Vai Vai trò trò ccủủa m a mạạng truy ng truyềền thông công nghi n thông công nghiệệ p p
Vào đầu thế kỷ 20, các hệ thống điều khiển quá trình và hệ thống sản xuất đã được thiết kế dựa trên nền tảng công nghệ cơ khí và các thiết bị xử lý bằng tín hiệu tương tự.
Công nghệ điều khiển khí nén và thủy lực đã phát triển mạnh mẽ và được ứng dụng rộng rãi Công nghệ này cho phép điều khiển hệ thống từ xa thông qua hệ thống điều khiển trung tâm Đến nay, những kỹ thuật công nghệ này vẫn còn rất phổ biến trong nhiều lĩnh vực.
Sự phát triển phổ biến của các giải pháp tự động hóa và sử dụng hệ thống truyền thông thông số là kết quả tổng hợp của các tiến bộ trong kỹ thuật vi điện tử, kỹ thuật máy tính, và kỹ thuật thông tin Mạng truyền thông công nghiệp (MCN) là khái niệm chung chỉ các hệ thống mạng truyền thông thông số, được sử dụng để ghép nối các thiết bị công nghiệp Các hệ thống truyền thông công nghiệp hiện nay cho phép kết nối một mạng ở nhiều mức khác nhau, từ cảm biến, cơ cấu chấp hành đến máy tính điều khiển và các thiết bị giám sát, hỗ trợ quản lý và điều hành trong các doanh nghiệp.
Ghép nối thiết bị và trao đổi thông tin là một trong những vấn đề cơ bản trong bất kỳ giải pháp tự động hóa nào Một bộ điều khiển cần được ghép nối với các cảm biến và cơ cấu chấp hành Giữa các bộ điều khiển trong một hệ thống điều khiển phân tán, cần trao đổi thông tin với nhau để phối hợp thực hiện điều khiển trong cả quá trình sản xuất Ở một cấp cao hơn, các trạm vận hành trong trung tâm điều khiển cũng cần được ghép nối và giao tiếp với các bộ điều khiển để có thể theo dõi, giám sát toàn bộ quá trình sản xuất và hệ thống điều khiển.
Hình 1.1 N Hình 1.1 N ố ố i dây truy i dây truyề ề n thông (a) và n n thông (a) và nố ố i m i mạạng công nghi ng công nghiệệ p (b) p (b)
Sử dụng mạng truyền thông công nghiệp, đặc biệt là bus trường, để thay thế cách nối điểm m – điểm c trong các thiết bị công nghiệp mang lại nhiều lợi ích Các hệ thống này cải thiện hiệu suất, giảm chi phí lắp đặt và bảo trì, đồng thời tăng cường khả năng mở rộng và linh hoạt cho các ứng dụng công nghiệp.
Đơn giản hóa cấu trúc liên kết giữa các thiết bị công nghiệp là một yếu tố quan trọng, giúp tối ưu hóa việc kết nối và truyền dữ liệu Việc ghép nối các thiết bị thuộc các chủng loại khác nhau thông qua một đường truyền duy nhất không chỉ nâng cao hiệu suất mà còn giảm thiểu chi phí.
Tiết kiệm dây nối và công thiết kế, lắp đặt hệ thống là một yếu tố quan trọng Nhờ cấu trúc đơn giản, việc thiết kế hệ thống trở nên dễ dàng hơn nhiều Một số lượng lớn cáp truyền được thay thế bằng một đường duy nhất, giúp giảm chi phí đáng kể cho nguyên vật liệu và công lắp đặt.
Nâng cao độ tin cậy và chính xác của thông tin là rất quan trọng Việc sử dụng phương pháp truyền tín hiệu tương tự cổ điển có thể bị ảnh hưởng bởi nhiễu, dẫn đến sự thay đổi nội dung thông tin mà các thiết bị không thể nhận biết được.
Nhờ vào kỹ thuật truyền thông số, thông tin được truyền đi một cách chính xác hơn và khó bị sai lệch Các thiết bị mạng hiện đại còn có khả năng tự phát hiện và chẩn đoán lỗi nếu có Hơn nữa, việc giảm thiểu sự chuyển đổi qua lại giữa tín hiệu tương tự và số giúp nâng cao độ chính xác của thông tin.
Nâng cao tính linh hoạt và khả năng mở rộng của hệ thống mạng chuẩn hóa quốc tế tạo điều kiện thuận lợi cho việc sử dụng các thiết bị của nhiều hãng khác nhau Việc thay thế, nâng cấp và mở rộng phạm vi chức năng của hệ thống cũng trở nên dễ dàng hơn Khả năng tương tác giữa các thành phần (phần cứng và phần mềm) được nâng cao nhờ các giao diện chuẩn.
Đơn giản hóa quy trình tham số hóa và chẩn đoán thiết bị cho phép các thiết bị truyền thông có khả năng trao đổi dữ liệu, gửi thông tin trạng thái, cảnh báo và dữ liệu chẩn đoán Các thiết bị này có thể tích hợp khả năng tự chẩn đoán và tương tác với nhau Việc cấu hình hệ thống, lập trình và điều chỉnh thiết bị có thể được thực hiện từ xa thông qua một trạm kỹ thuật trung tâm.
Hệ thống thông minh mở ra nhiều chức năng và khả năng ứng dụng mới, cho phép sử dụng mạng truyền thông công nghiệp để áp dụng các kiến trúc điều khiển phân tán Điều này giúp giám sát và chẩn đoán lỗi từ xa qua internet, tích hợp thông tin của hệ thống điều khiển và giám sát với thông tin điều hành sản xuất và quản lý công ty.
