Mạng PROFIBUS DP là gì

Profibus có 3 Communication Profiles: FMS Fieldbus Message Specification thường được sử dụng cho Bus hệ thống ở cấp điều khiển giám sát; DP Distributed Peryphery sử dụng để kết nối thiết

Mạng PROFIBUS DP là gì?

Profibus là một chuẩn thông tin công nghiệp mở phù hợp với nhiều ứng dụng tự động hóa và điều khiển các quá trình công nghiệp Profibus có 3 Communication Profiles: FMS (Fieldbus Message Specification) thường được sử dụng cho Bus hệ thống ở cấp điều khiển giám sát; DP (Distributed Peryphery) sử dụng để kết nối thiết bị điều khiển với các ngoại vi phân tán; PA (Process Automation) là sự mở rộng của DP sử dụng trong môi trường chống cháy, nổ

Profibus DP được thiết kế để trao đổi dữ liệu ở cấp thiết bị trường Ở đó, các thiết bị điều khiển như PLC/PC hay các thiết bị điều khiển quá trình khác có thể thông tin với các thiết bị trường phân tán như I/O, các bộ driver và van cũng như các thiết bị đo thông qua một Bus thông tin nối tiếp tốc độ cao Dữ liệu trao đổi với các thiết bị phân tán này chủ yếu là theo chu kỳ Các chức năng thông tin cần thiết đó được định nghĩa trong hàm DP cơ bản DP cũng mở rộng với các dịch vụ thông tin không theo chu kỳ cho việc thông số hóa, giám sát và cảnh báo đối với các thiết vị trường "thông minh" Profibus DP sử dụng chuẩn RS-485 và cáp quang cho phần truyền dẫn tín hiệu Trong

đó chuẩn RS-485 thông dụng hơn vì nó cú giá thành thấp, dễ đấu nối, tốc độ truyền cao RS-485 có cấu trúc dạng Bus, sử dụng cáp đôi xoắn có vỏ bọc chống nhiễu làm môi trường truyền dẫn Thông thường người ta hay sử dụng cáp kiểu A với các thông

số sau:

Tốc độ truyền có thể chọn từ 9,6 kbps đến 12Mbps Khoảng cách truyền lớn nhất 1200

m Tốc độ truyền và khoảng cách truyền có liên hệ với nhau theo bảng sau (với cáp kiểu A):

RS-485 không định nghĩa kiểu jack đấu do đó khi đấu nối ta phải chú ý xem hướng dẫn của nhà sản xuất để đấu nối cho đúng Các thiết bị của SIEMENS hay dùng jack D-sub

9 chân cho kết nối với chân 3 là chân Tx/Rx+ và chân 8 là Tx/Rx-, chân 1 được nối với

vỏ chống nhiễu Mỗi một đoạn mạng có tối đa 32 nút mạng mà không cần repeater Nếu có repeater ta có thể mở rộng số nút trên mạng lờn 126 nút Ở hai đầu nút của đường truyền yêu cầu nối một điện trở kết thúc để giảm sóng phản xạ gây nhiễu tín hiệu Điện trở kết thúc trên Profibus cú dạng fail-safe biasing như sau:

Hình 2: Điện trở kết thúc dạng fail-safe biasing.

Do cấu trúc mạng dạng Bus nên Profibus đòi hỏi một giao thức điều khiển truy nhập đường truyền Phương pháp điều khiển truy nhập đường truyền của Profibus là sự kết hợp của hai phương pháp Master/Slave và Token Bus Trong mạng Profibus có hai loại thiết bị là thiết bị Master (có thể là PC, PLC hay các thiết bị điều khiển khác) và Slave (các I/O phân tán, các thiết bị trường ) Trong mạng chỉ có một thiết bị là Master (Mono Master) thì điều khiển truy nhập đường truyền theo Master/Slave Khi đó Master hỏi và Slave trả lời các yêu cầu từ Master Trong mạng có nhiều Master (Multi Master) thì điều khiển truy nhập là sự kết hợp cả hai phương pháp: giữa các Master sử dụng phương pháp Token Bus và giữa Master với Slave sử dụng phương pháp Master/Slave Một Master quản lý một hay nhiều Slave và Slave có thể bị truy nhập bởi nhiều Master

Hình 3: Truy cập theo cấu hình Multi Master trong Profibus.

Lớp DataLink của Profibus cung cấp bốn dịch vụ trao đổi số liệu SDN ( Send Data with

No Acknowledge) được dùng cho việc gửi đồng loạt tới tất cả các thiết bị trong mạng (broadcast) hay gửi tới một nhóm thiết bị (Multicast) SDA (Send Data with Acknowledge) và SRD ( Send and Request Data with Reply) là các dịch vụ trao đổi dữ liệu có xác nhận, trong đó SRD bên nhận phải gửi dữ liệu trả lời CSRD ( Cyclic Send and Request Data with Reply) là dịch vụ trao đổi dữ liệu tuần hoàn Profibus cung cấp 4 kiểu bản tin khác nhau cho truyền dữ liệu và gửi thẻ bài

Trạng thái làm việc của Profibus DP được xác định thông qua trang thái của trạm chủ

