Tài liệu Tìm hiểu và mô phỏng giao thức truyền tin iec 870 5 101 sử dụng trong công nghiệp

1 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG TÌM HIỂU VÀ MÔ PHỎNG GIAO THỨC TRUYỀN TIN IEC 870-5-101 SỬ DỤNG TRONG CÔNG NGHIỆP NGUYỄN KHẮC THU LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH THÁI NGUYÊN 2011 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 2 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan, luận văn là kết quả của tự bản thân tôi tìm hiểu, nghiên cứu. Các tài liệu tham khảo được trích dẫn và chú thích đầy đủ. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 3 LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, em xin chân thành cảm ơn Ts Phí Mạnh Lợi - Viện Công nghệ thông tin, người đã tận tình hướng dẫn em trong suốt quá trình hoàn thành luận văn này. Thầy đã mở ra cho em những vấn đề khoa học mang tính thực tiễn và ứng dụng trong nghành công nghiệp ở Việt Nam. Em cũng xin thể hiện lòng biết ơn đến các Thầy cô giáo Viện Công nghệ thông tin và Trường Đại học CNTT&TT - ĐH Thái Nguyên, những người đã trang bị cho em nhiều kiến thức chuyên ngành, cũng như sự chỉ bảo, giúp đỡ tận tình của quý Thầy cô đối với em trong suốt quá trình học tập. Xin được cảm ơn các đồng chí Lãnh đạo chỉ huy, đồng nghiệp trong đơn vị công tác và đặc biệt là Gia đình đã tạo mọi điều kiện thuận lợi, động viên trong quá trình học tập và nghiên cứu. Thái Nguyên, tháng 10 năm 2011 Học viên Nguyễn Khắc Thu Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 4 MỤC LỤC Trang Trang phụ bìa............................................................................................... Lời cam đoan...............................................................................................i Lời cảm ơn...................................................................................................ii Mục lục........................................................................................................iii Danh mục các ký hiệu, chữ cái viết tắt........................................................vi Danh mục hình vẽ........................................................................................viii Mở đầu.........................................................................................................1 Chương 1 Hệ thống điều khiển, giám sát và thu thập dữ liệu thời gian thực trong công nghiệp....................................................................................... 3 1.1 Một số khái niệm trong hệ thống phân tán thời gian thực.....................3 1.1.1 Thông tin và xử lý thông tin trong các hệ thời gian thực..............3 1.1.1.1 Tín hiệu analog, số và số hoá...........................................3 1.1.1.2 Số liệu và thông tin...........................................................3 1.1.2 Thu thập dữ liệu và mã hóa...........................................................4 1.1.2.1 Thu thập dữ liệu của các đại lượng analog........................4 1.1.2.2 Mã hóa dữ liệu của các đại lượng analog..........................5 1.1.2.3 Thu thập dữ liệu của các đại lượng logic..........................5 1.1.2.4 Mã hóa dữ liệu của các đại lượng logic.............................5 1.1.2.5 Thu thập các đại lượng tích lũy.........................................6 1.1.3 Tối thiểu hóa thời gian truyền dữ liệu thời gian thực.....................6 1.1.4 Địa chỉ quy chiếu của đối tượng.....................................................7 1.1.5 Đồng bộ thời gian cho các phân hệ................................................7 1.1.6 Lệnh điều khiển từ xa.....................................................................8 1.1.7 Giao thức truyền tin........................................................................8 1.1.8 Định thời (TimeOut).......................................................................10 