Phương thức làm việc của bộ slave đơn giản
Phương thức làm việc của bộ slave thông minh
Phương thức làm việc của bộ master phức tạp
Phương thức làm việc theo chuẩn IEC 1158-2
102 trang |
Chia sẻ: Tiểu Khải Minh | Ngày: 27/02/2024 | Lượt xem: 26 | Lượt tải: 0
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Bài giảng Hệ thống đo và điều khiển công nghiệp, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
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
Các file đính kèm theo tài liệu này:
- bai_giang_he_thong_do_va_dieu_khien_cong_nghiep.pdf