Hệ thống thông tin công nghiệp
6.1 Profibus
4/8/2006
CuuDuongThanCong.com CuuDuongThanCong.com
https://fb.com/tailieudientucntt https://fb.com/tailieudientucntt
6.1 Profibus
1. Giới thiệu chung
2. Kiến trúc giao thức
3. Kỹ thuật truyền dẫn
4. Truy nhập bus
5. Dịch vụ truyền dữ liệu
6. Cấu trúc bức ₫iện
7. PROFIBUS-DP
8. PROFIBUS-PA
2
CuuDuongThanCong.com CuuDuongThanCong.com
https://fb.com/tailieudientucntt https://fb.com/tailieudientucntt
6.1 Profibus © 2006 - HMS
1. Giới thiệu chung
(cid:131) PROFIBUS (Process Field Bus) ₫ược phát triển tại
Đức từ năm 1987
(cid:131) DIN 19245, EN 50 170, IEC 61158, IEC 61784 (cid:131) PROFIBUS không chỉ dừng lại là một hệ thống
truyền thông, mà còn ₫ược coi là một công nghệ tự ₫ộng hóa.
(cid:131) Một hệ thống bus trường hàng ₫ầu hiện nay, cũng ₫ược sử dụng rất rộng rãi tại Việt Nam
(cid:131) Hỗ trợ bởi PROFIBUS Nutzerorganisation (PNO), từ năm 1995 nằm trong PROFIBUS International (PI) với hơn 1.100 thành viên trên toàn thế giới.
3
CuuDuongThanCong.com CuuDuongThanCong.com
https://fb.com/tailieudientucntt https://fb.com/tailieudientucntt
6.1 Profibus © 2006 - HMS
Ba loại giao thức
(cid:131) PROFIBUS-FMS (Fieldbus Message Specification)
— Bus hệ thống hoặc bus ₫iều khiển , — Dịch vụ cao cấp, chủ yếu ₫ược sử dụng trong CN chế tạo
(cid:131) PROFIBUS-DP (Decentral Peripheral)
— 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
(cid:131) PROFIBUS-PA
— Mở rộng PROFIBUS-DP xuống cấp trường cho lĩnh vực
công nghiệp chế biến (kỹ thuật truyền dẫn khác)
— Ghép nối trực tiếp với thiết bị trường
4
CuuDuongThanCong.com CuuDuongThanCong.com
https://fb.com/tailieudientucntt https://fb.com/tailieudientucntt
6.1 Profibus © 2006 - HMS
Lựa chọn giao thức
5
CuuDuongThanCong.com CuuDuongThanCong.com
https://fb.com/tailieudientucntt https://fb.com/tailieudientucntt
6.1 Profibus © 2006 - HMS
2. Kiến trúc giao thức
PROFIBUS-FMS
PROFIBUS-DP
PROFIBUS-PA
FMS-Profiles
DP-Profiles
PA-Profiles
Giao diÖn sö dông
C¸c chøc n¨ng DP më réng
C¸c chøc n¨ng DP c¬ së
Líp 7
Fieldbus Message Specification (FMS)
K h « n g
t h Ó h i Ö n
Líp 3-6
Fieldbus Data Link (FDL)
Líp 2
RS-485/RS-485IS/C¸p quang
MBP (IEC 1158-2)
Líp 1
6
CuuDuongThanCong.com CuuDuongThanCong.com
https://fb.com/tailieudientucntt https://fb.com/tailieudientucntt
6.1 Profibus © 2006 - HMS
Các lớp dịch vụ và giao thức
(cid:131) Lớp ứng dụng của FMS bao gồm hai lớp con
— 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.
(cid:131) Lớp liên kết dữ liệu FDL (Fieldbus Data Link):
— kiểm soát truy nhập bus — cung cấp các dịch vụ truyền dữ liệu (cid:131) Lớp vật lý của PROFIBUS qui ₫ịnh về
— kỹ thuật truyền dẫn tín hiệu, — môi trường truyền dẫn, — cấu trúc mạng và các giao diện cơ học.