1.1.9 Truyền tin dị bộ, đồng bộ...............................................................11 1.1.9.1 Truyền dị bộ........................................................................11 1.1.9.2 Truyền đồng bộ...................................................................12 1.1.10 Mô hình OSI ...............................................................................13 1.1.10.1 Giới thiệu..........................................................................13 1.1.10.2 Mô tả ý nghĩa các tầng.....................................................14 1.1.10.3 Đóng gói dữ liệu...............................................................15 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 5 1.2 Hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu thời gian thực trong công nghiệp.................................................................................................15 1.2.1 Hệ thống SCADA và phân cấp quản lý.........................................15 1.2.2 Chức năng của hệ thống SCADA.................................................17 1.2.3 Cấu trúc hệ thống SCADA............................................................18 1.2.3.1 Hệ thống thiết bị đầu cuối...................................................18 1.2.3.2 Hệ thồng mạng truyền số liệu..............................................20 1.2.3.3 Hệ thống các Trung tâm điều hành......................................20 1.2.4 Hệ thống SCADA trong ngành điện..............................................21 1.2.4.1 SCADA điều độ cấp quốc gia...............................................21 1.2.4.2 SCADA điều độ cấp Miền....................................................23 1.2.4.3 SCADA trạm........................................................................23 Chương 2 Giao thức IEC 870-5-101...........................................................25 2.1 Giới thiệu...............................................................................................25 2.2 Cấu trúc giao thức.................................................................................26 2.2.1 Thông tin truyền thông..................................................................26 2.2.2 Một số định nghĩa..........................................................................26 2.2.3 Đặc tả về cấu trúc..........................................................................27 2.3 Các đặc tả về truyền thông....................................................................28 2.3.1 Cấu hình mạng................................................................................28 2.3.2 Định dạng giao thức.......................................................................29 2.3.3 Quy tắc truyền................................................................................29 2.4 Định dạng Frame truyền tin...................................................................30 2.4.1 Frame tiêu chuẩn............................................................................30 2.4.2 Cấu trúc phổ biến của Frame dữ liệu ứng dụng.............................31 2.4.2.1 Start character/length..........................................................33 2.4.2.2 Control field trong chế độ Master-Slave............................34 2.4.2.3 Control field trong chế độ Master- Master.........................36 2.4.2.4 Link address (địa chỉ liên kết)............................................37 2.4.2.5 Type Identification..............................................................37 2.4.2.6 Variable Stucture Qualifier (xác định loại biến).................38 2.4.2.7 Cause Of Transmisson........................................................39 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 6 2.4.2.8 Common address of