VII. THIẾT KẾ CÁC TRẠM THIẾT BỊ ĐO PHÂN TÁN
1. Giới thiệu chung
Giao thức truyền thụng KC.03.04-PB phiờn bản v1.0 được xõy dựng cho phộp trao đổi số liệu giữa trạm chủ PLC (DP-Master) với cỏc trạm thiết bị đo (DP-Slave) qua mạng Profibus-DP. Giao thức này do TT Điều khiển tự động, Viện NC Điện tử - Tin học - Tự động húa thiết kế là một phần trong nhiệm vụ thực hiện đề tài KC.03.04 nhằm hỗ trợ truyền thụng giữa DP-Master với cỏc DP-Slave trong mụ hỡnh mạng được xõy dựng cú cấu trỳc như sau:
Số lượng trạm chủDP-Master: 01 trạm
Số lượng cỏc trạm DP-Slave: 08 trạm, khả năng mở rộng tới 16 trạm và được ký hiệu từDP-Slave-1đến DP-Slave-16
Sốđiểm đo trờn một trạm: max. 16 điểm đo (mỗi điểm đo được hiểu là gồm nhiều kờnh đo cỏc loại thụng số giống và/hoặc khỏc nhau tại cựng một vị trớ quy ước về mặt quản lý)
Số lượng kờnh đo trờn một điểm đo: max. 8 kờnh (mỗi kờnh đo được hiểu là chỉ đo được một thụng số)
Số lượng loại thụng số đo trờn 1 trạm DP-Slave: max. 8 loại thụng số (khi đú mỗi kờnh đo trờn cựng một điểm đo sẽđo 1 loại thụng số khỏc nhau)
Chỳ ý: Cấu hỡnh cỏc trạm DP-Slave tuõn thủ quy ước sau: trong một trạm DP- Slave, số lượng mỗi loại thụng số đo là như nhau tại tất cả cỏc điểm đo, tuy nhiờn thứ tự bố trớ cỏc kờnh đo ở mỗi điểm đo khụng nhất thiết phải giống nhau. Vớ dụ trạm DP-Slave-5 được cấu hỡnh đo cỏc thụng số sau: 2 kờnh đo CH4, 3 kờnh đo nhiệt độ, 1 kờnh đo CO và 2 kờnh đo tốc độ giú, khi đú ở tại tất cả cỏc điểm đo thuộc trạm DP-Slave-5 chỉ cú thể đo được 4 loại thụng số đo là CH4, nhiệt độ, CO và tốc độ giú với số lượng kờnh đo lớn nhất tương ứng với mỗi loại thụng số đo nờu trờn lần lượt là 2, 3, 1 và 2 kờnh. Tuy nhiờn để thứ tự cỏc thụng số đo ứng với cỏc kờnh đo vật lý tại mỗi điểm đo khụng nhất thiết phải như nhau, phần mềm trạm DP-Slave-5 cần thiết phải quản lý cỏc kờnh đo vật lý tại cỏc điểm đo thống nhất theo một trật tự chung sau đõy gọi là thứ tự cỏc kờnh đo ảo hay thứ tự ảo và được chỉ định trong cấu hỡnh của trạm DP- Slave-5 để phục vụ cho việc trao đổi số liệu thống nhất với DP-Master.
Như vậy tổng số cỏc điểm đo trong toàn hệ thống là 128 (mở rộng 256) điểm đo, trong đú cỏc điểm đo (hay cỏc vị trớ đo) nối với cựng một DP-Slave cú thểđo tới 8 loại thụng số. Tuy nhiờn số lượng cỏc loại thụng số đo trong toàn hệ thống khụng
Đề tài KC.03.04: Hệ thống SCADA phục vụ an toàn trong khai thỏc hầm lũ
VIELINA – Tel. (04) 7.164 855 49
bị hạn chế và chỉ bị giới hạn về mặt lý thuyết bởi số lượng cỏc trạm DP-Slave
trong cấu hỡnh hệ thống.
