Hệ thống thông tin trong công nghiệp - Chương 6 ppt

Ba loại giao thức— Bus hệ thống hoặc bus ₫iều khiển , — Dịch vụ cao cấp, chủ yếu ₫ược sử dụng trong CN chế tạo — Bus trường cấp cao, chủ yếu ghép nối giữa thiết bị ₫iều khiển với vào ra

Hệ thống

thông tin công nghiệp

6.1 Profibus

1 Giới thiệu chung

Đức từ năm 1987

truyền thông , mà còn ₫ược coi là một công nghệ tự

₫ộng hóa

cũng ₫ược sử dụng rất rộng rãi tại Việt Nam

năm 1995 nằm trong PROFIBUS International (PI)

với hơn 1.100 thành viên trên toàn thế giới

Ba loại giao thức

— Bus hệ thống hoặc bus ₫iều khiển ,

— Dịch vụ cao cấp, chủ yếu ₫ược sử dụng trong CN chế tạo

— 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

Lựa chọn giao thức

Các lớp dịch vụ và giao thức

— 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.

— kiểm soát truy nhập bus

— cung cấp các dịch vụ truyền dữ liệu

— kỹ thuật truyền dẫn tín hiệu,

— môi trường truyền dẫn,

— cấu trúc mạng và các giao diện cơ học

3 Kỹ thuật truyền dẫn (lớp 1)

Truyền dẫn với RS-485:

nhánh (trunk-line/drop-line) hoặc daisy-chain,

trúc daisy-chain.

vệ (STP) Hiệp hội PI khuyến cáo dùng cáp loại A

các ₫iện trở lần lượt là 390Ω-220Ω-390Ω

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

32

Tổng số trạm tối ₫a trong một mạng là 126

không ₫ồng thời

Khoảng cách truyền

và tốc ₫ộ truyền

100200

4001000

1200

Chiều dài

(mét)

3000/6000/12000

1500500

187.5

9,6/19,245,45/93,75Tốc độ

(kbit/s)

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.

— 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 3km và sợi thủy tinh ₫ơn chế ₫ộ với khoảng cách truyền

2-có thể trên 15km.

— Sợi chất dẻo với chiều dài tối ₫a 80m và sợi HCS với

chiều dài tối ₫a 500m

Cấu hình FMS tiêu biểu

Cấu hình DP tiêu biểu

Cấu hình PA tiêu biểu

Cấu hình mạng cáp ₫iện tiêu biểu

6 Dịch vụ truyền dữ liệu (lớp 2)

— SDN (Send Data with No Acknowledge): Gửi dữ liệu

— CSRD (Cyclic Send and Request Data with Reply): Gửi và

yêu cầu dữ liệu tuần hoàn.

Göi vμ yªu cÇu d÷ liÖu tuÇn hoμn (CSRD)

D÷ liÖu

D÷ liÖu D÷ liÖu

D÷ liÖu

D÷ liÖu

Tr¹m n

Tr¹m n+1 D÷ liÖu

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:

ED FCS

DU FC

SA DA

SD2 LEr

LE SD2

ED FCS

FC SA

DA SD1

ED FCS

DU FC

SA DA

SD3

SA DA

SD4

Byte kết thúc, ED = 16H End Delimiter

DA

Chiều dài thông tin nhắc lại vì lý do

an toàn

Length repeated LEr

Chiều dài thông tin (4-249 byte) Length

LE

Byte khởi ₫ầu, phân biệt giữa các loại khung SD1 = 10H, SD2=68H, SD3 = A2H, SD4=DCH

Start Delimiter

SD1

SD4

Ý nghĩa Tên ₫ầy ₫ủ

Ký hiệu

8 Profibus-DP

năng thời gian thực trong trao ₫ổi dữ liệu dưới

cấp trường (ví dụ giữa PLC, PC với DIO, thiết bị

₫o, biến tần, )

cơ chế chủ/tớ

vụ tham số hóa, vận hành và chẩn ₫oán các thiết

bị trường thông minh

thực hiện các lớp 1 và 2 vì lý do hiệu suất xử lý

giao thức và tính năng thời gian

Ba phiên bản DP

— Trao ₫ổi dữ liệu tuần hoàn

— Chẩn ₫oán trạm, module và kênh

— Hỗ trợ ₫ặt cấu hình với tập tin GSD.

