Giáo trình Thực hành Mạng truyền thông công nghiệp

n đào tạo chuyên ngành được biên soạn theo nội dung chương trình chi tiết mô đun Thực hành Mạng truyền thông công nghiệp. Nội dung biên soạn ngắn gọn, dễ hiểu, tích hợp kiến thức và kỹ năng chặt chẽ với nhau, logíc. Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ trong hầu hết mọi lĩnh vực nói chung, và lĩnh vực điều khiển công nghiệp nói riêng. Chính vì vậy, việc hiểu biết và nắm bắt kiến thức về việc điều khiển và giám sát hệ thống công nghiệp từ xa, là một nhu cầu kiến thức cần thiết cho cán bộ kỹ thuật điện tử, tự động hoá, Nội dung giáo trình được bố cục bao gồm 9 bài với nội dung như sau: Bài 1: Giới thiệu tổng quan Bài 2: Nhiễu và giải pháp xử lý Bài 3: Chuẩn truyền thông RS232 Bài 4: Chuẩn truyền thông RS485 Bài 5: Cáp quang Bài 6: Mạng Modbus Bài 7: Mạng AS-I Bài 8: Mạng Mạng Profibus Bài 9: Mạng Industrial Ethernet Trong giáo trình này tác giả đã sử dụng nhiều tài liệu tham khảo và biên soạn theo một trật tự logic nhất định. Tuy nhiên, tùy theo điều kiện cơ sở vật chất và trang thiết bị của trường có thề sử dụng cho phù hợp. Rất mong nhận được đóng góp ý kiến của quý thầy, cô giáo, bạn đọc để nhóm biên soạn sẽ hiệu chỉnh hoàn thiện hơn. Các ý kiến đóng góp xin gửi về khoa Điện tử điện lạnh – Trường Cao đẳng nghề Kỹ thuật Công nghệ - Tổ 27 Thị trấn Đông Anh Hà Nội. Hà Nội, ngày tháng năm 2019 BAN CHỦ NHIỆM BIÊN SOẠN GIÁO TRÌNH NGHỀ: CƠ ĐIỆN TỬ TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ 3 MỤC LỤC TRANG LỜI GIỚI THIỆU ........................................................................................................... 2 BÀI 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN ............................................................................ 11 1. Giới thiệu .................................................................................................................. 11 1.1.Mạng truyền thông công nghiệp là gì?: ....................................................... 11 1.2.Vai trò của mạng truyền thông công nghiệp: ............................................... 12 1.3.Phân loại và đặc trưng các hệ thống mạng truyền thông công nghiệp: ........... 13 2. Các hệ thống và thiết bị điều khiển hiện đại ............................................................. 16 2.1.Hệ điều khiển phân tán(Distributed Control System, DCS) .......................... 16 2.2.Hệ thống điều khiển quá trình: .................................................................... 18 2.3.Hệ điều khiển lai (SCADA và DCS) : ......................................................... 19 2.4.Các hệ điều khiển khác ............................................................................... 20 2.5.Thiết bị điều khiển khả trình ....................................................................... 23 3. Mô hình kết nối hệ thống mở .................................................................................... 23 3.1.Các tầng hệ thống mở ................................................................................ 23 3.2.Nguyên tắc định nghĩa các tầng trong hệ thống mở ...................................... 24 3.3.Các giao thức trong mô hình ....................................................................... 25 3.4.Truyền dữ liệu trong mô hình ..................................................................... 25 3.5.Vai trò và chức năng chủ yếu của các tầng .................................................. 26 4. Các thủ tục truyền thông ........................................................................................... 33 5. Các chuẩn truyền thông ............................................................................................ 34 5.1.Foudation Fieldbus .................................................................................... 34 5.2.Ethernet ..................................................................................................... 35 5.3.Profibus ..................................................................................................... 36 5.4.Modbus ..................................................................................................... 37 BÀI 2: NHIỄU VÀ GIẢI PHÁP ................................................................................... 39 1. Giới thiệu .................................................................................................................. 39 2. Những sự cố thường gặp và cách giải quyết ............................................................. 40 3. Các phương pháp cụ thể ............................................................................................ 40 4 3.1.Nguồn gốc của nhiễu điện .......................................................................... 40 3.2.Vỏ bọc che chắn ........................................................................................ 41 3.3.Tốc độ dẫn của dây cáp .............................................................................. 41 3.4.Yêu cầu nối đất .......................................................................................... 41 3.5.Kỹ thuật triệt nhiễu .................................................................................... 42 4. Nối đất/chống nhiễu và nhiễu ................................................................................... 47 4.1. Nguồn gốc của nhiễu điện ......................................................................... 47 4.2. Vỏ bọc che chắn ....................................................................................... 47 4.3. Tốc độ dẫn của dây cáp ............................................................................. 48 4.4. Yêu cầu nối đất ......................................................................................... 49 4.5. Kỹ thuật triệt nhiễu ................................................................................... 50 4.5.1 Kỹ thuật ổn định tần số dao động ............................................................. 50 4.5.2 Kỹ thuật lựa chọn linh kiện ...................................................................... 52 BÀI 3: CHUẨN TRUYỀN THÔNG RS232 ................................................................ 54 1. Chuẩn truyền thông RS232 ....................................................................................... 54 2. Các yếu tố của RS232 ............................................................................................... 55 3. Hoạt động của giao diện RS232 ............................................................................... 57 4. Các hạn chế ............................................................................................................... 