7
CuuDuongThanCong.com CuuDuongThanCong.com
https://fb.com/tailieudientucntt https://fb.com/tailieudientucntt
6.1 Profibus © 2006 - HMS
Tương thích?
(cid:131) FMS và DP có thể chạy trên cùng một ₫ường
truyền (cùng cơ sở hạ tầng)
(cid:131) Giữa hai mạng FMS và DP không bao giờ cần
ghép nối
(cid:131) DP và PA cùng dịch vụ sử dụng (trên lớp 7), khác
nhau chủ yếu ở lớp vật lý (cid:131) Giữa DP và PA cần ghép nối
— DP/PA-Coupler (Bridge) — DP/PA-Link (Gateway)
(cid:131) PA ₫ược coi là một ₫oạn mạng của DP
8
CuuDuongThanCong.com CuuDuongThanCong.com
https://fb.com/tailieudientucntt https://fb.com/tailieudientucntt
6.1 Profibus © 2006 - HMS
3. Kỹ thuật truyền dẫn (lớp 1)
Truyền dẫn với RS-485: (cid:131) Tốc ₫ộ truyền thông từ 9,6 kbit/s ₫ến 12 MBit/s (cid:131) Cấu trúc ₫ường thẳng kiểu ₫ường trục/₫ường nhánh (trunk-line/drop-line) hoặc daisy-chain, (cid:131) Tốc ₫ộ truyền từ 1,5 Mbit/s trở lên yêu cầu cấu
trúc daisy-chain.
(cid:131) Cáp truyền ₫ược sử dụng là ₫ôi dây xoắn có bảo vệ (STP). Hiệp hội PI khuyến cáo dùng cáp loại A. (cid:131) Trở kết thúc có dạng tin cậy (fail-safe biasing ) với
các ₫iện trở lần lượt là 390Ω-220Ω-390Ω.
9
CuuDuongThanCong.com CuuDuongThanCong.com
https://fb.com/tailieudientucntt https://fb.com/tailieudientucntt
6.1 Profibus © 2006 - HMS
(cid:131) 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.
(cid:131) Số lượng tối ₫a các trạm trong mỗi ₫oạn mạng là
32.
(cid:131) Có thể dùng tối ₫a 9 bộ lặp tức 10 ₫oạn mạng. Tổng số trạm tối ₫a trong một mạng là 126. (cid:131) Chế ₫ộ truyền tải không ₫ồng bộ và hai chiều
không ₫ồng thời.
(cid:131) Phương pháp mã hóa bit NRZ.
10
CuuDuongThanCong.com CuuDuongThanCong.com
https://fb.com/tailieudientucntt https://fb.com/tailieudientucntt
6.1 Profibus © 2006 - HMS
Khoảng cách truyền và tốc ₫ộ truyền
187.5
500
1500
Tốc độ (kbit/s)
9,6/19,2 45,45/93,75
3000/6000/ 12000
1200
1000
400
200
100
Chiều dài (mét)
11
CuuDuongThanCong.com CuuDuongThanCong.com
https://fb.com/tailieudientucntt https://fb.com/tailieudientucntt
6.1 Profibus © 2006 - HMS
(cid:131) 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.
(cid:131) Truyền dẫn với cáp quang
— 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 2- 3km và sợi thủy tinh ₫ơn chế ₫ộ với khoảng cách truyền có thể trên 15km.
— Sợi chất dẻo với chiều dài tối ₫a 80m và sợi HCS với
chiều dài tối ₫a 500m.