2.2. Cấu hỡnh và cấu trỳc cỏc thành phần trong hệ thống mạng
Cấu hỡnh cỏc thành phần trong hệ thống mạng
ắ Thiết lập cỏc thụng số hệ thống mạng truyền thụng Profibus-DP
Thiết lập cỏc thụng số và cỏc thành phần hoạt động trong hệ thống đảm bảo cỏc yờu cầu của chuẩn húa EN 50170 Vol. 2 (DP Master or DP Slave) đề ra và được xỏc định trong hệ thống này như sau:
Profile: DP
Tốc độ truyền: 9.6 kbps ữ 1.5 Mbps (mặc định 500 kbps) Địa chỉ mạng lớn nhất (Highest Profibus Address): 31 Địa chỉ mạng trạm DP-Master: 2
Địa chỉ mạng cỏc trạm DP-Slave: từ 5 đến 12 tương ứng với cỏc trạm thiết bịđo từ 1 đến 8 (cỏc địa chỉ mạng từ 13 đến 20 được chiếm trước dựng cho mở rộng số lượng trạm DP-Slave tới 16 sau này)
Cỏc địa chỉ mạng khỏc: địa chỉ 0 và 1 dựng cho kết nối mỏy lập trỡnh PG hoặc PC (cú vai trũ như cỏc DP-Master class 2 chuẩn), địa chỉ 3 dựng cho kết nối TD/OP (trờn trạm DP-Master) vào mạng, địa chỉ 4 chiếm chỗ dựng cho mỏy tớnh PC dự phũng hoặc PC-Client, cỏc địa chỉ mạng khỏc cũn lại (từ 21 đến 31) hiện khụng sử dụng.
ắ Trạm DP-Master
Hoạt động đảm bảo như một DP-Master class 1 chuẩn theo như chuẩn húa EN 50170 Vol. 2 (DP Master)
Cho phộp cấu hỡnh được cỏc trạm DP-Slave chuẩn sử dụng file cấu hỡnh chuẩn thiết bị (device database file) dạng *.GSD hoặc *.GSE của chuẩn húa
Độ lớn của DP-I/O buffer cho phộp tới 1024/1024 bytes đối với mỗi vựng ắ Cỏc trạm DP-Slave
Hoạt động đảm bảo như cỏc DP-Slave chuẩn theo như chuẩn húa Profibus-DP EN 50170 Vol. 2 (DP Slave).
Tựđộng nhận biết được tốc độ truyền trong mạng (hiện trong thiết lập mạng sử dụng tốc độ truyền 9.6 kbps ữ 1.5 Mbps)
Đặc tả hoạt động trong file cấu hỡnh chuẩn thiết bị (device database file) dạng *.GSD hoặc *.GSE theo như chuẩn húa đề ra
Cho phộp cấu hỡnh được độ lớn của DP-I/O buffer (đặc tả trong file *.GSD hoặc *.GSE) ớt nhất theo một trong hai dạng sau:
consistent over unit (byte/word/double word): 64/64 bytes hoặc 32/32 từ (word) hoặc 16/16 từ kộp (double word)
Đề tài KC.03.04: Hệ thống SCADA phục vụ an toàn trong khai thỏc hầm lũ
VIELINA – Tel. (04) 7.164 855 50
Cấu trỳc DP-I/O buffers
Theo như hoạt động của mạng Profibus-DP, việc trao đổi dữ liệu (DP_Data_Exchange) diễn ra liờn tục theo chu kỳ vũng quột mạng giữa trạm chủ
DP-Master class 1 với cỏc trạm DP-Slave thụng qua hai vựng đệm (buffer) trờn mỗi trạm. Dưới đõy là cỏc ký hiệu và quy ước đối với mỗi vựng đệm này (Hỡnh 17).
