỉ 16 bít U/L = 0, Địa chỉ toàn cục U/L = 1, Địa chỉ địa phương Hình 8.5: Dạng địa chỉ 46 bít 3.3.4. Nhiễu và tiếng ồn: Để mạng Ethernet hoạt động đúng, mỗi máy trạm phải phát hiện và thông báo sự xung đột tới trạm xa nhất trong mạng trước khi một trạm nguồn hoàn thành việc truyền khung. Khung Ethernet kích cỡ nhỏ nhất là 512 bit (64 octet), do đó khoảng thời gian nhỏ nhất để phát hiện và thông báo xung đột là 512 lần thời gian một bit. Ethernet 10Mb/s: slot Time = 51,2 us Ethernet 100Mb/s: slot Time = 5,12 us Ethernet 1000Mb/s: slot Time = 512 ns Trường hợp vi phạm thời gian slotTime, mạng Ethernet sẽ hoạt động không đúng nữa. Mỗi lần truyền khung, máy trạm sẽ lưu khung cần truyền trong bộ đệm cho đến khi nó truyền thành công.Giả sử mạng không đáp ứng đúng tham số slotTime. Trạm 1 truyền 512 bit thành công không hề bị xung đột, lúc này khung được xem là truyền thành công và bị xoá khỏi bộ đệm. Do sự phát hiện xung đột bị trễ, trạm 1 lúc này muốn truyền lại khung cũng không được nữa vì khung đã bị xoá khỏi bộ đệm rồi. Mạng sẽ không hoạt động đúng. Một mạng Ethernet được thiết kế đúng phải thoả mãn điều kiện sau: “ Thời gian trễ tổng cộng lớn nhất để truyền khung Ethernet từ trạm này tới trạm khác trên mạng phải nhỏ hơn một nửa slotTime”. Thời gian trễ tổng cộng nói tới ở đây bao gồm trễ qua các thành phần truyền khung: trễ truyền tín hiệu trên cáp nối, trễ qua bộ repeater. Thời gian trễ của từng thành phần phụ thuộc vào đặc tính riêng của chúng.Các nhà sản xuất thiết bị ghi rõ và khi thiết kế cần lựa chọn và tính toán để thoả mãn điều kiện hoạt động đúng của mạng Ethernet. 3.3.5. TCP/IP và Industrial Ethernet: Mô hình TCP/IP chỉ có 4 lớp.Mô hình tham chiếu của TCP/IP không trực tiếp giống mô hình của OSI. Mặc dù mỗi mô hình mạng đều có chung một mục 46 đích là để truyền thông dễ dàng giữa các mạng, giữa các loại máy tính chạy trên nền hệ điểu hành khác nhau. Nhưng mỗi mô hình mạng đều có đặc điểm riêng và cách thực thi cũng chút ít khác nhau. Mô hình OSI do ISO tạo ra trong một thời gian dài, nó được dùng làm mô hình chuẩn cho các mô hình khác. Còn TCP/IP ra đời do yêu cầu cấp thiết của chính phủ Mỹ trước tình hình lúc bấy giờ, do đó sự phát triển của TCP/IP không bị đè nặng bởi những yêu cầu chặt chẻ như OSI. Do đặc tính của OSI là một mô hình tham khảo nên việc áp dụng OSI vào thực tế là khó có thể thực hiện (hiệu suất kém vì dữ liệu khi truyền trong mạng phải qua tất cả các lớp của mô hình OSI). Do đó, OSI chỉ là một tiêu chuẩn để các nhà nghiên cứu dựa vào đó để phát triển các mô hình khác tối ưu hơn. Có rất nhiều mô hình khác nhau đã được phát minh, tuy nhiên hiện nay trên thế giới cùng với sự phát triển như vũ bão của Internet thì mô hình TCP/IP là được sử dụng phổ biến nhất. Bộ giao thức TCP/IP là rất quan trọng trong việc lựa chọn cách thức truyền thông nhằm hạn chế lỗi và tăng hiệu quả. TCP/IP có các đặc điểm nổi bậc sau: ü Độc lập với cầu hình mạng: TCP/IP có thể dung cho mạng bus, start, ring, cho mạng cục bộ, mạng diện rộng hay các liên mạng. ü Độc lập với phần cứng vật lý của mạng: TCP/IP có thể dung cho Ethernet, token-ring hay bất cứ loại phần cứng nào. ü Là một chuẩn giao thức mở: TCP/IP có thể thực hiện trên nhiều hệ điều hành (Operating System – OS) khác nhau, nên nó thích hợp dung cho các mạng hỗn tạp các loại phần cứng và phần mềm như Internet. ü Định địa chỉ một cách tổng quát: mỗi trạm trên mạng TCP/IP có một địa chỉ IP duy nhất được dùng để liên lạc với bất kì trạm nào khác trên mạng. ü Hỗ trợ đắc lực mạng theo mô hình Client – Server. ü Các protocol chuẩn lớp ứng dụng: TCP/IP không những cung cấp cho lập trình viên phương pháp để truyền dữ liệu giữa các ứng dụng mà còn cung cấp cơ sở của nhiều giao thức lớp ứng dụng. Kiến trúc của TCP/IP Phát triển từ mô hình tham chiếu OSI, TCP/IP được phân làm 4 lớp: ü Lớp truy xuất mạng (Network Access layer). ü Lớp liên mạng (Internet Layer). ü Lớp giao vận (Transport layer). 