Giáo trình Mạng truyền thông

155 trang hapham 2700

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Mạng truyền thông", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

giao_trinh_mang_truyen_thong.docx

Nội dung text: Giáo trình Mạng truyền thông

BỘ LAO ĐỘNG THƯƠNG BINH XÃ HỘI TỔNG CỤC DẠY NGHỀ GIÁO TRÌNH Mô đun: MẠNG TRUYỀN THÔNG NGHỀ: ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG Ban hành kèm theo Quyết định số:120/QĐ-TCDN ngày 25 tháng 02 năm 2013 của Tổng cục trưởng Tổng cục Dạy nghề Năm 2013
1 TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu này thuộc loại giáo trình nên các nguồn thông tin có thể được phép dùng nguyên bảng hoặc trích dùng cho các mục đích về đào tạo và tham khảo. Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc hoặc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh sẽ bị nghiêm cấm.
2 LỜI GIỚI THIỆU Để thực hiện biên soạn giáo trình đào tạo nghề Điện tử công nghiệp ở trình độ Cao Đẳng Nghề và Trung Cấp Nghề, giáo trình Mạng truyền thông công nghiệp là một trong những giáo trình mô đun đào tạo chuyên ngành được biên soạn theo nội dung chương trình khung được Bộ Lao động Thương binh Xã hội và Tổng cục Dạy Nghề phê duyệt. 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 Actuator Sensor Interface Bài 8: Mạng Industrial Enthernet Bài 9: Mạng truyền thông Radio và Wireless 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, các trường có thề sử dụng cho phù hợp. Mặc dù đã cố gắng tổ chức biên soạn để đáp ứng được mục tiêu đào tạo nhưng không tránh được những khiếm khuyết.Rất mong nhận được đóng góp ý kiến của các thầy, cô giáo, bạn đọc để nhóm biên soạn sẽ hiệu chỉnh hoàn thiện hơn.Các ý kiến đóng góp xin gửi về Trường Cao đẳng nghề Lilama 2, Long Thành Đồng Nai. Hà Nội, ngày 10 tháng 06 năm 2013 Tham gia biên soạn Chủ Biên: TS. Lê Văn Hiền Th.S Đỗ Văn Cần Ks. Trần Diễm
3 MỤC LỤC ĐỀ MỤC TRANG LỜI GIỚI THIỆU 2 MỤC LỤC 3 MÔ ĐUN MẠNG TRUYỀN THÔNG CÔNG NGHIỆP 7 BÀI 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN 9 1.1. Mạng truyền thông công nghiệp là gì?: 9 1.2. Vai trò của mạng truyền thông công nghiệp: 10 1.3. Phân loại và đặc trưng các hệ thống mạng truyền thông công nghiệp: 11 2. Các hệ thống và thiết bị điều khiển hiện đại: 14 2.1. Hệ điều khiển phân tán(Distributed Control System, DCS): 14 2.2. Hệ thống điều khiển quá trình: 16 2.3. Hệ điều khiển lai (SCADA và DCS) : 17 2.4. Các hệ điều khiển khác: 18 2.5. Thiết bị điều khiển khả trình: 20 3 Các mô hình kết nối hệ thống mở: 20 3.1. Các tầng hệ thống mở: 21 3.2. Nguyên tắc định nghĩa các tầng trong hệ thống mở 21 3.3. Các giao thức trong mô hình 22 3.4. Truyền dữ liệu trong mô hình 23 3.5. Vai trò và chức năng chủ yếu của các tầng 23 4 Các thủ tục truyền thông 30 5 . Các chuẩn truyền thông 31 5.1. Foudation Fieldbus 31 5.2. Ethernet: 32 5.3. Profibus: 33 5.4. Modbus: 33 5.5. Câu hỏi ôn tập : 34 BÀI 2: NHIỄU VÀ GIẢI PHÁP XỬ LÝ 35 1. Giới thiệu: 35 2. Những sự cố thường gặp và cách giải quyết: 36 3. Nhiễu và các giải pháp xử lý: 36 3.1 Nguồn gốc của nhiễu điện: 36 3.2 Vỏ bọc che chắn: 37 3.3 Tốc độ dẫn của dây cáp: 37 3.4 Yêu cầu nối đất : 37 3.5 Kỹ thuật triệt nhiễu 38 3.6 Câu hỏi ôn tập : 42 BÀI 3: CHUẨN TRUYỀN THÔNG RS232 43
4 1. Chuẩn truyền thông RS232: 43 2. Các yếu tố của RS232: 44 3. Hoạt động của giao diện RS232 46 4. Các hạn chế: 47 5. Xử lý sự cố: 47 5.1 Giới thiệu: 47 5.2 Các phương pháp tiếp cận: 48 5.3 Kiểm tra thiết bị: 48 5.4 Giải quyết vấn đề cơ bản : 50 5.5 Tóm tắt: 51 5.6 Câu hỏi ôn tập: 51 BÀI 4: CHUẨN TRUYỀN THÔNG RS485 52 1. Chuẩn truyền thông RS485 : 52 1.1 Đặc tính điện học : 53 1.2 Các đặc trưng của RS485: 54 2. Xử lý sự cố: 54 2.1 Giới thiệu: 54 2.2 Chuẩn truyền thông RS485 và RS422: 54 2.3 Lắp đặt truyền thông RS485: 56 2.4 Các vấn đề nhiễu: 58 2.5 Kiểm tra thiết bị: 58 2.6 Tóm tắt: 60 2.7 Câu hỏi ôn tập: 60 BÀI 5 : CÁP QUANG 61 1. Giới thiệu: 61 2. Các thiết bị: 62 3. Các thông số cơ bản: 63 4. Các loại 65 5. Loại cáp quang bình thường: 66 5.1. Cáp trên không 66 5.2. Cáp ngầm (trong đất, nước): 67 5.3. Cáp trong nhà: 68 6. Kết nối cáp: 68 6.1. Suy giảm kết nối: 68 6.2. Sự kết nối: 69 6.3. Xử lý kết nối: 70 6.4. Xử lý sự cố: 73 6.5. Thực hành đấu nối cáp quang bằng máy Fujikura FSM-50S: 73 6.6. Câu hỏi ôn tập: 82 BÀI 6: MẠNG MODBUS 83 1. Giới thiệu tổng quan: 83 2. Cấu trúc giao thức Modbus: 84 2.1. Kiến trúc giao thức: 84
5 2.2. Cơ chế giao tiếp: 84 2.3. Cấu trúc bức điện: 85 3. Các mã số chức năng: 85 3.1. Địch chỉ Modbus: 85 3.2. Các mã chức năng Modbus 86 3.3. Cài đặt mạng modbus: 90 4. Xử lý các sự cố 91 4.1. Các vấn đề và lỗi cơ bản 91 4.2. Mô tả các công cụ được dùng: 92 4.3. Chi tiết quá trình xử lý sự cố: 92 4.4. Kết luận: 99 4.5. Bài tập thực hành: 99 BÀI 7: MẠNG AS-I (ACTUATOR SENSOR INTERFACE) 100 1. Giới thiệu: 100 2. Lớp vật lý: 101 2.1. Cơ chế giao tiếp: 101 2.2. Cấu trúc bức điện 102 3. Lớp kết nối dữ liệu: 102 4. Đặc điểm hoạt động 104 4.1. Mã hóa bit 104 4.2. Bảo toàn dữ liệu: 104 5. Xử lý sự cố 105 5.1. Giới thiệu 105 5.2. Công cụ 105 5.3. Thực hành 108 5.4. Bài tập thực hành 112 BÀI 8: MẠNG INDUSTRIAL ENTHERNET 113 1. Giới thiệu: 113 2. Một số loại tốc độ truyền thông Enthernet: 114 3. Industrial Enthernet: 115 3.1. Giới thiệu: 115 3.2. Kết nối và dây cáp: 116 3.3. Khung truyền thông: 117 3.4. Nhiễu và tiếng ồn: 118 3.5. TCP/IP và Industrial Ethernet: 119 3.6. Cấu trúc: 121 4. Xử lý sự cố: 122 4.1. Giới thiệu 122 4.2. Các vấn đề và lỗi cơ bản 123 4.3. Dụng cụ 124 4.4. Các vấn đề và giải quyết 126 4.5. Kết luận 143 4.6. Bài tập thực hành 143
6 BÀI 9: MẠNG TRUYỀN THÔNG RADIO VÀ WIRELESS 144 1. Giới thiệu: 144 2. Thiết bị truyền thông Radio: 144 2.1. Tuyền thông MDS SD9: 144 2.2. Máy phát hình bán dẫn VHF/UHF: 145 2.3. Máy bộ đàm Motorola GP338 VHF/UHF: 145 3. Đặc điểm của VHF/UHF: 147 4. Các modul radio: 148 4.1. Modem radio : 153 4.2. RipEX – đài phát thanh modem router : 153 4.3. MR400 – đài phát thanh modem : 153 4.4. Các lỗi mạng Wi-Fi : 153 4.5. Thực hành : 151 4.6. Bài tập thực hành : 153 Tài liệu tham khảo 154
7 MÔ ĐUN MẠNG TRUYỀN THÔNG CÔNG NGHIỆP Mã mô đun: MĐ 34 VỊ TRÍ, Ý NGHĨA,VAI TRÒ VÀ TÍNH CHẤT CỦA MÔ ĐUN: - Vị trí: Mô đun được bố trí học sau các môn học, mô đun kỹ thuật cơ sở và các mô đun chuyên môn nghềđặc biệt như PLC cơ bản, PLC nâng cao - Ý nghĩa : Mô dun cho tao có cái nhìn thực tế hơn về lĩnh vực điều khiển trong công nghiệp - Vai trò : đóng vai trò quan trong sản xuất công nghiệp đặt biệt những nước có nền công nghiệp phát triển và đang phát triển. - Tính chất: Là mô đun chuyên môn nghề điện tự động hóa MỤC TIÊU MÔ ĐUN: + Về kiến thức - Mô tả được cấu trúc mạng truyền thông trong công nghiệp - Trình bày được các chuẩn truyền thông - Trình bày được nguồn gốc nhiễu và các giải pháp xử lý. - Chống được nhiễu trong truyền thông - Phân tích được các tính năng chính của chuẩn RS232, RS485 - Trình bày được các tính năng chính của cáp quang + Về kỹ năng - Kết nối được các thiết bị dùng cáp quang. - Trình bày được cấu trúc mạng Modbus, Mạng AS-i, Mạng Industrial Ethernet - Xác định và xử lý được một số vấn đề đơn giản + Về thái độ: - Chủ động, sáng tạo và an toàn trong quá trình học tập. NỘI DUNG MÔ ĐUN: 1. Nội dung tổng quát và phân phối thời gian: Thời gian Số Tên các bài trong mô đun Tổng Lý Thực Kiểm TT số thuyết hành tra+ 1 Giới thiệu tổng quan 5 5 0 2 Nhiễu và giải pháp 10 4 6 3 Chuẩn truyền thông RS232 10 4 6 4 Chuẩn truyền thông RS485 10 10 0 5 Cáp quang 10 4 6 6 Mạng Modbus 20 4 14 2
8 7 Mạng AS-i 20 4 14 2 8 Mạng Industrial Ethernet 20 4 14 2 9 Truyền thông Radio và 15 5 10 wireless Tổng cộng 120 44 70 6 + Ghi chú: Thời gian kiểm tra được tích hợp giữa lý thuyết với thực hành được tính bằng giờ thực hành.
