Bài giảng Hệ thống đo và điều khiển công nghiệp

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN BÀI GIẢNG HỆ THỐNG ĐO VÀ ĐIỀU KHIỂN CÔNG NGHIỆP Nguyễn Thị Huế Bộ môn Kĩ thuật đo và Tin học công nghiệp NỘI DUNG MÔN HỌC 2 4/11/2019 1 2 5 Giới thiệu chung và lịch sử phát triển của các hệ thống đo và điều khiển công nghiệp Cơ sở kĩ thuật truyền tin công nghiệp Các thiết bị đo lường và chấp hành trong công nghiệp 3 4 7 Các bộ điều khiển khả trình Các thiết bị giám sát trong công nghiệp Một số hệ thống đo và điều khiển công nghiệp tiêu biểu 6 Các giao thức công nghiệp tiêu biểu NTH-KTĐ&THCN Profibus 1. Lịch sử phát triển 2. Kiến trúc giao thức 3. Cấu trúc mạng và kỹ thuật truyền dẫn 4. Điều khiển truy nhập bus 5. Dịch vụ truyền dữ liệu 6. Cấu trúc bức điện 7. Profibus – FMS 8. Profibus – DP 9. Profibus – PA 10. Thiết bị Profibus 3 4/11/2019 NTH-KTĐ&THCN - PROFIBUS (Process Field Bus) là một hệ thống bus trường được phát triển tại Đức từ năm 1987 do 21 công ty và cơ quan nghiên cứu hợp tác. - Sau khi được chuẩn hóa quốc gia với DIN 19245, PROFIBUS đã trở thành chuẩn châu âu EN 50 170 trong năm 1996 và chuẩn quốc tế IEC 61158 vào cuối năm 1999. - Gần đây, PROFIBUS không chỉ dừng lại là một hệ thống truyền thông, mà còn được coi là một công nghệ tự động hóa. Lịch sử phát triển của Profibus 4 4/11/2019 NTH-KTĐ&THCN Lịch sử phát triển của Profibus  Với mục đích quảng bá cũng như hỗ trợ việc phát triển và sử dụng các sản phẩm tương thích PROFIBUS, một tổ chức người sử dụng đã đuợc thành lập, mang tên PROFIBUS Nutzerorgamsation (PNO).  Từ năm. 1995, tổ chức này nằm trong một hiệp hội lớn mang tên PROFIBUS International (PI) với hơn 1.100 thành viên trên toàn thế giới. 5 NTH-KTĐ&THCN 4/11/2019 Cost Comparison 6 NTH-KTĐ&THCN 4/11/2019 Cost Comparison WWW.PROFIBUS.COM Engineering Assembly Hardware 51% 23% 27% 22% 22% 12% 0% 50% 100% 100% 57% 4...20mA, discrete wired PROFIBUS Source: Namur (Bayer) Reduced installation costs Savings > 40% Kiến trúc giao thức 8 4/11/2019 NTH-KTĐ&THCN Kiến trúc giao thức  Profibus là một chuẩn bus trường mở, không phụ thuộc vào nhà cung cấp, Profibus cho phép giao tiếp giữa các thiết bị của các hãng khác nhau mà không cần sự điều chỉnh đặc biệt về giao diện.  Profibus có thể dùng cho cả ứng dụng đòi hỏi tính năng thời gian với tốc độ cao và các nhiệm vụ truyền thông phức tạp.  Ngày nay Profibus là hệ bus trường hàng đầu thế giới với hơn 20% thị phần, hơn 5 triệu thiết bị lắp đặt trong khoảng 500.000 ứng dụng. 9 NTH-KTĐ&THCN 4/11/2019 Kiến trúc giao thức 10 4/11/2019 NTH-KTĐ&THCN Kiến trúc giao thức 11 4/11/2019 NTH-KTĐ&THCN Kiến trúc giao thức 12 NTH-KTĐ&THCN 4/11/2019 EN 50170 Volume 2 Process Automation PROFIBUS- PA IEC 1158-2 - Power over the bus - Intrinsic safety The PROFIBUS Family Factory Automation PROFIBUS- DP RS 485 / FO - Plug and play - Efficient and cost effective Fast General Purpose Automation PROFIBUS-FMS RS 485 / FO - Large variety of applications - Multi-master communication Universal Application Oriented PROFInet Ethernet Kiến trúc giao thức  DP là giao thức truyền thông được sử dụng thường xuyên nhất. Nó được dung tối ưu cho tốc độ, hiệu quả và chi phí kết nối thấp.  PA là kiểu đặc biệt sử dụng ghép nối trực tiếp các thiết bị trường trong các lĩnh vực tự động hóa và các quá trình có môi trường dễ cháy nổ, đặc biệt là trong công nghiệp chế biến.  FMS là profile giao tiếp đa năng cho tất cả các đòi hỏi về giao tiếp cấp cao. 13 4/11/2019 NTH-KTĐ&THCN 3. Cấu trúc mạng và kĩ thuật truyền dẫn  Cấu trúc mạng của DP và PA 14 NTH-KTĐ&THCN 4/11/2019 3. Cấu trúc mạng và kĩ thuật truyền dẫn  Truyền dẫn với RS - 485  Truyền dẫn với RS – 485IS  Truyền dẫn với cáp quang  Truyền dẫn với MBP 15 NTH-KTĐ&THCN 4/11/2019 3. Cấu trúc mạng và kĩ thuật truyền dẫn 16 4/11/2019 NTH-KTĐ&THCN - Là công nghệ truyền dẫn được sử dụng thông dụng nhất trong Profibus, dễ sử dụng và lắp đặt. - Tốc độ truyền từ 9,6 Kbps – 12 Mbps - Chiều dài tối đa 1200m và phụ thuộc vào tốc độ truyền 17 4/11/2019 NTH-KTĐ&THCN Truyền dẫn với RS-485 Truyền dẫn với RS-485 18 NTH-KTĐ&THCN 4/11/2019  