DANH MỤC HÌNH VẼChương I: TỔNG QUAN VỀ FOUNDATION FIELDBUS...3 Hình 1-1: Hệ thống điều khiển dựa trên Foundation Fieldbus...7 Hình 2-3: Các cơ chế giao tiếp trong Foundation Fieldbus...1
TỔNG QUAN VỀ FOUNDATION FIELDBUS
Fieldbus là gì?
Fieldbus là tên gọi chung để chỉ bất kì loại bus nào kết nối các thiết bị trường với nhau Nó bao gồm Foundation Fieldbus, NI-CAN, DNET và Profibus.
Các khái niệm trọng mạng fieldbus
Fieldbus Foundation
Sự xuất hiện của nhiều hệ bus trường khác nhau dẫn đến việc ra đời của hai tổ chức ISP và WorldFIP vào năm 1993, với cùng một mục đích xây dựng một chuẩn bus trường thống nhất trong khi ISP về cơ bản dựa trên nền tảng là PROFIBUS, WorldFIP đại diện cho giới sản xuất và sử dụng các sản phẩm của FIP Cuối năm 1994, các thành phẩn đại diện phía Bắc Mỹ trong hai tổ chức này đi đến thống nhất thành lập hiệp hội mang tên Fieldbus Foundation (FF) nhằm chấm dứt sự phân nhánh trong việc xây dựng chuẩn Tuy nhiên các tư tưởng trong tổ chức mới này không dựa hẳn vào PROFIBUS hay FIP, mà hướng đến một hệ bus trường mới sử dụng lớp vật lí theo IEC 1158-2 Điều này dẫn tới việc các đại diện châu Âu đã rút lui và quay trở về với hệ thống của họ trong khuôn khổ PNO (PRIFIBUS Nutzerorganization) cũng như WorldFIP.
Hiện nay Fieldbus Foundation có hơn 130 thành viên trên khắp thế giới, chiếm đại đa số các nhà cung cấp thiết bị đo lường và điều khiển
Hệ thống bus trường được phát triển trong khuôn khổ của FF được gọi là Foundation Fieldbus Trong dự định phát triển thì hệ bus này sẽ hỗ trợ 3 loại mạng với các tốc độ truyền là 31,25 kbit/s, 1Mbit/s và 2,5 Mbit/s tuy nhiên cho đến nay chỉ loại mạng 31,25 kbit/s – còn gọi là H1- mới có đầy đủ các đặc tả và được chuẩn hóa trong IEC 61158 Tương tự nhưPROFIBUS-PA, phạm vi sử dụng tiêu biểu của H1 là các ngành công nghiệp chế biến Các công ty lớn như ABB, Fisher-Rosemount (Emerson process management), Homaywell, National Instrument, Endress+Hauser và Yokogawa đều có hàng loạt các sản phẩm hỗ trợ
Tiêu chuẩn Foundation Fieldbus xác định cách thức thêm thiết bị mới vào mạng, thiết lập và cấu hình chúng Bất kì công ty nào với nguồn lực thích hợp đều có thể làm một thiết bị Foundation Fieldbus (nếu có thể vượt qua bài kiểm tra sự phù hợp), và chúng sẽ làm việc với tất cả các thiết bị và phần mềm đã được chứng nhận khác của Foundation Fieldbus
Công nghệ foundation fieldbus
Có rất nhiều công nghệ truyền thông kỹ thuật số được quảng cáo là sự thay thế trong tương lai cho tiêu chuẩn tương tự 4-20 mA đáng kính và nhất là tự mô tả như fieldbus Với ngoại lệ của FOUNDATION ™ fieldbus, hầu như tất cả các công nghệ này đã được phát triển cho các môi trường không quá trình như sản xuất ô tô, tự động hóa tòa nhà, hoặc sản xuất các bộ phận rời rạc, và sau đó điều chỉnh để điều khiển quá trình Nói chung, chúng rất thích hợp với các ứng dụng mà chúng đã được phát triển ban đầu Một số công nghệ được mở, một số là độc quyền Phần lớn là một sự kết hợp, có một số khía cạnh mở nhưng đòi hỏi việc sử dụng các phần cứng độc quyền hoặc các thành phần phần mềm Tất cả, nhưng FOUNDATION yêu cầu một ứng dụng độc quyền để cung cấp một giải pháp điều khiển hoàn chỉnh.
Tất cả các công nghệ truyền thông cung cấp một phương pháp để truyền dữ liệu giữa các thiết bị khác nhau và máy chủ, và một số cung cấp thông tin liên lạc trực tiếp giữa các thiết bị Các đề án khác nhau thì khác nhau trong việc làm thế nào để có thể tối ưu hóa việc di chuyển dữ liệu một cách nhanh chóng, sự phù hợp của chúng với điều khiển thời gian thực, chi phí của việc triển khai phần cứng, khả năng kết nối mạng cho các ngành, cho việc truyền đi khoảng cách lớn, và choviệc năng lượng được phân phối như thế nào.