9 BÀI 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN Mã bài: MĐ34-01 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: - Hiểu 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. +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:
10 + 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. - 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
11 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:
12 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
13 năng sử lý truyền thông. Một số kiểu bus trường chỉ thích hợp nối mạng các 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. Mạng xí nghiệp:
14 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 lượng lớn tới hang Mbyte. Hai loại mạng được dung phổ biến cho mục đích này là Ethernet và Token-Ring trên cơ sở các giao thức chuẩn như TCP/IP và IPX/SPX. Mạng công ty: Mạng công ty nằm trên cùng trong mô hình phân cấp hệ thống truyền thông của một công ty sản xuất công nghiệp. Đặc trưng của mạng công ty gần với một mạng viễn thông hoặc một mạng máy tính diện rộng nhiều hơn trên các phương diện phạm vi và hình thức dịch vụ, phương pháp truyền thông và các yêu cầu về kỹ thuật. Chức năng của mạng công ty là kết nối các máy tính văn phòng của các xí nghiệp, cung cấp các dịch vụ kết nối các máy tính văn phòng với xí nghiệp, cung cấp các dịch vụ trao đổi thông tin nội bộ và với khách hàng như thư viện điện tử, thư điện tử, hội thảo từ xa qua điện thoại, hình ảnh, cung cấp các dịch vụ truy cập Internet và thương mại điện tử, v v Hình thức tổ chức ghép nối mạng cũng như các công nghệ được áp dụng rất đa dạng, tùy thuộc vào đầu tư xí nghiệp được thực hiện bằng một hệ thống mạng duy nhất về mặt vật lý nhưng chia thành nhiều phạm vi và nhóm mạng làm việc riêng biệt. Mạng công ty đòi hỏi về tốc độ truyền thông và độ an toàn tin cậy cao. 2. Các hệ thống và thiết bị điều khiển hiện đại: 2.1. Hệ điều khiển phân tán(Distributed Control System, DCS): DCS là một giải pháp điều khiển và giám sát có cấu trúc phân cấp và phân tán, được cung cấp trọn gói từ một nhà sản xuất, được sử dụng chủ yếu trong các ngành công nghiệp chế biến. Trạm điều khiển trong một hệ DCS là các máy tính chuyên dụng trong điều khiển quá trình, có cấu trúc module, khả năng xử lý số thực lớn. Tương tự như PLC, các trạm điều khiển DCS cũng cho phép lập trình và thay đổi chương trình một cách rất linh hoạt bằng các công cụ phần mềm mạnh. Sản phẩm DCS đầu tiên là hệ TDC2000 do Honeywell đưa ra vào năm 1975. Từ đó tới nay, các sản phẩm DCS liên tục
15 được phát triển và tiến hoá, nhiều sản phẩm mới ra đời thậm chí không còn được gắn cái tên DCS .DCS là một giải pháp điều khiển phân tán, tuy nhiên không phải bất cứ giải pháp điều khiển phân tán nào cũng là DCS. Ta hoàn toàn có thể xây dựng các hệ thống tự động hoá có cấu trúc phân tán dựa trên nền DCS, PLC, IPC Cũng phải nói rằng, đôi khi cũng khó có sự phân biệt rạch ròi giữa các loại thiết bị điều khiển nói trên. Ví dụ, một giải pháp DCS có thể sử dụng PLC (PLC-based DCS) hoặc IPC (PC-based DCS) cho các trạm điều khiển của nó. Do có sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ máy tính, các thiết bị điều khiển ngày càng giống nhau hơn về bản chất. Một khái niệm được dùng rộng rãi gần đây là hệ điều khiển lai (hybrid control system), trong đó mỗi trạm điều khiển có thể mang dáng dấp của một DCS kinh điển, một PLC hoặc một IPC hiện đại. Sự phát triển các giải pháp điều khiển đương nhiên cũng không chỉ dừng ở đó. Xu thế sử dụng bus trường và các thiết bị trường thông minh tích hợp chức năng điều khiển cơ sở đã tạo ra các giải pháp điều khiển hoàn toàn mới. Và khi không biết phải gọi tên giải pháp đó chính xác là gì, người ta sẽ dùng các khái niệm chung chung như hệ thống tự động hoá quá trình (Process Automation System), hệ thống tự động hoá xí nghiệp (Factory Automation System) hoặc hệ thống tự động hoá kỹ thuật số (Digital Automation System) Hình 1.2 : Hệ thống điều khiển bằng DCS YOKOGAWA
16 2.2. Hệ thống điều khiển quá trình: SCADA – Supervisory Control And Data Acquisition là một hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu, nói một cách khác là một hệ thống hỗ trợ con người trong việc giám sát và điều khiển từ xa, ở cấp cao hơn hệ điều khiển tự động thông thường. Để có thể điều khiển và giám sát từ xa thì hệ SCADA phải có hệ thống truy cập, truyền tải dữ liệu cũng như hệ giao diện người – máy (HMI – Human Machine Interface). Trong hệ thống điều khiển giám sát thì HMI là một thành phần quan trọng không chỉ ở cấp điều khiển giám sát mà ở các cấp thấp hơn người ta cũng cần giao diện người – máy để phục vụ cho việc quan sát và thao tác vận hành ở cấp điều khiển cục bộ. Vì lý do giá thành, đặc điểm kỹ thuật nên các màn hình vận hành (OP – Operator Panel), màn hình sờ (TP – Touch Panel), Hình 1.3 : Hệ thống điều khiển bằng SCADA
17 Multi Panel chuyên dụng được sử dụng nhiều và chiếm vai trò quan trọng hơn.Nếu nhìn nhận SCADA theo quan điểm truyền thống thì nó là một hệ thống mạng và thiết bị có nhiệm vụ thuần tuý là thu thập dữ liệu từ các trạm ở xa và truyền tải về khu trung tâm để xử lý. Trong các hệ thống như vậy thì hệ truyền thông và phần cứng được đặt lên hàng đầu và cần sự quan tâm nhiều hơn. Trong những năm gần đây sự tiến bộ vượt bậc của công nghệ truyền thông công nghiệp và công nghệ phần mềm trong công nghiệp đã đem lại nhiều khả năng và giải pháp mới nên trọng tâm của công việc thiết kế xây dựng hệ thống SCADA là lựa chọn công cụ phần mềm thiết kế giao diện và các giải pháp tích hợp hệ thống. 2.3. Hệ điều khiển lai (SCADA và DCS) : Xuất phát từ nhu cầu các ứng dụng công nghiệp và xu hướng làm giảm chi phí cho các hệ thống điều khiển, gần đây các nhà cung cấp đã cho ra đời hệ thống điều khiển mới gọi là hệ thống điều khiển lai (Hybrid Control System). Do ra đời sau, kế thừa nền tảng công nghệ của cả PLC và DCS nên cả hai hệ lai là sự pha trộn PLC và DCS. Hai hệ lai có khả năng thực hiện được các quá trình liên tục và gián đoạn, có khả năng quản lý được khoảng 10000 ngõ vào/ra.Hệ thống lai có các thiết bị nhỏ hơn các hệ DCS thương phẩm nhưng tận dụng các ưu điểm thiết kế của hệ DCS thương phẩm.Các hệ lai cung cấp việc sử dụng công nghệ Bus bao gồm Foundation Fieldbbus, AS-i, Profibus và Device Net.Các hệ lai thường hỗ trợ các chuẩn mực OPC (OLE for Process Control), XML và ODBC.Chúng cũng có rất ưu thế trong việc tích hợp hệ thống lập kế hoạch cho doanh nghiệp các cấp thiết bị như điện thoại không dây, máy nhắn tin và PDA. Hầu hết các hệ lai đều được trang bị các chức năng điều khiển theo mẻ theo khối và điều khiển giám sát. Ngoài ra, các công cụ hỗ trợ phát triển ứng dụng với nhiều chức năng, giao diện thân thiện, ngôn ngữ lập trình bậc cao đã được chuẩn hóa giúp cho các kỹ sư xây dựng phát triển một ứng dụng dễ dàng và nhanh chóng hơn. Hạn chế của ứng dụng điều khiển lai là do các thiết bị điều khiển nhỏ dẫn tới lưu lượng truyền thông lớn và nó sẽ hạn chế số lượng điểm vào ra, đặc biệt khi hệ thống đòi hỏi chu trình điều khiển nhỏ. Với khả năng mở rộng dữ liệu hạn chế, các hệ thống lai cũng không đủ phục vụ cho các ứng dụng lớn. Một số hệ điều khiển lai có thể kể ra như: Delta V (Fisher-rosemount), Plantcape (Holley well), Micro I/A (Foxboro), Simatic PCS7 (Siemens), stardom (Yokogawa), Inductrial IT (ABB).
18 Hình 1.4 : Hệ thống điều khiển bằng FCS 2.4. Cáchệ điều khiển khác: Hệ điều khiển FCS (Field control system) là hệ đều khiển cao cấp sử dụng các bus trường xử lý các tín hiệu thông minh.Khi sử dụng hệ điều khiển FCS có thể tiết kiệm vật liệu công suất lắp đặt và nâng cao hiệu năng độ tin cậy của hệ thống nhờ điều khiển tại chổ giảm tải bus. Hình 1.5 : Hệ thống điều khiển bằng FCS
19 - Ngoài ra trong công nghiệp còn có hệ điều khiển giám sát cục bộ, hệ thống điều khiển giám sát trung tâm phẳng và phân cấp. Hình 1.6 : Điều khiển giám sát cục bộ Hình 1.7 : Điều khiển giám sát trung tâm phẳng
20 Hình 1.8 : Điều khiển giám sát trung tâm phân cấp 2.5. Thiết bị điều khiển khả trình: Thiết bị khả trình PLC (Programmable Logic Controller) là thiết bị điều khiển logic có khả năng lập trình được, cho phép thực hiện linh hoạt các lệnh điều khiển logic thông qua ngôn ngữ lập trình.Các PLC đầu tiên xuất hiện vào năm 1968, là hệ thống đơn giản và cồng kềnh, người sử dụng gặp nhiều khó khăn trong việc vận hành.Vì vậy các nhà thiết kế đã từng bước cải tiến chúng gọn nhẹ, dễ vận hành hơn. Tuy nhiên việc lập trình cho hệ thống còn khó khăn do lúc này không có các thiết bị ngoại vi hỗ trợ cho công việc lập trình.Các PLC hiện nay đã đáp ứng đầy đủ yêu cầu của người sử dụng, từ kích thước gọn nhẹ, kết nối lập trình đơn giản, cho đến khả năng điều khiển đa dạng. 3 Các mô hình kết nối hệ thống mở: Mô hình OSI (Open Systems Interconnection Reference Model, viết ngắn là OSI Model hoặc OSI Reference Model) - tạm dịch là Mô hình tham chiếu kết nối các hệ thống mở - là một thiết kế dựa vào nguyên lý tầng cấp, lý giải một cách trừu tượng kỹ thuật kết nối truyền thông giữa các máy vi tính và thiết kế giao thức mạng giữa chúng. Mô hình này được phát triển thành một phần trong kế hoạch Kết nối các hệ thống mở (Open Systems
21 Interconnection) do ISO và IUT-T khởi xướng. Nó còn được gọi là Mô hình bảy tầng của OSI. 3.1. Các tầng hệ thống mở: Mô hình OSI mô tả phương thức truyền tin từ các chương trình ứng dụng của một hệ thống máy tính đến các chương trình ứng dụng của một hệ thống khác thông qua các phương tiện truyền thông vật lý. Thông tin từ một ứng dụng trên hệ thống máy tính A sẽ đi xuống các lớp thấp hơn, cuối cùng qua các thiết bị vật lý đến hệ thống máy tính B. Sau đó ở hệ thống B, thông tin sẽ đi từ lớp thấp nhất đến cao nhất - chính là ứng dụng của hệ thống máy tính B. Như vậy mỗi lớp trong hai hệ thống máy tính A, B đều truyền thông với nhau qua một giao thức (Protocol) nào đó. Mô hình OSI gồm có 7 lớp: Lớp ứng dụng, lớp biểu diễn dữ liệu, lớp kiểm soát nối, lớp vận chuyển, lớp mạng, lớp liên kết dữ liệu và lớp vật lý. Sau đây là mô tả các lớp trong mô hình OSI. Hình 1.9 : Mô hình hệ thống mở 3.2. Nguyên tắc định nghĩa các tầng trong hệ thống mở Sau đây là các nguyên tắc mà ISO quy định dùng trong quá trình xây dựng mô hình OSI Không định nghĩa quá nhiều tầng để việc xác định và ghép nối các tầng không quá phức tạp.