Số trạm tối đa trên một đoạn mạng là 32. Dùng tối đa 9 bộ Repeater »» 10 đoạn mạng. Tổng số trạm là 126  Phương pháp mã hóa bit NRZ, với chế độ truyền tải không đồng bộ và hai chiều không đồng thời. Cáp truyền được sử dụng là cáp đôi xoắn có bảo vệ (STP) 19 NTH-KTĐ&THCN 4/11/2019 Ukončenie Ukončenie Ukončenie 2 3 30 31 62 61 33 32 Ukončenie Opakovač Opakovač * Poznámka: Opakovače nemajú vlastnú adresu, ale započítavajú sa do maximálneho počtu staníc. Stanica 1 20 NTH-KTĐ&THCN 4/11/2019 Stanica 1 Stanica 2 Tienenie Ochranná zem RxD/TxD-P (3) DGND (5) VP (6) RxD/TxD-N (8) (3) RxD/TxD-P (5) DGND (6) VP (8) RxD/TxD-N 390  Data line Data line DGND (5) VP (6) 220  390  RxD/TxD-P (3) RxD/TxD-N (8) Ochranná zem  R 21 NTH-KTĐ&THCN 4/11/2019 VP B A DGND prvá stanica 390  220  390  Ukončenie zbernice posledná stanica Ukončenie zbernice VP B A DGND Data Line B Data Line A B B A A Stanica 2 Stanica 3 390  220  390  Truyền dẫn với RS-485IS - Đưa ra các chỉ dẫn và các quy định ngặt nghèo về mức điện áp và mức dòng điện tiêu thụ của các thiết bị làm cơ sở cho các nhà cung cấp. - Có thể ghép tối đa 32 trạm trong một đoạn mạng RS- 485IS. 22 4/11/2019 NTH-KTĐ&THCN - Cho phép truyền tốc độ cao nên nó được phát triển để phù hợp với môi trường đòi hỏi an toàn cháy nổ. Truyền dẫn với cáp quang 23 NTH-KTĐ&THCN 4/11/2019  Sợi thủy tinh đa chế độ ( 2 – 3 km )  Sợi thủy tinh đơn chế độ ( > 15 km )  Sợi chất dẻo với chiều dài tối đa 80m và sợi HCS với chiều dài tối đa 500m Thích hợp đặc biệt trong các lĩnh vực có môi trường làm việc nhiễu mạnh hoặc đòi hỏi phạm vi phủ mạng lớn.  Do đặc điểm liên kết điểm – điểm, cấu trúc mạng chỉ có thể là hình sao hoặc mạch vòng. Trong thực tế hay phối hợp với RS – 485 nên cấu trúc mạng phức tạp hơn. 24 4/11/2019 NTH-KTĐ&THCN Truyền dẫn với cáp quang  Thông thường được sử dụng cho một đoạn mạng an toàn riêng biệt (thiết bị trường trong khu vực dễ chảy nổ), được ghép nối với đoạn RS – 485 qua các bộ nối đoạn hoặc các liên kết (link).  Các cấu trúc mạng có thể sử dụng là đường thẳng, hình sao hặc cây. Cáp thông dụng là đôi dây xoắn STP với trở đầu cuối rạng RC ( 100Ω và 2μF ). 25 4/11/2019 NTH-KTĐ&THCN Truyền dẫn với MPB  Tổng chiều dài mạng có thể lên tới 9500m với tối đa 4 bộ lặp, tức 5 đoạn mạng. 26 4/11/2019 NTH-KTĐ&THCN 4. Điều khiển truy cập bus  Profibus phân biệt 2 loại thiết bị chính là trạm chủ (master) và trạm tớ (slave).  Các trạm chủ có khả năng kiểm soát truyền thông trên bus, nó có thể gửi thông tin khi giữ quyền truy nhập bus.  Các trạm tớ chỉ được truy nhập bus khi có yêu cầu của trạm chủ. Một trạm tớ phải thực hiện ít dịch vụ hơn, tức xử lý giao thức đơn giản hơn nên giá thành thấp hơn.  Một trạm chủ còn được gọi là trạm tích cực và trạm tớ là trạm thụ động 27 4/11/2019 NTH-KTĐ&THCN 4. Điều khiển truy cập bus 28 4/11/2019 NTH-KTĐ&THCN 4. Điều khiển truy cập bus  Hai phương pháp truy nhập bus là: Token – Passing và Master/Slave.  Nếu áp dụng độc lập, Token – Passing thích hợp với các mạng FMS dùng ghép nối các thiết bị điều khiển và máy tính giám sát đẳng quyền.  Master/Slave thích hợp với việc trao đổi dữ liệu giữa một thiết bị điều khiển với các thiết bị trường cấp dưới sử dụng mạng DP hoặc PA 29 4/11/2019 NTH-KTĐ&THCN 4. Điều khiển truy cập bus 30 4/11/2019 NTH-KTĐ&THCN 4. Điều khiển truy cập bus  Khi sử dụng kết hợp 2 phương pháp nhiều trạm tích cực có thể tham gia giữ Token. Một trạm tích cực làm chủ để kiểm soát giao tiếp với các trạm tớ nó quản lý hoặc tự do giao tiếp với các trạm tích cực khác. 31 4/11/2019 NTH-KTĐ&THCN 4. Điều khiển truy cập bus Thời gian lặp tối đa để một trạm tích cực lại nhận được Token có thể chỉnh được bằng tham số. 5. Dịch vụ truyền số liệu  Các dịch vụ truyền dữ liệu thuộc lớp 2 trong mô hình OSI 32 NTH-KTĐ&THCN 4/11/2019  Profibus chuẩn hóa 4 dịch vụ trao đổi dữ liệu - 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 - CSRD (Cyclic Send and Request Data with Reply): Gửi và yêu cầu dữ liệu tuần hoàn  Hình thức thực hiện các dịch vụ này được minh họa theo hai kiểu: Dịch vụ không tuần hoàn và Dịch vụ tuần hoàn. 33 4/11/2019 