thiết kế hệ scada điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu mạng biến tần unidrive v3 trên ngôn ngữ lập trình visual basic và lập trình s7 200

Hệ thống điều khiển TĐH QTSX có dạng cấu trúc hình chóp và phân thành các cấp như sau: Cấp 0 : Là cấp tiếp xúc giữa hệ thống điều khiển HTĐK và cơ cấu chấp hành, sử dụng kỹ thuật truyền

Khoa: ĐIỆN KỸ THUẬT Bộ môn: TỰ ĐỘNG - ĐO LƯỜNG

NHIỆM VỤ THIẾT KẾ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Họ và tên sinh viên : TRẦN BÁ BÔNG

Ngành : Tự Động - Đo Lường

1/ Đề tài :

- Thiết kế hệ SCADA điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu mạng biến tần

UNIDRIVE V3 trên ngôn ngữ lập trình VISUAL BASIC và thiết bị lập trình

S7-300 hoặc S7-200

2/Các thiết bị và số liệu cần thiết :

- Thiết bị lập trình S7-300 hoặc S7-200 loại CPU 226

- Biến tần UNIDRIVE V3 loại UNI 1401 với các số liệu:

+Công suất : 0,75 Kw

+Dòng ra : 2.1 A

- Động cơ loại AC 3 công suất 0.3 Kw Với các số liệu:

+Đấu sao(Y) : U:400v; I:1A; Cos:0,6; W:1391vg/ph

+Đấu tam giác () : U:230v; I:1,75A; Cos:0,6; W:1381vg/ph

- Modul giao tiếp UD71

3/ Nhiệm vụ thiết kế chương trình:

- Thiết kế giao diện chương trình, dùng ngôn ngữ lập trình VISUAL BASIC

- Điều khiển ,thu thập dữ liệu và khảo sát quá độ thông qua giao diện và cơ sở

dữ liệu Microsoft Access

- Viết chương trình điều khiển mạng biến tần dùng ngôn ngữ lập trình Step7

MicroWin

- Kết nối thiết bị và điều khiển trên thiết bị cụ thể

- Viết chương trình ứng dụng dùng cho việc đồng bộ tốc độ hai động cơ

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH

KHOA

  

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc

  

 Chương II : Giới thiệu mạng truyền thông công nghiệp và hệ SCADA

 Chương III : Giới thiệu chung về ngôn ngữ và thiết bị lập trình

 Chương IV : Biến tần công nghiệp UNIDRIVE V3

 Chương V : Động cơ xoay chiều 3 pha lồng sóc

 Chương VI : Phương pháp truyền thông

 Chương VII : Chương trình điều khiển

 Chương VIII : Phụ lục

5/ Yêu cầu bản vẽ:

- Các bản vẽ lưu đồ thuật toán

- Giản đồ hình thang LAD

- Các bản vẽ hoạt động của biến tần

6/Cán bộ hướng dẫn:

- Thạc sĩ : Lâm Tăng Đức

7/ Cán bộ duyệt:

-

8/ Ngày giao nhiệm vụ:

9/ Ngày hoàn thành :

TỔ TRƯỞNG TỔ BỘ MÔN

Thạc sĩ : Lâm Tăng Đức

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

Thạc sĩ : Lâm Tăng Đức

CÁN BỘ DUYỆT

Ngày nay, cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật trên đà phát triển Đặc trưng

là kỹ thuật máy tính, cơng nghệ thơng tin và tự động hố Điều đĩ đã mang lại lợi ích to lớn về nhiều mặt như đảm bảo và nâng cao chất lượng sản phẩm, tiết kiệm nguyên vật liệu, nâng cao năng suất và hiệu quả sản xuất

Trên cơ sở phát huy những thành tựu khoa học kỹ thuật, con người đã từng bước phát triển cơng nghệ cĩ thể xử lí nhuần nhuyễn số liệu Từ đĩ tạo ra những thiết bị hoạt động độc lập và thơng minh, cũng như cĩ khả năng liên kết

và nối mạng với nhau Với khả năng này chúng ta cĩ thể giám sát và điều khiển một cách dễ dàng qua mạng

Dựa trên những kiến thức đã học , em sử dụng thiết bị lập trình S7- 200

để điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu mạng biến tần UNIDRIVE 1401 Đây là dịp để cũng cố lại kiến thức đã học , từng bước nắm bắt kiến thức thực

tế trước khi ra trường hồ nhập vào xã hội

Trong quá trình làm đề tài tốt nghiệp khơng thể tránh khỏi thiếu sĩt, em rất mong sự chỉ bảo tận tình của các thầy cơ

Em xin chân thành cảm ơn !

Đà Nẵng Ngày 25 Tháng 5 Năm 2004

Sinh Viên TRẦN BÁ BƠNG

CHƯƠNG I

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG HÓA QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT

I GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG HOÁ QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT

Ngày nay với xu hướng phát triển quá trình sản xuất, đặc biệt là sự phát triển công nghiệp, vấn đề tự động hoá quá trình sản xuất có một ý nghĩa rất lớn quyết định đến sự phát triển kinh tế

Việc ứng dụng hệ thống điều khiển tự động hoá quá trình sản xuất đã mang lại hiệu quả kinh tế đáng kể như nâng cao chất lượng sản phẩm, tăng năng suất, giảm giá thành sản phẩm đáp ứng phần lớn nhu cầu người dùng Vì vậy hệ thống điều khiển tự động hoá quá trình sản xuất (TĐH-QTSX) đã được ứng dụng rộng rãi vào các ngành sản xuất và đang từng bước thay thế dần sức lao động của con người, tiến đến một hệ thống tự động hoá hoàn toàn

II.PHÂN LOẠI VÀ ĐẶC TRƯNG CỦA HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HOÁ QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT

II.1 Định nghĩa

Hệ thống điều khiển TĐH - QTSX là một hệ thống lớn có cấu trúc phức tạp và được phân thành các hệ con và tổ chức theo kiểu phân cấp Các thông tin trước tiên được xử lý ở cấp dưới, sau đó truyền về cấp cao hơn Ở cấp cao người điều khiển nhận các thông tin này và các thông tin bổ sung để đưa ra các quyết định điều khiển

Hệ thống điều khiển TĐH QTSX có dạng cấu trúc hình chóp và phân thành các

cấp như sau:

Cấp 0 : Là cấp tiếp xúc giữa hệ thống điều khiển (HTĐK) và cơ cấu chấp hành,

sử dụng kỹ thuật truyền tin số để kết nối các thiết bị thuộc cấp điều khiển (PC, PLC) với nhau và với các thiết bị của cấp chấp hành, cấp 0 gồm các thiết bị như: cảm biến, các thiết bị đo, các cơ cấu chấp hành, động cơ, rơ le Cấp 0 còn gọi là bus trường hay bus thiết bị Nhiệm vụ của cấp này là chuyển dữ liệu quá trình lên cấp điều khiển để

xử lý và chuyển quyết định điều khiển xuống các cơ cấu chấp hành

Cấp 1 : Là cấp điều khiển cục bộ, các hệ thống mạng công nghiệp được dùng để kết nối các máy tính điều khiển và các máy tính điều khiển cấp trên với nhau Các hệ thống điều khiển ở đây như PID, PLC sẽ nhận thông tin từ cấp dưới (cấp 0) và thực hiện theo chương trình tự động đã được cài đặt trước Một số thông tin về quá trình sản xuất và kết quả của việc điều khiển sẽ được đưa lên cấp trên Cấp 1 còn gọi là bus hệ thống hay bus quá trình Qua bus hệ thống các máy tính điều khiển có thể phối hợp hoạt động, cung cấp dữ liệu quá trình cho các trạm kỹ thuật và trạm quan sát cũng như nhận mệnh lệnh, tham số điều khiển từ các trạm cấp trên Thông tin không những được trao đổi theo chiều dọc mà còn được trao đổi theo chiều ngang

Điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu mạng biến tần Unidrive V3

Cấp 2 : Là cấp điều khiển tự động hoá quá trình công nghệ (TĐH-QTCN) tại đây

có các máy tính hay mạng máy tính có các chức năng kết nối các máy tính văn phòng thuộc cấp điều hành với cấp điều khiển giám sát Thông tin được gửi lên trên bao gồm các trạng thái làm việc của các quá trình kỹ thuật, các hệ thống điều khiển tự động (ĐKTĐ), các số liệu tính toán, các số liệu thống kê về diễn biến quá trình sản xuất và chất lượng sản phẩm

Thông tin theo chiều ngược lại là các thông số thiết kế, phương thức điều khiển

và mệnh lệnh điều hành Ngoài ra thông tin cũng được trao đổi theo chiều ngang giữa các máy tính thuộc cấp điều hành sản xuất Thông qua máy tính người điều khiển có thể can thiệp vào quá trình công nghệ Như vậy hệ điều khiển ở đây thuộc hệ Người-Máy

Cấp 3 : Là cấp nằm trên cùng trong mô hình phân cấp hệ thống truyền thông công nghiệp Đây là cấp ĐK TĐH-QTSX, gồm các máy tính trung tâm có chức năng

Cấp 3 Mạng công ty

Cấp 2 Mạng xí nghiệp

Cấp 0 Bus trường

kết nối các máy tính văn phòng của các xí nghiệp để xử lý các thông tin về QTSX cũng như tình hình cung ứng vật tư, nguyên liệu, tài chính Từ đó đưa ra những giải pháp tối ưu để người điều khiển lựa chọn, người điều khiển có thể can thiệp sâu vào QTSX Hệ thống điều khiển TĐH - QTSX cũng là hệ người-máy nhưng ở cấp cao hơn, phạm vi điều khiển rộng hơn