22 Tạo các ranh giới các tầng sao cho việc giải thích các phục vụ và số các tương tác qua lại hai tầng là nhỏ nhất. Tạo các tầng riêng biệt cho các chức năng khác biệt nhau hoàn toàn về kỹ thuật sử dụng hoặc quá trình thực hiên. Các chức năng giống nhau được đặt trong cùng một tầng. Lựa chọn ranh giới các tầng tại các điểm mà những thử nghiệm trong quá khứ thành công. Các chức năng được xác định sao cho chúng có thể dễ dàng xác định lại, và các nghi thức của chúng có thể thay đổi trên mọi hướng. Tạo ranh giới các tầng mà ở đó cần có những mức độ trừu tượng khác nhau trong việc sử dụng số liệu. Cho phép thay đổi các chức năng hoặc giao thức trong tầng không ảnh hưởng đến các tầng khác. Tạo các ranh giới giữa mỗi tầng với tầng trên và dưới nó. 3.3. Các giao thức trong mô hình Trong mô hình OSI có hai loại giao thức chính được áp dụng: giao thức có liên kết (connection - oriented) và giao thức không liên kết (connectionless). Giao thức có liên kết: trước khi truyền dữ liệu hai tầng đồng mức cần thiết lập một liên kết logic và các gói tin được trao đổi thông qua liên kết náy, việc có liên kết logic sẽ nâng cao độ an toàn trong truyền dữ liệu. Giao thức không liên kết: trước khi truyền dữ liệu không thiết lập liên kết logic và mỗi gói tin được truyền độc lập với các gói tin trước hoặc sau nó. Như vậy với giao thức có liên kết, quá trình truyền thông phải gồm 3 giai đoạn phân biệt: Thiết lập liên kết (logic): hai thực thể đồng mức ở hai hệ thống thương lượng với nhau về tập các tham số sẽ sử dụng trong giai đoạn sau (truyền dữ liệu). Truyền dữ liệu: dữ liệu được truyền với các cơ chế kiểm soát và quản lý kèm theo (như kiểm soát lỗi, kiểm soát luồng dữ liệu, cắt/hợp dữ liệu ) để tăng cường độ tin cậy và hiệu quả của việc truyền dữ liệu. Hủy bỏ liên kết (logic): giải phóng tài nguyên hệ thống đã được cấp phát cho liên kết để dùng cho liên kết khác. Đối với giao thức không liên kết thì chỉ có duy nhất một giai đoạn truyền dữ liệu mà thôi.
23 3.4. Truyền dữ liệu trong mô hình Gói tin của giao thức: Gói tin (Packet) được hiểu như là một đơn vị thông tin dùng trong việc liên lạc, chuyển giao dữ liệu trong mạng máy tính. Những thông điệp (message) trao đổi giữa các máy tính trong mạng, được tạo dạng thành các gói tin ở máy nguồn. Và những gói tin này khi đích sẽ được kết hợp lại thành thông điệp ban đầu. Một gói tin có thể chứa đựng các yêu cầu phục vụ, các thông tin điều khiển và dữ liệu. Hình 1.10 :Phương thức xác lập các gói tin trong mô hình OSI Trên quan điểm mô hình mạng phân tầng tầng mỗi tầng chỉ thực hiện một chức năng là nhận dữ liệu từ tầng bên trên để chuyển giao xuống cho tầng bên dưới và ngược lại.Chức năng này thực chất là gắn thêm và gỡ bỏ phần đầu (header) đối với các gói tin trước khi chuyển nó đi.Nói cách khác, từng gói tin bao gồm phần đầu (header) và phần dữ liệu. Khi đi đến một tầng mới gói tin sẽ được đóng thêm một phần đầu đề khác và được xem như là gói tin của tầng mới, công việc trên tiếp diễn cho tới khi gói tin được truyền lên đường dây mạng để đến bên nhận.Tại bên nhận các gói tin được gỡ bỏ phần đầu trên từng tầng tướng ứng và đây cũng là nguyên lý của bất cứ mô hình phân tầng nào. 3.5. Vai trò và chức năng chủ yếu của các tầng Tầng 1: Vật lý (Physical) Tầng vật lý (Physical layer) là tầng dưới cùng của mô hình OSI là. Nó mô tả các đặc trưng vật lý của mạng: Các loại cáp được dùng để nối các thiết bị, các loại đầu nối được dùng , các dây cáp có thể dài bao nhiêu v.v Mặt khác các tầng vật lý cung cấp các đặc trưng điện của các tín hiệu được dùng để khi chuyển dữ liệu trên cáp từ một máy này đến một máy khác của mạng, kỹ thuật nối mạch điện, tốc độ cáp truyền dẫn.
24 Tầng vật lý không qui định một ý nghĩa nào cho các tín hiệu đó ngoài các giá trị nhị phân 0 và 1. Ở các tầng cao hơn của mô hình OSI ý nghĩa của các bit được truyền ở tầng vật lý sẽ được xác định. Ví dụ: Tiêu chuẩn Ethernet cho cáp xoắn đôi 10 baseT định rõ các đặc trưng điện của cáp xoắn đôi, kích thước và dạng của các đầu nối, độ dài tối đa của cáp Khác với các tầng khác, tầng vật lý là không có gói tin riêng và do vậy không có phần đầu (header) chứa thông tin điều khiển, dữ liệu được truyền đi theo dòng bit. Một giao thức tầng vật lý tồn tại giữa các tầng vật lý để quy định về phương thức truyền (đồng bộ, phi đồng bộ), tốc độ truyền Các giao thức được xây dựng cho tầng vật lý được phân chia thành phân chia thành hai loại giao thức sử dụng phương thức truyền thông dị bộ (asynchronous) và phương thức truyền thông đồng bộ (synchronous). Phương thức truyền dị bộ: không có một tín hiệu quy định cho sự đồng bộ giữa các bit giữa máy gửi và máy nhận, trong quá trình gửi tín hiệu máy gửi sử dụng các bit đặc biệt START và STOP được dùng để tách các xâu bit biểu diễn các ký tự trong dòng dữ liệu cần truyền đi. Nó cho phép một ký tự được truyền đi bất kỳ lúc nào mà không cần quan tâm đến các tín hiệu đồng bộ trước đó. Phương thức truyền đồng bộ: sử dụng phương thức truyền cần có đồng bộ giữa máy gửi và máy nhận, nó chèn các ký tự đặc biệt như SYN (Synchronization), EOT (End Of Transmission) hay đơn giản hơn, một cái "cờ " (flag) giữa các dữ liệu của máy gửi để báo hiệu cho máy nhận biết được dữ liệu đang đến hoặc đã đến. Tầng 2: Liên kết dữ liệu (Data link) Tầng liên kết dữ liệu (data link layer) là tầng mà ở đó ý nghĩa được gán cho các bít được truyền trên mạng. Tầng liên kết dữ liệu phải quy định được các dạng thức, kích thước, địa chỉ máy gửi và nhận của mỗi gói tin được gửi đi.Nó phải xác định cơ chế truy nhập thông tin trên mạng và phương tiện gửi mỗi gói tin sao cho nó được đưa đến cho người nhận đã định. Tầng liên kết dữ liệu có hai phương thức liên kết dựa trên cách kết nối các máy tính, đó là phương thức "một điểm - một điểm" và phương thức "một điểm - nhiều điểm".Với phương thức "một điểm - một điểm" các đường truyền riêng biệt được thiết lâp để nối các cặp máy tính lại với nhau. Phương thức "một điểm - nhiều điểm " tất cả các máy phân chia chung một đường truyền vật lý.Các đường truyền kết nối kiểu "một điểm - một điểm" và "một điểm - nhiều điểm".
25 Hình 1.11: Các kiểu liên kết dữ liệu Tầng liên kết dữ liệu cũng cung cấp cách phát hiện và sửa lỗi cơ bản để đảm bảo cho dữ liệu nhận được giống hoàn toàn với dữ liệu gửi đi.Nếu một gói tin có lỗi không sửa được, tầng liên kết dữ liệu phải chỉ ra được cách thông báo cho nơi gửi biết gói tin đó có lỗi để nó gửi lại. Các giao thức tầng liên kết dữ liệu chia làm 2 loại chính là các giao thức hướng ký tư và các giao thức hướng bit. Các giao thức hướng ký tự được xây dựng dựa trên các ký tự đặc biệt của một bộ mã chuẩn nào đó (như ASCII hay EBCDIC), trong khi đó các giao thức hướng bit lại dùng các cấu trúc nhị phân (xâu bit) để xây dựng các phần tử của giao thức (đơn vị dữ liệu, các thủ tục ) và khi nhận, dữ liệu sẽ được tiếp nhận lần lượt từng bit một. Tầng 3: Mạng (Network) Tầng mạng (network layer) nhắm đến việc kết nối các mạng với nhau bằng cách tìm đường (routing) cho các gói tin từ một mạng này đến một mạng khác.Nó xác định việc chuyển hướng, vạch đường các gói tin trong mạng, các gói này có thể phải đi qua nhiều chặng trước khi đến được đích cuối cùng.Nó luôn tìm các tuyến truyền thông không tắc nghẽn để đưa các gói tin đến đích. Tầng mạng cung các các phương tiện để truyền các gói tin qua mạng, thậm chí qua một mạng của mạng (network of network).Bởi vậy nó cần phải đáp ứng với nhiều kiểu mạng và nhiều kiểu dịch vụ cung cấp bởi các mạng khác nhau.hai chức năng chủ yếu của tầng mạng là chọn đường (routing) và chuyển tiếp (relaying). Tầng mạng là quan trọng nhất khi liên kết hai loại mạng khác nhau như mạng Ethernet với mạng Token Ring khi đó phải dùng một bộ tìm đường (quy định bởi tầng mạng) để chuyển các gói tin từ mạng này sang mạng khác và ngược lại. Đối với một mạng chuyển mạch gói (packet - switched network) - gồm tập hợp các nút chuyển mạch gói nối với nhau bởi các liên kết dữ liệu. Các gói dữ liệu được truyền từ một hệ thống mở tới một hệ thống mở khác trên mạng phải được chuyển qua một chuỗi các nút.Mỗi nút nhận gói dữ liệu từ một đường vào (incoming link) rồi chuyển tiếp nó tới một đường ra (outgoing
26 link) hướng đến đích của dữ liệu.Như vậy ở mỗi nút trung gian nó phải thực hiện các chức năng chọn đường và chuyển tiếp. Việc chọn đường là sự lựa chọn một con đường để truyền một đơn vị dữ liệu (một gói tin chẳng hạn) từ trạm nguồn tới trạm đích của nó. Một kỹ thuật chọn đường phải thực hiện hai chức năng chính sau đây: Quyết định chọn đường tối ưu dựa trên các thông tin đã có về mạng tại thời điểm đó thông qua những tiêu chuẩn tối ưu nhất định. Cập nhật các thông tin về mạng, tức là thông tin dùng cho việc chọn đường, trên mạng luôn có sự thay đổi thường xuyên nên việc cập nhật là việc cần thiết. Hình 1.12 :Mô hình chuyển vận các gói tin trong mạng chuyễn mạch gói Người ta có hai phương thức đáp ứng cho việc chọn đường là phương thức xử lý tập trung và xử lý tại chỗ. Phương thức chọn đường xử lý tập trung được đặc trưng bởi sự tồn tại của một (hoặc vài) trung tâm điều khiển mạng, chúng thực hiện việc lập ra các bảng đường đi tại từng thời điểm cho các nút và sau đó gửi các bảng chọn đường tới từng nút dọc theo con đường đã được chọn đó. Thông tin tổng thể của mạng cần dùng cho việc chọn đường chỉ cần cập nhập và được cất giữ tại trung tâm điều khiển mạng. Phương thức chọn đường xử lý tại chỗ được đặc trưng bởi việc chọn đường được thực hiện tại mỗi nút của mạng. Trong từng thời điểm, mỗi
27 nút phải duy trì các thông tin của mạng và tự xây dựng bảng chọn đường cho mình. Như vậy các thông tin tổng thể của mạng cần dùng cho việc chọn đường cần cập nhập và được cất giữ tại mỗi nút. Thông thường các thông tin được đo lường và sử dụng cho việc chọn đường bao gồm: Trạng thái của đường truyền. Thời gian trễ khi truyền trên mỗi đường dẫn. Mức độ lưu thông trên mỗi đường. Các tài nguyên khả dụng của mạng. Khi có sự thay đổi trên mạng (ví dụ thay đổi về cấu trúc của mạng do sự cố tại một vài nút, phục hồi của một nút mạng, nối thêm một nút mới hoặc thay đổi về mức độ lưu thông) các thông tin trên cần được cập nhật vào các cơ sở dữ liệu về trạng thái của mạng. Hiện nay khi nhu cầu truyền thông đa phương tiện (tích hợp dữ liệu văn bản, đồ hoạ, hình ảnh, âm thanh) ngày càng phát triển đòi hỏi các công nghệ truyền dẫn tốc độ cao nên việc phát triển các hệ thống chọn đường tốc độ cao đang rất được quan tâm. Tầng 4: Vận chuyển (Transport) Tầng vận chuyển cung cấp các chức năng cần thiết giữa tầng mạng và các tầng trên.nó là tầng cao nhất có liên quan đến các giao thức trao đổi dữ liệu giữa các hệ thống mở. Nó cùng các tầng dưới cung cấp cho người sử dụng các phục vụ vận chuyển. Tầng vận chuyển (transport layer) là tầng cơ sở mà ở đó một máy tính của mạng chia sẻ thông tin với một máy khác.Tầng vận chuyển đồng nhất mỗi trạm bằng một địa chỉ duy nhất và quản lý sự kết nối giữa các trạm.Tầng vận chuyển cũng chia các gói tin lớn thành các gói tin nhỏ hơn trước khi gửi đi. Thông thường tầng vận chuyển đánh số các gói tin và đảm bảo chúng chuyển theo đúng thứ tự. Tầng vận chuyển là tầng cuối cùng chịu trách nhiệm về mức độ an toàn trong truyền dữ liệu nên giao thức tầng vận chuyển phụ thuộc rất nhiều vào bản chất của tầng mạng. Người ta chia giao thức tầng mạng thành các loại sau: Mạng loại A: Có tỷ suất lỗi và sự cố có báo hiệu chấp nhận được (tức là chất lượng chấp nhận được). Các gói tin được giả thiết là không bị mất. Tầng vận chuyển không cần cung cấp các dịch vụ phục hồi hoặc sắp xếp thứ tự lại.