58 5. Xử lý sự cố ................................................................................................................ 58 5.1.Giới thiệu .................................................................................................. 59 5.2.Các phương pháp tiếp cận .......................................................................... 59 5.3.Kiểm tra thiết bị ......................................................................................... 59 5.4.Cách giải quyết một số vấn đề cơ bản ......................................................... 62 BÀI 4: CHUẨN TRUYỀN THÔNG RS485 ................................................................ 64 1. Chuẩn truyền thông RS485 ....................................................................................... 64 1.1.Đặc tính điện học ....................................................................................... 65 1.2.Các đặc trưng của RS485 ........................................................................... 66 2. Xử lý sự cố ................................................................................................................ 66 2.1. Giới thiệu ................................................................................................. 66 2.2. Chuẩn truyền thông RS485 và RS422 ........................................................ 67 5 2.3. Lắp đặt truyền thông RS485 ...................................................................... 68 2.4. Các vấn đề nhiễu ....................................................................................... 71 2.5. Kiểm tra thiết bị ........................................................................................ 71 BÀI 5: CÁP QUANG ................................................................................................... 74 1. Giới thiệu .................................................................................................................. 74 2. Các thiết bị ................................................................................................................ 75 3. Các thông số .............................................................................................................. 77 4. Các loại ..................................................................................................................... 78 5. Loại cáp quang bình thường ..................................................................................... 80 5.1.Cáp trên không .......................................................................................... 80 5.2.Cáp ngầm (trong đất, nước) ........................................................................ 81 5.3.Cáp trong nhà ............................................................................................ 82 6. Kết nối cáp ................................................................................................................ 82 6.1.Suy giảm kết nối ........................................................................................ 82 6.2.Sự kết nối .................................................................................................. 84 6.3.Xử lý kết nối .............................................................................................. 84 6.4.Xử lý sự cố ................................................................................................ 87 BÀI 6: MẠNG MODBUS ............................................................................................ 89 1. Giới thiệu tổng quan ................................................................................................. 89 2. Cấu trúc giao thức Modbus ....................................................................................... 90 2.1.Kiến trúc giao thức..................................................................................... 90 2.2.Cơ chế giao tiếp ......................................................................................... 91 2.3.Cấu trúc bức điện ....................................................................................... 91 3. Các mã số chức năng ................................................................................................ 92 3.1.Định chỉ Modbus ....................................................................................... 92 3.2.Các mã chức năng Modbus ......................................................................... 92 3.3.Cài đặt mạng modbus ................................................................................. 97 4. Xử lý các sự cố .......................................................................................................... 98 4.1.Các vấn đề và lỗi cơ bản ............................................................................. 98 4.2.Mô tả các công cụ được dùng ..................................................................... 99 6 4.3.Chi tiết quá trình xử lý sự cố ...................................................................... 99 BÀI 7: MẠNG AS-I.................................................................................................... 109 1. Giới thiệu ................................................................................................................ 109 2. Lớp vật lý ................................................................................................................ 110 2.1.Cơ chế giao tiếp ....................................................................................... 110 2.2.Cấu trúc bức điện ..................................................................................... 111 3. Lớp kết nối dữ liệu .................................................................................................. 111 4. Đặc điểm hoạt động ................................................................................................ 113 4.1.Mã hóa bit ............................................................................................... 113 4.2.Bảo toàn dữ liệu ....................................................................................... 113 5. Xử lý sự cố .............................................................................................................. 114 5.1.Giới thiệu ................................................................................................ 114 5.2.Công cụ ................................................................................................... 114 BÀI 8: MẠNG PROFIBUS ........................................................................................ 119 1. Giới thiệu ................................................................................................................ 