Mạng truyền thông công nghiệp đã làm thay đổi tư duy về thiết kế và tích hợp hệ thống Các giải pháp sử dụng mạng công nghiệp không chỉ ảnh hưởng đến kỹ thuật mà còn đem lại hiệu quả kinh tế rõ rệt Chính vì vậy, ứng dụng của nó ngày càng rộng rãi trong hầu hết các lĩnh vực công nghiệp, như điều khiển quá trình, tự động hóa xí nghiệp, và tự động hóa tòa nhà, cũng như điều khiển giao thông.
Trong quá trình điều khiển, các hệ thống bus trường đã dần thay thế các mạch dòng tương tự Trong các hệ thống tự động hóa, việc bỏ qua nhiều phần tử trung gian nhờ vào các bus ghép nối trực tiếp các thiết bị cả cảm biến và chấp hành là rất quan trọng Tóm lại, sử dụng mạng truyền thông công nghiệp là không thể thiếu trong việc tích hợp các hệ thống tự động hóa hiện đại.
C
Hình 1.2 C Hình 1.2 C ấ ấ u trúc t u trúc t ổ ổ ng quan c ng quan củủa m a mạạng truy ng truyề ề n thông công nghi n thông công nghiệệ p p Bus tr
Bus tr ườ ườ ng, bus thi ng, bus thi ếế t b t b ịị Bus tr
Bus trường (fieldbus) là một khái niệm chung được sử dụng trong các ngành công nghiệp chế biến để chỉ các hệ thống bus nối tiếp, sử dụng kỹ thuật truyền tin số để kết nối các thiết bị thuộc cấp điều khiển (PC, PLC) với nhau và với các thiết bị tại cấp hành Các chức năng chính của cấp hành là đo lường, truyền động và chuyển đổi tín hiệu trong trường hợp cần thiết Các thiết bị có khả năng nối mạng bao gồm các vào/ra phân tán (distributed I/O), các thiết bị đo lường (sensor, transducer, transmitter) hoặc các cơ cấu chấp hành (actuator, valve) có tích hợp khả năng xử lý truyền thông Một số kiểu bus trường chỉ thích hợp cho những ứng dụng nhất định.
TÌM HIỂ TÌM HIỂ U CÁC MU CÁC M ẠẠ NG TRUYNG TRUY ỀỀ N THÔNG CN THÔNG C ỦỦ A SIEMENSA SIEMENS 6
Truyềền n thông thông Modbus Modbus RTU RTU
CHƯƠNG 2 CHƯƠNG 2 TÌM HI TÌM HI Ể Ể U CÁC M U CÁC M Ạ Ạ NG TRUY NG TRUY Ề Ề N THÔNG C N THÔNG C Ủ Ủ A SIEMENS A SIEMENS 2.1 Truy
2.1 Truy ềề n thông Modbus RTU n thông Modbus RTU Modbus là m
Modbus là mộột giao th t giao thứức do hãng Modicon (sau này thu c do hãng Modicon (sau này thuộộc AEG và Schneider c AEG và Schneider Automation) phát tri
Modbus là một giao thức truyền thông tiêu chuẩn trong tự động hóa, hoạt động theo mô hình ISO/OSI Giao thức này thực chất là một chuỗi các thông điệp, cho phép truyền tải dữ liệu giữa các thiết bị trong hệ thống Với khả năng tương thích cao, Modbus có thể được triển khai trên nhiều nền tảng khác nhau như TCP/IP, MAP (Manufacturing Message Protocol) và Modbus Plus, giúp tối ưu hóa việc truyền tải thông tin trong các ứng dụng công nghiệp.
Modbus Plus và ngay cảả qua qua đườ đườ ng truy ng truyềền n n nốối ti i tiếế p RS-232, RS-485 p RS-232, RS-485.
Giao thứức Modbus RTU là m c Modbus RTU là mộột giao th t giao thứức c m mở ở , , ssửử ddụng đườ ụng đườ ng truy ng truyềền n vvậật lý t lý RS-232 ho
RS-232 và RS-485 là hai giao thức truyền thông phổ biến, đặc biệt trong mô hình Master-Slave Chúng được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như Hệ thống Quản lý Tòa nhà (BMS), tự động hóa, công nghiệp và điện lực Các giao thức này giúp cải thiện hiệu suất và khả năng kết nối giữa các thiết bị trong các ứng dụng công nghiệp.
2.1.1 Chu ẩẩ n v n v ậậ t lý t lý Giao th
Giao thức Modbus RTU là một phương thức truyền thông hiệu quả, được sử dụng phổ biến trong các hệ thống tự động hóa Trong mô hình OSI, Modbus RTU hoạt động ở lớp liên kết dữ liệu, cho phép truyền tải thông tin một cách nhanh chóng và chính xác Giao thức này hỗ trợ việc giao tiếp giữa các thiết bị khác nhau, đảm bảo tính tương thích và linh hoạt trong các ứng dụng công nghiệp.
OSI và Modbus RTU là giao thức hoạt động ở lớp ứng dụng (Application Layer), do đó cần có lớp vật lý (Physical Layer) phía dưới để kết nối với các thiết bị khác Các chuẩn truyền thông vật lý như RS-232 và RS-485 được sử dụng cho giao thức này Trong đó, RS-232 là một trong những chuẩn phổ biến cho việc truyền dữ liệu.