28 Mạng loại B: Có tỷ suất lỗi chấp nhận được nhưng tỷ suất sự cố có báo hiệu lại không chấp nhận được. Tầng giao vận phải có khả năng phục hồi lại khi xẩy ra sự cố. Mạng loại C: Có tỷ suất lỗi không chấp nhận được (không tin cậy) hay là giao thức không liên kết. Tầng giao vận phải có khả năng phục hồi lại khi xảy ra lỗi và sắp xếp lại thứ tự các gói tin. Trên cơ sở loại giao thức tầng mạng chúng ta có 5 lớp giao thức tầng vận chuyển đó là: Giao thức lớp 0 (Simple Class - lớp đơn giản): cung cấp các khả năng rất đơn giản để thiết lập liên kết, truyền dữ liệu và hủy bỏ liên kết trên mạng "có liên kết" loại A. Nó có khả năng phát hiện và báo hiệu các lỗi nhưng không có khả năng phục hồi. Giao thức lớp 1 (Basic Error Recovery Class - Lớp phục hồi lỗi cơ bản) dùng với các loại mạng B, ở đây các gói tin (TPDU) được đánh số. Ngoài ra giao thức còn có khả năng báo nhận cho nơi gửi và truyền dữ liệu khẩn. So với giao thức lớp 0 giao thức lớp 1 có thêm khả năng phục hồi lỗi. Giao thức lớp 2 (Multiplexing Class - lớp dồn kênh) là một cải tiến của lớp 0 cho phép dồn một số liên kết chuyển vận vào một liên kết mạng duy nhất, đồng thời có thể kiểm soát luồng dữ liệu để tránh tắc nghẽn. Giao thức lớp 2 không có khả năng phát hiện và phục hồi lỗi. Do vậy nó cần đặt trên một tầng mạng loại A. Giao thức lớp 3 (Error Recovery and Multiplexing Class - lớp phục hồi lỗi cơ bản và dồn kênh) là sự mở rộng giao thức lớp 2 với khả năng phát hiện và phục hồi lỗi, nó cần đặt trên một tầng mạng loại B. Giao thức lớp 4 (Error Detection and Recovery Class - Lớp phát hiện và phục hồi lỗi) là lớp có hầu hết các chức năng của các lớp trước và còn bổ sung thêm một số khả năng khác để kiểm soát việc truyền dữ liệu. Tầng 5: Giao dịch (Session) Tầng giao dịch (session layer) thiết lập "các giao dịch" giữa các trạm trên mạng, nó đặt tên nhất quán cho mọi thành phần muốn đối thoại với nhau và lập ánh xa giữa các tên với địa chỉ của chúng. Một giao dịch phải được thiết lập trước khi dữ liệu được truyền trên mạng, tầng giao dịch đảm bảo cho các giao dịch được thiết lập và duy trì theo đúng qui định. Tầng giao dịch còn cung cấp cho người sử dụng các chức năng cần thiết để quản trị các giao dịnh ứng dụng của họ, cụ thể là:
29 Điều phối việc trao đổi dữ liệu giữa các ứng dụng bằng cách thiết lập và giải phóng (một cách lôgic) các phiên (hay còn gọi là các hội thoại - dialogues) Cung cấp các điểm đồng bộ để kiểm soát việc trao đổi dữ liệu. Áp đặt các qui tắc cho các tương tác giữa các ứng dụng của người sử dụng. Cung cấp cơ chế "lấy lượt" (nắm quyền) trong quá trình trao đổi dữ liệu. Trong trường hợp mạng là hai chiều luân phiên thì nẩy sinh vấn đề: hai người sử dụng luân phiên phải "lấy lượt" để truyền dữ liệu. Tầng giao dịch duy trì tương tác luân phiên bằng cách báo cho mỗi người sử dụng khi đến lượt họ được truyền dữ liệu. Vấn đề đồng bộ hóa trong tầng giao dịch cũng được thực hiện như cơ chế kiểm tra/phục hồi, dịch vụ này cho phép người sử dụng xác định các điểm đồng bộ hóa trong dòng dữ liệu đang chuyển vận và khi cần thiết có thể khôi phục việc hội thoại bắt đầu từ một trong các điểm đó Ở một thời điểm chỉ có một người sử dụng đó quyền đặc biệt được gọi các dịch vụ nhất định của tầng giao dịch, việc phân bổ các quyền này thông qua trao đổi thẻ bài (token). Ví dụ: Ai có được token sẽ có quyền truyền dữ liệu, và khi người giữ token trao token cho người khác thi cũng có nghĩa trao quyền truyền dữ liệu cho người đó. Tầng giao dịch có các hàm cơ bản sau: Give Token cho phép người sử dụng chuyển một token cho một người sử dụng khác của một liên kết giao dịch. Please Token cho phép một người sử dụng chưa có token có thể yêu cầu token đó. Give Control dùng để chuyển tất cả các token từ một người sử dụng sang một người sử dụng khác. Tầng 6: Trình bày (Presentation) Trong giao tiếp giữa các ứng dụng thông qua mạng với cùng một dữ liệu có thể có nhiều cách biểu diễn khác nhau. Thông thường dạng biểu diễn dùng bởi ứng dụng nguồn và dạng biểu diễn dùng bởi ứng dụng đích có thể khác nhau do các ứng dụng được chạy trên các hệ thống hoàn toàn khác nhau (như hệ máy Intel và hệ máy Motorola). Tầng trình bày (Presentation layer) phải chịu trách nhiệm chuyển đổi dữ liệu gửi đi trên mạng từ một loại biểu diễn này sang một loại khác. Để đạt được điều đó nó cung cấp một dạng biểu diễn chung dùng để truyền thông và cho phép chuyển đổi từ dạng biểu diễn cục bộ sang biểu diễn chung và ngược lại.
30 Tầng trình bày cũng có thể được dùng kĩ thuật mã hóa để xáo trộn các dữ liệu trước khi được truyền đi và giải mã ở đầu đến để bảo mật.Ngoài ra tầng biểu diễn cũng có thể dùng các kĩ thuật nén sao cho chỉ cần một ít byte dữ liệu để thể hiện thông tin khi nó được truyền ở trên mạng, ở đầu nhận, tầng trình bày bung trở lại để được dữ liệu ban đầu. Tầng 7: Ứng dụng (Application) Tầng ứng dụng (Application layer) là tầng cao nhất của mô hình OSI, nó xác định giao diện giữa người sử dụng và môi trường OSI và giải quyết các kỹ thuật mà các chương trình ứng dụng dùng để giao tiếp với mạng. Để cung cấp phương tiện truy nhập môi trường OSI cho các tiến trình ứng dụng, Người ta thiết lập các thực thể ứng dụng (AE), các thực thể ứng dụng sẽ gọi đến các phần tử dịch vụ ứng dụng (Application Service Element - viết tắt là ASE) của chúng.Mỗi thực thể ứng dụng có thể gồm một hoặc nhiều các phần tử dịch vụ ứng dụng. Các phần tử dịch vụ ứng dụng được phối hợp trong môi trường của thực thể ứng dụng thông qua các liên kết (association) gọi là đối tượng liên kết đơn (Single Association Object - viết tắt là SAO). SAO điều khiển việc truyền thông trong suốt vòng đời của liên kết đó cho phép tuần tự hóa các sự kiện đến từ các ASE thành tố của nó. 4 Các thủ tục truyền thông Khi truyền thông được thực hiện sử dụng OSI trong thực tế, các thủ tục sau được thực hiện.  Khi yêu cầu truyền thông phát ra, kênh truyền thông được được thiết lập trước tiên (thiết lập kết nối).  Khi dữ liệu được chuyển qua mỗi tầng tại bên gửi, tiêu đề (các thông tin điều khiển) được gắn thêm vào với dữ liệu của người dùng trước khi dữ liệu được gửi đi.  Khi dữ liệu đươc chuyển qua mỗi tầng ở bên nhận, tiêu đề được loại bỏ lần lượt.  Khi việc truyền dữ liệu được thực hiện xong, kênh truyền thông được đóng lại (kết nối bị ngắt).  Các tài nguyên truyền thông được giải phóng và quá trình xử lý được hoàn thành.  Các tiêu đề được thêm vào bởi tầng (N) được gọi là tầng thông tin điều khiển giao thức PCI tầng (N), và dữ liệu của người dùng tầng (N) được gọi là đơn vị dữ liệu dịch vụ SDU tầng (N). Dữ liệu gộp cả hai phần được gọi PDU tầng (N) (đơn vị dữ liệu giao thức). Có nghĩa PDU tầng (N) được hỗ trợ bởi SDU tầng (N-1)
31 Hình 1.13 : Các thủ tục truyền tin 5 . Các chuẩn truyền thông 5.1. Foudation Fieldbus Foundation fielbus được phát triển bởi tổ chức Foundation Fieldbus, một tổ chức phi lởi nhuận với số thành viên hơn một trăm công ty hoạt động trong lĩnh vực tự động hóa trên toàn thế giới. Foundation Fielbus ban đầu phát hành với hai cấp độ, 31.25kbps và 1Mbps. Các hệ thống cao hơn như 2.5Mbps, chủ yếu được dùng thay thế cho các đường truyền kỹ thuật tương tự 4-200mA và mỗi phân đoạn hỗ trợ tối đa 32 thiết bị. Ở các cấp tốc độ cao hơn, Foundation Fieldbus được phát triển trên nền mạng enthernet và sử dụng switch và được gọi là fieldbus HSE (High speech switch Enthernet).Fieldbus HSE chủ yêu sử dụng để sử dụng để liên kết các phân loại mạng Fieldbus để tạo thành hệ thống lớn hơn nhưn ngày nay có nhữn thiết bị phát triển để có thể kết nối trực tiếp vào Fieldbus HSE. Foundation fieldbus trở thành chuẩn quốc tế và xu hướng phát triển của hệ thống tự động hóa là sử dụng Foundation Fieldbus nhằm nâng cao khả năng tích hợp. Với việc sử dụng Foundation Fieldbus, ta có thể kết nối trong cùng một hệ thống điều khiển các thiết bị điều khiển, đo lường và chấp hành của nhiều nhà sản xuất khác nhau một cách dễ dàng.
