Luận văn Nghiên cứu đặc tính của trễ truyền thông trong hệ điều khiển phân tán (DCS)

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH: TỰ ĐỘNG HOÁ NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH CỦA TRỄ TRUYỀN THÔNG TRONG HỆ ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN (DCS) ĐÀO TUẤN ANH THÁI NGUYÊN 2008 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH: TỰ ĐỘNG HOÁ NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH CỦA TRỄ TRUYỀN THÔNG TRONG HỆ ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN (DCS) Học viên : Đào Tuấn Anh Người hướng dẫn khoa học : PGS.TS. Bùi Quốc Khánh THÁI NGUYÊN 2008 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐHKT CÔNG NGHIỆP Độc lập - Tự do - Hạnh phúc -----------o0o----------- THUYẾT MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐỀ TÀI: NGHI ÊN CỨU ĐẶC TÍNH CỦA TRỄ TRUYỀN THÔNG TRONG HỆ ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN (DCS) Học viên: Đào Tuấn Anh Lớp: CH-K8 Chuyên ngành: Tự động hoá Người HD khoa học: PGS. TS. Bùi Quốc Khánh Ngày giao đề tài: 01/11/2007 Ngày hoàn thành: 30/4/2008 KHOA ĐT SAU ĐẠI HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN HỌC VIÊN PGS.TS. Bùi Quốc Khánh Đào Tuấn Anh Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn này là công trình do tôi tổng hợp và nghiên cứu. Trong luận văn có sử dụng một số tài liệu tham khảo như đã nêu trong phần tài liệu tham khảo. Tác giả luận văn Đào Tuấn Anh Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên MỤC LỤC Trang TRANG PHỤ BÌA LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ DANH MỤC BẢNG BIỂU LỜI NÓI ĐẦU CHƢƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ MẠNG TRUYỀN THÔNG TRONG HỆ ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN 1 1.1. Tổng quan hệ về tự động hoá quá trình sản xuất và các hệ điều khiển 1 1.1.1. Mô hình phân cấp của hệ thống tự động hoá quá trình sản xuất 1 1.1.2. Mạng truyền thông trong hệ thống điều khiển tự động 3 1.2. Truyền thông trong hệ điều khiển phân tán (DCS) 5 1.2.1 Khái quát chung về hệ DCS 5 1.2.1.1. Cấp chấp hành - cảm biến 5 1.2.1.2. Cấp điều khiển 7 1.2.1.3. Cấp vận hành, giám sát chỉ huy 7 1.2.1.4. Hệ thống quản lý thông tin 7 1.2.1.5. Chức năng của hệ DCS 8 1.2.2. Truyền thông trong hệ DCS 10 1.2.2.1. Ứng dụng mô hình chuẩn OSI trong mô hình bus trường của hệ DCS 10 1.2.2.2. Phương pháp truyền thông trong hệ điều khiển chuyển động 11 1.2.2.3. Phương pháp truyền thông trong hệ điều khiển truyền động phân tán 17 1.3. Trễ trong hệ điều khiển phân tán 18 1.4. Kết luận 19 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên CHƢƠNG 2: GIAO THỨC MẠNG VÀ CÁC HỆ THỐNG MẠNG TRONG HỆ ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN 21 2.1. Hệ thời gian thực và điều khiển thời gian thực 21 2.1.1. Hệ thời gian thực 21 2.1.2. Điều khiển thời gian thực 23 2.2. Giao thức mạng 26 2.2.1. Phương pháp CSMA/CD 28 2.2.2. Phương pháp chuyển thẻ bài (Token passing) 31 2.2.3. Phương pháp CSMA/AMP (CAN) 34 2.3. Một số hệ thống bus tiêu biểu sử dụng trong hệ DCS 36 2.3.1. PROFIBUS 36 2.3.1.1. PROFIBUS DP 37 2.3.1.2. PROFIBUS PA 38 2.3.1.3. PROFIBUS FMS (Fieldbus Message Specification) 39 2.3.2. CAN 39 2.3.3. Ethernet 40 2.3.4. Fourdation Fieldbus 41 2.4. Đánh giá hiệu năng của mạng truyền thông 44 2.4.1. Hiệu suất của hệ thống mạng 45 2.4.2. Hệ số sử dụng đường truyền 45 2.4.3. Số lượng thông điệp không được truyền 46 2.5. Kết luận 46 CHƢƠNG 3: NGHIÊN CỨU TRỄ TRUYỀN THÔNG TRONG MỘT SỐ MẠNG TRUYỀN THÔNG CÔNG NGHIỆP TIÊU BIỂU 47 3.1. Thời gian trễ trong truyền thông 47 3.1.1. Giới thiệu 47 3.1.2. Các thành phần của thời gian trễ 48 3.1.2.1. Thời gian tiền xử lý truyền thông trong nút truyền, Tpre 49 3.1.2.2. Trễ đo thời gian ở nút truyền, Twait 49 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 3.1.2.3. Trễ trên đường mạng, Ttx 51 3.1.2.4. Trễ xử lý tại nút nhận, Tpost 52 3.1.2.5. Lược đồ thời gian của quá trình truyền thông 52 3.2. Trễ truyền thông trong mạng Ethernet 54 3.2.1. Cấu hình mạng truyền thông 54 3.2.2. Cấu hình mạng Ethernet sử dụng Switch 58 3.2.3. LAN Switch 60 3.2.4. Trễ truyền thông trong mạng Ethernet sử dụng LAN Switch 62 3.2.5. Nhận xét 74 3.3. Trễ truyền thông trong mạng CAN 75 3.3.1. Phát hiện lỗi và xử lý lỗi trong mạng CAN 75 3.3.2. Đặc điểm của trễ truyền thông trong mạng CAN 76 3.3.3. Trễ truyền thông trong trường hợp truyền lại 77 3.3.4. Nhật xét 78 3.4. Đánh giá ảnh hƣởng của các thành phần trễ truyền thông 79 3.5. Kết luận 82 CHƢƠNG 4: PHÂN TÍCH ẢNH HƢỞNG CỦA TRỄ TRUYỀN THÔNG TRONG HỆ ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN ĐỘNG NHIỀU TRỤC 83 4.1. Hệ truyền động nhiều trục điều khiển vị trí 83 4.1.1. Hệ điều khiển servo 84 4.1.2. Bộ nội suy quỹ đạo 84 4.1.3. Điều khiển quá trình 85 4.1.4. Điều khiển liên kết chéo (cross-coupled control) 85 4.2. Hệ điều khiển truyền động nhiều trục điều khiển vị trí dùng mạng truyền thông tƣơng tự (analog) 89 4.2.1. Cấu hình của mô hình 89 4.2.2. Giới thiệu mô hình 90 4.2.2.1. Cụm điều khiển 90 4.2.2.2. Encoder 91 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 4.2.2.3. Resolver và Synchro 92 4.2.3. Đánh giá phương pháp truyền thông tương tự trong hệ điều khiển 93 4.3. Hệ điều khiển truyền động nhiều trục điều khiển vị trí dùng mạng truyền thông Bus-CAN 95 4.3.1. Cấu hình mô hình 95 4.3.2. Đánh giá phương pháp truyền thông sử dụng CAN-Bus 96 4.4. Các phƣơng pháp mô hình hoá trễ trong hệ thống điều khiển 98 4.4.1. Phương pháp xấp xỉ Padé 98 4.4.2. Mô hình hoá trễ truyền thông dùng xích Markov 99 4.5. Tiêu chuẩn đánh giá chất lƣợng điều khiển 100 4.6. Phân tích sự ảnh hƣởng của trễ truyền thông đến chất lƣợng điều khiển của hệ thống truyền động nhiều trục 101 4.6.1. Cấu hình của mô hình 102 4.6.2. Phân tích ảnh hưởng của trễ truyền thông đến chất lượng điều khiển của hệ thống 103 4.7. Kết luận 113 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 114 TÀI LIỆU THAM KHẢO 115 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên LỜI NÓI ĐẦU Cơ sở lựa chọn đề tài và mục đích nghiên cứu Ngày nay cùng với sự phát triển nhanh chóng của kỹ thuật vi điều khiển là sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ phần mềm, kỹ thuật truyền số, chính sự phát triển mạnh mẽ đó đã tạo ra bước ngoặt tích cực cho các giải pháp đo lường và điều khiển. Trong những năm 90 của thế kỷ 20, quá trình module hoá, phân tán điều khiển với mạng truyền thông kỹ thuật số phát triển mạnh mẽ và cho ra đời một thế hệ mới các hệ thống điều khiển – hệ thống điều khiển phân tán DCS. Cho tới ngày nay, điều khiển phân tán đã được sử dụng trong các hệ thống điều khiển truyền động và điều khiển chuyển động. Các hệ thống truyền thông sử dụng bus truyền thông chung đã dần thay thế các hệ thống điều khiển truyền thông điểm – điểm trước đây, đã đem lại khả năng nâng cao hiệu suất, nâng cao tính linh hoạt, độ tin cậy của các hệ thống tích hợp đồng thời giảm được chi phí, thời gian lắp đặt, nâng cấp cũng như bảo trì. Tuy nhiên việc sử dụng hệ thống truyền thông bus chung đã nảy sinh khó khăn là các trễ truyền thông giữa các sensor, các cơ cấu chấp hành và bộ điều khiển. Trễ truyền thông này là do việc chia xẻ chung một phương tiện truyền thông, do thời gian tính toán cần thiết cho việc mã hoá/giải mã các đại lượng đo và thời gian xử lý truyền thông. Trễ truyền thông có tính ngẫu nhiên phụ thuộc vào giao thức truyền thông, phần cứng sử dụng và trạng thái của hệ thống mạng truyền thông. Trễ truyền thông sẽ lớn và mang tính bất định cao khi lưu lượng truyền thông lớn, đặc biệt là khi hệ thống mạng rơi vào trạng thái nghẽn mạng. Để đảm bảo sự ổn định cũng như đảm bảo chất lượng điều khiển của hệ thống điều khiển, việc nghiên cứu về trễ truyền thông trong hệ thống điều khiển là cần thiết. Đề tài “Nghiên cứu đặc tính của trễ truyền thông trong hệ điều khiển phân tán” được lựa chọn. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đề tài tập trung nghiên cứu về đặc tính trễ truyền thông trong các mạng truyền thông công nghiệp tiêu biểu và phân tích ảnh hưởng của trễ truyền thông tới chất lượng điều khiển của hệ thống điều khiển phân tán nói chung, điều khiển truyền động nói riêng. Nội dung và phương pháp nghiên cứu Nội dung luận văn với các đề mục và nội dung như sau : Lời cam đoan Mục lục Danh mục hình vẽ Danh mục bảng biểu Mở đầu Chương 1: Tổng quan về mạng truyền thông trong hệ điều khiển phân tán Chương 2: Giao thức mạng và các hệ thống mạng trong hệ điều khiển phân tán Chương 3: Nghiên cứu trễ truyền thông trong các mạng truyền thông công nghiệp tiêu biểu Chương 4: Phân tích ảnh hưởng của trễ truyền thông trong hệ điều khiển truyền động nhiều trục Kết luận và Kiến nghị. Tài liệu tham khảo. Tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Bùi Quốc Khánh, các thầy cô trong Khoa Điện và Khoa Sau Đại Học trường Đại học Công Nghiệp Thái Nguyên đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong suốt quá trình làm luận văn. Do kiến thức bản thân còn hạn chế nên luận văn này không tránh khỏi những thiếu sót. Tôi rất mong được sự góp ý của các thầy cô và các bạn đồng nghiệp để bản luận văn này được hoàn thiện hơn. Thái Nguyên, 04.2008 Tác giả, Đào Tuấn Anh. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1-1. Sơ đồ phân cấp hệ thống điều khiển tự động hoá quá trình sản xuất Hình 1-2. Mô hình điều khiển đơn giản Hình 1-3: Tổng quan phần cứng PLC Hình 1-4. Sơ đồ chức năng điều khiển của hệ DCS Hình 1-5. So sánh mô hình Fieldbus và mô hình OSI Hình 1-6. Các phần tử tiêu biểu của môt hệ điều khiển chuyển động Hình 1-7. Cấu hình của hệ điều khiển chuyển động. Hình 1-8. Cấu trúc truyền thông của hệ điều khiển chuyển động truyền thống Hình 1-9. Cấu hình mạng của hệ điều khiển chuyển động (tốc độ cao) Hình 1-10. Cấu hình mạng của hệ điều khiển chuyển động (tốc độ thấp). Hình 1-11. Sơ đồ điều khiển với các thành phần của trễ Hình 2-1. Các dạng của tính kịp thời Hình 2-2. Các kiểu tác vụ theo chuẩn IEC 61131-3 Hình 2-3. Định dạng của khung truy nhập mạng Ethernet Hình 2-4. Định dạng khung truy nhập mạng của ControlNet Hình 2-5. Sơ đồ thời gian của chu kỳ quay vòng thẻ bài TRT Hình 2-6. Định dạng khung truy nhập mạng CAN Hình 2-7. Cấu hình Multi-Master trong PROFIBUS Hình 2-8. Cấu hình Multi-Master trong PROFIBUS Hình 2-9. Cấu hình Multi-Master trong PROFIBUS Hình 2-10. Mạng Foundation Fieldbus H1 Hình 2-11. Mạng H1/HSE Hình 3-1. Phân bố của các thành phần trễ truyền thông trong mô hình mạng OSI Hình 3-2. Lược đồ thời gian của quá trình truyền tin trên mạng Hình 3-3. Cấu hình mạng Ethernet truyền thống Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Hình 3-4. Cấu hình mạng chuyển mạch hoàn toàn sử dụng Switch Hình 3-5. Ngưỡng trong bộ đệm đầu vào Hình 3-6. Mô hình hoạt động của LAN Switch Hình 4-1. Sai lệch quỹ đạo chuyển động Hình 4-2. Cấu trúc điều khiển liên kết chéo Hình 4-3. Cấu hình truyền thông của hệ điều khiển truyền động nhiều trục Hình 4-4. Encoder thẳng Hình 4-5. Vạch vị trí Hình 4-6. Cấu tạo Synchro, resolver Hình 4-7. Cấu hình truyền thông dùng CAN-bus cho hệ điều khiển chuyển động Hình 4-8. Cấu hình của hệ điều khiển truyền động nhiều trục dùng truyền thông CAN-Bus Hình 4-9. Cấu hình của hệ điều khiển truyền động dùng truyền thông Bus-CAN Hình 4-10. Cấu trúc điều khiển chuyển động hai trục điều khiển vị trí Hình 4-11. Kết quả mô phỏng khảo sát ITAE với các tần số lấy mẫu khác nhau Hình 4-12. Quỹ đạo chuyển động (xác suất thông điệp sự kiện 3%, chu kỳ lấy mẫu 2.5ms) Hình 4-13. Sai lệch quỹ đạo chuyển động Hình 4-14. Sai lệch quỹ đạo chuyển động trong hệ truyền động hai trục XY với chu kỳ lấy mẫu 4ms Hình 4-15: Quỹ đạo chuyển động X-Y ở trạng thái chưa bão hoà Hình 4-16. Sai lệch quỹ đạo chuyển động trong hệ truyền động hai trục XY với chu kỳ lấy mẫu 2.5 ms Hình 4-17. Quỹ đạo chuyển động X-Y khi mạng bão hoà Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1-1. Thông số kỹ thuật của một số loại bus Bảng 4-1. Xấp xỉ Padé cho thành phần trễ exp (-s) Bảng 4-2. Kết quả khảo sát khi không có thông điệp sự kiện truyền trên mạng Bảng 4-3. Kết quả khảo sát khi xác suất xuất hiện thông điệp sự kiện trên mạng là 1% Bảng 4-4. Kết quả khảo sát khi xác suất xuất hiện thông điệp sự kiện trên mạng là 3% Bảng 4-5. Kết quả khảo sát khi xác suất xuất hiện thông điệp sự kiện trên mạng là 5% 1 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ MẠNG TRUYỀN THÔNG TRONG HỆ ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN 1.1. Tổng quan hệ về tự động hoá quá trình sản xuất và các hệ điều khiển 1.1.1. Mô hình phân cấp của hệ thống tự động hoá quá trình sản xuất Hệ thống điều khiển, điều hành và quản lý sản xuất một cách tự nhiên được phân chia thành nhiều cấp. Phù hợp với thực tế này, hệ thống tự động hoá quá trình sản xuất cũng được phân chia thành nhiều cấp và điển hành của một hệ thống tự động hoá quá trình sản xuất thường bao gồm 5 cấp như trên Hình 1-1. Đặc điểm của các cấp này như sau: Cấp thứ nhất: Là cấp cảm biến - chấp hành hay cấp trường.Nó thực hiện kết nối các bộ điều khiển, cảm biến và các cơ cấu chấp hành. Cấp thứ hai: là cấp điều khiển (phân xưởng) thực hiện việc điều khiển các quá trình công nghệ và thực hiện việc kết nối các bộ điều khiển, thiết bị điều khiển lôgic khả trình PLC, thiết bị điều khiển quá trình công nghệ trong máy điều khiển số CNC hoặc các máy tính PC công nghiệp. 