Bài giảng Hệ thống thông tin công nghiệp: Profibus

Hệ thống thông tin công nghiệp 4/8/2006 6.1 Profibus 26.1 Profibus © 2006 - HMS 6.1 Profibus 1. Giới thiệu chung 2. Kiến trúc giao thức 3. Kỹ thuật truyền dẫn 4. Truy nhập bus 5. Dịch vụ truyền dữ liệu 6. Cấu trúc bức ₫iện 7. PROFIBUS-DP 8. PROFIBUS-PA 36.1 Profibus © 2006 - HMS 1. Giới thiệu chung ƒ PROFIBUS (Process Field Bus) ₫ược phát triển tại Đức từ năm 1987 ƒ DIN 19245, EN 50 170, IEC 61158, IEC 61784 ƒ PROFIBUS không chỉ dừng lại là một hệ thống truyền thông, mà còn ₫ược coi là một công nghệ tự ₫ộng hóa. ƒ Một hệ thống bus trường hàng ₫ầu hiện nay, cũng ₫ược sử dụng rất rộng rãi tại Việt Nam ƒ Hỗ trợ bởi PROFIBUS Nutzerorganisation (PNO), từ năm 1995 nằm trong PROFIBUS International (PI) với hơn 1.100 thành viên trên toàn thế giới. 46.1 Profibus © 2006 - HMS Ba loại giao thức ƒ PROFIBUS-FMS (Fieldbus Message Specification) — Bus hệ thống hoặc bus ₫iều khiển , — Dịch vụ cao cấp, chủ yếu ₫ược sử dụng trong CN chế tạo ƒ PROFIBUS-DP (Decentral Peripheral) — Bus trường cấp cao, chủ yếu ghép nối giữa thiết bị ₫iều khiển với vào ra phân tán và một số thiết bị thông minh — Truyền dữ liệu thô, hiệu suất cao — Ứng dụng ₫a năng, trong nhiều lĩnh vực ƒ PROFIBUS-PA — Mở rộng PROFIBUS-DP xuống cấp trường cho lĩnh vực công nghiệp chế biến (kỹ thuật truyền dẫn khác) — Ghép nối trực tiếp với thiết bị trường 56.1 Profibus © 2006 - HMS Lựa chọn giao thức 66.1 Profibus © 2006 - HMS 2. Kiến trúc giao thức PROFIBUS-FMS PROFIBUS-DP PROFIBUS-PA DP-Profiles PA-Profiles C¸c chøc n¨ng DP më réng Giao diÖn sö dông FMS-Profiles C¸c chøc n¨ng DP c¬ së Líp 7 Fieldbus Message Specification (FMS) Líp 3-6 K h « n g t h Ó h i Ö n Líp 2 Fieldbus Data Link (FDL) Líp 1 RS-485/RS-485IS/C¸p quang MBP (IEC 1158-2) 76.1 Profibus © 2006 - HMS Các lớp dịch vụ và giao thức ƒ Lớp ứng dụng của FMS bao gồm hai lớp con — FMS (Fieldbus Message Specification) à một tập con của chuẩn MMS, ₫ảm nhiệm việc xử lý giao thức và cung cấp các dịch vụ truyền thông, — LLI (Lower Layer Interface)có vai trò trung gian cho FMS kết nối với lớp 2. ƒ Lớp liên kết dữ liệu FDL (Fieldbus Data Link): — kiểm soát truy nhập bus — cung cấp các dịch vụ truyền dữ liệu ƒ Lớp vật lý của PROFIBUS qui ₫ịnh về — kỹ thuật truyền dẫn tín hiệu, — môi trường truyền dẫn, — cấu trúc mạng và các giao diện cơ học. 86.1 Profibus © 2006 - HMS Tương thích? ƒ FMS và DP có thể chạy trên cùng một ₫ường truyền (cùng cơ sở hạ tầng) ƒ Giữa hai mạng FMS và DP không bao giờ cần ghép nối ƒ DP và PA cùng dịch vụ sử dụng (trên lớp 7), khác nhau chủ yếu ở lớp vật lý ƒ Giữa DP và PA cần ghép nối — DP/PA-Coupler (Bridge) — DP/PA-Link (Gateway) ƒ PA ₫ược coi là một ₫oạn mạng của DP 96.1 Profibus © 2006 - HMS 3. Kỹ thuật truyền dẫn (lớp 1) Truyền dẫn với RS-485: ƒ Tốc ₫ộ truyền thông từ 9,6 kbit/s ₫ến 12 MBit/s ƒ Cấu trúc ₫ường thẳng kiểu ₫ường trục/₫ường nhánh (trunk-line/drop-line) hoặc daisy-chain, ƒ Tốc ₫ộ truyền từ 1,5 Mbit/s trở lên yêu cầu cấu trúc daisy-chain. ƒ Cáp truyền ₫ược sử dụng là ₫ôi dây xoắn có bảo vệ (STP). Hiệp hội PI khuyến cáo dùng cáp loại A. ƒ Trở kết thúc có dạng tin cậy (fail-safe biasing ) với các ₫iện trở lần lượt là 390Ω-220Ω-390Ω. 106.1 Profibus © 2006 - HMS ƒ Chiều dài tối ₫a của một ₫oạn mạng từ 100 ₫ến 1200m, phụ thuộc vào tốc ₫ộ truyền ₫ược lựa chọn. Quan hệ giữa tốc ₫ộ truyền và chiều dài tối ₫a của một ₫oạn mạng ₫ược tóm tắt trong bảng 4.1. ƒ Số lượng tối ₫a các trạm trong mỗi ₫oạn mạng là 32. ƒ Có thể dùng tối ₫a 9 bộ lặp tức 10 ₫oạn mạng. Tổng số trạm tối ₫a trong một mạng là 126. ƒ Chế ₫ộ truyền tải không ₫ồng bộ và hai chiều không ₫ồng thời. ƒ Phương pháp mã hóa bit NRZ. 116.1 Profibus © 2006 - HMS Khoảng cách truyền và tốc ₫ộ truyền 10020040010001200Chiều dài (mét) 3000/6000/ 12000 1500500187.59,6/19,2 45,45/93,75 Tốc độ (kbit/s) 126.1 Profibus © 2006 - HMS ƒ Truyền dẫn với RS-485IS (IS : Intrinsically Safe) — ₫ược phát triển ₫ể có thể phù hợp với môi trường ₫òi hỏi an toàn cháy nổ. — theo chỉ dẫn và các qui ₫ịnh ngặt nghèo về mức ₫iện áp và mức dòng tiêu thụ của các thiết bị. — tối ₫a 32 trạm trong một ₫oạn mạng RS-485IS. ƒ Truyền dẫn với cáp quang — thích hợp ₫ặc biệt trong các lĩnh vực có môi trường làm việc nhiễu mạnh hoặc ₫òi hỏi phạm vi phủ mạng lớn. — Sợi thủy tinh ₫a chế ₫ộ với khoảng cách truyền tối ₫a 2- 3km và sợi thủy tinh ₫ơn chế ₫ộ với khoảng cách truyền có thể trên 15km. — Sợi chất dẻo với chiều dài tối ₫a 80m và sợi HCS với chiều dài tối ₫a 500m. 136.1 Profibus © 2006 - HMS Cấu hình FMS tiêu biểu 146.1 Profibus © 2006 - HMS Cấu hình DP tiêu biểu 156.1 Profibus © 2006 - HMS Cấu hình PA tiêu biểu 166.1 Profibus © 2006 - HMS Cấu hình mạng cáp ₫iện tiêu biểu 176.1 Profibus © 2006 - HMS 5. Truy nhập bus (lớp 2) PLC PROFIBUS C¸c tr¹m tÝch cùc, Master C¸c tr¹m thô ®éng, Slave Vßng token logic gi÷a c¸c thiÕt bÞ Master PC M T PLC M 186.1 Profibus © 2006 - HMS 6. Dịch vụ truyền dữ liệu (lớp 2) ƒ Dịch vụ không tuần hoàn: — SDN (Send Data with No Acknowledge): Gửi dữ liệu không xác nhận — SDA (Send Data with Acknowledge): Gửi dữ liệu với xác nhận — SRD (Send and Request Data with Reply): Gửi và yêu cầu dữ liệu ƒ Dịch vụ tuần hoàn: — CSRD (Cyclic Send and Request Data with Reply): Gửi và yêu cầu dữ liệu tuần hoàn. 196.1 Profibus © 2006 - HMS Göi d÷ liÖu kh«ng x¸c nhËn (SDN) (broadcast) Göi d÷ liÖu víi x¸c nhËn (SDA) D÷ liÖu Göi vμ yªu cÇu d÷ liÖu (SRD) X¸c nhËn D÷ liÖu Göi vμ yªu cÇu d÷ liÖu tuÇn hoμn (CSRD) D÷ liÖu D÷ liÖu D÷ liÖu D÷ liÖu D÷ liÖu D÷ liÖu Tr¹m n Tr¹m n+1 D÷ liÖu D÷ liÖu Tr¹m n+2 DÞch vô kh«ng tuÇn hoμn (TruyÒn th«ng b¸o) DÞch vô tuÇn hoμn 206.1 Profibus © 2006 - HMS 7. Cấu trúc