32 Hình 1.14 : Hình chuẩn truyền thông Foudation Fieldbus 5.2. Ethernet: Ethernet được phát triển bởi trung tâm nghiên cứu Palo Alto (PARC) thuộc tập đoàn Xerox (Mỹ) được phát triển những năm 70 của thế kỷ 20.Ethernet sử dụng phương pháp truy cập mạng CSMA/CD.Có nhiều giao thức mạng được phát triển 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. Hình 1.15 : Hình chuẩn truyền thông Ethernet
33 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 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 :
34  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 5.5. 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?
35 BÀI 2 NHIỄU VÀ GIẢI PHÁP XỬ LÝ Mã bài: MĐ34-02 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: - Hiểu 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) trong khi từ "While" đề cập đến cái cách phân bố công suất tín hiệu trong miền thời gian hoặc tần số.
36 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. Nhiễu và các giải pháp xử lý: 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 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
37 - 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
38 Hình 2.3: Các kiểu nối đất 3.5 Kỹ thuật triệt nhiễu - Nhiễu cáp truyền cảm ứng điện dung Hình 2.4: Kỹ thuật triệt nhiễu bằng điện dung
39 - Bảo vệ chống cảm ứng điện dung Hình 2.5: Bảo vệ chống cảm ứng điện dung - 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
40 - Cảm ứng điện cảm và cách bảo vệ Hình 2.8: 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 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.
41 Hình 2.10: Cáp dây xoắn - Loại Cáp đồng trục: - Kiểu chống nhiễu của nó dựa vào điện cảm 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 10 9
42 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 3.6 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?
43 BÀI 3 CHUẨN TRUYỀN THÔNG RS232 Mã bài: MĐ34-03 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: - Hiểu 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 –
44 Data Communication Equipment) ví dụ giữa máy tính và Modem (dùng dây Console để cấu hình mạng cho Modem qua máy tính). 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. 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
45 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 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
46 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. 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
47 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: 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 RS485 Một 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
48 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. 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.
49 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 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
50 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. 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.
51 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. 5.5. Tóm tắt: 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 cần phải nắm bắt một số vấn đề cơ bản để có thể tiếp cận nhanh trong công nghiệp. 5.6. Câu hỏi ôn tập: 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
52 BÀI 4 CHUẨN TRUYỀN THÔNG RS485 Mã bài: MĐ34-04 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: - Hiểu các chuẩn truyền thôngRS422/RS485 trong công nghiệp. - Vận dụng được kiến thức để khắc phục các sự cố của cáp truyền . - Chủ động, sáng tạo an toàn cẩn thận trong quá trình học tập. Nội dung chính : 1. Chuẩn truyền thông RS485 : RS-485 hiện nay được gọi với tên chuẩn quốc tế là EIA/TIA-485, là chuẩn duy nhất do EIA đưa ra mà có khả năng truyền thông đa điểm thực sự chỉ dùng một đường dẫn chung duy nhất, được gọi là bus. Được thiết kế với mục đích có thể dùng nhiều hơn hai trạm trên một đường truyền mà chuẩn RS-232 không làm được (chuẩn RS-232 chỉ có thể kết nối hai trạm trên một đường truyền). RS-485 cho phép sử dụng tối đa 32 thiết bị (tải đường truyền) tham gia vào đường một truyền.Vì thế được dùng phổ biến trong các hệ thống bus trường.32 trạm được ghép nối được định địa chỉ và giao tiếp đồng thời trong một đoạn RS-485 mà không cần bộ lặp. RS-485 sử dụng cấu hình mạng phổ biến nhất là sử dụng hai dây dẫn cho việc truyền tín hiệu. Hình 4.1 : Cấu hình mạng RS-485 hai dây (A và B).
53 RS-485 không phải là một chuẩn chọn vẹn mà chỉ là một chuẩn về đặc tính điện học, vì vậy không có các quy định cho cáp nối cũng như các bộ nối.Có thể dùng đôi dây xoắn, cáp trơn hoặc các loại cáp khác, tuy nhiên đôi dây xoắn vẫn là loại cáp được sử dụng phổ biến nhất nhờ đặc tính chống tạp nhiễu và xuyên âm. 1.1 Đặc tính điện học: RS-485 sử dụng phương thức truyền dẫn chênh lệch đối xứng, tức là sử dụng sự chênh lệch điện áp giữa hai dây dẫn (dây âm và dây dương) để biểu diễn trạng thái logic (1 và 0) của tín hiệu, không phụ thuộc vào đất. Thông số Điều kiện Tối thiểu Tối đa Điện áp đầu ra hở mạch 1,5V 6V Điện áp đầu ra khi có tải RLOAD = 100 1.5V 5V Dòng ra ngắn mạch 250mA * Thời gian quá độ đầu ra RLOAD = 54 30% Tb CLOAD = 54pF Điện áp chế độ chung đầu RLOAD = 54 -1V 3V ra VOC Độ nhạy cảm đầu vào -7V VCM 12V 200mV Điện áp chế độ chung VCM -7V 12V Trở kháng đầu vào 12k Bảng 4.1: Tóm tắt các thông số quan trọng của RS-485. Hình 4.2: Quy định trạng thái logic của tín hiệu RS-485
54 1.2 Các đặc trưng của RS485: Chế độ truyền bán song công hay hai chiều gián đoạn (half-duplex) đối với cấu hình hai dây dẫn cho việc truyền tín hiệu, giá thành đầu tư ít hơn. Chế độ truyền song công hay hai chiều toàn phần (full-duplex) với cấu hình bốn dây dẫn cho việc truyền tín hiệu, phù hợp với các ứng dụng đòi hỏi tốc độ truyền tải thông tin cao, tuy nhiên giá thành cao hơn.Mặc dù mức tín hiệu được xác định bằng điện áp chênh lệch giữa hai dây dẫn A và B không có liên quan tới hệ đất, hệ thống RS-485 vẫn cần một đường dây nối đất để tạo một đường thoát cho nhiễu chế độ chung và các dòng khác, ví dụ dòng đầu vào bộ thu. RS 485 cho phép 32 bộ truyền trên bus có 3 ngõ ra trạng thái tốc độ truyền tối đa là 10Mbps. 2. Xử lý sự cố: 2.1 Giới thiệu: Chuẩn RS-485 cho phép 32 mạch truyền và nhận cùng nối vào đường dây bus (với bộ lặp Repeater tự động và các bộ truyền nhận trở kháng cao,giới hạnh này có thể mở rộng lên đến 256 node mạng). Bên cạnh đó RS- 485 còn có thể chịu được các xung đột data và các điều kiện lỗi trên đường truyền.Vì Receiver nhận tín hiệu bằng cách lấy chênh lệch áp giữa hai đường dây (vi sai), nên nhiễu được tự động triệt tiêu.Trên thực tế các linh kiện RS- 485 chỉ chịu được sự chênh lệch điện áp giữa các đất trong giới hạn chỉ định trong Datasheet.Một cách khác để khử hoặc giảm vấn đề điện áp đất này là cách ly đường kết nối để điện thế đất của bộ truyền và bộ nhận không bị ảnh hưởng lẫn nhau. Giới hạn nhiễu này tuy nhỏ hơn so với RS-232 nhưng vẫn còn nhiễu do bị ảnh hưởng bởi các thiết bị khác và bản thân tự RS485 sinh ra nên ta cần phải có cách lọc nhiễu. 2.2 Chuẩn truyền thông RS485 và RS422: Về tính điện học, RS-485 và RS-422 giống nhau về cơ bản. RS-485 cũng sử dụng tín hiệu diện áp chênh lệch đối xứng giữa hai dây dẫn A và B. Ngưỡng giới hạn qui định cho VCM đối với RS-485 được nới rộng ra khoảng – 7 V đến 12 V, cũng như trở kháng đầu vào cho phép lớn gấp ba lần so với RS-422. Cũng như RS-422, RS-485 cho phép khoảng cách tối đa giữa trạm đầu và trạm cuối trong một đoạn mạng là 1200m.Không phụ thuộc vào số trạm tham gia. Tốc độ truyền dẫn tối đa có thể lên tới 10Mbit/s. Tuy nhiên có sự ràng buộc giữa tốc độ truyền dẫn tối đa và độ dây dẫn cho phép, tức là một mạng dài 1200m không thể làm việc với tốc độ 10MB/s.
55 Trong trường hợp cáp truyền ngắn và tốc độ truyền thấp, ta có thể không cần dùng điện trở đầu cuối (điện trở khoảng 100Ω đến 120Ω). Tín hiệu phản xạ sẽ suy giảm và triệt tiêu sau vài lần qua lại. Tốc độ truyền dẫn thấp có nghĩa là chu kỳ nhịp bus dài. Nếu tín hiệu phản xạ triệt tiêu hoàn toàn trước thời điểm trích mẫu ở nhịp tiếp theo ( thường vào giữa chu kỳ) thì tín hiệu mang thông tin sẽ không bị ảnh hưởng. Có nhiều phương pháp để chặn đầu cuối một đường dẫn RS-485, RS-422 như hình minh họa bên dưới. Phương pháp được dùng phổ biến nhất là chỉ dùng một điện trở thuần nối giữa hai dây A và B tại mỗi đầu. Phương pháp này còn được gọi là chặn song song.Điện trở được chọn có giá trị tương đương với trở kháng đặc trưng (trở kháng sóng) của cáp nối.Như vậy sẽ không có tin hiệu phản xạ và chất lượng tín hiệu mang thông tin sẽ được đảm bảo.Nhược điểm của phương pháp này là sự hao tổn nguồn tại haii điện trở. Phương pháp thứ hai chặn RC, sử dụng kết hợp một tụ C mắc nối tiếp điện trở R. Mạch RC cho phép khắc phục nhược điểm của điện trở thuần nêu trên.Nhưng hiệu ứng thông thấp của mạch RC không cho phép hệ thống làm việc với tốc độ cao. Phương pháp nối đất mặc dù tính hiệu điện áp chênh lệch giữa hai dây dẫn A và B không có liên quan tới nối đất, hệ thống RS-485, RS-422 vẫn có một đường dây nối đất để tạo một đường thoát cho nhiễu chế độ chung và các dòng khác. Việc nối đất tạo thiên áp sẽ giữ một mức điện áp tối thiểu giữa hai dây A và B trong trường hợp kể cả khi bus rỗi hoặc có sự cố. Hình 4.3 : Phương pháp chặn đầu cuối RS485/ RS422
56 Phương pháp Không chặn Song song RC Tin cậy Tốc độ Thấp Cao Trung bình Cao Chất lượng Kém Cao Trung bình Cao Tổn hao Thấp Cao Thấp Cao nguồn Bảng 4.2 : Tóm tắt các phương pháp chặn đầu cuối RS-485/RS422. 2.3 Lắp đặt truyền thông RS485: Cách lắp đặt RS-485: Tất cả các thiết bị được nối vào cấu trúc Bus tối đa 32 trạm (Master hay Slave) có thể được nối vào một Sement (đoạn).Bus được kết thúc bằng Bus tích cực (Active Bus Terminator) ở đầu và cuối mỗi Segment.Để đảm bảo hoạt động không có lỗi thì cả đầu kết thúc Bus luôn luôn được có điện. Hình 4.4a : Mạng RS485 đa điểm dùng 2 dây
57 Hình 4.4b : Mạng RS485 đa điểm dùng 2 dây Hình 4.5a : Mạng RS485 đa điểm dùng 4 dây
58 Hình 4.5b : Mạng RS485 đa điểm dùng 4 dây 2.4 Các vấn đề nhiễu: Tốc độ truyền tải vì thế tuy có bị hạn chế.Trong một số trường hợp dãi tần cơ sở không tương thích trong môi trường làm việc.Ví dụ, tín hiệu có các tần số này có thể bức xạ nhiễu ảnh hưởng tới hoạt động của các thiết bị điện tử khác, hoặc ngược lại, bị các thiết bị khác gây nhiễu.Nếu điện trở đầu cuối không phù hợp với giá trị trở kháng đặc tính của đường dây thì nhiểu có thể xảy ra do có sự phản xạ xuất hiện trên đường truyền, nhiễu ở mức độ nhỏ thì không sao nhưng nếu ở mức độ lớn thì có thể làm tín hiệu bị sai lệch. Sau đây là hình minh họa dạng tín hiệu thu được khi dùng 2 điện trở đầu cuối khác nhau. Hình 4.6 :Cách đặt điện trở RT trong RS485 2.5 Kiểm tra thiết bị: - Kiểm tra hệ thống truyền dẫn cân bằng gồm có 2 dây tín hiệu A, B nhưng không có dây mass. Sở dĩ được gọi là cân bằng là do tín hiệu trên dây này ngược với tín hiệu trên dây kia. Nghĩa là nếu dây này đang phát mức cao thì dây kia phải đang phát mức thấp và ngược lại.