47 ü Lớp ứng dụng (Application layer). Việc phân lớp này đảm bảo một số nguyên tắc sau: ü Một lớp được tạo ra khi cần đến mức trừu tượng hóa tương ứng. ü Mỗi lớp cần thực hiện các chức năng được định nghĩa rõ ràng. ü Việc chọn chức năng cho mỗi lớp cần chú ý tới việc định nghĩa các quy tắc chuẩn hóa quốc tế. ü Ranh giới các mức cần chọn sao cho thông tin đi qua là ít nhất ( tham số cho chương trình con là ít). ü Số mức phải đủ lớn để các chức năng tách biệt không nằm trong cùng một lớp và đủ nhỏ để mô hình không quá phức tạp. ü Một mức có thể được phân thành các lớp nhỏ cần thiết. ü Các mức con có thể lại bị loại bỏ. ü Hai hệ thống khác nhau có thể truyền thông với nhau nếu chúng bảo đảm những nguyên tắc chung (cài đặt cùng một giao thức truyền thông). ü Các chức năng được tổ chức thành một tập các lớp đồng mức cung cấp chức năng như nhau. Các lớp đồng mức phải sử dụng giao thức chung. Một lớp không định nghĩa một giao thức đơn, nó định nghĩa một chức năng truyền thông có thể thi hành bởi một số giao thức. Do vậy, mỗi lớp có thể chứa nhiều giao thức, mỗi giao thức cung cấp một dịch vụ phù hợp cho chức năng của lớp. Mỗi lớp phải được chuẩn hóa để giao tiếp với lớp tương đương với nó.Trên lý thuyết, giao thức chỉ liên quan tới lớp của nó mà không quan tâm tới lớp trên hoặc dưới của nó. Tuy nhiên phải có sự đồng ý để làm sao chuyển dữ liệu giữa các lớp trên một máy tính, bởi mỗi lớp lại liên quan tới việc gửi dữ liệu từ ứng dụng này tới một ứng dụng tương đương trên một máy khác. Lớp cao hơn dựa vào lớp thấp hơn để chuyển dữ liệu qua mạng phía dưới.Dữ liệu chuyển xuống ngăn xếp từ lớp này xuống lớp thấp hơn cho tới khi được truyền qua mạng nhờ giao thức của lớp vật lý.Tại nơi nhận, dữ liệu đi lên ngăn xếp tới ứng dụng nhận.Những lớp riêng lẻ không cần biết các lớp trên và dưới nó xử lý ra sao, nó chỉ cần biết cách chuyển thông tin tới lớp đó mà thôi.Sự cô lập các hàm truyền thông trên các lớp khác nhau giảm thiểu sự tích hợp công nghệ của đầu vào mỗi bộ giao thức. Các ứng dụng mới có thể thêm vào mà không cần thay đổi lớp vật lý của mạng, phần cứng có thể được bổ sung mà không cần viết lại các phần mền ứng dụng. Các lớp kiến trúc mô hình TCP/IP và các nghi thức tương ứng như sau: OSI TCP/IP TCP/IP Protocol Stack 48 Application layer Process/Application layer FTP, SMTP, TELNET, SNMP Presentation layer Session layer Transport layer Transport layer TCP or UDP Network layer Internet layer IP, ARP, RARP, ICMP DataLink layer Network Access layer Network interface card Transmission mediaPhysical layer Hình 3.5. Tương quan hai mô hình OSI model và TCP/IP model TCP (Transmission Control Protocol): một nghi thức có cầu nối (connection- oriented) cung cấp khả năng truyền dòng dữ liệu không lỗi, hai chiều song công (full duplex) cho các quá trình của người sử dụng. UDP (User Datagram Protocol): một khi thức không thiết lập cầu nối (connectionless) cho các quá trình của user. Do đó, nó không dảm bảo dữ liệu khi truyền có đến nơi chính xác hay không. ICMP (Internet Control Message Protocol): nghi thức sử lý lỗi và điều khiển thông tin giữa các gateway và các host. IP (Internet Protocol): đây là protocol cung cấp dịch vụ phân phối các packet cho TCP, UDP và ICMP. ARP (Adress Resolution Protocol): protocol ánh xạ một địa chỉ Internet vào trong một địa chỉ phần cứng. RARP (Reverse Address Resolution Protocol): ánh xạ một địa chỉ phần cứng thành một địa chỉ Internet. 3.3.6. Cấu trúc: Các trường quan trọng trong phần mở đầu sẽ được mô tả dưới đây: + Preamble: trường này đánh dấu sự xuất hiện của khung bit, nó luôn mang giá trị 10101010. Từ nhóm bit này, phía nhận có thể tạo ra xung đồng hồ 10 Mhz. SFD (start frame delimiter): trường này mới thực sự xác định sự bắt đầu của 1 khung. Nó luôn mang giá trị 10101011 + Các trường Destination và Source: mang địa chỉ vật lý của các trạm nhận và gửi khung, xác định khung được gửi từ đâu và sẽ được gửi tới đâu. LEN: giá trị của trường nói lên độ lớn của phần dữ liệu mà khung mang theo. FCS mang CRC (cyclic redundancy checksum): phía gửi sẽ tính toán trường này trước khi truyền khung. Phía nhận tính toán lại CRC này theo cách tương tự. Nếu hai kết quả trùng nhau, khung được xem là nhận đúng, ngược lại khung coi như là lỗi và bị loại bỏ. + Truy nhập bus: CSMA/CD 49 + Cơ chế giao tiếp chủ yếu: Tay đôi (peer-to-peer), tự do, không cần đặt cấu hình trước (giao thức cấp trên có thể yêu cầu đặt cấu hình) + Hỗ trợ gửi đồng loạt (broadcast) và gửi theo nhóm (multicast): — Bit đầu tiên của địa chỉ nhận = 1: gửi đồng lọat hoặc gửi theo nhóm — Tất cả các bit = 1: gửi đồng loạt + Địa chỉ MAC: 48 bit, bit 46 phân biệt giữa địa chỉ toàn cục và địa chỉ cục bộ => bao nhiêu địa chỉ có thể dùng được? Hình 3.6. Sơ đồ kết nối truyền thông mạng Ethernet 3.4. Xử lý sự cố: 3.4.1. Giới thiệu Từ những ứng dụng ban đầu