1. Cấp trường (cảm biến - chấp hành) 2. Cấp điều khiển 3. Cấp giám sát – chỉ huy 4. Cấp quản lý nhà máy 5. Cấp quản lý công ty Workstation, PC, Servers Workstation, PC, Servers Workstation, PC Controllers, PLC, CNC, PC Controllers, sensors, actuators Hình 1-1. Sơ đồ phân cấp hệ thống điều khiển tự động hoá quá trình sản xuất 2 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Cấp thứ ba: Là cấp vận hành, giám sát chỉ huy và thực hiện chức năng vận hành giám sát và điều khiển chỉ huy quá trình công nghệ. Tại cấp thứ ba này thực hiện các chức năng giao diện người-máy, lưu trữ các số liệu liên quan tới sản xuất, ra các lệnh, thiết lập cấu hình và thay đổi chế độ làm việc cho quá trình công nghệ, máy sản xuất,…Thiết bị trong cấp thứ ba này là các máy trạm làm việc, các máy tính PC. Các cấp 1,2 và 3 là các cấp trực tiếp thực hiện quá trình công nghệ. Cấp thứ tư: là cấp quản lý nhà máy và thực hiện phối hợp nhiều nhiệm vụ quản lý khác nhau như quản lý kỹ thuật, quản lý sản xuất, quản lý nguồn lực,… Cấp thứ năm: là cấp quản lý công ty và nó thực hiện kết nối và phối hợp các hoạt động quản lý khác nhau trên mọi nhà máy, chi nhánh và văn phòng công ty tại nhiều thành phố và quốc gia khác nhau. Trong sơ đồ phân cấp của hệ thống tự động hoá quá trình sản xuất thì các cấp 1, 2 và 3 là các cấp trực tiếp thực hiện quá trình công nghệ và hệ thống điều khiển tự động áp dụng cho các cấp này còn được gọi là hệ thống tự động hoá quá trình công nghệ còn các cấp thứ 4 và thứ 5 thực hiện chức năng quản lý và hệ thống tự động hoá áp dụng cho hai cấp này được gọi là hệ thống tự động hoá điều hành và quản lý sản xuất. Thiết bị đo Cơ cấu chấp hành Bộ điều khiển Hình 1-2. Mô hình điều khiển đơn giản 3 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 1.1.2. Mạng truyền thông trong hệ thống điều khiển tự động Mỗi cấp của hệ thống tự động hoá quá trình sản xuất có các yêu cầu về thông tin cần xử lý và trao đổi thông tin khác nhau. Trong sơ đồ phân cấp như trên Hình 1-1 thì ở cấp càng cao lượng thông tin yêu cầu xử lý và trao đổi càng lớn nhưng tần suất và yêu cầu về tính thời gian thực giảm dần. Ở mỗi cấp thường có nhu cầu trao đổi thông tin theo hai hướng: trao đổi thông tin với cấp trên và trao đổi thông tin với cấp dưới. Cấp quản lý công ty thường đòi hỏi kết nối truyền tin với những gói dữ liệu kích thước lớn, trên khoảng cách lớn và thường sử dụng công nghệ mạng diện rộng (WAN). Cấp quản lý nhà máy và cấp giám sát - chỉ huy thường sử dụng mạng Ethernet với giao thức TCP/IP (mạng cục bộ - LAN). Cấp điều khiển và cấp cảm biến - chấp hành đòi hỏi tính thời gian thực và tần suất trao đổi thông tin lớn. Các yêu cầu khác nhau này không chỉ ở các cấp điều khiển khác nhau mà ngay trong một cấp của hệ thống điều khiển các quá trình công nghệ phức tạp thì mỗi ứng dụng, mỗi công đoạn sản xuất cũng có những yêu cầu khác nhau về trao đổi thông tin, đặc biệt là trong cấp cảm biến - chấp hành. Do vậy đỏi hỏi phải áp dụng các công nghệ khác nhau cho mỗi cấp điều khiển này. Có ba giải pháp để thực hiện việc trao đổi thông tin trong các hệ thống tự động hoá quá trình sản xuất nói chung, hệ thống điều khiển phân tán riêng là: 1. Phương thức trao đổi thông tin bằng tín hiệu tương tự (analog): Trong các hệ thống sử dụng phương thức trao đổi thông tin bằng tín hiệu analog, tín hiệu số trong các thiết bị điều khiển số được chuyển đổi thành tương tự thông qua các bộ chuyển đổi số - tương tự (DAC) và ngược lại tại thiết bị nhận tín hiệu được chuyển đổi từ tương tự sang số thông qua các bộ chuyển đổi tương tự số (ADC). Trong hệ thống điều khiển sử dụng phương thức trao đổi thông tin bằng tín hiệu tương tự, khi khối lượng thông tin cần trao đổi lớn sẽ dần tới tăng khối lượng dây dẫn cũng như làm giảm chất lượng điều khiển do sai số của quá trình chuyển đổi tín hiệu trong các bộ chuyển đổi ADC và DAC. 2. Điều khiển phân tán với truyền thông kỹ thuật số điểm - điểm. 3. Điều khiển phân tán sử dụng mạng truyền thông kỹ thuật số. 4 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên So với phương án điều khiển phân tán sử dụng mạng truyền thông, phương án sử dụng truyền thông điểm - điểm nhiều hạn chế về khả năng tích hợp, chi phí bảo trì, sửa chữa cao. Trong những thập kỷ gần đây, sự phát triển của công nghệ thông tin và truyền thông đã thúc đẩy việc chuyển hướng phát triển của các hệ thống điều khiển tự động hoá quá trình công nghệ sang hướng điều khiển phân tán sử dụng mạng truyền thông kỹ thuật số nhằm tận dụng những ưu điểm của phương án này. Mạng máy tính (hay mạng truyền thông kỹ thuật số) trong hệ thống tự động hoá quá trình sản xuất được phân chia thành hai loại: mạng điều khiển và mạng dữ liệu. Trong mô hình phân cấp của hệ thống tự động hoá quá trình sản xuất hiện đại, hệ thống mạng máy tính sử dụng cho cấp quản lý công ty (cấp 5), cấp quản lý và điều hành nhà máy (cấp 4) và một phần của cấp giám sát – chỉ huy mạng dữ liệu. Mạng máy tính sử dụng cho cấp cảm biến – chấp hành (cấp trường), cấp điều khiển quá trình công nghệ (cấp điều khiển) và cấp điều khiển giám sát là mạng điều khiển. Mạng dữ liệu có đặc điểm là các gói dữ liệu có kích thước lớn, tần suất truyền tin nhỏ. Yêu cầu đối với các hệ thống mạng sử dụng cho mạng dữ liệu là khoảng cách truyền tin lớn, tốc độ dữ liệu phải cao để có thể truyền các gói tin có kích thước lớn. So với mạng dữ liệu thì mạng điều khiển có sự khác biệt cơ bản là mạng điều khiển có khả năng đáp ứng yêu cầu của các ứng dụng có đòi hỏi khắt khe về thời gian xử lý. Tương ứng với các lớp, các cấp độ trong hệ thống điều khiển phân tán, ta có các mạng truyền thông: + Mạng thiết bị: Mạng thiết bị hay còn là bus trường bao gồm mạng truyền thông giữa bộ điều khiển với các vào/ra phân tán, truyền thông giữa bộ điều khiển với PLC hoặc các bộ điều khiển cấp dưới điều khiển máy sản xuất hoặc công đoạn sản xuất độc lập tương đối. Hệ thống mạng này thường sử dụng các chuẩn mạng DeviceNet, Profibus, Foundation Fieldbus. Mô hình truyền thông sử dụng có thể là master/slave hoặc peer to peer. 5 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên + Mạng điều khiển: Mạng này thực hiện chức năng liên kết các bộ điều khiển với nhau và với trạm vận hành. Trước đây (và một số hệ thống hiện nay) mạng điều khiển thường dùng giao thức Token Passing, chuẩn mạng là chuẩn kín, riêng của nhà cung cấp, các bộ điều khiển của các nhà cung cấp khác thường không thể kết nối vào chuẩn mạng này. Ngày nay, khi tốc độ và dung lượng đường truyền của mạng Ethernet ngày càng được nâng cao, các vấn đề hạn chế của mạng này cũng dần được giải quyết thoả đáng, xu thế mở và tạo thuận lợi cho khách hàng đã khuyến khích các hãng sử dụng chuẩn Ethernet cho mạng điều khiển. + Mạng vận hành, giám sát chỉ huy: Mạng thực hiện chức năng trao đổi thông tin giữa hệ thống điều khiển và hệ thống điều hành, quản lý nhà máy để cập nhập các thông tin về tình hình sản xuất cũng như các mệnh lệnh sản xuất. Trước đây và bây giờ, chuẩn mạng thường dùng vẫn là chuẩn Ethernet. 1.2. Truyền thông trong hệ điều khiển phân tán (DCS) 1.2.1 Khái quát chung về hệ DCS Một hệ DCS thông thường có 3 cấp và thực hiện việc liên kết với một phần của cấp quản lý và điều hành sản xuất thông qua hệ thống quản lý thông tin của cấp này để tích hợp vào các hệ thống quản lý sản xuất, quản lý thông tin và phối hợp quản lý trên diện rộng như SAP, PRM,… Đặc điểm của một cấu trúc điều khiển phân tán là việc phân bố thiết bị xuống các vị trí gần kề với quá trình kỹ thuật, sử dụng các mạng truyền thông công nghiệp để kết nối và trao đổi thông tin. Sơ đồ cấu trúc tiêu biểu cho một hệ thống điều khiển phân tán như Hình 1-3. 1.2.1.1. Cấp chấp hành - cảm biến Lớp chấp hành cảm biến bao gồm các bộ vào/ra phân tán để ghép nối với các sensor, các cơ cấu chấp hành có chức năng kết nối với các tín hiệu vào/ra và xử lý sơ bộ trước khi chuyển lên cấp điều khiển. Sensor có các chức năng chính là thu thập dữ liệu quá trình, có khả năng truyền thông và được cài các thuật toán tự hiệu chuẩn, tự kiểm tra, chuẩn đoán lỗi. Sensor thông minh sẽ thực hiện việc thu thập các dữ liệu về các đại lượng vật lý của quá trình cần đo như nhiệt độ, tốc độ, độ PH,… từ hiện trường, mã hoá các dữ liệu 6 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên này rồi truyền tới các thiết bị khác thông qua mạng truyền thông. Ngoài ra sensor thông minh còn có khả năng tự hiệu chuẩn, tự chuẩn đoán lỗi, các hỏng hóc có thể gặp phải để phát ra các cảnh báo cần thiết. Hình 1-3. Cấu hình tiêu biểu của hệ thống DCS Ngoài ra cấp chấp hành cảm biến có thể có các PLC, các máy tính công nghiệp điều khiển máy sản xuất hoặc một công đoạn sản xuất tương đối độc lập. Cấp chấp hành cảm biến cung cấp các giao diện sau: * Giao diện kết nối trực tiếp với các vào/ra tương tự (như áp suất, nhiệt độ,..) và các vào/ra số (như tín hiệu rơ le và các tín hiệu chuyển mạch, liên động,..). * Giao diện Bus trường: cung cấp các giao diện với chuẩn Bus trường như: Foundation Fieldbus, Profibus, HART. Cho phép các bộ biến đổi và cơ cấu chấp hành trao đổi thông tin trực tiếp với bộ điều khiển trên một đường truyền thông số duy nhất. * Giao diện kết nối với PLC: PLC có thể được nối vào hệ DCS thông qua một số card giao diện truyền thông. Thông thường được nối với giao diện vào/ra và S C A máy sx S C A công đoạn sx Trạm I/O Lưu trữ Quản lý thông tin PC PC Cấp quản lý SX mạng giám sát – chỉ huy mạng điều khiển px1 mạng điều khiển px2 Cấp vận hành, giám sát-chỉ huy OPC Trạm vận hành Trạm vận hành Trạm vận hành Controller Controller IPC Controller mạng thiết bị (bus trường) mạng thiết bị (bus trường) Smart sensor Smart actuator Smart actuator Smart sensor PLC Cấp điều khiển Cấp trường (cảm biến-chấp hành) 7 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên trong một số trường hợp có thể kết nối trực tiếp với bộ điều khiển. Các PLC kết nối với hệ DCS được gọi là các Subsystems. 1.2.1.2. Cấp điều khiển Cấp điều khiển bao gồm các bộ điều khiển, là nơi thực hiện mọi chức năng điều khiển của toàn nhà máy. Bên cạnh đó cấp điều khiển còn phải thực hiện chức năng truyền thông với cấp cảm biến chấp hành để lấy dữ liệu từ đầu vào sau đó xử lý tín hiệu, thực hiện các thuật toán điều khiển và gửi tín hiệu điều khiển ra các đầu ra và đến các thiết bị chấp hành ở cấp cảm biến chấp hành. Các bộ điều khiển có thể đọc, trao đổi dữ liệu với nhau thông qua mạng truyền thông ở cấp điều khiển. 