12
CuuDuongThanCong.com CuuDuongThanCong.com
https://fb.com/tailieudientucntt https://fb.com/tailieudientucntt
6.1 Profibus © 2006 - HMS
Cấu hình FMS tiêu biểu
13
CuuDuongThanCong.com CuuDuongThanCong.com
https://fb.com/tailieudientucntt https://fb.com/tailieudientucntt
6.1 Profibus © 2006 - HMS
Cấu hình DP tiêu biểu
14
CuuDuongThanCong.com CuuDuongThanCong.com
https://fb.com/tailieudientucntt https://fb.com/tailieudientucntt
6.1 Profibus © 2006 - HMS
Cấu hình PA tiêu biểu
15
CuuDuongThanCong.com CuuDuongThanCong.com
https://fb.com/tailieudientucntt https://fb.com/tailieudientucntt
6.1 Profibus © 2006 - HMS
Cấu hình mạng cáp ₫iện tiêu biểu
16
CuuDuongThanCong.com CuuDuongThanCong.com
https://fb.com/tailieudientucntt https://fb.com/tailieudientucntt
6.1 Profibus © 2006 - HMS
5. Truy nhập bus (lớp 2)
Vßng token logic gi÷a c¸c thiÕt bÞ Master
C¸c tr¹m tÝch cùc, Master
PROFIBUS
PLC PC PLC
M
T
M
17
C¸c tr¹m thô ®éng, Slave
CuuDuongThanCong.com CuuDuongThanCong.com
https://fb.com/tailieudientucntt https://fb.com/tailieudientucntt
6.1 Profibus © 2006 - HMS
6. Dịch vụ truyền dữ liệu (lớp 2)
(cid:131) Dịch vụ không tuần hoàn:
— 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
(cid:131) Dịch vụ tuần hoàn:
— CSRD (Cyclic Send and Request Data with Reply): Gửi và
yêu cầu dữ liệu tuần hoàn.
18
CuuDuongThanCong.com CuuDuongThanCong.com
https://fb.com/tailieudientucntt https://fb.com/tailieudientucntt
6.1 Profibus © 2006 - HMS
DÞch vô tuÇn hoμn
DÞch vô kh«ng tuÇn hoμn (TruyÒn th«ng b¸o)
Göi vμ yªu cÇu d÷ liÖu tuÇn hoμn (CSRD)
Göi d÷ liÖu kh«ng x¸c nhËn (SDN) (broadcast)
D÷ liÖu
D÷ liÖu
Tr¹m n
Göi d÷ liÖu víi x¸c nhËn (SDA)
D÷ liÖu
D÷ liÖu
D÷ liÖu
Tr¹m n+1
X¸c nhËn
D÷ liÖu
Göi vμ yªu cÇu d÷ liÖu (SRD)
D÷ liÖu
Tr¹m n+2
D÷ liÖu
D÷ liÖu
D÷ liÖu
19
CuuDuongThanCong.com CuuDuongThanCong.com
https://fb.com/tailieudientucntt https://fb.com/tailieudientucntt
6.1 Profibus © 2006 - HMS
7. Cấu trúc bức ₫iện (lớp 2)
(cid:131) Khung với chiều dài thông tin cố ₫ịnh, không mang dữ liệu:
(cid:131) Khung với chiều dài thông tin cố ₫ịnh, mang 8 byte dữ liệu:
SD1 DA SA FC FCS ED
(cid:131) Khung với chiều dài thông tin khác nhau, 1-246 byte dữ liệu:
SD2
LE
LEr
SD2
DA
SA
FC
DU
FCS
ED
(cid:131) Token:
SD3 DA SA FC DU FCS ED
20
SD4 DA SA
CuuDuongThanCong.com CuuDuongThanCong.com
https://fb.com/tailieudientucntt https://fb.com/tailieudientucntt
6.1 Profibus © 2006 - HMS
Ý nghĩa
Ký hiệu
Tên ₫ầy ₫ủ
Start Delimiter
SD1... SD4
Byte khởi ₫ầu, phân biệt giữa các loại khung SD1 = 10H, SD2=68H, SD3 = A2H, SD4=DCH
Length
Chiều dài thông tin (4-249 byte)
LE
Length repeated
LEr
Chiều dài thông tin nhắc lại vì lý do an toàn
Destination Address
Địa chỉ ₫ích (trạm nhận), từ 0-127
DA
Source Address
Địa chỉ nguồn (trạm gửi), từ 0-126
SA
Data Unit
Khối dữ liệu sử dụng
DU
Frame Control
Byte ₫iều khiển khung
FC
Frame Check Sequence
Byte kiểm soát lỗi, HD = 4
FCS
End Delimiter
Byte kết thúc, ED = 16H
ED
21
CuuDuongThanCong.com CuuDuongThanCong.com
https://fb.com/tailieudientucntt https://fb.com/tailieudientucntt
6.1 Profibus © 2006 - HMS
Khung UART (FMS,DP)
D ·y bit truyÒn ®i
2
3
4
5
6
7
9
10 11
1
8
27 M SB
0
1
20 LSB b1 b2 b3 b4 b5 b6 b7 b8 P
Start bit (ST)
Stop bit (SP) Parity bit (ch½n)
22
CuuDuongThanCong.com CuuDuongThanCong.com
https://fb.com/tailieudientucntt https://fb.com/tailieudientucntt
6.1 Profibus © 2006 - HMS
8. Profibus-DP
(cid:131) PRFIBUS-DP ₫áp ứng các yêu cầu cao về tính năng thời gian thực trong trao ₫ổi dữ liệu dưới cấp trường (ví dụ giữa PLC, PC với DIO, thiết bị ₫o, biến tần, ...)