RS-232 là một chuẩn giao tiếp truyền dữ liệu nối tiếp, cho phép kết nối và truyền thông giữa các thiết bị điện tử.
❖ Đặc tính điệ Đặc tính điện h n họọcc RS-232 s
RS-232 là một phương thức truyền thông không đồng bộ, sử dụng tín hiệu điện để truyền dữ liệu giữa các thiết bị Điện áp được sử dụng dao động trong khoảng từ -15V đến 15V, trong đó khoảng từ 3V đến 15V tương ứng với giá trị logic 0, và khoảng từ -15V đến -3V tương ứng với giá trị logic 1, như biểu diễn trong Hình 2.1.
Hình 2.1 Qui đị Hình 2.1 Qui định tr nh tr ạạng thái logic c ng thái logic củủa tín hi a tín hiệệu RS-232 u RS-232
Tín hiệu logic trong hệ thống điện tử thường được biểu diễn bằng các giá trị 0 và 1, với phạm vi hoạt động xác định Trong môi trường thực tế, sự thay đổi giá trị logic từ 0 lên 1 hoặc ngược lại cần phải diễn ra trong khoảng thời gian ngắn để đảm bảo tính chính xác Ví dụ, tiêu chuẩn DIN 66259 phần 2 quy định rằng độ dốc tối thiểu của một tín hiệu phải đạt 6V/ms hoặc 3% nhịp xung, tùy thuộc vào giá trị nhỏ hơn Điều này dẫn đến việc cần hạn chế điện dung của các thiết bị tham gia và đường truyền để đảm bảo tín hiệu được truyền đạt hiệu quả.
Tốc độ truyền dẫn dữ liệu phụ thuộc vào chiều dài dây dẫn Hiện nay, hầu hết các hệ thống chỉ hỗ trợ tốc độ tối đa 19.2kBd với chiều dài cho phép từ 30-50m Gần đây, sự tiến bộ trong vi mạch đã góp phần nâng cao tốc độ của các modem lên nhiều lần so với mức 19.2kBd.
Bảảng 2.1 Tóm t ng 2.1 Tóm t ắ ắ t các thông s t các thông số ố quan tr quan tr ọọng c ng củủa RS-232 a RS-232 Thông s
Thông số kỹ thuật của mạch bao gồm điện áp đầu vào tối thiểu là 25V và điện áp đầu ra tối đa là 15V Khi có tải, điện áp đầu ra là 5V với trở kháng từ 3kΩ đến 7kΩ.
Tr ở ở kháng đầ kháng đầu ra khi c u ra khi cắắt ngu t nguồồnn -2V -2V ≤ ≤ VO VO ≤ ≤ 2V 2V 300 300Ω Ω Dòng ra ng
Dòng ra ngắắn m n mạạch ch 500mA 500mA Điệ Điện dung t n dung tảải i 2500pF 2500pF
Tr ở ở kháng đầ kháng đầu vào u vào 3V 3V ≤ ≤ VI VI ≤ ≤ 25V 25V 3k 3k Ω Ω 7k 7k Ω Ω Ngưỡ
Ngưỡ ng cho giá tr ng cho giá tr ịị logic logic 0 0 3V 3V Ngưỡ
Ngưỡ ng cho giá tr ng cho giá tr ịị logic logic 1 1 -3V -3V
❖ Giao di Giao diện cơ họ ện cơ họcc
Hình 2.2 Đầ Hình 2.2 Đầu n u nố ố i DB-9 i DB-9
Hình 2.3 Hình 2.3 Đầ Đầu n u nố ố i DB-25 i DB-25
Chuẩn EIA/TIA-232F quy định ba loại giắc cắm RS-232, bao gồm DB-9 (chín chân), DB-25 (25 chân) và ALT-A (26 chân).
DB-25 (25 chân) và ALT-A (26 chân) là hai loại đầu nối phổ biến, trong đó DB-9 cũng đã được chuẩn hóa riêng trong EIA/TIA-574 Các chân quan trọng của những đầu nối này được mô tả chi tiết dưới đây.
− RxD ( RxD ( Receive Data) Receive Data):: Đườ Đườ ng nh ng nhậận d n dữữ li liệệu u.
− TxD ( TxD (Transmit Data) Transmit Data):: Đườ Đườ ng g ng gửửi d i dữữ li liệệu u.
Chân DTR (Data Terminal Ready) thường ở trạng thái ON khi thiết bị đầu cuối sẵn sàng thiết lập kênh truyền thông Khi mạch DTR ở trạng thái ON, thiết bị đầu cuối (DCE) cho phép hoạt động ở chế độ "tự trả lời", chấp nhận lệnh gửi mà không yêu cầu Ngược lại, mạch DTR chỉ ở trạng thái OFF khi thiết bị đầu cuối không muốn DCE chấp nhận lệnh gửi từ xa, chuyển sang chế độ cụ bộ.
− DSR ( DSR ( Data S Data Set Ready, et Ready, DCE Ready DCE Ready): C ): Cảả hai modem chuy hai modem chuyểển n m mạạch DSR sang ch DSR sang
ON khi mộộtt đườ đườ ng truy ng truyềền thông n thông đđãã đượ đượ c thi c thiếết l t lậậ p gi p giữữa hai bên a hai bên.
Chân DCD (Data Carrier Detect) được sử dụng để kiểm soát việc truy nhập vào đường truyền Khi tín hiệu DCD là OFF, điều này cho thấy rằng đường truyền đang bị ngắt kết nối và không thể gửi dữ liệu (chân RTS) Ngược lại, khi tín hiệu DCD là ON, điều này có nghĩa là đối tác đã gửi tín hiệu RTS và quyền kiểm soát đường truyền được xác lập.