So sánh giữa các "công nghệ fieldbus" thường là so sánh giữa các tiêu chí tốc độ dữ liệu, độ dài tin nhắn, số lượng thiết bị trên một phân đoạn. Đó là tất cả các vấn đề về truyền thông quan trọng nhất và mỗi công nghệ đại diện cho một tập hợp các thỏa hiệp thương mại đặc biệt mà thích ứng với ứng dụng ban đầu của nó, và mỗi cái đều được bắt nguồn từ các công nghệ đã có sẵn hoặc thịnh hành tại thời điểm phát triển của nó.
Sự phân biệt quan trọng giữa các công nghệ này và FOUNDATION fieldbus là:
– FOUNDATION fieldbus cung cấp một đặc tả kỹ thuật mở cho cả truyền thông và ứng dụng điều khiển
– FOUNDATION fieldbus phân phối kiểm soát chức năng trên bus , sử dụng tối đa trí thông minh của cục bộ phương để cải thiện hiệu suất và giảm tổng chi phí hệ thống.
– Thiết bị được yêu cầu được tương thích,cung cấp cho người sử dụng với các công cụ để thực hiện một hệ thống điều khiển với các sản phẩm từ các nhà sản xuất mà không cần lập trình tùy chỉnh tương thích Mục tiêu của Foundation Fieldbus là giúp tạo ra các sản phẩm sử dụng một mạng lưới công nghiệp mạnh mẽ dựa trên các tiêu chuẩn đã có và các công nghệ đã được kiểm chứng khác và để chuẩn hóa khi sử dụng các nguồn này Foundation Fieldbus là một tiêu chuẩn mở nó cho phép bạn sử dụng các sản phẩm Foundation Fieldbus của các nhà sản xuất khác nhau thay thế cho nhau.
Foundation Fieldbus là sự phát triển công nghệ để truyền thông số giữa các thiết bị và điều khiển quá trình Nó khác với bất kì loại giao thức nào khác bởi vì nó được thiết kế để giải quyết các ứng dụng điều khiển quá trình thay vì chỉ truyền dữ liệu trong chế độ số.
Foundation Fieldbus là một hệ thống truyền thông đa điểm, hai chiều và tất cả đều là kĩ thuật số, nó mang các thuật toán điều khiển vào các thiết bị Foundation Fieldbus là một mạng LAN (Local Area Network) đối với các thiết bị Foundation Fieldbus bao gồm các cảm biến điều khiển quá trình, thiết bị truyền động, và các thiết bị điều khiển Với việc sử dụng thiết bị Foundation Fieldbus FP-3000 của National Instruments, bạn có thể kết hợp các thiết bị 4-20mA truyền thống vào mạng fieldbus của bạn.
Foundation Fieldbus có hỗ trợ các mã kĩ thuật số của dữ liệu và nhiều loại tin Không giống như các hệ thống truyền thống yêu cầu các đường dây cho mỗi thiết bị, nhiều thiếu bị Foundation Fieldbus có thể kết nối với cùng một bộ dây.
Foundation Fieldbus khắc phục được một số nhược điểm của các mạng truyền thông độc quyền bằng cách cung cấp một mạng lưới truyền thông tiêu chuẩn để kết nối các thiết bị và hệ thống Một thiết lập mạng Fieldbus đơn giản được thể hiện trong hình 1-1.
Hình 1-1: Hệ thống điều khiển dựa trên Foundation Fieldbus
Các khái niệm trong Foundation Fieldbus:
Mạng Foundation Fieldbus được tạo thành từ các thiết bị được kết nối bởi các bus nối tiếp Bus nối tiếp này được gọi là link (cũng có thể được hiểu là một đoạn) Mạng Fieldbus bao gồm một hoặc nhiều liên kết Mỗi liên kết này được cấu hình với một bộ nhận dạng liên kết duy nhất
Mỗi link trên mạng Fieldbus kết nối các thiết bị vật lí Các thiết bị này có thể là thiết bị trường (máy tạo nhiệt, van …) hoặc các thiết bị chủ (PC, hệ thống điều khiển phân tán) Mỗi thiết bị vật lí được cấu hình với một thẻ thiết bị vật lí, một địa chỉ, và một ID thiết bị Thẻ thiết bị vật lí phải là duy nhất trong một hệ thống Fieldbus và địa chỉ cũng phải là duy nhất trong mỗi liên kết nhà sản xuất thiết bị gắn một ID thiết bị và nó cũng là duy nhất cho thiết bị.
Thiết bị được xác định duy nhất trên mạng Fieldbus bởi một tên chuỗi ký tự, hoặc thẻ Thẻ thiết bị là một thuộc tính cấu hình của thiết bị thường mô tả loại của thiết bị Thẻ thiết bị là duy nhất cho mỗi thiết bị trên một mạng Fieldbus Một định danh duy nhất khác của một thiết bị là ID thiết bị, trong đó bao gồm một chuỗi số duy nhất cho thiết bị ID của thiết bị được chỉ định bởi nhà sản xuất thiết bị, bạn không thể cấu hình nó.
Có 3 dạng thiết bị trong mạng Fieldbus H1: trạm chủ liên kết, thiết bị cơ bản và cầu H1.