II.2 Phân loại các HTĐK TĐH - QTSX

II.2.1 Phân loại theo cấu trúc phân cấp

Hệ thống ĐK TĐH-QTCN là điều khiển một quá trình công nghệ nhất định ứng với cấp 2 trong cấu trúc phân cấp của hệ thống điều khiển

Hệ thống ĐK TĐH-QTSX điều khiển cả quá trình sản xuất bao gồm quá trình công nghệ và kế hoạch sản xuất, tài chính, vật tư, lao động và phân phối sản phẩm HTĐK TĐH ngành: Điều khiển một ngành kinh tế phối hợp với việc lập kế hoạch sản xuất, điều khiển tổ chức các bộ phận trong ngành

II.2.2 Phân loại theo mức độ tự động hoá

Các hệ thống tự động hoá hiện nay bao gồm các dạng sau:

 Tự động hoá cố định: Là hệ thống mà trong đó trình tự các quá trình được cố định bởi cấu hình phần cứng, hệ thống này có thể điều khiển trọn bộ như một module

Mô hình này có vốn đầu tư lớn, chi tiết trong một sản phẩm khó thay đổi

Tự động hoá theo chương trình: Là hệ thống các thiết bị sản xuất được thiết kế để có thể thay đổi trình tự làm việc tuỳ theo sự thay đổi cấu hình của sản phẩm, quá trình tự động hoá được thực hiện theo chương trình điều khiển Loại hình điều khiển này đòi hỏi vốn đầu tư thiết bị cao, năng suất sản xuất thấp hơn so với tự động hoá cố định Chương trình có thể thay đổi dễ dàng tuỳ theo cấu trúc sản phẩm và hầu hết chúng thích hợp với kiểu sản xuất theo từng giai đoạn riêng biệt

 Tự động hoá linh hoạt (FMS): Là hệ thống được cải tiến từ hệ thống tự động hoá theo chương trình Loại hình hệ thống này có thể sản xuất từng chi tiết riêng của sản phẩm mà không mất thời gian thay đổi lại cấu hình của sản phẩm

Nó đòi hỏi vốn đầu tư cao tuỳ theo chất lượng sản phẩm, sản xuất liên tục và có thể đa dạng hoá sản phẩm

II.3 Cấu trúc HTĐK TĐH – QTSX

II.3.1 Cấu trúc kiểu song song

Cấp thấp nhất là các thiết bị đầu cuối Đó là các thiết bị tiếp xúc giữa hệ thống điều khiển và QTSX, làm nhiệm vụ thu nhận thông tin từ các sensor, thiết bị đo lường

và lưu trữ, xử lý sơ bộ rồi truyền lên các trạm trung gian, các trạm trung gian xử lý tiếp thông tin rồi chuyển lên trung tâm điều khiển Tại trung tâm điều khiển, thông tin được

xử lý và truyền trở lại trạm trung gian để đưa tín hiệu điều khiển xuống các thiết bị đầu cuối tác động đến quá trình sản xuất

Điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu mạng biến tần Unidrive V3

TRUNG TÂM ĐIỀU KHIỂN

TRUNG TÂM TÍNH TOÁN

T: Đầu cuối TG: trạm trung gian

Hình vẽ 1.2: Cấu trúc phân cấp song song

II.3.2 Cấu trúc hình tia

Không có trạm trung gian, do đó giảm được đường liên lạc giữa các bộ phận của

hệ thống Tuy nhiên các thiết bị đầu cuối không trực tiếp trao đổi thông tin với nhau được

II.3.3 Cấu trúc bus

Các bộ phận trong hệ thống có thể trao đổi trực tiếp thông tin với nhau Do đó hệ thống có tính linh hoạt và hiệu quả cao Vì vậy cấu trúc này được dùng rộng rãi nhất (hình vẽ 1.3b)

T

T

T

T TTĐK

CHƯƠNG II

TỔNG QUAN VỀ MẠNG CÔNG NGHIỆP VÀ HỆ SCADA

I GIỚI THIỆU VỀ HỆ SCADA

I.1 Định nghĩa

SCADA (Supervisory Control And Data Acquistion): Là hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu Đây là phần không thể thiếu trong một hệ thống tự động hoá hiện đại

Cấu thành của một hệ thống SCADA bao gồm 3 phần chính:

 Phần cứng : Bao gồm các máy tính (PC), các thiết bị đầu cuối (RTU), các thiết bị giao diện người sử dụng và các thiết bị giao diện thông tin

 Phần mềm : Bao gồm các phần mềm hệ thống, phần mềm trợ giúp, phần mềm ứng dụng

 Phần hỗ trợ : Phần hỗ trợ sử dụng để kiến tạo sơ đồ hệ thống, trợ giúp tình trạng sự cố trong hệ thống SCADA là công cụ trợ giúp cho việc điều hành kỹ thuật ở các cấp trực ban, điều hành của sản xuất công nghiệp từ các cấp phân xưởng, xí nghiệp cho tới cấp cao nhất của một công ty

I.2 Chức năng cơ bản của hệ SCADA

 Giám sát: Chức năng này cho phép người điều hành giám sát liên tục các hoạt động trong hệ thống để điều khiển quá trình Hiển thị báo cáo tổng kết về quá trình sản xuất, chỉ thị giá trị đo lường dưới dạng các trang màn hình, trang đồ thị, trang sự kiện, trang báo cáo sản xuất Từ đó có thể điều khiển từ xa các đối tượng từ các trạm vận hành trong hệ thống

 Điều khiển: Chức năng này cho phép người điều hành điều khiển các thiết bị

và giám sát mệnh lệnh điều khiển

 Thu thập dữ liệu: Thu thập dữ liệu qua đường truyền số liệu về quá trình sản xuất, sau đó tổ chức lưu trữ số liệu như số liệu sản xuất, chất lượng sản phẩm, sự kiện thao tác, sự cố dưới dạng trang ghi chép hệ thống theo một cơ sở dữ liệu nhất định Tuỳ theo lĩnh vực ứng dụng và theo thời gian mà SCADA được hiểu theo những

ý nghĩa khác nhau Theo yêu cầu cụ thể của quá trình tự động hoá, một hệ SCADA thường phải có đầy đủ các thành phần sau:

 Trạm điều khiển trung tâm: Có nhiệm vụ thu thập, lưu giữ, xử lý số liệu và đưa ra các lệnh điều khiển xuống các trạm cơ sở

 Mạng lưới truyền tin: Được xây dựng trên cơ sở mạng máy tính và mạng truyền thông công nghiệp có chức năng đảm bảo thông tin hai chiều giữa trạm trung tâm và các trạm cơ sở

 Giao diện người - máy (sơ đồ công nghệ, đồ thị, phím thao tác )

 Cơ sở dữ liệu quá trình: Cơ sở hạ tầng truyền thông công nghiệp hay các thiết

bị phục vụ cho việc truyền thông

 Phần mềm kết nối với các nguồn dữ liệu (những bộ phận điều khiển cho các PLC, các module vào/ra cho các hệ thống bus trường)

 Các chức năng hỗ trợ trao đổi tin tức và xử lý sự cố, hỗ trợ cho việc lập báo cáo

I.3 Cấu trúc phân cấp của hệ SCADA

Thiết bị giám sát Cấp quản lý hiện trường

Cấp quản lý quá trình Mạng điều khiển

Trạm vận hành

Cơ cấu chấp hành Van

PLC Động cơ

Cấp quản lý xí nghiệp Mạng xí nghiệp

Hình 2.1 : Mô hình phân cấp mạng xí nghiệp

Trạm vận hành

Mạng điều khiển

Ngày nay, kỹ thuật tự động hoá đã đạt được nhiều tiến bộ cùng với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ chế tạo linh kiện bán dẫn IC, LSI, VLSI của kỹ thuật số,

kỹ thuật vi xử lý cũng như của các kỹ thuật tính toán và công nghiệp máy tính, công nghệ mạng và kỹ thuật quản lý, xử lý thông tin Mô hình SCADA (hiểu theo nghĩa rộng) được phân thành các cấp như sau:

I.3.1 Cấp quản lý hiện trường

Trong cấp này các bộ điều khiển nối tiếp với các loại thiết bị tại hiện trường như các thiết bị đo lường, các cơ cấu chấp hành, các thiết bị cảnh báo Để thực hiện các chức năng đo lường và điều khiển Đồng thời cấp này cũng được nối cấp quản lý quá trình để nhận thông tin quản lý và đồng thời chuyển lên cho cấp quản lý quá trình các

số liệu về đặc tính của các thiết bị cũng như số liệu về các tham số tại hiện trường trong thời gian thực Hiện nay nhờ xuất hiện các thiết bị hiện trường mà thông tin về trạng thái, thông số, cấu hình của thiết bị có được dễ dàng Toàn bộ các thiết bị hiện trường cũng như các bộ điều khiển kết nối với nhau thành một mạng các thiết bị trường Tất cả các thông tin từ mạng này được cung cấp cho người sử dụng cũng như các chương trình ứng dụng một cách nhất quán

I.3.2 Cấp quản lý quá trình

Cấp này bao gồm các trạm quản lý như trạm thao tác, trạm giám sát Cấp này có nhiệm vụ tự động thu thập, tổng hợp thông tin về hiện trường từ các trạm ở cấp quản

lý hiện trường, hiển thị tập trung và thay đổi các tham số điều khiển

I.3.3 Cấp quản lý kinh doanh

Cấp này có trong các hệ SCADA mở rộng và thực hiện các nhiệm vụ như: Tích hợp các thông tin thu thập được từ cấp dưới vào hệ thống quản lý kinh doanh của doanh nghiệp, phân tích và thống kê đặt hàng lập kế hoạch sản xuất Doanh nghiệp có thể tích hợp hệ SCADA với các cơ sở dữ liệu và bảng tính sẵn có tạo ra một hệ thống đáp ứng được các yêu cầu cụ thể