119 2. Các ngăn xếp giao thức Profibus ............................................................................ 120 3. Mô hình truyền thông Profibus ............................................................................... 121 4. Mối quan hệ giữa xử lý ứng dụng và truyền thông................................................. 122 5. Mục tiêu của truyền thông ...................................................................................... 125 6. Hiệu suất ................................................................................................................. 126 7. Vận hành hệ thống .................................................................................................. 127 8. Xử lý sự cố .............................................................................................................. 127 BÀI 9: MẠNG INDUSTRIAL ETHERNET.............................................................. 130 1. Giới thiệu ................................................................................................................ 130 2. Một số loại tốc độ truyền thông Ethernet ............................................................... 131 3. Industrial Ethernet ................................................................................................... 132 3.1.Giới thiệu ................................................................................................ 132 3.2.Kết nối và dây cáp ................................................................................... 133 3.3.Khung truyền thông ................................................................................. 134 3.4.Nhiễu và tiếng ồn ..................................................................................... 134 3.5.TCP/IP và Industrial Ethernet ................................................................... 135 7 3.6.Cấu trúc ................................................................................................... 138 4. Xử lý sự cố .............................................................................................................. 139 4.1.Giới thiệu ................................................................................................ 139 4.2.Các vấn đề và lỗi cơ bản ........................................................................... 140 4.3.Dụng cụ ................................................................................................... 141 4.4.Các vấn đề và giải quyết ........................................................................... 143 TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................... 156 8 GIÁO TRÌNH MÔ ĐUN Tên mô đun: Thực hành Mạng truyền thông công nghiệp Mã mô đun: MĐ CĐT 33 Vị trí, tính chất, ý nghĩa và vai trò của mô đun: - Vị trí: Mô đun được bố trí học trước các mô đun: MĐ30, MĐ31, MĐ32. - Tính chất: Là mô đun tích hợp lý thuyết với thực hành. - Ý nghĩa và vai trò của môn học/mô đun: + Ý nghĩa: Mô đun cho ta có cái nhìn thực tế hơn về lĩnh vực điều khiển trong công nghiệp. + Vai trò: Mô đun đóng vai trò quan trong sản xuất công nghiệp đặt biệt những nước có nền công nghiệp phát triển và đang phát triển. - Mục tiêu của môn học/mô đun: - Về kiến thức: + Tìm hiểu được các kiến thức liên quan về Nhiễu và đưa ra các giải pháp để khắc phục. + Đưa ra được đặc điểm của các chuẩn truyền thông RS 2332, RS 485 + Cấu trúc và truyền thông mạng Modbus, AS-i, Profibus, Industrial Ethernet - Về kỹ năng: + Kết nối được các cổng truyền thông trên phần mềm và phần cứng + Tìm và xử lý được các lỗi thường gặp của mạng truyền thông công nghiệp + Sử dụng PLC để lập trình và giám sát mạng truyền thông công nghiệp - Về thái độ: + Chủ động, sáng tạo và an toàn trong quá trình học tập. Nội dung của mô đun: Số TT Tên các bài trong mô đun Thời gian (giờ) Tổng số Lý thuyết Thực hành, thí nghiệm, thảo luận, bài tập Kiểm tra 1 Bài 1: Giới thiệu tổng quan 1. Giới thiệu 1 1 9 2. Các hệ thống và thiết bị điều khiển hiện đại 3. Mô hình kết nối hệ thống mở 4. Các thủ tục truyền thông 5. Các chuẩn truyền thông 2 Bài 2: Nhiễu và giải pháp 1. Giới thiệu 2. Những sự cố thường gặp và cách giải quyết 3. Các phương pháp cụ thể 4. Nối đất/chống nhiễu và nhiễu 1 1 3 Bài 3: Chuẩn truyền thông RS232 1. Chuẩn truyền thông RS232 2. Các yếu tố của RS232 3. Hoạt động của giao diện RS232 4. Các hạn chế 5. Xử lý sự cố 1,5 1 0,5 4 Bài 4: Chuẩn truyền thông RS485 1. Chuẩn truyền thông RS485 2. Xử lý sự cố 1,5 1 0,5 5 Bài 5: Cáp quang 1. Giới thiệu 2. Các thiết bị 3. Các thông số 4. Các loại 5. Loại cáp quang bình thường 6. Kết nối cáp 7 2 4 1 6 Bài 6: Mạng Modbus 1. Giới thiệu tổng quan 2. Cấu trúc giao thức Modbus 8 2 6 10 3. Các mã số chức năng 4. Xử lý các sự cố 7 Bài 7: Mạng AS-i 1. Giới thiệu 2. Lớp vật lý 3. Lớp kết nối dữ liệu 4. Đặc điểm hoạt động 5. Xử lý sự cố 8 2 6 8 Bài 8: Mạng Profibus 1. Giới thiệu 2. Các ngăn xếp giao thức Profibus 3. Mô hình truyền thông Profibus 4. Mối quan hệ giữa xử lý ứng dụng và truyền thông 5. Mục tiêu của truyền thông 6. Hiệu suất 7. Vận hành hệ thống 8. Xử lý sự cố 7 2 4 1 9 Bài 9: Mạng Industrial Ethernet 1. Giới thiệu 2. Một số loại tốc độ truyền thông Ethernet 3. Industrial Ethernet 4. Xử lý sự cố 7 2 5 Thi kết thúc mô đun 3 3 Cộng 45 14 26 5 11 BÀI 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN Mã bài: MĐ CĐT 33-01 Giới thiệu: Trong bài nêu lên khái quát vấn đề điều khiển trong công nghiệp, giúp sinh viên có thêm một tầm nhìn mới mẽ về một cách thức điều khiển công nghiệp trong một tương lai gần ở nước ta. Mục tiêu: - Trình bày được các vấn đề cơ bản trong mạng truyền thông. - Phân biệt được các mạng trong công nghiệp, các ứng dụng và tầm quang trong của hệ mở. - Chủ động, sáng tạo an toàn cẩn thận trong quá trình học tập. Nội dung chính: 1. Giới thiệu 1.1.Mạng truyền thông công nghiệp là gì?: Mạng truyền thông công nghiệp hay mạng công nghiệp là một khái niệm chung chỉ các hệ thống thông số, truyền bít nối tiếp, được sử dụng để ghép nối các thiết bị công nghiệp. Các hệ thống mạng truyền thông công nghiệp phổ biến hiện nay cho phép liên kết mạng ở nhiều mức khác nhau, từ các cảm biến, thiết bị quan sát, máy tính điều khiển giám sát và các máy tính cấp điều hành xí nghiệp, quản lý công ty. Tuy nhiên mạng truyền thông công nghiệp không hẳn là mạng máy tính và cũng không là mạng viễn thông. Giữa chúng có một số điểm chung và vài điểm khác biệt sau: + Mạng viễn thông có phạm vi địa lý và số lượng thành viên tham gia lớn hơn rất nhiều, nên các yêu cầu kỹ thuật ( cấu trúc mạng, tốc độ truyền thông, tính năng thời gian thực ) rất khác, cũng như các phương pháp truyền thông( truyền tải dải rộng) dải cơ sở, điều biến, dồn kênh, chuyển mạch,..) thường phức tạp hơn