— 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.

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.

Cấu hình hệ thống và kiểu thiết bị

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

Đặc tính vận hành hệ thống

chủ và trạm tớ, chỉ có thể chẩn ₫oán và tham sốhóa

trạm tớ và giữ các ₫ầu ra ở giá trị an toàn

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

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

Đồng bộ hóa dữ liệu vào/ra

cho bài toán ₫iều khiển

— 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).

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

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,

Giao tiếp giữa các trạm tớ (DXB)

DP Master Cấp 1

DP Master Cấp 1

Chế ₫ộ ₫ẳng thời

(isochronous mode)

chuyển ₫ộng

chính xác (₫ộ rung, jitter) tới microgiây

PC (DP-Master)

I/O ph©n t¸n (DP-Slave)

DP/PA-Link (DP-Slave)

Hệ thống

thông tin công nghiệp

6.2 Interbus

1 Giới thiệu chung

Phoenix Contact

trường, bus ₫iều khiển, bus chấp hành-cảm biến)

tạo, lắp ráp và sản xuất vật liệu xây dựng

tinh ở VN

2 Kiến trúc giao thức

— Lớp vật lý qui ₫ịnh phương pháp mã hóa bit, kỹ thuật

truyền dẫn tín hiệu và giao diện giữa một thiết bị mạng với môi trường truyền,

— Lớp liên kết dữ liệu có vai trò ₫ảm bảo việc truyền dữ

liệu tin cậy, chính xác, hỗ trợ cả dữ liệu quá trình (tuần hoàn) và các dữ liệu tham số (không tuần hoàn)

— Lớp ứng dụng: PMS (Peripheral Message Specification) là

một tập con của MMS, về cơ bản tương thích với các dịch

vụ của PROFIBUS-FMS.

khiển trung tâm với các vào/ra phân tán, các

thiết bị cảm biến và cơ cấu chấp hành

DTI Data Interface SGI Signal Interface MXI Mailbox Interface API Aplication Programming Interface PDC Process Data Channel

ALI Application Layer Interface PMS Peripheral Message Specification LLI Lower Layer Interface

PDL Peripherals Data Link BLL Basic Link Layer

PHY Physical Layer

PHY

User

7

2 1

trạm trên mạch vòng

giản hơn

4 Kỹ thuật truyền dẫn

nhau, ví dụ cáp ₫ôi dây xoắn, cáp quang, hồng

ngoại, v.v

nhất (5 dây giữa hai thiết bị)

giữa hai thiết bị là 400 m

trường dễ cháy nổ

5 Cơ chế giao tiếp

₫iện tổng) => rất hiệu quả

Kết hợp DL quá trình & DL tham số

Dữ liệu tham số m

Chu kỳ m Dữ liệu

tham số m

Dữ liệu tham số 3

Chu kỳ 3 Dữ liệu

tham số 3

Dữ liệu tham số 2

Chu kỳ 2 Dữ liệu

tham số 2

Dữ liệu

quá trình

Dữ liệu quá trình

Dữ liệu quá trình

Dữ liệu tham số 1

Dữ liệu tham số 1

Dữ liệu quá trình

Trạm 1 Trạm 2 Trạm 3 Trạm n

-1

Trạm n

FCS Chu kỳ 1

Loop-back

ƒ Lớp 1

7 Dịch vụ giao tiếp

— Đối với dữ liệu quá trình, trạm chủ có trách nhiệm tự

₫ộng cập nhật nhờ các dịch vụ truyền của lớp hai

— Các chương trình ứng dụng sử dụng dữ liệu tuần hoàn chỉ cần sử dụng bộ nhớ ₫ệm vào/ra của trạm chủ