II TỔNG QUAN VỀ MẠNG TRUYỀN THÔNG CÔNG NGHIỆP

II.1 Khái niệm

Mạng truyền thông công nghiệp hay mạng công nghiệp (MCN) là một khái niệm chung để chỉ các hệ thống mạng truyền thông số, truyền bit dữ liệu nối tiếp được sử dụng để ghép nối các thiết bị công nghiệp

Các hệ thống truyền thông công nghiệp phổ biến hiện nay cho phép liên kết mạng ở nhiều mức khác nhau, từ các bộ cảm biến, cơ cấu chấp hành dưới cấp trường cho đến các máy tính điều khiển, thiết bị giám sát, máy tính điều khiển giám sát và các máy tính trên cấp điều hành xí nghiệp, quản lý công ty

Đối tượng của mạng công nghiệp thuần tuý là các thiết bị công nghiệp Vì vậy dạng thông tin được quan tâm để truyền đi trong mạng công nghiệp là dữ liệu

 Liên kết điểm - điểm (Point to Point): Là liên kết chỉ có hai đối tác tham gia

 Liên kết điểm - nhiều điểm (multi - drop): Là liên kết có nhiều đối tác tham gia, tuy nhiên chỉ có một đối tác cố định duy nhất (trạm chủ) có chức năng phát trong khi nhiều đối tác còn lại (các trạm tớ) thu nhận thông tin cùng một lúc

 Liên kết nhiều điểm (multipoint): Trong một mối liên kết có nhiều đối tác tham gia và có thể trao đổi thông tin qua lại tự do theo bất kỳ hướng nào Bất kỳ một đối tác nào cũng có thể phát và nhận được

 Topology: Là cấu trúc liên kết của một mạng hay chính là tổng hợp của các liên kết Topology có thể hiểu là cách sắp xếp, tổ chức về mặt vật lý của mạng nhưng cũng có thể hiểu là cách sắp xếp logic của các nút mạng

Mạng truyền thông công nghiệp bao gồm các cấu trúc cơ bản sau:

II.2.1 Cấu trúc bus

Với cấu trúc này các thành viên của mạng đều được nối trực tiếp với một đườngdẫn chung Đặc điểm cơ bản của cấu trúc bus là việc sử dụng chung một đường dẫn duy nhất

cho tất cả các trạm Vì vậy tiết kiệm được cáp dẫn và công lắp đặt Có ba kiểu cấu hình trong cấu trúc bus: Daisy-chain, Trunk-link/Drop-line và mạch vòng không tích cực

II.2.2 Cấu trúc mạch vòng (tích cực )

Với cấu trúc này các thành viên trong mạng được nối từ điểm này đến điểm khác một cách tuần tự trong một mạch vòng khép kín Ưu điểm cơ bản của cấu trúc này là mỗi nút đồng thời có thể là một bộ khuếch đại Vì vậy, khi thiết kế mạng theo kiểu này

có thể thực hiện với khoảng cách và số trạm rất lớn, mỗi trạm có khả năng vừa nhận vừa phát tín hiệu cùng một lúc Có hai kiểu mạch vòng phổ biến sau:

 Kiểu mạch vòng không có điều khiển trung tâm: Các trạm đều bình đẳng như nhau trong việc phát/nhận tín hiệu

 Kiểu có điều khiển trung tâm: Một trạm chủ sẽ đảm nhiệm việc kiểm soát truy cập đường dẫn

II.2.3 Cấu trúc hình sao

Cấu trúc hình sao là cấu trúc mà trong đó trạm trung tâm quan trọng hơn tất cả các nút khác Trạm trung tâm sẽ điều khiển sự truyền thông của toàn mạng, các thành viên được kết nối gián tiếp với nhau qua trạm trung tâm

Nhược điểm của cấu trúc hình sao là khi sự cố trạm trung tâm sẽ làm tê liệt hoàntoàn các hoạt động truyền thông trong mạng Hơn nữa với cấu trúc này sẽ tốn số lượng nhiều dây dẫn

II.2.4 Cấu trúc cây

Cấu trúc cây chính là sự liên kết của nhiều mạng con có cấu trúc đường thẳng,mạch vòng hoặc hình sao Đặc trưng của cấu trúc cây chính là sự phân cấp đường dẫn Cấu trúc cây dùng các bộ nối tích cực (Active coupler), nếu muốn tăng số trạm cũng như phạm vi của một mạng đồng nhất có thể dùng các bộ lặp (Repeater), trong trường hợp c mạng con hoàn toàn khác loại thì phải dùng tới các bộ liên kết mạng khác như Bridge, Router, và Gateway

Trạm 4 Trạm 5

Trạm 6

Hình 2.4 : Cấu trúc hình sao



II.3 Kiến trúc giao thức

II.3.1 Dịch vụ truyền thông

Một hệ thống truyền thông cung cấp dịch vụ truyền thông cho các thành viên tham gia nối mạng Các dịch vụ đó được dùng cho các nhiệm vụ khác nhau như trao đổi dữ liệu, báo cáo trạng thái, tạo lập cấu hình và tham số hoá thiết bị trường, giám sát thiết bị và cài đặt chương trình

Có thể phân loại dịch vụ truyền thông dựa theo các cấp khác nhau: Các dịch vụ

sơ cấp (ví dụ tạo và ngắt nối), dịch vụ cấp thấp (ví dụ trao đổi dữ liệu) và các dịch vụ cấp cao (tạo lập cấu hình, báo cáo trạng thái) Một dịch vụ ở cấp cao hơn có thể sử dụng các dịch vụ cấp thấp để thực hiện chức năng của nó

Việc thực hiện các dịch vụ được dựa trên các nguyên hàm dịch vụ (Service

Primitive), gồm có:

 Yêu cầu (Request) dịch vụ, ký hiệu là Req, ví dụ connect.Req

 Chỉ thị (Indication) nhận lời phục vụ, ký hiệu là Ind, ví dụ connect.Ind

 Đáp ứng (Response) dịch vụ, ký hiệu là Res, ví dụ connect.Res

 Xác nhận (Confirmation) đã nhận được đáp ứng, ký hiệu là Con, ví dụ connect.con

Hình 2.5 : Cấu trúc cây

bộ nối vòng

Bộ nối bộ lặp bộ nối sao

 Cú pháp: Qui định về cấu trúc bức điện, gói dữ liệu dùng khi trao đổi, trong

đó có phần thông tin hữu ích (dữ liệu) và các thông tin bổ trợ như địa chỉ, thông tin điều khiển, thông tin kiểm lỗi

 Ngữ nghĩa: Qui định ý nghĩa cụ thể của từng phần trong một bức điện, như phương pháp định địa chỉ, phương pháp bảo toàn dữ liệu, thủ tục điều khiển dòng thông tin, xử lý lỗi

 Định thời: Qui định về trình tự, thủ tục giao tiếp, chế độ truyền, tốc độ truyền

Việc thực hiện một dịch vụ truyền thông trên cơ sở các giao thức tương ứng được gọi là xử lý giao thức Quá trình xử lý giao thức có thể là mã hoá (xử lý giao thức bên gửi) và giải mã (xử lý giao thức bên nhận)

 Giao thức HDLC

HDLC cho phép chế độ truyền bít nối tiếp đồng bộ hoặc không đồng bộ Một bức điện, hay còn gọi là khung có cấu trúc như sau:

01111110 8/16 bit 8bit n bit 16/32 bit 01111110

Mỗi khung được mở đầu và kết thúc bằng một cờ hiệu với dãy bit 01111110 Dãy bit này đảm bảo không bao giờ xuất hiện trong các phần thông tin khác qua phương pháp nhồi bit, tức là cứ sau một dãy 5 bit có giá trị 1 thì một bit 0 được bổ sung vào

1: connect.req 2: connect.ind 3: connect.res 4: connect.con

1: disconnect.req 2:disconnect.ind

Ô địa chỉ tiếp theo chứa địa chỉ bên gửi và bên nhận Tuỳ theo cách gán địa chỉ 4 hoặc 8 bit (tương ứng với 32 hoặc 256 địa chỉ khác nhau), ô này có chiều dài là 8 hoặc

16 bit

 Giao thức UART

UART (Universal Asynchronous Receiver Transmitter) là một vi mạch điện tử được sử dụng rộng rãi cho việc truyền bit nối tiếp cũng như chuyển đổi song song/nối tiếp giữa đường truyền và bus máy tính UART cho phép lựa chọn giữa chế độ truyền một chiều, hai chiều đồng bộ hoặc hai chiều không đồng bộ Việc truyền tải được thực hiện theo từng ký tự 7 hoặc 8 bit, được bổ sung 2 bit đánh dấu đầu cuối và một bit kiểm tra lỗi chẵn lẻ Ví dụ với ký tự 8 bít được minh hoạ dưới đây

 Nếu chọn parity chẵn, thì P bằng 0 khi tổng số bit 1 là chẵn

 Nếu chọn parity lẻ, thì P bằng 0 khi tổng số bit 1 là lẻ

II.3.3 Kiến trúc giao thức OSI (Open System Interconnection)

Trên thực tế khó có thể xây dựng được một mô hình chi tiết thống nhất về chuẩn giao thức và dịch vụ cho tất cả các hệ thống truyền thông, nhất là khi các hệ thống đa dạng và tồn tại độc lập Chính vì vậy năm 1983 tổ chức tiêu chuẩn hoá quốc tế ISO (International Standard Organization) đã đưa ra một kiến trúc giao thức với chuẩn ISO

7498, được gọi là mô hình qui chiếu OSI nhằm hỗ trợ việc xây dựng các hệ thống truyền thông có khả năng tương tác OSI chỉ là một mô hình kiến trúc phân lớp với mục đích phục vụ việc sắp xếp và đối chiếu các hệ thống truyền thông có sẵn, trong đó

có cả việc so sánh, đối chiếu các giao thức và dịch vụ truyền thông cũng như cơ sở cho việc phát triển các hệ thống mới