của mạng LAN sử dụng công nghệ Metro Ethernet, Ethernet tốc độ 10/100/1000Mbps đã đi đến từ ngõ ngách cuộc sống hằng ngày của chúng ta. Do nhu cầu về tốc độ truyền và chất lượng dịch vụ QoS ngày càng tăng lên dẫn đến việc triển khai Ethernet trở nên phức tạp hơn và các ứng dụng vươn tới những khu vực rộng lớn hơn. Vì vậy, trong suốt quá trình triển khai mạng của các nhà mạng, bảo dưỡng thiết bị và xử lí sự cố, vấn đề nổi bật là làm cách nào đạt được sự nhanh, hiệu quả về chất lượng truyền dẫn và vận hành khi đầu tư vào công nghệ Ethernet. Mặt khác, việc đối mặt với những rắc rối của môi trường LAN, làm thế nào để tìm ra lỗi một cách nhanh chóng là những vấn đề đang làm nản lòng người quản lý LAN.DADI đem đến thị trường một loạt các thiết bị kiểm tra để giải quyết cho vấn đề kiểm tra mạng sử dụng công nghệ Ethernet.Loạt sản phẩm này thừa hưởng những đặc điểm kĩ thuật và tính thương mại của DN065 Ethernet Analyzer, nó có thể giải quyết những vấn đề nổi bật trong quá trình kiểm tra và nâng cao hiệu quả của công việc kiểm tra. 50 Hình 3.7. Các lỗi trong mạng Ethenet 3.4.2. Các vấn đề và lỗi cơ bản Khi trong mạng Ethernet có lỗi thì ta phải phân tích lỗi : ü Phát hiện lỗi như thế nào ở đâu ü Xem xét lỗi gì trên những alarm, messeger ü Xác nhận lỗi ü Cô lập lỗi truyền thông ü Phục hồi lỗi đang hiện hữu Hình 3.8. Hình thể hiện các vấn đề về sự cố mạng Ethernet 51 3.4.3. Dụng cụ ü TPT-8020A Cable and Network Tester : Thiết bị cầm tay dễ sử dụng để kiểm tra cáp và mạng đơn giản. Ngoài chức năng hiển thị sơ đồ dây, đo độ dài cáp, chuẩn đoán lỗi cáp, vẽ kết nối cáp, TPT 8020A còn có thể được dùng để kiểm tra hoạt động của mạng. Hình 3.9. managed Switch Enthernet manager ü DN065 Gigabit Ethernet Analyzer: là thiết bị cầm tay tích hợp kiểm tra việc triển khai công nghệ 10/100/1000Mbps Ethernet. Các chức năng chính như: kiểm tra dịch vụ Ethernet, BER test, RFC 2544 test, IPDV Hình 3.10. managed Switch Enthernet manager · Managed Switch Enthernet manager 52 Hình 3.11. managed Switch Enthernet manager Ngoài tính năng IGMP, Managed Switch còn có nhiều tính năng quan trọng khác như có thể lưu trữ lịch sử lỗi của Switch, cho phép kiểm soát tốc độ trên từng cổng, cài đặt bảo mật cho từng cổng và khả năng ánh xạ cổng mạng (Port Mirroring). Tính năng ánh xạ cổng cho phép người quản trị theo dõi các gói tin được truyền qua các cổng của Switch bằng cách ánh xạ cổng đó sang một cổng khác để theo dõi, thông qua các phần mềm hỗ trợ. Chẳng hạn như khi mạng bị sự cố, người kĩ sư bảo trì sử dụng máy tính của mình, cắm cáp Ethernet nối máy tính vào một cổng mạng trên Switch và ánh xạ dữ liệu đang truyền trên cổng cần kiểm tra sang cổng này. Sử dụng phần mềm trên máy tính dễ dàng theo dõi xem lưu lượng Multicast, Broadcast đi qua cổng cần kiểm tra từ đó xác định các nguyên nhân sự cố.Khi nói đến sự cố trên mạng Ethernet, thiết bị cần kiểm tra đầu tiên thường là Switch. Mặc dù về mặt vật lý, đáp ứng của Switch nhanh hơn từ 10 đến 50 lần đáp ứng của các thiết bị đầu cuối. Do đó phần cứng Switch ít khi gây ra vấn đề mạng. Phần lớn nguyên nhân gây các sự cố làm chậm mạng, rớt mạng là do truyền thông Multicast hoặc Broadcast quá nhiều khiến thiết bị mạng bị quá tải.Cho nên để tối ưu hiệu suất mạng cần kiểm soát tốt Multicast và Broadcast trong mạng. 3.4.4. Các vấn đề và giải quyết Khi hệ thống mạng đã được lắp đặt và đi vào hoạt động, công việc tiếp theo là cần kiểm soát, vận hành và bảo trì hệ thống mạng. Có nhiều phần mềm hỗ trợ người quản trị mạng, kĩ sư bảo trì mạng ở nhiều cấp độ khác nhau.Ở trong chương này ta dùng mạng truyền thông Ethernet công nghiệp của Siemens. Lý thuyết thực hành Trong thực tế mạng truyền thông Ethernet công nghiệp được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như nhà máy thép, xi măng, dầu ăn, dầu khíTrong phần thực hành này ta giới thiệu các hàm truyền thông của hãng Siemens ứng dụng các hàm truyền thông ta có những ví dụ và bài tập thực hành.Các hàm được sử dụng để truyền nhận dữ liệu.Tùy thuộc vào các đối tượng được sử dụng trong mạng mà các hàm được sử dụng để truyền và nhận dữ liệu cũng khác nhau. 53 Bảng 3.1 : Các hàm truyền Ethernet trong PLC S7300/400 Cơ Chế hoạt động của hàm AG_SEND và AG_RECV: Dữ liệu được hàm AG_SEND truyền qua vùng dữ liệu đệm gửi của CP 343-1 từ đây dữ liệu được truyền lên mạng truyền thông. Dữ liệu truyền đến được lưu vào vùng dữ liệu