NTH-KTĐ&THCN 5. Dịch vụ truyền số liệu 34 4/11/2019 NTH-KTĐ&THCN Các dịch vụ không tuần hoàn thường được sử dụng để truyền các dữ liệu có tính chất bất thường, ví dụ các thông báo sự kiện, trạng thái và đặt chế độ làm việc. - SND: Dùng chủ yếu cho việc gửi đồng loạt hoặc gửi tới nhiều đích. Ví dụ tiêu biểu như việc tham số hóa, cài đặt và khởi động chương trình trên nhiều trạm cùng lúc. - SDA và SRD đều là những dịch vụ trao đổi dữ liệu không tuần hoàn cần có xác nhận, trong đó với SRD bên nhận có trách nhiệm gửi kết quả đáp ứng trở lại. Hai dịch vụ này dùng phổ biến trong trao đổi dữ liệu master/slave. 5. Dịch vụ truyền số liệu  Dịch vụ trao đổi dữ liệu tuần hoàn duy nhất (CSRD) hỗ trợ việc trao đổi dữ liệu quá trình ở cấp chấp hành, giữa các modun vào ra phân tán, các thiết bị cảm biến và cơ cấu chấp hành với máy tính điều khiển.  Dịch vụ này khác SRD ở chỗ chỉ cần một lần yêu cầu duy nhất từ một lớp trên xuống, sau đó các đối tác logic thuộc lớp 2 tự động thực hiện tuần hoàn theo chu kỳ đặt trước. 35 4/11/2019 NTH-KTĐ&THCN 5. Dịch vụ truyền số liệu  Một bức điện (telegram) trong giao thức thuộc lớp 2 của Profibus được gọi là khung (Frame). Ba loại khung có khoảng cách Hamming là 4 và một loại khung đặc biệt đánh dấu một token được quy định như sau:  Khung với chiều dài thông tin cố định, không mang dữ liệu  Khung với chiều dài thông tin cố định, mang 8 byte dữ liệu 36 4/11/2019 NTH-KTĐ&THCN 6. Cấu trúc bức điện 6. Cấu trúc bức điện  Khung với chiều dài thông tin khác nhau, với 1-246 byte dữ liệu  Token  Các ô DA, SA, FC và DU ( nếu có) được coi là phần mang thông tin 37 NTH-KTĐ&THCN 4/11/2019 38 4/11/2019 NTH-KTĐ&THCN 6. Cấu trúc bức điện  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 (tức là 1 ký tự) với ý nghĩa cụ thể như sau: 39 4/11/2019 NTH-KTĐ&THCN 6. Cấu trúc bức điện  All ProfiBus characters are comprised of 11 bits (1 start bit + 8 data bits + 1 even parity bit + 1 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 tín hiệu thấp theo phương pháp mã hóa bit NRZ (0 ứng với mức cao).  Trước khung yêu cầu (request frame) cần một thời gian rỗi tối thiểu là 33 bit phục vụ mục đích đồng bộ hóa giữa hai bên gửi và nhận.  Không cho phép thời gian rỗi giữa các ký tự UART của một khung. 40 4/11/2019 NTH-KTĐ&THCN 6. Cấu trúc bức điện  Việc thực hiện nhận tuân thủ theo các nguyên tắc sau đây:  Với một ký tự UART, bên nhận kiểm tra các bit khởi đầu, bit cuối và bit chẵn lẻ.  Với mỗi khung, bên nhận kiểm tra các byte SD, DA, SA, FCS, ED, LE/Ler (nếu có) cũng như thời gian rỗi trước mỗi khung yêu cầu.  Nếu có lỗi, toàn bộ khung phải hủy bỏ. 41 NTH-KTĐ&THCN 4/11/2019 6. Cấu trúc bức điện 6. Cấu trúc bức điện Các hàm của profibus  Chức năng Code (FC) hoặc trường Khung điều quy định các loại bức điện (yêu cầu, đáp ứng, sự thừa nhận), loại trạm (thụ động hay chủ động / slave hay master), ưu tiên, và bức điện xác nhận (thành công hay không thành công) như sau: 42 NTH-KTĐ&THCN 4/11/2019 6. Cấu trúc bức điện 43 NTH-KTĐ&THCN 4/11/2019 PROFIBUS-FMS  Mặc dù Profibus-FMS không được chuẩn hóa trong IEC 61158 nên bị mờ nhạt trong các phát triển tiếp theo song ứng dụng của nó có vai trò nhất định trong một số lĩnh vực công nghệ chế tạo, lắp ráp.  Sử dụng Profibus-FMS là bus hệ thống, các máy tính điều khiển có thể được ghép nối với nhau theo cấu hình nhiều chủ đề giao tiếp với nhau và với các thiết bị trường thông minh dưới hình thức gửi các thông báo. Ở đây phạm vi chức năng, dịch vụ cao cấp là tính năng được coi trọng hơn so với thời gian phản ứng của hệ thống 44 4/11/2019 PROFIBUS-FMS  Lớp ứng dụng của Profibus-FMS bao gồm hai lớp con là FMS và LLI (Lower Layer Interface) bởi các lớp từ 3 đến 6 không xuất hiện ở đây.  Lớp LLI có vai trò thích ứng, chuyển dịch các dịch vụ giữa lớp FMS và lớp FDL lớp 2.  Giao diện giữa FMS với các quá trình ứng dụng được thực hiện bởi lớp ALI (Application Layer Interface). 45 4/11/2019 PROFIBUS-FMS Giao tiếp hướng đối tượng  Profibus-FMS cho phép thực hiện các hoạt động giao tiếp hướng đối tượng theo cơ chế Client/Server. Ở đây ý nghĩa của phương thức hướng đối tượng là quan điểm thống nhất trong giao tiếp dữ liệu, không phụ thuộc vào các đặc điểm của nhà sản xuất hay lĩnh vực cụ thể.  