(cid:131) Trao ₫ổi dữ liệu ở ₫ây chủ yếu là tuần hoàn theo
cơ chế chủ/tớ.
(cid:131) DP còn hỗ trợ các dịch vụ không tuần hoàn, phục vụ tham số hóa, vận hành và chẩn ₫oán các thiết bị trường thông minh.
(cid:131) Đối chiếu với mô hình OSI, PROFIBUS-DP chỉ
thực hiện các lớp 1 và 2 vì lý do hiệu suất xử lý giao thức và tính năng thời gian.
23
CuuDuongThanCong.com CuuDuongThanCong.com
https://fb.com/tailieudientucntt https://fb.com/tailieudientucntt
6.1 Profibus © 2006 - HMS
Ba phiên bản DP
(cid:131) DP-V0 qui ₫ịnh các chức năng DP cơ sở:
— Trao ₫ổi dữ liệu tuần hoàn — Chẩn ₫oán trạm, module và kênh — Hỗ trợ ₫ặt cấu hình với tập tin GSD.
(cid:131) DP-V1 bổ sung các chức năng DP mở rộng:
— 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.
24
CuuDuongThanCong.com CuuDuongThanCong.com
https://fb.com/tailieudientucntt https://fb.com/tailieudientucntt
6.1 Profibus © 2006 - HMS
(cid:131) 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.
25
CuuDuongThanCong.com CuuDuongThanCong.com
https://fb.com/tailieudientucntt https://fb.com/tailieudientucntt
6.1 Profibus © 2006 - HMS
Cấu hình hệ thống và kiểu thiết bị
(cid:131) Trạm chủ DP cấp 1 (DP-Master Class 1, DPM1):
Các bộ ₫iều khiển trung tâm, ví dụ PLC hoặc PC, hoặc các module thuộc bộ ₫iều khiển trung tâm. (cid:131) Trạm chủ DP cấp 2 (DP-Master Class 2, DPM2):
Các máy lập trình, công cụ cấu hình và vận hành, chẩn ₫oán hệ thống bus. Cung cấp dịch vụ của DPM1 + các hàm ₫ặc biệt phục vụ ₫ặt cấu hình hệ thống, chẩn ₫oán trạng thái, truyền nạp chương trình,v.v...
(cid:131) Trạm tớ DP (DP-Slave): Các vào/ra phân tán, 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
26
CuuDuongThanCong.com CuuDuongThanCong.com
https://fb.com/tailieudientucntt https://fb.com/tailieudientucntt
6.1 Profibus © 2006 - HMS
Đặc tính vận hành hệ thống
(cid:131) STOP: Không truyền dữ liệu sử dụng giữa trạm chủ và trạm tớ, chỉ có thể chẩn ₫oán và tham số hóa.
(cid:131) CLEAR: Trạm chủ ₫ọc thông tin ₫ầu vào từ các
trạm tớ và giữ các ₫ầu ra ở giá trị an toàn
(cid:131) OPERATE: Trạm chủ ở chế ₫ộ trao ₫ổi dữ liệu ₫ầu 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.