ASDUs...............................................40 2.4.2.9 Information Object Address...............................................40 2.4.3 Đặc trưng Frame với chiều dài cố định, chế độ Master-Slave......42 2.4.3.1 Frame được gửi từ trạm controlling...................................42 2.4.3.2 Frame được gửi từ trạm controlled.....................................43 2.4.4 Đặc trưng Frame với chiều dài cố định, chế độ Master- Master...44 2.4.4.1 Frame được gửi từ trạm controlling như là một trạm chủ..44 2.4.4.2 Frame được gửi từ trạm contronlling như là trạm thứ cấp..44 2.4.4.3 Frame được gửi từ trạm controlled dưới như là trạm chủ. .45 2.4.4.4 Frame được gửi từ trạm controlled như là trạm thứ cấp....45 2.5 Các thủ tục truyền thông.......................................................................46 2.5.1 Khởi động trạm............................................................................46 2.5.1.1 Khởi động cục bộ của controlling station chế độ Master-Slave..46 2.5.1.2 Khởi động cục bộ của controlled station chế độ Master-Slave...48 2.5.1.3 Khởi động từ xa controlled station chế độ Master-Slave.....50 2.5.2 Thu nhận các sự kiện trong chế độ Master-Slave...........................51 2.5.3 Tổng thẩm vấn (hỏi yêu cầu)..........................................................54 2.5.4 Đồng bộ hóa thời gian....................................................................56 2.5.5 Lệnh truyền.....................................................................................57 2.5.6 Truyền của tổng số tích hợp...........................................................60 2.5.7 Tham số tải.....................................................................................61 2.5.8 Kiểm tra thủ tục..............................................................................62 Chương 3 Xây dựng mô hình mô phỏng sử dụng giao thức IEC 870-5-101 trong công nghiệp........................................................................................63 3.1 Giới thiệu mô hình.............................................................................63 3.2 Kết cấu phần cứng.............................................................................64 3.3. Phần mềm.........................................................................................65 3.4. Nguyên tắc hoạt động của mô hình..................................................65 Kết luận, kiến nghị......................................................................................67 1. Kết luận...................................................................................................67 2. Kiến nghị.................................................................................................67 Tài liệu tham khảo ......................................................................................68 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 7 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ CÁI VIẾT TẮT Ký hiệu viết tắt Giải thích ý nghĩa DCS Distributed Control Systems (hệ thống điều khiển phân RTU PLC tán). Remote Terminal Units (thiết bị đầu cuối). Programmable Logic Controller (bộ điều khiển logic lập SCADA trình được). Supervisory Control And Data Acquisition (hệ thống điều IEC 870-5-101 khiển giám sát và thu thập dữ liệu). Giao thức truyền tin theo tiêu chuẩn của Uỷ ban điện tử CC I/O IED ASDU Quốc tế (IEC). Control Center (trung tâm điều khiển). In put/Out put (Vào/Ra). Thiết bị điện tử thông minh. Application Service Data Unit (Đơn vị dữ liệu dịch vụ ứng dụng, được định nghĩa là các frame dữ liệu trong Data Unit giao thức IEC 870-5-101). Chứng thực đơn vị dữ liệu. Identifier Information Đối tượng thông tin (cần thu thập). Object Information Địa chỉ đối tượng thông tin (địa chỉ đối tượng thông tin Object Address Time Tag Type qui ước thống nhất giữa CC và RTU). Nhãn thời gian (gán cho đối tượng thông tin). Xác định chủng loại. Identification RES PRM FCB FCV DFC ACD ACK NACK Dự phòng. Primary Message (tin nhắn chính). Frame Count Bit (đếm số bít của frame). Đếm số bít hợp lệ của frame. Điều khiển dòng dữ liệu. Access Demand bit (nhu cầu truy cập). Xác nhận tốt (Bản tin được chấp nhân). Xác nhận bản tin không được chấp nhận. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 8 FC COT TI SQ DIR SE GW Function Code (mã code của hàm). Cause Of Transmission (Nguyên do truyền). Telegram Type Identification (Kiểu điện tín). Single/sequence (đơn/chuỗi). Hướng truyền vật lý. Select / Execute ( Lựa chọn/Thi hành). Getway DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1. Biểu diễn tín hiệu tương tự có chu kỳ.........................................4 Hình 1.2. Biểu diễn tín hiệu tương tự không có chu kỳ..............................4 Hình 1.3. Biểu diễn mô hình OSI 7 lớp.......................................................13 Hình 1.4. Tổng quan hệ thống SCADA......................................................16 Hình 1.5. Sơ đồ về cấp SCADA trong hệ thống điện Việt Nam.................22 Hình 1.6. Sơ đồ SCADA trạm/nhà máy điện..............................................23 Hình 2.1. Mô hình 3 OSI của IEC 870-5-101.............................................27 Hình 2.2.Các dạng cấu hình mạng của giao thức IEC 870-5-101...............28 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 9 Hình 2.3. Định dạng Character của IEC 870-5-101....................................29 Hình 2.4. Định dạng Frame dữ liệu tiêu chuẩn...........................................30 Hình 2.5. Cấu trúc Frame dữ liệu................................................................31 Hình 2.6. Frame với chiều dài cố định được gửi từ trạm controlling .........42 Hình 2.7. Frame với chiều dài cố định được gửi từ trạm controlled...........43 Hình 2.8. Frame được gửi từ trạm controlling như trạm chủ......................44 Hình 2.9. Frame được gửi từ trạm controlling như trạm thứ cấp................44 Hình 2.10. Frame được gửi từ trạm controlled như trạm chủ.....................45 Hình 2.11. Frame được gửi từ trạm controlled như trạm thứ cấp...............45 Hình 2.12 .Khởi động cục bộ của contronlling station chế độ Master-Slave.....47 Hình 2.13 Khởi động cục bộ của contronlled station chế độ Master-Slave 49 Hình 2.14 Khởi động từ xa của contronlled station chế độ Master-Slave...50 Hình 2.15Thu nhận các sự kiện (dữ liệu lớp 1) chế độ Master-Slave.........52 Hình 2.16 Thu nhận các sự kiện (dữ liệu lớp 2) chế độ Master-Slave........53 Hình 2.17 Thủ tục tổng thẩm vấn trong chế độ Master-Slave.....................55 Hình 2.18 Thủ tục đồng bộ hóa trong chế độ Master-Slave........................56 Hình 2.19 Thủ tục lệnh truyền trong chế độ Master-Slave.........................59 Hình 2.20 Truyền tổng số tích hợp trong chế độ Master-Slave...................60 Hình 2.21 Tham số truyền trong chế độ Master-Slave................................61 Hình 2.22 TEST trong chế độ Master-Slave..............................................62 Hình 3.1 Mô phỏng mô hình sử dụng IEC 870-5-101 trong Scada............63 Hình 3.2 Mô phỏng mặt trước của bộ cảnh báo 32 kênh............................64 Hình 3.3 Mô phỏng mặt sau của bộ cảnh báo 32 kênh..............................64 Hình 3.4 Mô phỏng Trung tâm điều khiển trên máy tính............................65 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 10 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 11 MỞ ĐẦU Công nghệ thông tin đã và đang được ứng vào hầu hết các lĩnh vực của cuộc sống. Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ, ngày nay hoạt động sản xuất trong công nghiệp đã được tự động hóa ở mức độ cao, ở đó có sự tham gia rất hiệu quả của công nghệ thông tin. Các hệ thống điều khiển tự động hoá dây chuyền sản xuất công nghiệp được cấu thành từ nhiều phân hệ độc lập nhưng được liên kết thống nhất với nhau trong sự kiểm soát chặt chẽ bởi công nghệ mạng theo các tiêu chuẩn khác nhau. Việc trao đổi thông tin giữa các phân hệ được thực hiện bởi các giao thức truyền tin. Hiện nay nhiều hệ thống điều khiển được thiết kế cho phép điều khiển, giám sát và thu thập dữ liệu từ các hệ thống SAS/DCS (Distributed Control Systems), RTU (Remote Terminal Units) khác nhau được phân bổ trong toàn ngành hay toàn lãnh thổ gọi tắt là hệ thống SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition), hệ thống sử dụng các loại giao diện, giao thức, loại mạng khác nhau tuỳ theo từng mức phân cấp các phân hệ trong hệ thống. Luận văn tập trung nghiên cứu giao thức IEC 870-5-101 là một tiêu chuẩn quốc tế sử dụng trong hệ thống SCADA nhằm kết nối giữa các SAS/DCS, RTU, Getway với trung tâm điều khiển CC (Control Center). Ở nước ta hiện nay có nhiều hệ thống điều khiển tự động hoá đang được áp dụng cho các ngành công nghiệp, các hệ thống này thường do các nhà cung cấp thiết bị của nước ngoài xây dựng và tích hợp thành hệ thống riêng theo các gói thầu vì vậy khi bảo dưỡng, sửa chữa, thay thế hệ thống thường gặp phải những khó khăn về các chuẩn kết nối không tương thích nhau. Các sản phẩm trong nước do chưa tìm hiểu kỹ về các tiêu chuẩn kết nối do đó không hợp chuẩn và không đồng bộ nên khó đi vào thực tiễn. Hướng nghiên cứu của luận văn mong muốn cung cấp thêm thông tin để các công ty, dự án Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 12 của Việt Nam về lĩnh vực điều khiển tự động hoá nghiên cứu, tham khảo áp dụng vào các sản phẩm của mình nhằm đưa ra các sản phẩm chuẩn hoá đi vào thực tiễn trong các ngành sản xuất công nghiệp trong và ngoài nước. Luận văn được trình bày trong 3 chương: Chương 1: Hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu thời gian thực trong công nghiệp. Phân tích lý thuyết về một số khái niệm chính trong hệ thống phân tán thời gian thực, hệ thống điều khiển giám sát và thu thập thời gian thực (Scada) trong công nghiệp và trong ngành điện. Chương 2: Giao thức IEC 870-5-101. Phân tích cấu trúc, thủ tục của giao thức. Vấn đề đồng bộ thời gian, cơ chế phát hiện và kiểm tra lỗi. Chương 3: Xây dựng mô hình mô phỏng sử dụng giao thức IEC 870-5101 trong công nghiệp. Mô phỏng việc truyền 1 byte dữ liệu của giao thức IEC 870-5-101 trong hệ thống Scada thông qua mô hình với phần cứng là bộ cảnh báo 32 kênh (giả định là hệ thống RTU, PLC) và máy tính PC (giả định là trung tâm điều khiển). Phần kết luận và hướng phát triển của đề tài: Kết luận những vấn đề đã nghiên cứu, những điểm còn tồn tại và hướng phát triển của đề tài. Do đề tài thuộc chuyên ngành công nghiệp, cần có thời gian công tác thực tế và kinh nghiệm chuyên sâu nên luận văn không tránh khỏi những thiếu sót, vì vậy tác giả rất mong nhận được sự quan tâm, nhận xét góp ý, phản biện của các thầy cô trong hội đồng khoa học và các độc giả để luận văn được hoàn thiện hơn. Xin trân trọng cảm ơn! Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 13 CHƯƠNG 1 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT VÀ THU THẬP DỮ LIỆU THỜI GIAN THỰC TRONG CÔNG NGHIỆP Trong chương này tập trung phân tích lý thuyết về một số khái niệm chính trong hệ thống phân tán thời gian thực. Phân tích những thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu thời gian thực (SCADA) trong công nghiệp nói chung và trong ngành điện nói riêng. 