Các phần tử có thể truy nhập được từ một trạm trong mạng, đại diện cho các đối tượng thực hay các biến quá trình được gọi là các đối tượng giao tiếp. Các thành viên trong mạng giao tiếp thông qua các đối tượng này. 46 4/11/2019 PROFIBUS-FMS  Việc truy nhập các đối tượng có thể thực hiện theo nhiều cách khác nhau. Phương pháp hiệu quả nhất là sử dụng chỉ số đối tượng (object index), còn gọi là phương pháp định địa chỉ logic. Chỉ số có thể coi là căn cước của một đối tượng nội trong một thành viên của mạng, được biểu diễn bằng một số thứ tự 16 bit. Nhờ vậy các khung thông báo sẽ có chiều dài ngắn nhất so với các phương pháp khác.  Một khả năng truy nhập thứ hai là truy nhập thông qua tên hình thức của đối tượng hay còn gọi là tag. 47 4/11/2019 PROFIBUS-FMS Thiết bị trường ảo ( VFD)  Thiết bị trường ảo (Virtual Field Device) là một mô hình trừu tượng, mô tả các dữ liệu, cấu trúc dữ liệu và đặc tính của một thiết bị tự động hóa dưới góc độ của một đối tượng giao tiếp.  Một đối tượng VFD chứa tất cả các đối tượng giao tiếp và danh mục mô tả các đối tượng mà các đối tác giao tiếp có thể truy nhập qua các dịch vụ. Một đối tượng VFD được sắp xếp tương ứng với đúng một quá trình ứng dụng.  Một thiết bị thực có thể chứa nhiều đối tượng VFD, trong đó địa chỉ của mỗi đối tượng VFD được xác định qua các điểm đầu cuối giao tiếp của nó. 48 4/11/2019 PROFIBUS-FMS 49 4/11/2019 PROFIBUS-FMS Đối tượng truyền thông Gồm 2 loại là đối tượng truyền thông tĩnh và truyền thông động.  Đối tượng truyền thông tĩnh:  Biến đơn  Ma trận (dãy các biến đơn của cùng một kiểu)  Bản ghi (dãy các biến đơn của các kiểu khác nhau)  Vùng nhớ (Domain) chỉ vùng nhớ có liên kết logic chứa chương trình hay dữ liệu  Sự kiện (event) các thông báo, cảnh báo 50 4/11/2019 PROFIBUS-FMS Đối tượng truyền thông  Đối tượng truyền thông động  Danh sách biến  Program invocation  Định địa chỉ logic là một phương pháp được ưa dùng hơn để đánh địa chỉ cho các đối tượng.  Các đối tượng truyền thông có thể được bảo vệ khỏi bị truy cập bởi những đối tượng không có quyền truy nhập thông qua sự bảo vệ truy cập hay những dịch vụ được cho phép để truy cập đối tượng bị hạn chế 51 4/11/2019 PROFIBUS-FMS Quan hệ giao tiếp  Ngoại trừ các hình thức gửi đồng loạt việc trao đổi thông tin trong FMS luôn được thực hiện giữa hai đối tác truyền thông dưới hình thức có nối theo cơ chế Client/Server.  Mối quan hệ giao tiếp giữa một Client và một Server được gọi là một kênh logic  Mỗi thành viên trong mạng có thể có nhiều quan hệ giao tiếp với cùng một thành viên khác hoặc với các thành viên khác nhau. 52 4/11/2019 PROFIBUS-FMS Các dịch vụ của FMS Các dịch vụ FMS là một tập con của dịch vụ MMS được tối ưu hóa cho các ứng dụng của bus trường và được mở rộng cho quản lý đối tượng truyền thông và quản lý mạng  Các dịch vụ có xác nhận chỉ có thể được sử dụng cho các mối quan hệ truyền thông có kết nối định hướng.  Các dịch vụ không xác nhận chỉ được dùng trong các mối quan hệ truyền thông không kết nối (truyền broadcast và multicast). Chúng có thể được truyền với mức ưu tiên cao hoặc thấp. 53 4/11/2019 PROFIBUS-FMS Các dịch vụ của FMS  Dịch vụ VFD Support được dùng để xác minh và thăm dò trạng thái.  Dịch vụ OD Management được dùng để đọc hay ghi khi truy cập vào danh mục đối tượng.  Dịch vụ Context Management phục vụ cho việc thiết lập và kết thúc các kết nối logic. 54 4/11/2019 PROFIBUS-FMS Các dịch vụ trong FMS được chia thành các nhóm sau : • Dịch vụ Variable Access được dùng cho truy cập biến, bản ghi, ma trận hay danh sách biến. • Dịch vụ Domain Management được dùng để truyền những vùng nhớ lớn. Dữ liệu phải được người dùng chia thành các phần nhỏ • Dịch vụ Program Invocation Managament được dùng để điều khiển chương trình • Dịch vụ Event Managament được dùng để truyền thông tin cảnh báo 55 4/11/2019 PROFIBUS-FMS Quản lí mạng  Ngoài các dịch vụ của FMS ra, các hàm quản lí mạng (Field Management Layer 7= FMA7) cũng có sẵn. Các hàm FMA7 là không bắt buộc và tùy theo sự cấu hình hóa trung tâm  Quản lí theo ngữ cảnh được dùng để thiết lập hay ngắt các kết nối FMA7.  