RTS (Request To Send) là một cơ chế kiểm soát lưu lượng dữ liệu trong truyền thông Khi một thiết bị cần gửi dữ liệu, nó sẽ kích hoạt tín hiệu RTS để thông báo cho modem của nó Thông tin này sau đó được chuyển tiếp đến modem xa, giúp quản lý và điều phối việc truyền tải dữ liệu một cách hiệu quả.
Khi CTS (Clear To Send) chuyển sang trạng thái ON, modem sẽ nhận được thông báo rằng nó đã sẵn sàng nhận dữ liệu từ trạm và kiểm soát đường truyền thông cho việc truyền dữ liệu đi xa.
− RI RI (( Ring Ring Indicator Indicator ): Khi modem nh ): Khi modem nhậậnn đượ đượ c c m mộột t llờ ờ i i ggọọi, i, m mạạch RI chuy ch RI chuyểểnn ON/OFF m
Truyềền n thông thông Profibus Profibus 18 18
Hình 2.10 Giắ ắ c c c cắ ắ m DB9 m DB9 Ph
Phần giắc cắm DB9 được trình bày chi tiết trong phần Giao diện cơ học của RS232, cung cấp thông tin quan trọng về cấu trúc và chức năng của giắc cắm này.
2.2 Truy ềề n thông Profibus n thông Profibus PROFIBUS (Process Field Bus) là m
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 tiêu chuẩn châu Âu EN 50.
170 trong năm 1996 và chuẩn qu n quốốc t c tếế IEC 61158 vào cu IEC 61158 vào cuốốii năm 1999 Bên cạnh đó, năm 1999 Bên cạnh đó, PROFIBUS còn được đưa ra vào trong chuẩ
PROFIBUS được công nhận trong tiêu chuẩn IEC 61784, không chỉ là một hệ thống truyền thông mà còn là một công nghệ tự động hóa hiện đại Với sự phát triển gần đây, PROFIBUS đã khẳng định vai trò quan trọng trong ngành công nghiệp tự động hóa.
PROFIBUS là một hệ thống kết nối các bộ điều khiển trong các hệ thống điều khiển phân tán, bao gồm cảm biến, thiết bị thực thi và bộ truyền động Hệ thống này hoạt động ở cấp fieldbus và cho phép trao đổi dữ liệu nhất quán với các hệ thống truyền thông cao hơn.
2.2.1 Chu ẩẩ n v n v ậậ t lý t lý a) a) Truy Truyề ề n d n d ẫ ẫ n v n vớ ớ i RS-485: i RS-485:
Chuẩn PROFIBUS theo IEC 61158 quy định các đặc tính điện học và cơ học của giao diện RS-485, đồng thời xác định môi trường truyền thông Dựa trên những tiêu chuẩn này, các ứng dụng có thể lựa chọn các thông số thích hợp Các đặc tính điện học bao gồm nhiều yếu tố quan trọng.
− T Tốc độ ốc độ truy truyềền thông t n thông từừ 9,6 kbit/s đế 9,6 kbit/s đến 12 Mbit/s n 12 Mbit/s.
Cấu trúc đường truyền có thể bao gồm các kiểu như đường thẳng, đường trục, hoặc nhánh (trunk-line/drop-line) và cấu trúc daisy-chain Tốc độ truyền tải trong cấu trúc daisy-chain bắt đầu từ 1,5 Mbit/s trở lên, đáp ứng yêu cầu kết nối hiệu quả.
Cáp truyền dữ liệu sử dụng là cáp xoắn đôi có bảo vệ (STP) Hiện nay, PI khuyến cáo nên dùng cáp loại A để đảm bảo hiệu suất truyền tải tốt nhất.
Tr Tr ở k k ếết thúc có d t thúc có dạạng tin c ng tin cậậy (fail-safe biasing) là một phương pháp quan trọng trong thiết kế hệ thống điện Phương pháp này giúp đảm bảo rằng hệ thống hoạt động ổn định và an toàn, ngay cả khi có sự cố xảy ra Việc áp dụng fail-safe biasing với các điện n tr tr ở ở llần lượ t là t là 390 mang lại hiệu quả cao trong việc bảo vệ thiết bị và người sử dụng.
Chiều dài tối đa của một đoạn mạng có thể từ 100m đến 1200m, phụ thuộc vào tốc độ truyền được lựa chọn Mối quan hệ giữa tốc độ truyền và chiều dài tối đa của đoạn mạng được tóm tắt trong bảng 2.4.
Số lượng trạm tối đa trong mỗi mạng là 32, với khả năng sử dụng tối đa 9 bộ lặp tức 10 đoạn mạng Tổng số trạm tối đa trong một mạng có thể lên đến 126.
− Ch Chếế độ độ truy truyềền t n tải không đồ ải không đồng b ng bộộ và hai chi và hai chiều không đồ ều không đồng th ng thờ ờ i.i.
− Phương pháp mã hóa bit NRZ Phương pháp mã hóa bit NRZ
Bảảng 2.4 Chi ng 2.4 Chiề ề u dài t u dài t ối đa củ ối đa của m a một đoạ ột đoạn m n mạạng PROFIBUS (cáp STP lo ng PROFIBUS (cáp STP loạại A) i A) T
Tốc độ ốc độ (kbit/s) (kbit/s)
Giao diện cơ học cho các bộ nối loại D-sub 9 chân được sử dụng phổ biến nhất với cấp bảo vệ IP20 Trong trường hợp yêu cầu cấp bảo vệ IP65/67, có thể sử dụng các loại giao diện khác nhau để đáp ứng nhu cầu này.