59 Hình 4.7a : Kiểu truyền cân bằng 2 dây Hình 4.7b : Tín hiệu trên 2 dây của hệ thống cân bằng bằng máy oscilloscope - Kiểm tra điện áp đầu ra không vượt quá 6 v, điện áp khác biệt không nhỏ hơn 1.5 v và không lớn hơn 6 v - A.1.5V |VOD | 6V - B.|VOA | 6V ;|VOB | 6V - Kiểm tra sự khác biệt điện áp VOD và VOC - A .1.5V |VOD | 5V , và | VOD | ||VOD |VOD || 0.2V - B. 1 |VOC | 3V , và | VOC | ||VOC |VOC || 0.2V
60 2.6 Tóm tắt: Như vậy trong công nghiệp hiện nay chuẩn RS485 được sử dụng rộng rải nhưng vấn đề vềbnhiễu còn gây rất nhiều khó khăn cho các chuyên gia trong nhà máy.Sau này thiết bị công nghiệp ngày càng tân tiến hơn vấn đề nhiễu trong công nghiệp được giảm đi đáng kể phần nào. 2.7 Câu hỏi ôn tập: Câu 1: Nêu sự giống nhau và khác nhau của cáp RS-232/RS422/RS485 về đặc tính điện học, phương pháp nối, ứng dụng? Câu 2: Trong công nghiệp hiện nay các chuẩn truyền thông thường dùng loại cáp nào? Kể tên các loại cáp truyền nhận dùng trong công nghiệp?
61 BÀI 5 CÁP QUANG Mã bài: MĐ34-05 Giới thiệu: Cáp quang đang được sử dụng rộng rải ở nước ta, về tốc độ truyền hơn hẳn cáp đồng thông thường, có giá trị cao về mặt kinh tế và kỹ thuật. Mục tiêu: - Hiểu nguyên lý cấu tạo và các vấn đề cơ bản của cáp quang . - Vận dụng được kiến thức để khắc phục các sự cố xảy ra. - Chủ động, sáng tạo an toàn cẩn thận trong quá trình học tập. Nội dung chính : 1. Giới thiệu: Cáp quang được sử dụng trong các lĩnh vực ứng dụng đòi hỏi tốc độ truyền tải rất cao, phạm vi truyền dẫn lớn hoặc trong các môi trường làm việc chịu tác động mạnh của nhiễu. Một sợi cáp quang bao gồm một sợi lõi, môt lớp bọc và một lớp vỏ bảo vệ.Sợi lõi và lớp bọc được làm bằng thủy tinh hoặc chất dẻo trong suốt. Khác với các loại cáp trên, cáp quang thực hiện truyền tải tín hiệu ánh sáng. Với nguyên lý phản xạ toàn phần ánh sáng trong đường truyền. Hình 5.1: Nguyên tắc làm việc của cáp quang Ánh sáng được truyền trong môi trường có chiết suất n1, nếu đường đi không song song với trục của cáp thì sẽ bị phản xạ tại bề mặt tiếp giáp của hai môi trường với n2 > n1. Ngày nay, Internet đã trở thành một nhu cầu thiết yếu, giúp mọi người ở khắp nơi trên thế giới có thể giao tiếp, trao đổi, học tập, mua sắm, giải trí dễ dàng, nhanh chóng. Các ứng dụng, dịch vụ trên Internet cũng ngày càng phát triển theo, điều này đòi hỏi tốc độ, băng thông kết nối Internet cao và cáp quang trở thành lựa chọn số một – FTTH (Fiber To Home) là một điển hình. FTTH đáp ứng các dịch vụ luôn đòi hỏi mạng kết nối tốc độ cao như IPTV, hội nghị truyền hình, video trực tuyến, giám sát từ xa IP Camera
62 Trước đây, cáp quang chỉ dùng để kết nối các đường trục chính của quốc gia, nhà cung cấp dịch vụ, doanh nghiệp lớn vì chi phí khá cao. Nhưng hiện nay, cáp quang được sử dụng khá rộng rãi ở các doanh nghiệp vừa, nhỏ, các trường đại học và người sử dụng thông thường. Bài viết giới thiệu cơ bản về cáp quang và các đầu nối, giúp bạn đọc hiểu được thông số kỹ thuật trên các tài liệu, thông tin sản phẩm quang. Cáp quang dùng ánh sáng truyền dẫn tín hiệu, do đó ít suy hao và thường được dùng cho kết nối khoảng cách xa. Trong khi cáp đồng sử dụng dòng điện để truyền tín hiệu, dễ bị suy hao trong quá trình truyền và có khoảng cách kết nối ngắn hơn. 2. Các thiết bị: Một tuyến thông tin quang bao gồm một nguồn, một đầu thu và cáp quang kết nối tuyến. Nguồn có thể là LED, IRED hoặc laser diode.Nguồn có thể được điều chế với tín hiệu tương tự, nhưng thường được kích bởi các xung số.Detector thường dùng PIN hoặc APD.Tuyến thông tin có thể xem là thông tin khoảng cách ngắn, trung bình hoặc xa. Thông tin khoảng cách ngắn thường trong phạm vi vài m và dùng cho: - Thiết bị điều khiển quá trình và thiết bị công nghiệp - Cảm biến y tế, đưa vào cơ thể bệnh nhân và nối với thiết bị ghi - Máy tính và thiết bị ngoại vi - Các cấu phần có độ chính xác cao cho mục đích quảng cáo Hệ thống khoảng cách trung bình thường lớn hơn vài m và dưới 1 km, còn gọi là mạng LAN, thường dùng sợi thủy tinh đa mode (băng rộng và tổn hao thấp) hoặc plastic đa mode. Nguồn điển hình là IRED hoạt động ở bước sóng 850 nm. Khẩu độ số thường từ 0.2 ÷ 0.5 và đường kính lõi 50 ÷ 100 µm để tiện cho việc ghép với bức xạ từ IRED. Đường kính lõi lớn hơn sẽ giảm chi phí lắp đặt, kết nối, nhưng độ rộng băng giảm. Hệ thống khoảng cách xa dễ thiết kế hơn do yêu cầu hạn chế sự lựa chọn cấu phần. Hệ thống khoảng cách xa dùng để tải dữ liệu băng rộng và có thể dùng sợi chiết suất graded. Ở khoảng cách rất xa thì chỉ dùng sợi đơn mode để bảo đảm độ rộng băng và mức tổn hao cho phép. Có thể dùng nguồn communication-grade laser diode hoặc edge-emitting IRED để ghép năng lượng vào các sợi quang này. Kỹ thuật hàn cáp sợi quang thường được dùng hơn so với các bộ đấu nối cơ để bao đảm tổn hao thấp và độ ổn định cao. Các cấu trúc ống dẫn sóng và các linh kiện khác :
63 Integrated optics là các ống dẫn sóng và các cấu phần quang được tích hợp trên các đế vật liệu dùng kỹ thuật tương tự mạch tích hợp bán dẫn. Các linh kiện tích hợpquang thường là các bộ tách tín hiệu, các bộ dời pha, các bộ điều chế và các bộ chuyển mạch. Tất cả các linh kiện tích hợp quang đều dùngcác cấu trúc ống dẫn sóng được tạo bởi các đường dẫn của vật liệu có chiết suất lớn hơn chiết suất của vật liệu đế. Các ống dẫn sóng hoạt động tương tự cáp sợi quang và được xem xét như các bộ tách hoặc ghép tín hiệu.Bằng cách điều khiển tiết diện ống dẫn sóng, chiết suất của vật liệu, khoảng cách giữa các lõi và chiều dài của miền ghép, sẽ thiết lập được tỷ phần ghép năng lượng Các thông số của bộ ghép quang: Thông số Bộ ghép 4 cổng Bộ ghép N-Part Tỷ số ghép P2 / (P2 + P3) PN / Po Tổn hao dư thừa P2 + P3/ P1 Po / Pi Tổn hao chèn P2 / P1 PN / Pi Độ đồng nhất P2 / P3 Ph / Ps Độ định hướng P4 / P1 Px / Pi Trong đó: P N: công suất ra khỏi cổng N bất kỳ P i: công suất vào tổng P o: công suất ra tổng P h: công suất ra lớn nhất P s: công suất ra nhỏ nhất P x: công suất ra cổng không ghép Quá trình ghép dùng mạng 4 cổng có thể kết hợp với hiệu ứng quang điện (electro-optic effect) để tạo ra các chuyển mạch quang. Các vật liệu có hiệu ứng quang điện sẽ thay đổi chiết suất khúc xạ khi có mặt điện trường do áp đặt điện áp. Sự kết hợp của điện áp thiên áp và điện áp chuyển mạch sẽ xác định đầu ra truyền bức xạ. Các vật liệu tinh thể (chẳng hạn GaAs) có hiệu ứng quang điện. Vật liệu đế: LiNbO có hiệu ứng quang điện rất mạnh. Thế chuyển mạch cỡ 5— 10V.Hệ số địnhhướng cỡ 100:1 đến 3000:1. Chiết suất của vật liệu ảnh hưởng đến vận tốc truyền sóng và thay đổi chiết suất có thể thay đổi pha tương đối. Các bộ di pha và điều chế pha cấu tạo từ một ống dẫn sóng đặt trong tinh thể quang điện, giữa 2 điện cực. Lượng di pha phụ thuộc độ lớn điện áp và chiều dài ống dẫn sóng.