đệm nhận cùa CP 343-1. CPU nhận được dữ liệu từ bộ đệm thông qua hàm AG_RECV. Hàm AG_SEND Hình 3.12. Khối hàm lệnh AG_SEND 54 Thông Số Khai báo Kiểu DL Giá trị có thể Giải thích ACT INPUT BOOL 0,1 Nếu ACT=1, Dữ liệu được truyền đi với vùng dữ liệu bắt đâu từ SEND với chiều dài bằng LEN Nếu ACT =0 thì các thông số DONE, ERROR và STATUS được cập nhập. ID INPUT INT 1,2 tới 64 (S7-400) 1,2 tới 16 (S7-300) Số hiệu kết nối được định nghĩa trong phần thiết lập kết nối ID. LADDR INPUT WORD Địa chỉ bắt đầu của Module. SEND INPUT ANY Địa chỉ và chiều dài lý thuyết. Địa chỉ của vùng dữ liệu có thể nằm một trong các dạng sau. Process image area Bit Memory Data block area LEN INPUT INT - Với ISO Số lượng 55 Transport và ISO- on- TCP/TCP: 1,2 tới 32767 - Với UDP: 1,2 tới 2048 Byte được truyền. Giá trị có thể từ tới chiều dài danh nghĩa phù hợp với thông số SEND. Chú ý với dạng của BLOCK. S7-300. Với Version cũ của AG_SEND (tới V3.0), Vúng dữ liệu luôn luôn bị hạn chế lớn nhất 240 byte. Những phiên bản hiện naychoi phép tới 8192 bytes. DONE OUTPUT BOOL 0: DL đang truyền. 1: đã truyền xong Thông số cho biết công việc chưa truyền xong hay ko truyền được không có lỗi. Thông số ERROR kết hợp với DONE và STATUS cho biết chính xác hơn về lỗi. 56 được trình bày ở bảng dưới. ERROR OUTPUT BOOL 0:- 1: Error Thông số ERROR kết hợp với DONE và STATUS cho biết chính xác hơn về lỗi. được trình bày ở bảng dưới. STATUS OUTPUT WORD Thông số ERROR kết hợp với DONE và STATUS cho biết chính xác hơn về lỗi. được trình bày ở bảng dưới. Bảng 3.2 : Các thông số hàm AG_SEND trong PLC S7300/400 Để biết chính xác lỗi ở đâu để từ đó tìm cách khắc phục ta dựa vào các thông số DONE, ERROR, STATUS DONE ERROR STATUS Ý NGHĨA 1 0 0000 Công việc hoàn tất không lỗi 0 0 8180 Không có công việc đang được thực hiện 0 0 8181 Công việc truyền đang hoạt động 0 1 7000 Chỉ có với S7- 300: Hàm FC 57 được gọi với ACT=0; công việc vẫn chưa được xử lý. 0 1 8183 Khai báo cấu hình hay dịch vụ ISO/TCP vẫn chưa được kích hoạt trên CP Ethernet. 0 1 8184 Lỗi hệ thống 0 1 8185 Tham số LEN dài hơn vùng gốc SEND 0 1 8186 Tham số ID vô hiệu. ID!-1,2 tới 64 0 1 8301 SAP chưa được kich hoạt trên trạm đích. 0 1 8302 Trm nguồn không nhận dữ liệu từ trạm đích. Trạm nhân không thể xử lý dữ liệu nhận được một cách nhanh chóng hay tram nhận chưa sẵn sàng để nhân dữ liệu 0 1 8303 Dịch vụ SDA (Send Data Acknowledge) không được hỗ trợ cho SAP của trạm đích 0 1 8304 Kết nối không được thiết lập, công việc truyền chỉ 58 nên thử lại sau khi đợi khoảng 100ms 0 1 8311 Trạm đích không nhân được địa chỉ Etherner 0 1 8312 Lỗi Ethernet trên CP 0 1 8F22 Dữ liệu nguồn vô hiệu. Ex: LEN<0 0 1 8F24 Vùng lỗi đọc các tham số 0 1 8F28 Lỗi Liên kết đọc các tham số 0 1 8F32 Số DB trong tham số quá cao 0 1 8F33 Lỗi số DB 0 1 8F3A Vùng dữ liệu đich không được tải 0 1 8F42 Quá thời gian đọc tham số ở vùng (I/O) 0 1 8F44 Địa chỉ của tham số được đọc bị vô hiệu khi truy cập Track. 0 1 8F7F Lỗi bên trong. Ex LEN=0 0 1 8090 Không có module với địa chỉ đã tồn tại. 0 1 8091 Địa chỉ Logic không phải là DW 0 1 8092 Trong một số trường hợp, giá trị có thể khác BYTE (only S7-400) 0 1 80A4 Kết nối BUS giữa CPU và CP không được xác lập. 0 1 80B0 Module không 59 thừa nhận dữ liệu ghi vào. 0 1 80B1 Vùng dữ liệu đích không hợp lệ. (vung dữ liệu đích > 240 byte, CPU, Dịch vụ không được cung cấp). 0 1 80B2 Tương tự như 80B2. Trong trường hợp CPU là Older version) 0 1 80C0 Dữ liệu ghi không thể đọc. 0 1 80C1 Dữ liệu ghi vào đang được xử lý 0 1 80C2 Có quá nhiều công việc đang được xử lý. 0 1 80C3 Nguồn đang bận rộn. 0 1 80C4 Lỗi truyền thông 0 1 80D2 Địa chỉ Module không đúng. Bảng 3.3 : Các thông số báo lỗi hàm AG_SEND trong PLC S7300/400 Hàm AG_RECV Hình 3.13. Khối hàm lệnh AG_RECV Thông Khai báo Dạng Giá trị có Giải thích 60 Số thể ID INPUT INT 1,2 tới 14 Số hiệu kết nối được định nghĩa trong phần thiết lập kết nối ID. LADDR INPUT WORD Địa chỉ bắt đầu của Module. RECV INPUT ANY Địa chỉ và chiều dài lý thuyết. Địa chỉ của vùng dữ liệu có thể nằm một trong các dạng sau. Process image area Bit Memory Data block area Chất lượng truyền dữ liệu được cải thiện lên tới 212 byte nếu bạn hạn chế chiều dài đến 212 byte với các tham số của RECV NDR OUTPUT BOOL 0:- 1: Dữ liệu mới Thông số này cho biết dữ liệu mới có được nhận hay không. ERROR OUTPUT BOOL 0:- 1: Error Thông số ERROR kết 61 hợp với NDR và