1.2.1.3. Cấp vận hành, giám sát chỉ huy Cấp vận hành, giám sát chỉ huy bao gồm các trạm vận hành, cung cấp giao diện cho người vận hành với quá trình. Cung cấp giao diện với các hình ảnh đồ họa mô tả hoạt động của toàn bộ quá trình một cách sinh động và trực quan. 1.2.1.4. Hệ thống quản lý thông tin Hệ thống quá lý thông tin là một phần trong cấp điều hành và quản lý sản xuất. Hệ thống này bao gồm 3 lớp con: Lớp Gateway: dựa trên chuẩn OPC (OLE for Process Control), cho phép tất cả các máy tính đều có thể kết nối với các hệ DCS có hỗ trợ OPC. Lớp gateway phục vụ việc trao đổi dữ liệu với các bộ điều khiển của phân xưởng, công đoạn khác. Lớp Database: Đọc dữ liệu từ các bộ điều khiển thông qua Gateway OPC và lưu trữ dưới một định dạng dữ liệu chuẩn như MS SQL, Oracle,… Lớp Management: Lớp quản lý cung cấp thông tin cho người sử dụng dưới mạng các templates bao gồm: lập báo cáo, quản lý theo mẻ, tính toán theo công thức, quản lý tài nguyên nhà máy, tối ưu hoá quá trình,… Lớp quản lý sẽ đọc dữ liệu từ lớp Database và trao đổi thông tin với các bộ điều khiển thông qua gateway OPC. 8 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 1.2.1.5. Chức năng của hệ DCS a. Chức năng điều khiển Đây là chức năng quan trọng nhất của hệ DCS, có nhiệm vụ điều khiển toàn bộ các quá trình công nghệ trong nhà máy. Chức năng điều khiển do các bộ điều khiển đảm nhận, được đặt tại phòng điều khiển trung tâm hoặc trong các trạm điều khiển. Hình 1-4. Sơ đồ chức năng điều khiển của hệ DCS Chức năng điều khiển cơ bản: DCS thực hiện tất cả các chức năng điều khiển cơ bản của một nhà máy. Các thành phần thực hiện các chắc năng điều khiển cơ bản DCS gọi là các “khối hàm” (Function Block). Mỗi khối hàm đại diện cho một bộ phận nhỏ nhất trong bài toán điều khiển.Việc thực hiện thiết kế chức năng điều khiển thực chất là cách kết hợp các khối hàm lại với nhau cho phù hợp. Chức năng thực hiện các thuật toán điều chỉnh tự động: Thực hiện cho các vòng điều chỉnh phản hồi của các quá trình liên tục. Thành phần chính tham gia vào chức năng điều chỉnh tự động là các khối PID, các khối hàm chuyển đổi định dạng dữ liệu vào/ra và các khối hàm toán học. Chức năng điều khiển của DCS Chức năng điều khiển cơ bản Thực hiện thuật toán điều chỉnh tự động Thực hiện thuật toán điều chỉnh tự động Thực hiện thuật toán điều chỉnh tự động Thực hiện thuật toán điều chỉnh tự động Thực hiện thuật toán điều chỉnh tự động Chức năng truyền thông với các hệ thống phụ 9 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Chức năng thực hiện thuật toán điều khiển tuần tự: Thuật toán điều khiển tuần tự được thực hiện cho một số công đoạn làm việc theo chuỗi sự kiện nối tiếp trong nhà máy. Chức năng này vừa điều khiển từng công đoạn độc lập đồng thời quản lý toàn bộ chuỗi sự kiện xảy ra trong hệ thống. Có thể sử dụng chức năng này cho các bài toán liên động hoặc kết hợp thực hiện các công đoạn liên tục toàn trong nhà máy. Chức năng thực hiện các thuật toán phức tạp: DCS là hệ điều khiển ứng dụng cho các nhà máy có quy mô lớn, công nghệ liên tục và phức tạp, đỏi hỏi phải sử dụng nhiều thuật toán tiên tiến để giải quyết các bài toán tối ưu và tiết kiệm nhiên-nguyên liệu. Các thuật toán cấp cao thường được ứng cho các nhà máy bao gồm: thuật toán điều khiển nối tầng (cascade), thuật toán điều khiển tiền định (feedforward), các thuật toán phân ly hệ đa biến, thuật toán điều khiển mờ, thích nghi, nơ ron,… b. Chức năng truyền thông, trao đổi thông tin với các hệ thống phụ - Subsytem Trong các nhà máy lớn, bên cạnh hệ DCS, luôn có các hệ PLC đảm nhận các công việc điều khiển cho từng công đoạn nhỏ như trạm bơm cấp nước, nước thải,…và tất cả các tham số này cũng cần phải được đưa vào hệ thống DCS chung của toàn nhà máy để tập trung cơ sở dữ liệu phục vụ giám sát và quản lý. Hầu hết các hệ DCS đều không tích hợp sẵn các chương trình điều khiển truyền thông cũng như các module truyền thông với các PLC vì hệ thống PLC trên thị trường là rất phong phú và đa dạng. Mà thay vào đó, các nhà cung cấp DCS cung cấp các tuỳ chọn để liên kết với các hệ PLC, tuy nhiên không phải là có thể kết nối được với tất cả các PLC. Ở điểm này thì các nhà làm thiết kế hệ thống điều khiển phải nắm được để chọn thiết bị cho phù hợp và đỡ tốn kém nhất. Các nhà cung cấp DCS cung cấp các tuỳ chọn này dưới dạng các gói phần mềm và các module phần cứng. Ví dụ để liên kết với PLC của AB SLC5, ta có gói phần mềm điều khiển truyền thông với SLC5, hay để kết nối với PLC của Siemens, ta có các gói phần mềm truyền thông với các thiết bị của Siemens. Tuy nhiên việc câu hình và truyền thông với các hệ thống phụ không phải bao giờ cũng diễn ra 10 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên thuận lợi, mà nếu lựa chọn không khéo, nó sẽ làm cho người làm Engineering tốn mất nhiều thời gian và công sức. Khi chúng ta định kết nối DCS của mình với một PLC của hãng nào, ta phải mua chương trình phần mềm và module phần cứng của nhà cung cấp DCS để kết nối. Vì khi chúng ta cài đặt chương trình phần mềm này vào hệ thống, nó sẽ dành một phần bộ nhớ và định dạng lại bộ nhớ này cho phù hợp với loại PLC ta cần giao tiếp. c. Chức năng vận hành và giám sát hệ thống (Chức năng SCADA) * Hiển thị trạng thái hoạt động của toàn bộ nhà máy * Chức năng hiển thị các biến quá trình dưới dạng đồ thị * Chức năng cảnh báo quá trình * Chức năng lập báo cáo * Chức năng an toàn hệ thống (Security) 1.2.2. Truyền thông trong hệ DCS Cho tới ngày nay, điều khiển phân tán với mạng truyền thông kỹ thuật số đã bắt đầu xâm nhập vào hệ thống điều khiển truyền động và điều khiển chuyển động. Điều này đã mang lại nhiều hứa hẹn và triển vọng mới trong lĩnh vực điều khiển tự động. 1.2.2.1. Ứng dụng mô hình chuẩn OSI trong mô hình bus trường của hệ DCS Trên hình 1-5 ta thấy một số lớp trong mô hình OSI không được sử dụng, bên cạnh đó, Fieldbus lại thêm một lớp User Layer. Các lớp truyền dẫn trong mô hình bus trường của hệ DCS bao gồm: * Lớp vật lý (Physical Layer): bao gồm các chuẩn về điện. Lớp này thực hiện chuyển đổi các thông điệp số từ các lớp truyền dẫn ở trên thành tín hiệu vật lý rồi truyền thông qua các phương tiện truyền tin fieldbus và ngược lại. * Lớp liên kết dữ liệu (Data Link Layer): chứa các chương trình điều khiển truyền thông. 11 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên * Lớp ứng dụng (Application Layer): truy nhập của Filedbus vào các lớp con (Filedbus Access Sublayer), chứa các đặc tính thông điệp của Filedbus. * Lớp người sử dụng (User Layer): cung cấp giao diện cho sự tương tác người sử dụng với hệ thống. 1.2.2.2. Phương pháp truyền thông trong hệ điều khiển chuyển động a. Khái quát chung về điều khiển chuyển động Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ máy tính và vi xử lý, các hệ điều khiển chuyển động đã trở nên linh hoạt và tiện lợi hơn. Với hệ điều khiển chuyển động có thể lập trình, ta có thể thay đổi vận tốc hay vị trí của cơ cấu chỉ bằng một vài dòng lệnh hoặc bằng cách chọn các thuật toán đã có sẵn trong bộ nhớ của hệ thống. Các thành phần của một hệ điều khiển chuyển động về cơ bản gồm những phần tử như Hình 1-6 ở dưới (chuyển động có thể là chuyển động quay hoặc chuyển động thẳng). Hình 1-5. So sánh mô hình Fieldbus và mô hình OSI Hình 1-6. Các phần tử tiêu biểu của môt hệ điều khiển chuyển động 12 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Bộ điều khiển (Controller) sẽ chứa một chuỗi các lệnh được mã hoá (các lệnh để điều khiển chuyển động), khi được thực hiện nó sẽ tạo ra một loạt các xung điện hoặc tín hiệu tương tự ở đầu ra của bộ điều khiển. Các tín hiệu này sẽ được cấp cho bộ khuếch đại (Amplifier) và được nó khuyếch đại lên cho phù hợp với cơ cấu chấp hành (Actuator). Cơ cấu chấp hành thực hiển các chuyển động yêu cầu. Phần tử cuối cùng là thiết bị phản hồi (Feedback) – cung cấp tín hiệu phản hồi cho bộ điều khiển (Controller). Nhiều hệ điều khiển chuyển động được tích hợp thành một hệ lớn. Các loại thiết bị dựa trên máy tính, như các bộ điều khiển có thể lập trình, các máy tính công nghiệp, các máy tính lớn ở xa để liên kết và điều phối các chức năng chuyển động cùng các chức năng khác. Thêm vào, giao diện hoạt động (Operator interface) để thay đổi chương trình; cung cấp các sửa đổi thời gian thực như tắt hệ thống, các thay đổi kế hoạch, …Do đó, một hệ thống điều khiển chuyển động tích hợp thêm một số phần có cấu hình như Hình 1-7 Operator Interface Host Controller Amplifier Actuator Feedback b. Phương pháp truyền thông truyền thống trong hệ điều khiển chuyển động Điều khiển chuyển động nhiều trục truyền thống sử dụng các bộ điều khiển chuyển động, dựa trên PC hay một mình, cho từng trục. Giữa các trục có mối liện hệ với nhau theo một quy luật nhất định. Hình 1-7. Cấu hình của hệ điều khiển chuyển động. 13 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Việc tạo ra quỹ đạo và thuật toán điều khiển vị trí được thực hiện trên một bục phần cứng đơn lẻ. Hình 1-8 ở trên thể hiện cấu trúc của hệ điều khiển chuyển động gồm hai hoặc nhiều trục. Các drive được sử dụng ở trên có thể là số hoặc tương tự, và có thể hoạt động ở mode vận tốc hoặc mode mô men. Phương pháp truyền thông truyền thống (dùng tín hiệu analog) này chỉ đáp ứng được những ứng dụng điều khiển chuyển động đơn giản (số trục tham gia chuyển động ít) và yêu cầu chính xác không cao. Phần này sẽ được phân tích và trình bày kỹ trong chương 4. c. Phương pháp truyền thông dùng mạng (bus) trong hệ điều khiển chuyển động Với cấu hình mạng bus, người ta dùng 1 hoặc nhiều máy tính trung tâm để điều khiển các trục: Tín hiệu điều khiển có thể được gửi từ máy tính trung tâm đến từng trục một hoặc gửi tới các bộ điều khiển địa phương (local controllers), sau đó bộ điều khiển này điều khiển này mới gửi các lệnh tới các trục riêng lẻ. Máy tính trung tâm có thể là 1 chương trình phần mềm, 1 chíp vi điều khiển, hoặc PLC. * Một số mạng(bus) hay được sử dụng để truyền thông trong hệ điều khiển chuyển động: - Cấu hình truyền thông cho hệ điều khiển chuyển động dùng loại bus tốc độ cao ( SynqNet, Ethernet, FireWire, Sercos…) Ở cấu hình này, việc tạo quỹ đạo và thuật toán điều khiển vị trí được đặt ở bộ điều khiển chủ (a central host controller), tín hiện điều khiển của mô men hay tốc độ Hình 1-8. Cấu trúc truyền thông của hệ điều khiển chuyển động truyền thống 14 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên dạng số được gửi qua giao diện nối tiếp tốc độ cao tới các drive. Hình 1-9. Cấu hình mạng của hệ điều khiển chuyển động (tốc độ cao) Hạn chế của cấu hình này là sự kết nối nối tiếp giữa controller và drive cần phải tương đối nhanh. Điều này làm tăng giá thành và độ phức tạp cho cả controller lẫn drive. Một số giải pháp đang tồn tại là:  SERCOS: Giải pháp cáp quang, chạy ở tốc độ 2,4 hoặc 16Mbit/s.  IEEE 1394 (a.k.a FireWire): Cáp đồng hoặc cáp quang chạy ở tốc độ 200 đến 400Mbit/s.  100BaseT, 10BaseT (a.k.a Ethernet): Giải pháp cáp đồng, chạy ở tốc độ 10Mbit/s tới 100Mbit/s . Giao thức giao tiếp được sử dụng cho các giải pháp trên thì khác nhau (có thể mở hoặc được giữ bản quyền của nhà sản xuất). Nếu tốc độ cập nhật của mạch vòng vị trí nằm trong khoảng: 5 – 10kHz, nghĩa là tín hiệu điều khiển của vận tốc hoặc mô men được gửi sau những khoảng thời gian là 200 đến 100 s. Điều quan trọng là ta phải duy trì sự đồng bộ giữa các trục, nghĩa là phải giảm thiểu trễ trong truyền thông tới mức nhỏ nhất. Bảng 1-1 chứa các thông số kỹ thuật của một số loại bus hay sử dụng trong các hệ điều khiển chuyển động. 15 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên SynqNet Ethernet (TCP/IP) SERCOS FireWire IEEE 1394 CAN Max. Inter- Node Distance 100m 100m 40m 4.4m 40m Min. Cycle Time / Latency < 25µs 1.2ms 250µs 125 .. 250µs 1ms BandWidth 200Mbit/s 100Mbit/s 16Mbit/s 400Mbit/s 1Mbit/s Transfer Mode Full- Duplex Half- Duplex Half- Duplex Half- Duplex Half- Duplex Max. Jitter < 1µs 20µs 1µs <1µs 1..120µs Need of Switches/ Hubs No Yes No No No Max.Number of Nodes 254 No Limit 254 63 2032 Bảng 1-1. Thông số kỹ thuật của một số loại bus Ở bảng trên, thời gian trễ (chu kỳ thời gian) được tính bằng: thời gian cần thiết để nhận tín hiệu phản hồi + thời gian thực hiện tính toán + thời gian truyền dữ liệu mới đi (được tính cho mạng gồm có 4 trục). Jitter được định nghĩa là khoảng thời gian từ khi bắt đầu kích thích cho đến khi bắt đầu có đáp ứng (phụ thuộc vào độ chính xác của đồng hồ hệ thống, thiết kế phần cứng ).  SynqNet, Ethernet, FireWire, Sercos: Tốc độ truyền dữ liệu của mạng Sercos là nhỏ nhất (16Mbit/s), tốc độ truyền của FireWire (IEEE1394) có thể lên tới 400Mbit/s, tốc độ truyền của SynqNet tối đa là 200Mbit/s, còn tốc độ truyền của Ethernet trong khoảng từ 10Mbit/s tới 100Mbit/s. Những loại bus này thường được ứng dụng trong những hệ điều khiển chuyển động yêu cầu tính đồng bộ chặt chẽ, tốc độ truyền dữ liệu cao.  