bức ₫iện (lớp 2) ƒ Khung với chiều dài thông tin cố ₫ịnh, không mang dữ liệu: ƒ Khung với chiều dài thông tin cố ₫ịnh, mang 8 byte dữ liệu: ƒ Khung với chiều dài thông tin khác nhau, 1-246 byte dữ liệu: ƒ Token: EDFCSDUFCSADASD2LErLESD2 EDFCSFCSADASD1 EDFCSDUFCSADASD3 SADASD4 216.1 Profibus © 2006 - HMS Byte kết thúc, ED = 16HEnd DelimiterED Byte kiểm soát lỗi, HD = 4Frame Check SequenceFCS Byte ₫iều khiển khungFrame ControlFC Khối dữ liệu sử dụngData UnitDU Địa chỉ nguồn (trạm gửi), từ 0-126Source AddressSA Địa chỉ ₫ích (trạm nhận), từ 0-127Destination AddressDA Chiều dài thông tin nhắc lại vì lý do an toàn Length repeatedLEr Chiều dài thông tin (4-249 byte)LengthLE Byte khởi ₫ầu, phân biệt giữa các loại khung SD1 = 10H, SD2=68H, SD3 = A2H, SD4=DCH Start DelimiterSD1... SD4 Ý nghĩaTên ₫ầy ₫ủKý hiệu 226.1 Profibus © 2006 - HMS Khung UART (FMS,DP) D·y bit truyÒn ®i Start bit (ST) 0 b1 b2 b3 b4 b5 b6 b7 b8 P 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 20 LSB 27 MSB Stop bit (SP) Parity bit (ch½n) 236.1 Profibus © 2006 - HMS 8. Profibus-DP ƒ PRFIBUS-DP ₫áp ứng các yêu cầu cao về tính năng thời gian thực trong trao ₫ổi dữ liệu dưới cấp trường (ví dụ giữa PLC, PC với DIO, thiết bị ₫o, biến tần, ...) ƒ Trao ₫ổi dữ liệu ở ₫ây chủ yếu là tuần hoàn theo cơ chế chủ/tớ. ƒ DP còn hỗ trợ các dịch vụ không tuần hoàn, phục vụ tham số hóa, vận hành và chẩn ₫oán các thiết bị trường thông minh. ƒ Đối chiếu với mô hình OSI, PROFIBUS-DP chỉ thực hiện các lớp 1 và 2 vì lý do hiệu suất xử lý giao thức và tính năng thời gian. 246.1 Profibus © 2006 - HMS Ba phiên bản DP ƒ DP-V0 qui ₫ịnh các chức năng DP cơ sở: — Trao ₫ổi dữ liệu tuần hoàn — Chẩn ₫oán trạm, module và kênh — Hỗ trợ ₫ặt cấu hình với tập tin GSD. ƒ DP-V1 bổ sung các chức năng DP mở rộng: — Trao ₫ổi dữ liệu không tuần hoàn giữa PC hoặc PLC với các trạm tớ — Tích hợp khả năng cấu hình với EDD (Electronic Device Description) và FDT (Field Device Tool) — Các khối chức năng theo chuẩn IEC 61131-3 — Giao tiếp an toàn (PROFIsafe) — Hỗ trợ cảnh báo và báo ₫ộng. 256.1 Profibus © 2006 - HMS ƒ Phiên bản DP-V2 mở rộng DP-V1 với các chức năng: — Trao ₫ổi dữ liệu giữa các trạm tới theo cơ chế chào hàng/₫ặt hàng (publisher/subscriber) — Chế ₫ộ giao tiếp ₫ẳng thời (isochronous mode) — Đồng bộ hóa ₫ồng hồ và ₫óng dấu thời gian (time synchronisation, time stamping) — Hỗ trợ giao tiếp qua giao thức HART — Truyền nạp các vùng nhớ lên và xuống — Khả năng dự phòng. 