1.1 Một số khái niệm trong hệ thống phân tán thời gian thực 1.1.1 Thông tin và xử lý thông tin trong các hệ thời gian thực 1.1.1.1 Tín hiệu analog, số và số hoá - Tín hiệu analog (tương tự): Là các tín hiệu biến thiên liên tục theo thời gian trong một miền xác định. Ví dụ: âm thanh, nhiệt độ, giá trị dòng điện, điện áp... - Tín hiệu số (logic): Là các tín hiệu thể hiện trạng thái đóng mở On/off của thiết bị. Bản thân tín hiệu số đã tồn tại dưới dạng số và được mã hóa dưới dạng 1 hoặc 0 của 1 bit dữ liệu. - Số hoá tín hiệu: Là quá trình lấy mẫu tín hiệu analog rồi lượng tử hóa chúng thành dữ liệu. 1.1.1.2 Số liệu và thông tin Trong luận văn này, số liệu được hiểu là tín hiệu analog ở lối vào (của một hệ thống) đã được số hóa hoặc trạng thái các thiết bị đã mã hóa dưới dạng các bit 0 hoặc 1. Thông tin được hiểu là kết quả của số liệu đã được xử lý và có thể có nhiều thông tin được rút ra từ một dữ liệu. Như vậy, số liệu là kết quả của việc thu thập các giá trị của các đại lượng vật lý và trạng thái của các thiết bị. Từ các số liệu thô theo thời gian, qua xử lý ta có nhận biết thông tin về trạng thái của hệ thống như hoạt động bình thường hay không, vượt ngưỡng, dưới ngưỡng, an toàn hoặc mất an toàn… Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 14 1.1.2 Thu thập dữ liệu và mã hóa 1.1.2.1 Thu thập dữ liệu của các đại lượng analog Tín hiệu tương tự có chu kỳ: Hình 1.1 - Biểu diễn tín hiệu tương tự có chu kỳ. Tín hiệu tương tự có chu kỳ có biên độ biến đổi theo thời gian mà ta có thể tìm ra chu kỳ (T) biến thiên của nó. Nếu gọi f là tần số biến thiên của tín hiệu ta có f = 1/T hoặc T = 1/f. Ta thấy tín hiệu có thể có nhiều chu kỳ biến thiên khác nhau và nằm trong miền Tmin và Tmax. Ứng với Tmin và Tmax ta có các tần số fmax và fmin, trong đó fmax = 1/Tmin và fmin = 1/Tmax. Dải tần số từ fmin đến fmax, ứng với Tmax và Tmin gọi là phổ tần số của tín hiệu. Để số hóa ta cần lấy mẫu tín hiệu. Việc lấy mẫu tuân thủ theo định luật Shannon, còn gọi là định luật lấy mẫu tín hiệu. Nếu fs là tần số lấy mẫu, ta có: fs  2fmax hoặc Ts  Tmin/2 Tín hiệu tương tự không có chu kỳ (tín hiệu một chiều): Hình 1.2 – Biểu diễn tín hiệu tương tự không có chu kỳ. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 15 Đối với tín hiệu một chiều có biến thiên theo thời gian nhưng không theo quy luật, ta không thể tìm thấy chu kỳ hay tần số của tín hiệu. Tuy nhiên ta có thể tìm thấy các quá trình diễn biến của tín hiệu và gọi Tmin là độ dài thời gian biến thiên của nó. Đối với các tín hiệu kiểu này, chu kỳ lấy mẫu có thể xác định như sau: Ts  Tmin/2 1.1.2.2 Mã hóa dữ liệu của các đại lượng analog Mã hóa dữ liệu analog trong các hệ thống thời gian thực được thực hiện sao cho độ dài từ là ngắn nhất có thể để vừa tốn it không gian lưu trữ và thời gian truyền giữa các phân hệ của hệ thống. 1.1.2.3 Thu thập dữ liệu của các đại lượng logic Trạng thái đóng mở của các thiết bị trong công nghiệp thường được truy xuất từ các Rơle cơ điện do đó quá trình quá độ của các tín hiệu này cỡ vài mili giây. Đây là khoảng thời gian không lớn đối với các bộ vi xử lý, tuy nhiên lại là đáng kể khi thiết bị đầu cuối làm việc với với hàng trăm tín hiệu ở lối vào. 1.1.2.4 Mã hóa dữ liệu của các đại lượng logic Với 2 trạng thái đóng và mở, chỉ cần 1 bit để mã hóa các đại lượng logic. Tuy nhiên trong công nghiệp người ta sử dụng thêm trạng thái không xác định để đảm bảo rằng 0 và 1 là chắc chắn. Do đó người ta thường mã hóa trạng thái như sau: 00 là trạng thái không xác định 01 là trạng thái mở 10 là trạng thái đóng 11 là trạng thái không xác định Đối với các thiết bị quan trọng trong hệ thống nhất thiết phải sử dụng 2 bit để mã hóa trạng thái. Và các bit này được thực hiện bằng cơ cấu cơ khí Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 16 ngay từ khi chế tạo thiết bị, chứ không phải sử dụng 1 bit rồi chế ra bit đảo nó để tạo thành 2 bit. Ta gọi đây là tín hiệu kép. Đối với các thiết bị ít quan trọng hơn người ta vẫn sử dụng 1 bit để mã hóa. Ta gọi đây là tín hiệu đơn. 1.1.2.5 Thu thập dữ liệu tích lũy Trong số các đại lượng