Quản lí cấu hình hóa được dùng để truy cập các CRL, biến, các bộ đếm số và các tham số của lớp ½. Nó cũng được dùng cho sự xác minh và đăng kí của các trạm trên bus.  Quản lí lỗi được dùng để biểu diễn lỗi/sự kiện và reset các thiết bị 56 4/11/2019 Profibus DP  Profibus DP (Distributed Peryphery) được thiết kế để trao đổi dữ liệu ở cấp thiết bị trường, sử dụng để kết nối thiết bị điều khiển với các ngoại vi phân tán 57 4/11/2019 NTH-KTĐ&THCN RS-485 Cáp quang Profibus DP  Profibus DP chỉ thực hiện các lớp 1, lớp 2 theo mô hình quy chiếu OSI.  Sử dụng chuẩn RS-485 và cáp quang cho phần truyền dẫn tín hiệu. 58 4/11/2019 NTH-KTĐ&THCN Tốc độ (kbit/s) 9,6 19,2 45,45 93,75 187,5 500 1500 3000 6000 12000 Chiều dài (met) 1200 1200 1200 1200 1000 400 200 100 100 100  RS-485 dùng cho profibus thông thường dùng cáp kiểu A với các thông số sau: Trở kháng 135Ω đến 165Ω Dung kháng <30pF/m Điện trở vòng 110Ω/Km Thiết diện dây >0,34 mm² 59 4/11/2019 NTH-KTĐ&THCN Profibus DP  Trong truyền dẫn hai đầu nút của đường truyền yêu cầu nối một điện trở kết thúc để giảm sóng phản xạ gây nhiễu tín hiệu. Điện trở kết thúc trên Profibus có dạng fail-safe biasing như sau: 60 4/11/2019 NTH-KTĐ&THCN Profibus DP  Chức năng cơ bản của profibus DP:  Truyền dữ liệu người dùng một cách tuần hoàn giữa trạm chủ DP và các trạm tớ  Kích hoạt động hoặc vô hiệu hóa từng trạm tớ  Kiểm tra cấu hình của trạm tớ  Đánh địa chỉ các trạm tớ qua bus  Chức năng chuẩn đoán rất mạnh, 3 cấp chuẩn đoán bản tin  Đồng bộ hóa các đầu vào và/ hoặc các đầu ra  Cực đại 244 bytes các đầu vào và ra dữ liệu đối với mỗi trạm tớ 61 4/11/2019 NTH-KTĐ&THCN Profibus DP  Kiểu thiết bị:  DP master Class 1 (DPM1) ví dụ như các bộ điều khiển khả trình trung tâm (PLC, PC)  DP master Class 2 (DPM2) ví dụ như công cụ lập trình hay chuẩn đoán  DP slave ví dụ như các thiết bị vào ra số hay tương tự, bộ kích thích, các van 62 4/11/2019 NTH-KTĐ&THCN Profibus DP Master (Class 1) Slaves PROFIBUS PLC Master (Class 2) Central Controller exchanges data with the distributed peripherial devices Engineering tool is used for setup/configurati on of the slaves Profibus DP Cấu hình hệ thống 1. Một trạm chủ (Mono - Master) 63 4/11/2019 NTH-KTĐ&THCN DP-Master (class 2) DP-Master (class 1) DP-Master (class 1) DP - Slaves PLC PROFIBUS PC CNC Distributed inputs and outputs Distributed inputs and outputs Profibus DP 2. Nhiều trạm chủ (Multi - Master) 64 4/11/2019 NTH-KTĐ&THCN  Do cấu trúc mạng dạng Bus nên Profibus đòi hỏi một giao thức điều khiển truy nhập đường truyền. Phương pháp điều khiển truy nhập đường truyền của Profibus là sự kết hợp của hai phương pháp Master/Slave và Token Bus. 65 4/11/2019 NTH-KTĐ&THCN Profibus DP Vận hành: truyền tải tuần hoàn của dữ liệu đầu vào và đầu ra Xóa: Các đầu vào đọc, các đầu ra dữ nguyên ở trạng thái an toàn Dừng: Chuẩn đoán và tham số hóa, không truyền dữ liệu người dùng Trạng thái vận hành Profibus DP 66 4/11/2019 NTH-KTĐ&THCN Đồng bộ hóa kết quả đầu ra của một số trạm tớ Profibus DP  Các lệnh đồng bộ:  1. Lệnh SYNC: Đồng bộ hóa dữ liệu đầu ra  2. Lệnh FREEZE: Đồng bộ hóa dữ liệu đầu vào 67 NTH-KTĐ&THCN 4/11/2019 Nguyên tắc trao đổi dữ liệu tuần hoàn Master/Slave  Trao đổi dữ liệu tuần hoàn  Mỗi trạm tớ cho phép truyền tối đa 266 byte dữ liệu vào/ra  Chu kỳ bus cần phải nhỏ hơn chu kỳ vòng quét của chương trình 68 4/11/2019 NTH-KTĐ&THCN Profibus DP  Mô hình DP-Slave hỗ trợ cấu trúc kiểu module của các thành viên. Mỗi module được xếp thứ tự khe cắm bắt đầu từ 1, riêng module có số thứ tự khe cắm 0 phục vụ việc truy nhập toàn bộ dữ liệu của thiết bị. 69 4/11/2019 NTH-KTĐ&THCN Profibus DP  Toàn bộ dữ liệu vào/ra của các module được chuyển chung trong một khối dữ liệu sử dụng của trạm tớ.  