Nghiên cứu nguyên lý truyền thông và ứng dụng của giao thức Profibus-PA

Nghiên cứu nguyên lý truyền thông và ứng dụng của giao thức Profibus-PA

Mục lục

LỜI NÓI ĐẦU 2

Chương 1: 3

TỔNG QUAN VỀ PROFIBUS 3

1.Công nghệ Profibus 3

2.Phân loại 4

3.Kiến trúc giao thức 5

4.Kỹ thuật truyền 6

5.Truy nhập bus 9

6.Dịch vụ truyền dữ liệu 10

7.Cấu trúc bức điện 11

Chương 2: 16

PROFIBUS - PA 16

2.1 Giới thiệu về Profibus – PA 16

2.2 kiến trúc giao thức 17

2.3 Cơ chế giao tiếp (lớp 2) 20

Chương 3: 24

CẤU TRÚC KHUNG TIN 24

1.Cấu trúc bức điện của profibus 24

2.Cấu trúc khung tin của profibus PA 25

CHƯƠNG 4: 29

ỨNG DỤNG CỦA PROFIBUS PA TRONG THỰC TIỄN 29

1.Profibus PA profile 3.02 29

2.Thực hiện việc chuyển đổi giữa PROFIBUS DP và PROFIBUS PA 32

3.Ví dụ ứng dụng thực tiễn 35

Kết luận: 37

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật đã góp phần không nhỏ vào trong công cuộc xây dựng đất nước Đặc biệt là với sự phát triển không ngừng của lĩnh vực tự động hóa hiện nay đã giúp việc sản xuất kinh tế rất lớn Nó đã góp phần vàoviệc sản xuất một cách tự động để có thể đạt được năng suất cũng như chất lượng cao hơn Trong tự động hóa không thể không kể đến việc ứng dụng mạng truyền thông công nghiệp đặc biệt là việc ứng dụng công nghệ profibus vào lĩnh vực truyền thông Việc sử dụng truyền thông profibus đã nâng tự động hóa lên một tầmcao hơn và hứa hẹn đầy triển vọng trong tương lai Trong đề tài này chúng em tìm hiểu và nghiên cứu về truyền thông profibus PA là một trong 3 giao thức của PROFIBUS

tự động hóa quá trình công nghiệp và tự động hóa tòa nhà, các mạngtrường nối tiếp (serial fieldbus) có thể hoạt động như hệ thống truyềnthông, trao đổi thông tin giữa các hệ thống tự động hóa và các thiết bịhiện trường phân tán Chuẩn này cũng cho phép các thiết bị của nhiềunhà cung cấp khác nhau giao tiếp với nhau mà không cần điều chỉnh giaodiện đặc biệt

Profibus sử dụng phương tiện truyền tin xoắn đôi và RS485 chuẩn côngnghiệp trong các ứng dụng sản xuất hoặc IEC 1158-2 trong điều khiểnquá trình Profibus cũng có thể sử dụng Ethernet/TCP-IP

Profibus là một mạng Fieldbus được thiết kế để giao tiếp giữa máy tính

và PLC Dựa trên nguyên tắc token bus không đồng bộ ở chế độ thờigian thực, Profibus xác định mối quan hệ truyền thông giữa nhiều master

và giữa master-slave, với khả năng truy cập theo chu kì và không theochu kì, tốc độ truyền tối đa lên tới 500kbit/s (trong một số ứng dụng có

thể lên tới 1,5Mbp hay 12Mbp) Khoảng cách bus tối đa không dùng bộlặp (repeater) là 200m và nếu dung bộ lặp thì khoảng cách tối đa có thểđạt được là 800m Số điểm (node) tối đa nếu không có bộ lặp là 32 và là

127 nếu có bộ lặp

2.Phân loại

PROFIBUS bao gồm 3 loại giao thức là PROFIBUS-FMS (multi-master/peer-to-peer), PROFIBUS-DP (master/slave), PROFIBUS-PA(intrinsically safe), trong đó hai kiểu giao thức DP và PA đóng vai tròquan trọng đối với tự động hóa quá trình

- PROFIBUS-FMS (Fieldbus Message Specification) là giao thứcnguyên bản của PROFIBUS, được dùng chủ yếu cho việc giao tiếpgiữa các máy tính điều khiển và điều khiển giám sát

- PROFIBUS-DP (Decentral Peripheral) được xây dựng tối ưu cho việckết nối các thiết bị vào ra phân tán và các thiết bị trường với các máytính điều khiển

- PROFIBUS-PA (Process Automation) là kiểu đặc biệt được sử dụngghép nối trực tiếp các thiết bị trường trong các lĩnh vực tự động hóacác quá trình có môi trường dễ cháy nổ, đặc biệt trong công nghiệpchế biến Thực chất PROFIBUS-PA chính là sự mở rộng củaPROFIBUS-DP xuống cấp trường cho lĩnh vực công nghệ chế biến

FMS

DP

PA

PROFIBUS-Ứng

dụng

Cấp điềukhiển quátrình

Tiêu

PA đều có chung lớp liên kết dữ liệu.