− B Bộộ n nốối tròn M12 theo chu i tròn M12 theo chuẩẩn IEC 947-5-2 n IEC 947-5-2.
− B Bộộ n nốối Han-Brid theo khuy i Han-Brid theo khuyếến cáo c n cáo củủa DENISA a DENISA.
Bộ nối Hibrid HAN-BRID của Siemens cho phép truyền dữ liệu qua cáp quang và cung cấp điện áp nguồn 24V cho các ngoại vi thông qua cáp đồng.
− Đầ Đầu n u nốối M12 cho RS 485 -c i M12 cho RS 485 -cấấ p b p bảảo v o vệệ IP 65/67 s IP 65/67 sơ ơ đồ đồ chân: 1: VP, 2: chân: 1: VP, 2:
RxD/TxD-N, 3: DGND, 4: RxD/TxD, 5: vRxD/TxD-N, 3: DGND, 4: RxD/TxD, 5: vỏỏ b bọọc c.
Đầu nối Han-Brid kiểu Cu-Fo được sử dụng để truyền dữ liệu qua cáp quang và cung cấp điện áp 24V cho các ngoại vi Ngoài ra, đầu nối này cũng có kiểu Cu-Cu.
Siemens-Hybrid cung cấp nguồn điện 24 V và truyền dữ liệu PROFIBUS qua cáp đồng, đảm bảo khả năng kết nối cho các thiết bị với cấp bảo vệ IP 65.
Hình 2.12 Đầ Đầu n u nố ố i ki i kiể ể u Siemens-Hibrid u Siemens-Hibrid Khi k
Khi kết nối hệ thống, hãy đảm bảo rằng các đường dữ liệu không bị đảo ngược Việc sử dụng đường dây dữ liệu là cần thiết để hệ thống có khả năng tránh những ảnh hưởng từ môi trường Vỏ bọc dây cần phải được kết nối PE ở cả hai phía Ngoài ra, đường dây dữ liệu phải được đặt cách cáp dẫn điện áp cao Khi tốc độ truyền >= 1,5 Mbit/s, không được sử dụng trong các đường nhánh cụt Hiện có các đầu nối dạng cắm có khả năng kết nối trực tiếp cáp dữ liệu vào và cáp dữ liệu ra Qua đó, loại hình sử dụng đường nhánh cụt và đầu nối BUS có thể cắm vào hoặc tháo ra bất cứ thời gian nào mà không làm ảnh hưởng đến sự truyền dữ liệu.
Truyềền n thông thông Profinet Profinet 30 30
Quang có chức năng cách ly và bypass, cho phép tách một trạm ra khỏi mạng trong trường hợp có sự cố.
Cáp truy Cáp truy ềề n thông Profibus n thông Profibus
Hình 2.17 Cáp truyề ề n thông Profibus n thông Profibus Cáp Profibus thi
Cáp Profibus được thiết kế với 2 lõi cáp đồng trong trục cáp, bao gồm 3 lớp bảo vệ: lớp lưới nhôm chống nhiễu, lớp lá nhôm giúp bảo vệ và lớp PE chống nước.
2.3 Truy ềề n thông Profinet n thông Profinet Profinet
Profinet (Process Field Net) là một tiêu chuẩn công nghệ trong ngành công nghiệp, cho phép truyền dữ liệu qua Ethernet Dựa trên nền tảng Ethernet, Profinet sử dụng chuẩn TCP/IP và bổ sung các giao thức đặc biệt để đạt hiệu suất thời gian thực tối ưu Hệ thống Profinet có khả năng tích hợp với các hệ thống Fieldbus như Profibus, DeviceNet và Interbus mà không cần thay đổi thiết bị hiện có.
2.3.1 Chu ẩẩ n v n v ậậ t lý t lý a) a) C C ấ ấ u trúc m u trúc mạạng và k ng và k ỹ ỹ thu thuậật truy t truyề ề n d n d ẫ ẫ nn Profinet r
Profinet rất linh hoạt trong việc thiết lập cấu trúc hệ thống mạng Cấu trúc mạng thường được thiết lập với 4 kiểu thông dụng như: Line, Star, Ring, Tree và Wireless.
Profinet sử dụng hai loại cáp thông dụng, mỗi loại có những đặc tính riêng biệt được liệt kê trong bảng 2.9 Các cáp này đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo kết nối và truyền tải dữ liệu hiệu quả trong hệ thống tự động hóa.
Bảảng 2.9 M ng 2.9 M ộột s t số ố lo loạại cáp truy i cáp truyề ề n Profinet thông d n Profinet thông d ụụng ng Tên hi
Tên hiệệu u Lo Loạại i cáp cáp Chi Chiều dài đoạ ều dài đoạn t n tối đa ối đa 100BASE-TX
100BASE-TX Đôi dây xoắ Đôi dây xoắn h n hạạng ng 5 5 100 100 m m
100BASE-FX 100BASE-FX Cáp Cáp quang quang 2000 2000 m m
100BASE-TX sử dụng cáp đôi xoắn loại 5, có khả năng truyền dữ liệu ở tần số 125MHz và cao hơn Việc sử dụng hai đôi dây xoắn tạo khả năng truyền dữ liệu hai chiều đồng thời Khác với 100BASE-T4, phương pháp mã hóa bit 4B5B được áp dụng, trong đó dãy bit từ khung MAC được mã hóa thành các tổ hợp 5 bit Chỉ có 16 trong 32 tổ hợp biểu diễn dữ liệu, còn lại được sử dụng cho đánh dấu, điều khiển và tín hiệu phản hồi Đối với mỗi loại mạng, việc nối dây có thể thông qua bộ chia hoặc bộ chuyển mạch, với bộ chuyển mạch có chi phí cao hơn nhưng nâng cao hiệu suất hệ thống nhờ chức năng phân vùng xung độ Loại 100BASE-FX cũng cho phép truyền hai chiều toàn phần, sử dụng hai sợi quang cho hai chiều Đây là giải pháp thích hợp cho các ứng dụng đòi hỏi khoảng cách truyền lớn và khả năng kháng nhiễu cao.
