Dịch vụ truyền dữ liệu sda trong hệ thống Profibus là

BÀI TẬP LỚN MÔN: SCADA, DCS VÀ MẠNG TTCNMục lụcLỜI NÓI ĐẦUNgày 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.SVTH: NHÓM 2 GVHD: HOÀNG QUỐC XUYÊN1BÀI TẬP LỚN MÔN: SCADA, DCS VÀ MẠNG TTCNChương 1:TỔNG QUAN VỀ PROFIBUS1.Công nghệ ProfibusPROFIBUS (Process Filed Bus) được một nhóm các nhà cung cấp tựđộng hóa nhà máy thành lập năm 1989 tại Đức. Ban đầu, giao thức nàyđược phát triển cho sản xuất phân tán, sau đó nó dần mở rộng sang tựđộng hóa quá trình và các ứng dụng trên toàn doanh nghiệp, được hỗ trợbởi PROFIBUS Nutzerorganisation (PNO), từ năm 1995 nằm trongPROFIBUS International (PI) với hơn 1100 thành viên trên toàn thế giới. Profibus là một tiêu chuẩn mạng trường mở quốc tế theo chuẩn mạngtrường châu Âu EN 50170 và EN 50254. Trong sản xuất, các ứng dụngtự 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. SVTH: NHÓM 2 GVHD: HOÀNG QUỐC XUYÊN2BÀI TẬP LỚN MÔN: SCADA, DCS VÀ MẠNG TTCNProfibus 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 tínhvà 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 mastervà 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 cóthể 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 là127 nếu có bộ lặp.2.Phân loạiPROFIBUS 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.PROFIBUS-DPCấp trườngEN 50 170PLC, PG/PC, các thiết bị trường logic và tương tự, các van, OpsSVTH: NHÓM 2 GVHD: HOÀNG QUỐC XUYÊN3BÀI TẬP LỚN MÔN: SCADA, DCS VÀ MẠNG TTCN1 – 5 ms<= 100 km9.6 kbit/s – 12 Mbit/s3.Kiến trúc giao thứcPROFIBUS chỉ thực hiện các lớp 1, 2, 7 theo mô hình quy chiếu OSI.Tuy nhiên PROFIBUS DP và PA bỏ qua cả lớp 7 nhằm tối ưu hóa việctrao đổi dữ liệu quá trình giữa cấp điều khiển và cấp chấp hành. Một sốchức năng còn thiếu được bổ sung qua lớp giao diện sử dụng nằm trênlớp 7. Bên cạnh các hàm dịch vụ DP cơ sở và mở rộng được quy đinh tạilớp giao diện sử dụng, hiệp hội PI còn đưa ra một số quy định chuyênbiệt về đặc tính và chức năng đặc thù của thiết bị cho một số ứng dụngtiêu biểu. Các đặc tả này nhằm mục đích tạo khả năng tương tác và thaythế lẫn nhau của thiết bị từ nhiều nhà sản xuất. Cả 3 giao thức FMS, PD,PA đều có chung lớp liên kết dữ liệu.PROFIBUS-FMS PROFIBUS-DP PROFIBUS-PAGiao diệnsử dụngFMSProfilesDP-ProfilesPA-ProfilesCác chức năng DP mở rộngCác chức năng DP cơ sởLớp 7FieldmessageSpecificationKhông thể hiệnLớp 3 – 6Lớp 2 Fieldbus Data Link (FDL)Lớp 1RS-485 / RS-485IS / CápquangMBP(IEC 1158-2)- 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 cácSVTH: NHÓM 2 GVHD: HOÀNG QUỐC XUYÊN4BÀI TẬP LỚN MÔN: SCADA, DCS VÀ MẠNG TTCNnhiệm 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. Cáckỹ 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 dịchvụ 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-485Các đặc tính điện học như sau:• Tốc độ truyền thông từ 9.6 kbit/s đến 12 Mbit/s.• Cấu trúc đường thẳng kiểu trunk-line/drop-line hoặc daisy-chain, nếu tốc độ truyền đòi hỏi từ 1.5 Mbit/s trở lên thì sửdụng cấu trúc daisy-chain.