PROFIBUS (Process Field Bus) là một hệ thống bus trường được phỏt triển ở Đức từ năm 1987, do 21 cụng ty và cơ quan nghiờn cứu hợp tỏc. Sau khi được chuẩn húa quốc gia với DIN 19245. PROFIBUS đó trở thành chuẩn chõu Âu EN 50170 trong năm 1996 và chuẩn quốc tế IEC 61158 vào cuối năm 1999. Bờn cạnh đú, PROFIBUS cũn được đưa vào trong chuẩn IEC 61784 - một chuẩn mở rộng trờn cơ sở IEC 61158 cho cỏc hệ thống sản xuất cụng nghiệp. Với sự ra đời của cỏc chuẩn mới IEC 61158 và IEC 61784 cũng như với cỏc phỏt triển mới gần đõy. Với mục đớch quảng bỏ cũng như hỗ trợ việc phỏt triển và sử dụng cỏc sản phẩm tương thớch PROFIBUS, một tổ chức người sử dụng đó được thành lập, mang tờn PROFIBUS Nutzerorganisation(PNO). Từ năm 1995, tổ chức này nằm trong một hiệp hội lớn mang tờn PROFIBUS International (PI) với hơn 1.100 thành viờn trờn toàn thế giới.
PROFIBUS định nghĩa cỏc đặc tớnh của một hệ thống bus cho phộp kết nối nhiều thiết bị khỏc nhau, từ cỏc thiết bị trường cho tới vào/ra phõn tỏn, cỏc thiết bị điều khiển và giỏm sỏt. PROFIBUS-FMS là giao thức nguyờn bản của PROFIBUS, được dựng chủ yếu cho việc giao tiếp giữa cỏc mỏy tớnh điều khiển và điều khiển giỏm sỏt. Bước tiếp theo là sự ra đời của DP vào năm 1993 - một giao thức đơn giản và nhanh hơn nhiều so với FMS. PROFIBUS – DP được xõy dựng tối ưu cho việc kết nối cỏc thiết bị vào/ra phõn tỏn cỏc thiết bị trường với cỏc mỏy tớnh điều khiển. PROFIBUS - FMS và PROFIBUS - DP lỳc đầu được sử dụng phổ biến trong cỏc ngành cụng nghiệp
chế tạo, lắp rỏp. Tuy nhiờn gần đõy, vai trũ của PROFIBUS- FMS ngày càng mờ nhạt bởi sự cạnh tranh của cỏc hệ dựa trờn nền Ethernet (Ethernet/IP, Profinet, High – Speed Ethernet…). Trong khi đú, phạm vi ứng dụng của PROFIBUS - DP ngày càng lan rộng sang nhiều lĩnh vực khỏc. PROFIBUS-PA là kiểu đặc biệt sử dụng ghộp nối trực tiếp cỏc thiết bị trường trong cỏc lĩnh vực tự động húa cỏc quỏ trỡnh cú mụi trường dễ chỏy nổ, đặc biệt trong cụng nghiệp chế biến.
Ngày nay, PROFIBUS là hệ bus trường hàng đầu thế giới với hơn 20% thị phần và với hơn 5 triệu thiết bị lắp đặt trong 500.000 ứng dụng. Cú thể núi PROFIBUS là giải phỏp chuẩn, đỏng tin cậy cho nhiều phạm vi ứng dụng khỏc nhau, đặc biệt là cỏc ứng dụng cú yờu cầu cao về tớnh năng thời gian.
a) Giao thức
PROFIBUS chỉ thực hiện cỏc lớp 1, lớp 2 và lớp 7 theo mụ hỡnh quy chiếu OSI. Tuy nhiờn, PROFIBUS- DP và PA bỏ qua cả lớp 7 nhằm tối ưu húa việc trao đổi dữ liệu quỏ trỡnh giữa cấp điều khiển với cấp chấp hành. Một số chức năng cũn thiếu được bổ xung qua lớp giao diện sử dụng nằm trờn lớp 7. Bờn cạnh cỏc hàm dịch vụ DP cơ sở và mở rộng được quy định tại lớp giao diện sử dụng, hiệp hội PI cũn đưa ra một số quy định chuyờn biệt (profiles) về đặc tớnh và chức năng đặc thự của thiết bị cho một số lĩnh vực ứng dụng tiờu biểu. Cỏc đặc tả này nhằm mục đớch tạo khả năng tương tỏc và thay thế lẫn nhau của thiết bị từ nhiều nhà sản xuất.