Tham số hóa và chẩn đoán hệ thống  Để thực hiện truyền nạp các bộ tham số hặc đọc các tập dữ liệu tương đối lớn PROFIBUS-DP cung cấp các dịch vụ không tuần hoàn là DDLM_READ và DDLM_WRITE  Các thông tin chẩn đoán được truyền qua bus và thu thập tại trạm chủ. Các thông báo được phân thành 3 cấp: Chẩn đoán trạm: Thông báo liên quan tới trạng thái hoạt động chung của cả trạm như quá nhiệt hoặc sụt áp. Chẩn đoán module: Các thông báo này chỉ thị lỗi nằm ở một khoảng vào/ra nào đó của một module. Chẩn đoán kênh: Trường hợp này nguyên nhân của lỗi nằm ở một bit vào/ra (một kênh vào /ra) riêng biệt. 70 4/11/2019 NTH-KTĐ&THCN Profibus DP  Giao tiếp trực tiếp giữa các trạm tớ (DXB) 71 4/11/2019 NTH-KTĐ&THCN Profibus DP  Chế độ đẳng thời (isochronous mode)  Ứng dụng chủ yếu trong điều khiển các hệ thống chuyển động  Đáp ứng yêu cầu rất cao về tính thời gian thực  Kết hợp chủ/tớ với TDMA  Cần đồng bộ hóa thời gian 72 4/11/2019 NTH-KTĐ&THCN Profibus DP Profibus PA  Đặc điểm của Profibus PA  Giao diện Bus an toàn riêng  PA – Profile  Các khối của Profibus - PA 73 NTH-KTĐ&THCN 4/11/2019 Profibus PA  PROFIBUS-PA là một phần của giao thức PROFIBUS và nó đặc biệt đáp ứng nhu cầu của tự động hóa quá trình (Process Automation).  Nó cho phép các thiết bị hiện trường có thể được giám sát và cài đặt cấu hình trên cùng một đường bus. Các thiết bị đều được cấp nguồn thông qua đường bus này và đảm bảo an toàn.  PROFIBUS-PA có thể được sử dụng trong rất nhiều ứng dụng, và đặc biệt rất phù hợp với các ứng dụng trong môi trường cháy nổ của các nhà máy hóa chất và hóa dầu vì nó đảm bảo được an toàn. 74 4/11/2019 NTH-KTĐ&THCN Profibus PA  PROFIBUS PA thực chất được xây dựng dựa trên mô hình giao thức PROFIBUS DP (sự mở rộng sử dụng trong môi trường chống cháy, nổ) với chuẩn truyền dẫn IEC 1158-2 (MBP) cũ và một số qui định chuyên biệt về thông số và các đặc tính cho thiết bị trường. 75 4/11/2019 NTH-KTĐ&THCN Profibus- PA  Công nghệ truyền thông (giao thức) của Profibus PA và Profibus DP thì như nhau, chỉ có công nghệ truyền tải khác nhau để đáp ứng nhu cầu đa dạng của thị trường tự động hóa. PROFIBUS DP sử dụng RS485 hoặc sợi quang là chủ yếu, ở chỗ PROFIBUS PA đặt nền tảng trên công nghệ MBP. Hình bên chỉ ra các lớp layer khác nhau và tên thị trường liên quan đến chúng. 76 4/11/2019 NTH-KTĐ&THCN Mã hóa bít trong profibus PA 77 4/11/2019 Profibus- PA  Ưu điểm của nó là cho phép các thiết bị của những nhà sản xuất khác nhau có thể tương tác lẫn nhau hoặc thay thế lẫn nhau.  Những đặc tính hữu ích của PROFIBUS PA khiến giao thức này có thể thay thế phương thức truyền tín hiệu với 4-20 mA hoặc HART  Xét về mặt đặc tính hoạt động – chức năng , PROFIBUS PA dựa trên mô hình khối hàm chức năng (Function Block Model).  PROFIBUS PA cho phép kết nối các hệ thống thiết bị trường bằng cáp đôi dây xoắn duy nhất, với tốc độ truyền cố định 31,25 kbps. 78 4/11/2019 NTH-KTĐ&THCN Profibus- PA  Khi sử dụng giao thức này, ta có thể bảo dưỡng , thay thế một số thiết bị nếu cần thiết trong khi đang vận hành. Đặc biệt, nó còn rất hữu ích khi sử dụng ở những khu vực nguy hiểm, dễ cháy nổ với phương thức bảo vệ kiểu “an toàn riêng” ( EEX ia/ib) hoặc kiểu “đóng kín” (EEXd).  PROFIBUS có hàng loạt các đặc tính khác cho phép cắt giảm chi phí vận hành trong suốt vòng đời của máy. PROFIBUS-PA là mạng trường cho phép cấp nguồn trên bus, do đó nó cho phép giảm chi phí mua cáp, chi phí lắp đặt và bảo trì. Bản thân PROFIBUS-PA đã đảm bảo an toàn nên sẽ giảm chi phí cho cáp đặc biệt hoặc tủ thiết bị. Hơn nữa hai lợi điểm chính là khả năng hoán đổi lẫn nhau và khả năng điều khiển lẫn nhau 79 4/11/2019 NTH-KTĐ&THCN Profibus- PA Giao thức Profibus-PA trong công nghiệp 80 4/11/2019 NTH-KTĐ&THCN Profibus- PA Giao thức Profibus-PA trong công nghiệp 81 4/11/2019 NTH-KTĐ&THCN Profibus- PA Giao thức Profibus-PA trong công nghiệp 82 4/11/2019 NTH-KTĐ&THCN Giao thức Profibus-PA trong công nghiệp Cáp đôi dây xoắn sử dụng trong Profibus-PA 83 4/11/2019 NTH-KTĐ&THCN Profibus- PA Profibus- PA Giao diện Bus an toàn riêng  Trường thiết bị trong những vùng nguy hiểm được kết nối với cộng nghệ truyền dẫn sử dụng chuẩn 1158-2. Chuẩn này cho phép truyền dẫn thông tin cũng như năng lượng giữa các trường thiết bị chỉ 2 dây dẫn.  