Có 3 trạng thái hoạt động là: Operate truyền theo chu kỳ dữ liệu đầu vào/ra; Clear đọc đầu vào và giữ đầu ra ở trạng thái an toàn; Stop không truyền dữ liệu của ứng dụng, chỉ cho phép tham số hóa và chuẩn đoán

Profibus DP có các lệnh cho phép đồng bộ các đầu vào và ra Chế độ Sync để đồng bộ hóa dữ liệu đầu ra và chế độ Freeze dùng để đồng bộ hóa dữ liệu đầu vào

Trao đổi dữ liệu giữa Master và các Slave gán cho nó thực hiện tuần hoàn theo trình tự định sẵn Trong mỗi một chu kỳ Bus, Master sẽ lần lượt đọc các thông tin đầu vào của các trạm Slave lên bộ nhớ của Master và đưa các thông tin đầu ra từ bộ nhớ Master tới trạm Slave Mỗi trạm Slave cho phép tối đa 246 byte dữ liệu đầu vào và 246 byte dữ liệu đầu ra

Hình 4: Truyền dữ liệu theo chu kỳ trong DP.

Profibus DP còn có các dich vụ trao đổi dữ liệu không theo chu kỳ cho phép số hóa và chuẩn đoán các vấn đề xảy ra với Slave từ Master

Các thiết bị PROFIBUS có những đặc điểm cấu trúc khác nhau Sự khác nhau về cấu trúc giữa chúng tùy thuộc vào chức năng của từng thiết bị và phụ thuộc vào các tham

số đường truyền như tốc độ truyền dữ liệu, các giá trị thời gian giám sát Những tham

số này thay đổi tùy theo từng loại thiết bị và hệ thống điều khiển Để mạng truyền thông với giao thức Profibus có cấu trúc đơn giản, các thiết bị thường sử dụng GSD

files Tất cả các nhà sản xuất đều phải cung cấp file GSD trong các thiết bị Profibus

của mình GSD files được ứng dụng rộng rãi, từ hệ thống truyền tin mở đến các hệ thống điều khiển vận hành GSD files được dùng trên mọi cấu hình từ loại đơn giản nhất đến loại phức tạp nhất Điều này có nghĩa là tích hợp giữa các thiết bị thuộc những nhà sản xuất khác nhau trong mạng Profibus còn không là vấn đề khó khăn GSD files chứa những đặc điểm đặc trưng cơ bản giống nhau giữa các thiết bị Profibus,

đó chính là lý do vì sao GSD files tương thích được với nhiều loại thiết bị Thông qua những file này, kỹ sư dự án không phải nắm bắt các thông số kỹ thuật theo cách đo đạc bằng tay thông thường như trước nữa Thời gian được tiết kiệm đáng kể và trong suốt quá trình, hệ thống điều khiển sẽ tự động kiểm tra (check) các sai số đầu vào, sai số truyền dữ liệu và nhiều loại sai số khác

Hình 5: Sử dụng GSD file trong DP

Để thiết kế một thiết bị điều khiển có tích hợp Profibus DP, thông thường người ta sử dụng các chip ASICs

Đối với các thiết bị đầu vào/ đầu ra đơn giản, giải pháp Profibus với ASICs đơn chíp là một giải pháp thực tế Tất cả các chức năng giao thức đã được tích hợp sẵn trong ASICs Vì vậy không cần bộ vi xử lý hoặc phần mềm mà chỉ cần mạch giao diện truyền tin, tinh thể thạch anh và các thiết bị điện tử công suất đóng vai trò như các thiết bị ngoại vi Thí dụ: bộ Slave điển hình bao gồm SPM2 ASICs của Siemens, chip IX1 của M2C và CHIP vpcls-ASIC của profichip

Đối với bộ slave thông minh, bộ phận xử lý giao thức của nó sẽ làm việc trên chip giao thức, các phần còn lại làm việc như phần mềm trong bộ vi điều khiển Chip DDC31 của hãng Siemens là sự kết hợp của chip giao thức và bộ vi điều khiển Còn những chip cơ

sở khác, ví dụ như ASICs SPC3 (Siemens), VPC3+ (PROFICHIP) hay IX1 (M2C) thì đã được chế sẵn, chỉ cần lắp ráp Những con chip ASIC cung cấp giao diện dùng chung với các bộ vi điều khiển, bộ slave thông minh ta còn có thể dùng các bộ vi xử lý với lõi đã được tích hợp giao thức PROFIBUS

Cũng giống như bộ slave thông minh, ở bộ master phức hợp, bộ phận xử lý giao thức của nó cũng làm việc trên chip giao thức, còn những phần còn lại làm việc như phần mềm trong bộ vi điều khiển Các chip ASICs ASPC2 (Siemens), IX1 (M2C) hay VAF PBM (IAM) đều đã được chế sẵn để hỗ trợ các thiết bị master phức hợp hoạt động Chúng cũng được kết hợp và cùng vận hành với các bộ vi xử lý

Do có nhiều ưu điểm nên hiện nay Profibus DP được sử dụng rất nhiều trong hệ thống điều khiển tự động của các nhà máy công nghiệp như Xi-măng, điện, hóa chất, chế biến v v tại Việt Nam cũng như trên thể giới