• Cáp truyền được sử dụng là đôi dây xoắn có bảo vệ (STP).• Trở kết thúc có dạng tin cậy (fail-safe blasing) với các điện trởlần lượt là 390Ω-220 Ω-390 Ω.• Chiều dài tối đa của một đoạn mạng từ 100 đến 1200m, phụthuộc vào tốc độ truyền được lựa chọn được tóm tắt trongbảng:Tốcđộ(kbit/s)9.6/19.2/45.45/93.75187.5500 15003000/6000/12000Chiềudài1200 1000 400 200 100SVTH: NHÓM 2 GVHD: HOÀNG QUỐC XUYÊN5BÀI TẬP LỚN MÔN: SCADA, DCS VÀ MẠNG TTCN(m)• Số lượng tối đa các trạm trong mỗi đoạn mạng là 32. Có thểdùng tối đa 9 bộ lặp. Tổng số trạm tối đa trong một mạng là126• Chế độ truyền tải không đồng bộ và hai chiều đồng thời.• Phương pháp mã hóa NRZ.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:• Bộ nối tròn M12 theo tiêu chuẩn IEC 947-5-2• Bộ nối Han-Brid theo khuyến cáo của DESINA• Bộ nối kiểu lai của Siemens- Truyền dẫn với RS-485ISCó thể nói RS-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 hỏian 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 vớimô 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 đa32 trạm trong một đoạn mạng RS-485IS.- Truyền dẫn với cáp quangCáp 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 đa chế độ với khoảng cách truyền tối đa 2-3km vàsợi thủy tinh đơn chế độ với khoảng cách truyền có thể trên15km.SVTH: NHÓM 2 GVHD: HOÀNG QUỐC XUYÊN6BÀI TẬP LỚN MÔN: SCADA, DCS VÀ MẠNG TTCN• Sợi chất dẻo với chiều dài tối đa 80m và sợi HCS với chiều dàitối đa 500m.Do đặc điểm liên kết điểm-điểm ở cáp quang, cấu trúc mạng chỉ cóthể là hình sao hoặc mạch vòng. Trong thực tế, cáp quang thường đượcsử dụng hỗn hợp với RS-485 nên cấu trúc mạng phức tạp hơn.- Truyền dẫn với MBPKỹ thuật truyền dẫn MBP thông thường được sử dụng cho một đoạnmạng an toàn riêng (thiết bị trường trong khu vực dễ cháy nổ), đượcghép nối với đoạn RS-485 qua các bộ nối đoạn (segment coupler) hoặccác liên kết (link), có sự hạn chế tốc độ truyền bên đoạn RS-485. Bêncạnh đó, MBP sử dụng phương pháp mã hóa bit Manchester rất bềnvững với nhiễu nên cho phép sử dụng mức tín hiệu thấp hơn nhiều sovới RS-485, đồng thời cho phép các thiết bị tham gia bus được cũngcấp nguồn với cùng đường dẫn tín hiệu.Với MBP, các cấu trúc mạng có thể sử dụng là đường thẳng (trunk-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 tốiđa 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 nạpnguồn bị hạn chế, vì thế số lượng thiết bị trường có thể ghép nối tối đathông thường là 8 – 10. Số lượng bộ lặp tối đa là 4. Với chiều dài tối đamột đoạn mạng là 1900m, tổng chiều dài của mạng sử dụng kỹ thuậtMBP có thể lên tới 9500m.5.Truy nhập busPROFIBUS 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 hơnso với các trạm chủ.SVTH: NHÓM 2 GVHD: HOÀNG QUỐC XUYÊN7BÀI TẬP LỚN MÔN: SCADA, DCS VÀ MẠNG TTCNHai 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 PROFIBUSTrên 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 tốiđa để một trạm chủ lại nhận được Token có thể chỉnh được bằng