Khác với những phương thức truyền dẫn trước đây, PROFIBUS PA chỉ cần dùng một đường dây truyền dẫn tín hiệu từ những điểm đo đạc tới bộ I/O của hệ thống điều khiển với một công suất tín hiệu sẽ được truyền khắp mạng PROFIBUS tới những nơi yêu cầu.  Tùy vào mức độ cháy nổ của khu vực và sự tiêu tốn năng lượng của thiết bị, có từ 9 tới 32 bộ truyền tín hiệu đo đạc được kết nối vào mạng truyền thông. 84 4/11/2019 NTH-KTĐ&THCN Profibus- PA Giao diện Bus an toàn riêng  Yêu cầu cụ thể Bus an toàn riêng  Một đoạn mạng chỉ có một nguồn nuôi tích cực  Mỗi trạm tiêu thụ dòng cố định (>=10 mA ) ở trạng thái xác lập  Mỗi trạm được coi là tải tiêu thụ dòng thụ động ( bỏ qua thành phần dung, cảm kháng ).  Một trạm khi phát tín hiệu không được nạp thêm nguồn 85 NTH-KTĐ&THCN 4/11/2019 Profile cấp B: Quy định chức năng, đặc tính cho các thiết bị phức hợp, còn gọi là các thiết bị thông minh. Các chức năng này của giao thức cho phép gán địa chỉ tự động, đồng bộ hóa thời gian, phân tán dữ liệu tới các bộ I/O phân tán, mô tả thiết bị qua ngôn ngữ DDL (Device Discription Language) cũng như lập lịch khối hàm (Function Block ) Profile cấp A: Quy định đặc tính và chức năng cho các thiết bị đơn giản như: bộ cảm biến áp suất, nhiệt độ các cơ cấu truyền động. Ta cũng có thể truy nhập các thông số hệ thống như tốc độ, thời gian trễ , ngưỡng cảnh báo vào mạng thông tin PA- Profile Profibus- PA 86 4/11/2019 NTH-KTĐ&THCN Các khối của Profibus- PA  PA- Profile sử dụng mô hình khối để mô tả chức năng và tham số thiết bị. Mỗi khối đại diện cho một chức năng sử dụng, ví dụ vào hoặc ra tương tự. Các khối chức năng có thể liên kết logic với nhau qua các đầu vào và đầu ra, tạo ra một chương trình ứng dụng. Trên thực tế , một mối liên kết logic giữa hai khối chức năng thuộc hai trạm thiết bị sẽ được thực hiện bằng một mối liên kết truyền thông của hệ thống bus.  Trong mạng truyền thông, nhiều khối hàm được các nhà sản xuất tích hợp với nhau thông qua các thiết bị trường, do đó ta có thể truy nhập vào hệ thống lấy ra các thông số, kết nối các khối hàm tạo nên trình ứng dụng giao thức PROFIBUS PA. 87 4/11/2019 NTH-KTĐ&THCN Các khối của Profibus- PA 88 NTH-KTĐ&THCN 4/11/2019  Khối vật lý (physical block) chứa các thông tin chung của thiết bị như tên thiết bị, nhà sản xuất, chủng loại, mã serie  Khối biến đổi (transducer block ) chứa các tham số cần thiết cho việc ghép nối một thiết bị trường với quá trình kỹ thuật, ví dụ các thông tin phục vụ chỉnh định ( calibration) và chuẩn đoán vào/ra.  Khối chức năng có trách nhiệm thực hiện chức năng vào/ra (AI, AO, DI, DO) nằm trong sách lược điều khiển. Giao thức Profibus trong công nghiệp Thiết bị Profibus 89 4/11/2019 NTH-KTĐ&THCN Thiết bị Profibus  Các thiết bị PROFIBUS có những đặc điểm cấu trúc khác nhau. Sự khác nhau về cấu trúc giữa chúng tùy thuộc vào chức năng của từng thiết bị (ví dụ như thiết bị truyền tín hiệu đầu vào/ đầu ra, các bộ chuẩn đoán ) và phụ thuộc tham số đường truyền như tốc độ truyền dữ liệu, các giá trị thời gian giám sát. Những tham số này thay đổi tùy theo từng loại thiết bị và hệ thống điều khiển. Để mạng truyền thông với giao thức PROFIBUS có cấu trúc đơn giản, các thiết bị thường sử dụng GSD files.  Tất cả các nhà sản xuất đều phải cung cấp file GSD trong thiết bị PROFIBUS của mình. 90 4/11/2019 NTH-KTĐ&THCN Thiết bị Profibus Hình ảnh của GSD file 91 4/11/2019 NTH-KTĐ&THCN Thiết bị Profibus  GSD files được ứng dụng rộng rãi, từ hệ thống truyền tin mở đến các hệ thống điều khiển vận hành. GSD files được dùng trên mọi cấu hình từ loại đơn giản đến phức tạp nhất. Điều này có nghĩa là tích hợp giữa các thiết bị thuộc những nhà sản xuất khác nhau trong mạng PROFIBUS không là vấn đề khó khăn.  