analog còn có đại lượng tích lũy. Đại lượng này là tích phân giá trị của một đại lượng vật lý nhất định theo thời gian. Ví dụ năng lượng tiêu thụ điện là tích phân của công suất tiêu thụ theo thời gian. Đối với các đại lượng kiểu này, ngoài việc lấy mẫu tín hiệu cần thực hiện phép toán tích phân. 1.1.3 Tối thiểu hóa thời gian truyền dữ liệu thời gian thực Do các tín hiệu được thu thập liên tục theo thời gian nên các kênh truyền dữ liệu trong các hệ thời gian thực giữa thiết bị đầu cuối và thiết bị cấp trên đòi hỏi tốc độ cao và dễ dàng tắc nghẽn. Để hóa giải điều này người ta không đồng nhất giữa việc thu thập dữ liệu và truyền số liệu đã thu thập được. Đối với tín hiệu analog, để làm được điều này ta đưa ra khái niệm ngưỡng thay đổi. Khi giá trị lối vào thay đổi một giá trị lớn hơn giá trị ngưỡng thì được coi là có thông tin để truyền và ngược lại thì không. Độ lớn của ngưỡng này có thể được định nghĩa theo từng ứng dụng cụ thể. Đối với các tín hiệu logic, chỉ khi có sự thay đổi trạng thái của nó ở lối vào thì mới được coi là có thông tin để truyền và ngược lại thì không. Như vậy mặc dù có rất nhiều đại lượng cần thu thập nhưng dữ liệu thực sự cần truyền lại rất ít. Tuy nhiên người ta vẫn phải cập nhất toàn bộ dữ liệu lúc thiết bị mới khởi động lại để có được số liệu ban đầu. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 17 1.1.4 Địa chỉ quy chiếu của đối tượng (Information Object Address) Các hệ thống điều khiển phân tán thời gian thực lớn phải đối diện với số lượng khổng lồ các tín hiệu cần thu thập. Các phân hệ của hệ thống thường là sản phẩm của nhiều nhà sản xuất khác nhau. Như vậy với 1 tín hiệu nhất định, hệ cấp trên không nhất thiết phải biết địa chỉ vật lý của nó ở thiết bị thu thập dữ liệu. Khi lập cơ sở dữ liệu cho các phân hệ, hệ cấp dưới và hệ cấp trên cần thống nhất với nhau danh sách dữ liệu, trong đó có thống nhất địa chỉ quy chiếu của các đối tượng. Giao thức truyền tin chuẩn hóa dành sẵn một không gian nhớ cho địa chỉ này. Các hệ thống nhỏ sử dụng 1 byte để mã hóa địa chỉ này. Các hệ thống lớn sử dụng 2 byte và các hệ thống rất lớn sử dụng 3 byte để mã hóa địa chỉ này. 1.1.5 Đồng bộ thời gian cho các phân hệ Hệ thống thời gian thực cần có thời gian như nhau cho tất cả các phân hệ. Thời gian mẫu thường cho ra từ 1 đồng hồ chủ có độ chính xác cao. Thông thường đồng hồ chủ được trang bị cho 01 trung tâm điều hành và thời gian từ đồng hồ chủ phải được đồng bộ cho tất cả các phân hệ của toàn hệ thống. Việc đồng bộ thời gian cần được thực hiện bởi giao thức truyền tin. Trước đây khi máy thu GPS/GLONASS chưa phổ biến người ta sử dụng đồng hồ chủ đặt tại trung tâm điều hành với độ chính xác ít nhất là 10 mũ trừ 9. Ngày nay khi máy thu GPS/GLONASS trở nên rẻ hơn, nó được thay thế cho đồng hồ chủ nói trên, thậm chí ngay ở Việt nam nó còn được trang bị cho tất các thiết bị đầu cuối đời mới. Trong trường hợp đồng hồ chủ thuộc thiết bị đầu cuối bị sự cố, kênh đồng bộ thời gian qua giao thức truyền tin cần được khôi phục. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 18 1.1.6 Lệnh điều khiển từ xa Trong hệ thống điều khiển phân tán thời gian thực, lệnh điều khiển từ xa được thực hiện qua giao thức truyền tin. Mặc dù giao thức truyền tin cho phép gửi 1 bản tin từ nơi phát đến nơi nhận một cách an toàn và cho các lệnh điều khiển từ xa được thực hiện chính xác tuyệt đối. Để giải quyết vấn đề, ta chia quá trình điều khiển thành 3 phần là dự lệnh kiểm tra và bản thân lệnh thao tác. Dự lệnh là yêu cầu về thực hiện với nội dung nhất định. Dự lệnh được gửi từ Master đến Slave bằng 1 chức năng của giao thức, sau đó lại được kiểm tra lại bằng 1 chức năng khác để đảm bảo rằng dự lênh đã tới đích an toàn. Lệnh thao tác là hành động cuối cùng để thực hiện lệnh điều khiển từ xa. Giao thức truyền tin quy định 2 loại lệnh