CAN: CAN bus được ứng dụng vào hệ điều khiển chuyển động do dễ sử 16 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên dụng, ổn định cao. CAN-bus chậm hơn Ethernet, SynqNet, FireWire, Sercos và nhanh hơn RS 485.  RS 485 – bus gần giống với RS422 và RS232, nó thường được sử dụng để truyền thông giữa các module chuyển động khi hệ điều khiển chuyển động yêu cầu sự đồng bộ không chặt chẽ và tính ổn định không cao. Khi khoảng thời gian giữa các lần gửi tín hiệu tốc độ khoảng >1ms (nghĩa là tốc độ cập nhật của mạch vòng vị trí nằm khoảng <1KHz, thì ta có thể sử dụng mạng CAN - Cấu hình truyền thông cho hệ điều khiển chuyển động dùng loại bus tốc độ thấp (CAN, RS485…). Một giải pháp khác phù hợp với nhiều ứng dụng là chuyển mạch vòng vị trí xuống drive số như Hình 1-10. Ở giải pháp này bộ điều khiển (controller) gửi tín hiệu điều khiển là vị trí xuống các drive, việc này sẽ được thực hiện ở tốc độ thấp (tối thiểu là thấp hơn tốc độ cập nhật của mạch vòng vị trí). Do đó giao diện nối tiếp tốc độ thấp giữa controller và drive có thể sử dụng. Hình 1-10. Cấu hình mạng của hệ điều khiển chuyển động (tốc độ thấp). Để giảm hơn tốc độ cập nhật của lệnh điều khiển vị trí, drive có thể thực hiện nội suy bậc cao hơn. Điều này có nghĩa là drive bây giờ thực hiện cả việc tính toán quỹ đạo và chứa cả mạch vòng vị trí. Khi đó bộ điều khiển chủ chia quỹ đạo cần chuyển động thành các đoạn, và gửi các đoạn nhỏ này xuống các drive. Các drive sẽ thực hiện nội suy bậc cao hơn theo điểm cuối của các đoạn nhỏ. Về thực chất, điều 17 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên này có nghĩa là chức năng tạo ra quỹ đạo đã được chia sẻ giữa host controller và các drive. Khi dùng mạng (bus) để truyền thông trong hệ điều khiển chuyển động thì một số vấn đề ta phải quan tâm là vấn đề thời gian trễ trong truyền thông 1.2.2.3. Phương pháp truyền thông trong hệ điều khiển truyền động phân tán Điều khiển phân tán với mạng truyền thông kỹ thuật được sử dụng trong hệ thống điều khiển truyền động cho ra đời các hệ thống truyền động mới - truyền động phân tán. Hệ thống truyền động phân tán ra đời sẽ dần thay thế các hệ thống truyền động cán thép, xeo giấy, các hệ thống truyền động CNC và robots truyền thống. Có thể phân chia các hệ truyền động nhiều trục thành các nhóm chính sau: * Truyền động nhiều trục điều khiển vị trí: truyền động robots, truyền động máy CNC… * Hệ truyền động nhiều trục đồng tốc độ: truyền động cán thép, truyền động xeo giấy,…. * Hệ truyền động nhiều trục phối hợp cả điều khiển vị trí và đồng tốc: Hệ truyền động dạng này sử dụng trong các công nghệ phức tạp. Sử dụng giải pháp điều khiển phân tán và mạng truyền thông số cho ứng dụng truyền động nhiều trục sẽ cho ta một cấu trúc mới của các hệ điều khiển truyền động nhiều trục được gọi là hệ điều khiển truyền động phân tán hay gọi tắt là hệ truyền động phân tán. Tài nguyên tính toán của hệ điều khiển truyền động phân tán là các hệ xử lý của bộ điều khiển trung tâm và các hệ xử lý của các bộ điều khiển truyền động mỗi trục. Giao diện giữa bộ điều khiển trung tâm và bộ điều khiển truyền động mỗi trục sử dụng mạng truyền thông số. Mạng truyền thông số được sử dụng để truyền cả các tín hiệu logic, các tín hiệu đo lường và tín hiệu điều khiển giữa các hệ xử lý trong toàn hệ thống. Tuy nhiên các hệ điều khiển truyền động nhiều trục là các hệ thống điều khiển đòi hỏi khắt khe về thời gian thực. Sự chậm trễ của các tín hiệu do sử dụng mạng truyền thông số làm suy giảm chất lượng điều khiển của các hệ điều khiển 18 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên truyền động phân tán và trong nhiều ứng dụng nó không đáp ứng được yêu cầu công nghệ. Cho tới nay, trễ truyền thông chính là nguyên nhân chủ yếu hạn chế sự phát triển của các hệ điều khiển truyển động phân tán. Việc nghiên cứu đặc tính và đánh giá ảnh hưởng của trễ truyền thông sẽ được nghiên cứu trong các phần tiếp theo của luận văn. 1.3. Trễ trong hệ điều khiển phân tán Các hệ thống điều khiển trong công nghiệp đều có yêu cầu thời gian thực. Hệ thống điều khiển phân tán do vậy cũng phải đáp ứng yêu cầu này khi sử dụng để điều khiển các quá trình công nghệ. Điều có nghĩa yêu cầu đối với các đại lượng điều khiển của hệ điều khiển phải bao gồm cả giá trị điều khiển và thời gian đưa ra giá trị đó hay nói cách khác hệ thống điều khiển phải đáp ứng được cả yêu cầu về chính xác của đại lượng điều khiển và độ trễ điều khiển. Trễ điều khiển là khoảng thời gian giữa thời điểm lấy mẫu và thời điểm tác động của cơ cấu chấp hành tương ứng. Trễ điều khiển trong các mạch vòng điều khiển thực hiện bằng hệ thống điều khiển phân tán bao gồm các thành phần sau:  Trễ trong các cơ cấu đo lường giữa thời điểm thu thập các đại lượng phản hồi và thời điểm truyền các giá trị này, sp ;  Trễ truyền thông từ các cơ cấu đo lường tới bộ điều khiển, scc;  Trễ tính toán điều khiển trong controller, cp  Trễ truyền thông từ controller tới các cơ cấu chấp hành giữa thời điểm nhận được lệnh và thời điểm bắt đầu tác động thực tế, ap. Ta có thể nhận thấy ngoài các chậm trễ do quá trình tính toán thực hiện các luật điều khiển và đo lường của các bộ điều khiển số thông thường còn có các chậm trễ của quá trình truyền thông gây ra. Sơ đồ mạch vòng điều khiển điển hình của hệ điều khiển phân tán như hình 1-11. 19 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Chính vì vậy, nghiên cứu đặc tính và phân tích ảnh hưởng của trễ truyền thông trong trạng thái bão hoà và nghẽn mạng tạm thời của hệ thống mạng tới chất lượng điều khiển sẽ được đề cập trong luận văn. 1.4. Kết luận Cùng với sự phát triển của các hệ thống tính toán và xử lý công nghiệp, hệ điều khiển phân tán với mạng truyền thông kỹ thuật số đã làm cho các hệ thống truyền thông công nghiệp không ngừng được phát triển và các chuẩn truyền thông khác nhau đã ra đời để đáp ứng yêu cầu trao đổi thông tin giữa các hệ thống con, các bộ xử lý trong một hệ thống điều khiển phân tán (DCS) thay thế cho phương án truyền thông tương tự (analog).... Tuy nhiên trong các hệ thống điều khiển phân tán sử dụng mạng truyền thông kỹ thuật số thay thế cho phương pháp truyền thông điểm - điểm truyền thống xuất hiện trở ngại mới cho việc điều khiển đó là trễ truyền thông các giữa các cơ cấu đo, cơ cấu chấp hành và bộ điều khiển. Trễ truyền thông này là do việc chia sẻ chung một phương tiện truyền thông, do thời gian tính toán cần thiết cho việc mã hoá / giải mã các đại lượng đo và thời gian xử lý truyền thông. Trễ truyền thông có tính ngẫu nhiên phụ thuộc vào giao thức truyền thông, phần cứng sử dụng và trạng Regulator (Trễ tính toán trong controller Trễ truyền thông giữa các controller và cơ cấu chấp hành Cơ cấu chấp hành Và đối tượng điều khiển Trễ truyền thông giữa sensor và controller Đo và lấy mẫu (trễ trong cơ cấu đo) W(k) Controller v(k) u(t) y(t) Hình 1-11. Sơ đồ điều khiển với các thành phần của trễ 20 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên thái của hệ thống mạng truyền thông. Trễ truyền thông làm hạn chế khả năng ứng dụng của các mạng truyền thông kỹ thuật số trong nhiều ứng dụng công nghiệp có yêu cầu khắt khe về đáp ứng thời gian thực và là trở ngại chính cho sự phát triển của các hệ thống điều khiển phân tán. Trong khuôn khổ của luận văn này, nguyên nhân, đặc tính của trễ truyền thông và phân tích ảnh hưởng của nó tới chất lượng điều khiển được nghiên cứu. 21 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên CHƢƠNG 2: GIAO THỨC MẠNG VÀ CÁC HỆ THỐNG MẠNG TRONG HỆ ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN 2.1. Hệ thời gian thực và điều khiển thời gian thực 2.1.1. Hệ thời gian thực Có rất nhiều định nghĩa về một hệ thống thời gian thực, tất cả chúng đều xoay quanh vấn đề thời gian mà hệ thống phải trả lời khi nhận được các thông tin đầu vào. Hệ thời gian thực (Real-Time System) là một hệ thống đòi hỏi phải phản ứng lại các kích thích của môi trường trong những khoảng thời gian được quy định bởi môi trường. Định nghĩa trên đã bao hàm một miền rất rộng các hệ thống, tuy nhiên giá trị của việc trả lời các tác vụ đúng hạn thời gian của các hệ thống là không như nhau, có những hệ thống nếu hạn chót về thời gian trả lời các tác vụ là không đạt được thì có thể dẫn tới cả một thảm hoạ như các hệ thống báo hiệu đường sắt, hệ thồng điều khiển bay, hệ thống điều khiển phản ứng hạt nhân…, nhưng lại có những hệ thống khi hạn chót bị bỏ qua nó vẫn hoạt động bình thường, tất nhiên hiệu suất sẽ không đạt như mong muốn chẳng hạn như hệ thống chuyển mạch điện thoại… Một hệ thời gian thực được gọi là mềm (Soft Real-Time System) nếu kết quả của việc hệ thống không đáp ứng đúng thời gian yêu cầu là không nguy hại. Hạn chót mà hệ thống cần đáp ứng gọi là Soft deadline. Một hệ thời gian thực được gọi là cứng (Hard Real-Time System) nếu kết quả của việc hệ thống không đáp ứng đúng thời gian yêu cầu là rất nguy hiểm có thể dẫn tới thảm hoạ. Hạn chót mà hệ thống cần đáp ứng gọi là Hard deadline. Như vậy, một hệ thời gian thực là một hệ thống mà sự hoạt động tin cậy của nó không chỉ phụ thuộc vào sự chính xác của kết quả, mà còn phụ thuộc vào thời điểm đưa ra kết quả, hệ thống có lỗi khi yêu cầu về thời gian không được thoả mãn. Tính thời gian thực là khả năng đáp kịp thời và chính xác. Và ta hoàn toàn có thể 22 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên định nghĩa như thế nào là kịp thời theo bốn yêu cầu khác nhau, như minh họa trên hình 2.1. Hình 2-1. Các dạng của tính kịp thời Một hệ thống thời gian thực có các đặc điểm tiêu biểu sau: * Tính bị động: Hệ thống phải phản ứng với các sự kiện xuất hiện vào các thời điểm thường không biết trước. Ví dụ, sự vượt ngưỡng của một giá trị đo, sự thay đổi trạng thái của một thiết bị quá trình phải dẫn đến các phản ứng trong bộ điều khiển. * Tính nhanh nhạy: Hệ thống phải xử lý thông tin một cách nhanh chóng để có thể đưa ra kết quả phản ứng một cách kịp thời. Tuy tính nhanh nhạy là một đặc điểm tiêu biểu, nhưng một hệ thống có tính năng thời gian thực không nhất thiết phải có đáp ứng thật nhanh mà quan trọng hơn là phải có phản ứng kịp thời đối với các yêu cầu, tác động bên ngoài. * Tính đồng thời: Hệ thống phải có khả năng phản ứng và xử lý đồng thời nhiều sự kiện diễn ra. Có thể, cùng một lúc một bộ điều khiển được yêu cầu thực hiện nhiều vòng điều chỉnh, giám sát ngưỡng giá trị nhiều đầu vào, cảnh giới trạng thái làm việc của một số động cơ. * Tính tiền định: Dự đoán trước được thời gian phản ứng tiêu biểu, thời gian phản ứng chậm nhất cũng như trình tự đưa ra các phản ứng. Nếu một bộ điều khiển phải xử lý đồng thời nhiều nhiệm vụ, ta phải tham gia quyết định được về trình tự thực hiện các công việc và đánh giá được thời gian xử lý mỗi công việc. Như vậy 23 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên người sử dụng mới có cơ sở để đánh giá về khả năng đáp ứng tính thời gian thực của hệ thống. 