nhiều so với mạng truyền thông công nghiệp. + Đối tượng của mạng viễn thông bao gồm cả con người và thiết bị kỹ thuật, trong đó cong người đóng vai trò chủ yếu. Vì vậy các dạng thông tin cần trao đổi bao gồm cả tiếng nói, hình ảnh, văn bản và dư liệu. Đối tượng của mạng công nghiệp thuần túy là các thiết bị công nghiệp nên dạng thông tin quan tâm duy nhất là dữ liệu. 12 +Mạng truyền thông công nghiệp thực chất là một dạng đặc biệt của mạng máy tính, có thể so sánh với mạng máy tính thông thường ở các điểm giống nhau và khác nhau như sau: + Kỹ thuật truyền thông số hay truyền dữ liệu là đặc trưng chung của 2 lĩnh vực + Trong nhiều trường hợp, mạng máy tính sử dụng trong công nghiệp được coi là một phần( ở các cấp điều khiển giám sát, điều hành sản xuất và quản lý công ty) trong mô hình phân cáp của mạng công nghiệp. + Yêu cầu về tính năng thời gian thực, độ tin cậy và khả năng tương thích trong môi trường công nghiệp của mạng truyền thông công nghiệp cao hơn so với một mạng máy tính thông thường, trong khi đó mạng máy tính thường yêu cầu cao hơn về độ bảo mật, + Mạng máy tính có phạm vi trải rộng rất khác nhau có thể nhỏ như mạng Lan cho một nóm vài máy tính hoặc lớn như mạng Internet. Trong nhiều trường hợp mạng máy tính gián tiếp sử dụng dịch vụ truyền dữ liệu của mạng viễn thông. Trong khi đó, cho đến nay các hệ thống mạng công nghiệp thường có tính chất độc lập, phạm vi hoạt động tương đối hẹp. Đối với hệ thống truyền thông công nghiệp, đặc biệt là ở các cấp dưới thì các yêu cầu về tính năng thời gian thực, khả năng thực hiện đơn giản, giá thành hạ lại được đặt ra hàng đầu. 1.2.Vai trò của mạng truyền thông công nghiệp: Một bộ điều khiển cần được ghép nối với các cảm biến và cơ cấu chấp hành. Giữa các bộ điều khiển trong một hệ thống điều khiển phân tán cũng cần trao đổi thông tin với nhau để phối hợp thực hiện điều khiển cả quá trình sản xuất. Ở một cấp cao hơn, các trạm vận hành trong trung tâm điều khiển cũng cần được ghép nối và giao tiếp với các bộ điều khiển để có thể theo dõi, giám sát toàn bộ quá trình sản xuất và hệ thống điều khiển. Vậy nếu sử dụng mạng truyền thông trong công nghiệp sẽ có những lợi ích sau: - Đơn giản hóa cấu trúc liên kết giữa các thiết bị công nghiệp: một số lượng lớn các thiết bị thuộc các chủng loại khác nhau được ghép nối với nhau thông qua một đường truyền duy nhất. - Tiết kiệm dây nối và công thiết kế, lắp đặt hệ thống: nhờ cấu trúc đơn giản, việc thiết kế hệ thống trở nên dễ dàng hơn nhiều. Một số lượng lớn cáp truyền được thay thế bằng một đường duy nhất, giảm chi phí đáng kế cho nguyên vật liệu và công lắp đặt. 13 - Nâng cao độ tin cậy và độ chính xác của thông tin: Khi dung phương pháp truyền tín hiệu tương tự cổ điển, tác động của nhiễu dễ làm thay đổi nội dung thông tin mà các thiết bị không có cách nào nhận biết. Nhờ kỹ thuật truyền thông số, không những thông tin truyền đi khó bị sai lệch hơn mà các thiết bị nối mạng còn có them khả năng tự phát hiện lỗi và chuẩn đoán lỗi nếu có. Hơn thế nữa, việc bỏ qua nhiều lần chuyển đổi qua lại tương tự số và số tương tự nâng cao độ chính xác của thông tin. - Nâng cao độ linh hoạt, tính năng mở của hệ thống: Một hệ thống mạng chuẩn hóa quốc tế tạo điều khiện cho việc sử dụng các thiets bị nhiều hang khác nhau. Việc thay thế thiết bị, nâng cấp và mở rộng phạm vi chức năng của hệ thống cũng dễ dàng hơn nhiều. Khả năng tương tác giữa các thành phần được nâng cao nhờ giao diện chuẩn. - Đơn giản hóa/ tiện lợi hóa việc tham số hóa, chuẩn đoán, định vị lỗi, sự cố các thiết bị: Với một đường truyền duy nhất, không những các thiết bị có thể trao đổi dữ liệu quá trình mà còn có thể gửi cho nhau các dữ liệu tham số, dữ liệu trạng thái, dữ liệu cảnh báo và dữ liệu chuẩn đoán. Các thiết bị có thể tích hợp khả năng tự chuẩn đoán, các trạm trong mạng cũng có thể có khả năng cảnh giới lẫn nhau. Việc cấu hình hệ thống, lập trình, tham số hóa, chỉnh định thiết bị và đưa vào vận hành có thể thực hiện từ xa qua một trạm kỹ thuật trung tâm. - Mở ra nhiều chức năng và khả năng ứng dụng mới của hệ thống: Sử dụng mạng truyền thông công nghiệp cho phép áp dung các kiến trúc điều khiển mới như điều khiển phân tán, điều khiển giám sát hoặc chuẩn đoán lỗi từ xa qua Internet, tích hợp thông tin của hệ thống điều khiển và giám sát với thông tin điều hành sản xuất và quản lý công ty. 1.3.Phân loại và đặc trưng các hệ thống mạng truyền thông công nghiệp: Để phân loại và phân tích đặc trưng của các hệ thống mạng truyền thông công nghiệp, ta dựa vào mô hình phân cấp quen thuộc cho các công ty, xí nghiệp sản xuất. Mô hình này thể hiện nhiều phân cấp khác nhau theo từng chức năng: 14 Hình1.1 : Tháp mạng truyền thông công nghiệp Ta nhận thấy càng ở những cấp dưới thì các chức năng càng mang tính chất cơ bản hơn và đòi hỏi yêu cầu cao hơn về độ nhanh nhạy, về thời gian phản ứng. Một chức năng ở cấp trên được thực hiện dựa trên các chức năng cấp dưới tuy không đòi hỏi thời gian phản ứng nhanh nhưng lượng thông tin cần trao đổi và xử lý lớn hơn nhiều. Tương ứng với năm cấp chức năng là bốn cấp của hệ thống truyền thông. Từ cấp điều khiển giám sát trở xuống thì thuật ngữ “bus” thường được dùng thay cho “mạng” với lý do phần lớn hệ thống mạng phía dưới đều có cấu trúc vật lý hoặc logic kiểu bus. Mô hình phân cấp chức năng sẽ rất tiện lợi cho việc thiết kế hệ thống và lựa chọn thiết bị. Trong thực tế ứng dụng, sự phân cấp chức năng có thể khác một chút so với trình bày ở đây, tùy thuộc vào mức độ tự động hóa và cấu trúc hệ thống cụ thể. Bus trường, bus thiết bị: Bus trường thực ra là một khái niệm chung được dùng trong các ngành công nghiệp chế biến để chỉ các hệ thống bus nối tiếp, sử dụng kỹ thuật truyền tin số để kết nối các thiết bị thuộc cấp điều khiển ( PC, PLC) với nhau và với các thiết bị ở cấp chấp hành hay các thiết bị trường. Các chức năng chính của cấp chấp hành là đo lường, truyền động và chuyển đổi tín hiệu trong trường hợp cần thiết. Các thiết bị có khả năng nối mạng là các ngõ vào/ra phân tán, các thiết bị đo lường hoặc cơ cấu chấp hành có tích hợp khả năng sử lý truyền thông. Một số kiểu bus trường chỉ thích hợp nối mạng các 15 thiết bị cảm biến và cơ cấu chấp hành với các bộ điều khiển cũng được gọi là bus chấp hành/cảm biên. Do nhiệm vụ của bus trường là chuyển dữ liệu quá trình lên cấp điều khiển để xử lý và chuyển quyết định điều khiển xuống các cơ cấu chấp hành, vì vậy yêu cầu về tính năng thời gian thực được đặt lên hàng đầu. Các hệ thống bus trường được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay là: FROFIBUS, CAN, Modbus, Internetbus và gần đây phải kể tới: Foundation Fieldbus, AS-i.. Bus hệ thống, bus điều khiển: Các hệ thống mạng công nghiệp được dùng để kết nối các máy tính