PROFIBUS-FMS PROFIBUS-DP PROFIBUS-PA

Giao diện

sử dụng

FMSProfiles

Các chức năng DP mở rộngCác chức năng DP cơ sởLớp 7

FieldmessageSpecificatio

Lớp 3 – 6

- Lớp ứng dụng của FMS bao gồm hai lớp con là FMS (Field MessageSpecification) và LLI (Lower layer Interface) Lớp FMS đảm nhậnviệc xử lí giao thức sử dụng và cung cấp các nhiệm vụ truyền thông,trong khi LLI có vai trò trung gian cho FMS kết nối với lớp 2 màkhông phụ thuộc vào các thiết bị riêng biệt Lớp LLI còn có cácnhiệm vụ bình thường thuộc các lớp 3, 6, ví dụ: tạo và ngắt nối, kiểmsoát lưu thông.

- Lớp vật lí (lớp 1) của PROFIBUS quy đinh về kỹ thuật truyền dẫn tínhiệu, môi trường truyền dẫn, cấu trúc mạng và các giao diện cơ học.Các kỹ thuật truyền dẫn, cấu trúc mạng và các giao diện cơ học Các

kỹ thuật truyền dẫn được sử dụng ở đây là RS-485, RS-485-IS và cápquang (đối với DP và FMS) cũng như MBP (đối với PA) RS-485-IS(IS: Intrinsically Safe) được phát triển trên cơ sở RS-485 để có thể sửdụng trong môi trường đòi hỏi an toàn cháy nổ

- Lớp liên kết dữ liệu (lớp 2) ở PROFIBUS được gọi là FDL (FieldData Link), có chức năng kiểm soát truy nhập Bus, cung cấp các dịch

vụ cơ bản (cấp thấp) cho việc trao đổi dữ liệu một cách tin cậy, khôngphụ thuộc vào phương pháp truyền dẫn ở lớp vật lý

4.Kỹ thuật truyền

- Truyền dẫn với RS-485

Các đặc tính điện học như sau:

tốc độ truyền đòi hỏi từ 1.5 Mbit/s trở lên thì sử dụng cấu trúc

3000/6000/12000

Chiều

dài

(m)

dùng tối đa 9 bộ lặp Tổng số trạm tối đa trong một mạng là126

Các giao diện cơ học cho các bộ nối, loại D-sub 9 chân được sử dụngphổ biến nhất với cấp bảo vệ IP20 Trong trường hợp yêu cầu cấp bảo vệIP65/67, có thể sử dụng một trong các loại sau đây:

- Truyền dẫn với RS-485IS

Có thể nói 485IS là sự phát triển về mặt an toàn cháy nổ của

RS-485 Một trong những ưu điểm của RS-485 là cho phép truyền tốc độcao, vì thế nó được phát triển để có thể phù hợp với môi trường đòi hỏi

an toàn cháy nổ Với RS-485IS (IS: Intrinsically Safe), tổ chức PNO đãđưa ra các chỉ dẫn và các quy định ngặt nghèo về mức điện áp và mứcdòng tiêu thụ của các thiết bị làm cơ sở cho các nhà cung cấp Khác với

mô hình FISCO chỉ cho phép một nguồn tích cực an toàn riêng, ở đâymỗi trạm đều là một nguồn tích cực Khi ghép nối tất cả các nguồn tíchcực, dòng tổng cộng của tất cả các trạm không được phép vượt quá giátrị tối đa cho phép Các thử nghiệm cho thấy cũng có thể ghép nối tối đa

32 trạm trong một đoạn mạng RS-485IS

- Truyền dẫn với cáp quang

Cáp quang thích hợp đặc biệt trong các lĩnh vực ứng dụng có môitrường làm việc nhiễu mạnh hoặc đòi hỏi phạm vi phủ mạng lớn Cácloại cáp quang có thể sử dụng ở đây:

sợi thủy tinh đơn chế độ với khoảng cách truyền có thể trên15km

Với MBP, các cấu trúc mạng có thể sử dụng là đường thẳng line/drop-line), hình sao hoặc cây Cáp truyền thông dụng là đôi dâyxoắn STP với trở đầu cuối dạng RC (100Ω và 2µF) Số lượng trạm tối