GSD files chứa những đặc điểm đặc trưng cơ bản giống nhau giữa các thiết bị PROFIBUS, đó chính là lý do vì sao GSD files tương thích với nhiều loại thiết bị. Thông qua những file này kỹ sư dự án không phải nắm bắt các thông số kỹ thuật theo các đo đạc bằng tay thông thường như trước nữa. Thời gian được tiết kiệm đáng kể và trong suốt quá trình, hệ thống điều khiển sẽ tự động kiểm tra các sai số đầu vào, sai số truyền dữ liệu và nhiều loại sai số khác. 92 4/11/2019 NTH-KTĐ&THCN Thiết bị Profibus  Các khu vực của một file GSD: 1. Khu vực chứa thông tin chung: những thông tin chung chẳng hạn trên thiết bị, mã đăng ký phần mềm, phần cứng, tốc độ truyền dữ liệu của đường truyền , thời gian giám sát. 2. Khu vực liên kết với trạm chủ (Master-related): chứa những tham số liên kết với trạm chủ, ví dụ số lượng lớn nhất các slave có thể kết nối Khu vực này không có trong các thiết bị slave. 3. Khu vực liên kết với trạm tớ (Slave-related) : khu vực này chứa những thông tin liên quan đến trạm slave như số lượng và chủng loại đầu vào đầu vào/ đâu ra, các thông tin chuẩn đoán về các module thiết bị. 93 NTH-KTĐ&THCN 4/11/2019 Thiết bị Profibus  Các tham số của từng khu vực riêng biệt được tách bởi các từ khóa- key words. Từ khóa A chỉ những tham số ủy nhiệm (ví dụ tên hãng sản xuất ), tham số lựa chọn (options ) như mã đồng bộ. Sự khác biệt của từng nhóm tham số cho phép ta lựa chọn options được hiểu quả. Ngoài ra, các file bit map với những biểu tượng của thiết bị có thể được tích hợp.  Dung lượng của các file GSD có thể chứa rất lớn. Nó chứa thông số về tốc độ truyền dữ liệu cũng như cả không gian mô tả các module hữu ích trong các module thiết bị. Nó còn chứa các thông tin chuẩn đoán. 94 4/11/2019 NTH-KTĐ&THCN Thiết bị Profibus 95 4/11/2019 NTH-KTĐ&THCN Thiết bị Profibus 96 4/11/2019 NTH-KTĐ&THCN Thiết bị Profibus Phương thức làm việc của bộ slave đơn giản Phương thức làm việc theo chuẩn IEC 1158-2 Các phương thức làm việc 1 2 3 4 Phương thức làm việc của bộ slave thông minh Phương thức làm việc của bộ master phức tạp 97 4/11/2019 NTH-KTĐ&THCN Thiết bị Profibus Phương thức làm việc của bộ slave đơn giản  Đối với các thiết bị đầu vào/ đầu ra đơn giản, giải pháp PROFIBUS với ASICs đơn chip là một giải pháp thực tế. Tất cả các chức năng giao thức đã được tích hợp sẵn trong ASICs. Vì vậy không cần bộ vi xử lý hoặc phần mềm mà chỉ cần mạch giao diện truyền tin, tinh thể thạch anh và các thiết bị điện tử công suất đóng vai trò như các thiết bị ngoại vi.Thí dụ bộ slave điển hình bao gồm SPM2 ASIC của Siemens , chip IX1 của M2C và CHIP vpcis- asic của profichip. 98 4/11/2019 NTH-KTĐ&THCN Thiết bị Profibus Phương thức làm việc của bộ slave thông minh  Đối với bộ slave thông minh, bộ phận thời gian tới hạn của nó sẽ làm việc trên chip giao thức, các phần còn lại làm việc như phần mềm trong bộ vi điều khiển.  Chip DDC31 của hãng Siemens là sự kết hợp của chip giao thức và bộ vi điều khiển. Còn những chíp cơ sở khác, ví dụ như ASICs SPC3 ( Siemens ), VPC3+ (PROFICHIP ) hay IX1 (M2C ) thì đã được chế sẵn, chỉ cần lắp ráp. Những con chip ASIC cung cấp giao diện dùng chung với các bộ vi điều khiển. Ngoài ra, ở bộ slave thông minh ta còn có thể dùng các bộ vi xử lý với lõi đã tích hợp giao thức PROFIBUS. 99 4/11/2019 NTH-KTĐ&THCN Thiết bị Profibus Phương thức làm việc của bộ master phức hợp  Cũng giống như bộ slave thông minh, ở bộ master phức hợp, bộ phận thời gian tới hạn của nó cũng làm việc như phần mềm trong bộ vi điều khiển. Các chip ASICs ASPC2 (siemens), IX1 (M2C) hay và PBM (IAM) đều đã được chế sẵn hỗ trợ các thiết bị master phức hợp hoạt động. Chúng cũng được kết hợp và cùng vận hành với các bộ vi xử lý. 100 4/11/2019 NTH-KTĐ&THCN Thiết bị Profibus Phương thức làm việc theo chuẩn IEC 1158-2  Đối với các thiết bị trường truyền công suất tuân theo chuẩn IEC 1158-2, một vấn đề cần lưu ý là công suất tiêu tốn phải thấp ( vì đây là những thiết bị truyền công suất ) .Đối với những thiết bị loại này thường thường chỉ dùng nguồn dòng cỡ 10 mA là phù hợp cho việc nuôi các thiết bị đo đạc, cung cấp năng lượng truyền tin.  Để đáp ứng được các yêu cầu trên, hãng Siemen và hãng Smar đã chế tạo ra những con chip đặc biệt phù hợp. Những con chip này sẽ lấy năng lượng cần thiết để vận hành toàn bộ thiết bị từ đường bus truyền theo chuẩn IEC 1158-2 và khiến đường truyền là nguồn cung cấp điện áp cho các thiết bị trường PA khác trong hệ thống 101 4/11/2019 NTH-KTĐ&THCN Thiết bị Profibus Thiết bị Profibus trong công nghiệp 102 4/11/2019 NTH-KTĐ&THCN