thamsố. Khoảng thời gian này chính là cơ sở cho việc tính toán chu kỳ thờigian của cả hệ thống.SVTH: NHÓM 2 GVHD: HOÀNG QUỐC XUYÊN8BÀI TẬP LỚN MÔN: SCADA, DCS VÀ MẠNG TTCN6.Dịch vụ truyền dữ liệuCác 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 tuầnhoànDịch vụ không tuần hoàn(Truyền thông báo)Dịch vụ tuần hoànGửi dữ liệu không xác nhận(SDN) (broadcast)Gửi và yêu cầu dữ liệu tuần hoàn(CSRD)Gửi dữ liệu với xác nhận(SDA)Gửi và yêu cầu dữ liệu(SRD)Các dịch vụ truyền dữ liệu PROFIBUSSVTH: NHÓM 2 GVHD: HOÀNG QUỐC XUYÊN9BÀI TẬP LỚN MÔN: SCADA, DCS VÀ MẠNG TTCN- 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, phụcvụ 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 cầudữ 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 trìnhở 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 đổidữ liệu theo một trình tự nhất định, gọi là phương pháp polling. Dođó, 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 điệnMột bức điện (telegram) trong giao thức thuộc lớp 2 của PROFIBUSđược gọi là khung (frame). Ba loại khung có khoảng cách Hamming là4 và một loại khung đặc biệt đánh dấu một token được qui định nhưsau:SVTH: NHÓM 2 GVHD: HOÀNG QUỐC XUYÊN10BÀI TẬP LỚN MÔN: SCADA, DCS VÀ MẠNG TTCN• 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:• Khung với chiều dài thông tin khác nhau, với 1-246 byte dữ liệu:• TokenCác 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:SVTH: NHÓM 2 GVHD: HOÀNG QUỐC XUYÊN11BÀI TẬP LỚN MÔN: SCADA, DCS VÀ MẠNG TTCNNgữ nghĩa khung bức điện FDLKýhiệuTên đầy đủ Ý nghĩaSD1…SD4Start DelimiterByte khởi đầu, phân biệt giữacác loại khung SD1 = 10H, SD2= 68H, SD3 = A2H, SD4 = DCHLE Length Chiều dài thông tin (4-249 byte)Ler Length repeatedChiều dài thông tin nhắc lại vì lýdo an toànDA Destination AddressĐịa chỉ đích (trạm nhận), từ 0-127SA Source AddressĐịa chỉ nguồn (trạm gửi), từ 0-126DU Data Unit Khối dữ liệu sử dụngFC Frame Control Byte điều khiển khungFCSFrame CheckSequenceByte kiểm soát lỗi, HD = 4ED End Delimiter Byte kết thúc, ED = 16HByte điều khiển khung (FC) dùng để phân biệt các kiểu bức điện, vídụ 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).SVTH: NHÓM 2 GVHD: HOÀNG QUỐC XUYÊN12BÀI TẬP LỚN MÔN: SCADA, DCS VÀ MẠNG TTCNSVTH: NHÓM 2 GVHD: HOÀNG QUỐC XUYÊN13BÀI TẬP LỚN MÔN: SCADA, DCS VÀ MẠNG TTCNViệc 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 byteSD, 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.SVTH: NHÓM 2 GVHD: HOÀNG QUỐC XUYÊN14BÀI TẬP LỚN MÔN: SCADA, DCS VÀ MẠNG TTCNChương 2:PROFIBUS - PA2.1. Giới thiệu về Profibus – PAPROFIBUS-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 một hệ thống cục bộ (bộ phận) nhúng trong một hệ thống truyền thong Dp cấp độ cao hơn. Không giống như những ứng dụng tự động trong kỹ thuật sản xuất đòi hỏithời gian chu kỳ ngắn cớ vài ms, trong tự động hóa quá trình có nhiều nhân tố kháccũng cực kỳ quan trọng như Kỹ thuật truyền an toàn nội tại Thiết bị hiện trường được cấp nguồn trên cáp bus