Hỡnh 17 : Phõn bố DP-I/O buffers trờn cỏc trạm và chiều dữ liệu trao đổi
ắ DP-I/O buffers trờn trạm DP-Master
Vựng buffer đầu vào (DP-Master Input buffer): Ký hiệu: DP_M_In
Độ lớn: 1024 byte
Cấu trỳc: DP_M_In được phõn thành 16 vựng 64 byte cú địa chỉ liờn tiếp nhau và ký hiệu theo thứ tự từDP_M_In_1đến DP_M_In_16.
Chức năng: DP_M_In là buffer đầu vào phục vụ việc lưu giữ cỏc giỏ trị nhận về từ cỏc vựng buffer đầu ra DP_Si_Out (i=1..16) tương ứng từ cỏc trạm
DP-Slave-1 đến DP-Slave-16. Cụng việc nhận cỏc khối DP_Si_Out từ cỏc trạm DP-Slave về và lưu tại cỏc vựng DP_M_In_i tương ứng sẽ do giao thức mạng Profibus-DP đảm nhiệm theo chu kỳ vũng quột mạng.
PROFIBUS-DP DP-Slave 16 I/O buffers DP-Slave 2 I/O buffers DP-Slave 1 I/O buffers
DP-Master I/O buffers
DP_M_In 1024 bytes DP_M_Out 1024 bytes DP_M_In_1 64 bytes DP_M_Out_1 64 bytes Điểmđo: i DP_M_Out_2 64 ••• ••• DP_M_In_16 64 bytes DP_M_Out_16 64 bytes DP_S1_In 64 bytes DP_S1_Out 64 bytes DP_S2_In 64 bytes DP_S2_Out 64 bytes DP_S16_In 64 bytes DP_S16_Out 64 bytes
Đề tài KC.03.04: Hệ thống SCADA phục vụ an toàn trong khai thỏc hầm lũ
VIELINA – Tel. (04) 7.164 855 51
Vựng buffer đầu ra (DP-Master Output buffer): Ký hiệu: DP_M_Out
Độ lớn: 1024 byte
Cấu trỳc: DP_M_Out được phõn thành 16 vựng 64 byte cú địa chỉ liờn tiếp nhau và ký hiệu theo thứ tự từDP_M_Out_1đến DP_M_Out_16.
Chức năng: DP_M_Out là vựng đệm đầu ra lưu cỏc giỏ trị cần truyền tới cỏc vựng DP_Si_In (i=1..16) tương ứng trờn cỏc trạm từ DP-Slave-1 đến DP- Slave-16. Cụng việc truyền cỏc khối DP_M_Out_i tới cỏc vựng DP_Si_In
tương ứng sẽ do giao thức mạng Profibus-DP thực hiện liờn tục theo chu kỳ vũng quột mạng.
Hỡnh 18 : Cấu trỳc cỏc DP-I/O buffer
ắ DP-I/O buffers trờn cỏc trạm DP-Slave
Cỏc vựng buffer đầu vào (DP-Slave Input buffers):
Ký hiệu: từ DP_S1_In đến DP_S16_In tương ứng với mỗi vựng DP-Slave buffer đầu vào trờn cỏc trạm từDP-Slave-1đến DP-Slave-16
Độ lớn: 64 byte
Chức năng: DP_Si_In (i=1..16) là buffer đầu vào trờn trạm DP-Slave-i phục vụ việc lưu giữ cỏc giỏ trị nhận về từ vựng buffer đầu ra DP_M_Out_i
(i=1..16) tương ứng trờn trạm DP-Master. Quỏ trỡnh này do giao thức mạng Profibus-DP đảm nhiệm theo chu kỳ vũng quột mạng.