Trạm chủ liên kết (Link master): thiết bị trạm chủ liên kết có khả năng điều khiển lưu lượng truy cập thông tin liên lạc vào một liên kết bằng cách lên lịch các truyền thông trên mạng Tất cả các mạng Fieldbus cần ít nhất một thiết bị trạm chủ liên kết có khả năng Một trạm chủ liên kết có thể là một bảng giao diện trong một máy tính, một hệ thống điều khiển phân tán, hoặc bất kì thiết bị khác nào, chẳng hạn như một van hoặc đầu dò áp lực Trạm chủ liên kết không cần phải là thiết bị riêng biệt; chúng có thể có chức năng I / O (ví dụ, bạn có thể mua thiết bị phát nhiệt độ với có và không có khả năng chủ liên kết) bảng giao diện của National Instruments Foundation Fieldbus là những thiết bị trạm chủ liên kết
Fieldbus có thể hoạt động độc lập với hệ thống máy tính bởi vì trạm chủ liên kết trên các bus Trạm chủ liên kết có khả năng xử lí và khả năng điều khiển bus Sau khi bạn download một cấu hình cho thiết bị của bạn, vòng điều khiển của bạn có thể tiếp tục hoạt động cho dù máy tính điều khiển đã ngắt kết nối.
Tất cả các trạm chủ liên kết nhận những thông tin giống nhau tại thời điểm download, nhưng chỉ một máy chủ liên kết được phép điều khiển hoạt động của bus và được gọi là trình lập lịch hoạt động liên kết (LAS) Nếu dòng của LAS bị lỗi, trạm chủ liên kết tiếp theo sẽ tiến hành minh bạch và bắt đầu điều khiển truyền thông bus ở nơi mà LAS vừa bỏ lại vì vậy, không có cấu hình đặc biệt nào được yêu cầu để thực hiện dự phòng
Giao thức truyền thông
Foundation Fieldbus có hai giao thức truyền thông : H1 và HSC Đầu tiên, H1, truyền ở 31,25 Kb/s và được sử dụng để kết nối các thiết bị trường Giao thức thứ hai, HSC (High Speed Ethernet), sử dụng mạng Ethernet 10 hoặc 100 Mbps như lớp vật lí và cung cấp đường trục tốc độ cao cho mạng
H1 là một hệ thống truyền thông hai chiều, nối tiếp, kĩ thuật số hoạt động ở 31,25 Kb/s kết nối các thiết bị trường như cảm biến, thiết bị truyền động và bộ điều khiển H1 là một mạng LAN (local Area Network) đối với các thiết bị được sử dụng trong cả tự động hóa quá trình và sản xuất với việc xây dựng trong khả năng để phân phối các ứng dụng điều khiển trong mạng.
HSE được dựa trên các giao thức Ethernet/IP/TCP/UDP tiêu chuẩn 10/100 Mbps và được hỗ trợ các chức năng tương tự như H1, nhưng tại một băng thông cao hơn nhiều Công suất của nó đủ lớn để di chuyển dữ liệu, theo những chức năng Fieldbus Foundation vốn có, và công bố/đăng nhập truy cập, phù hợp với việc hội nhập của toàn nhà máy trong các ngành công nghiệp quá trình
Mạng Fieldbus Foundation có thể bao gồm một hoặc nhiều phân đoạn (segment) kết nối với nhau Mạng con HSE còn có thể sử dụng hàng loạt các thiết bị kết nối có thương mại có sẵn như hub, switch, bridges, router và tường lửa Các liên kết H1 được kết nối vật lí chỉ bằng cầu liên kết dữ liệu (Data Link bridges) Foundation Fieldbus H1 Việc kết nối giữa HSE và H1 được thực hiện bằng các thiết bị liên kết Foundation Fieldbus.
Một cấu trúc mạng điển hình có kết nối HSE giữa các máy tính và liên kết H1chạy chậm hơn (31,25 Kbps) giữa các thiết bị Các thiết bị được thiết kế cho HSE có thể được kết nối với HSE một cách trực tiếp phần lớn các thiết bị được thiết kế để sử dụng một giao thức hay giao thức khác.
H1 và HSE đã được thiết kế đặc biệt như các mạng bổ sung H1 được tối ưu hóa cho các ứng dụng điều khiển quá trình truyền thống trong khiHSE, sử dụng các thiết bị Ethernet COTS (Commercial Off-the-shelf) có giá thành thấp, lại được thiết kế cho các ứng dụng điều khiển hiệu suất cao và tích hợp thông tin thiết bị Giải pháp kết hợp Fieldbus H1/HSE cho phép đối với các tất cả các tích hợp của điều khiển quá trình cơ bản và nâng cao và các hệ thống con điều khiển lô/lai/rời rạc, với mức độ cao hơn là các ứng dụng giám sát H1/HSE cung cấp chìa khóa để tối ưu hóa hiệu suất sản xuất bằng việc loại bỏ các thiết bị chuyển đổi, bộ điều khiển,mạng cảm biến, các cổng không cần thiết mặt bằng này, kiến trúc tích hợp tăng thời gian hoạt động cho các thiết bị (thông qua cải thiện chuẩn đoán và vận hành thông tin), cải thiện hiệu suất (COTS Ethernet) và giảm giá thành (COTS và và thiết bị tổng thể ít nhất).