Truyền dữ liệu tin cậySVTH: NHÓM 2 GVHD: HOÀNG QUỐC XUYÊN15BÀI TẬP LỚN MÔN: SCADA, DCS VÀ MẠNG TTCN 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 lườngvà 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 thứcProfibus 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 hànhMô hình OSI PROFIBUS-PALớp 7 Lớp ứng dụngKhông sử dụngLớp 6 Lớp biểu diễnLớp 5 Lớp phân phiênLớp 4 Lớp vận chuyểnLớp 3 Lớp mạngSVTH: NHÓM 2 GVHD: HOÀNG QUỐC XUYÊN16BÀI TẬP LỚN MÔN: SCADA, DCS VÀ MẠNG TTCNLớp 2Lớp liên kết dữliệuFieldbus Data Link(FDL)Lớp 1 Lớp vật lý MBP (IEC-611582)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.a. DDLM và giao diện người sử dụngCác tầng OSI 3-7 không được sử dụng với profibus DP và PA, cả 2 hệ thốngnày sử dụng giao diện người sử dụng đồng nhất. Do đó profibus PA được tính đến trong các ứng dụng chuẩn hóa của tầng 2.SVTH: NHÓM 2 GVHD: HOÀNG QUỐC XUYÊN17BÀI TẬP LỚN MÔN: SCADA, DCS VÀ MẠNG TTCNGiao diện người sử dụng cùng với Direct Data Link Mapper(DDLM) hình thành giao diện giữa chương trình ứng dụng và tầng 2. Với DPV1, DDLM cung cấp một số chức năng dịch vụ không đồng bộ, chẳng hạn như:- DDLM_initiate, DDLM_read, DDLM_write, DDLM_Abort; DDLM_Alarm_Ackcác chức năng DDLM này được sử dụng như một nền tảng cho các dịch vụ truyền thông, như khởi động, bảo dưỡng, chuẩn đoán và thông báo cảnh báo.Hệ thống do Master class 1 điều khiển, sử dụng kỹ thuật trao đổi dữ liệu theo chu kỳ.Nhiều chức năng của giao diện người sử dụng tạo nên một giao diện mạnh mẽhơn cho hệ thống truyền thông tiên tiến. Ngoài ra, một hệ thống mở, hiện đại cho các ứng dụng tự động hóa quá trình đòi hỏi các thành phần của các nhà sản xuất khác nhau có thể traon đổi được (chính là khả năng tương tác). Điều này yêu cầu phải xác định (định ngĩa) chính xác tất cả giao diện thiết bị.Để định nghĩa các giao diện, Profibus PA sử dụng một số yếu tố hoặc các phần mô tả, cụ thể như sau:- Các file cơ sở dữ liệu thiết bị - Device Database file (GSD)- Profile thiết bị- Mô tả thiết bị điện tử - Electronic Device Description (EDD) hay field Device Tool (FDT)b. Lớp vật lý (lớp 1)Có 2 cách khác nhau để nhận ra kỹ thuật truyền chon profibus PA- Hoặc theo chuẩn RS 485- Hoặc theo chuẩn IEC 61158-2 được xác định riêng cho những khu vực có nguy cơ cháy nổ và cấp nguồn trên bus. Có 4 biến thể IEC 61158-2, nhưngchỉ có profibus PA sử dụng chế độ điện áp 31.25 kbit/s.Khi sử dụng giao diện RS485, profibus FMS, profibus DP, profibus PA có thể được vận hành cùng nhau trên một đường bus chung. Tuy nhiên truyềnthông an toàn nội tại trong những khu vực có nguy cơ cháy nổ đòi hỏi việclắp đặt phải tuân theo chuẩn IEC 611582SVTH: NHÓM 2 GVHD: HOÀNG QUỐC XUYÊN18BÀI TẬP LỚN MÔN: SCADA, DCS VÀ MẠNG TTCNCác master của một hệ thống PA- trạm điều khiển và vận hành luôn hoạt động trên một đường bus profibus DP.