STATUS cho biết chính xác hơn về lỗi. được trình bày ở bảng dưới. STATUS OUTPUT WORD Thông số ERROR kết hợp với NDR và STATUS cho biết chính xác hơn về lỗi. được trình bày ở bảng dưới. 62 LEN INPUT INT - Với ISO Transport và ISO- on- TCP/TCP: 1,2 tới 8192 - Với UDP: 1,2 tới 2048 Số lượng Byte đã được chấp nhận từ CP Ethenet và được truy cập vào vùng dữ liệu S7-300. Với Version cũ của AG_SEND (tới V3.0), Vúng dữ liệu luôn luôn bị hạn chế lớn nhất 240 byte. Những phiên bản hiện naychoi phép tới 8192 bytes. Bảng 3.4 : Các thông số hàm AG_RECV trong PLC S7300/400 Thông số NDR, ERROR, STATUS cho biết trạng trạng thái của hàm 1 0 0000 Dữ liệu mới được chấp nhận 0 0 8180 Chưa có dữ liệu được truyền đến. 0 0 8181 Công việc nhận đang được hoạt động 0 1 8183 Khai báo cấu hình hay dịch vụ ISO vẫn chưa được kích hoạt trên CP Ethernet. 0 1 8184 Lỗi hệ thống (Vùng dữ liệu nguồn 63 không đúng) 0 1 8185 Vùng đệm đích (RECV) quá ngắn. 0 1 8186 Tham số ID không hợp lệ. ID!-1,2 tới 16 (S7-300) ID!-1,2 tới 64 (S7-400) 0 1 8304 Kết nối không được thiết lập. Việc truyền chỉ nên được thực hiện lại chỉ sau đợi khoảng thời gian ngắn nhất 100ms. 0 1 8F23 DL nguồn không hợp lệ, (Ex: Trùng vùng dữ liệu) 0 1 8F25 Lỗi khi đang ghi các tham số. 0 1 8F29 Lỗi sắp xếp kgi ghi các tham số. 0 1 8F30 Tham số được bảo vệ ghi trong hoạt động ghi lần 1 0 1 8F31 Tham số được bảo vệ ghi trong hoạt động ghi lần 2 0 1 8F32 Số DB trong tham số quá cao 0 1 8F33 Lỗi số DB 0 1 8F3A Vùng dữ liệu đích không được tải 0 1 8F43 Quá thời gian ghi các tham số vào 64 vùng (I/O) 0 1 8F45 Địa chì của tham số được ghi bị vô hiệu trong truy cập. 0 1 8F7F Lỗi bên trong 0 1 8090 Không có Module với địa chỉ đã khai báo hay CPU đang ở chế độ STOP 0 1 8091 Địa chỉ nền của Module không ở dạng DW. 0 1 8092 Trong một số dạng, tham số không phải dạng Byte chỉ có ở S7-400 0 1 80A0 Không thông báo đang đọc ở Module 0 1 80A4 Truyền thông giữa CPU và CP không được xác lập 0 1 80B0 Module không thừa nhận dữ liệu ghi vào 0 1 80B1 Vùng dữ liệu đích bị vô hiệu. 0 1 80B2 Kết nối BUS giữa CPU và CP không được xác lập. 0 1 80C0 Module không thừa nhận dữ liệu ghi vào. 0 1 80C1 Dữ liệu ghi đang 65 được xử lý 0 1 80C2 Có quá nhiều công việc đang được xử lý. 0 1 80C3 Nguồn CPU đang được sữ dụng 0 1 80C4 Lỗi truyền thông 0 1 80D2 Địa chỉ Module không đúng Bảng 3.5 : Các thông số báo lỗi hàm AG_RECV trong PLC S7300/400 Ví dụ thực hành Viết chương trình gửi khung dữ liệu có độ dài 38 Word từ địa chỉ con trỏ vùng dữ liệu DB302.DBX118 gửi đến PLC trạm 1 thông quan mạng Ethernet công nghiệp. Hệ thống gồm có 2 PLC S7-400 412-2DP và 416-2DP dữ liệu từ PLC trạm 2 gửi qua trạm 1. Bước 1 : Thiết lập trạm thứ nhất ta lấy nguồn , CPU412-2DP và CP443-1 thiết lập mạng ethernet. Hình 3.14. Bảng thiết lập Ethernet CP443-1 Bước 2 : thiết lập địa chỉ IP 66 Hình 3.15. Bảng thiết lập địa chỉ Ethernet trạm 1 Bước 2.1 : tương tự ta thiết lập trạm thứ 2 Hình 3.16. Bảng thiết lập Ethernet CP443-1 Advanced Bước 3 : định địa chỉ IP 67 Hình 3.17. Bảng thiết lập địa chỉ Ethernet trạm 2 Bước 4 : Sau đó ta save, download và compile tất cả ra màn hình chính ta viết chương trình khung dữ liệu gửi và truyền. Hình 3.18. Màn hình sau khi thiết lập xong 68 Hình 3.19. Khối hàm gửi 38 word cho trạm 1 Hình 3.20. Khối hàm nhận dữ liệu Bước 5 : Lưu chương trình và download vào plc thực tế quan sát ghi lại trạng thái hoạt động của thiết bị sau đó học sinh thực hành các bài tập sau dưới sự hướng dẫn của giáo viên. Kết luận Tóm lại, mạng tuyền thông Ethernet công nghiệp của Siemens được ứng dụng rộng rải cho các ứng dụng điều khiển công nghiệp, và cung cấp các giải pháp với chi phí hoàn hảo nhất cho môi trường công nghiệp hiện đại hiện nay, với khả năng thích ứng cao nên mạng Ethernet của Siemens có thể tương thích với các mạng truyền thông và phần cứng của các hang khác nhau... Bài tập thực hành Bài tập 1 : 2 PLC S7 300 kết nối với nhau qua mạng ethernet, PLC1 có địa chỉ 192.168.0.11 PLC2 có địa chỉ IP là 192.168.0.12 Hãy viết chương trình truyền dữ liệu chứa trong MB4 và MB11 của PLC1 sang PLC2 và lưu kết quả vào QB15và QB20. 69 Bài tập 2 : VD2: VD1: 2 PLC S7 300 kết nối với nhau qua mạng ethernet, PLC1 có địa chỉ 192.168.0.1 PLC2 có địa chỉ IP là 192.168.0.2.