Theo mô hình OSI, chức năng hay dịch vụ của một hệ thống truyền thông được chia thành 7 lớp, tương ứng với mỗi lớp dịch vụ là một lớp giao thức Các lớp này có thể do phần cứng hay phần mềm thực hiện, tuy nhiên chuẩn năy không đề cập tới chi tiết một đối tác truyền thông phải thực hiện từng lớp đó như thế nào Một lớp trên thực hiện dịch vụ của mình trên cơ sở sử dụng các dịch vụ ở một lớp phía dưới và theo đúng giao thức qui định tương ứng Thông thường, các dịch vụ ở cấp thấp do phần cứng (các vi mạch điện tử) thực hiện, trong khi các dịch vụ cấp cao do phần mềm (hệ điều hành, phần mềm điều khiển, phần mềm ứng dụng) đảm nhiệm

Một lớp bất kỳ trong 7 lớp có thể thay đổi trong cách thực hiện mà không ảnh hưởng đến các lớp khác nếu nó giữ nguyên giao diện với các lớp trên và lớp dưới nó Đây là mô hình dùng để quy chiếu có tính chất tham khảo, không phải hệ thống truyền thông nào

cũng thực hiện đầy đủ cả bảy lớp Ví dụ, vì lý do hiệu suất trao đổi thông tin và giá thành thực hiện, đối với các hệ thống bus trường thông thường chỉ thực các lớp 1, 2 và

7 Trong các trường hợp này, có thể một số lớp không thực sự cần thiết hoặc chức năng của chúng được ghép với một lớp khác, ví dụ với lớp ứng dụng

Một mô hình quy chiếu không đảm bảo khả năng tương tác giữa các hệ thống truyền thông và các thiết bị truyền thông khác nhau Với việc định nghĩa bảy lớp, OSI đưa ra một mô hình trừu tượng cho các quá trình giao tiếp phân cấp Nếu hai hệ thống thực hiện cùng các dịch vụ và trên cơ sở một giao thức giống nhau ở một lớp thì có nghĩa là hai hệ thống có khả năng tương tác ở lớp đó Mô hình OSI có thể xem như một công trình khung, hỗ trợ việc phát triển và đặc tả các chuẩn giao thức

Các lớp trong mô hình quy chiếu OSI và quan hệ giữa chúng được minh hoạ trong hình vẽ 2.7

Tương ứng với mỗi lớp là một nhóm chức năng đặc trưng cho các dịch vụ và giao thức, các lớp ở đây chính là các lớp chức năng trong thành phần giao diện mạng của một trạm thiết bị, bao gồm cả phần cứng ghép nối và phần mềm cơ sở Chức năng của các lớp được mô tả như sau:

 Lớp ứng dụng (application layer)

Lớp ứng dụng là lớp trên cùng của mô hình OSI, có chức năng cung cấp các dịch

vụ cao cấp (trên cơ sở các giao thức cao cấp) cho người sử dụng và các chương trình ứng dụng, các hàm chức năng trao đổi thông tin, các dịch vụ truyền thông Ví dụ, có thể sắp xếp các dịch vụ và giao thức theo chuẩn MMS cũng như các dẫn suất của nó sử dụng trong một số hệ thống bus trường thuộc lớp ứng dụng Các dịch vụ thuộc lớp ứng dụng hầu hết được thực hiện bằng phần mềm Để có thể sử dụng dễ dàng một chương trình ứng dụng, ví dụ như điều khiển cơ sở hay điều khiển giám sát, nhiều hệ thống cung cấp các dịch vụ này thông qua các khối hàm (function block) Một số thiết bị trường hiện nay không những mang tính chất của dịch vụ truyền thông mà còn được tích hợp một số chức năng như xử lý thông tin, điều khiển tại chỗ còn được gọi là các thiết bị trường thông minh Đây chính xu hướng mới trong việc chuẩn hoá lớp ứng dụng cho các hệ thống bus trường, hướng tới cấu trúc điều khiển phân tán

 Lớp biểu diễn dữ liệu (presentation layer)

Trong một mạng truyền thông, ví dụ mạng máy tính, các trạm máy tính có thể có kiến trúc rất khác nhau, sử dụng các hệ điều hành khác nhau vì vậy cách biểu diễn dữ liệu cũng có thể khác nhau, như độ dài hay cách sắp xếp các byte dữ liệu khác nhau Chức năng của lớp biểu diễn dữ liệu là chuyển đổi các dạng dữ liệu khác nhau về cú pháp thành một dạng chuẩn, nhằm tạo điều kiện cho các đối tác truyền thông có thể hiểu được nhau mặc dù chúng sử dụng các kiểu dữ liệu khác nhau Ngoài ra, lớp này còn có thể cung cấp một số dịch vụ bảo mật dữ liệu, ví dụ qua phương pháp sử dụng

mã khoá

Nếu như cách biểu diễn dữ liệu được thống nhất, chuẩn hoá thì chức năng này không nhất thiết phải tách riêng thành một lớp độc lập mà có thể kết hợp thực hiện trên lớp ứng dụng để đơn giản hoá và nâng cao hiệu suất của việc xử lý giao thức Đây chính là một đặc trưng trong các hệ thống bus trường

 Lớp kiểm soát nối (session layer)

Lớp kiểm soát nối có chức năng kiểm soát mối liên kết truyền thông giữa các chương trình ứng dụng, bao gồm các việc tạo lập, quản lý và kết thúc các đường nối giữa các chương trình ứng dụng, bao gồm các việc tạo lập, quản lý và kết thúc các đường nối giữa các ứng dụng đối tác Mối liên kết giữa các chương trình ứng dụng mang tính chất logic Một mối liên kết vật lý (giữa hai trạm hay giữa hai nút mạng) có thể tồn tại song song dưới dạng nhiều đường nối logic Thông thường kiểm soát nối thuộc chức năng của hệ điều hành Để thực hiện các đường nối giữa hai ứng dụng đối tác, hệ điều hành có thể tạo các quá trình tính toán song song Như vậy, nhiệm vụ đồng

bộ hoá các quá trình tính

Bên gửi

7

6

5

4

3

2

1

7

6

5

4

3

2

1

Môi trường truyền thông

Lớp ứng dụng

Lớp biểu diễn dữ liệu

Lớp kiểm soát nối

Lớp vận chuyển

Lớp mạng

Lớp liên kết dữ liệu

Lớp vật lý

Hình 2.7 : Mô hình qui chiếu ISO/OSI

Đường đi của dữ liệu

Quan hệ giao tiếp logic giữa các lớp

Bên nhận

toán này đối với việc sử dụng chung một giao diện mạng cũng thuộc chức năng của lớp kiểm soát nối Vì vậy lớp này còn được gọi là lớp đồng bộ hoá

Trong hệ thống bus trường, quan hệ nối giữa các chương trình ứng dụng được xác định sẵn nên lớp kiểm soát nối không đóng vai trò gì quan trọng Đối với một số

hệ thống khác lớp này được kết hợp với lớp ứng dụng để nhằm nâng cao hiệu suất truyền thông

Lớp vận chuyển (Transport layer)

Khi một khối dữ liệu được chuyển đi thành từng gói, cần phải đảm bảo tất cả các gói đều đến đích và theo đúng trình tự lúc chúng được chuyển đi Chức năng của lớp vận chuyển là cung cấp các dịch vụ cho việc thực hiện vận chuyển dữ liệu giữa các chương trình ứng dụng một cách tin cậy, bao gồm cả việc khắc phục lỗi và việc điều khiển lưu thông Nhờ vậy mà các lớp trên có thể thực hiện được các chức năng cao cấp

mà không cần quan tâm tới cơ chế vận chuyển cụ thể Các nhiệm vụ cụ thể của lớp vận chuyển bao gồm:

 Quản lý về hình thức cho các trạm sử dụng

 Định vị các đối tác truyền thông qua tên hình thức và địa chỉ

 Xử lý lỗi và kiểm soát dòng tin, trong đó có cả việc lập lại quan hệ liên kết và thực hiện các thủ tục gửi lại dữ liệu khi cần thiết

 Dồn kênh các nguồn dữ liệu khác nhau

 Đồng bộ hoá giữa các trạm đối tác

Để thực hiện việc vận chuyển một cách hiệu quả, tin cậy, một dữ liệu được chuyển đi có thể được chia thành nhiều đơn vị vận chuyển (Data segment unit) có đánh số thứ tự kiểm soát trước khi bổ sung các thông tin kiểm soát lưu thông

 Lớp mạng (Network layer)

Trong mạng diện rộng WAN là sự liên kết của nhiều mạng tồn tại độc lập Mỗi mạng đều có một không gian địa chỉ và cách đánh địa chỉ riêng, sử dụng công nghệ truyền thông khác nhau Một bức điện từ đối tác này sang đối tác khác của một mạng khác có thể có nhiều đường đi khác nhau Vì vậy thời gian, quãng đường vận chuyển

và chất lượng cũng khác nhau Chức năng của lớp mạng là tìm một đường đi tối ưu cho việc vận chuyển dữ liệu, giải phóng sự phụ thuộc của các lớp phía trên vào phương thức chuyển giao dữ liệu và công nghệ

chuyển mạch dùng để kết nối các hệ thống khác nhau Điều này có ý nghĩa rất lớn nhằm giảm được thời gian, quãng đường truyền thông từ đó giảm giá thành dịch vụ Đối với một hệ thống mạng truyền thông công nghiệp lớp mạng không có ý nghĩa vì trong mạng không có sự trao đổi dữ liệu giữa hai trạm thuộc hai mạng khác nhau, hoặc việc trao đổi dữ liệu được thực hiện trực tiếp thông qua chương trình ứng dụng (không qua lớp nào trong mô hình OSI)