điều khiển từ xa được chuẩn hóa: + Lệnh điều khiển có điều kiện: SELECT AND EXECUTE Command. + Lệnh điều khiển trực tiếp: DIRECT Command. Lệnh điều khiển có điều kiện trong giao thức có 3 giai đoạn: + Chuẩn bị điều kiện cần thiết để điều khiển từ xa tại trạm Controlled. + Kiểm tra xem điều kiện đã chuẩn bị xong chưa. + Thực hiện điều khiển nếu phản hồi là điều kiện đã được chuẩn bị. Lệnh điều khiển trực tiếp không đòi hỏi chuẩn bị điều kiện thực hiện. 1.1.7 Giao thức truyền tin Để có thể thực hiện truyền dữ liệu qua kênh viễn thông một cách an toàn và chính xác đòi hỏi một quy tắc nhất định. Quy tắc này có khả năng đối phó với các tình huống không bình thường của kênh như lỗi, trễ, gián đoạn kênh, v.v… Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 19 Tập hợp các quy tắc này được gọi là giao thức truyền tin, Giao thức truyền tin đóng vai trò trung gian và là “giao diện logic” giữa 2 việc: truyền tin và xử lý thông tin. Có thể hiểu giao thức truyền tin như là một loại “ngữ pháp” cho phép tập hợp và biên tập dòng các bit thu được trên kênh thành dạng có thể hiểu được. Giao thức truyền tin bao hàm cả việc quản lý “giao diện logic” nói trên. Giao thức truyền tin có các chức năng sau: + Chức năng chuyển dữ liệu: Mục đích cơ bản của giao thức truyền tin là truyền số liệu từ 1 phía sang phía bên kia của liên kết. + Chức năng cấu trúc lại dữ liệu từ các khung dữ liệu: Đối với truyền dị bộ, byte là đơn vị truyền nhỏ nhất, cần phải tạo khung tin từ nhiều byte. Đối với truyền đồng bộ, khung dữ liệu là đơn vị truyền nhỏ nhất. + Chức năng xác thực dữ liệu: Xác thực dữ liệu là cấu trúc lại dữ liệu thành khối, khung, bản tin, đánh số thứ tự, đánh dấu đầu, đuôi. + Chức năng điều khiển liên kết: Chức năng này đảm bảo việc truyền số liệu một cách chắc chắn, tin cậy, hiệu quả. + Chức năng phát hiện lỗi: Lỗi xảy ra đối với khung truyền phải được phát hiện để được xử lý. + Chức năng xử lý lỗi: Khi lỗi đã được phát hiện, giao thức truyền tin cho phép sửa lỗi hoặc đơn giản hơn là yêu cầu phát lại. Quá trình truyền số liệu gồm các trạng thái: + Thiết lập kết nối dữ liệu. + Khởi tạo kết nối. + Trao đổi dữ liệu. + Kết thúc trao đổi dữ liệu. + Giải phóng kết nối. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 20 Việc chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác và bản thân hoạt động của các trạng thái được điều khiển bởi giao thức truyền tin. 1.1.8 Định thời (TimeOut) Định thời là khoảng thời gian tối đa phải hoàn tất một tiến trình nhất định. Định thời T = nT1, T có giá trị khoảng vài lần T1 (ví dụ n=5), n là số lần yêu cầu thực hiện lại tiến trình. Định thời là khái niệm rất quan trọng được sử dụng nhiều trong truyền số liệu, và được quy định trong giao thức truyền tin. Ở đây độ lớn của định thời luôn lớn hơn tổng thời gian trễ để có hồi âm từ phía thu, bao gồm cả thời gian trễ trên đường truyền và trễ do thiết bị thực hiện các phép xử lý. Do chỉ là giá trị tối đa nên định thời là giá trị không cần hoàn toàn chính xác. Đối với các ứng dụng Internet, do quy mô mạng là toàn cầu, độ trễ có thể rất lớn nên định thời được chọn lớn hơn nhiều. Trong các hệ thống thời gian thực, các giao thức chọn định thời khoảng 10 giây. Cơ chế hoạt động với định thời được mô tả như sau: + Sau khi phát một lệnh, bao giờ phía phát cũng chờ đợi hồi âm từ phía thu trong khoảng T1, Khi thời gian vượt quá giá trị T1 mà vẫn không có hồi âm, điều đó cho biết đã có lỗi xảy ra. + Để xử lý tình huống này, phía phát phát lại lệnh vừa rồi, việc này được thực hiện tối đa n lần cho đến khi có hồi âm, lúc đó lỗi đã được khắc phục. Ngược lại lỗi không có khả năng khắc phục. Lúc đó phía phát cần có những thao tác ở mức độ cao hơn, ví dụ đồng bộ lại quá trình,... Cuối cùng là các cảnh báo cho mức quản lý cao hơn. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/