KIẾN TRÚC GIAO THỨC VÀ CƠ CHẾ GIAO TIẾP .12 2.1 Kiến trúc giao thức
Lớp vật lí
Lớp vật lí chuyển đổi các tin Fieldbus số từ ngăn truyền thông thành các tín hiệu vật lí trên đường truyền Fieldbus trung bình và ngược lại lớp vật lí được thực hiện dựa trên tiêu chuẩn IEC1158-2 và tiêu chuẩn ISA S50.02 1992.
Ngăn truyền thông
Ngăn truyền thông thực hiện các dịch vụ được yêu cầu từ giao diện lớp ứng dụng và từ lớp vật lí Ngăn truyền thông bao gồm 3 lớp: FMS ( Fieldbus Message Specification), FAS (Fieldbus Access Sublayer), và lớp liên kết dữ liệu Các ngăn truyền thông mã hóa và dịch mã các thông báo của lớp sử dụng và đảm bảo việc truyền tin hiệu quả và chính xác.
Lớp liên kết dữ liệu quản lý việc truy cập đến Fieldbus thông qua LAS (Link Active Scheduler) bởi việc tách các dữ liệu vào các khung để gửi trên lớp vật lý, khung được sự thừa nhận sẽ nhận và khung được truyền lại nếu chúng không nhận được một cách chính xác Nó cũng thực hiện kiểm tra lỗi để duy trì một kênh âm thanh ảo cho các lớp tiếp theo.
Lớp con truy cập Fieldbus cung cấp một giao diện giữa tầng liên kết dữ liệu và lớp FMS FAS cung cấp các dịch vụ truyền thông như client/server, publisher/subscriber và phân tán các sự kiện.
Lớp FMS xác định một mô hình cho các ứng dụng tương tác qua Fieldbus Từ điển đối tượng và thiết bị trường ảo là rất quan trọng trong mô hình này Từ điển đối tượng là một cơ cấu trong thiết bị Fieldbus mô tả dữ liệu có thể truyền thông trên fieldbus.
Bạn có thể nghĩ từ điển đối tượng như là một bảng tra cung cấp thông tin về một giá trị (như là một dạng dữ liệu) có thể được đọc hoặc được ghi từ một thiết bị Thiết bị trường ảo là một mô hình xem dữ liệu từ xa được mô tả trong từ điển đối tượng Các dịch vụ được cung cấp bởi FMS cho phép bạn đọc hoặc ghi thông tin từ từ điển đối tượng đọc và ghi các biến dữ liệu được mô tả trong từ điển đối tượng và thực hiện các hoạt động khác như tải lên/ tải về dữ liệu và gọi các chương trình trong thiết bị Ứng dụng cấu hình mạng có thể chỉ định mỗi thiết bị trường ảo một thẻ và nó là duy nhát trong mạng Mỗi thiết bị vật lí trên fieldbus có thể có một hoặc nhiều hơn một thiết bị trường ảo Phần lớn các thiết bị chỉ có một thiết bị trường ảo mỗi thiết bị trường ảo có một khối nguồn và có một hoặc nhiều hơn một khối chức năng và khối chuyển đổi mỗi khối sẽ được gắn một thẻ duy nhất trong hệ thống Fieldbus
Trong lớp FMS có 2 lớp quản lí được gọi là quản lí hệ thống (System Management) và quản lí mạng (Network management).
Quản lí hệ thống gán địa chỉ và thẻ vật lí thiết bị, duy trì lập lịch các khối chức năng cho các khối chức ăng trong các thiết bị này và phân phối thời gian các ứng dụng bạn có thể xác định mội thiết bị hoặc một thẻ khối chức năng thông qua quản lí hệ thống.
Quản lí mạng bao gồm các đối tượng mà các lớp khác của ngăn truyền thông sử dụng, ví dụ như lien kết dữ liệu, FAS,FMS Bạn có thể đọc hoặc ghi các đối tượng quản lí hệ thống và quản lí mạng trên fieldbus với việc sử dụng dịch vụ đọc FMS và ghi FAS.
Lớp ứng dụng
Lớp ứng dụng cung cấp giao diên cho người sử dụng tương tác với hệ thống khối ứng dụng sử dụng việc mô tả thiết bị để nói cho hệ thống máy chủ về các khe năng của thiết bị Lớp ứng dụng bao gồm các khối và các đối tượng đại diên cho các chức năng và các dữ liệu có sẵn trong thiết bị Thay vì giao tiếp với một thiết bị thông qua một tập hợp các lệnh, giống như hầu hết các giao thức truyền thông, Foundation Fieldbus cho phép bạn tương tác với các thiết bị thông qua một tập hợp các khối và các đối tượng để xác định năng lực thiết bị trong một cách tiêu chuẩn hóa Khối ứng dụng đối với một thiết bị bao gồm khối nguồn,một hoạc nhiều khối chuyển đổi và khối hàm, như được thể hiện trong hình 2-2 sau:
Cơ chế giao tiếp
Phương pháp truy cập bus ở Foundation Fieldbus là một kết hợp giữa Mater/slave, Token Passing và TDMA một thiết bị với vai trò trạm chủ - được gọi là LAS (Link Active Scheduler) - có chức năng phân chia và kiểm soát quyền truy cập cho toàn bộ mạng tuy nhiên, bộ LAS không nhất thiết phải tham gia vào các hoạt động giao tiếp, trao đổi dữ liệu trong mạng các thiết bị mạng Foundation Fieldbus được chia làm hai loại là thiết bị cơ sở (basic device) và trạm chủ liên kết (Link master) chỉ có các chạm chủ liên kết mới có khả năng trở thành bộ LAS.