 Lớp liên kết dữ liệu (Data link layer)

Lớp liên kết dữ liệu có chức năng truyền dẫn dữ liệu một cách tin cậy thông qua mối liên kết vật lý, trong đó bao gồm việc điều khiển truy cập môi trường truyền dẫn

và bảo

toàn dữ liệu Lớp liên kết dữ liệu thường được chia thành hai lớp con tương ứng với hai chức năng trên

 Lớp điều khiển truy nhập môi trường MAC (Midium Access Control)

 Lớp điều khiển liên kết logic LLC (Logical Link Control)

Trong một số hệ thống, lớp liên kết dữ liệu có thể đảm nhiệm thêm các chức năng khác như kiểm soát lưu thông và việc đồng bộ hoá các khung dữ liệu

Để thực hiện chức năng bảo toàn dữ liệu, thông tin nhận được từ lớp phía trên được đóng gói thành các bức điện có chiều dài hợp lý Các khung dữ liệu này chứa các thông tin bổ sung phục vụ cho mục đích kiểm soát lỗi, kiểm soát lưu thông và đồng bộ hoá Lớp liên kết dữ liệu bên phía nhận thông tin sẽ dựa vào các thông tin này để xác định tính chính xác của dữ liệu, sắp xếp các khung lại theo đúng trình tự và khôi phục lại thông tin để chuyển tiếp lên lớp trên nó

 Lớp vật lý (Physical layer)

Lớp vật lý là lớp dưới cùng trong mô hình phân lớp chức năng truyền thông của một trạm thiết bị Lớp này đảm nhiệm toàn bộ công việc truyền dẫn dữ liệu bằng phương tiện vật lý Các qui định sau đây mô tả giao diện vật lý giữa một trạm thiết bị

và môi trường truyền thông:

 Các chi tiết về cấu trúc mạng (bus, cây, hình sao )

 Chuẩn truyền dẫn (RS 485, IEC 1158-2, truyền cáp quang )

 Phương pháp mã hoá bit

 Chế độ truyền tải (đồng bộ, không đồng bộ, dải rộng, dải mang )

 Tốc độ truyền cho phép

II.4 Phương pháp truy nhập bus

II.4.1 Các khái niệm cơ bản

Trong các hệ thống mạng truyền thông công nghiệp thì các hệ thống có cấu trúc dạng bus có vai trò quan trọng và phổ biến nhất vì những lý do như: Chi phí dây dẫn thấp, dễ lắp đặt, linh hoạt, thích hợp cho việc truyền dẫn trong phạm vi vừa và nhỏ Trong phạm vi đề tài em chỉ trình bày về phương pháp truy cập bus tức ứng với các mạng có cấu trúc dạng bus

Trong một mạng có cấu trúc bus, các thành viên trong mạng phải phân chia thời gian để sử dụng đường truyền Để tránh sự xung đột về đường truyền gây sai lệch về thông tin, mỗi thời điểm trên đường truyền chỉ có duy nhất một bức điện được phép truyền đi Chính vì vậy mạng phải được điều khiển sao cho tại một thời điểm nhất định chỉ có một thành viên trong mạng được gửi thông tin đi

Phương pháp truy nhập bus là một trong những vấn đề cơ bản đối với các hệ thống bus Mỗi phương pháp có những ảnh hưởng khác nhau tới các tính năng kỹ thuật của hệ thống đặc biệt là độ tin cậy, tính năng thời gian thực và hiệu suất sử dụng đường truyền

 Độ tin cậy ở đây chính là độ tin cậy của cả hệ thống

 Hiệu suất sử dụng đường truyền chính là khả năng có thể khai thác, sử dụng đường truyền

Tính năng thời gian thực chính là khả năng đáp ứng nhu cầu trao đổi thông tin một cách kịp thời và tin cậy Hai yếu tố liên quan đến việc đánh giá tính năng thời gian thực là thời gian đáp ứng tối đa và chu kỳ bus

Thời gian đáp ứng tối đa với một trạm là thời gian tối đa mà hệ thống truyền thông cần để đáp ứng một nhu cầu trao đổi dữ liệu của trạm đó với một trạm bất kỳ khác

Chu kỳ bus là khoảng thời gian tối thiểu mà sau đó các hoạt động truyền thông chính lặp lại như cũ Chu kỳ bus chính là cơ sở cho việc chọn chu kỳ vòng quét cho các PLC đóng vai trò trạm chủ

Có thể phân loại cách truy nhập bus thành hai phương pháp là phương pháp tiền định và phương pháp ngẫu nhiên Được minh hoạ trong hình vẽ sau (hình 2.8):

 Với các phương pháp tiền định có trình tự truy nhập bus được xác định rõ ràng Việc truy nhập bus được kiểm soát chặt chẽ theo cách tập trung ở một trạm chủ (đối với phương pháp Master/Slave) và theo sự qui định trước về thời gian (đối với phương pháp đa truy nhập phân chia thời gian TDMA) hoặc phân tán bởi các thành viên (phương pháp Token Passing)

 Các phương pháp ngẫu nhiên có trình tự truy nhập bus không được qui định chặt chẽ mà để xảy ra hoàn toàn theo nhu cầu của các trạm Mỗi thành viên trong mạng có thể truy nhập bus để gửi thông tin đi bất cứ lúc nào Có những phương pháp

để tránh sự xung đột như phương pháp nhận biết xung đột (CSMA/CD) hoặc tránh xung đột (CSMA/CA) Nguyên tắc hoạt động của các phương pháp này là khi có xung đột tín hiệu xảy ra thì ít nhất một trạm phải ngừng gửi và phải chờ một khoảng thời gian trước khi thử lại Sau đây là cụ thể về các phương pháp

Truy nhập ngẫu nhiên Truy nhập tiền định

Phương pháp truy nhập bus

Kiẻm soát tập trung

Tránh xung đột CSMA/CA

Hình 2.8 : Phân loại các phương pháp truy nhập bus

II.4.2 Phương pháp chủ tớ (Master/Slave)

Theo phương pháp này, một trạm chủ (Master) có trách nhiệm chủ động phân chia quyền truy nhập bus cho các trạm tớ (Slave) Các trạm tớ đóng vai trò là bị động, chỉ có quyền truy nhập bus và gửi tín hiệu đi khi có yêu cầu Trạm chủ có thể dùng phương pháp hỏi tuần tự (Polling) theo chu kỳ để kiểm soát toàn bộ hoạt động giao tiếp của cả hệ thống Nhờ vậy mà các trạm tớ có thể gửi các dữ liệu thu thập tới trạm chủ cũng như nhận thông tin điều khiển từ trạm chủ Trạm chủ có thể là một PLC hay một PC

 Ưu điểm: Phương pháp Master/Slave là phương pháp có kết nối đơn giản, kinh tế, trạm chủ thường là các thiết bị điều khiển do đó dễ dàng tích hợp thêm chức

năng xử lý truyền thông

Master

Hình 2.9 : Phương pháp truy nhập chủ/tớ Slave

hầu như chỉ diễn ra giữa trạm chủ là thiết bị điều khiển và các trạm tớ là các thiết

bị trường hay các module vào/ra phân tán

II.4.3 Phương pháp đa truy nhập phân chia thời gian TDMA (Time Division Multiple Access)

Trong phương pháp đa truy nhập phân chia thời gian TDMA Mỗi trạm được phân một thời gian truy nhập bus nhất định Các trạm có thể lần lượt thay nhau gửi thông tin trong khoảng thời gian cho phép gọi là khe thời gian hay lát thời gian (time slot, time slice) theo một tuần tự qui định sẵn Việc phân chia thời gian này được thực hiện trước khi hệ thống đi vào hoạt động (tiền định) Khác với phương pháp chủ/tớ, phương pháp này có thể có hoặc không có trạm chủ Nếu có một trạm chủ thì trạm chủ chỉ thực hiện việc giữ đúng lát thời gian của các trạm khác Mỗi trạm đều có khả năng đảm nhiệm vai trò chủ động trong giao tiếp trực tiếp với các trạm khác Hình vẽ sau đây minh hoạ cách phân chia thời gian cho các trạm trong một chu kỳ bus

Trong đó các lát thời gian được phân chia cố định cho các trạm dùng để trao đổi

dữ liệu định kỳ (đánh số từ 1(N) Ngoài ra còn có một khoảng dự trữ dành cho việc trao đổi dữ liệu theo yêu cầu, ví dụ như gửi thông tin cảnh báo, mệnh lệnh đặt lại cấu hình Phương pháp TDMA có thể thực hiện theo nhiều

cách khác nhau, có thể phân chia thứ tự truy nhập bus theo vị trí sắp xếp của các trạm trong mạng, theo thứ tự địa chỉ, theo tính chất của các hoạt động truyền thông Tương

tự phương pháp chủ/tớ, phương pháp mang tính chất tiền định của cách phân chia thời gian do đó phương pháp thích hợp cho các ứng dụng thời gian thực

II.4.4 Phương pháp Token Passing

Token là một bức điện ngắn không mang dữ liệu, có cấu trúc đặc biệt để phân biệt với các bức điện mang thông tin nguồn, được dùng đặc biệt như một chìa khoá Một trạm nào đó trong mạng đang giữ thông tin thì nó có quyền truy nhập bus và gửi thông tin đi Khi không còn nhu cầu gửi thông tin, trạm đang có token phải gửi token tới một trạm khác theo một trình tự nhất định Nếu trình tự này đúng với trình tự sắp xếp vật lý trong một mạch vòng thì ứng với phương pháp Token Ring Còn nếu sắp xếp có tính chất logic như ở cấu trúc bus thì ta dùng khái niệm Token Bus

N

Chu kỳ bus (chu kỳ TDMA)