Truyềền thông Profinet s n thông Profinet sửử d dụụng c ng cổổng RJ45 làm giao di ng RJ45 làm giao diện cơ họ ện cơ học c.
Hình 2.18 C Hình 2.18 C ổ ổ ng RJ45 ng RJ45
Dây m Dây mạạng RJ45 ng RJ45 có c có cấấu t u tạạo chung là 8 dây nh o chung là 8 dây nhỏỏ v vớ ớ i 4 c i 4 cặp màu như sau: ặp màu như sau:
− Cam / Cam tr Cam / Cam tr ắắng ng
− Xanh lá / Xanh lá tr Xanh lá / Xanh lá tr ắắng ng
− Xanh dương / Xanh dương trắ Xanh dương / Xanh dương trắng ng
− Nâu/ Nâu tr Nâu/ Nâu tr ắắng ng
2.3.2 Giao Giao th th ứ ứ cc a) a) C C ấ ấ u trúc b u trúc bứ ứ cc đ đ iiệệnn
IEEE 802.3/Ethernet quy định lớp MAC và lớp vật lý, do đó, một bức điện còn được gọi là khung MAC Cấu trúc của một khung MAC được minh họa ở hình 2.19.
Hình 2.19 C Hình 2.19 C ấ ấ u trúc khung MAC theo IEEE 802.3 u trúc khung MAC theo IEEE 802.3
Khung MAC bắt đầu với 56 bit, xen kẽ giữa 0 và 1, trong đó có 7 byte giống nhau có giá trị 55H Với mã Manchester, tín hiệu sẽ có dạng tuần hoàn, được sử dụng để đồng bộ giữa bên gửi và bên nhận Việc đồng bộ hóa chỉ được thực hiện một lần cho cả hai bên Ở tốc độ truyền 10 Mbit/s, khoảng thời gian đồng bộ hóa là 5,6 µs Tiếp theo là một byte SFD (Start of Frame Delimiter) chứa dãy bit 10101011.
Khung MAC bắt đầu bằng dãy bít mở và byte SFD, trong đó dãy bít mũng ra không thực sự thuộc về khung MAC Điều này có nghĩa là việc xác định các thành phần của khung MAC phụ thuộc vào cấu trúc cụ thể của nó.
Theo tiêu chuẩn 802.3, địa chỉ MAC có thể dài 2 hoặc 6 byte, trong đó 6 byte là chuẩn quy định cho việc truyền dữ liệu ở tốc độ 10 Mbit/s (10BASE-T) Địa chỉ MAC sử dụng 6 byte, với bit cao nhất trong địa chỉ chỉ định giá trị 0 cho các địa chỉ thông thường và giá trị 1 cho các địa chỉ nhóm Đối với các thông báo gửi đến tất cả các trạm (broadcast), địa chỉ MAC sẽ được sử dụng để đảm bảo thông tin được truyền đến đúng đích.
(broadcast), tấất c t cảả các bit trong các bit trong đị địa ch a chỉỉ đđích s ích sẽẽ là 1 là 1. b) b) Truy nh Truy nhậậ p bus p bus
Một vấn đề lớn trong việc sử dụng Ethernet ở cấp trường học là phương pháp truyền thông bus ngẫu nhiên CSMA/CD và ảnh hưởng đến hiệu suất cũng như tính năng thời gian thực của hệ thống Trong bài viết này, chúng tôi sẽ đề cập đến một trong những yếu tố quyết định đến hiệu suất của hệ thống, đó là thuật toán tính thời gian chờ truy nhập lại cho các trạm trong mạng khi xảy ra xung đột.
Thời gian lan truyền tín hiệu qua một tuyến đường truyền được gọi là khe thời gian Giá trị thời gian này được tính cho một đoạn 2,5km đường truyền và băng thông là 512 thời gian bit hay 51,2 μs Sau lần xung độ đầu tiên, mỗi trạm sẽ chọn ngẫu nhiên 0 hoặc 1 trong khe thời gian chờ trước khi thử gửi lại Nếu hai trạm ngẫu nhiên cùng chọn một khoảng thời gian, hoặc có sự xung đột với một trạm thứ ba, thì số khe thời gian lựa chọn sẽ là 0, 1, 2 hoặc 3 Sau lần xung độ thứ hai, số khe thời gian chọn ngẫu nhiên nằm trong khoảng từ 0 đến 2 - 1 Tuy nhiên, sau mười lần xung độ, số khe thời gian chọn sẽ giữ lại ở con số 1023 Sau 16 lần xung độ liên tiếp, các trạm sẽ coi là lỗi hệ thống và báo trở lại lỗ giao thức phía trên.