64 3. Các thông số cơ bản: Khoảng cách giữa các góc được phép (hay góc tách được phép: ∆θ = λ / d = λ0/ n1d Trong đó: d: đường kính sợi quang n 1: chiết suất lõi sợi quang λ 0: bước sóng trong không gian tự do Số mode có thể tồn tại trong sợi quang phụ thuộc ∆θ và góc tới lan truyền, với cáp tròn: n = (πT)2/2 trong đó: T = θp/ ∆θ θ p: góc lan truyền cực đại n: số mode khi πT > 2.405 Thông số V (hay tần số chuẩn hoá), khi π T < 2,405: V = πT =π 2r[(n12 – n22)1/2] / λ0 Trong đó: r: bán kính lõi sợi quangn2: chiết suất vỏ Méo mode và tán sắc: Gọi - t0: trễ trục với khoảng cách L - tm: trễ dọc theo đường truyền ứng với θp - t0 = n1L / ctm = n1L / c.cos θp - ∆t = tm – t0 = (Ln1/c)(n1 – n2)/n2 Hiện tưọng tán sắc xảy ra khi nguồn bức xạ nhiều bước sóng trong một khoảng ∆λ , khi đó xung tín hiệu sẽ bị mở rộng 1 lượng: t = K(λ).∆λ.L Trong đó: : h K (λ) ệ số tán sắc, phụ thuộc vật liệu và bước sóng. L: chiều dài cáp sợi quang Công suất thu: - Công suất bức xạ sẽ ra khỏi ống dẫn sóng theo 1 hình nón tương tự như qua lỗ hẹp . - Khi khoảng cách giữa đầu thu và miệng sợi quang giảm, kích thước vệt chiếu từ miệng sẽ đạt tới đưòng kính lõi sợi quay. Nếu diện tích đầu thu nhỏ hơn diện tích vệt chiếu, thì tỷ số dòng bức xạ thu được /dòng rời khỏi sợi quay = tỷ số diện tích:
65 2 2 θe / θ0 = (Dd / Dc) (NAdet / NAfiber) Trong đó: - NAdet: khẩu độ số đầu thu - NAfiber: khẩu độ số sợi quang -θ e: dòng bức xạ đến đầu thu -θ 0: dòng bức xạ rời khỏi miệng sợi quan -Dd: đường kính miệng đầu thu -Dc: đường kính lõi sợi quang Độ rộng băng: - BW = 0.35 / T - T = (t12 – t22)1/2 - T: hệ số mở rộng xung - t2: độ rộng xung đầu ra sợi quang - t1: độ rộng xung đầu vào sợi quang(rad) 4. Các loại Có 3 loại sợi quang cơ bản : - Sợi chiết suất bước (step-index fiber): thay đổi đột biến chiết suất lõi và vỏ. - Sợi chiết suất thay đổi từ từ (graded-index fiber) 2 2 1/2 n(r) = n0[1- (n12 – n22)/n0 (r/r0) ] , với 0 < r < r0 Chiết suất giảm dần từ tâm ra biên phân cách với vỏ (n2)  Step- index- multimode fiber: . Đường kính lõi 50 → 1000 µm . 0.2 ≤ NA ≤ 0.5 . Đường kính ngoài từ 125 ÷ 1100 µm  Graded - index - multimode fiber : . - Đường kính lõi 50 ÷ 100 µm . - 0.2 ≤ NA ≤ 0.3 . Đường kính ngoài từ 125 ÷ 150 µm → thông tin khoảng cách xa  Single mode fiber: - Đường kính lõi: 4 ÷ 10 µm - 0.1 ≤ NA ≤ 0.15 - Đường kính ngoài từ 75 ÷ 125 µm → long-distance communication - Các xung công suất được tải dọc theo các đường khác nhau sẽ tới đầu cuối tại những thời điểm khác nhau ( mode trục tới trước tiên, mode ứng với
66 góc NA đến sau cùng) → trễ mode . - Do trễ mode, xung dòng tổng thu được sẽ rộng hơn xung bức xạ gốc. → quá trình mở rộng xung này xung này gọi là méo mode (modal distortion ). → Graded - index fiber có méo mode nhỏ hơn so với step-mode fiber. - Biên độ xung truyền qua cáp bị suy giảm do hấp thụ, tán xạ và bức xạ. Ngoài ra còn phân ra 2 loại cáp quang theo cấu tạo: Ribbon:cáp quang dạng ruy-băng, chứa nhiều sợi quang bên trong (Hình 5.2.a) Zipcord: hai sợi quang có vỏ ngoài liền nhau như dây điện (Hình 5.2b) Hình 5.2.a: Nguyên tắc làm việc Hình 5.2.b: Nguyên tắc làm việc của của cáp quang cáp quang Bất kỳ giao tiếp quang nào cũng bao gồm 3 thành phần: nguồn phát, vật truyền dẫn trung gian (cáp quang) và nguồn thu. Nguồn phát sẽ chuyển đổi tín hiệu điện tử thành ánh sáng và truyền dẫn qua cáp quang. Nguồn thu chuyển đổi ánh sáng thành tín hiệu điện tử. Có hai loại nguồn phát là laser và Led. Laser ít tán sắc, cho phép truyền dẫn dữ liệu tốc độ nhanh, khoảng cách xa (trên 20km), dùng được cho cả Singlemode và Multimode nhưng chi phí cao, khó sử dụng. Led tán sắc nhiều, truyền dẫn tốc độ chậm hơn, bù lại chi phí thấp, dễ sử dụng, thường dùng cho cáp quang Multimode. Led dùng cho hệ thống có khoảng cách ngắn hơn, có thể sử dụng cho cả sợi quang thủy tinh, sợi quang plastic.
67 5. Loại cáp quang bình thường: 5.1. Cáp trên không Hình 5.3: Hình dáng bên trong của cáp quang 3 lõi Có số sợi quang đơn trong cáp từ 2 đến 60 Số sợi, Bước sóng họat động của sợi quang khoảng từ 1310nm và 1550nm, có phần tử chịu lực trung tâm Phi kim loại (FRP).Ống đệm chứa và bảo vệ sợi quang làm theo phương pháp ống đệm lỏng, có chứa sợi quang được bện theo phuơng pháp SZ (SZ-stranded) quanh phần tử chịu lực trung tâm. Khe của sợi quang và mặt trong của ống đệm được làm đầy bằng hợp chất điền đầy,đặc biệt nhằm chống xâm nhập của nước. Cáp có thêm một lớp băng chống thấm nước và lớp nhựa PE bảo vệ bên ngoài. Một dây treo bằng sợi thủy tinh phi kim loại (FRP) thích hợp cho việc dùng ngoài trời và treo trên không. 5.2. Cáp ngầm (trong đất, nước): Sợi cáp quang được cấu tạo từ ba thành phần chính: lõi (core), lớp phản xạ ánh sáng (cladding), lớp vỏ bảo vệ chính (primary coating hay còn gọi coating, primary buffer). Core được làm bằng sợi thủy tinh hoặc plastic dùng truyền dẫn ánh sáng. Bao bọc core là cladding – lớp thủy tinh hay plastic – nhằm bảo vệ và phản xạ ánh sáng trở lại core. Primary coating là lớp vỏ nhựa PVC giúp bảo vệ core và cladding không bị bụi, ẩm, trầy xước. Hai loại cáp quang phổ biến là GOF (Glass Optical Fiber) – cáp quang làm bằng thuỷ tinh và POF (Plastic Optical Fiber) – cáp quang làm bằng plastic. POF có đường kính core khá lớn khoảng 1mm, sử dụng cho truyền dẫn tín hiệu khoảng cách ngắn, mạng tốc độ thấp. Trên các tài liệu kỹ thuật, bạn thường thấy cáp quang GOF ghi các thông số 9/125µm, 50/125µm hay 62,5/125µm, đây là đường kính của core/cladding; còn primary coating có đường kính mặc định là 250µm. Hình 2
68 Hình 5.4: Hình dáng bên trong của cáp quang 1 lõi Bảo vệ sợi cáp quang là lớp vỏ ngoài gồm nhiều lớp khác nhau tùy theo cấu tạo, tính chất của mỗi loại cáp. Nhưng có ba lớp bảo vệ chính là lớp chịu lực kéo (strength member), lớp vỏ bảo vệ ngoài (buffer) và lớp áo giáp (jacket) – tùy theo tài liệu sẽ có tên gọi khác nhau. Strength member là lớp chịu nhiệt, chịu kéo căng, thường làm từ các sợi Kevlar. Buffer thường làm bằng nhựa PVC, bảo vệ tránh va đập, ẩm ướt. Lớp bảo vệ ngoài cùng là Jacket. Mỗi loại cáp, tùy theo yêu cầu sử dụng sẽ có thêm các lớp jacket khác nhau. Jacketcó khả năng chịu va đập, nhiệt và chịu mài mòn, bảo vệ phần bên trong tránh ẩm ướt và các ảnh hưởng từ môi trường. Có hai cách thiết kế khác nhau để bảo vệ sợi cáp quang là ống đệm không chặt (loose-tube) và ống đệm chặt (tight buffer). 5.3. Cáp trong nhà: Hình 5.5: Cáp quang trong nhà Tight-buffer thường dùng trong nhà (indoor), bao bọc khít sợi cáp quang (như cáp điện), giúp dễ lắp đặt khi thi công. Trên một số tài liệu, bạn sẽ gặp hai thuật ngữ viết tắt IFC, OSP.IFC (Intrafacility fiber cable) là loại cáp dùng trong nhà, có ít lớp bảo vệ vật lý và việc thi công lắp đặt linh hoạt. OSP (Outside plant cable) là loại cáp dùng ngoài trời, chịu được những điều kiện khắc nghiệt của nhiệt độ, độ ẩm, bụi loại cáp này có nhiều lớp bảo vệ.
69 6. Kết nối cáp: 6.1. Suy giảm kết nối: Suy hao quang (Optical loss): lượng công suất quang (optical power) mất trong suốt quá trình truyền dẫn qua cáp quang, điểm ghép nối. Ký hiệu dB. Suy hao phản xạ (Optical Return loss): ánh sáng bị phản xạ tại các điểm ghép nối, đầu nối quang. Suy hao tiếp xúc (Insertion loss): giảm công suất quang ở hai đầu ghép nối. Giá trị thông thường từ 0,2dB – 0,5dB. Suy hao (Attenuation): mức suy giảm công suất quang trong suốt quá trình truyền dẫn trên một khoảng cách xác định. Ký hiệu dB/km. Ví dụ, với cáp quang Multimode ở bước sóng 850nm suy giảm 3dB/km, trong khi ở bước sóng 1300nm chỉ suy giảm 1dB/km. Cáp quang Singlemode: suy giảm 0,4dB/km ở 1310nm, 0,3dB/km ở 1550nm. Đầu nối (connector) suy giảm 0,5dB/cặp đấu nối. Điểm ghép nối (splice) suy giảm 0,2 dB/điểm. Bước sóng (Wavelength): là chu kỳ di chuyển của sóng điện từ. Ký hiệu nm (nanometer). Ánh sáng chúng ta nhìn thấy được có wavelength từ 400nm đến 700nm (màu tím đến màu đỏ). Cáp quang sử dụng ánh sáng nằm trong vùng hồng ngoại có wavelength lớn hơn wavelength mà ta nhìn thấy – trong khoảng 850nm, 1300nm và 1550nm. Các bước sóng truyền dẫn quang được xác định dựa trên hai yếu tố nhằm khắc phục tình trạng suy hao do năng lượng và vật liệu truyền dẫn: các bước sóng nằm trong vùng hồng ngoại và các bước sóng không nằm trong vùng hấp thu, cản trở năng lượng ánh sáng truyền dẫn (absorption) do tạp chất lẫn trong cáp quang từ quá trình sản xuất
70 Hình 5.6: Hình mô tả bước sóng cáp quang Vậy vì sao chúng ta không sử dụng các bước sóng dài hơn? Bước sóng hồng ngoại là sự chuyển tiếp giữa ánh sáng và nhiệt. Bước sóng dài hơn, nhiệt xung quang càng nóng hơn, tín hiệu nhiễu loạn nhiều hơn. Do đó, thường POF có bước sóng 650nm, 850nm. GOF với Multimode hoạt động ở 850nm và 1300nm, Singlemode ở 1310nm, 1550nm. Giữa hai bước sóng 1300nm và 1310nm không khác biệt nhau, chỉ là cách qui ước để phân biệt sử dụng cáp quang Singlemode hay Multimode. 6.2. Sự kết nối: Đầu nối quang: gồm nhiều thành phần kết hợp lại với nhau, chúng có nhiều kiểu như SC/PC, ST/UPC, FC/APC Nhưng có hai thành phần bạn cần quan tâm, đó là kiểu đầu nối SC, ST, FC và điểm tiếp xúc PC, UPC, APC.SC (subscriber connector), ST (straight tip), FC (fiber connector) là các kiểu đầu nối quang có dạng hình vuông, hình tròn Hình 5.7a: Hình đầu nối cáp quang 6.3. Xử lý kết nối: Bên trong đầu nối là ferrule, giúp bảo vệ và giữ thẳng sợi cáp quang. Ferrule được làm bằng thủy tinh, kim loại, plastic hoặc gốm (ceramic) – trong đó chất liệu gốm là tốt nhất. Hình 5.7b: Hình đầu nối cáp quang Đỉnh của ferrule được làm nhẵn (polish) với ba dạng điểm tiếp xúc chính PC (Physical Contact), UPC (Ultra Physical Contact) và APC (Angled Physical
71 Hình 5.7c: Hình đầu nối cáp quang Contact), giúp đảm bảo chỗ ghép nối có ít ánh sáng bị mất hoặc bị phản xạ nhất. Dạng PC được vạt cong, sử dụngvớicác kiểu đầu nối FC, SC, ST. PC, có giá trị suy hao phản xạ (optical return loss) là 40dB. Vì giá trị này khá cao, nên đã thúc đẩy các nhà sản xuất tiếp tục tìm kiếm các giải pháp tốt hơn. UPC là giải pháp tiếp theo, nó cũng được vạt cong như PC nhưng giảm return loss hơn. UPC có giá trị return loss 50dB. UPC dùng với các đầu nối FC, SC, ST, DIN, E2000. APC được vạt chéo 8 độ, loại bỏ hầu hết sự phản xạ ở điểm ghép nối và có giá trị return loss 60dB. Bạn nên lưu ý là khi đọc các thông số kỹ thuật quang đề cập mức suy hao có thể làm bạn dễ hiểu sai về dấu “+” và “-”. Chẳng hạn, với kết quả tính toán, đo đạc mức độ suy hao là -40dB. Trên thông số kỹ thuật có thể viết giá trị suy hao (loss values) là 40dB hoặc số đo mức phản xạ là -40dB hay độ lợi (gain) là -40dB. Tất cả đều như nhau, do đó bạn cần chú ý cách viết để tránh hiểu sai. Hiện nay, giá thành cáp quang và các phụ kiện quang đã thấp hơn so với cách nay vài năm. Cùng với việc ứng dụng nhiều giải pháp như IP Camera, VoIP, Hội nghị truyền hình qua mạng, kết nối mạng gigabit giữa các tòa nhà, văn phòng, xưởng sản xuất; cáp quang dần trở thành lựa chọn số một cho việc triển khai hạ tầng mạng đòi hỏi nhiều băng thông và tốc độ cao Việc hàn nối cáp quang là vệc làm không thể thiếu khi triển khai một hệ thống mạng cáp quang. Như các bạn đã biết, một sợi cáp quang chưa có đầu nối mà chỉ là các sợi cáp làm bằng sợi thủy tinh mỏng manh như sợi tóc rất dễ gẫy và không thể cắm vào thiết bị để thực hiện việc kết nối, do vậy chúng ta phải sử dụng dây nối quang - dây hàn quang để hàn váo sợi cáp rồi cắm vào hộp phối quang ODF, rồi từ hộp phối quang ODF dùng dây nhảy quang để kết nối với thiết bị quang điện (converter quang, bộ chuyển đổi quang điện, ). Việc hàn nối cáp quang không thể thực hiện một cách thủ công, bằng tay, mà phải có máy móc chuyên dụng là máy hàn cáp quang mới có thể tiến hành hàn nối. Mộ bộ máy hàn cáp quang gồm có thân máy chính, dao cắt chính xác sợi quang, kìm tuốt sợi quang, và các dụng cụ khác Chúng tôi có đầy đủ các trang thiết bị tốt, hiện đại, có thể triển khai cho quý khách hàng một cách nhanh nhất.