Hình 2.10 : Hai dạng của phương pháp Token Passing

Trạm 2 Trạm 1

Slave

Master Master

(1) Token Passing giữa các trạm tích cực

(2) Master/slave giữa một trạm tích cực và trạm không tích cực

Hình 2.11 : Truy nhập bus kết hợp nhiều chủ

Slave

Một trạm đang giữ token không những được quyền gửi thông tin đi, mà còn có thể có vai trò kiểm soát sự hoạt động của một số trạm khác, ví dụ như kiểm tra sự cố của các trạm Việc kiểm soát bao gồm các công việc sau:

 Giám sát token: Nếu token bị mất do lỗi thì cần phải xoá token cũ và tạo một token mới

 Khởi tạo token: Sau khi khởi động mỗi trạm có nhiệm vụ tạo một token mới

 Phát hiện và tách một trạm ra khỏi mạch vòng logic khi trạm đó có sự cố

 Bổ sung trạm mới: Khi một trạm mới được kết nối hay một trạm cũ được đưa

vào sử dụng lại thì phải được bổ sung vào mạch vòng logic để có quyền nhận token

II.4.5 Phương pháp thâm nhập ngẫu nhiên phân tán CSMA/CD

Theo phương pháp CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision

Detection), mỗi trạm đều có quyền truy nhập bus mà không cần một sự kiểm soát nào Phương pháp được tiến hành như sau:

 Mỗi trạm phải tự nghe đường dẫn (Carrier sense), nếu đường dẫn rỗi (không

có tín hiệu) thì mới được phát

 Trong khi phát thì mỗi trạm vẫn phải nghe đường dẫn để so sánh tín hiệu phát

đi với tín hiệu nhận được xem có xảy ra xung đột hay không

 Trường hợp xảy xung đột thì mỗi trạm đều phải huỷ bỏ bức điện

Hình 2.12 : Phương pháp CSMA/CD

 Ưu điểm: Phương pháp đơn giản, linh hoạt Việc ghép thêm hay bỏ đi một trạm trong mạng không ảnh hưởng tới hoạt động của hệ thống Vì vậy phương pháp được ứng dụng rộng rãi trong mạng Ethernet

 Nhược điểm: Vì các trạm đều như nhau trong mạng nên quá trình chờ ở một trạm có thể lặp đi lặp lại, không xác định được thời gian chính xác Hiệu suất sử dụng đường truyền thấp

II.5 Thiết bị liên kết mạng

Để cho dòng dữ liệu giữa hai phần mạng có thể truyền qua lại cho nhau được người ta sử dụng các thiết bị liên kết đặc biệt Thông thường mỗi phần mạng được thiết lập các giao thức truyền thông riêng, các giao thức này có thể giống nhau hoặc khác nhau so với phần mạng còn lại Do vậy cần phải liên kết hai mạng lại mà người

sử dụng không cần phải thiết lập lại giao thức truyền thông Tuỳ theo những đặc điểm

giống và khác nhau giữa hai phần mạng cần liên kết ta có thể chọn các loại thiết

bị liên kết cho phù hợp như bộ lặp (Repeater), cầu nối (Bridge), bộ định tuyến (Router) và gateway Các thiết bị liên kết này được chọn theo nhiệm vụ của chúng theo mô hình ISO/OSI

VD: Profibus segment 1

VD: Profibus segment 2

Lớp vật lý Lớp liên kết dữ liệu

Lớp mạng Lớp vận chuyển

Lớp kiểm soát kết nối

Lớp biều diễn dữ liệu Lớp ứng dụng

Vai trò của bộ lặp là sao chép, khuếch đại và phục hồi tín hiệu mang thông tin trên đường truyền, ngoài ra bộ lặp còn có khả năng chỉnh dạng và tái tạo tín hiệu trong trường hợp tín hiệu bị méo dạng do nhiễu Hai phần mạng có thể liên kết với nhau qua một bộ lặp được gọi là các phân đoạn mạng, chúng phải giống nhau hoàn toàn cả về các lớp giao thức và đường truyền vật lý Mặc dù các đoạn mạng về mặt logic vẫn thuộc một mạng duy nhất, tức các trạm địa chỉ của chúng phải có địa chỉ riêng biệt, mỗi đoạn mạng được xem như cách ly về mặt điện học Vì vậy, số lượng các trạm trong toàn mạng có thể lớn hơn chuẩn truyền dẫn quy định

Chức năng của một bộ lặp có thể xem như thuộc phần dưới của lớp vật lý nếu đối chiếu với mô hình OSI Bộ lặp chỉ có thể nối được hai đoạn dẫn của cùng một hệ thống truyền thông, thực hiện cùng một giao thức và môi trường truyền dẫn cũng hoàn toàn giống nhau Trong trường hợp thiết bị có chức năng kết nối hai đoạn mạng có môi trường truyền dẫn khác nhau (ví dụ một bên dùng cáp quang, một bên dùng cáp đồng trục), ta dùng khái niệm bộ chuyển đổi hoặc bộ thích ứng

Một bộ lặp không chỉ làm nhiệm vụ khuếch đại các tín hiệu bị suy giảm, mà còn chỉnh định và tái tạo tín hiệu trong trường hợp tín hiệu bị biến dạng do nhiễu Mỗi bộ

lặp tuy không có địa chỉ riêng, không tham gia trực tiếp vào các hoạt động giao tiếp nhưng vẫn được xem là một trạm, hay một thành viên trong mạng Ví dụ, nếu số lượng hạn chế trong một đoạn mạng là 32 thì việc sử dụng 3 bộ lặp để nối 4 đoạn mạng sẽ nâng tổng số thiết bị có thể tham gia giao tiếp thực sự lên 125 chứ không phải 128 II.5.2 Cầu nối (Bridge)

Cầu nối phục vụ cho việc liên kết các mạng con với nhau được dùng khi ở phần

trên lớp 2 của chúng (được gọi là lớp điều khiển logic, Logic Link Control-LLC ) làm

việc với cùng một giao thức Môi trường truyền dẫn và phương pháp điều khiển truy nhập đường dẫn cho mỗi một mạng con có thể khác nhau Cầu nối được sử dụng khi cần liên kết các mạng con có cấu trúc khác nhau hoặc do một yêu cầu thiết kế đặc biệt nào đó

Nhiệm vụ của cầu nối nhiều khi chỉ để giải quyết vấn đề điều khiển truy nhập môi trường (MAC), còn chức năng của các lớp LLC không bị thay đổi gì Trong trường hợp này, cầu nối có thể được sử dụng cho ghép nối các mạng con mà môi trường truyền dẫn có thể khác nhau

II.5.3 Bộ định tuyến (Router)

Router có nhiệm vụ liên kết hai mạng với nhau trên cơ sở lớp 3 theo mô hình OSI Router cũng có chức năng xác định đường đi tối ưu cho một gói dữ liệu cho hai đối tác thuộc các mạng khác nhau Các mạng liên kết có thể khác nhau ở hai lớp 1 và

2, nhưng bắt buộc giống nhau ở lớp 3 Mỗi mạng có một không gian địa chỉ riêng, nghĩa là hai trạm thuộc hai mạng khác nhau có thể có cùng một địa chỉ, tuy nhiên chúng được phân biệt bởi địa chỉ mạng Nếu một router ghép nối với n mạng thì bản

thân nó có n địa chỉ Các trạm trong một mạng chỉ có thể nhìn thấy một địa chỉ của router

Trong việc giao tiếp liên mạng thì mã địa chỉ trong một bức điện bao gồm nhiều thành phần, trong đó có các địa chỉ nơi gửi, nơi nhận cũng như các thành phần mô tả địa chỉ mạng mà bức điện cần đi qua

Để thực hiện được việc tìm đường đi tối ưu, router phải thay đổi các thành phần liên quan trong mã địa chỉ này trước khi truyền tiếp dữ liệu đi, nhờ một thuật toán cho trước và một bảng chứa những thông tin cần thiết của các mạng tham gia

Tiêu chuẩn cho đường đi tối ưu phụ thuộc vào quy định cụ thể, ví dụ đường truyền đến địa chỉ là ngắn nhất, thời gian truyền thông tin ngắn nhất, qua ít thiết bị truyền tin trung gian nhất hay giá thành hợp lý nhất, hoặc cũng có thể kết hợp nhiều yếu tố khác nhau

II.5.4 Gateway

Gateway được sử dụng để liên kết các hệ thống mạng khác nhau (các hệ thống bus khác nhau) Nhiệm vụ chính của gateway là chuyển đổi giao thức ở cấp cao, thường được thực hiện bằng các thành phần phần mềm Như vậy, gateway không nhất thiết phải là một thiết bị đặc biệt, mà có thể là một máy tính PC với các phần mềm cần thiết Tuy nhiên cũng có phần cứng chuyên dụng thực hiện chức năng gateway

Nếu như mục đích của việc liên kết chỉ là khả năng truy nhập dữ liệu xuyên suốt mạng, thì không nhất thiết phải dùng chuyển đổi “ trực tuyến” (on-line) Một giải pháp đơn giản thông dụng hơn nhiều là sử dụng một thiết bị trung gian có vai trò tương tự như một gateway, ví dụ như PLC hay một PC, như trong các cấu hình hệ thống phân cấp thường gặp trong thực tế

Hình 2.15 : Router trong mô hình OSI

Lớp vật lý

Lớp liên kết dữ liệu

Lớp mạng

Lớp vận chuyển

Lớp kiểm soát kết nối

Lớp biều diễn dữ liệu

Lớp ứng dụng

II.5.5 Card mạng

Một mạng công nghiệp luôn được đặc trưng bởi cấu trúc ghép nối vật lý và phương thức thực hiện truyền thông giữa các phần tử trong mạng Trong một mạng truyền thông các trạm giao tiếp với môi trường truyền thông qua Card mạng Card mạng đảm nhận nhiệm vụ truyền dữ liệu từ một nút mạng này đến một nút mạng khác

và theo chiều ngược lại nó nhận dữ liệu từ một trạm khác gửi đến Để đảm nhận được nhiệm vụ đó, card có các chức năng sau:

 Nhận dữ liệu song song từ thiết bị chủ biến đổi thành gói thông tin nối tiếp đồng thời nhận dữ liệu dạng nối tiếp từ các trạm khác biến đổi thành dạng thông tin hữu dụng phù hợp với hệ điều hành của thiết bị chủ

 Thêm vào các gói thông tin một số bits dữ liệu sao cho nó có khuôn dạng phù hợp với các thủ tục truy cập mạng

 Có giao diện kết nối vật lý với môi trường truyền thông theo một qui định chặt chẽ định trước

III CÁC CHUẨN TRUYỀN THÔNG CÔNG NGHIỆP

Phương pháp truyền dữ liệu nối tiếp, không đồng bộ là phương pháp được sử dụng chủ yếu trong các hệ thống mạng truyền thông công nghiệp Với phương pháp này các bit dữ liệu được truyền từ bên gửi đến bên nhận một cách tuần tự trên cùng một đường truyền Có một số chuẩn truyền thông công nghiệp phổ biến như sau: III.1 Phương thức truyền dẫn tín hiệu

Tín hiệu được dùng để truyền tải thông tin Nếu không kể môi trường truyền dẫn thì các thành phần cơ bản trong một hệ thống truyền tín hiệu gồm có:

 Bộ phát (Transmitter): Hay còn gọi là bộ kích thích (Driver), ký hiệu là D

 Bộ thu (Receiver), ký hiệu là R

Một thiết bị vừa có khả năng thu và phát tín hiệu còn gọi là bộ thu-phát (Transceiver) Có hai phương thức truyền dẫn tín hiệu cơ bản được dùng trong các hệ thống truyền thông công nghiệp Đó là phương pháp chênh lệch đối xứng và phương pháp không đối xứng

 Truyền dẫn không đối xứng

Truyền dẫn không đối xứng sử dụng điện áp của một dây dẫn so với đất để thể hiện các trạng thái logic (0 và 1) của một tín hiệu số Một trong những ưu điểm của phương pháp truyền dẫn không đối xứng là chỉ cần một đường dây đất chung cho nhiều kênh tín hiệu trong trường hợp cần thiết Nhờ vậy tiết kiệm được số lượng dây

dẫn và các linh kiện ghép nối

Việc sử dụng đất làm điểm tựa cho việc đánh giá mức tín hiệu có nhược điểm cơ bản là: khả năng chống nhiễu kém Nguyên nhân gây nhiễu là do môi trường xung quanh,

sự xuyên âm hoặc do chênh lệch điện áp đất của các đối tác truyền thông

 Truyền dẫn chênh lệch đối xứng

Truyền dẫn chênh lệch đối xứng sử dụng điện áp giữa hai dây dẫn để biểu diễn trạng thái logic (0 và 1) của tín hiệu Phương pháp truyền này không phụ thuộc vào đất

III.2 Chuẩn truyền dẫn TIA /EIA

EIA (Electronic Industry Assiciation) và TIA (Telecomunication Industry

Assiciation) là các hiệp hội đã xây dựng và phát triển một số chuẩn giao diện cho truyền thông công nghiệp, trong đó có các chuẩn truyền dẫn nối tiếp Theo nghĩa truyền thống một chuẩn truyền dẫn trước hết được hiểu là các quy định được thống nhất về giao diện vật lý giữa các thiết bị đầu cuối xử lý dữ liệu DTE (Data Terminal

Equipment) và các thiết bị truyền dẫn dữ liệu DCE (Data Communication

 3V(15V: Ứng với giá trị logic 0

 15V(-3V: Ứng với giá trị logic 1

Ưu điểm: Chuẩn RS-232 sử dụng công suất phát tương đối thấp, nhờ trở kháng đầu vào và hạn chế trong phạm vi từ 3-7k

Bảng các thông số cơ bản của RS-232:

Hình 2.19 : Một số ví dụ ghép nối với RS-232

TxD RxD RTS CTS DTR DSR GND

TxD RxD RTS CTS DTR DSR GND

b Chế độ bắt tay

TxD RxD RTS CTS DTR DSR GND

+ 25V

Giao diện RS-232

+ 15V +3V

 Chuẩn RS-422

Khác với chuẩn RS-232, chuẩn RS-422 sử dụng tín hiệu điện áp chênh lệch đối xứng giữa hai dây dẫn Nhờ vậy giảm được nhiễu và cho phép tăng chiều dài dây dẫn Tốc độ truyền dữ liệu khoảng 9 Kbít/s RS-422 thích hợp cho phạm vi truyền dẫn tới 1200m mà không cần bộ lặp Điện áp chênh lệch tương ứng với trạng thái logic 0,

và âm ứng với trạng thái logic 1 Trong cấu hình ghép nối tối thiểu cho RS-422 cần một đôi dây dùng để truyền dẫn tín hiệu Lúc này chỉ có thể truyền một chiều hoặc hai chiều gián đoạn Ở chế độ này mỗi thời điểm chỉ có một tín hiệu duy nhất được truyền

đi Để thực hiện truyền hai chiều toàn phần ta cần hai đôi dây Cả hai trường hợp sử dụng với cấu hình 2 dây hay 4 dây đều phải sử dụng thêm một dây đất để giữ mức điện

áp chung (Vcm) cho các trạm tham gia ở một giới hạn quy định Nếu không dữ liệu truyền đi sẽ bị mất và các cổng kết nối sẽ bị hỏng Ngưỡng giới hạn quy định cho Vcm với RS-422 là (7V Sau đây là bảng các thông số kỹ thuật của chuẩn RS-422:

Bảng các thông số cơ bản của RS 422

10V Điện áp đầu ra khi có tải RT = 100 2V

Điện áp chế độ chung đầu ra

vi mạch RS-485 tự động xử lý tình huống này, trong nhiều trường hợp khác, việc đó thuộc về trách nhiệm của phần mềm điều khiển truyền thông

Là chuẩn được cải tiến từ RS-422 nhưng RS-485 có thêm điều khiển ba trạng thái ở mạch phát

 Mức logic ‘’1’’ nằm trong khoảng từ -1,5V đến -6V

 Mức logic ‘’0’’ nằm trong khoảng từ +1,5V đến +6V

 RS-485 cũng sử dụng tín hiệu điện áp chênh lệch đối xứng giữa hai dây dẫn Khoảng cách tối đa giữa trạm đầu và trạm cuối trong một đoạn mạng là 1200m, không phụ thuộc vào số trạm tham gia Tốc độ truyền dẫn có thể lên tới 10Mbit/s

Có thể sử dụng bộ lặp để tăng chiều dài dây dẫn lên nhiều lần cũng như số trạm trong một mạng, đồng thời đảm bảo được chất lượng tín hiệu

Do tốc độ truyền thông và chiều dài dây dẫn có thể khác nhau rất nhiều trong các ứng dụng, hầu như tất cả các bus RS-485 đều yêu cầu sử dụng trở đầu cuối tại hai đầu dây Sử dụng trở đầu cuối có tác dụng chống các hiệu ứng phụ trong truyền dẫn tín hiệu như sự phản xạ tín hiệu

+1.5V/+0.2

V -1.5V/ -0.2V

Bảng các thông số quan trọng của RS 485

III.3 Bộ chuyển đổi từ RS-232 / RS-485 (RS-422)

Thực tế hầu hết các máy tính hiện nay đều trang bị cổng nối tiếp RS-232 Vì vậy khi ghép nối máy tính với các giao diện ghép nối khác như PLC ta phải chuyển đổi từ RS-232 sang RS-422 hay RS-485 Sơ đồ khối bộ chuyển đổi như sau:

Nguyên tắc hoạt động: Sơ đồ mạch gồm 2 phần:

 Phần chính: Đặt gần máy tính (PC), có chức năng chuyển đổi tín hiệu ở cổng RS-232 thành tín hiệu vi sai RS-422 (RS-485)

 Phần phụ: Có thể đặt cách xa máy tính đến hàng ngàn mét, có bộ cách ly về điện bằng cách ghép nối quang và biến đổi ngược lại thành tín hiệu điện theo chuẩn ghép nối RS-232 và đấu nối vào cổng ra RS-232 của PC

RS422/

485 TTL

V24

TTL RS

422/485 TTL

1000m

TTL V24

V24

TTL

RS422/

485 TTL

RS42/

485 TTL

TTL V24

Hình 2.23: Sơ đồ khối bộ biến đổiRS-232/RS-485

IV MỘT SỐ MẠNG CÔNG NGHIỆP PHỔ BIẾN

 Bitbus

Bitbus ra đời sớm nhất và do hãng INTEL thiết kế vào đầu năm 1990 Đến năm

1991 Bitbus trở thành chuẩn hoá quốc tế theo chuẩn IEEE-1118 và hiện nay được duy trì bởi hiệp hội người dùng BEUG (Bitbus European Users Group) Bitbus dựa trên công nghệ truyền dẫn của RS-485 sử dụng đôi cáp xoắn (cho tốc độ truyền 375 Kbit/s hoặc 62.5 Kbit/s) hoặc cáp quang (1.5 Mbit/s) Cấu trúc của mạng Bitbus bao giờ cũng bao gồm một trạm chủ, các trạm tớ, có thể có đến 249 Slave và các bộ lặp khi cần mở rộng đường truyền

 Mạng CAN (Controller Area Network)