DP_M_Out_i / DP_Si_In
+0 Reserved
16 bytes
+16 SYS_D&T
8 bytes, IEC Date&Time format +24 CTR_W
2 bytes SER_NO 2 bytes +28 SID
1 byte PAR1 1 byte PAR2 1 byte PAR3 1 byte
+32 DW1 4 bytes +36 • • • +60 DW8 4 bytes DP_M_In_i / DP_Si_Out +0 LOC_CFG 4 bytes +4 V_SEN_CFG 16 bytes +20 Reserved 4 bytes +24 Reserved
2 bytes REC_NO 2 bytes +28 SID 1 byte PAR1 1 byte PAR2 1 byte PAR3 1 byte +32 DW1 4 bytes +36 • • • +60 DW8 4 bytes
Đề tài KC.03.04: Hệ thống SCADA phục vụ an toàn trong khai thỏc hầm lũ
VIELINA – Tel. (04) 7.164 855 52
Cỏc vựng buffer đầu ra (DP-Slave Output buffers):
Ký hiệu: từDP_S1_Outđến DP_S16_Out tương ứng với mỗi vựng DP-Slave buffer đầu ra trờn cỏc trạm từDP-Slave-1đến DP-Slave-16
Độ lớn: 64 byte
Chức năng: DP_Si_Out (i=1..16) là buffer đầu ra trờn trạm DP-Slave-i phục vụ việc lưu và truyền cỏc giỏ trị này về vựng buffer đầu vào DP_M_In_i
(i=1..16) tương ứng trờn trạm DP-Master. Quỏ trỡnh truyền số liệu này do giao thức mạng Profibus-DP đảm nhiệm theo chu kỳ vũng quột mạng.
Cấu trỳc chung cỏc vựng DP_M_Out_i, DP_Si_In và cỏc vựng DP_M_In_i,
DP_Si_Outđược thể hiện trờn Hỡnh 18.
ắ Đặc tả cỏc buffer DP_M_Out_i và DP_Si_In
Cỏc buffer này (Hỡnh 18, bờn trỏi) đều cú độ lớn 64 byte và được chia làm hai phần: phần 28 byte đầu chứa cỏc thụng tin hiện thời về hệ thống và điều khiển phục vụ cho việc cập nhật tự động và tức thời từ DP-Master xuống cỏc trạm DP- Slave; phần 36 byte tiếp theo được sử dụng để trạm DP-Master đưa ra yờu cầu thực thi một dịch vụ trờn DP-Slave. Sau đõy là cỏc đặc tả:
Vựng 28 byte dữ liệu hiện thời cập nhật tựđộng:
Reserved (từ địa chỉ offset +0, độ lớn 16 bytes): hiện chiếm chỗ cho phỏt triển tiếp sau này
SYS_D&T (+16, 8 bytes): thời gian (ngày, giờ) hiện thời của hệ thống cú định dạng theo chuẩn húa IEC Date&Time cho phộp cỏc trạm DP-Slave sử dụng để chuẩn húa lại ngày, giờ của từng trạm thống nhất chung theo ngày, giờ của toàn hệ thống cũng như cú thể sử dụng vào cỏc mục đớch khỏc. CTR_W (+24, 2 bytes): từđiều khiển này (16 bit) cho phộp điều khiển trực
tiếp một số đầu ra trờn trạm DP-Slave khi được cấu hỡnh (dựng cho phỏt triển sau này)
SER_NO (+26, 2 bytes): mỗi khi trạm DP-Masterđưa ra yờu cầu thực hiện một dịch vụ mới, giỏ trị SER_NO sẽđược tăng lờn thờm 1 đơn vị. SER_NO cho phộp DP-Slave nhanh chúng phỏt hiện được yờu cầu thực thi một dịch vụ mới gửi từ phớa DP-Master.
Vựng 36 byte dữ liệu phục vụ phỏt yờu cầu thực thi dịch vụ:
SID (+28, 1 byte): chỉ mó dịch vụ cần thực thi nhằm phõn biệt giữa cỏc loại dịch vụ khỏc nhau.
PAR1, PAR2, PAR3 (+29, 1 byte each): cỏc tham số đi với mó dịch vụ nhằm đặc tả nhiệm vụ cụ thể của dịch vụ
DW1..DW8 (+32, 4 bytes each): vựng dữ liệu 32 bytes dựng cho truyền dữ liệu (nếu cú, đối với một số dịch vụ) xuống trạm DP-Slave.