27
CuuDuongThanCong.com CuuDuongThanCong.com
https://fb.com/tailieudientucntt https://fb.com/tailieudientucntt
6.1 Profibus © 2006 - HMS
Trao ₫ổi dữ liệu tuần hoàn
yªu cÇu
D÷ liÖu ®Çu ra
D÷ liÖu ®Çu ra
Slave 1
®¸p øng
Slave 1
D÷ liÖu ®Çu vμo
D÷ liÖu ®Çu vμo
ù t n Ç u
D÷ liÖu ®Çu ra
Slave 2
D÷ liÖu ®Çu vμo
t i á h h c ¸ s h n a d
yªu cÇu
D÷ liÖu ®Çu ra
D÷ liÖu ®Çu ra
Slave n
®¸p øng
Slave n
D÷ liÖu ®Çu vμo
D÷ liÖu ®Çu vμo
DP-Master
28
CuuDuongThanCong.com CuuDuongThanCong.com
https://fb.com/tailieudientucntt https://fb.com/tailieudientucntt
6.1 Profibus © 2006 - HMS
Đồng bộ hóa dữ liệu vào/ra
(cid:131) Mục ₫ích: Bảo ₫ảm tính nhất quán của dữ liệu
cho bài toán ₫iều khiển
(cid:131) Đồng bộ hóa ₫ầu ra:
— 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).
(cid:131) Đồng bộ hóa ₫ầu vào:
— Lệnh FREEZE: Đưa một nhóm các trạm tớ về chế ₫ộ
₫ồng bộ hóa ₫ầu vào.
— Lệnh UNFREEZE sẽ ₫ưa các trạm tớ về chế ₫ộ bình
thường (₫ọc ₫ầu vào tức thì).
29
CuuDuongThanCong.com CuuDuongThanCong.com
https://fb.com/tailieudientucntt https://fb.com/tailieudientucntt
6.1 Profibus © 2006 - HMS
Chẩn ₫oán hệ thống
(cid:131) 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
(cid:131) Chẩn ₫oán module: Các thông báo này chỉ thị lỗi nằm ở một
khoảng vào/ra nào ₫ó của một module
(cid:131) Chẩn ₫oán kênh: Trường hợp này, nguyên nhân của lỗi
nằm ở một bit vào/ra (một kênh vào/ra) riêng biệt. (cid:131) 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,...
30
CuuDuongThanCong.com CuuDuongThanCong.com
https://fb.com/tailieudientucntt https://fb.com/tailieudientucntt
6.1 Profibus © 2006 - HMS
Giao tiếp giữa các trạm tớ (DXB)
DP Master DP Master Cấp 1 Cấp 1
DP Slave DP Slave (chào hàng) (chào hàng)
DP Slave DP Slave (đặt hàng) (đặt hàng)
DP Slave DP Slave (đặt hàng) (đặt hàng)
31
CuuDuongThanCong.com CuuDuongThanCong.com
https://fb.com/tailieudientucntt https://fb.com/tailieudientucntt
6.1 Profibus © 2006 - HMS
Chế ₫ộ ₫ẳng thời (isochronous mode)
(cid:131) Ứng dụng chủ yếu trong ₫iều khiển các hệ thống
chuyển ₫ộng
(cid:131) Đáp ứng yêu cầu rất cao về tính thời gian thực, ₫ộ
chính xác (₫ộ rung, jitter) tới microgiây
(cid:131) Kết hợp chủ/tớ với TDMA. (cid:131) Cần ₫ồng bộ hóa thời gian
32
CuuDuongThanCong.com CuuDuongThanCong.com
https://fb.com/tailieudientucntt https://fb.com/tailieudientucntt
6.1 Profibus © 2006 - HMS
8. Profibus-PA
(cid:131) Lớp 1 sử dụng MBP (cid:131) Bổ sung một số qui ₫ịnh chuyên biệt (profiles)
PLC (DP-Master)
PC (DP-Master)
PROFIBUS-DP
PROFIBUS-PA
DP/PA-Link (DP-Slave)
I/O ph©n t¸n (DP-Slave)
33
CuuDuongThanCong.com CuuDuongThanCong.com
https://fb.com/tailieudientucntt https://fb.com/tailieudientucntt
6.1 Profibus © 2006 - HMS