điều khiển và các máy tính trên cấp điều khiển giám sát với nhau được gọi là bus hệ thống hay bus quá trình. Khái niệm sau thường chỉ được dùng trong lĩnh vực điều khiển quá trình. Qua bus hệ thống mà 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 ( có thể gián tiếp thông qua hệ thống quản lý cơ sở dữ liệu trên các trạm chủ) cũng như nhận mệnh lệnh, tham số điều khiển từ các trạm phí trên. Thông tin không những được trao đổi theo chiều dọc mà còn theo chiều ngang. Các trạm kỹ thuật, trạm vận hành và các trạm chủ cũng trao đổi dữ liệu qua bus hệ thống. Ngoài ra các máy in báo cáo và lưu trữ dữ liệu cũng có thể được kết nối qua mạng này. Khái niệm bus trường và bus hệ thống không bắt buộc nằm ở sự khác nhau về kiểu bus được sử dụng mà ở mục đích sử dụng hay nói cách khác là ở các thiết bị ghép nối. Trong một số giải pháp, một kiểu bus duy nhất dung cho cả hai cấp này. Đối với bus hệ thống, tùy theo lĩnh vực ứng dụng mà đòi hỏi về tính năng thời gian thực có được đặt ra một cách nghiêm ngặt hay không. Thời gian phản ứng tiêu biểu nằm trong khoảng một vài trăm miligiây, trong khi lưu lượng thông tin cần trao đổi lớn hơn nhiều so với bus trường. Tốc độ truyền thông tiêu biểu của bus hệ thống nằm trong phạm vi từ vài trăm kbit/s đến vài Mbit/s. Khi bus hệ thống được sử dụng chỉ để ghép nối theo chiều ngang giữa các máy tính điều khiển, người ta thường dung khái niệm bus điều khiển. Vai trò của bus điều khiển là phục vụ trao đổi dữ liệu thời gian thực giữa các trạm điều khiển trong một hệ thống có cấu trúc phân tán. Bus điều khiển thông thường có tốc độ truyền không cao, nhưng yêu cầu về tính năng thời gian thực thường rất khắc khe. 16 Mạng xí nghiệp: Mạng xí nghiệp thực ra là một mạng LAN bình thường có chức năng kết nối các máy tính văn phòng thuộc cấp điều hành sản xuất với cấp điều khiển giám sát. Thông tin được đưa lên trên bao gồm trạng thái làm việc của quá trình kỹ thuật, các giàn máy cũng như của hệ thống điều khiển tự động, các số liệu tính toán, thống kê về diễn biến qua trình sản xuất và chất lượng sản phẩm. Thông tin theo chiều ngược lại là các thông số thiết kế, công thức điều khiển và mệnh lệnh điều hành. Ngoài ra, thông tin cũng được trao đổi mạnh theo chiều ngang giữa các máy tính thuộc cấp điều hành sản xuất. Khác với các hệ thống bus cấp dưới, mạng xí nghiệp không yêu cầu nghiêm ngặt về tính năng thời gian thực. Việc trao đổi dữ liệu thường diễn ra không định kỳ, nhưng có khi số lư...ển trên nền Ethernet nhưng phổ biến nhất vẫn là TCP (Transport Control Protocol).Ethernet công nghiệp (Industrial Ethernet). Ethernet công nghiệp được phát triển theo hướng tận dụng những ưu điểm của Ethernet tốc độ cao, giá thành thấp, dễ thực hiện và dễ khắc phục các nhược điểm của nó là không đáp ứng yêu cầu thời gian thực và tính dự phòng. 36 Hình 1.15 : Hình chuẩn truyền thông Ethernet 5.3.Profibus 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 1.16 : Hình chuẩn truyền thông PROFIBUS DP 37 5.4.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 Hình 1.17 : Một mạng truyền thông MODBUS 38 CÁC BÀI TẬP MỞ RỘNG, NÂNG CAO VÀ GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ 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? Yêu cầu về đánh giá kết quả học tập: Nội dung: + Về kiến thức: Trình bày được các vấn đề cơ bản trong mạng truyền thông. + Về kỹ năng: Phân biệt được các mạng trong công nghiệp, các ứng dụng và tầm quang trong của hệ mở. + Thái độ: Đánh giá phong cách, thái độ học tập Chủ động, sáng tạo và an toàn trong quá trình học tập. Phương pháp: + Về kiến thức: Được đánh giá bằng hình thức kiểm tra viết + Về kỹ năng: Đánh giá kỹ năng thực hành Mỗi sinh viên, hoặc mỗi nhóm học viên thực hiện công việc theo yêu cầu của giáo viên.Tiêu chí đánh giá theo các nội dung: - Độ chính xác của công việc - Thời gian thực hiện công việc - Độ chính xác theo yêu cầu kỹ thuật + Thái độ: Tỉ mỉ, cẩn thận, chính xác. 39 BÀI 2: NHIỄU VÀ GIẢI PHÁP Mã bài: MĐ CĐT 33-02 Giới thiệu: Những tín hiệu nhiễu rất dễ nhận biết trong đời sống hiện đại trong chúng ta, nó gây ra nhiều tín hiệu tác hại làm ảnh hưởng lớn đến nhu cầu sinh hoạt và công nghiệp. Trong bài này có nêu lên phương pháp khắc phục nhiễu giúp học sinh khắc phục được những sự cố về nhiễu. Mục tiêu: - Trình bày được các vấn đề cơ bản xử lý nhiễu trong truyền thông. - Vận dụng được kiến thức và các phương pháp hạn chế nhiễu. - Chủ động, sáng tạo an toàn cẩn thận trong quá trình học tập. Nội dung chính: 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 2.1: 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) 40 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. Những sự cố thường gặp và cách giải quyết - 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. - 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. 3. Các phương pháp cụ thể 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 - 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 41 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 3.2.Vỏ bọc che chắn Sử dụng cáp có vỏ bọc che chắn để chống các nguồn nhiễu từ bên ngoài Hình 2.2: Cáp có vỏ bọc che chắn 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 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 42 Hình 2.3: Các kiểu nối đất 3.5.Kỹ thuật triệt nhiễu - Nhiễu cáp truyền cảm ứng điện dung 43 Hình 2.4: Kỹ thuật triệt nhiễu bằng điện dung - Bảo vệ chống cảm ứng điện dung Hình 2.5: Bảo vệ chống cảm ứng điện dung 44 - Chống nhiễu bọc kim bằng 1 màn chắn: Hình 2.6: chống nhiễu bọc kim bằng một màn chắn - Cảm ứng ở thanh của bọc kim: Hình 2.7: Cảm ứng thanh của bọc kim - Cảm ứng điện cảm và cách bảo vệ Hình 2.8: Cảm ứng điện cảm 45 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 Hình 2.9: 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 2.10: Cáp dây xoắn - Loại Cáp đồng trục: Kiểu chống nhiễu của nó dựa vào điện cảm 46 Hình 2.11: Cáp đồng trục - Loại dây dẫn quang: Hình 2.12: Cáp quang  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 47 - Không cần có biện phát phát hiện sai 4. Nối đất/chống nhiễu và nhiễu 4.1. Nguồn gốc của nhiễu điện Nhiễu có thể “đến từ” ở bất cứ đâu: không khí, nguồn điện, một LDO, bộ điều chỉnh chuyển mạch, điện trở . Tiếng ồn nhiệt được biểu hiện như biến thể điện áp ngẫu nhiên; nó liên quan đến nhiệt độ, trở kháng và băng thông. Nhiệt độ cao hơn và trở kháng cao hơn dẫn đến biên độ tiếng ồn cao hơn. “Băng thông” ở đây đề cập đến phạm vi tần số có liên quan đến mạch. Những thay đổi ngẫu nhiên trong chuyển động điện tử dẫn đến các biến thể ngẫu nhiên tương ứng trong dòng điện. Tiếng ồn (nhiễu) là nổi bật trong chất bán dẫn hơn trong dây dẫn bởi vì chất bán dẫn có nhiều rào cản hơn. Dòng điện cao hơn dẫn đến tiếng ồn nhiều hơn, và băng thông rộng hơn (bao gồm nhiều tần số hơn sẽ thấy nhiễu nhiều hơn). 