ắ Đặc tả cỏc buffer DP_M_In_i và DP_Si_Out
Giống như trường hợp trờn, cỏc buffer này (Hỡnh 18, bờn phải) cũng đều cú độ lớn 64 byte và được chia làm hai phần: phần 28 byte đầu chứa cỏc thụng tin hiện thời
Đề tài KC.03.04: Hệ thống SCADA phục vụ an toàn trong khai thỏc hầm lũ
VIELINA – Tel. (04) 7.164 855 53
về cấu hỡnh, trạng thỏi hệ thống của trạm DP-Slave và được cập nhật tự động và tức thời phục vụ cho DP-Master sử dụng mà khụng cần phải thụng qua chức năng dịch vụ; phần 36 byte tiếp theo được sử dụng để trạm DP-Slaveđỏp trả lại kết quả thực thi dịch vụ do DP-Master yờu cầu. Sau đõy là cỏc đặc tả:
Vựng 28 byte dữ liệu hiện thời cập nhật tựđộng:
LOC_CFG (+0, 4 bytes): 4 byte cấu hỡnh hiện thời của 16 điểm đo, mỗi điểm đo sử dụng 2 bit được quy định như Hỡnh 19 dưới đõy.
V_SEN_CFG (+4, 16 bytes): cấu hỡnh (cỏc kờnh đo) ảo cho biết hiện thời cỏc kờnh đo ảo nào trờn mỗi điểm đo (cấu hỡnh trong LOC_CFG) đang được sử dụng (Hỡnh 20).
Ghi chỳ: Cỏc kờnh đo ảo được hiểu là cỏc kờnh đo được sắp xếp theo một trật tự thống nhất chung (dựa trờn loại thụng số đo) ở tất cả cỏc điểm đo trong cựng một trạm DP-Slave và ỏnh xạ đến cỏc kờnh đo vật lý qua bảng thứ tự cỏc kờnh đo ảo V_SEN_ORD (64 byte, sử dụng 4 bit hiện mó húa cỏc giỏ trị từ 0..7 tương ứng với thứ tự vật lý K1..K8 của mỗi kờnh đo trờn một điểm đo). Trường hợp giản đơn khi thứ tự cỏc kờnh đo ảo trựng với thứ tự cỏc kờnh đo vật lý ở tại tất cả cỏc điểm đo.
Reserved (+20, 6 bytes): cỏc byte chiếm chỗ hiện khụng sử dụng, dành cho phỏt triển sau này
REC_NO (+26, 2 bytes): mỗi khi trạm DP-Slave hoàn thành một chu kỳ cập nhật toàn bộ dữ liệu đo từ tất cả cỏc kờnh đo trờn cỏc điểm đo được cấu hỡnh, giỏ trị REC_NO cần thiết tăng lờn thờm 1 đơn vị. Giỏ trị này cho phộp
DP-Master nhanh chúng phỏt hiện được khi cú một bản ghi dữ liệu đo mới trờn trạm DP-Slaveđể cú thểđiều khiển việc cập nhật dữ liệu này về thụng qua cỏc yờu cầu thực thi dịch vụ.