Lớp liên kết dữ liệu của FFoundation Fieldbus quy định hai cơ chế giao tiếp là lâp lịch (scheduler communication) và không lập lịch (unscheduler communication) giao tiếp lập lịch đặc trưng cho sự giao tiép tuần hoàn, định kì giữa các thiết bị, trong khi đó giao tiếp không lập lịch được sử dụng chủ yếu trong việc truyền tham số và gửi các thông báo báo động.
Hình 2-3 minh họa hai cơ chế giao tiếp cơ bản của foundation Fieldbus
Trong cơ chế giao tiếp lập lịch (hình 2-3a), bộ LAS lưu trữ trong một danh sách tất cả các bộ nhớ đệm chứa dữ liệu tuần hoàn của các thiết bị cũng như thời gain cần thiết để truyền các dữ liệu đó Khi đến lượt, một trạm sẽ nhận được một thông báo Compel Data (CD) từ bộ LAS Sau khi nhận được CD , nó sẽ gửi toàn bộ dữ liệu trong bộ nhớ đệm tới tất cả các trạm khác trong mạng trạm gửi đóng vai trò là publisher, các trạm muốn nhận được là subcriber Cơ chế này tương tự như việc sử dụng một vùng nhớ chung trong một số hệ khac Kiểu dữ liệu trao đổi ở đây chủ yếu là các giá trị biến quá trình sử dụng trong các mạch vòng điều khiển Cơ chế này đước sử dụng bởi các thiết bị trường cho chu kì, lập lịch, phát hành của các tín hiệu vào/ ra của khối chức năng ứng dụng như biến quá trình (PV) và tín hiệu ra sơ cấp trên fieldbus.
Xen giữa các hoạt động trao đổi mang tính chất tuần hoàn, mỗi thiết bị trên bus còn có cơ hội gửi các thông báo không lập lịch (Hình 2-3b).
Bộ LAS quản lí tất cả các trạm thâm gia vào mạng thông quan một danh sách sống (Live List) Bộ LAS gửi lần lượt pass token (PT) tới từng thiết bị trong danh sách khi nhận được PT, một thiết bị có thể gửi thông báo đến một hoặc nhiều trạm khác Khi không có nhu cầu gửi nữa, thiết bị gửi trả lại token cho LAS Thời gian tối đa một trạm được giữ token do LAS hạn chế và kiểm soát Cơ chế này được sủ dụng trong việc gửi các cảnh báo hoặc thay đổi tham số.
Hình 2-3: Các cơ chế giao tiếp trong Foundation Fieldbus
Danh sách tất cả các thiết bị có thể đáp ứng Pass Token (PT) được gọi là danh sách sống (live list) Các thiết bị mới có thể được thêm vào fiedbus bất kì lúc nào Bộ LAS gửi một cách định kì các thông báo Probe Note(PN) đến cá địa chỉ không nằm trong danh sách sống Nếu một một thiết bị có mặt và nhận được PN, nó ngay lập tức trả về một thông báo ProbeResponse (PR) Nếu thiết bị trả lời với một PR, LAS sẽ them thiết bị vào danh sách sống và xác nhận bổ sung bằng cách gửi đến thiết bị một thông báo Node Activation Bộ LAS được yêu cầu thăm dò tại ít nhất một địa chỉ sau khi hoàn thành một vòng gửi các PT đến tất cả các thiết bị trong danh sách sống Một thiết bị vẫn trong dnah sách sống nếu nó đáp ứng đúng đắn các PT được gửi từ LAS Bộ LAS sẽ loại bỏ một thiết bị ra khỏi danh sách sống nếu như thiết bị không sử dụng Token hoặc trả lại ngay lập tức về bộLAS sau ba lần thử liên tiếp Bất cứ khi nào một thiết bị được them hoặc loại bỏ khỏi danh sách sống, trình phát của LAS sẽ thay đổi danh sách song đến tất cả các thiết bị Việc này cho phép mỗi thiết bị duy trì được một bản sao hiện tại của danh sách sống.
CẤU TRÚC KHUNG TIN CỦA FOUNDATION FIELDBUS
Quá trình xây dựng bức điện qua từng lớp giao thức của Foundation Fieldbus được minh họa trên hình 3-1 Độ dài mỗi ô trong bức điện được tính bằng byte Dữ liệu sử dụng tối đa là 255 byte trong một bức điện.