Thuậật toán n t toán nổổi ti i tiếếng này ng này đượ đượ c g c gọọi là Binary Exponential Backoff i là Binary Exponential Backoff ( ( BEB) BEB).
33 33 c) c) Ki Kiế ế n trúc giao th n trúc giao thứ ứ c TCP/IP c TCP/IP TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol) là k
TCP/IP (Giao thức điều khiển truyền tải/Giao thức Internet) là kết quả nghiên cứu và phát triển giao thức truyền thông trong mạng chuyển mạch gói, bắt nguồn từ dự án Arpanet do ARPA (Cơ quan Dự án Nghiên cứu Tiên tiến) thực hiện.
Arpanet, do ARPA (Cơ quan Dự án Nghiên cứu Tiên tiến) thuộc Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ tài trợ, là nền tảng cho việc phát triển TCP/IP Khái niệm TCP/IP được sử dụng để chỉ các giao thức truyền thông, và đã được công nhận thành chuẩn cho Internet Đến nay, TCP/IP đã xâm nhập vào rất nhiều lĩnh vực ứng dụng khác nhau, bao gồm cả các mạng máy tính cục bộ và mạng truyền thông công nghiệp.
TCP và IP là hai giao thức riêng biệt, mỗi giao thức có các tiêu chuẩn riêng về truyền thông và cách thức hoạt động trong mô hình OSI Tuy nhiên, người ta thường sử dụng TCP/IP như một mô hình truyền thông để thay thế cho mô hình OSI khi cần thiết.
L ớ ớ pp ứ ứ ng d ng d ụ ụ ng ng
Tóm t ng 2.1 Tóm tắắt các thông s t các thông sốố quan tr quan tr ọọng c ng củủa a RS-232 RS-232 7
Thông số kỹ thuật của mạch bao gồm điện áp đầu vào tối đa 25V và điện áp đầu ra tối đa 15V Mạch hoạt động hiệu quả khi trở kháng tải nằm trong khoảng từ 3kΩ đến 7kΩ, với điện áp đầu ra 5V.
Tr ở ở kháng đầ kháng đầu ra khi c u ra khi cắắt ngu t nguồồnn -2V -2V ≤ ≤ VO VO ≤ ≤ 2V 2V 300 300Ω Ω Dòng ra ng
Dòng ra ngắắn m n mạạch ch 500mA 500mA Điệ Điện dung t n dung tảải i 2500pF 2500pF
Tr ở ở kháng đầ kháng đầu vào u vào 3V 3V ≤ ≤ VI VI ≤ ≤ 25V 25V 3k 3k Ω Ω 7k 7k Ω Ω Ngưỡ
Ngưỡ ng cho giá tr ng cho giá tr ịị logic logic 0 0 3V 3V Ngưỡ
Ngưỡ ng cho giá tr ng cho giá tr ịị logic logic 1 1 -3V -3V
❖ Giao di Giao diện cơ họ ện cơ họcc
Hình 2.2 Đầ Hình 2.2 Đầu n u nố ố i DB-9 i DB-9
Hình 2.3 Hình 2.3 Đầ Đầu n u nố ố i DB-25 i DB-25
Chuẩn EIA/TIA-232F quy định ba loại giắc cắm RS-232, bao gồm DB-9 (chín chân), DB-25 (25 chân) và ALT-A (26 chân).
DB-25 (25 chân) và ALT-A (26 chân) là hai loại đầu nối được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghệ Loại DB-9 cũng đã được chuẩn hóa theo EIA/TIA-574 Dưới đây là mô tả về ý nghĩa của các chân quan trọng trong các loại đầu nối này.
− RxD ( RxD ( Receive Data) Receive Data):: Đườ Đườ ng nh ng nhậận d n dữữ li liệệu u.
− TxD ( TxD (Transmit Data) Transmit Data):: Đườ Đườ ng g ng gửửi d i dữữ li liệệu u.
Chân DTR (Data Terminal Ready) thường ở trạng thái ON khi thiết bị đầu cuối sẵn sàng thiết lập kênh truyền thông Khi DTR ở trạng thái ON, thiết bị đầu cuối (DCE) cho phép hoạt động trong chế độ "tự trả lời", chấp nhận lệnh gửi mà không yêu cầu Ngược lại, khi DTR ở trạng thái OFF, thiết bị đầu cuối không muốn DCE chấp nhận lệnh từ xa, hoạt động trong chế độ cụ thể.
− DSR ( DSR ( Data S Data Set Ready, et Ready, DCE Ready DCE Ready): C ): Cảả hai modem chuy hai modem chuyểển n m mạạch DSR sang ch DSR sang
ON khi mộộtt đườ đườ ng truy ng truyềền thông n thông đđãã đượ đượ c thi c thiếết l t lậậ p gi p giữữa hai bên a hai bên.
Chân DCD (Data Carrier Detect) được sử dụng để kiểm soát việc truy nhập vào đường truyền Khi tín hiệu DCD là OFF, điều này cho thấy rằng bên đối tác chưa gửi dữ liệu (chân RTS), do đó không có quyền kiểm soát đường truyền Ngược lại, khi tín hiệu DCD là ON, điều này chỉ ra rằng bên đối tác đã gửi tín hiệu RTS và có quyền kiểm soát đường truyền.
RTS (Request To Send) là một phương thức kiểm soát lưu lượng truyền dữ liệu Khi một thiết bị cần gửi dữ liệu, nó sẽ kích hoạt tín hiệu RTS để thông báo cho modem của nó Thông tin này cũng được chuyển tiếp đến modem ở xa để đảm bảo quá trình truyền dữ liệu diễn ra suôn sẻ.