2.1.2. Điều khiển thời gian thực Có thể nói, tất các các hệ thống điều khiển là hệ thời gian thực. Ngược lại, một số lớn các hệ thống thời gian thực là các hệ thống điều khiển. Không có hệ thống điều khiển nào có thể hoạt động bình thường nếu như nó không đáp ứng được các yêu cầu về thời gian, bất kể là hệ thống điều khiển nhiệt độ, điều khiển áp suất, điều khiển lưu lượng hay điều khiển chuyển động. Một bộ điều khiển phải đưa ra được tín hiệu điều khiển kịp thời sau một thời gian nhận được tín hiệu đo để đưa quá trình kỹ thuật về trạng thái mong muốn. Một mạng truyền thông trong một hệ thống điều khiển có tính năng thời gian thực phải có khả năng truyền tin một cách tin cậy và kịp thời đối với các yêu cầu của các bộ điều khiển, các thiết bị vào/ra, các thiết bị đo và thiết bị chấp hành. Tính năng thời gian thực của một hệ thống điều khiển phân tán không chỉ phụ thuộc vào tính năng thời gian thực của từng thành phần trong hệ thống, mà còn phụ thuộc vào sự phối hợp hoạt động giữa các thành phần đó. Xử lý thời gian thực là hình thức xử lý thông tin trong một hệ thống để đảm bảo tính năng thời gian thực của nó. Như vậy, xử lý thời gian thực cũng có các đặc điểm tiêu biểu nêu trên như tính bị động, tính nhanh nhạy, tính đồng thời và tính tiền định. Để có thể phản ứng với nhiều sự kiện diễn ra cùng một lúc, một hệ thống xử lý thời gian thực sử dụng các quá trình tính toán đồng thời. Quá trình tính toán là một tiến trình thực hiện một hoặc một phần chương trình tuần tự do hệ điều hành quản lý trên một máy tính, có thể tồn tại đồng thời với các quá trình khác kể cả trong thời gian thực hiện lệnh và thời gian xếp hàng chờ đợi thực hiện. Các hình thức tổ chức các quá trình tính toán đồng thời: * Xử lý cạnh tranh: Nhiều quá trình tính toán chia sẻ thời gian xử lý thông tin của một bộ xử lý. 24 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên * Xử lý song song: Các quá trình tính toán được phân chia thực hiện song song trên nhiều bộ xử lý của một máy tính. * Xử lý phân tán: Mỗi quá trình tính toán được thực hiện riêng trên một máy tính. Trong các hình thức trên đây thì hình thức xử lý cạnh tranh có vai trò chủ chốt. Mặc dù hệ thống điều khiển có thể có nhiều trạm, và mỗi trạm có thể là một hệ đa vi xử lý, số lượng các quá trình tính toán cần thực hiện thường bao giờ cũng lớn hơn số lượng vi xử lý. Trong khi một vi xử lý không thể thực hiện song song nhiều lệnh, nó phải phân chia thời gian để thực hiện xen kẽ nhiều nhiệm vụ khác nhau theo thứ tự tùy theo mức ưu tiên và phương pháp lập lịch. Trong các hệ thống điều khiển, khái niệm tác vụ (task) cũng hay được sử dụng bên cạnh quá trình tính toán. Có thể nói, tác vụ là một nhiệm vụ xử lý thông tin trong hệ thống, có thể thực hiện theo cơ chế tuần hoàn (periodic task) hoặc theo sự kiện (event task). Các dạng tác vụ qui định trong chuẩn IEC 61131-3 (Programmable Controllers – Part3: Programming Languages) được minh họa trên hình 2-2. Ví dụ, một tác vụ thực hiện nhiệm vụ điều khiển cho một hoặc nhiều mạch vòng kín có chu kỳ trích mẫu giống nhau. Hoặc, một tác vụ có thể thực hiện nhiệm vụ điều khiển logic, điều khiển trình tự theo các sự kiện xảy ra. Tác vụ có thể thực hiện dưới dạng một quá trình tính toán duy nhất, hoặc một dãy các quá trình tính toán khác nhau Hình 2-2. Các kiểu tác vụ theo chuẩn IEC 61131-3 25 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Để tổ chức việc thực hiện các tác vụ được hiệu quả, một hệ điều hành thời gian thực cần các phương pháp lập lịch. Trước hết, cơ chế lập lịch thực hiện cho các tác vụ có thể được thực hiện theo hai cách: * Lập lịnh tĩnh: thứ tự thực hiện các tác vụ không thay đổi mà được xác định trước khi hệ thống đi vào hoạt động. * Lập lịnh động: hệ điều hành xác định lịnh sau khi hệ thống đã đi vào hoạt động. Sau khi xác định được cơ chế lập lịch, hệ điều hành cần sử dụng một sách lược lập lịnh (strategy) để áp dụng đối với từng tình huống cụ thể. Có thể chọn một trong những cách sau: * FIFO (First In First Out): một tác vụ đến trước sẽ được thực hiện trước. * Mức ưu tiên cố định/động: tại cùng một thời điểm, các tác vụ được đặt các mức ưu tiên cố định hoặc có thể thay đổi nếu cần. * Preemptive: còn gọi là sách lược chen hàng, tức là chọn một tác vụ để thực hiện trước các tác vụ khác. * Non-preemptive: còn gọi sách lược không chen hàng. Các tiến trình được thực hiện bình thường dựa trên mức ưu tiên của chúng. Việc tính mức ưu tiên của mỗi tiến trình được thực hiện theo một trong số các thuật toán sau: * Rate monotonic: tác vụ nào càng diễn ra thường xuyên càng được ưu tiên. * Deadline monotonic: tác vụ nào càng gấp, có thời hạn cuối càng sớm càng được ưu tiên. * Least laxity: tác vụ nào có tỷ lệ thời gian tính toán/thời hạn cuối cùng(deadline) càng lớn càng được ưu tiên. Trong thực tế, yêu cầu về tính thời gian thực đối với mỗi ứng dụng điều khiển cũng có các đặc thù khác nhau, mức độ ngặt nghèo khác nhau. Ví dụ, các hệ thống điều khiển nhúng thường được ứng dụng với các sản phẩm chế tạo hàng loạt, chi phí phần cứng cho từng sản phẩm cần được giảm thiểu, vì vậy dung lượng bộ nhớ cũng như hiệu năng vi xử lý thường thấp. Hơn nữa, điều khiển nhúng lại là giải 26 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên pháp đặc thù trong các ứng dụng nhanh, tiêu biểu là điều khiển chuyển động, dẫn đến các yêu cầu ngặt nghèo hơn về hiệu suất phần mềm. Trong khi đó, các hệ điều khiển công nghiệp như PLC hoặc DCS đặt ra yêu cầu cao về khả năng lập trình và đưa vào vận hành thuận tiện cho các bài toán lớn. Các hệ thống ứng dụng PLC và DCS cũng thường chậm hơn (ví dụ trong điều khiển các quá trình công nghệ) Nhưng như vậy không có nghĩa là các giải pháp PLC hoặc DCS không phải là các hệ thời gian thực. Sẽ rất nguy hại khi trong một nhà máy điện nguyên tử hay trong một nhà máy lọc dầu, nếu thuật toán điều khiển mặc dù rất hiện đại nhưng bộ điều khiển không có khả năng đưa ra kết quả đáp ứng kịp thời vào những thời điểm trích mẫu, hay khi không đưa ra được các quyết định dừng khẩn cấp một cách kịp thời trong những tình huống bất thường. 2.2. Giao thức mạng Để đáp ứng yêu cầu của các ứng dụng khác nhau trong những năm vừa qua nhiều giao thức mạng đã được đề xuất và dẫn tới sự ra đời của nhiều chuẩn mạng truyền thông công nghiệp khác nhau. Tuy nhiên, hầu hết trong số chúng đều được xây dựng dựa trên chuẩn mô hình 7 lớp ISO/OSI (International Standards Organization/Open Systems Interconnection) và sử dụng cùng dạng lược đồ địa chỉ đầu/cuối. Ví dụ: Giao thức truyền của mạng CAN (Control Area Network) thêm vào 44 bits (với định dạng chuẩn) để ấn định các thông tin liên quan đảm bảo việc truyền chính xác và hiệu quả [1], [3]. Ngoài việc điền chính xác địa chỉ cho mỗi thông điệp, giao thức truyền còn phải định rõ quy tắc truyền để đảm bảo việc truyền chính xác và tránh xung đột. Trên cơ sở giao thức truyền đã lựa chọn, hệ thống mạng có thể hỗ trợ một số mô hình truyền thông khác nhau như mô hình khách hàng/hệ phục vụ (Client/Server), mô hình chủ/tớ (Master/Slave) và mô hình phát hành/thuê bao (Publisher/Subscriber) để đáp ứng các yêu cầu truyền thông khác nhau. Những mô hình truyền thông như vậy cho phép thông tin chứa tại một thiệt bị hoặc ứng dụng 27 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên bất kỳ có thể dễ dàng chia sử cho các thiết bị hoặc ứng dụng khác mà không cần phải trang bị thêm thiết bị phần cứng cũng như bổ xung các thuật toán truyền tin như trong các hệ điều khiển sử dụng phương pháp truyền thông điểm - điểm truyền thống. Có thể hình dung ưu điểm này trong ví dụ về giá trị của một đại lượng vật lý cần phải đo và truyền tới một số thiết bị trong hệ điều khiển. Khi đó thay vì phải sử dụng nhiều sensor hoặc phát triển một thuật toán riêng để truyền thông tin này tới các thiết bị cần thiết như trong các hệ thống truyền thông điểm - điểm ta chỉ sử dụng một sensor nối mạng và sử dụng chế độ truyền thông phát hành/thuê bao để truyền thông tin tới các thiết bị cần thiết cũng được nối mạng. Mô hình truyền thông master/salve có thực hiện truyền thông theo các phương pháp kết nối hồi đáp tuần tự (Poll), hỏi đáp đồng thời (Strobe), kết nối nhiều người nhận (Multicast) hoặc là kết nối chu kỳ. Phương pháp hỏi đáp tuần tự và phương pháp hỏi đáp đồng thời thường được sử dụng cho mạng hiện trường và mạng điều khiển. Trong phương pháp hỏi đáp tuần tự trạm master sẽ gửi yêu cầu tới lần lượt từng trạm slave cần lấy thông tin cà các trạm slave sẽ thực hiện việc lấy mẫu hoặc lấy dữ liệu lưu giữ trong bộ đếm để gửi cho trạm master theo yêu cầu. Khác với phương pháp hỏi đáp tuần tự, ở phương pháp hỏi đáp đồng thời trạm master gửi yêu cầu tới tất cả các trạm slave và các trạm slave khi nhận được yêu cầu sẽ ngay lập tức trả lời. Trong trường hợp này các trạm slave sẽ gửi về trạm master các giá trị đo (hoặc dữ liệu quá trình) tại cùng thời điểm nhưng việc truyền dữ liệu lên mạng sẽ được dàn xếp bởi giao thức truyền thông sử dụng. Điểm khác biệt cơ bản của hệ thống truyền thông sử dụng mạng so với phương pháp truyền thông điểm - điểm là sử dụng chung phương tiện truyền thông để truyền tin. Phần chính của giao thức truyền thông là điều khiển truy nhập mạng. Nhiều phương pháp truy nhập mạng đã được phát triển như CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detect), phương pháp chuyển thẻ bài (token passing), phương pháp CSMA/AMP (Carrier Sense Multiple Access with Arbitration Message Priority), phương pháp FDMA và phương pháp TDMA. Mỗi phương pháp có những ưu điểm và nhược điểm riêng. Trong khuôn khổ của luận 28 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên văn này ta sẽ phân tích ba loại mạng được sử dụng phổ biến trong công nghiệp với ba phương pháp truy nhập mạng điển hình là CSMA/CD, token passing và CSMA/AMP. 2.2.1. Phƣơng pháp CSMA/CD Phương pháp truy nhập mạng được sử dụng trong hệ thống mạng nổi tiếng là Ethernet được quy định trong tiêu chuẩn IEEE 802.3 và khi nói tới Ethernet người ta cũng đồng thời ám chỉ tới phương pháp điều khiển truy nhập mạng CSMA/CD. Phương pháp điều khiển truy nhập mạng CSMA/CD quy định mỗi nút mạng phải theo dõi thường xuyên trước khi thực hiện việc truyền tin. Khi phát hiện đường truyền trở nên sẵn sàng cho việc truyền tin thì lập tức thực hiện việc truyền tin. Một khả năng có thể xảy ra là có hai hoặc nhiều nút mạng cùng thực hiện truyền tin và nó sẽ sảy ra xung đột và các nút mạng thực hiện truyền tin sẽ phát hiện xung đột này. Nếu phát hiện ra xung đột các nút mạng sẽ lập tức ngừng việc truyền tin và đợi trong một khoảng thời gian ngẫu nhiên trước khi thực hiện việc truyền lại. Khoảng thời gian chờ ngẫu nhiên này được tạo ra bởi thuật toán chờ hàm mũ nhị phân (BEB-binary exponential backoff) và điều này làm cho trễ truyền thông tạo bởi phương pháp điều khiển truy nhập mạng CSMA/CD mang tính bất định [9], [10]. Thuật toán BEB được thực hiện như sau: thời gian đợi được chọn ngẫu nhiên trong khoảng từ 0 tới (2i-1) lần khoảng thời gian tối thiểu để truyền lại. Ở đây i được chọn bằng số lần xảy ra xung đột được phát hiện bởi nút mạng đó nếu nó nhỏ hơn 10 hoặc được chọn bằng 10 nếu số lần xảy ra xung đột phát hiện được lớn hơn 10, có nghĩa là mức trên được giới hạn ở 1023. Sau 16 lần xung đột thì sẽ báo lỗi. Định dạng của khung truy nhập mạng (MAC frame) theo [9], [10] như trên Hình 2-3. Trên khung truy nhập này ta có thể nhận thấy Ethernet đã thêm vào 26 bytes thông tin điều khiển truyền thông. Gói dữ liệu có kích thước tối thiểu là 46bytes và tối đa là 1500bytes. Sở dĩ phải quy định kích thước tối thiểu cho gói dữ liệu là do khung truy nhập mạng bị quy định kích thước tối thiểu tính từ địa chỉ đích tới 29 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên CHECKSUM là 64bytes (có nghĩa là khung truy nhập mạng có kích thước tối thiểu là 72bytes). 7 bytes Khởi động quá trình truyền (Preamable) 1 byte Bắt đầu khung truyền (SFD) 6 bytes Địa chỉ đích (DA) 6 bytes Địa chỉ nguồn (SA) 2 bytes Độ dài/dạng (Length/Type) Dữ liệu (Data) Pad 7 bytes Checksum Hình 2-3. Định dạng của khung truy nhập mạng Ethernet Có hai lý do để quy định kích thước tối thiểu của khung truy nhập mạng lớn như vậy là: 1/ Dễ dàng nhận ra khung truy nhập hợp lệ trong số dữ liệu truyền bao gồm cả các bits lạc, các mảnh khung truy nhập do bộ truyền/nhận cắt ngắn khi phát hiện xảy ra xung đột. 2/ Nếu khung truy nhập ngắn có thể xảy ra tình trạng nút truyền kết thúc truyền (truyền xong hết các bit cần truyền) nhưng bit đầu tiên vẫn chưa tới được nút đích ở khoảng cách xa và như vậy sẽ không phát hiện được xung đột. Nói cách khác kích thước tối thiểu của khung truy nhập sẽ quy định chiều dài tối đa của mạng. Ví dụ với mạng LAN 10Mbps, kích thước mạng tối đa là 2500m và 4 bộ lặp lại (theo [9]) ta có thời gian tín hiệu truyền đi và về hết khoảng 50s trong trường hợp xấu nhất (bao gồm cả thời gian truyền trong 4 bộ lặp lại) và do vậy khung truyền tối thiểu phải là 500bits (ở tốc độ 10Mbps mỗi bit chiếm 100ns). Thực tế để an toàn người ta lấy 512bytes hay 64bytes. Các khung truyền với dữ liệu nhỏ phải được thêm vào để đạt giá trị tối thiểu 64bytes từ địa chỉ đích tới CHECKSUM. Với mạng có tốc độ cao, 1Gbps để hoạt động được ở khoảng cách 2500m cần phải có khung truyền với kích thước tối thiểu là 6400bytes và thực tế 46.. 