(trunk-đa trong một đoạn là 32, tuy nhiên số lương thực tế phụ thuộc vào côngsuất bộ nạp nguồn bus Trong khu vực nguy hiểm, công suất bộ nạp

5.Truy nhập bus

PROFIBUS phân biệt hai loại thiết bị chính là trạm chủ (Master) vàtrạm tớ (Slave) Các trạm chủ có khả năng kiểm soát truyền thông trênbus Một trạm chủ có thể gửi thông tin khi nó giữ quyền truy nhập bus.Các trạm tớ chỉ được truy nhập bus khi có yêu cầu của trạm chủ Mộttrạm tớ phải thực hiện ít dịch vụ hơn, tức xử lí giao thức đơn giản hơn

so với các trạm chủ

Hai phương pháp truy nhập bus có thể áp dụng độc lập hay kết hợp làToken-passing và Master/Slave Nếu áp dụng độc lập, Token-passingthích hợp với các mạng FMS dùng ghép nối các thiết bị điều khiển vàmáy tính giám sát đẳng quyền, trong khi Master/Slave thích hợp vớiviệc trao đổi dữ liệu giữa một thiết bị điều khiển với các thieté bịtrường cấp dưới sử dụng mạng DP hoặc PA Khi sử dụng kết hợp nhiềutrạm chủ có thể tham gia giữ Token Một trạm chủ giữ Token sẽ đóngvai trò là chủ để kiểm soát giao tiếp với các trạm tớ nó quản lí, hoặc cóthể tự do giao tiếp các trạm chủ khác trong mạng

Cấu hình Multi-Master trong PROFIBUS

Trên đây là cấu hình truy nhập bus kết hợp giữa Token-passing vàMaster/Slave hay còn được gọi là Multi-Master Thời gian vòng lặp tối

đa để một trạm chủ lại nhận được Token có thể chỉnh được bằng tham

số Khoảng thời gian này chính là cơ sở cho việc tính toán chu kỳ thờigian của cả hệ thống

6.Dịch vụ truyền dữ liệu

Các dịch vụ truyền dữ liệu thuộc lớp 2 trong mô hình OSI, hay còngọi là lớp FDL (Fieldbus Data Link), chung cho cả FMS, DP và PA.PROFIBUS chuẩn hóa bốn dịch vụ trao đổi dữ liệu, trong đó có 3 kiểuthuộc phạm trù dịch vụ không tuần hoàn và một thuộc phạm trù tuầnhoàn

Dịch vụ không tuần hoàn

(Truyền thông báo) Dịch vụ tuần hoàn

Gửi dữ liệu không xác nhận

Các dịch vụ truyền dữ liệu PROFIBUS

- SDN (Send Data with No Acknowledge): Gửi dữ liệu không xácnhận, được dùng chủ yếu cho việc gửi đồng loạt (broadcast) hoặc gửitới nhiều đích (multicast) Một trạm chủ có thể gửi một bức điện đồngloạt tới tất cả hoặc tới một số trạm chủ khác mà không cần cũng nhưkhông thể đòi xác nhận

- SDA (Send Data with Acknowledge): Gửi dữ liệu với xác nhận, phục

vụ trao đổi dữ liệu giữa hai đối tác không tuần hoàn cần có xác nhận,được dùng để trao đổi dữ liệu không gấp lắm giữa trạm chủ và tớ do

- SRD (Send and Request Data with Reply): Gửi và yêu cầu dữ liệu,phục vụ trao đổi dữ liệu giữa hai đối tác không tuần hoàn cần có xácnhận và gửi kết quả đáp ứng trở lại, được dùng để trao đổi dữ liệukhông gấp lắm giữa trạm chủ và tớ

- CSRD (Cyclic Send and Request Data with Reply): Gửi và yêu cầu

dữ liệu tuần hoàn, đây là một dịch vụ trao đổi dữ liệu tuần hoàn duynhất được quy định với mục đích hỗ trợ việc trao đổi dữ liệu quá trình