266.1 Profibus © 2006 - HMS Cấu hình hệ thống và kiểu thiết bị ƒ Trạm chủ DP cấp 1 (DP-Master Class 1, DPM1): Các bộ ₫iều khiển trung tâm, ví dụ PLC hoặc PC, hoặc các module thuộc bộ ₫iều khiển trung tâm. ƒ Trạm chủ DP cấp 2 (DP-Master Class 2, DPM2): Các máy lập trình, công cụ cấu hình và vận hành, chẩn ₫oán hệ thống bus. Cung cấp dịch vụ của DPM1 + các hàm ₫ặc biệt phục vụ ₫ặt cấu hình hệ thống, chẩn ₫oán trạng thái, truyền nạp chương trình,v.v... ƒ Trạm tớ DP (DP-Slave): Các vào/ra phân tán, truyền ₫ộng, HMI, van, cảm biến, các bộ ₫iều khiển phân tán. Một PLC cũng có thể ₫óng vai trò là một trạm tớ thông minh 276.1 Profibus © 2006 - HMS Đặc tính vận hành hệ thống ƒ STOP: Không truyền dữ liệu sử dụng giữa trạm chủ và trạm tớ, chỉ có thể chẩn ₫oán và tham số hóa. ƒ CLEAR: Trạm chủ ₫ọc thông tin ₫ầu vào từ các trạm tớ và giữ các ₫ầu ra ở giá trị an toàn ƒ OPERATE: Trạm chủ ở chế ₫ộ trao ₫ổi dữ liệu ₫ầu vào và ₫ầu ra tuần hoàn với các trạm tớ. Trạm chủ cũng thường xuyên gửi thông tin trạng thái của nó tới các trạm tớ sử dụng lệnh gửi ₫ồng loạt vào các khoảng thời gian ₫ặt trước. 286.1 Profibus © 2006 - HMS Trao ₫ổi dữ liệu tuần hoàn D÷ liÖu ®Çu ra Slave 1 D÷ liÖu ®Çu vμo D÷ liÖu ®Çu ra Slave 2 D÷ liÖu ®Çu vμo D÷ liÖu ®Çu ra Slave n D÷ liÖu ®Çu vμo D÷ liÖu ®Çu ra Slave 1 D÷ liÖu ®Çu vμo D÷ liÖu ®Çu ra Slave n D÷ liÖu ®Çu vμo yªu cÇu ®¸p øng yªu cÇu ®¸p øng d a n h s ¸ c h h á i t u Ç n t ù DP-Master 296.1 Profibus © 2006 - HMS Đồng bộ hóa dữ liệu vào/ra ƒ Mục ₫ích: Bảo ₫ảm tính nhất quán của dữ liệu cho bài toán ₫iều khiển ƒ Đồng bộ hóa ₫ầu ra: — Lệnh SYNC: Đưa một nhóm trạm tớ về chế ₫ộ ₫ồng bộ hóa ₫ầu ra. — Lệnh UNSYNC sẽ ₫ưa các trạm tớ về chế ₫ộ bình thường (₫ưa ₫ầu ra tức thì). ƒ Đồng bộ hóa ₫ầu vào: — Lệnh FREEZE: Đưa một nhóm các trạm tớ về chế ₫ộ ₫ồng bộ hóa ₫ầu vào. — Lệnh UNFREEZE sẽ ₫ưa các trạm tớ về chế ₫ộ bình thường (₫ọc ₫ầu vào tức thì). 306.1 Profibus © 2006 - HMS Chẩn ₫oán hệ thống ƒ Chẩn ₫oán trạm: Các thông báo liên quan tới trạng thái hoạt ₫ộng chung của cả trạm, ví dụ tình trạng quá nhiệt hoặc sụt áp ƒ Chẩn ₫oán module: Các thông báo này chỉ thị lỗi nằm ở một khoảng vào/ra nào ₫ó của một module ƒ Chẩn ₫oán kênh: Trường hợp này, nguyên nhân của lỗi nằm ở một bit vào/ra (một kênh vào/ra) riêng biệt. ƒ Phiên bản DP-V1 còn mở rộng thêm hai loại thông báo: — Thông báo cảnh báo/báo ₫ộng liên quan tới các biến quá trình, trạng thái cập nhật dữ liệu và các sự kiện tháo/lắp module thiết bị. — Thông báo trạng thái phục vụ mục ₫ích bảo trì phòng ngừa, ₫ánh giá thống kê số liệu,... 316.1 Profibus © 2006 - HMS Giao tiếp giữa các trạm tớ (DXB) DP Master Cấp 1 DP Slave (chào hàng) DP Slave (đặt hàng) DP Slave (đặt hàng) 326.1 Profibus © 2006 - HMS Chế ₫ộ ₫ẳng thời (isochronous mode) ƒ Ứng dụng chủ yếu trong ₫iều khiển các hệ thống chuyển ₫ộng ƒ Đáp ứng yêu cầu rất cao về tính thời gian thực, ₫ộ chính xác (₫ộ rung, jitter) tới microgiây ƒ Kết hợp chủ/tớ với TDMA. ƒ Cần ₫ồng bộ hóa thời gian 336.1 Profibus © 2006 - HMS 8. Profibus-PA ƒ Lớp 1 sử dụng MBP ƒ Bổ sung một số qui ₫ịnh chuyên biệt (profiles) PROFIBUS-DP PROFIBUS-PA PLC (DP-Master) PC (DP-Master) I/O ph©n t¸n (DP-Slave) DP/PA-Link (DP-Slave)