• Kỹ thuật truyền dẫn IEC 61158-2Với kỹ thuật truyền dẫn IEC 61158-2, phân đoạn PA đưa ra một số thông số vật lý sau:- Truyền dữ liệu đồng bộ kỹ thuật số, bit- Tốc độ truyền dữ liệu: 31.25kbit/s- Manchester coding mà không tính giá trị trung bình, với sự biến điệu dòng/ biên độ 9mA - Nguồn cấp DC từ xa: tối đa 32V- Truyền tín hiệu và cấp nguồn từ xa trên đường 2 dây xoắn- 126 thiết bị có thể định vị địa chỉ- Cấu trúc mạng đường thẳng hay hình cây- Độ dài line lên tới 1900m- 32 thiết bị trên mỗi phân đoạn line- Có thể mở rộng mạng với tối đa 4 bộ lặp (repeater)Các thuộc tính của 1 field bus cũng được xác định bởi các đặc tính kỹ thuật điện của cáp truyền tải.Mặc dù IEC 61158-2 không xác định một loại cáp cụ thể, nhưng có thể tham khảo cáp như trong hình 12 (Type A).Chỉ có loại cáp này cho phép truyền dữ liệu trên phạm vi tới 1.900mĐể đạt được độ tương thích điện từ (EMC)tốt b nhất ,các đường bus phải được bọc bảo vệ.Tấm chắn bảo vệ này cũng như các hộp kim loại của thiết bị hiện trường phải được tiếp đất.2.3. Cơ chế giao tiếp (lớp 2)a. Truy nhập bus và lập địa chỉ trong truyền thông profibus PA, có thể thực hiện các hệ thống đa master. Hệ thốngđiều khiển truy cập bus hybrid hoạt động trên phương thức token passing (truyền mã thông báo) và sử sụng nguyên tắc master/slave để giao tiếp với các đối tượng tham gia thụ động (passive participant).Mỗi master nhận mã thông báo (token) SVTH: NHÓM 2 GVHD: HOÀNG QUỐC XUYÊN19BÀI TẬP LỚN MÔN: SCADA, DCS VÀ MẠNG TTCNtrong một khung thời gian chính xác cho phép chỉ mình master đó điều khiển trên mạng truyền thông trong khung thờ gian đó.Một địa chỉ thiết bị 7 bít xác định các đối tượng bus tham gia trong mạng.Các địa chỉ có dải từ 0-127,trong đó:- Địa chỉ 126: mặc định gán địa chỉ tự động qua master ;- Địa chỉ 127: gửi bức điện (telegrams) rộng khắp.Nếu như địa chỉ 0 được sử dụng cho master class-1,các địa chỉ từ 1-125 được sử dụng cho các thiết bị hiện trường và master class-2.Các địa chỉ thường được gán qua 7 chuyển mạch DIP trên thiết bị hoặc qua phần mềm.b. Trình tự giao tiếp và cơ chế bảo vệ lỗi Profibus PA và DP đều được trang bị nhiều cơ cấu an toàn để đảm bảo truyền thông phi sự cố.Ví dụ, trong quá trình khởi tạo hệ thống, một số nguồn có khả năng bị lỗi đã được kiểm tra.Sau khi hệ thống được cấp điện, slave luôn trong tư thế sẵn sàng trao đổi dữ liệu nếu như master gửi đi trước một bức điện tham số hóa và sau đó đến một bức điện cấu hình. Chỉ khi các bức điện này phù hợp với các đặc tính hoạt động, slave mới chấp nhận các lệnh từ master. Ví dụ, số line đầu ra được master cấu hình phải phù hợp với số line đầu ra hiện có trong thiết bị.Với sự trợ giúp của các lệnh Get-Cfg có thể tải cấu hình thiết bị của tất cả slave. Do đó có thể tránh được các lỗi tham số hóa trong mạng nếu master so sánh sự lắp ráp thiết bị như kế hoạch với cấu hình hiện có. Thông tin cần thiết cho quá trình này (kiểu thiết bị ,số đầu vào và đầu ra, định dạng và độ dài dữ liệu) nhận được qua file cơ sở dữ liệu thiết bị và các mô tả (description).Hình 25 minh họa chu kỳ khởi tạo điển hình trong quá trình khởi động một hệ thống .