Giao thức truyền thông của CAN là giao thức theo chuẩn hoá ISO 11898 Giao thức này đầu tiên được phát triển do hãng BOSCII với mục đích ứng dụng cho ngành sản xuất ôtô ở Châu Âu Tuy nhiên ngày nay CAN được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực tự động hoá công nghiệp cũng như công nghiệp chế tạo sản xuất ôtô Giao thức CAN có thể sử dụng tốt trong các hệ điều khiển phân tán Tốc độ truyền trên mạng của CAN phụ thuộc vào khoảng cách truyền

 Mạng DeviceNet

DeviceNet là giải pháp mạng của các thiết bị công nghiệp ở cấp trường (field level, như mạng ghép nối các sensor, các công tắc giới hạn, van điều khiển, các bộ khởi động motor ) và hãng Allen Bradley phát triển từ năm 1994

DeviceNet dựa trên cấu trúc giao thức truyền CAN và được xem là một chuẩn hoá bus trường mở

 Mạng ControlNet

ControlNet là mạng công nghiệp mở đảm bảo yêu cầu về truyền tốc độ theo thời gian thực khi liên kết giữa các thiết bị điều khiển trong mạng Khi sử dụng cáp đồng trục tốc độ truyền lớn nhất có thể lên đến 5Mbit/s, ở khoảng cách truyền 1000m giữa hai trạm hoặc 250m khi số trạm sử dụng là 48 Khoảng cách truyền có thể lên đến 3000m khi dùng cáp quang khi số lượng trạm làm việc có thể định địa chỉ tới 99 trạm Với tốc độ truyền nhanh, ControlNet thích hợp cho việc trao đổi số liệu theo thời gian thực giữa các trạm điều khiển

 Mạng Industrial Ethernet (IE)

Mạng Industrial Ethernet (IEEE-802.2) dựa trên Ethernet thường được thiết kế lại sao cho sử dụng phù hợp với môi trường công nghiệp và do tổ chức IEA/ (Industrial Ethernet Association) quản lý Mạng IE phục vụ cho lớp quản lý và lớp điều khiển để thực hiện việc truyền thông giữa máy tính và các hệ thông tự động hoá

Nó phục vụ cho việc trao đổi một dung lượng thông tin lớn và truyền trong một

khoảng cách lớn Về phương diện vật lý mạng IE cũng là một mạng điện Các cáp dùng trong mạng là cáp đồng trục có trán cách điện và có bọc hay cáp quang

 Mạng AS-I (Actuator Sensor Interface)

AS-I là một giải pháp mạng công nghiệp tự động đơn giản nhất chủ yếu dùng cho mạng các điểm đo và cơ cấu chấp hành ở cấp trường Mạng AS-I có đặc điểm cấu trúc mạng hình cây sử dụng đôi dây cáp không cần bọc nhiễu cho truyền tải thông tin và năng lượng (nguồn 24V DC) Độ dài cáp có thể lên đến 100m và cho phép tải trên nó một trạm chủ với lớn nhất là 31 trạm tớ, với thời gian thực chu kỳ quét trên mạng khoảng 5ms Mục đích sử dụng duy nhất của AS-I là kết nối các thiết bị cảm biến và

cơ cấu chấp hành số với cấp điều khiển

 Mạng PROFIBUS

Profibus là bus trường mở theo chuẩn hoá châu Âu EN 50170 năm 1996 và chuẩn hoá quốc tế IEC 61158 năm 2000 Được phát triển dựa trên cơ sở mạng công nghiệp SINEC-L2 của hãng SIEMENS và hiện do tổ chức PNO (Profibus User Organization) kiểm soát Đây là bus trường đã được ứng dụng nhiều và xuất hiện khá sớm ở Việt Nam Profibus là một hệ thống bus dùng để kết nối thiết bị trường với các thiết bị điều khiển và giám sát Profibus là hệ thống bus nhiều chủ, cho phép các thiết

bị điều khiển tự động, các trạm kỹ thuật và hiển thị quá trình cũng như các phụ kiện phân tán cùng làm việc trên cùng một bus

Sau khi qua nghiên cứu đặc tính các hệ thống bus tiêu biểu Ta chọn hệ thống bus

để thành lập mạng cho để tài, đó là mạng PROFIBUS DP Sau đây ta đi khảo sát kỹ mạng này

IV.1 Mạng PROFIBUS

PROFIBUS có các đặc điểm sau:

 Các thiết bị chủ có khả năng kiểm soát quá trình truyền thông trên bus, nó sẽ gởi thông tin cho các thành viên trong mạng khi nó được quyền truy cập ta gọi đó là mạng tích cực

 Các thiết bị tớ là các thiết bị trường như vào/ra phân tán, cảm biến và cơ cấu chấp hành Chúng không được nhận quyền truy cập bus mà chỉ được phép xác nhận hoặc trả lời thông tin nhận từ trạm chủ khi được yêu cầu Một trạm tớ còn được gọi là trạm thụ động

 Profibus cho phép ứng dụng trong các bài toán đòi hỏi thời gian truyền với tốc độ cao cũng như các ứng dụng trong các môi trường truyền thông phức tạp

 Ưu điểm:

 Vì được chuẩn hoá theo chuẩn Châu Âu EN 50170 nên có thể bảo đảm việc ghép các thiết bị của các hãng khác nhau trong cùng một bus mà không cần phải có các bộ chuyển đổi riêng

 Độ tin cậy cao và phạm vi ứng dụng rộng rãi trên nhiều lĩnh vực khác nhau Hiện nay Profibus chiếm tới hơn 40% thị trường điện tử ở Châu Âu và ở nước ta hầu hết các dây chuyền tự động trong công nghiệp đều có sử dụng Profibus

 Nhược điểm:

Nhược điểm lớn nhất của Profibus là giá thành thiết bị cao

Tuỳ theo từng ứng dụng cụ thể mà có thể sử dụng các dạng chuẩn Profibus tương thích với nhau sau đây:

 PROFIBUS-FMS (Fieldbus Message Specification): Được dùng chủ yếu cho việc nối mạng các máy tính điều khiển và điều khiển giám sát Ở mức này việc thông tin chủ yếu diễn ra giữa các thiết bị điều khiển trong trường (như PLC, PC ) PROFIBUS-FMS có tốc độ truyền trung bình với thời gian vòng quét số liệu trong bus nhỏ hơn 100 ms

 PROFIBUS-DP (Decentralized Periphery): Chuẩn này dựa trên cơ sở chuẩn hoá DIN 19 245 với những chức năng mở rộng thêm thích hợp cho các bài toán yêu cầu về tốc độ truyền cao Chuẩn hoá này được thiết kế cho mạng ghép nối giữa các hệ thống tự động hoá với các thiết bị phân tán bằng việc thay thế các đường tín hiệu song song (Digital/Analog, 24V, 0 -20mA)

 PROFIBUS-PA (Process Automation): Chuẩn này được thiết kế đảm bảo việc ghép nối các hệ thống tự động hoá các quá trình có môi trường dễ cháy nổ, đặc biệt trong công nghiệp chế biến, ghép nối các hệ thống tự động hoá và điều khiển quá trình với các thiết bị trường và đang dùng để thay thế kỹ thuật dòng truyền 4-20mA PROFIBUS-PA chỉ sử dụng một đôi dây dẫn duy nhất để truyền tải mọi thông tin cũng như cấp nguồn cho tất cả các thiết bị trong trường Chuẩn này dựa theo tiêu chuẩn IEC 1158-2

IV.1.2 Kiến trúc giao thức của mạng PROFIBUS

Do những yêu cầu đặc trưng truyền thông của cấp trường mà PROFIBUS-FMS chỉ thực hiện các lớp: lớp vật lý (Physical, lớp 1), lớp liên kết số liệu (Data link, lớp 2),

và lớp ứng dụng trên cùng (Application, lớp 7) theo mô hình đối chiếu OSI, trong khi kiểu PROFIBUS-DP và PA chỉ chuẩn hoá ở lớp 1 và lớp 2 như được minh hoạ trong hình vẽ 2.24:

Lớp 1: Là lớp qui định về kỹ thuật truyền dẫn tín hiệu, môi trường truyền dẫn,

485 hay cáp quang

Lớp 2: Có chức năng thực hiện việc điều khiển truy cập bus và kiểm tra độ an toàn của dữ liệu, cung cấp các dịch vụ cơ bản cho việc trao đổi dữ liệu một cách tin cậy, không phụ thuộc vào phương pháp truyền dẫn ở lớp vật lý

Lớp 7: Gồm có các giao thức FMS gồm có 2 lớp con là FMS và LLI (Lower Layer Interface) Lớp FMS đảm nhiệm việc xử lý giao thức sử dụng và cung cấp các dịch vụ truyền thông, trong khi LLI có vai trò trung gian cho FMS kết nối với lớp 2 mà không phụ thuộc vào các thiết bị riêng biệt Lớp LLI còn có nhiệm vụ thực hiện các chức năng bình thường thuộc các lớp 3-6 Ví dụ tạo và ngắt nối, kiểm soát lưu thông IV.1.3 Kỹ thuật truyền dẫn

Profibus sử dụng 3 công nghệ truyền dẫn là: RS-485 (sử dụng cặp đôi dây dẫn) hoặc cáp quang cho Profibus FMS/DP hoặc cấu trúc phức hợp cả hai công nghệ này tuỳ theo yêu cầu thực tế của bài toán Profibus PA sử dụng công nghệ truyền IEC 1158-

2 Trong đó RS-485 là công nghệ thường dùng do tính chất bảo đảm tốc độ truyền cao, tin cậy, lắp đặt dễ dàng và chi phí thấp

Hình 2.24 : Kiến trúc giao thức của PROFIBUS

Những trường ứng dụng ( Xây dựng,Quá trình, sản xuất )

Ứng dụng profiles

Những chức năng DP

Sự chỉ rõ những thông báo của bus trường

Liên kết dữ liệu bus trường (FDL) Giao tiếp IEC

IEC 1158-2 RS485/Fiber Optic