Động cơ được gắn ở PLC2, 2 nút nhấn START và STOP được gắn ở PLC1.Hãy viết chương trình theo yêu cầu: Nhấn Start, động cơ ON, Nhấn Stop, động cơ OFF. 70 BÀI 4 MẠNG TRUYỀN THÔNGRADIO VÀWIRELESS Mục tiêu: - Liệt kê được cấu trúc mạng Radio và Wireless - Xác định và xử lý được một số vấn đề đơn giản - Chủ động, sáng tạo và an toàn trong quá trình học tập. Nội dung chính: 4.1. Giới thiệu: Sự ra đời của Internet đã khiến giá thành hệ thống thông tin sử dụng mô hình truy cập sóng vô tuyến trở nên rẻ và nhanh hơn. Nhưng đến thập niên 1980, mô hình này trở nên kém thông dụng do nhu cầu về hệ thống truyền dẫn vô tuyến tốc độ cao ngày càng tăng. Với hệ thống thông tin vô tuyến, chúng ta có thể truy cập hệ thống 24/24h mà không cần đường truyền cố định riêng biệt cũng như sử dụng các thiết bị di động. Sự ra đời của các thiết bị trải phổ WLAN được tích hợp trong radio modem máy tính cho phép chúng được ứng dụng ở khắp mọi nơi. Công nghệ đó chính là chìa khóa để phát triển các mạng LAN và MAN không dây tốc độ cao cho phép Internet trở thành mạng đường trục trong hệ thống thông tin tại mỗi quốc gia. Mặc dù vậy những mong ước trên vẫn gặp một vài trở ngại, bởi lẽ một vấn đề cần được đặt ra là hầu hết người sử dụng các hệ thống không dây gần như không có kiến thức về truyền sóng vô tuyến (RF).Khi tiến hành thiết lập một tuyến truyền dẫn vô tuyến, họ thường thiếu các kiến thức về anten, đường truyền sóng, và quá trình truyền sóng.Bài báo mong muốn cung cấp một chút kiến thức cơ bản về nhằm giúp người thiết kế có thể xây dựng một tuyến truyền vô tuyến thành công.Mục đích quan trọng nhất là giúp xác định tổn hao truyền sóng, bởi lẽ đó là tiêu chí để thiết lập anten và các thiết bị RF khác. 4.2. Thiết bị truyền thông Radio: 4.2.1. Sơ đồ cấu trúc truyền thông MDS SD9: Cuối tháng 9/2009, GE Digital Energy thuộc tập đoàn GE đã cho ra mắt một sản phẩm mới có tên gọi MDS SD9.Sản phẩm này được coi là một giải pháp hiệu quả đối với lĩnh vực truyền thông không dây trong công nghiệp. Nó có thể truyền nhận tín hiệu trên khoảng cách tương đối lớn trêncác dải tần radio phổ biến, cho phép người sử dụng dễ dàng giao tiếp với cả mạng IP/Ethernet lẫn các bộ điều khiển dùng giao tiếp nối tiếp 71 Với khả năng hỗ trợ cả truyền thông IP/Ethernet và truyền thông nối tiếp, SD9 sẽ giúp cho các nhà máy tăng cường hiệu suất, độ linh hoạt trong hệ thống truyền thông của mình. Đồng thời, việc nâng cấp từ giao tiếp nối tiếp sang giao tiếp IP/ Ethernet cũng trở nên dễ dàng hơn, bảo đảm độ tin cậy và độ an toàn của toàn nhà máy. MDS SD9 có thể sử dụng trong các ứng dụng về thu thập dữ liệu như: giám sát và điều khiển các máy biến thế, giám sát điều khiển các thông số của các máy bơm, máy nén khí, máy đo lưu lượng dùng trong công nghiệp dầu và khí đốt, điều khiển các PLC, các thiết bị đo trong nhà máy xử lý nước thải và nhiều ngành công nghiệp khác. Ngoài việc có thể thực hiện giao thức IP/Ethernet, MDS SD9 còn có thể mã hóa AES 128 bit. Nó còn có hai cổng nối tiếp, có thể thực hiện truyền thông ở khoảng cách lên tới 50 dặm.Bên cạnh đó, thiết bị cũng hỗ trợ chế độ sleep để tiết kiệm điện năng.Đây thực sự là một sản phẩm rất ấn tượng của GE Digital Energy. 4.3. Đặc điểm của VHF/UHF: Với kinh nghiệm trên mười năm trong lĩnh vực chuyên dụng PT-TH, sự tận tuỵ nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật công nghệ mới và sự đầu tư thiết bị hiện đại, TQT chúng tôi xin trân trọng giới thiệu chủng loại máy phát hình VHF, UHF thế hệ mới với nhiều ưu điểm nổi bật.Được thiết kế nhằm đáp ứng những đòi hỏi khắt khe của thị trường máy phát hình, những yêu cầu rất cao của khách hàng và đặc biệt là nhắm đến lĩnh vực phát hình kỹ thuật số trong tương lai, thế hệ máy phát mới của TQT chính là kết quả của sự hợp tác chặt chẽ với khách hàng, sự liên kết bí quyết và công nghệ tinh xảo với sự đảm bảo an toàn tối đa cho phát song. Máy bộ đàm Motorola GP338 VHF/UHF: Máy bộ đàm Motorola GP338 Công nghệ nén và tăng cường âm thanh X- PAND đặc biệt của Motorola tạo nên chất lượng âm thanh sắc nét hơn, rõ ràng cho phép duy trì liên lạc trong bất kỳ môi trường có tiếng ồn nào.Máy bộ đàm Motorola GP-338 rất lý tưởng khi bạn cần thường xuyên liên lạc với nhiều nhóm làm việc.Một máy bộ đàm với độ bền cao có khả năng hoạt động trong điều kiện khắc nghiệt ngoài trời.Liên lạc trong môi trường có tiếng ồn Hình 4.1: Truyền thông MDS SD9 72 lớn.Phối hợp hoạt động cho người thi hành công vụ và trong trường hợp khẩn cấp.Cập nhật thông tin thường xuyên đến từng phút, tính năng truyền tín hiệu