-Ngoài khả năng kiểm tra lỗi điều khiển của các bức điện dx liệu trong quátrình vận hành, quá trình truyền thông cũng được giám sát bởi các cơ cấu an toàn theo thời gian và giao thức.SVTH: NHÓM 2 GVHD: HOÀNG QUỐC XUYÊN20BÀI TẬP LỚN MÔN: SCADA, DCS VÀ MẠNG TTCN-Mỗi master điều khiển giao tiếp với các slave nhờ các bộ định thời (timer)đặc biệt được sử dụng để kiểm tra trình tự thời gian của lưu lượng dữ liệu có ích.-Với các slave, chức năng giám sát đầu độc sẽ chuyển các đầu ra trong trạng thái an toàn xác định trước nếu quá trình truyền dữ liệu không xảy ra với master trong một khoảng thời gian cố định.-Các đầu ra của slave được bảo vệ chống lại sự truy cập. Khi đó chỉ masterđược quyền trong hệ thống đa master mới được phép truy cập (ghi) trong khi việc đọc các đầu vào và đầu ra cũng có thể được thực hiện mà không cần quyền truy cập.Sự an toàn của hệ thống thậm chí còn cao hơn vì mỗi master -1 báo cáo trạng thái hệ thống của nó theo chu kỳ tới tất cả slave đã được chỉ định trong khoảng thời gian có thể cấu hình sử dụng một lệnh multicast. Master có thể được tham số hóa sao cho có thể chuyển tất cả slave tới một trạng thái an toàn và dừng hoạt động truyền dữ liệu trong trường hợp hệ thống bịlỗi ….khi slave bị hỏng.c. Các dịch vụ truyền thông tầng 2Tầng 2 (Layer 2) cung cấp tầng ứng dụng với các dịch vụ truyền thông SRD và SDN :-Với dịch vụ SRD (gửi và yêu cầu dữ liệu có phản hồi – Send and Request Data with reply),master phát ra một lệnh hay gửi dữ liệu tới slave và nhận hồi đáp từ slave trong một khoảng thời gian xác định.Hồi đáp này bao gồm hoặc là một tin báo nhận(tin báo nhận ngắn gọn ) hoặc dữ liệu theo yêu cầu(hình 18).-Dịch vụ SDN(gửi dữ liệu mà không có tin báo nhận-Send Data with No acknowledge) gửi dữ liệu tới một nhóm slave.Dịch vụ này cho phép đồng bộ hóa điều khiển sự kiện,tại đó tất cả slave thiết đặt (set) các đầu ra cùng một lúc(chế độ đồng bộ - Sync mode)b hay cập nhật dữ liệu đầu vào cùng một lúc (chế độ cố định – Freeze mode).Trong trường hợp này không thể thực hiện chỉ định bus điều khiển master cho slave, do đó các bức điện SDN vẫn không được phúc đáp.Điểm truy cập dịch vụ (Service Access Points – SAP )cho phép truy cập ứng dụng các dạng truyền thông cơ bản này và các dịch vụ tầng 2 khác nhau.Các SVTH: NHÓM 2 GVHD: HOÀNG QUỐC XUYÊN21BÀI TẬP LỚN MÔN: SCADA, DCS VÀ MẠNG TTCNSAP này được các tầng cao hơn sử dụng để thực hiện tất cả các nhiệm vụ truyền thông của chương trình ứng dụng tương ứng.d. Đặc tính dữ liệu Cùng với độ dài,tốc độ dữ liệu của người sử dụng thay đổi trong phạm vi 8-96%.Tốc độ truyền 31.25 kbit/s dẫn đến thời gian truyền của mỗi bức điện là 0.4-8.2 ms,don đó mỗi byte dữ liệu của người sử dụng cần trung bình 0.4-32ms.Tốc độ truyền dữ liệu như vậy là đủ chẳng hạn như để đáp ứng 10 vòng điều khiển,bao gồm 10 sensor và 10 actuator tương ứng trong thời gian chu kỳđiều khiển khoảng 210 ms.Trong quá trình đánh giá ,người ta thấy rằng chỉ duy nhất một giá trị theo chu kỳ (5 byte dữ liệu người sử dụng)phải được truyền trên mỗi thiết bị .Cứ mỗi giá trị thêm vào, thời gian chu kỳ tối thiểu tăng (5x8 bits)/(31.25 kbit/s).Có thể áp dụng theo công thức:Thời gian chu kỳ ≥+10ms x số thiết bị+10ms (đối với các dịch vụ master class-2 không theo chu kỳ)+1.3 ms (đối với mỗi giá trị theo chu kỳ thêm vào)SVTH: NHÓM 2 GVHD: HOÀNG QUỐC XUYÊN22BÀI TẬP LỚN MÔN: SCADA, DCS VÀ MẠNG TTCNChương 3:CẤU TRÚC KHUNG TIN1.Cấu trúc bức điện của profibusMột bức điện (telegram) trong giao thức thuộc lớp 2 của PROFIBUSđược gọi là khung (frame). Ba loại khung có khoảng cách Hamming là4 và một loại khung đặc biệt đánh dấu một token được qui định nhưsau:• 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:• Khung với chiều dài thông tin khác nhau, với 1-246 byte dữ liệu:• TokenSVTH: NHÓM 2 GVHD: HOÀNG QUỐC XUYÊN23BÀI TẬP LỚN MÔN: SCADA, DCS VÀ MẠNG TTCNCác 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 FDLKýhiệuTên đầy đủ Ý nghĩaSD1…SD4Start DelimiterByte khởi đầu, phân biệt giữacác loại khung SD1 = 10H, SD2= 68H, SD3 = A2H, SD4 = DCHLE Length Chiều dài thông tin (4-249 byte)Ler Length repeatedChiều dài thông tin nhắc lại vì lýdo an toànDA Destination AddressĐịa chỉ đích (trạm nhận), từ 0-127SA Source AddressĐịa chỉ nguồn (trạm gửi), từ 0-126DU Data Unit Khối dữ liệu sử dụngFC Frame Control Byte điều khiển khungFCSFrame CheckSequenceByte kiểm soát lỗi, HD = 4ED End Delimiter Byte kết thúc, ED = 16HByte điều khiển khung (FC) dùng để phân biệt các kiểu bức điện, vídụ 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.2.Cấu trúc khung tin của profibus PAFDL định nghĩa theo các bức điện sau đây- Bức điện không có trường dữ liệu (6 byte điều khiển)- Bức điện với một trường dữ liệu có độ dài cố định (8 byte dữ liệu và6 byte điều khiển)SVTH: NHÓM 2 GVHD: HOÀNG QUỐC XUYÊN24BÀI TẬP LỚN MÔN: SCADA, DCS VÀ MẠNG TTCN- điện tín với một trường dữ liệu biến (0-244 byte dữ liệu và 9-11 byteđiều khiển),- xác nhận ngắn gọn (1 byte)- bức điện mã thông báo cho kiểm soát truy cập bus(3 byte).Khoảng cách HammingVới tất cả các hệ thống truyền dữ liệu, tính chẵn lẻ và khối kiểm tra cácđiện tín là được sử dụng để đạt được một khoảng cách Hamming của HD= 4, vì vậy có đến ba lỗi có thể được phát hiện một cách chắc chắn.Trong hình. 3.1, phần trên minh họa cấu trúc của một bức điện tín FDLvới một biếnchiều dài trường dữ liệu. Trong khi các byte của bức điện tín FDL đượctruyềnkhông đồng bộ trong các hình thức UART ký tự trên dòng RS 485,truyền trên các phân đoạn IEC là bit đồng bộ. Ở đây, các bức điện tínFDLđược cung cấp thêm với lời mở đầu và bắt đầu và kết thúc ký tự phâncách(xem hình. 3.1 dưới đây).Tốc độ dữ liệu người sử dụng caoHiệu suất dữ liệuKích thước của bức điện như hình. 3.1 phụ thuộc vào chiều dài củatrường dữ liệu. Cùng với chiều dài, thay đổi tốc độ dữ liệu người sửdụng trong giới hạn tám và 96 phần trăm (một hoặc 244 byte dữ liệu vàmười một byte kiểm soát mỗi).SVTH: NHÓM 2 GVHD: HOÀNG QUỐC XUYÊN25