Hình 3-1: Cấu trúc bức điện trong Foundation Fieldbus
Qua mỗi lớp trong ngăn giao thức, bức điện lại đượcgắn thêm thông tin liên quan đến việc xử lí giao thức ở lớp đó
Phần FMS PCI mô tả kiểu đối tượng thiết bị trường ảo VFD và dịch vụ FMS được sử dụng.
Phần DLL PCI mạng thông tin về cơ chế giao tiếp và kiểu liên kết. Ở lớp vật lí, khung tạo ra từ lớp liên kết dữ liêu còn được gắn thêm ô khởi đầu (Preamble) và các ô ngăn cách đầu (Start Delimited) và ngăn cách cuối (End Delimited) phục vụ mục đích đồng bộ hóa nhịp cũng như nhận biết đầu cuối của bức điện.
Foundation Fieldbus sử dụng phương pháp mã hóa bit Manchester lưỡng cực-mã Manchester II Đặc điểm của phương pháp mã hóa này là tham số thông tin được thể hiện qua các sườn xung, bit 1 được mã hóa bằng sườn xuống, bit 0 được mã hóa bằng sường lên của xung ở giữa chu kì bit T Và đặc điểm tín hiệu là có tần số tương đương với tần số nhịp bus, các xung của nó có thể sử dụng để đồng bộ hóa giữa bên gửi và bên nhận.
Sử dụng dòng lưỡng cực dòng một chiều sẽ bị triệt tiêu Do đó phương pháp này thích hợp với các ứng dụng dời hởi khả năng đồng tải nguồn một điểm đáng chú ý nữa là do sư dụng sườn xung nên mã Manchester rất bền vững với nhiễu bên ngoài, nhưng ngược lại, nhiễu xạ của tín hiệu cũng tương đối lớn bởi tần số cao.
Hình 3.2: mô tả mã Manchester II.
Mỗi chu kì đều có ít nhất một xung được tạo ra, do đó mã Manchester có thể được sủ dụng trong việc đồng bộ nhịp Cụ thể, việc đồng bộ hóa được thực hiện cho từng bức điện thông qua 8 bit 1 và 0 luân phiên trong ô đánh dấu mở đầu (Preamble) Trong trường hợp sử dụng thêm các bộ lặp thì độ dài của bit mở đầu có thẻ lớn hơn 1 byte Riêng các ô mở đầu (start dilimiter) và ngăn cách cuối (End delimiter) được mã hóa theo một sơ đồ đặc biệt như hình 3-3 sau:
Hình 3-2: Mã hóa các ô khởi đầu và ngăn cách trong bức điện
DỊCH VỤ GIAO TIẾP VÀ CÁC KHỐI CHỨC NĂNG
Các dịch vụ giao tiếp
Lớp con FAS sử dụng hai cơ chế chế giao tiếp ở lớp 2 để dung cấp các dịch vụ cho lớp FMS Kiểu dịch vụ FAS được mô tả bởi các quan hệ giao tiếp ảo VCR (Virtual Communication Relationships).
VCR giống như tính năng quay số nhanh trên điện thoại có nhớ của bạn Có rất nhiều chữ số để quay số cho một cuộc gọi quốc tế như mã truy nhập quốc tế, mã quốc gia, mã thành phố, mã trao đổi và cuối cùng là số điện thoại cụ thể Thông tin này chỉ cần nhập một lần và sau đó “số quay nhanh” sẽ được gán Sau khi cài đặt, chỉ cần nhập số quay nhanh thì việc quay số nhanh sẽ xảy ra Tương tự như vậy, sau khi cấu hình, chỉ cần nhập số VCR khi muốn truyền thông với bất kì thiết bị khác nào
Ba liểu VCR được định nghĩa như sau:
Kiểu Client/Server: giao tiếp không lập lịch giữa một trạm gửi (Server) và một trạm nhận (Client), các thông báo được xếp trong hàng đợi theo thứ tự có ưu tiên Việc xếp hàng đợi có nghĩa là các thông điệp được gửi và nhận theo thứ tự truyền tải, theo quyền ưu tiên của nó, mà không ghi đè lên tin nhắn trước.Khi một thiết bị nhận được Token Pass (PT) từ LAS, nó có thể gửi một thông báo đến một thiết bị khác trên fieldbus Thiết bị yêu cầu gọi là “Client” và thiết bị nhận được yêu cầu gọi là “Server” Máy chủ sẽ gửi phản hồi khi nó nhận được PT từ LAS Kiểu VCR này thường được sử dụng trong việc nạp chương trình lên xuống, thay đổi các tham số điều khiển hoặc xác nhận các thông báo.
Kiểu phân phối báo cáo (Report Distribution): Giao tiếp không lịch giữa một trạm gửi và một nhóm trạm nhận Khi một thiết bị với một sự kiện hoạc một báo cáo xu hướng nhận được một PT từ LAS, nó sẽ gửi thông báo của mình đến một địa chỉ nhóm đã được định nghĩa trong VCR của nó Các thiết bị đã được cấu hình để nghe VCR này sẽ nhận được thông báo Kiểu phân phối báo cáo này thường được sử dụng trong việc gửi các thông báo báo động.