— Đối với các thiết bị có thể tự do lập trình như máy tính

cá nhân, có thể truy nhập trực tiếp dữ liệu

₫ịnh nghĩa trong PMS, tiêu biểu là:

— Context Management: Thiết lập và giám sát các mối liên

Hệ thống

thông tin công nghiệp

6.3 CAN

6.3 CAN

1 Giới thiệu chung

phát triển chung của hai hãng Bosch và Intel

số lĩnh vực tự ₫ộng hóa quá trình công nghiệp

2 Kiến trúc giao thức

— truyền tín hiệu, phương thức ₫ịnh thời, tạo nhịp bit (bit

timing), phương pháp mã hóa bit và ₫ồng bộ hóa

— không qui ₫ịnh các ₫ặc tính của các bộ thu phát, với

mục ₫ích cho phép lựa chọn môi trường truyền cũng như mức tín hiệu thích hợp cho từng lĩnh vực ứng dụng.

(Bộ thu phát)

Mã hóa bit, Tạo nhịp/đồng bộ nhịp

MAC - Điều khiển truy nhập môi trường

LLC - Điều khiển liên kết logic

CAL, DeviceNet, SDS

Lớp 3-6 (Không thể hiện)

Lớp ứng dụng

Lớp liên kết dữ liệu

Lớp vật lý CAN

Môi trường truyền dẫn

3 Cấu trúc mạng & KT truyền dẫn

cũng như môi trường truyền thông

sử dụng rộng rãi nhất (cấu trúc mạng thích hợp nhất là ₫ường trục/₫ường nhánh, chiều dài

₫ường nhánh < 0.3m)

truyền tối ₫a là 1Mbit/s ở khoảng cách 40m và

4 Cơ chế giao tiếp

giao tiếp hướng ₫ối tượng

gửi trả lại một khung dữ liệu DATA FRAME có cùng

mã căn cước với khung yêu cầu

5 Cấu trúc bức ₫iện

căn cước riêng biệt (IDENTIFIER, 11/29 bit)

— Khung dữ liệu (DATA FRAME) mang dữ liệu từ một trạm gửi tới các trạm nhận.

— Khung yêu cầu dữ liệu (REMOTE FRAME) ₫ược gửi từ

một trạm yêu cầu truyền khung dữ liệu.

— Khung lỗi (ERROR FRAME) ₫ược gửi từ bất kỳ trạm nào phát hiện lỗi bus.

— Khung quá tải (OVERLOAD FRAME) tạo một khoảng

cách thời gian bổ sung giữa hai khung dữ liệu hoặc yêu cầu dữ liệu trong trường hợp một trạm bị quá tải.

Khung dữ liệu/yêu cầu dữ liệu

Khëi ®Çu khung

(Start of Frame)

Ph©n xö (Arbitration Field)

§iÒu khiÓn (Control Field)

D÷ liÖu (Data Field)

KiÓm so¸t lçi CRC (15 bit CRC sequence,

1 bit CRC delimiter)

X¸c nhËn ACK (1 bit ACK slot,

1 bit ACK delimiter)

KÕt thóc khung (End of Frame)

Kho¶ng c¸ch gi÷a 2 khung hoÆc

khung qu¸ t¶i (Interframe Space / Overload Frame)

Sè bit

Khung dữ liệu/yêu cầu dữ liệu

bộ hóa

12 bit (khung chuẩn) và 32 bit (khung mở rộng):

— mã căn cước dài 11 hoặc 29 bit

— bit RTR (Remote Transmission Request), phân biệt giữa

khung dữ liệu (bit trội) và khung yêu cầu dữ liệu (bit lặn).

chiều dài dữ liệu (bit trội = 0, bit lặn = 1)

byte ₫ược truyền ₫i theo thứ tự từ bit có giá trị cao nhất (MSB) ₫ến bit có giá trị thấp nhất (LSB)