Cả ba giao thức FMS, DP và PA đều cú chung lớp liờn kết dữ liệu (lớp FDL), PROFIBUS – PA cú cựng giao diện sử dụng như DP, tuy nhiờn đặc tớnh của cỏc thiết bị được quy định khỏc nhằm phự hợp với mụi trường làm việc dễ chỏy nổ. Kỹ thuật truyền dẫn MBP (Manchester coded, Bus Powered) theo IEC1158 –2 cũ được ỏp dụng ở đõy đảm bảo vấn đề an toàn và cung cấp nguồn cho cỏc thiết bị qua cựng dõy dẫn bus. Để tớch hợp cỏc đoạn mạng DP và PA cú thể dựng cỏc bộ chuyển đổi (DP/PA- Link, DP/PA - Coupler) cú sẵn trờn thị trường.
Lớp ứng dụng của lớp FMS bao gồm hai lớp con là FMS (Fieldbus Message Specification) là LLI (Lower layer Interface), trong đú FMS chớnh là một tập con của chuẩn MMS. Lớp FMS đảm nhiệm việc xử lý giao thức sử dụng và cung cấp cỏc dịch vụ truyền thụng trong khi LLI cú vai trũ trung gian cho FMS kết nối với lớp 2 mà khụng phụ thuộc vào cỏc thiết bị riờng biệt. Lớp LLI cũn cú nhiệm vụ thực hiện cỏc chức năng bỡnh thường thuộc cỏc lớp 3-6, vớ dụ tạo và ngắt nối, kiểm soỏt lưu thụng, PROFIBUS – FMS và PROFIBUS – DP sử dụng cựng một kỹ thuật truyền dẫn và phương phỏp truy nhật bus, vỡ vậy cú thể cựng hoạt động trờn một đường truyền vật lý duy nhất.
Lớp vật lý của PROFIBUS quy định về kỹ thuật truyền dẫn tớn hiệu, mụi trường truyền dẫn, cấu trỳc mạng và cỏc giao diện cơ học. Cỏc kỹ thuật truyền dẫn được sử
dụng ở đõy là RS - 485 - IS và cỏp quang (đối với DP và FMS) cũng như MBP (đối với PA). RS - 485 - IS (IS: Intrrisically Safe) được phỏt triển trờn cơ sở RS - 485 để cú thể sử dụng trong mụi trường đũi hỏi an toàn chỏy nổ.
Lớp liờn kết dữ liệu ở PROFIBUS được gọi là FDL (Fieldbus Data Link), cú chức năng kiểm soỏt truy nhập bus, cung cấp dịch vụ cơ bản (cấp thấp) cho việc trao đổi dữ liệu một cỏch tin cậy, khụng phụ thuộc vào phương phỏp truyền dẫn ở lớp vật lý.
b) Cấu trỳc mạng và kỹ thuật truyền dẫn
Truyền dẫn với RS - 485
Chuẩn PROFIBUS theo IEC 61158 quy định cỏc đặc tớnh điện học và cơ học của giao diện RS - 485 cũng như mụi trường truyền thụng, trờn cơ sở đú cỏc ứng dụng cú thể lựa chọn cỏc thụng số thớch hợp. Cỏc đặc tớnh điện học bao gồm:
- Tốc độ truyền thụng ừ 9,6 kbit/s đến 12 Mbit/s.
- Cấu trỳc đường thẳng kiểu đường trục/đường nhỏnh (trunk - line/drop - line)
hoặc daisy - chain, trong đú cỏc tốc độ truyền từ 1,5 Mbit/s trở lờn yờu cầu cấu trỳc daisy - chain.
- Cỏp truyền được sử dụng là đụi dõy xoắn cú bảo vệ (STP), Hiệp hội PI khuyến cỏo dựng cỏp loại A.
- Trở kết thỳc cú dạng tin cậy (fall - safe biasing) với cỏc điện trở lần lượt là 390 - 220.
- Chiều dài tối đa của một đoạn mạng từ 100 đến 1200m, phụ thuộc vào tốc độ truyền được lựa chọn. Quan hệ giữa tốc độ truyền và chiều dài tối đa của một đoạn mạng được túm tắt trong bảng 3.5.