Khi CTS (Clear To Send) chuyển sang trạng thái ON, modem sẽ nhận thông báo rằng nó đã sẵn sàng nhận dữ liệu từ trạm Điều này giúp kiểm soát đường truyền thông tin cho việc truyền dữ liệu đi xa một cách hiệu quả.
− RI RI (( Ring Ring Indicator Indicator ): Khi modem nh ): Khi modem nhậậnn đượ đượ c c m mộột t llờ ờ i i ggọọi, i, m mạạch RI chuy ch RI chuyểểnn ON/OFF m
Chức năng ON/OFF của modem là cách thức đơn giản để kiểm soát kết nối internet, giúp báo hiệu tình trạng hoạt động của thiết bị Tín hiệu này chỉ rõ rằng modem cần được thiết lập để kết nối qua phương thức dial-up.
❖ Ch Chếế độ độ làm vi làm việệcc Ch
Chế độ làm việc của hệ thống RS-232 là hai chiều toàn phần (full-duplex), cho phép hai thiết bị tham gia có thể thu và phát tín hiệu cùng một lúc Để thực hiện truyền thông, cần tối thiểu 3 dây dẫn, trong đó hai dây tín hiệu nối chéo giữa các đầu thu phát của hai trạm và một dây đất Với cấu hình tối thiểu này, việc đảm bảo độ an toàn trong truyền dẫn tín hiệu thuộc về trách nhiệm của các phần mềm.
Hình 2.4b minh họa một ví dụ ghép nối trực tiếp giữa hai thiết bị thực hiện chế độ bắt tay (handshake mode) không thông qua modem Việc sử dụng các dây dẫn DTR và DSR đảm bảo độ an toàn giao tiếp Trong trường hợp này, các chân RTS và CTS được nối ngắn Lưu ý rằng, trong trường hợp truyền thông qua modem, cấu hình ghép nối sẽ khác một chút.
Hình 2.4 M Hình 2.4 M ộột s t số ố ví d ví d ụụ ghép n ghép nố ố i v i vớ ớ i RS-232 i RS-232 b) Truy b) Truyề ề n d n d ẫ ẫ n v n vớ ớ i RS-485 i RS-485
❖ Đặ Đặc tính c tính đđiiệện h n họọcc V
RS-485 là một chuẩn truyền thông phổ biến, sử dụng tín hiệu điện áp chênh lệch giữa hai dây dẫn A và B để giảm thiểu nhiễu và tăng cường chiều dài dây dẫn lên đến 1200 mét mà không cần bộ lặp Điện áp chênh lệch này phản ánh trạng thái logic 0 và 1, với mức điện áp đầu vào có thể xuống tới 200mV RS-485 rất thích hợp cho các ứng dụng yêu cầu khoảng cách truyền dài và độ tin cậy cao.
Điện áp ngưỡng cho VCM được quy định trong khoảng -7V đến 12V, với các thông số quan trọng được tóm tắt trong bảng 2.2 RS-485 là giao thức được sử dụng trong hệ thống này.
Bảảng 2.2 ng 2.2 Các thông s Các thông số ố quan tr quan tr ọọng c ng củủa RS-485 a RS-485 Thông s
Điện áp đầu ra tối đa của mạch là ±1,5V và ±6V, với điều kiện tải RLOAD = 54Ω Khi có tải, điện áp đầu ra duy trì ở mức ±1,5V và ±5V, đảm bảo hiệu suất hoạt động ổn định.
Dòng ra ngắắn m n mạạch ch ±250mA ±250mA
Th Thời gian quá độ ời gian quá độ đầ đầu u ra ra R R LOAD LOAD = 54 = 54Ω Ω
C LOAD LOAD = 54pF = 54pF 30% T 30% T B B ** Điệ Điện áp ch n áp chếế độ độ chung đầ chung đầuu ra VOC ra VOC
R LOAD LOAD = 54 = 54Ω Ω -1V -1V 3V 3V Độ Độ nh nhạạy c y cảm đầ ảm đầu u vào vào -7V -7V ≤ ≤ VCM VCM ≤ ≤ 12V 12V ±200mV ±200mV Điệ Điện áp ch n áp chếế độ độ chung chung
RS-485 là một giao thức truyền thông cho phép ghép nối nhiều thiết bị, với khả năng hỗ trợ lên đến 32 trạm mà không cần cấu hình phức tạp Đặc tính nổi bật của RS-485 là khả năng hoạt động trong môi trường bus trường, cho phép các thiết bị giao tiếp đồng thời qua một đoạn dây Để đảm bảo hoạt động hiệu quả, cần có cơ chế kiểm soát đường dẫn và phát tín hiệu, nhằm duy trì tính ổn định trong hệ thống khi có sự cố Các bộ kích thích phải được thiết lập để duy trì điều kiện hoạt động ở mức kháng cao trong trường hợp xảy ra lỗi.
Chế độ tri-state là một khái niệm quan trọng trong mạch RS-485, cho phép xử lý linh hoạt các tình huống truyền thông Trong nhiều trường hợp, việc áp dụng chế độ này giúp cải thiện khả năng giao tiếp giữa các thiết bị khác nhau Chế độ tri-state giúp các phần mềm điều khiển truyền thông đảm bảo tính ổn định và hiệu quả trong quá trình truyền dữ liệu Mạch RS-485 thường sử dụng tín hiệu đầu vào để kích thích, từ đó tạo ra sự tương tác hiệu quả giữa các thiết bị trong hệ thống.