Kiểu Publisher/subscriber: giao tiếp lập lịch giữa một trạm gửi (publisher) và nhiều trạm gửi (subscriber), dữ liệu được cập nhật mang tính toàn cục như nằm trong cùng một vùng nhớ chung cho toàn bộ mạng.
Các dịch vụ FMS cho phép các chương trình ứng dụng gửi các thông báo cho nhau trên bus theo một chuẩn thống nhất về tập dịch vụ cũng như cấu trúc thông báo Ngoại trừ một số dich vụ báo cáo thông tin và sự kiện, hầu hết các dịch vụ khác của FMS đều sử dụng kiểu VCR client/server Và để hỗ trợ nhiều thể loại mạng khác nhau FMS chuẩn hóa một số loại dịch vụ Có thể chia thành gồm các dịch vụ ứng dụng và các dịch vụ quản trị
Variable Access: truy cập dữ liệu
Program Invocation: Đối tượng chương trình, lin kết các domain thành một chương trình và kiểm soát các hoạt động của chương trình.
Domain management: quản lí miền nhớ, truyền nạp, quản lí các vùng nhớ có liên kết logic
Event Management: hỗ trợ xử lí sự kiện (quản lí bởi các chương trình ứng dụng)
VFD Support: Hỗ trợ thiết bị ảo, cung cấp thông tin về các thiết bị trường thong qua đối tượng thiết bị trường ảo VFD (Virtual Field Devide)
Object List Management: quản lí danh mục các đối tượng
Context Management: Quản lí ngữ cảnh, có nghĩa là quản lí các mối liên kết (tạo nối, ngắt nối)
Các hàm dịch vụ được mô tả tóm tắt trong bảng sau:
Bảng 4-1: Tóm tắt các dịch vụ FMS
Dịch vụ Hàm dịch vụ Mô tả tóm tắt
Khởi động nối giữa hai đối tác Ngắt nối giữa hai đối tác Bác bỏ một dịch vụ hoặc PDU không hợp lệ
Unsolicited status Identity Đọc trạng thái một thiết bị hay 1 ứng dụng
Báo cáo trạng thái một cách tự phát Đọc thông tin nhà sản xuất,kiểu và đời thiết bị
Get OD Initiate Put OD Đọc 1 hoặc nhiều mô tả đối tượng từ OD
Chuẩn bị truyền nạp OD xuống server
Put OD Terminate Put OD
Truyền nạp mô tả đối tượng xuống server
Kết thúc truyền nạp mô tả đối tượng
Initiate upload sequence Upload Segment Terrminate Upload Segment
Chuẩn bị truyền nạp dữ liệu xuống domain
Truyền nạp một khối dữ liệu xuống
Kết thúc truyền nạp dữ liệu xuống
Server yêu càu truyền nạp xuống
Chuyển bị truyền nạp dữ liệu từ Domain lên
Truyền nạp một khối dữ liệu lên Kết thúc truyền nạp dữ liệu lên
Server yêu càu truyền nạp dữ liệu lên
Create Program Invocation Delete Program
Phối hợp các Domain thàng một chương trình
Xóa một đối tượng chương trình
Reset và khởi đọng một chương trình
Dừng một chương trình Tiếp tục một chương trình bị dừng
Reset một chương trình Kết thúc và đóng hẳn một chương trình
Read Write Read With Type Writ withType Physread Đọc giá trị một biếnGhi giá trị một biến Đọc giá trị và kiểu một biếnGhi giá trị và kiểu một biến Đọc một đối tương truy cập vật lí(vùng nhớ)
ReportWith Type Define Variablelist Delete Variablelist
Ghi một đối tương truy cập vật lí(vùng nhớ)
Gửi đồng loạt giá trị một biến
Gửi đồng loạt giá trị và kiểu một biến
Phối hợp các biến thành mooetj danh sách
Xóa bỏ một danh sách biến
Event Nofification Event Nofification With Type
Gửi báo cáo sự kiện Gửi báo cao sự kiện kèm thao kiểu
Xác định báo cáo sự kiện
Thay đổi cho/không cho gửi báo cáo sự kiện
Dữ liệu được trao đổi qua bus được biểu diễn qua một "mô tả đối tượng" (object description) Các mô tả đối tượng được tập hợp thành một cấu trúc gọi là danh mục đối tượng (object dictionary, OD).mỗi mô tả đối tượng được phân biệt qua chỉ số trong danh mục đối tượng
Chỉ số 0 được gọi là đầu danh mục, cung cấp phần mô tả cho phần thân danh mục, cũng như định nghĩa chỉ số đầu tiên cho các danh mục đối tượngcủa chương trình ứng dụng mỗi đối tượng của một chương trình ứng dụng có thể bắt đầu từ từ một chỉ số bất kì lớn hơn 255 Chỉ số 255 và các chỉ số nhỏ hơn định nghĩa các kiểu dữ liệu tiêu chuẩn, ví dụ như kiểu bool, kiểu nguyên, kiểu số thực, chuỗi bit và cấu trúc dữ liệudùng xây dựng tất cả các đối tượng khác.