ở cấp chấp hành, giữa các module vào/ra phân tán, các thiết bị cảmbiến và cơ cấu chấp hành với máy tính điều khiển Chỉ cần một lầnyêu cầu duy nhất từ một lớp trên xuống, sau đó các đối tác logicthuộc lớp 2 tự động thực hiện tuần hoàn theo chu kỳ đặt trước Mộttrạm chủ sẽ có trách nhiệm hỏi tuần tự các trạm tớ và yêu cầu trao đổi

dữ liệu theo một trình tự nhất định, gọi là phương pháp polling Do

đó, dữ liệu trao đổi luôn có sẵn tại lớp 2, tạo điều kiện cho cácchương trình ứng dụng trao đổi dữ liệu dưới cấp trường một cáchhiệu quả nhất Ngoài các dịch vụ trao đổi dữ liệu, lớp 2 củaPROFIBUS còn cung cấp các dịch vụ quản trị mạng, các dịch vụ nàyphục vụ việc đặt cấu hình, tham số hóa, đặt chế độ làm việc, đọc cácthông số và trạng thái làm việc của các trạm cũng như đưa ra cácthông báo sự kiện

7.Cấu trúc bức điện

Một bức điện (telegram) trong giao thức thuộc lớp 2 của PROFIBUSđược gọi là khung (frame) Ba loại khung có khoảng cách Hamming là

4 và một loại khung đặc biệt đánh dấu một token được qui định nhưsau:

Các ô DA, SA, FC và DU (nếu có) được coi là phần mang thông tin.Trừ ô DU, mỗi ô còn lại trong một bức điện đều có chiều dài 8 bit vớicác ý nghĩa cụ thể như sau:

Ngữ nghĩa khung bức điện FDL

Byte điều khiển khung (FC) dùng để phân biệt các kiểu bức điện, ví

dụ bức điện gửi hay yêu cầu dữ liệu (Send and/or Request) cũng nhưxác nhận hay đáp ứng (Acknowledgement/Response) Bên cạnh đó,byte FC còn chứa thông tin về việc thực hiện hàm truyền, kiểm soát lưuthông để tránh việc mất mát hoặc gửi đúp dữ liệu cũng như thông tinkiểu trạm, trạng thái FDL

PROFIBUS-FMS và DP sử dụng phương thức truyền thông khôngđồng bộ, vì vậy việc đồng bộ hóa giữa bên gửi và bên nhận phải thựchiện với từng ký tự Cụ thể, mỗi byte trong bức điện từ lớp 2 khichuyển xuống lớp vật lý được xây dựng thành một ký tự UART dài 11bit, trong đó một bít khởi đầu (Start bit), một bit chẵn lẻ (parity chẵn)

và một bít kết thúc (Stop bit)

Ký tự khung UART sử dụng trong PROFIBUS

Việc thực hiện truyền tuân thủ theo các nguyên tắc sau đây:

- Trạng thái bus rỗi tương ứng với mức tín hiệu của bit 1, tức mức tínhiệu thấp theo phương pháp mã hóa bit NRZ (0 ứng với mức cao)

- Trước một khung yêu cầu (request frame) cần một thời gian rỗi tốithiểu là 33 bit phục vụ mục đích đồng bộ hóa giữa hai bên gửi vànhận

- Không cho phép thời gian rỗi giữa các ký tự UART của một khung

- Với mỗi ký tự UART, bên nhận kiểm tra các bit khởi đầu, bit cuối vàbit chẵn lẻ (parity chẵn) Với mỗi khung, bên nhận kiểm tra các byte

SD, DA, SA, FCS, ED, LE/LEr (nếu có) cũng như thời gian rỗi trướcmỗi khung yêu cầu Nếu có lỗi, toàn bộ khung phải hủy bỏ

Trong trường hợp gửi dữ liệu với xác nhận (SDA), bên nhận có thểdùng một ký tự duy nhất SC = E5H để xác nhận Ký tự duy nhất SCnày cũng được sử dụng để trả lời yêu cầu dữ liệu (SRD) trong trườnghợp bên được yêu cầu không có dữ liệu đáp ứng

Chương 2:

PROFIBUS - PA

2.1 Giới thiệu về Profibus – PA

PROFIBUS-PA là một trong ba biến thể của Profibus tương thích với nhau

(PROFIBUS FMS, DP, PA) Profibus là một tiêu chuẩn mạng trường mở, quốc tế theo chuẩn mạng trường châu Âu EN 50170 và EN 50254

Profibus là một chuẩn fieldbus dành cho tất cả các nhà sản xuất cho những ứng dụng trong tự động hóa sản xuất, tự động hóa quá trình và tự động hóa tòa nhà

Trong tự động hóa tòa nhà và tự động hóa quá trình, để thực hiện các tác vụ vận hành và giám sát thì bên cạnh thiết bị tự động hóa cần phải có thiết bị hiển thị Master class-2 này chịu trách nhiệm thực hiện các chức năng khởi động, tham số hóa và giám sát các thiết bị hiện trường tiên tiến việc ghi và đọc dữ liệu cảu thiết

bị phải được thực hiện trong suốt quá trình hoạt động của một vòng điều khiển độc lập