72 Các máy móc phục vụ việc hàn nối cáp quang, đo kiểm cáp quang, xử lý điểm đứt cáp quang gồm: - 01 Máy hàn cáp quang Fujikura FSM-60S. Hình 5.8: Hình Máy hàn cáp quang Fujikura FSM-50S - 02 Máy hàn cáp quang Inno Instrument IFS-10. Hình 5.9: Hình Máy hàn cáp quang Inno Instrument IFS-10 - 01 Máy đo OTDR cáp quang Yokogawa AQ7275.
73 Hình 5.10: Hình Máy đo OTDR cáp quang Yokogawa AQ7275 - 01 Máy đo OTDR cáp quang Anritsu MT9083. Hình 5.11: Hình Máy đo OTDR cáp quang Anritsu MT9083 - 01 Bộ đo suy hao quang (Loss Test Set). Hình 5.12: Hình Bộ đo suy hao quang (Loss Test Set) - 03 Bút laser kiểm tra dây nhảy quang. 6.4. Xử lý sự cố: Khi cáp quang bị dứt hay hư hỏng ảnh hưởng đến việc truyền thông tin liên lạc, trao đổi thông tin đi nước ngoài của khách hàng như dịch vụ web, e- mail, thoại, video sẽ bị ảnh hưởng do lưu lượng chuyển sang các hướng dự phòng và có khả năng gây nghẽn mạng.
74 Khi sự cố cáp quang xảy ra như ở tuyến cáp quang quốc tế AAG (Asia America gate way 25/10/2012) làm sự truyền đạt thông tin giữa các tuyến bị ngừng không thể trao đổi được phải chuyển sang hướng dự phòng. Khi ta sang hướng dự phòng sau đó tiến hành xử lý kiểm tra cáp bằng các dụng cụ ở trên để có thể nhận biết cáp đứt chổ nào, ta tiến hành nối cáp bằng các thiết bị nối cáp chuyên dụng, kiểm tra các mối nối cáp, các thiết bị khe cắm vệ sinh các hub 6.5. Thực hành đấu nối cáp quang bằng máyFujikura FSM-50S:  Bước 1 : chuẩn bị Chuẩn bị máy hàn cáp FSM-50S, cáp quang, dao cắt cáp quang, sau đó bật nguồn máy hàn cáp quang, bấm nút và giữ cho đến khi đèn LED trên bàn phím sáng. Màn hình chờ “READY” sẽ hiển thị sau khi sau khi tất cả các motor đã được đưa về vị trí khởi đầu. Kiểu nguồn cung cấp sẽ được hiển thị. Nếu sử dụng nguồn pin, trạng thái điện năng còn lại của nguồn pin sẽ được chỉ thị. Hình 5.13: Bật nguồn máy hàn cáp quang Hiệu chỉnh góc màn hình thích hợp để có góc nhìn tốt nhất, dùng các phím mũi tên xuống và mũi tên lên để hiệu chỉnh độ sáng của màn hình. Bấm phím "Enter" để xác lập giá trị. Hình 5.14: Hiệu chỉnh độ sáng màn hình
75 Chọn chế độ hàn thích hợp cho các loại sợi quang cần hàn. Chế độ hiện tại được hiển thị trên màn hình “READY”.Chế độ AUTO được khuyến nghị cho các loại sợi SM, DS, NZDS và MM. Việc cân chỉnh hồ quang sẽ được thực hiện tự động cho phù hợp với tiến trình hàn.Lựa chọn chế độ gia nhiệt thích hợp với loại ống co nhiệt bảo vệ mối hàn.Chế độ gia nhiệt được hiển thị trên màn hình “READY”.Để thay đổi chế độ hàn, bấm phím mũi tên sang trái tại màn hình “READY”. Để thay đổi chế độ nung, bấm mũi tên sang trái lần nữa. Màn hình sẽ chuyển lần lượt vào chế độ [Splice Mode Select] và [Heater Mode Select].  Bước 2 :thiết lập kích thước khoang nung Thiết lập kích thược khoang nung bằng cách, mở nắp khoang nung, trượt thanh định cỡ đến giá trị thích hợp với loại ống co nhiệt sử dụng. Hình 5.15: Thiết lập kích thước khoang nung  Bước 3 : 3.1 Làm sạch sợi quang Làm sạch bằng gạc hoặc vải mỏng thấm cồn khoảng 100mm đầu sợi để tránh các hạt bụi lọt vào ống có nhiệt làm ảnh hưởng tới chất lượng mối hàn.Luồn một trong hai sợi quang vào ống co nhiệt (Fiber protection sleeve). Hình 5.16: Luồn sợi quang vào ống co nhiệt 3.2 Tuốt và làm sạch sợi
76 Tuốt lớp áo ngoài sợi quang khoảng 30 đến 40 mm đầu sợi bằng dụng cụ tuốt sợi.Làm sạch kỹ, lưỡng sợi bằng gạc tẩm hay vải mỏng tẩm cồn.Cồn sử dụng phải là loại 99% trở lên. Hình 5.17: Tuốt và làm sạch sợi 3.3 Cắt phẳng đầu quang Hình 5.18: Mở nắp dao cắt sợi quang (1) Để mở khoá đe dao, ấn nhẹ lắp dao xuống. Tiếp theo, gạt núm khoá sang vị trí “unlock” để mở đe dao. (2) Đặt phần sợi đã tuốt vào rãnh chữ V trên dao cắt. Điều chỉnh chiều dài thích hợp. (3) Ấn lắp dao từ từ cho đến khi lưỡi dao trượt đến vị trí sợi quang. (4) Ấn lắp dao nhanh khi lưỡi dao cắt qua sợi quang. (5) Thả nắp dao từ từ. Lò so hồi vị sẽ đẩy nắp dao mở ra. Hình 5.19: Cắt phẳng đầu sợi quang (6) Lấy phần cắt bỏ ra và vứt bỏ vào nơi an toàn. (7) Mở kẹp giữ sợi quang và lấy sợi ra
77 (8) Sau khi dùng xong dao, khoá dao bằng cách ấn nắp dao xuống và kéo chốt đến vị trí “lock”. 3.4 Đưa sợi quang vào máy hàn cáp quang (1) Mở lắp khoang hàn (wind protector) và mở các tấm kẹp giữ sợi quang (Sheath clamp). (2) Đặt các sợi quang đã được chuẩn bị vào rãnh chữ V, vị trí đầu các sợi quang phải nằm giữa rãnh chữ V và đầu của điện cực. Hình 5.20: Đặt sợi quang vào máy hàn (3) Giữ sợi quang bằng các ngón tay và đóng các tấm kẹp sợi để giữ chặt sợi quang. Đảm bảo rằng sợi được đặt đúng khe rãnh chữ V. Nếu sợi không nằm đúng vị trí này, phải đặt lại sợi quang. (4) Tiếp theo, đặt sợi còn lại vào rãnh chữ V bên kia như trong bước 3. (5) Đóng nắp khoang hàn.  Bước 4 : Tiến trình hàn sợi quang Để bảo đảm mối hàn tốt, các sợi quang phải được theo dõi bằng hệ thống xử lý hình ảnh nằm trong máy hàn. Tuy nhiên, trong một số trường hợp, hệ thống xử lý ảnh không thể phát hiện ra mối hàn có khiếm khuyết. Giám sát thị giác cùng với màn hình là cần thiết để có mối hàn chất lượng tốt. Quy trình hoạt động chuẩn được mô tả dưới đây.
78 Hình 5.21: Kiểm tra sợi quang bằng hình ảnh (1) Các sợi đưa vào máy hàn được dịch chuyển qua lại. Sợi được dịch chuyển tiến đến phía trước dừng tại một khoảng cách rất gần ngay sau khi công đoạn làm sạch bằng hồ quang được thực hiện. Tiếp theo, góc cắt và chất lượng bề mặt cắt được kiểm tra. Nếu góc cắt vượt qua ngưỡng cho phép hoặc phát hiện thấy có vết trên bề mặt sợi thì máy hàn sẽ cảnh báo với người khai thác bằng thông báo trên màn hình và tiếng kêu.Tiến trình hàn sẽ được dừng lại.Nếu không có thông báo lỗi, các trạng thái đầu sợi dưới đây sẽ được dùng để kiểm tra hình ảnh. Nếu giám sát thấy các tình trạng này, lấy sợi ra khỏi máy hàn để tuốt và cắt sợi lại. Các hình ảnh này cũng có thể gây ra do lỗi của máy hàn. Hình 5.22: Các lỗi cắt sợi (2) Sau khi kiểm tra sợi, các sợi được căn chỉnh lõi và vỏ của hai sợi. Độ lệch giữa hai lõi và hai vỏ được hiển thị. Hình 5.23: Hoàn thành mối hàn (3) Sau khi hoàn thành căn chỉnh sợi, công đoạn phóng hồ quang được thực hiện để hàn các sợi quang. (4) Suy hao mối hàn được hiển thị khi hoàn thành công đoạn hàn. Suy hao mối hàn được tính toán trên cơ sở độ chính xác kích thước như đường kính trường mode, Nếu cả góc cắt và suy hao đánh giá đều vượt quá ngưỡng cho phép, thông báo lỗi sẽ hiển thị. Nếu phát hiện mối hàn có các bất thường như: “mỏng”, “dày”, “bong bóng” thì thông báo lỗi sẽ được hiển thị. Nếu không có báo lỗi nhưng hình ảnh mối hàn bất thường, cũng phải thực hiện hàn lại.Suy hao mối hàn có thể được cải thiện trong một số trường hợp bằng cách phóng hồ quang bổ xung.Bấm nút ARC để phóng hồ quang thêm một lần nữa.Suy hao mối hàn được tính toán lại và mối hàn cũng được kiểm tra lại.