4.2. Vỏ bọc che chắn  Lớp bảo vệ cáp Thêm một lớp che chắn bằng vật liệu bán dẫn trên bề mặt của ruột dẫn, có tính đẳng thế với ruột dẫn được che chắn và tiếp xúc tốt với lớp cách điện, để tránh phóng điện cục bộ giữa ruột dẫn và lớp cách điện. Lớp che chắn này hay còn gọi là lớp che chắn bên trong. Cũng có thể có khoảng cách giữa bề mặt cách nhiệt và vỏ bọc. Khi cáp bị uốn cong, bề mặt cách điện của cáp giấy dầu dễ bị nứt, đây đều là những tác nhân gây phóng điện cục bộ. Thêm một lớp che chắn bằng vật liệu bán dẫn trên bề mặt của lớp cách điện. Nó tiếp xúc tốt với lớp cách điện được che chắn và là thế năng với vỏ bọc kim loại, để tránh phóng điện cục bộ giữa lớp cách điện và vỏ bọc. Để dẫn điện đều cho lõi ruột dẫn và cách điện trường, cáp điện trung thế và cao thế từ 6 kV trở lên thường có lớp che chắn ruột dẫn và lớp cách điện, một số loại cáp hạ thế không có lớp che chắn. Lớp che chắn có hai loại che chắn bán dẫn và che chắn kim loại.  Cáp được bảo vệ 48 Lớp che chắn của loại cáp này chủ yếu SỬ DỤNG dây kim loại dệt thành lưới hoặc SỬ DỤNG màng kim loại, có lá chắn đơn và lá chắn nhiều lớp theo nhiều cách khác nhau. Màn hình đơn là một màn hình hoặc phim đơn, trong đó một hoặc nhiều dây có thể được quấn. Phương pháp đa che chắn là nhiều mạng lưới che chắn, màng chắn trong cáp. Một số được sử dụng để cách ly nhiễu điện từ giữa các dây dẫn, và một số được bảo vệ kép để tăng cường hiệu quả che chắn. Cơ chế che chắn là nối đất lớp che chắn để cách ly điện áp nhiễu cảm ứng của kết nối bên ngoài với ruột dẫn.  Che chắn bán dẫn Lớp che chắn bán dẫn thường được bố trí ở mặt ngoài của lõi dây dẫn và lớp cách điện, chúng lần lượt được gọi là lớp che chắn bán dẫn bên trong và lớp che chắn bán dẫn bên ngoài. Lớp che chắn bán dẫn được cấu tạo bởi vật liệu bán dẫn có điện trở suất rất thấp và độ dày tương đối mỏng. Lớp bảo vệ bán dẫn bên trong là để làm đều điện trường trên bề mặt ngoài của vật dẫn và tránh phóng điện cục bộ của vật dẫn và cách điện do bề mặt không nhẵn của vật dẫn và khe hở không khí do ruột dẫn mắc kẹt gây ra. Lớp che chắn bán dẫn bên ngoài tiếp xúc tốt với bề mặt ngoài của lớp cách điện và đẳng thế với vỏ bọc kim loại, để tránh phóng điện cục bộ với vỏ bọc kim loại do các vết nứt và các khuyết tật khác trên bề mặt cách điện của cáp.  Che chắn kim loại Đối với cáp điện trung thế và hạ thế không có vỏ bọc kim loại, ngoài việc lắp thêm lớp che chắn bán dẫn mà còn phải tăng thêm lớp che chắn bằng kim loại. Lớp kim loại che chắn thường được làm bằng băng đồng hoặc dây đồng quấn, có vai trò chủ yếu là che chắn điện trường. Vì dòng điện qua cáp nguồn tương đối lớn nên sẽ sinh ra từ trường xung quanh dòng điện, để không ảnh hưởng đến các linh kiện khác nên lắp thêm một lớp che chắn có thể che chắn điện từ trường này trong cáp. Hơn nữa, lớp bảo vệ cáp có thể đóng một vai trò nhất định trong việc bảo vệ nối đất. Nếu dây lõi cáp bị hư hỏng, dòng điện rò rỉ có thể chảy dọc theo dòng chảy tầng che chắn, chẳng hạn như lưới nối đất, đóng vai trò bảo vệ an toàn. Điều này cho thấy vai trò của lớp chắn cáp còn rất lớn. 4.3. Tốc độ dẫn của dây cáp Đây là yếu tố chính của cáp LAN trong việc phân chia loại cáp. Theo lịch sử phát triển cáp LAN, loại cáp LAN có tốc độ truyền dẫn cao nhất là Cat7a hỗ trợ tốc độ truyền 49 dẫn đến 1000 Mbps (tức là 1000 mega-bit mỗi giây, hay 125 mega-byte mỗi giây), hay còn gọi là loại cáp hỗ trợ tốc độ giga-bit (Gbps) dùng cho các thiết bị mạng đời mới vốn dĩ hỗ trợ tốc độ Gbps. Cách viết 1000 Mbps hay 1000 Mb/s là như nhau. Trước loại cáp Cat7a là các loại cáp có tốc độ thấp hơn. Đó là, Cat3 (16 Mbps), Cat4 (20 Mbps), Cat5 (100 Mbps), Cat5e (100 Mbps), Cat6 (250 Mbps), Cat6a (250 Mbps), Cat7 (600 Mbps). Trong đó, cáp Cat5 có tốc độ truyền tải 100 Mbps là loại cáp thường dùng trong mạng LAN hay kết nối giữa modem ADSL với máy tính qua cổng RJ-45. Mặc dù cùng tốc độ 100 Mbps nhưng loại Cat5e hỗ trợ chế độ song công nên được xem là loại cáp cao cấp hơn Cat5 và giá của nó vì thế mà cũng khá cao, ít được dùng. Tuy nhiên dù là loại cáp nào đi chăng nữa thì độ dài tối đa của cáp LAN xoắn đôi là 100 m.\ 4.4. Yêu cầu nối đất Quy định về tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 4756:1898 về Quy phạm nối đất và nối không các thiết bị điện. Theo đó, tiêu chuẩn đưa ra những định nghĩa, quy định về mức điện áp, cường độ dòng điện của thiết bị khi nối đất trong hệ thống mạng điện của tòa nhà. TCVN 4756:1898 quy định cho các thiết bị điện xoay chiều có điện áp lớn hơn 42V trở lên, các thiết bị điện một chiều có điện áp lớn hơn 110V. Đồng thời, tiêu chuẩn cũng đưa ra những yêu cầu về nối đất và nối không. Một số những quy định trong TCVN 4756:1898 về nối đất thiết bị như sau: Nối đất các thiết bị điện có mức điện áp lớn hơn 1000V trong mạng điện trung tính nổi. Khi tiến hành nối đật cho thiết bị có điện áp hơn 1000V cần đáp ứng yêu cầu trị số điện trở nối đất và trị số điện áp chạm. Điện trở của các thiết bị nối đất sẽ không được vượt quá 0.5, tính theo điện trở nối đất tự nhiên, điện trở nối đất nhân tạo không vượt quá 1. Trang bị nối đất cần đáp ứng yêu cầu trị số điện áp chạm không được vượt quá giá trị quy định khi có dòng ngắ mạch chạy qua. 50 Hình 2.13.Quy định về tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 4756:1898 về Quy phạm nối đất và nối không các thiết bị điện trong tòa nhà 4.5. Kỹ thuật triệt nhiễu 4.5.1 Kỹ thuật ổn định tần số dao động Thay thế mạch dao động RC cơ bản bằng dao động thạch anh, đảm bảo tính ổn định và độ chính xác tần số. Ngoài ra việc bổ sung các thành phần linh kiện thụ động RC làm mạch hồi tiếp âm cũng góp phần làm ổn định tần số dao động. Các bộ dao động trước kia thường sử dụng là dao động RC. Tuy vẫn đảm bảo tần số hoạt động nhưng mạch RC thường xuyên bị tác động ảnh hưởng nhiễu ngoài gây gián đoạn xung clock. Hình 2.13. Bộ dao động RC Ngày nay, người ta dùng bộ dao động tần số thạch anh để thay thế trong các mạch vi xử lý với các ưu điểm vượt trội như tần số dao động ổn định, dung sai bé, lớp vỏ bọc kim loại giảm tác động nhiễu ngoài. 51 Hình 2.14. Dao động thạch anh Với các ứng dụng yêu cầu độ dao động chính xác cao, người ta dùng các bộ resonator kết hợp hồi tiếp âm để đảm bảo tính ổn định xung clock. Hình 2.15. Dao động resonator Điện trở 330k cung cấp hồi tiếp âm cho hệ thống. Biến trở 10k dùng để hiệu chỉnh sao cho IC đệm đảo 74AS04 hoạt động trong vùng tuyến tính. Bộ dao động này còn có thể cấp xung clock ổn định cho hệ thống ngoài. 