1500 bytes 30 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên người ta chấp nhận khoảng cách 250m với kích thước khung truyền 640bytes. Đây cũng chính là lý do các mạng điều khiển thường sử dụng mạng tốc độ 10Mbps. Ưu điểm nổi bật của CSMA/CD là thuật toán hoạt động của mạng đơn giản và trễ truyền thông nhỏ khi lưu lượng truyền trên mạng thấp. So sánh với phương pháp chuyển thẻ bài thì CSMA/CD sử dụng ít băng thông cho việc truy nhập mạng. Các mạng điều khiển thường sử dụng Ethernet với tốc độ 10Mbps (như Modbus/TCP). Ở các tốc độ cao hơn (100Mbps, 1Gbps và 10Gbps) Ethernet thường được sử dụng trong mạng dữ liệu nhưng cũng vẫn được sử dụng cho điều khiển. Để khắc phục ảnh hưởng của khoảng cách người ta phân chia hệ thống mạng bằng các switch để tránh khả năng xảy ra xung đột. Nhược điểm của CSMA/CD tính bất định của trễ truyền thông và không hỗ trợ việc phân quyền ưu tiên cho các thông điệp. Khi lưu lượng truyền thông lớn hiện tượng xung đột xảy ra thường xuyên hơn và nó dẫn tới làm tăng trễ truyền thông, giảm khả năng thông qua của mạng. Bởi vì CSMA/CD cho phép 1 nút thực hiện việc truyền các gói tin một cách riêng biệt trong khoảng thời gian dài bất chấp các nút mạng khác đang đợi truy nhập mạng nên nó thường gây ra sự giảm hiệu năng của toàn hệ thống. Việc sử dụng thuật toán BEB chuẩn không có sự đảm bảo truyền thông do thông điệp có thể bị bỏ qua sau một số lần xung đột. Nhược điểm nữa của Ethernet là yêu cầu đảm bảo kích thước dữ liệu tối thiểu nên khi dữ liệu cần truyền có kích thước nhỏ ta cần phải sử dụng các thông điệp có kích thước lớn làm giảm hiệu quả truyền thông. Một vài giải pháp đã được đề xuất nhằm cải thiện khả năng ứng dụng của Ethernet cho các ứng dụng điều khiển. Hướng thứ nhất là sử dụng các switch thông minh để phân chia kiến trúc của hệ thống mạng nhằm nâng cao hiệu quả truyền thông, giảm xung đột [10]. Hướng thứ hai là giảm tính bất định của trễ truyền thông bằng cách khống chế trễ truyền lại của các gói tin bị xung đột. Tuy nhiên để thực hiện việc này lại dẫn tới hệ số sử dụng đường truyền thấp và trễ truyền thông trung bình lớn hơn mức bình thường. Một số ứng dụng điều khiển đòi hỏi biết được thời điểm lấy mẫu của các dữ liệu hoặc là đánh giá trễ truyền thông của mỗi thông điệp. 31 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Để làm được điều này ta tìm cách gắn vào mỗi thông điệp truyền trên mạng một tem thời gian (time-stamp) trước khi gửi và đương nhiên phương án đòi hỏi phải đồng bộ hoá đồng hồ thời gian thực của các nút mạng. Để cải thiện thời gian đáp ứng đối với các thông điệp quan trọng một số mạng có bổ xung thêm mức ưu tiên vào giao thức CSMA/CD (ví dụ như LonWork). 2.2.2. Phƣơng pháp chuyển thẻ bài (Token passing) Phương pháp truy nhập bằng thẻ bài được quy định trong tiêu chuẩn IEEE 802.4 cho phép các cấu trúc mạng hình bus, hình cây, đa điểm hoặc phân đoạn. Mạnh hình vòng sử dụng phương pháp truyền thẻ bài (token ring) được quy định trong tiêu chuẩn IEEE 802.5. Mạng sử dụng phương pháp truy nhập dùng thẻ bài có tính tiền định cao hơn Ethernet. Thời gian đợi để truyền thông điệp tối đa là bằng thời gian quay vòng của thẻ bài. Một số mạng điển hình sử dụng phương pháp truy nhập bằng thẻ bài là MAP, PROFIBUS, ControlNet,…Trong giao thức sử dụng phương pháp truy nhập dùng thẻ bài các nút mạng được quy định một cách logic thành vòng tròn. Chỉ nút mạng đang giữ thẻ bài mới được quyền thực hiện việc truyền tin và nó được phép truyền tin cho tới khi hết dữ liệu cần truyền hoặc hết thời gian nắm giữ thẻ bài. Khi hết thời hạn truyền tin (hết dữ liệu hoặc hết thời gian giữ thẻ bài) nút mạng sẽ tạo ra một thẻ bài và chuyển cho nút mạng tiếp theo. Hiện tượng xung đột của các khung dữ liệu không xảy ra vì tại một thời điểm chỉ có một nút mạng thực hiệc việc truyền tin. Trong phương pháp truy nhập mạng này cũng đã tính tới trường hợp lỗi khi nút mạng giữ thẻ bài vì lý do nào đó dừng truyền tin và không chuyển thẻ bài cho nút tiếp theo. Định dạng khung truy nhập mạng của ControlNet như trên Hình 2-4. Tổng cộng các thông tin thêm vào là 7 bytes, bao gồm khởi động quá trình truyền, bắt đầu khung truyền, MAC ID nguồn, CRC (cylic redundancy check) và kết thúc khung truyền. 32 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Hình 2-4. Định dạng khung truy nhập mạng của ControlNet Phần dữ liệu của khung truy nhập mạng có thể bao gồm một vài gói dữ liệu. Mỗi gói dữ liệu bao gồm các trường như: kích thước, điều khiển, thẻ địa chỉ (tag) và dữ liệu. Kích thước tổng cộng của các gói dữ liệu là từ 0 tới 510bytes. Thẻ địa chỉ dùng để ghi địa chỉ đích truyền. Trường kích thước ghi số lượng từ (word, 2bytes) chứa trong mỗi gói dữ liệu bao gồm cả bản thân trường kích thước, trường điều khiển, trường thẻ địa chỉ và trường dữ liệu. Như vậy giá trị trong trường kích thước sẽ là từ 3 tới 255. Trong giao thức mạng sử dụng phương pháp chuyển thẻ bài mỗi nút mạng được ấn định một địa chỉ truy nhập duy nhất gọi là MAC ID. Như đã nói ở trên, nút mạng nào đang giữ thẻ bài sẽ được phép truyền dữ liệu và khi kết thúc thẻ bài sẽ được chuyển cho nút mạng khác. Tuy nhiên không có thẻ bài thực nào được truyền trên mạng mà thay vào đó cơ chế chuyển thẻ bài được thực hiện bằng cách giám sát MAC ID nguồn của mỗi thông điệp nhận được để chuyển “thẻ bài ẩn” (implicit token) giữa các nút mạng. Tại thời điểm kết thúc của thông điệp, mỗi nút mạng sẽ thực hiện việc đặt thanh ghi thẻ bài bằng với MAC ID nguồn cộng với 1. Nếu giá trị của thanh ghi bằng với MAC ID của nút mạng thì bắt đầu thực hiện việc truyền dữ liệu. Nếu không có dữ liệu cần truyền nó sẽ thực hiện việc truyền thông điệp với dữ liệu trống hay còn gọi là khung dữ liệu “không”. Tất cả các nút mạng trong một hệ Khởi động quá trình truyền (Preamable) Bắt đầu khung truyền (SFD) Địa chỉ nguồn (Source MAC ID) LPacke t CRC Kết thúc khung truyền (ED) LPacke t LPacke t 2 bytes 1 byte 1 byte 7 bytes 1 byte 1 byte 2 bytes hoặc hơn 0…506 bytes Size Control Tag Data 0..510 bytes 33 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên thống mạng sẽ có giá trị thanhghi thẻ bài như nhau và như vậy sẽ ngăn chặn được xung đột. Chu kỳ quay vòng thẻ bài là thời gian quay vòng thẻ bài và được ký hiệu là TRT (Token Rotation Time). Chu kỳ quay vòng thẻ bài được phân chia thành ba phần chính: được lập lịch, không lập lịch và guardband. Trong phần được lập lịch mỗi nút mạng có thể truyền các dữ liệu được lập lịch truyền sẵn hoặc các dữ liệu khẩn cấp. Phần không lập lịch dùng để truyền các dữ liệu không khẩn cấp và các nút mạng có MAC ID từ 0 tới U chia sẻ cơ hội truyền tin này theo cách luân chuyển cho tới khi thời gian dành cho phần không lập lịch kết thúc. Tại khoảng thời gian cho guardband, tất cả các nút mạng sẽ dừng truyền tin và chỉ nút mạng điều tiết (nút mạng có MAC ID thấp nhất) có thể truyền các thông điệp điều tiết để đồng bộ hoá tất cả các bộ định thời trong mỗi nút mạng và truyền các tham số quan trọng như TRS,S,U,… Trên hình 2-5 mô tả chi tiết sơ đồ thời gian của chu kỳ quay vòng thẻ bài TRT. Hình 2-5. Sơ đồ thời gian của chu kỳ quay vòng thẻ bài TRT 0 1 2 S 7 8 U Lập lịch Không lập lịch Guardband 0 1 2 S 9 10 U Lập lịch Không lập lịch Guardband TRT TRT Thời gian 34 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Ưu điểm của phương pháp điều khiển truy nhập bằng thẻ bài là mạng hoạt động tốt và hiệu quả ngay cả khi tải mạng lớn. Với token bus ta có thể thêm hoặc bớt nút mạng ngay cả khi mạng đang hoạt động và đây là ưu điểm nổi trội của token bus so với mạng token ring. Bằng việc phân chia chu kỳ truyền thành các phân đoạn lập lịch và không lập lịch, ControlNet (một giao thức mạng sử dụng phương pháp chuyển thẻ bài) thích hợp cả các thông điệp khẩn cấp và không khẩn cấp. Nhược điểm của phương pháp điều khiển truy nhập mạng dùng thẻ bài là khi số lượng nút mạng lớn, tải mạng nhỏ thì phần lớn thời gian chỉ dùng để chuyển thẻ bài giữa các nút mạng. 2.2.3. Phƣơng pháp CSMA/AMP (CAN) Phương pháp truy nhập mạng CSMA/AMP hay CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Arbitration) được sử dụng cho mạng CAN. Trong phương pháp truy nhập mạng CSMA/AMP mỗi thông điệp sẽ được ấn định một mức độ ưu tiên dùng để phân xử lý truy nhập mạng khi nhiều nút mạng cùng tiến hành việc truy nhập và truyền dữ liệu một lúc. Chuỗi bít truyền được đồng bộ hoá bằng bít khởi động và mã căn cước (dùng để phân xử tranh chấp). Việc phân xử tranh chấp được thực hiện theo nguyên tắc logic “0” lấn át logic “1”. Một nút mạng muốn truyền tin sẽ đợi cho tới khi mạng rỗi và bắt đầu truyền mã nhận dạng của mình từng bít một. Nếu hai hoặc nhiều nút mạng cùng truyền thông điệp tại cùng một thời điểm thì chúng sẽ tiếp tục gửi thông điệp lên mạng đồng thời nghe mạng tới khi một nút mạng nghe được bít trên mạng khác với bít mà nó đã gửi ra. Khi đó nó sẽ mất quyền truyền thông và lập tức ngừng việc truyền tin lại còn nút mạng kia vẫn tiếp tục truyền dữ liệu. Như vậy theo nguyên tắc phân xử tranh chấp nêu trên, thông điệp có mã nhận dạng càng thấp sẽ có mức ưu tiên càng cao. Trong mạng CAN, dữ liệu được truyền và nhận sử dụng khung truyền mang dữ liệu từ nút truyền tới một hoặc nhiều nút nhận. Dữ liệu truyền không cần thiết bao gồm địa chỉ của đích hoặc nguồn mà thay vào đó mỗi thông điệp sẽ được dán nhãn bởi bộ nhận dạng mà nó là duy nhất trong toàn mạng. Tất cả các nút mạng 35 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên khác trong mạng nhận thông điệp và có thể lấy dữ liệu hoặc bỏ qua phụ thuộc vào cấu hình của các bộ lọc sử dụng trong khâu nhận dạng. Định dạng khung truy nhập mạng của mạng CAN bao gồm các trường: khởi động khung truy nhập, trường phân xử, trường điều khiển , trường dữ liệu, trường kiểm tra CRC, trường xác nhận (ACK), trường kết thúc khung truy nhập (EOF) và khoảng ngừng (INT) [1] [3] [8]. CAN hỗ trợ hai định dạng cho trường phân xử là trường phân xử với mã căn cước (Identifies) 11-bit và trường phân xử với mã căn cước 29-bit tương ứng với hai định dạng chuẩn (Standard format) và định dạng mở rộng (Extended format). Thứ tự và kích thước các trường trong khung truy nhập của mạng CAN như trên Hình 2-6. Hình 2-6. Định dạng khung truy nhập mạng CAN Khung truy nhập mạng (khung thông điệp) Mạng sẵn sàng Trường phân xử Trường Điều khiển Trường dữ liệu Trường CRC ACK EOF INT Mạng sẵn sàng Mã căn cước (Indentifier) SOF RTR DLC Dữ liệu (0..8 Bytes 15 Bits Phân định CRC ACK slot Phân định ACK a. Định dạng truy nhập mạng Trường phân xử Trường điều khiển Trường dữ liệu Mã căn cước 11 bits SOF R T R DLC3 DLC2 DLC1 DLC0 Dữ liệu (0..8 Bytes) ID E r0 b. Định dạng trường phân xử và điều khiển của mạng CAN chuẩn (Standard CAN) Trường phân xử Trường điều khiển Trường dữ liệu Mã căn cước 11 bits SOF R T R DLC3 DLC2 DLC1 DLC0 Dữ liệu (0..8 Bytes) ID E r0 S R R Mã căn cước mở rộng 18 bits r1 c. Định dạng trường phân xử và điều khiển của mạng CAN mở rộng (Extended CAN) 36 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Nhiều giao thức mạng đã được phát triển trên nền mạng CAN như CanOpen, DeviceNet, CiCAN, TechnoCAN,… Ưu điểm của mạng CAN là cho phép thiết lập mức ưu tiên thông qua trường phân xử.Các thông điệp có mức ưu tiên cao hơn luôn giành được quyền truy nhập mạng khi phân xử và do vậy các thông điệp có quyền ưu tiên cao hơn có trễ truyền thông ít tính bất định hơn và có sự đảm bảo truyền tin cao hơn. Với các thông điệp ngắn (từ 8 bytes trở xuống) mạng CAN có hiệu quả truyền tin cao do nó được thiết kế tối ưu cho việc truyền các thông điệp ngắn. Nhược điểm của mạng CAN khi so sánh với các mạng khác là tốc độ thấp (hiện tại tối đa là 1Mbps) nên khả năng thông qua của mạng thấp so với các mạng khác. Yêu cầu đồng bộ hoá bit truyền của giao thức CAN cũng giới hạn chiều dài tối đa của mạng. Mặc dù CAN cũng cho phép phân mảnh đối với các dữ liệu có kích thước lớn hơn 8 bytes nhưng hiệu quả truyền tin của CAN là thấp so với các mạng khác khi các thông điệp có kích thước lớn. 2.3. Một số hệ thống bus tiêu biểu sử dụng trong hệ DCS 2.3.1. PROFIBUS PROFIBUS (Process Field Bus) là một hệ thống bus trường được xây dựng bởi dự án hợp tác nghiên cứu của 13 công ty và 5 viện nghiên cứu do Bộ công nghệ và nghiên cứu CHLB Đức chủ trì từ 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 định nghĩa các đặc tính của một hệ thống bus cho phép kết nối nhiều thiết bị khác nhau, từ các thiết bị trường cho tới vào/ra phân tán, các thiết bị điều khiển và giám sát. PROFIBUS sử dụng phương pháp điều khiển truy nhập bus bằng thẻ bài (Token-Passing) và 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 có thể đạt được là 12Mbps. PROFIBUS có nhiều phiên bản như 37 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên PROFIBUS –PA, PROFIBUS-FMS, PROFInet và PROFIBUS-DP nhưng phiên bản sử dụng trong điều khiển phổ biến là PROFIBUS-DP. Hình 2-7. Cấu hình Multi-Master trong PROFIBUS Khi Sử dụng kết hợp hai phương pháp truy nhập bus như hình 2-7, nhiều trạm tích cực có thể tham gia giữ Token. Một trạm tích cực nhận được Token sẽ đóng vai trò là chủ để kiểm soát việc giao tiếp với các trạm tớ (slave), nó có thể quản lý hoặc có thể tự do giao tiếp với các trạm tích cực khác trong mạng. Chính vì nhiều trạm tích cực có thể đóng vai trò là chủ, cấu hình truy nhập bus kết hợp giữa Token-Passing và Master/Slave còn được gọi là nhiều chủ (Multi- Master). Thời gian vòng lặp tối đa để một trạm tích cực lại nhận được Token có thể chỉnh được bằng tham số. Khoảng thời gian này chính là cơ sở cho việc tính toán chu kỳ thời gian của cả hệ thống. 2.3.1.1. PROFIBUS DP Là giao diện chuẩn để trao đổi dữ liệu giữa các trạm điều khiển (dùng PLC, DP master) và các thiết bị hiện trường (DP slave). Hình 2-8 là ví dụ về một hệ thống mạng dùng PROFIBUS DP. Tốc độ tối đa của PROFIBUS DP là 12Mbit/giây. 38 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Hình 2-8. Cấu hình Multi-Master trong PROFIBUS 2.3.1.2. PROFIBUS PA PROFIBUS PA được thiết kế để chuyên dùng cho điều khiển quá trình và cho phép các thiết bị đo và các thiết bị chấp hành có thể nối ghép với mạng điều khiển chung thậm chí trong điều kiện môi trường nguy hiểm. PROFIBUS PA tuân theo tiêu chuẩn IEC 61158-2 (truyền đồng bộ), nghĩa là cấu hình an toàn và các thiết bị hiện trường nhận nguồn nuôi thông qua đường mạng. PROFIBUS-PA có thể có cấu trúc hình tuyến, hình cây hay hình sao. Số trạm trên một nhánh mạng phụ thuộc vào nguồn nuôi, dòng tiêu thụ của các trạm, dạng cáp được sử dụng và khoảng cách của chúng. Tốc độ truyền của PROFIBUS PA là 31.25 kbit/giây. Nó có thể hoạt động với cấu hình có dự phòng bằng cách nhân đôi đường mạng. Một tuyến PROFIBUS PA có thể nối với tuyến PROFIBUS DP thông qua bộ chuyển đổi DA/PA link như hình 2-9. Hình 2-9. Cấu hình Multi-Master trong PROFIBUS 39 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 2.3.1.3. PROFIBUS FMS (Fieldbus Message Specification) Được sử dụng để trao đổi thông tin giữa các bộ điều khiển (PLC) và các máy tính ở cấp điều khiển. Một trong những ưu điểm của FMS là dữ liệu được truyền đi có cấu trúc không phụ thuộc vào thiết bị mà nó phát đi (dạng trung hoà), sau đó nó được chuyển đổi thành dạng đặc thù của thiết bị tiếp nhận nó. Điều đó có nghĩa là, nó có thể “nói chuyện” với tất cả thiết bị hiểu được FMS. Trong chương trình của người sử dụng, ta có thể dùng các ngôn ngữ tương ứng như STL hay C cho các ứng dụng chạy trên PC. 2.3.2. CAN Mạng CAN (Controller Area Network) được phát triển lần đầu tiên tại hãng Robert Bosch (CHLB Đức) vào năm 1986. Mục tiêu ban đầu được đặt ra là phát triển một hệ truyền thông kết nối các bộ điều khiển điện tử trong xe ôtô. CAN là mạng truyền thông kết nối tiếp sử dụng phương tiện truyền thông là hai dây, chế độ truyền bán song công. CAN phù hợp với các ứng dụng tốc độ cao và với thông điệp ngắn. Về mặt tốc độ, CAN hỗ trợ tốc độ tối đa là 1Mbps đối với các phân đoạn mạng không lớn hơn 50m. Khi chất lượng cáp thấp và khoảng cách truyền lớn hơn tốc độ truyền sẽ bị suy giảm. CAN sử dụng phương pháp điều khiển truy nhập mạng CSMA/CA (hay CSMA/AMP). CAN bus được ứng dụng vào hệ điều khiển chuyển động do dễ sử dụng, ổn định cao. CAN-bus chậm hơn Ethernet, SynqNet, FireWire, Sercos và nhanh hơn RS 485. Khi khoảng thời gian giữa các lần gửi tín hiệu tốc độ khoảng >1ms (nghĩa là tốc độ cập nhật của mạch vòng vị trí nằm khoảng <1KHz, thì ta có thể sử dụng mạng CAN. Khi dùng CAN-bus để truyền thông trong hệ điều khiển chuyển động thì có những ưu điểm sau:  Chuyển động mềm dẻo : Quỹ đạo chuyển động được tạo ra trong máy tính (PC) hoặc CPU của bộ điều khiển. Không yêu cầu thêm phần cứng, ngoại trừ giao diện mạng. 40 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên  Linh hoạt: Số lượng các trục có thể thay đổi dễ dàng mà không phải thêm các thiết bị vào phần cứng trên bộ điều khiển chủ. Các thiết bị khác như các module vào ra, các sensor,….có thể được nối trực tiếp đến CAN-bus.  Phân ly: Vòng điều khiển vị trí trong servo drive được phân ly từ bộ điều khiển chủ. Trong hệ thống với bộ điều khiển tập trung, việc tạo quỹ đạo và thuật toán mạch vòng vị trí chia sẻ cùng một phần cứng. Sự tăng số trục tiêu biểu tốc độ cập nhật của mạch vòng vị trí cho mỗi trục cần điều khiển.  Dây dẫn: Các thiết bị có thể được gắn trên máy nên giảm độ phức tạp cũng như giá thành của dây nối.  Giám sát: CAN-bus, với giao thức CANopen, cho phép ta có thể truy cập đến các biến trong các node servo drive và trạng thái máy. 2.3.3. Ethernet Ethernet được phát triển bởi Trung tâm nghiên cứu Palo Alton (PARC) thuộc tập đoàn Xerox (Mỹ) từ những năm 70 của thế kỷ 20. Ethernet sử dụng phương pháp điều khiển truy nhập mạng CSMA/CD. Có nhiều giao thức mạng đã được phát triển trên nền Ethernet nhưng phổ biến nhất vẫn là giao thức TCP (Transport Control Protocol) với hơn 95% lưu lượng truyền thông trên các mạng IP diện rộng. Sự phổ biến của Ethernet đã thúc đẩy các nhà nghiên cứu và phát triển ứng dụng điều khiển tìm cách áp dụng Ethernet vào công nghiệp và dẫn tới sự ra đời của các hệ mạng Ethernet công nghiệp (Industrial Ethernet). Ethernet công nghiệp được phát triển theo hướng tận dụng những ưu điểm của mạng Ethernet là tốc độ cao, giá thành thấp, dễ thực hiện và khắc phục các nhược điểm của nó là không đáp ứng yêu cầu thời gian thực và tính dự phòng. 2.3.4. Fourdation Fieldbus Fourdation Fieldbus được phát triển bởi tổ chức Fourdation Fieldbus. Fourdation Fieldbus ban đầu được phát hành với hai cấp tốc độ 31.25kbps và 41 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 1Mbps. Các hệ thống với tốc độ cao hơn như 2.5Mbps và hơn thế nữa đã và đang được phát triển. Fourdation Fieldbus tốc độ thấp, 31,25kbps, chủ yếu dùng để thay thế cho các đường truyền kỹ thuật tương tự 4 -20 mA và mỗi một phân đoạn hỗ trợ tối đa 32 thiết bị. Ở các cấp tốc độ cao hơn Foundation Fieldbus được phát triển trên nền mạng Ethernet sử dụng Switch và được gọi là Fieldbus HSE (High speed Swith Ethernet). Foundation Fieldbus trở thành chuẩn quốc tế và xu hướng phát triển của các hệ thống tự động hoá là sử dụng Fourdation Fieldbus, ta có thể kết nối trong cùng 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. Chuẩn mạng Foundation Fieldbus đang ngày càng trở nên phổ biến nhờ khả năng tích hợp cao và dự báo sẽ trở thành hệ truyền thông tiêu chuẩn cho bus trường trong các hệ DCS hiện đại. Foundation Fieldbus là chuẩn mạng đa điểm, cho phép nhiều thiết bị đồng thời kết nối vào một đường cáp duy nhất. Chuẩn mạng này đồng thời cho phép nhúng chức năng điều khiển vào trong giao thức. Một số đặc điểm của Foundation Fieldbus: * Tính tương thích: Cho phép bất cứ thiết bị trường theo chuẩn Fieldbus đều có thể kết nối vào mạng Fieldbus và tham gia vào việc điều khiển. * Truy nhập dữ liệu: Chuẩn Fieldbus cho phép máy chủ đọc tất cả các dữ liệu đã được định dạng từ các thiết bị trường. Ngoài ra, các thiết bị cũng có khả năng trao đổi thông tin với nhau trực tiếp mà không cần thông qua máy chủ. Ví dụ cơ cấu chấp hành có thể đọc dữ liệu trực tiếp từ các thiết bị đo tương ứng trong vòng điểu chỉnh. * Khối hàm: Fieldbus định nghĩa một khối hàm chung. Hầu hết các khối hàm này có thể thực hiện ngay tại thiết bị đo. Các khối hàm này bao gồm: các khối hàm vào/ra, các khối hàm PID,… Đây là những khối hàm dùng chung cho tất cả các thiết bị theo chuẩn Fieldbus vì vậy thiết bị của bất cứ nhà cung cấp nào cũng có thể kết nối vào mạng Fieldbus. Các mạng truyền thông ở cấp trường có thể chia làm 3 loại như sau: 42 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên * Sensor Bus: Phục vụ việc truyền thông tin đơn giản kiểu on/off, các tín hiệu của công tắc, giới hành trình, cuộn hút,… * Device Bus: Phục vụ việc truyền thông tin số và tương tự cho các vào/ra phân tán. * Field Bus: Phục vụ truyền thông tin về dữ liệu, cảnh báo và chức năng điều khiển với các thiết bị trường. Tốc độ truyền có hai dạng chuẩn Fouldation Fieldbus: * Foundation Fieldbus H1: có tốc độ truyền tối đa là 31.25kb/s, với chuẩn mạng sử dụng giao thức chuyển thẻ bài Token passing, hình 2-10. Hình 2-10. Mạng Foundation Fieldbus H1 * Foundation Fieldbus H2 (hay còn gọi là Fieldbus HSE): có tốc độ truyền lên đến 100Mb/s hoặc 1Gb/s, với chuẩn mạng sử dụng giao thức CSMD/CD (Ethernet) như hình 2-11. 43 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Hình 2-11. Mạng H1/HSE Foundation Fieldbus sử dụng kết hợp cả phương thức truyền đồng bộ (truyền theo chu kỳ, cứ đến một thời điểm định trước, hệ thống sẽ đọc dữ liệu từ các thiết bị) và truyền không đồng bộ (truyền theo yêu cầu, hình thức này chỉ truyền dữ liệu khi có điều kiện xảy ra, phù hợp cho các tín hiệu cảnh báo có tính bất định và mức độ ưu tiên cao). Mô hình truyền chủ đạo của Foundation Fieldbus là theo kiểu “Nơi phát tán/nơi sử dụng” (Producer/consumer), đây chính là hình thức truyền dữ liệu từ một nguồn điện đến nhiều đích cùng một lúc. Phần lớn các chuẩn mạng sử dụng hình thức truyền “nguồn/đích”, khi đó nếu một trạm muốn truyền thông điệp đến nhiều trạm, nó sẽ phải truyền từng thông điệp đến từng trạm khác nhau. Điều này sẽ làm tăng dung lượng đường truyền và làm cho quá trình đồng bộ hoá trở nên khó khăn. Khác với mạng Profibus sử dụng phương thức, mô hình truyền thông kiểu nguồn/đích, Foundation Fieldbus sử dụng phương thức, mô hình truyền thông kiểu “Nơi phát tán/sử dụng”. Các phương thức, mô hình truyền được thực hiện trong lớp ứng dụng. Bên cạnh phương thức, mô hình truyền “Nơi phát tán/sử dụng”, Foundation Fieldbus còn sử dụng phương thức Client/Server (phục vụ việc cài đặt hệ thống), Nguồn/đích (phục vụ việc truyền thông các tin cảnh báo). 44 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Về thời gian truyền trong mạng Foundation Fieldbus, mọi thiết bị trên mạng đều chiếm một khoảng thời gian để thực hiện việc xử lý thông tin và thực hiện các chức năng điều khiển. Bản thân mạng truyền thông cũng cần một khoảng thời gian để truyền dữ liệu giữa các thiết bị đó. * Trường hợp thực hiện vòng điều chỉnh: Trong trường hợp chỉ thực hiện giám sát vòng điều chỉnh, tức là chỉ thực hiện truyền dữ liệu theo định kỳ, việc phân bổ thời gian là khá đơn giản. Runtime (thời gian thực hiện của khối hàm): Mọi thiết bị đều thực hiện việc xử lý tín hiệu thông qua các khối hàm. Thời gian để thực hiện các khối hàm này phụ thuộc vào tốc độ bộ xử lý của thiết bị, lượng dữ liệu cần xử lý, công việc nó phải thực hiện. Khoảng thời gian đó được gọi là thời gian thực hiện của một khối hàm (Runtime). Thông thường thời gian thực hiện của một khối hàm trung bình là 50ms. Thời gian truyền: Khi tất cả các thiết bị thực hiện xong việc tính toán các khối hàm, nó sẽ chờ đến lượt mình và truyền dữ liệu lên mạng. Công việc này được thực hiện theo tuần tự, do vậy càng nhiều thiết bị trên mạng thì thời gian truyền càng lâu. Thông thường, với các mạng truyền thông tính toán tốt, thời gian truyền trung bình khoảng cho khối dữ liệu truyền. 2.4. Đánh giá hiệu năng của mạng truyền thông Đánh giá về hiệu năng hoạt động của hệ thống mạng ta cần phải quan tâm, đánh giá nhiều yếu tố của quá trình truyền thông, điển hình như sau:  Trễ truy nhập mạng;  Thời gian truyền;  Thời gian đáp ứng;  Tranh chấp (thường đánh giá bằng phần trăm tranh chấp);  Khả năng thông qua (ngược lại là phần trăm các gói tin bị bỏ qua);  Kích thước gói tin;  Hệ số sử dụng mạng;  Tính tiền định/ngẫu nhiên;... 