Trong FMS, mô hình thiết bị trường ảo (virtual field device, VFD) đóng vai trò trung tâm Một VFD là một đối tượng mạng tính chất logic, được sử dụng để quan sát dữ liệu từ xa mô tả trong danh mục đối tượng.một hiết bị thông thường có ít nhất hai VFD, như ví dụ minh họa ở hình 2-4:
Hình 4-1: Các thiết bị trường ảo tiêu biểu trong Foundation Fieldbus
Các dịch vụ FMS cung cấp một phương thức giao tiếp chuẩn trên bus, ví dụ thông qua các khối chức năng Đối với mỗi kiểu đối tượng, FMS quy định một số dịch vụ riêng biệt như đọc/ghi dữ liệu, thông báo/xác nhận sự kiện, nạp lên/nap xuống chương trình
Các khối chức năng
hiệp hội Fieldbus Foundation đã xây dựng một mô hình chương trình ứng dụng dựa trên cơ sở các khối (block) một chương trình ứng dụng là một tập hợp các khối được liên kết với nhau, trong đó mỗi khối đại diện cho một chức năng riêng có 3 loại khối cơ bản là khối tài nguyên (resource block), khối chức năng (function block), khối biến đổi (transducer block)
4.2.1 Khối tài nguyên khối tài nguyên mô tả các dặc tính của thiết bị bus trường như tên thiết bị, nhà sản xuất và mã số trong mỗi thiết bị chỉ có một khối tài nguyên duy nhất Một khối tài nguyên chỉ đứng một mình và không bao giờ liên kết với các khối khác.
4.2.2 Khối chức năng các khối chức năng định nghĩa chức năng và đặc tính của một hệ thống điều khiển các tham số đầu vào và ra của các khối chức năng có thể được liên kết với nhau qua bus, tạo ra cấu trúc của chương trình ứng dụng việc thực hiện mỗi khối chức năng được lập lịch một cách chính xác một chương trình ứng dụng có thể bao gồm nhiều khối chức năng Hiệp hội FF định nghĩa một tập hợp chuẩn các khối chức năng, trong đó các khối quan trọng nhất là:
AI (Analog Input) : Đại diện cho một đầu vào tương tự
AO (Analog Output) : Đại diện cho một đầu ra tương tự
B (Bias): Biểu diễn độ dịch
CS (Control Selection): Khối lựa chon điều khiển
DI (Digital Input): đại diện cho một đầu vào số
DO (Digital Output): Đại diện cho một đầu ra số
Ml (Manual Loader): khối nạp bằng tay
PD (proportional/Derivative): Bộ điều chỉh tỉ lệ/ vi phân
PID (Proportional/Integral/Derivative): Bộ điều chỉnh PID
RA (Ratio): khối tỉ lệTư tưởng khác biệt so với các hệ bus khác là ở đây các khối chức năng được tích hợp trong các thiết bị bus trường để cung cấp chức năng cụ thê cho các thiết bi Ví dụ, một cảm biến nhiệt độ có thể chứa trong khối AI, một van điều chỉnh có thể chứa trong khối PID và một khối AO Như vậy một vòng điều khiển chỉ cần chứa trong ba khối chức năng ở trong hai thiết bị này nhu mô tả trong hình 2-5
Hình 4-3: ví dụ các khối chức năng trong một vòng kín điểu khiển
Các khối biến đổi có chức năng tách biệt các khối chức năng khỏi sự phụ thuộc vào cơ chế vào/ra vật lí cụ thể Thông thường mỗi khối chức năng vào ra có một khối biến đổi tương ứng mỗi khối biến đổi chứa các thông tin chi tiết như ngày tháng hiệu chỉnh, kiểu cảm biến hoặc cơ cấu chấp hành.
Bên cạnh ba khối cơ bản này, các đối tượng sau đây cũng được định nghĩa:
Các khối liên kết (link object) định nghĩa liên kết giữa các đầu vào/ra của các khối chức năng, nội bộ trong các thiết bị cũng như xuyên mạng bus trường.
Các đối tượng ghi đồ thị (trend Object) cho phép ghi lại dữ liệu thời gian thực tại chỗ tham số các khối chức năng để có thể truy cập từ máy chủ hoặc từ các thiết bị khác.
Các đối tượng cảnh báo (Alert object) cho phép gửi các báo động, sự kiện trên bus.
các đối tượng hiển thị (View Object) là các nhóm cá tập hợp tham số khối được định nghĩa trước để có thể sử dụng trên các giao diện người máy.
Chức năng của một thiết bị được xác định bởi sự sắp xếp và liên kết giữa các khối các chức năng này được mô tả ra bên ngoài thông qua thiết bị trường ảo VFD, như đã nói ở trên Đầu của một danh mục đối tượng ứng dụng chỉ tới một mục "Directory", tức mục đầu tiên trong ứng dụng các khối chức năng như được mô tả trong hình 4-4:
Hình 4-4: mô tả các khối chức năng ứng dụng