Khung dữ liệu/yêu cầu dữ liệu

cách Đa thức phát

G = X15 + X14 + X10 + X8 + X7 + X4 + X3 + 1

trạm nhận ₫ược bức ₫iện phải kiểm tra mã CRC, nếu ₫úng sẽ phát chồng một bit trội trong thời

gian nhận ₫ược bit ARC ₫ầu tiên (ARC slot) Như

vậy, một bức ₫iện ₫ược truyền chính xác sẽ có

một bit ARC trội nằm giữa hai bit lặn phân cách (một bit phân cách CRC và một bit phân cách

ACK)

Khung bỏo lỗi

Xếp chồng cờ lỗi

Khoảng trống giữa 2 khung hoặc

khung quá tải (Interframe Space / Overload Frame)

Số bit

Cờ lỗi (Error Flag)

Phân cách lỗi Error delimiter

mức lặn mức trội Trạng thái logic của tín hiệu trên bus

(trường hợp lỗi chủ động)

Khung báo lỗi

— Lỗi chủ ₫ộng (Active Error): Dạng cờ lỗi chủ ₫ộng bao

gồm sáu bit trội liền nhau.

— Lỗi bị ₫ộng (Passive Error): Dạng cờ lỗi bị ₫ộng bao gồm

sáu bit lặn liền nhau, trừ trường hợp nó bị ghi ₫è lên bởi các bit trội từ các trạm khác.

Khung báo quá tải

XÕp chång cê qu¸ t¶i

Kho¶ng trèng gi÷a 2 khung hoÆc

khung qu¸ t¶i (Interframe Space/Overload Frame)

Sè bit

Cê qu¸ t¶i (Overload Flag)

Ph©n c¸ch qu¸ t¶i (Overload delimiter)

møc lÆn møc tréi Tr¹ng th¸i logic cña tÝn hiÖu trªn bus

6 Bảo toàn dữ liệu

sánh với với tín hiệu nhận ₫ược trên bus

năm bit giống nhau)

Khả năng phát hiện lỗi

trong một bức ₫iện

hơn 15 bit trong một thông báo

7 Các hệ thống dựa trên CAN

— CAN in Automation phát triển dựa trên CAN, sử dụng lớp

vật lý theo chuẩn ISO 11898 (gần ₫ồng nhất với RS-485)

— Lớp ứng dụng của CANopen ₫ược ₫ịnh nghĩa trên cơ sở

của CAL (CAN Application Layer)

— Các lĩnh vực ứng dụng tiêu biểu là các hệ thống ₫iều

khiển chuyển ₫ộng, các dây chuyền lắp ráp và xử lý nguyên liệu

— Ví dụ, các thiết bị ₫ược nối mạng có thể là các khối cảm biến ₫a kênh, cảm biến thông minh, van khí nén, bộ ₫ọc

mã vạch, cơ cấu truyền ₫ộng và giao diện vận hành.

ƒ Ưu ₫iểm của CANOpen:

— Độ tin cậy cao nhờ các biện pháp bảo toàn dữ liệu tốt

— Hiệu suất sử dụng ₫ường truyền lớn

— Thích hợp với ₫iều khiển chuyển ₫ộng tốc ₫ộ cao và ₫iều khiển mạch vòng kín hơn so với các hệ thống mạng khác dựa trên CAN.

— ràng buộc về tốc ₫ộ truyền và chiều dài mạng,

— lượng dữ liệu hạn chế ở 8 byte trong mỗi bức ₫iện

SDS (Smart Distributed System)

₫iều khiển phân tán (DCS) của Honeywell

phù hợp với cả các hệ thống ₫iều khiển có cấu

trúc tập trung cũng như phân tán

kiện, ₫iều khiển theo thời gian (time-driven) hay hỏi tuần tự ₫iều khiển theo chương trình (polling).

xử lý nguyên liệu, ₫óng gói và phân loại sản

phẩm

ƒ Hãng Allen-Bradley phát triển dựa trên cơ sở của CAN,

dùng nối mạng cho các thiết bị ₫ơn giản ở cấp chấp hành.

Association) quản lý và ₫ược dự thảo chuẩn hóa IEC 3.