52 4.5.2 Kỹ thuật lựa chọn linh kiện Việc sử dụng các linh kiện chân cắm là 1 trong những nguyên nhân nhạy nhiễu cho các hệ thống cũ. Các chân cắm linh kiện đóng vai trò là các anten thu nhận nhiễu. Các ứng dụng đảm bảo EMI luôn sử dụng tối ưu các linh kiện chân dán để giảm nhiễu bức xạ không mong muốn. Hình 2.16. Thay thế linh kiện chân cắm bằng chân dán Tương tự, các dây dẫn nối mạch chân cắm với các linh kiện ngoài cũng phải được tối ưu. Tiêu biểu là các bộ nhớ ngoài nên được tích hợp vào bên trong chip. Các loại chip này đã được đảm bảo về EMI trước khi được phân phối. Hình 2.17. Thay thế bộ nhớ ngoài bằng bộ nhớ trong Việc sử dụng các IC thế hệ mới với khả năng giao tiếp đơn giản nhưng hiệu quả cũng góp phần giảm nhiễu cho hệ thống. Các IC đời cũ thường sử dụng bus mode với các xung giao tiếp rời rạc ngắt quãng, tiểu biểu là dòng 8051 cũ; trong khi các IC thế hệ mới như PIC, MSP430 đã sử dụng PORT mode với xung đơn để giảm nhiễu. 53 CÁC BÀI TẬP MỞ RỘNG, NÂNG CAO VÀ GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ 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? Yêu cầu về đánh giá kết quả học tập: Nội dung: + Về kiến thức: Trình bày được các vấn đề cơ bản xử lý nhiễu trong truyền thông. + Về kỹ năng: Vận dụng được kiến thức và các phương pháp hạn chế nhiễu. + Thái độ: Đánh giá phong cách, thái độ học tập Chủ động, sáng tạo và an toàn trong quá trình học tập. Phương pháp: + Về kiến thức: Được đánh giá bằng hình thức kiểm tra viết + Về kỹ năng: Đánh giá kỹ năng thực hành Mỗi sinh viên, hoặc mỗi nhóm học viên thực hiện công việc theo yêu cầu của giáo viên.Tiêu chí đánh giá theo các nội dung: - Độ chính xác của công việc - Thời gian thực hiện công việc - Độ chính xác theo yêu cầu kỹ thuật + Thái độ: Tỉ mỉ, cẩn thận, chính xác. 54 BÀI 3: CHUẨN TRUYỀN THÔNG RS232 Mã bài: MĐ CĐT 33-03 Giới thiệu: Trong công nghiệp, dân dụng cáp RS232 được sử dụng nhiều thông dụng, trong bài này giúp cho học sinh thực hiện cách sử dụng, đấu nối cáp, cách sửa chữa cáp. Mục tiêu: - Trình bày được các vấn đề cơ bản về chuẩn truyền thông RS232. - Vận dụng được kiến thức để khắc phục các sự cố và ứng dụng của cáp truyền. - Chủ động, sáng tạo an toàn cẩn thận trong quá trình học tập. Nội dung chính: 1. Chuẩn truyền thông RS232 Ngày nay các thiết bị đo lường, điều khiển ... đều phải giao tiếp với máy tính để quan sát thông số và chế độ hoạt động của thiết bị như thế nào? Chuẩn giao tiếp được coi là đơn giản và dễ dùng đó là RS232. Hầu như các thiết bị đều được giao tiếp với máy tính thông qua chuẩn này. Bài viết này sẽ nói về cơ bản chuẩn giao tiếp RS232: Tổng quan chung về RS232, Sơ đồ ghép nối, Giao diện phần mềm. Hình 3.1 :Hình dạng ngoài và linh kiện chuẩn RS-232 RS-232 (Hiện nay được gọi với tên quốc tế là EIA/TIA-232) tương ứng với chuẩn châu Âu là CCITT V2.4 lúc đầu được xây dựng phục vụ chủ yếu trong việc ghép nối điểm – điểm giữa hai thiết bị đầu cuối (DTE – Data Terminal Equipment) ví dụ giữa hai máy (PC, PLC, v.v), giữa máy tính và máy in, hoặc giữa một thiết bị đầu cuối và một thiết bị truyền dữ liệu (DCE – Data Communication Equipment) ví dụ giữa máy tính và Modem (dùng dây Console để cấu hình mạng cho Modem qua máy tính). 55 2. Các yếu tố của RS232 RS-232 sử dụng phương thức truyền không đối xứng, tức là sử dụng tín hiệu điện áp chênh lệch giữa một dây dẫn và mass.Mức điện áp được sử dụng dao động trong khoảng -15V  15V.Khoảng từ 3V  15V ứng với giá trị logic 0, từ -15V  -3V ứng với giá trị logic 1, như biểu diễn trên hình 3.2. Chính vì từ - 3V tới 3V là phạm vi không được định nghĩa, trong trường hợp thay đổi giá trị logic từ 0 lên 1 hoặc từ 1 xuống 0 một tín hiệu phải vượt qua khoảng quá độ đó trong một thời gian ngắn hợp lý. Ví dụ, tiêu chuẩn DIN 66259 phần qui định độ dốc tối thiểu của một tín hiệu phải là 6V/ms hoặc 3% nhịp xung, tùy theo giá trị nào nhỏ hơn. Điều này dẫn đến việc phải hạn chế về điện dung của các thiết bị tham gia và của cả đường truyền. Hình 3.2 : quy trình trang thái logic tín hiệu RS-232 Tốc độ truyền dẫn tối đa phụ thuộc vào chiều dài dây dẫn.Đa số các hệ thống hiện nay chỉ hỗ trợ tới tốc độ 19.2KBd (chiều dài cho phép 30-50m). Hiện nay đã có những mạch thu phát đạt tốc độ 460KBd và hơn nữa, tuy nhiên tốc độ truyền dẫn thực tế lớn hơn 115.2KBd theo chuẩn RS-232 trong một hệ thống làm việc dựa vào ngắt là một điều khó có thể thực hiện. Một ưu điểm của chuẩn RS-232 là có thể sử dụng công suất phát tương đối thấp, nhờ trở kháng đầu vào hạn chế trong phạm vi từ 3-7K. 56 Thông số Điều kiện Tối thiểu Tối đa Điện áp đầu ra hở mạch 25V Điện áp đẩu ra khi có tải 3K RL 7K 5V 15V Trở kháng đẩu ra khi cắt nguồn -2V  VO 2V 300 Dòng ra ngắn mạch 500mA Điện dung tải 2500pF Trở kháng đầu vào 3V  VI 25V 3K 7K Ngưỡng cho giá trị logic 0 3V Ngưỡng cho giá trị logic 1 -3V Bảng 1: Tóm tắt các thông số quan trọng của RS-232. Giao diện cơ học: Chuẩn EIA/TIA-232F quy định ba loại giắc cắm RS-232 là DB-9 (9 chân), DB- 25 (25 chân) và ALT-A (26 chân), trong đó hai loại đầu được sử dụng rộng rãi hơn, nhất là loại DB-9.Loại DB-9 cũng đã được chuẩn hóa riêng trong EIA/TIA-574. Hình 3.3: Sơ đồ chân RS-232 loại DB-9. - Pin 1 - DCD (Data Carrier Detect) được dùng để kiểm soát truy nhập đường truyền. Một trạm nhận tín hiệu DCD là OFF sẽ hiểu là trạm đối tác chưa đóng mạch yêu cầu gửi dữ liệu (chân RTS – Pin 7) và vì thế có thể đoạt quyền kiểm 57 soát đường truyền nếu cần thiết. Ngược lại, tín hiệu DCD là ON chỉ thị bên đối tác đã gửi tín hiệu RTS và giành quyền kiểm soát đường truyền. - Pin 2 - RxD (Receive Data) nhận dữ liệu từ đường truyền. - Pin 3 - TxD (Transmit Data) gửi dữ liệu lên đường truyền. - Pin 4 - DTR (Data Terminal Ready) thường ở trạng thái ON khi thiết bị đầu cuối sẵn sàng thiết lập kênh truyền thông. Qua việc giữ mạch DTR ở trạng thái ON, thiết bị đầu cuối cho phép DCE của nó ở chế độ tự trả lời chấp nhận lời kêu gọi không yêu cầu. Mạch DTR ở trạng thái OFF chỉ khi thiết bị đầu cuối không muốn DCE của nó chấp nhận lời gọi từ xa (chế độ cục bộ). - Pin 5 - GND: Chân nối mass. - Pin 6 - DSR (Data Set Ready, DCE Ready): Cả hai Modem chuyển mạch DSR sang ON khi một đường truyền thông đã được thiết lập giữa hai bên. - Pin 7 - RTS (Request To Send): Đường RTS kiểm soát chiều truyền dữ liệu. Khi một trạm cần gửi dữ liệu, nó đóng mạch RTS sang ON để báo hiệu với Modem của nó. Thông tin này cũng được chuyển tiếp tới Modem xa. - Pin 8 - CTS (Clear To Send): Khi CTS chuyển sang ON, một trạm được thông báo rằng modem của nó đã sẵn sàng nhận dữ liệu từ trạm và kiểm soát đường điện thoại cho việc truyền dữ liệu đi xa. - Pin 9 - RI (Ring Indicator): Khi modem nhận được một lời gọi, mạch RI chuyển ON/OFF một cách tuần tự với chuông điện thoại báo để báo hiệu cho trạm đầu cuối. Tín hiệu này chỉ thị rằng một Modem xa yêu cầu thiết lập liên kết dial-up. 3. Hoạt động của giao diện RS232 Chế độ làm việc hai chiều toàn phần (full – duplex): Hai thiết bị tham gia truyền tin đều có thể thu và phát tín hiệu cùng một lúc. Việc thực hiện truyền thông cần tối thiểu 3 dây dẫn, và việc đảm bảo độ an toàn truyền dẫn tín hiệu thuộc về trách nhiệm của phần mềm. Hình 3.4 minh họa một ví dụ ghép nối trực tiếp giữa hai thiết bị thực hiện chế độ bắt tay (handshake mode) không thông qua modem. Qua việc sử dụng các dây dẫn DTR và DSR, độ an toàn giao tiếp sẽ được đảm bảo. Trong trường hợp này, các chân RTS và CTS được nối ngắn.Lưu ý rằng, trong trường hợp truyền thông qua modem, cấu hình ghép nối khác một chút. 58 Một số ví dụ về kiểu ghép nối của RS-232 tùy vào các trường hợp. Hình 3.4: Ví dụ ghép nối với RS-232 4. Các hạn chế RS 232 sử dụng phương thức truyền thông không đối xứng, tức là sử dụng tín hiệu điện áp chênh lệch giữa một dây dẫn và đất. Do đó ngay từ đầu tiên ra đời nó đã mang vẻ lỗi thời của chuẩn TTL, nó vấn sử dụng các mức điện áp tương thích TTL để mô tả các mức logic 0 và 1. Ngoài mức điện áp tiêu chuẩn cũng cố định các giá trị trở kháng tải được đấu vào bus của bộ phận và các trở kháng ra của bộ phát. Mức điện áp của tiêu chuẩn RS232C ( chuẩn thường dùng bây giờ) được mô tả như sau: - Mức logic 0 : +3V , +12V - Mức logic 1 : -12V, -3V Các mức điện áp trong phạm vi từ -3V đến 3V là trạng thái chuyển tuyến. Chính vì từ - 3V tới 3V là phạm vi không được định nghĩa, trong trường hợp thay đổi giá trị logic từ thấp lên cao hoặc từ cao xuống thấp, một tín hiệu phải vượt qua quãng quá độ trong một thơì gian ngắn hợp lý. Điều này dẫn đến việc phải hạn chế về điện dung của các thiết bị tham gia và của cả đường truyền. Tốc độ truyền dẫn tối đa phụ thuộc vào chiều dài của dây dẫn. Đa số các hệ thống hiện nay chỉ hỗ trợ với tốc độ 19,2 kBd .+ Độ dài của cáp nối giữa máy tính và thiết bị ngoại vi ghép nối qua cổng nối tiếp RS232 không vượt qua 15m nếu chúng ta không sử model. Các giá trị tốc độ truyền dữ liệu chuẩn: 50, 75, 110, 750, 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 28800, 38400,....,56600,115200 bps 5. Xử lý sự cố 59 5.1.Giới thiệu Trong đời sống hàng ngày và trong công nghiệp cáp RS232 trước đây được sử dụng rộng rộng rãi ngày nay được thay thế dần bằng những loại cáp có tốc độ truyền nhanh hơn thuận tiện hơn như cáp RS 422 vá RS485Một số cáp RS232 thường gặp : cáp plc S7200 cổng com, cáp plc mitsubishi, cổng máy in, cáp màn hình máy tính Hình 3.4 : một số loại cáp plc cổng truyền thông RS232 5.2.Các phương pháp tiếp cận Một số sự cố thường gặp đối với cổng truyền thông RS232 - Tiếp xúc giữa các chân - Đứt một trong các dây - Một trong các jắc cắm bị hỏng 5.3.Kiểm tra thiết bị  Thực hành kiểm tra các loại cáp chuẩn RS232 Bước 1 : Kiểm tra thông mạch bằng đồng hồ VOM những dây cáp trên ghi lại kết quả trình trạng đấu nối của các loại cáp trên, xác định các loại cáp đó có bị đứt dây hay chưa?Khi kiểm tra cần vệ sinh khe cắm, kiểm tra có chân nào bị gãy trong 9 chân hay không? Bước 2 : Kiểm tra được chức năng truyền thông RS232 trên máy tính.Bằng cách cài phần mềm RS232 kiểm tra trên máy tính, một đầu cáp cắm vào cổng com máy tính và đầu còn lại cắm vào thiết bị để test thử cáp, Khi kiểm tra rs232 chú ý cắm đúng khe cắm chân cho RS232.Khi khe cắm bị khiếm khuyết có thể đổi khe cắm khác.Trước tiên ta chon cổng Com mà máy tính nhận được sau đó chọn đúng cổng trên phần mềm rs232- test, tiếp theo chọn tốc độ truyền của cáp, và dữ liệu bít, sau đó nhấn start trên phần mềm và phần mềm sẽ tự động dò tìm thông số của cáp. 60 Hình 3.5 : Phần mềm test thử RS232  Kiểm tra thực tế trên thiết bị ví dụ như ta có cáp plc s7-200 và cpu s7-200. Bước 1 : Đầu tiên ta kết nối một đầu cáp với máy tính, đầu còn lại ta kết nối với PLC s7-200, sau đó mở phần mềm Microwin 4.0 trên destop khi màn hình soan thảo mở lên ta nhấn double click vào biểu tượng thì khung màn hình hiện ra như bên dưới ta chọn vào PC/PPI cáp PPI Hình 3.6 : hình chọn cài đặt PC/PPI 61 Bước 2 : chọn PC/PPI sẽ xuất hiện màn hình chọn cổng giao tiếp tùy vào cáp mình là cổng com nào sẽ chọn cổng com đó. Hình 3.7 : hình chọn cổng com Sau đó ta click vào tab PPI và chọn tốc độ truyền thời gian time out sau đó nhấn ok Hình 3.7 : hình chọn tốc độ truyền Sau khi nhấn ok ta chọn vào biểu tượng communication sau đó màn hình xuất hiện một giao diện giống như bên dưới và ta nhấn vào double refresh ta ghi nhận giá trị và coi trạng thái cáp có hoạt động hay không. 62 Hình 3.8 : hình test cáp siemens Bước 3 : học sinh làm lại các bước như trên tuỳ từng loại cáp có những thiết bị thích hợp giáo viên thực hành hướng dẫn học sinh làm và ghi kết quả báo cáo. 5.4.Cách giải quyết một số vấn đề cơ bản Khi kiểm tra cáp khi cáp không kết nối được đầu tiên ta kiểm hai đầu cắm có bị lỏng chân hay không, các chân cắm có còn tốt hay bị rỉ xét. Kiểm tra driver của máy tính đã có đủ hay chưa bằng cách váo Start -> my computer ->nhấn chuột phải chọn manager -> Driver manager và xem thử driver của mình đối với cáp thiết.Sau đó kiểm tra thông mạch bằng VOM nếu tất cả đều tốt thì cáp mới kết nối được. Nhìn chung cáp RS232 dẽ sử dụng cách kiểm tra kết nối cáp không mấy khó khăn, nhưng việc chế tạo ra cáp thì cần có một kiến thức tương đối vững vàng. Cáp RS232 được dùng rộng rãi cho các nhà máy xí nghiệp nhỏ và tầm trung là nhiều nhất, học sinh, sinh viên cần phải nắm bắt một số vấn đề cơ bản để có thể tiếp cận nhanh trong công nghiệp. 63 CÁC BÀI TẬP MỞ RỘNG, NÂNG CAO VÀ GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ Câu 1 : Nêu cấu trúc bức điện của cáp RS232, các ứng dụng và tầm quang trong của cáp RS232? Câu 2 : Kể tên một số loại cáp download chương trình la RS232, cách kiểm tra cụ thể một số loại cáp đó Yêu cầu về đánh giá kết quả học tập: Nội dung: + Về kiến thức: Trình bày được các vấn đề cơ bản về chuẩn truyền thông RS232. + Về kỹ năng: Vận dụng được kiến thức để khắc phục các sự cố và ứng dụng của cáp truyền. + Thái độ: Đánh giá phong cách, thái độ học tập Chủ động, sáng tạo và an toàn trong quá trình học tập. Phương pháp: + Về kiến thức: Được đánh giá bằng hình thức kiểm tra viết + Về kỹ năng: Đánh giá kỹ năng thực hành Mỗi sinh viên, hoặc mỗi nhóm học viên thực hiện công việc theo yêu cầu của giáo viên.Tiêu chí đánh giá theo các nội dung: - Độ chính xác của công việc - Thời gian thực hiện công việc - Độ chính xác theo yêu cầu kỹ thuật + Thái độ: Tỉ mỉ, cẩn thận, chính xác. 64 BÀI 4: CHUẨN TRUYỀN THÔNG RS485 Mã bài: MĐ CĐT 33-04 Giới thiệu: Công nghiệp ngày càng hiện đại việc sử dụng cáp ngày càng tân tiến hơn, bài này giúp các em hiểu thêm loại cáp theo chuẩn RS485, một chuẩn hiện nay đang dùng rộng rải trong công nghiệp và rất quan trọng. Mục tiêu: - Trình bày được chuẩn truyền thông RS485 trong công nghiệp. - Vận dụng được kiến thức để khắc p