cải tiến PTT-ID.Cuộc gọi thoại chọn lọc hạn chế tần số vô tuyến chọn lọc. Ðạt tiêu chuẩn MIL-STD 810C, D và E. Thông số kỹ thuật Tần số: VHF 136-174 MHz.UHF 403-470MHz. Số kênh: 128 kênh Kích thước: 137 x 57,5 x 37,5mm. Trọng lượng: 428gam Công suất: 5W. Độ ổn định tần số: +/- 2.5ppm Độ nhạy thu: 0.25MicroVon MICRO không dây: VHF TOA WM 3220 Hình 4.2: MICRO không dây VHF TOA WM 3220 - Dải tần 169 - 216 MHz, VHF - Kênh lựa chọn 6 ch - RF nhà cung cấp điện ít hơn 50 mW - Giai điệu tần số 32,768 kHz - Điều chế hệ thống PLL tổng hợp - Cấp đầu vào tối đa 120 dB SPL - Độ lệch tối đa ± 40 kHz, ± 15 kHz (Mỹ Part.90) - Pin 6LR61 (9 V × 1) - Tuổi thọ pin 10 giờ (alkaline) - Chỉ số Power / chỉ báo pin (sử dụng chung) - Ăng ten Antenna Internal 73 - Nhiệt độ hoạt động -10 0C đến +50 0C - Thành phẩm: nhựa, lớp phủ (thay đổi khác) - Kích thước φ45 × 235,2 mm - Trọng lượng 250 g (với pin) - Bộ chuyển đổi phụ kiện chờ ... ... 1, trục vít lái xe ... ... 1 - Ngưng tụ Electret cardioid microphone yếu tố. - Mức đầu vào tối đa: 125 dB SPL. - 6 kênh tần số lựa chọn. - On / Off chuyển đổi cũng giữ mic từ lăn khi đặt xuống. - Nhấp nháy đèn LED chỉ báo pin thấp. - Yêu cầu WT 3810 hoặc WT 3800 nhận - Microphone không dây WM-3220 sử dụng một loại electret micro tụ và phù hợp cho các ứng dụng thoại. Nhờ hệ thống PLL-tổng hợp, 6 tần số hoạt động khác nhau được thực hiện.Công suất đầu ra cao đảm bảo truyền tải tín hiệu radio ổn định. 4.3.1. Đặc điểm của VHF: VHF50-54 MHz:Còn được gọi là 6 mét hoặc ban nhạc The Magic. Tốt sóng mặt đất VHF bảo hiểm lên đến vài trăm km về SSB. 1200 dặm hoặc mở, như lẻ tẻ-E, F2 layer bỏ qua, phân tán sao băng, cực quang, đảo đoạn và một số EME (Earth Moon Earth). Các nhà khai thác đã làm việc thế giới với các đài khá khiêm tốn. Một số hoạt động FM và lặp lại. VHF 144-148 MHz: 2 mét ban nhạc phổ biến. Nói chung ngắn hơn khoảng cách groundwave khoảng 200 dặm có thể được dự kiến ban nhạc này với một SSB khiêm tốn hoặc CW trạm. Tốt điện thoại di động băng tần FM. Rất nhiều thông tin liên lạc địa phương FM lặp với lên đến 150 dặm trên một số "máy móc". Rất nhiều lặp liên kết với nhau cho bảo hiểm thậm chí còn lớn hơn. IRLP, (DỰ ÁN RADIO kết nối Internet) là rất phổ biến trên lặp kết nối internet tất cả các nơi trên thế giới! Ngoài ra một ban nhạc cho đài phát thanh gói tin. Ngoài ra còn có rất nhiều hoạt động vệ tinh, EME và mặt đất DX cho dăm bông làm công việc tín hiệu yếu. (QRP). Mong đợi nhiều của các loại tương tự của lỗ trên 2 mét như trên 6 mét. VHF 222-225 MHz 1-1/4 Mét: Không phải là hoạt động nhiều nhất là 2 mét và hoạt động không có vệ tinh. Ban nhạc này là không có sẵn ở nhiều nước khác ngoài Mỹ. 4.3.2. Đặc điểm của UHF: UHF420-450 MHz: Còn được gọi là 70 cm (cm). Đây là tần số thấp nhất UHF ban nhạc nghiệp dư. Bảo hiểm Groundwave là khá hạn chế so với 2 mét 74 do sự hấp thụ cao. Truyền hình vệ tinh, EME và DXing mặt đất được phổ biến trên băng tần này. Nhanh chóng quét truyền hình cũng đã tìm thấy một ngôi nhà trên 430 MHz. Rất nhiều hoạt động FM giữa 440-450 MHz. Rất nhiều máy móc được liên kết đến 2 mét! Các phần tử dài nhất của một chùm cho ban nhạc này là khoảng 12 đến 13 inch vào cuối thấp! UHF 902-928 MHz: Không nhiều hoạt động trên băng tần này cho đến nay do thiếu trang thiết bị phù hợp. Ngoài ra đây là một ban nhạc chia sẻ với các dịch vụ khác. UHF 1200-1300 MHz: 1,2 GHz là một ban nhạc HUGE với rất nhiều phòng cho thí nghiệm. EME và vệ tinh là phổ biến lên ở đây và ở một số vùng của Mỹ có hoạt động lặp FM. Ăng-ten là VERY nhỏ! Không phải là rất nhiều DXing trên mặt đất, nhưng trong các cuộc thi có một số hoạt động. Ăng-ten cho công việc tín hiệu nhỏ khá ấn tượng với rất nhiều các yếu tố bùng nổ ngắn. 4.4. Các modul radio: 4.4.1. Tổng quan các mô đun Modem radio: Hình 4.3: Modem radio RipEX - đài phát thanh modem Router: 83 kbps / 25 kHz Bỏ phiếu - Báo cáo của ngoại lệ đồng thời 10 watt, - 40 0C đến +70 0C 1 × ETH, 2 x COM, 1 x USB 5x đầu cuối máy chủ - SW chuyển đổi COM / ETH SW tính năng phím - Trả tiền khi bạn phát triển Giao diện web, nhúng chẩn đoán & quản lý mạng Bản địa chỉ IP thiết bị (Router hoặc Bridge) 75 Hình 4.4: Modem radio MR400 - đài phát thanh modem: 22 kbps 25 / kHz, 132 kbps / 200 kHz 5 hoặc 25 W ETH 1x, 4x COM, I / O Không có Linux, Không có Windows - Cực kỳ nhanh chóng khởi động (3 giây) Quản lý mạng SW RANEC Tự động back-up các tuyến