62026-ƒ Bổ sung một số chi tiết thực hiện lớp vật lý và ₫ưa ra các

phương thức giao tiếp kiểu tay ₫ôi (Peer-to-Peer) hoặc

chủ/tớ (Master/Slave)

dài ₫ường nhánh hạn chế dưới 6 m

ƒ Ba tốc ₫ộ truyền ₫ược qui ₫ịnh là 125 kbit/s, 250 kbit/s và

500 kbit/s, tương ứng với các chiều dài tối ₫a của ₫ường

trục là 500 m, 250 m và 100 m

Hệ thống

thông tin công nghiệp

6.4 AS-Interface

1 Giới thiệu chung

các thiết bị cảm biến và cơ cấu chấp hành của

châu Âu (Siemens, Schneider Electric, Moeller,

Festo, Bürkert, Pepperl & Fuchs )

với các thiết bị logic (rơ-le ₫óng cắt, van on/off,

cảm biến chuyển mạch bằng một ₫ường cáp duy nhất

triển và ứng dụng

Yêu cầu & ₫ặc ₫iểm chung

ngặt nghèo

và một phần lớn các cơ cấu chấp hành

không ₫òi hỏi cao về chất lượng ₫ường truyền

cây, hình sao

thống: 36% mọi sự cố nhà máy, máy móc là

do lỗi lắp ₫ặt, ₫i dây (số liệu 1997, TU

München)

và 30% chi phí tổng thể

2 Kiến trúc giao thức

túy và lượng dữ liệu trao ₫ổi rất nhỏ

trong lớp 1 (lớp vật lý) theo mô hình OSI

hợp với ₫ường truyền 2 dây ₫ồng tải nguồn và

không dựa vào chuẩn truyền dẫn RS-485 thông dụng ở các hệ thống bus khác

dữ liệu cũng ₫ược thực hiện ở lớp 1

thuần túy ₫ể

3 Cấu trúc mạng & cáp truyền

₫a là 100 mét

ứng với tối ₫a 124 thiết bị (mỗi trạm tớ ghép nối

₫ược tối ₫a 4 thiết bị)

gian bit là 6 μs

AS-i Master (PC, PLC, CNC, )

Bé nèi tÝch cùc

S/A S/A S/A S/A S/A S/A S/A S/A S/A S/A

4 Cơ chế giao tiếp

không gây ảnh hưởng ₫áng kể tới thời gian chu kỳ bus (9 loại thông báo có hai loại phục vụ truyền dữ liệu và tham số, hai loại dùng ₫ể ₫ặt ₫ịa chỉ trạm tớ, năm loại

₫ược sử dụng ₫ể nhận dạng và xác ₫ịnh trạng thái các trạm tớ)

5 Cấu trúc bức ₫iện

6 Mã hóa bit

AFP và mã Manchester

Xung d−¬ng

®−îc ph¸t hiÖn

D·y bit ®−îc t¸i t¹o

+2V

-2V

Bªn göi

Bªn nhËn

7 Bảo toàn dữ liệu

tra lỗi, dựa vào bit chẵn/lẻ kết hợp với phương

pháp mã hóa bit hợp lý

truyền ₫ược bộ thu lấy mẫu 16 lần => Nhận biết dạng tín hiệu theo mã APM

bit cuối, ngăn cách bằng một thời gian nghỉ

ƒ Tỉ lệ lỗi còn lại rất thấp Ví dụ, tỉ lệ bit lỗi là

₫iện trạm chủ lớn hơn 10 năm

ƒ Ví dụ với 31 trạm tớ, trong trường hợp truyền

không có lỗi thì trong một chu kỳ bus có 33 bức

₫iện kể cả 2 bức ₫iện thông báo tham số ₫ược trao

₫ổi

Thời gian chu kỳ bus sẽ là:

33 x 25 bit x 6μs/bit = 4.95 ms

phải gửi lại trong mỗi chu kỳ (khoảng 200 lỗi trong một giây), chu kỳ bit sẽ kéo dài:

34 x 25 bit x 6μs/bit = 5.1 ms

trong một chu kỳ, thời gian chu kỳ bus sẽ là:

43 x 25 bit x 6μs/bit = 6.45 ms