Vì chuẩn DP ban đầu không cung cấp các dịch vụ đặc biệt để thực hiện các tác vụ này, nên vào năm 1997 biến mở rộng PROFIBUS-DPV1 đã được phát triển Biến

mở rộng này tương thích với giao thức DP hiện tại và tất cả các phiên bản cũ hơn Ngoài các dịch vụ truyền thong DP theo chu kỳ, PROFIBUS-DPV1 cũng tạo ra cácdịch vụ không theo chu kì cho thong báo cảnh báo, chuẩn đoán, tham số hóa và điều khiển các thiết bị hiện trường

PROFIBUS-PA đáp ứng được các yêu cầu đặc biệt của tự động hóa quá trình Truyền thong PA dựa trên các dịch vụ do DPV1 cung cấp và được thực hiên như

 Khả năng tương tác ( chuẩn hóa các chức năng của thiết bị)

Ban đầu khi Profibus được chuẩn hóa, về an toàn nội tại và cấp nguồn trên bus không được chú ý Chỉ khi chuẩn quốc tế IEC 1158-2 ra đời vào khoảng tháng 10 năm 1994, kỹ thuật truyền hợp lý đã được chỉ định rõ phạm vi ứng dụng này và được xây dựng thành chuẩn châu Âu EN 61158-2 Chuẩn PROFIBUS-PA ra đời vào tháng 3 năm 1995 bao gồm kỹ thuật truyền trong môi trường an toàn nội tại vàcác thiết bị hiện trường cấp nguồn trên cáp bus

Profibus PA là một thể loại bus trường thích hợp với các hệ thống điều khiển trongcác ngành công nghiệp chế biến, đặc biệt là trong hóa chất và hóa dầu Thực chất profibus PA là một sự mở rộng của profibus DP với kỹ thuật truyền dẫn MBP theo IEC 1158-2 cũ và một số quy định chuyên biệt (profile) về thông số và đặc tính cho các thiết bị trường các quy định chuyên biệt này tạo điều kiện cho khả năng tương tác và thay thế lẫn nhau giữa các thiết bị của nhiều nhà sản xuất khác nhau Việc mô tả các chức năng và đặc tính hoạt động của các thiết bị dựa mô hình khối chức năng quen thuộc xét về mặt kỹ thuật profibus PA không những hoàn toàn có thể thay thế các phương pháp truyền tín hiệu với 4-20mA hoặc HART, mà còn đem lại nhiều ưu thế của một hệ thống bus trường

Với khả năng đồng tải nguồn, profibus PA cho phép nối mạng các thiết bị đo lường

và điều khiển tự động trong các ứng dụng công nghiệp chế biến bằng một cáp đôi dây xoắn duy nhất, sử dụng tốc độ truyền cố định là 31.25kbit/s profibus PA cũng cho phép bảo trì, bảo dưỡng cũng như thay thế các trạm thiết bị trong khi vận hành.Đặc biệt profibus PA được phát triển để thích hợp sử dụng các khu vực nguy hại,

dễ cháy nổ thuộc kiểu bảo vệ “an toàn riêng”(EEx ia/ib) hoặc “đóng kín” (EEx d)

2.2 kiến trúc giao thức

Profibus chỉ thực hiện ở lớp 1, lớp 2 và lớp 7 theo mô hình quy chiếu OSI Tuy nhiên PROFIBUS PA bỏ qua cả lớp 7 nhằm tối ưu hóa việc trao đổi dữ liệu quá trình giữa cấp điều khiển với cấp chấp hành

Lớp 2 Lớp liên kết dữliệu Fieldbus Data Link(FDL)

Xét theo mô hình qui chiếu OSI, profibus PA giống hoàn toàn Profibus DP từ lớp liên kết dữ liệu (FDL) trở lên Vì vậy việc ghép nối giữa 2 hệ thống có thể thực hiên đơn giản qua các bộ chuyển đổi (DP/PA-link hoặc DP/PA coupler) Mỗi thiết

bị trường PA cũng được coi như một DP Slave Các giá trị đo, giá trị điều khiển vàtrạng thái của các thiết bị trường PA trao đổi tuần hoàn với DP-master (DPM1) quacác chức năng cơ sở (DP-V0) Mặt khác các dữ liệu không tuần hoàn như tham số thiết bị, chế độ vận hành, thông tin bảo dưỡng và chuẩn đoán được trao đổi với cáccông cụ phát triển (DPM2), qua các chức năng DP mở rộng (DP-V1) Bên cạnh các chức năng DP chuẩn, PA còn bổ sung một hàm quản trị hệ thống có đồng bộ hóa thời gian