đường Mạng di động Lai mạng tương thích với MG100, GPRS của ph Chức năng & đặc điểm các môđun Wi-Fi, mạng không dây đang ngày càng trở nên phổ biến cùng với xu thế sử dụng laptop của mọi người.Dù tiện lợi là không dây, có thể truy cập một cách di động nhưng mạng không dây cũng mang đến cho người dùng những lỗi khó chịu. Nếu bạn không hiểu bệnh của nó, rất khó để khắc phục còn nếu biết, sẽ dễ dàng như trở bàn tay. Sau đây là một vài sự cố có trong mạng Wi-Fi và cách khắc phục. Quên mật khẩu bảo mật WEP hoặc WPA Đây là trường hợp xảy ra trong bối cảnh bạn kết nối Internet với một máy tính lạ nhưng không nhớ khóa bảo mật trên Router của mình là gì?Có nhiều cách giúp bạn dễ dàng tìm ra khóa bảo mật WEP hoặc WPA và đừng lo lắng. Để tìm ra khóa bảo mật trong Windows Vista hoặc Windows 7, bạn cần mở danh sách các mạng không dây có sẵn.Trong Vista, kích Start>Connect To hoặc trong Windows 7, kích biểu tượng Network ở góc dưới bên phải màn hình. Sau đó kích phải vào tên mạng, chọn Properties, kích tab Security.Tích vào hộp chọn Show Characters, sẽ thấy các khóa bảo mật của Router. Quên mật khẩu Router Để thay đổi các thiết lập của Router, bạn có thể nhập địa chỉ IP của Router vào trình duyệt web và đăng nhập bằng username và password.Trong quá trình cài đặt một số Router, bạn sẽ gặp nhắc nhở cần thay đổi mật khẩu mặc 76 định.Nếu không chắc chắn rằng mình đã tạo mật khẩu mới, trước tiên bạn nên thử với mật khẩu mặc định. Hầu hết các Router của Linksys và D-Link thường sử dụng username và password là "admin", hoặc sử dụng "admin" cho username còn mật khẩu để trống. Ở đây là danh sách một số username và password mặc định hay dùng, bạn có thể vào để tra cứu. Phải thực hiện kết nối sau khi khởi động lại Bạn không phải thực hiện bất cứ thứ gì với máy tính hoặc laptop để kết nối trở lại với mạng không dây của mình sau khi khởi động lại. Khóa bảo mật sẽ được lưu bởi Windows hay bộ quản lý kết nối cho adapter không dây. Tuy nhiên nếu trường hợp bạn đã cài đặt bộ quản lý kết nối của hãng khác nhưng nó không làm việc, chắc chắn lúc này bạn sẽ gặp vấn đề trong việc thực hiện tự động kết nối lại.Nếu rơi vào trường hợp này, bạn hãy thử hủy bỏ cài đặt bộ quản lý kết nối thông qua tiện ích Add/Remove Programs trong Control Panel. Tra cứu tên hãng của Router không dây và remove các chương trình có liên quan đến hãng này. Thao tác này sẽ giúp bạn vẫn giữ được driver đã được cài đặt cho adapter không dây. Nếu vẫn gặp vấn đề, hãy thực hiện theo các chỉ dẫn của nhà sản xuất để cài đặt lại phần mềm của họ. 4.4.2. Thực hành : Lý thuyết thực hành Trong phần thực hành ta ứng dụng thiết bị CP443-1 Advanced, CPU S7-400 và SCALANCE W Access point (W788-1PRO)của hãng Siemens để thiết kế mạng Wireless. Hình 4.5 : SCALANCE W788-1PRO Ví dụ thực hành Viết chương trình thu thập tín hiệu từ bộ Wireless scalance W788-1PRO thông qua ET200S gửi dữ liệu về PLC. Bước 1 : cách cài thiết lập scalance và IM151-3DP 77 Hình 4.6 : Thiết lập cho IM-151 ET200S Hình 4.7 : Thiết lập thiết bị Scalance W788-1PRO Bước 2 : thiết lập địa chỉ Ethernet cho các modul CP443-1 và Scalance Hình 4.8 :Thiết lập địa chỉ Ethernet cho CP443-1 78 Hình 4.9 : Thiết lập địa chỉ Ethernet cho Scalance W788-1PRO Bước 3 : soạn thảo chương trình Bước 4 : Lưu chương trình và download vào plc thực tế quan sát ghi lại trạng thái hoạt động của thiết bị sau đó học sinh thực hành các bài tập sau dưới sự hướng dẫn của giáo viên. 79 Bài tập thực hành : Bài 1 : Viết chương trình truyền thông qua mạng Wireless dùng modul phát Wireless Scalance giữa hai PLC S7-300 và S7-400 tự chọn một PLC cụ thể với PLC S7-400 làm chủ. Gửi tính hiệu từ vùng chỉ MD30 đến MD50 vào vùng địa nhớ bắt đầu MD0 của S7-400. Bài 2: Viết chương trình giao thiếp giửa 2 PLC khác nhau S7-400 và PLC Mitsubishi họ Q06HCPU gửi 25word từ W11 đến W25 của PLC mitsu về PLC Siemens với địa chỉ nhận DB200.DBD0 đến DB200.DBD48 qua mạng truyền thông wireless dùng scalance và bộ thiết lập cổng gateway. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1].Mạng truyền thông công nghiệp Hoàng Minh Sơn, nhà xuất bản khoa học kỹ thuật Hà Nội 2006. [2]. CANopen specification, CAN in automation. [3].Werner Kriesel, O.W. Madelung (Biên tập) : AS-Iterface, Das Aktuator- sensor-interface die automation. Hanser – Verlag, munchen – Wien, 1994. [4].Profinet, profibus siemens kommunikation/profinet/seiten/default.aspx