Hỡnh 19 : Quy định từ kộp LOC_CFG Điểm đo 16 Byte +3 7 6 1 0 U S ••• U S ••• Byte +0 7 6 1 0 U S ••• U S
Điểm đo 13 Điểm đo 4 Điểm đo 1 U: Used bit
S: Status bit
U S í nghĩa
0 x Điểm đo khụng được cấu hỡnh sử dụng trờn DP_Slave 1 0 Điểm đo được cấu hỡnh nhưng hiện khụng kết nối được
(khụng cú dữ liệu về cỏc kờnh đo của điểm đo đú) 1 1 Điểm đo được cấu hỡnh và hoạt động bỡnh thường (dữ
Đề tài KC.03.04: Hệ thống SCADA phục vụ an toàn trong khai thỏc hầm lũ
VIELINA – Tel. (04) 7.164 855 54
Hỡnh 20 : Cấu hỡnh cỏc kờnh đo ảo V_SEN_CFG
Vựng 36 byte dữ liệu phục vụđỏp trả kết quả thực thi dịch vụ:
SID (+28, 1 byte): mó dịch vụđỏp trả (khỏc với mó dịch vụ yờu cầu, sẽ chỉ rừ ở phần sau) tương ứng với mó dịch vụđó yờu cầu
PAR1, PAR2, PAR3 (+29, 1 byte each): cỏc tham sốđỏp trảđi kốm với mó dịch vụđỏp trả nhằm đặc tả kết quả thực hiện thực của dịch vụđó yờu cầu. DW1..DW8 (+32, 4 bytes each): vựng dữ liệu 32 bytes dựng cho truyền dữ
liệu đỏp trả kốm theo (nếu cú, đối với nhiều dịch vụ) về trạm DP-Master. Quy trỡnh chung thực hiện cỏc dịch vụ trong giao thức
Quy trỡnh chung thực hiện một dịch vụ giữa DP-Master với một DP-Slave cú thể mụ tả theo cỏc bước như Hỡnh 21 (Đặc tả chi tiết cỏc dịch vụ của giao thức được trỡnh bày ở mục XI.1):
Bước 1: DP-Master gửi dịch vụ (ghi số liệu) xuống vựng DP_M_Out_i nhằm yờu cầu DP-Slave-i thực thi dịch vụ và chuyển sang chếđộ chờ kết quả thực hiện dịch vụ đỏp trả từDP-Slave-i sẽđược nhận về trong vựng DP_M_In_i.
DP-Slave-i
Ký hiệu:
K1..K8: cỏc kờnh đo vật lý VK1..VK8: cỏc kờnh đo ảo V1..V8: cỏc bit cấu hỡnh kờnh
đo ảo trong V_SEN_CFG
VK8 VK2 VK1 VK8 VK2 VK1 K8 K2 K1 Điểmđo số16 K8 K2 K1 Cấu hỡnh cỏc kờnh đo ảo V_SEN_CFG Vx í nghĩa
0 Kờnh đo ảo khụng được cấu hỡnh (khụng sử dụng) 1 Kờnh đo ảo được cấu hỡnh (sử dụng)
Thứ tự vật lý thực cỏc kờnh đo ảo V_SEN_ORD (VKi: 4 bit; m, n, i = 0..7) Thứ tự cỏc kờnh đo vật lý (0..7 tương ứng K1..K8) ••• ••• Byte offset +4 7 1 0 ••• V2 V1 V8 Byte offset +19 7 1 0 ••• V2 V1 V8 0 ••• n 1 m 1 ••• 0 7 i ••• m ••• 1 0 7 7 ••• 1 0 Điểmđo số1
Đề tài KC.03.04: Hệ thống SCADA phục vụ an toàn trong khai thỏc hầm lũ
VIELINA – Tel. (04) 7.164 855 55
Bước 2: Mạng Profibus-DP trong chế độ DP_Data_Exchange theo vũng quột mạng sẽ tự động chuyển dữ liệu từ DP_M_Out_i xuống DP_Si_In. Như vậy thực chất đến khi này, yờu cầu thực thi dịch vụ từDP-Master mới xuống đến được vựng buffer đầu vào của DP-Slave-i.
Bước 3: DP-Slave-i cần thiết phỏt hiện được yờu cầu thực thi một dịch vụ mới (trong DP_Si_In), nhanh chúng xử lý và trả lại kết quả thực hiện dịch vụ vào vựng
DP_Si_Out (để Profibus truyền lờn vựng DP_M_In_i trờn trạm DP-Master).
Bước 4: Mạng Profibus-DP trong chế độ DP_Data_Exchange theo vũng quột mạng sẽ tựđộng chuyển dữ liệu từDP_Si_Out lờn DP_M_In_i và như vậy Profibus