45 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Dưới góc độ điều khiển ta cần quan tâm tới hai điểm chính được tổng hợp từ các yếu tố trên là: trễ truyền thông và sự đảm bảo truyền tin. Sự đảm bảo truyền tin là đảm bảo gói tin được truyền và nhận chính xác tại nút mạng yêu cầu, dữ liệu nhận được tại nút mạng nhận không được sai lệch, mất mát. Tóm lại là thông tin cần phải được truyền tới đích thành công với một khoảng trễ trong giới hạn cho phép. Tuỳ thuộc vào hệ thống mạng (bao gồm cả thiết bị phần cứng và giao thức truyền sử dụng) trễ truyền thông có thể là hằng số, thay đổi trong một khoảng hữu hạn hoặc có tính ngẫu nhiên. Để so sánh và đánh giá hệ thống mạng người ta đưa ra một số chỉ tiêu như hiệu suất của hệ thống mạng, hệ số sử dụng đường truyền, số lượng thông điệp không được truyền. 2.4.1. Hiệu suất của hệ thống mạng Hiệu suất của hệ thống mạng là tỷ số giữa tổng thời gian truyền (Ttx) và thời gian trễ tổng cộng dùng để truyền thông điệp (bao gồm thời gian đợi, thời gian truyền, thời gian xử lý...). Có thể tính hiệu suất của hệ thống mạng như sau [47]:      )1( )1( 1 ),( . 1 ),( M j ji dcom Ni M j ji tx Ni eff T T P node node (2.1) Khi Peff  1 thì có nghĩa là thời gian trễ chủ yếu là thời gian truyền thông điệp và hiệu năng của hệ thống mạng là tốt. Ngược lại, khi Peff  0 thì chủ yếu thời gian trễ là do xung đột. M(i) là tổng số thông điệp của nút mạng i. 2.4.2. Hệ số sử dụng đƣờng truyền Hệ số sử dụng mạng là tỷ số giữa tổng thời gian sử dụng để truyền dữ liệu và thời gian chạy tổng cộng của hệ thống mạng hoặc là tỷ số của thời gian truyền thông điệp và chu kỳ truyền thông của tất cả các thiết bị. Đối với các ứng dụng mà yêu cầu truyền thông có tính chất chu kỳ ta có thể tính hệ số sử dụng mạng như sau: i ji retx ji tx M jNi util T TT P node ),(),( 1 )1(     (2.2) Với ),( ji retxT là thời gian truyền lại của thông điệp (i, j), Ti là chu kỳ truyền thông của nút i. 46 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Putil mô tả phần trăm của băng thông hữu ích của nút mạng hoặc hệ số sử dụng mạng. Putil  0 thì toàn bộ băng thông được sử dụng cho mục đích khác còn khi Putil  1 là lúc mạng bão hoà. Trong nhiều trường hợp Putil  1 nhưng hiệu suất truyền dữ liệu thành công vẫn có thể gần bằng không vì khi đó việc sử dụng đường mạng chỉ dành cho việc truyền lại các thông điệp. 2.4.3. Số lƣợng thông điệp không đƣợc truyền Việc mất mát dữ liệu do truyền thông hoặc trễ truyền thông lớn có thể làm cho hệ thống điều khiển bị suy giảm chất lượng, thậm chí có thể trở nên mất ổn định. Do vậy cần phải xem xét và đánh giá số lượng thông điệp có thể không được truyền trong quá trình truyền tin. 2.5. Kết luận Trong chương này, giới thiệu kiến trúc hệ thống mạng truyền thông sử dụng trong các hệ thống điều khiển phân tán và ba giao thức mạng được sử dụng phổ biến trong công nghiệp là CSMA/CD, Token passing và CSMA/CA làm cơ sở cho việc phân tích trễ truyền thông của các hệ thống mạng này trong các chương tiếp theo. Ưu, nhược điểm của các hệ thống mạng này được phân tích và một số khái niệm, tiêu chuẩn đánh giá hiệu năng của hệ thống mạng cũng được trình bày làm cơ sở cho việc lựa chọn hệ thống mạng khi thiết kế hệ truyền thông cho các ứng dụng khác nhau. 47 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU TRỄ TRUYỀN THÔNG TRONG MỘT SỐ MẠNG TRUYỀN THÔNG CÔNG NGHIỆP TIÊU BIỂU Có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng tới tính thời gian thực, độ chính xác của hệ thống khi sử dụng mạng truyền thông số. Trong đó trễ trong truyền thông là một trong những nhân tố quan trọng quyết định đến chất lượng của hệ thống. Chương này sẽ nghiên cứu đặc tính, sự ảnh hưởng của trễ trong truyền thông lên hệ thống điều khiển và đưa ra biện pháp khắc phục. Thực tế cho thấy trễ truyền thông có tính ngẫu nhiên và việc tính toán một cách chính xác trễ truyền thông là hết sức khó khăn. Trong [13] và [14] tác giả đã đưa ra mô hình trễ truyền thông tổng quát cho mạng truyền thông với ràng buộc về sự bùng phát lưu lượng truyền thông. Mô hình này chuẩn hoá các mạng truyền thông thành sự ghép nối của năm phần tử cơ bản là kênh truyền, bộ đệm nhận, bộ dồn kênh, bộ tách kênh và cơ cấu điều khiển. Mô hình này thường được sử dụng để ước lượng tốc độ truyền thông trong quá trình phát triển các thiết bị mạng. Trong [18] đã giới thiệu phương pháp tính toán định lượng trễ truyền thông trong ba mạng tiêu biểu là ControlNet, Ethernet và DeviceNet. Các phân tích được tiến hành trên trạng thái làm việc ổn định của hệ thống mạng nhằm so sánh hiệu năng của các hệ thống mạng này. Trong chương này sẽ nghiên cứu về đặc điểm và tính chất của trễ truyền thông trong các mạng truyền thông kỹ thuật số nói chung từ đó phát triển phương pháp tính toán định lượng và phân tích trễ truyền thông trong mạng truyền thông công nghiệp tiêu biểu là CAN và Ethernet. Trên cơ sở đó xác định nguyên nhân của tính ngẫu nhiên của trễ truyền thông. 3.1. Thời gian trễ trong truyền thông 3.1.1. Giới thiệu Khi dùng mạng để truyền thông thì có rất nhiều ưu điểm song ta phải chú ý đến một số vấn đề đó là bao giờ cũng có trễ khi trao đổi, tính toán dữ liệu giữa các 48 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên nút mạng. Khi muốn trao đổi thông tin từ cảm biến đến cơ cấu chấp hành hay từ bộ điều khiển đến cơ cấu chấp hành… đều phải mất một khoảng thời gian nhất định. Thời gian truyền một thông điệp từ nút mạng này tới nút mạng kia trong mạng được gọi là trễ truyền thông. Tuỳ thuộc vào các yếu tố như: kiểu mạng, cơ chế định tuyến trong mạng mà thời gian trễ có các đặc tính khác nhau. Trong một số hệ thống, thời gian trễ này gần như không đổi nhưng trong nhiều hệ thống, trễ truyền thông thay đổi theo cơ chế ngẫu nhiên. 3.1.2. Các thành phần của thời gian trễ Theo mô hình mạng OSI có thể phân chia trễ truyền thông thành bốn phần chính: * Trễ tiền xử lý trong nút truyền: Đây là thời gian xử lý truyền thông trên nút truyền tin bao gồm thời gian tính toán và mã hoá dữ liệu tương ứng trong các lớp từ lớp ứng dụng (applocation layer) tới lớp mạng (network layer). * Trễ do đợi truyền tin: Thành phần trễ này bao gồm thời gian xếp hàng và thời gian đợi mạng sẵn sàng, tương ứng trong lớp liên kết dữ liệu (data link layer) trên nút truyền. * Trễ trên đường mạng: Thành phần trễ này là thời gian thực hiện truyền tin tương ứng trong các lớp vật lý (physical layer) trên nút truyền và lớp vật lý trong nút nhận. * Trễ xử lý trên nút nhận: thành phần trễ này là thời gian cần thiết để xử lý trên nút nhận bao gồm việc giải mã dữ liệu và các tính toán cần thiết khác. Thành phần trễ này tương ứng với thời gian trễ trong các lớp mạng từ lớp liên kết dữ liệu tới lớp ứng dụng. Trễ truyền thông được biểu diễn theo phương trình sau [18]: Tcom.d = Tpre + Twait+Ttx+ Tpost (3.1) Trong đó Tcom.d là trễ truyền thông, Tpre là trễ tiền xử lý, Twait là thời gian đợi truyền tin, Ttx là thời gian truyền tin và Tpost là trễ xử lý trên nút nhận. 49 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Trên Hình 3-1 trình bày phân bố của các thành phần trễ truyền thông trong mô hình mạng OSI. Chúng ta sẽ lần lượt phân tích đặc điểm của từng thành phần trễ trong truyền thông. Hình 3-1. Phân bố của các thành phần trễ truyền thông trong mô hình mạng OSI 3.1.2.1. Thời gian tiền xử lý truyền thông trong nút truyền, Tpre Tpre là thời gian cần thiết để thực hiện các tính toán, mã hoá dữ liệu cần thiết trước khi truyền dữ liệu như thời gian tính toán kích thước dữ liệu, phân chia dữ liệu, tính toàn mã kiểm tra, mã hoá dữ liệu,… Đối với các hệ thống có hệ xử lý truyền thông riêng thì thời gian này thường là hằng số hoặc có thể bỏ qua còn đối với các hệ thống sử dụng chung hệ xử lý cho cả tính toán điều khiển và truyền thông thì thời gian tiền xử lý này còn bao gồm cả thời gian đợi CPU thực hiện các tác vụ khác. Trong trường hợp này Tpre thường lớn và mang tính ngẫu nhiên, ảnh hưởng tới trễ truyền thông của cả hệ thống và thường không thể bỏ qua được. 3.1.2.2. Trễ đo thời gian ở nút truyền, Twait Thời gian đợi ở nút truyền của thông điệp bao gồm thời gian đợi trong hàng đợi và thời gian đợi giành quyền truyền tin. Thời gian đợi ở nút truyền phụ thuộc vào giao thức truyền thông, mô hình truyền thông, kích thước của dữ liệu cần truyền nút mạng A Chương trình ứng dụng Lớp ứng dụng Lớp liên kết dữ liệu Lớp vật lý T p re T w ai t T p o st T p re T w ai t T p o st Ttx Ttx nút mạng B Chương trình ứng dụng Lớp ứng dụng Lớp liên kết dữ liệu Lớp vật lý 50 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên và lưu lượng truyền thông trên mạng. Trong mạng thực hiện phương pháp hỏi đáp đồng thời, thời gian truyền còn phụ thuộc vào số lượng nút mạng trả lời đồng thời đối với một lần hỏi. Gọi thời gian xếp hàng là Tqueue và thời gian đợi giành quyền truyền tin là Tblock ta có: Twait = Tqueue + Tblock (3.2) a. Thời gian xếp hàng, Tqueue Thời gian xếp hàng, Tqueue là thời gian thông điệp đợi trong bộ đếm tại nút truyền trong khi các thông điệp khác trong hàng đợi được truyền. Thời gian xếp hàng phụ thuộc vào chiều dài của hàng đợi hiện tại, tương quan về mức độ ưu tiên của các thông điệp trong hàng đợi và thông điệp trên mạng. Thời gian xếp hàng mang tính ngẫu nhiên và rất khó phân tích. ta có thể khống chế thời gian xếp hàng bằng cách lập phương án “chen ngang” cho các thông điệp quan trọng. Với cách chen ngang như vậy có thể có Tqueue bằng không nhưng ta phải đổi giao thức truyền thông thành giao thức truyền thông phi tiêu chuẩn. Với các thông điệp khác thì việc xếp hàng là không tránh được và ta có thể khống chế hàng đợi bằng một chiến lược lập lịch toàn hệ thống một cách hợp lý. Tuy nhiên chiều dài hàng đợi sẽ tăng lên dần tới thời gian xếp hàng tăng lên khi mạng rơi vào trạng thái quá tải. b. Thời gian đợi giành quyền truyền tin, Tblock Thời gian đợi giành quyền truyền tin, Tblock là thời gian mà thông điệp phải đợi khi thông điệp cần truyền đã ở đầu hàng và sẵn sàng cho việc truyền tin tới khi nút truyền chính thức giành được quyền truyền tin. Thời gian này bao gồm thời gian đợi nút mạng đang thực hiện truyền thông kết thúc việc truyền thông, mạng trở nên sẵn sàng và thời gian đợi truyền lại thông điệp nếu xảy ra xung đột. Thời gian đợi giành quyền truyền tin phụ thuộc vào giao thức truyền thông và là yếu tố chính quyết định hiệu năng của hệ thống mạng. Chúng ta sẽ khảo sát Tblock của một số mạng tiêu biểu trong các phần tiếp sau của chương này. 51 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 3.1.2.3. Trễ trên đường mạng, Ttx Trễ trên đường mạng bao gồm độ dài của thông điệp (theo thời gian) và thời gian truyền của tín hiệu trên phương tiện truyền thông. Trễ trên đường mạng được tính như sau: propframext TTT  (3.3) trong đó Tframe là chiều dài khung truy nhập mạng theo thời gian và Tprop là thời gian truyền tín hiệu. a. Độ dài của điệp, Tframe Vì hệ thống mạng truyền thông sử dụng truyền thông nối tiếp nên trễ trên đường mạng bao gồm thời gian cần thiết để biểu diễn tất cả các bit dữ liệu hay chính là độ dài của thông điệp theo thời gian. Độ dài của thông điệp theo thời gian chính là độ dài của một khung truy nhập mạng và nó phụ thuộc vào kích thước dữ liệu, các thành phần của một khung truy nhập mạng, các thành phần dữ liệu điều khiển truyền thông phần đệm và độ rộng của một bit, Tbit [18]. Ta có độ dài của khung truy nhập mạng theo thời gian được tính như sau: Tframe=[ Ndata + Novhd + Npad + Nstuff ] x 8 x Tbit (3.4) Trong đó Tframe là độ dài theo thời gian của khung truy nhập mạng, Ndata là kích thước dữ liệu tính theo bytes, Novhd là thông tin điều khiển truyền thông, Npad là phần đệm để đảm bảo yêu cầu tối thiểu của khung truyền và Nstuff là số bytes sử dụng để nhồi bít. Số lượng bit nhồi phụ thuộc vào từng giao thức truyền thông. Ví dụ mạng CAN sử dụng cơ cấu nhồi bit theo phương án cứ 5 bits “1” liên tục thì nhồi một bit “0” và ngược lại, 5 bits “0” liên tục thì nhồi một bit “1”; mạng Ethernet, ControlNet và Profibus sử dụng mã hoá Manchester và do vậy không yêu cầu nhồi bit. b. Thời gian truyền tín hiệu, Tprop Thời gian truyền tín hiệu, Tprop phụ thuộc vào tốc độ lan truyền tín hiệu trên phương tiện truyền thông và khoảng cách giữa nút truy