- Số lượng tối đa cỏc trạm trong mỗi đoạn mạng là 32. Cú thể dựng tối đa 9 bộ lặp tức 10 đoạn mạng. Tổng số trạm tối đa trong một mạng là 126.
- Chế độ truyền tải khụng đồng bộ và hai chiều khụng đồng thời. - Phương phỏp mó húa bớt NRZ.
Bảng 3.5: Chiều dài tối đa của một đoạn mạng PROFIBUS (Cỏp STP loại A)
Tốc độ
(kbit/s) 9,6/19,2/45,45/93,75 187,5 500 1500 3000/6000/12000 Chiều dài
(m) 1200 1000 400 200 100
Về giao diện cơ học cho cỏc bộ nối, loại D – Sub 9 chõn được sử dụng phổ biến nhất với cấp bảo vệ IP20. Trong trường hợp yờu cầu cấp bảo vệ IP65/67, cú thể sử dụng một trong cỏc loại sau đõy:
Bộ nối Han - Brid theo khuyến cỏo của DESINA
Bộ nối kiểu lai của Siemens
Truyền dẫn với RS - 485IS
Một trong những ưu điểm của RS - 485 là cho phộp truyền tốc độ cao, vỡ thế nú được phỏt triển để cú thể phự hợp với mụi trường đũi hỏi an toàn chỏy nổ. Với RS - 485IS (IS: Intrinsically Safe), tổ chức PNO đó đưa ra cỏc chỉ dẫn và cỏc quy định ngặt nghốo về mức điện ỏp và mức dũng tiờu thụ của cỏc thiết bị làm cơ sở cho cỏc nhà cung cấp. Khỏc với mụ hỡnh FISCO chỉ cho phộp một nguồn tớch cực an toàn riờng, ở đõy mỗi trạm đều là một nguồn tớch cực. Khi ghộp nối tất cả cỏc nguồn tớch cực, dũng tổng cộng của tất cả cỏc trạm khụng được phộp vượt quỏ một giỏ trị tối đa cho phộp. Cỏc thử nghiệm cho thấy cũng cú thể ghộp nối tối đa 32 trạm trong một đoạn mạng RS- 485IS.
Truyền dẫn với cỏp quang
Cỏp quang thớch hợp đặc biệt trong cỏc lĩnh vực ứng dụng cú mụi trường làm việc nhiễu mạnh hoặc đũi hỏi phạm vi phủ mạng lớn. Cỏc loại cỏp quang cú thể sử dụng ở đõy:
Sợi thủy tinh đa chế độ với khoảng cỏch truyền tối đa 2 - 3km và sợi thủy tinh đơn chế độ với khoảng cỏch truyền cú thể trờn 15km.
Sợi chất dẻo với chiều dài tối đa 80m và sợi HCS với chiều dài tối đa 500m. Do đặc điểm liờn kết điểm - điểm ở cỏp quang, cấu trỳc mạng chỉ cú thể là hỡnh sao hoặc mạch vũng. Trong thực tế, cỏp quang thường được sử dụng hỗn hợp với RS - 485 nờn cấu trỳc mạng phức tạp hơn.
Truyền dẫn với MBP
Trong một số ngành cụng nghiệp chế biến, đặc biệt là ngành xăng dầu, húa chất, mụi trường làm việc rất nhạy cảm với xung điện nờn mức điện ỏp cao trong chuẩn truyền dẫn RS - 485 khụng thớch hợp. PROFIBUS - PA sử dụng lớp vật lý theo phương phỏp MBP (chuẩn IEC 1158 - 2 cũ). Phương phỏp mó húa bit Manchester rất bền vững với nhiễu nờn cho phộp sử dụng mức tớn hiệu thấp hơn nhiều so với RS - 485, đồng thời cho phộp cỏc thiết bị tham gia bus được cung cấp nguồn với cựng đường dẫn tớn hiệu.
Kỹ thuật truyền dẫn MBP thụng thường được sử dụng cho một đoạn mạng an toàn riờng (thiết bị trường trong khu vực dễ chỏy nổ). Được ghộp nối với đoạn RS – 485 qua cỏc bộ nối đoạn (segment coupler) hoặc cỏc liờn kết (link). Một bộ nối đoạn hoạt động theo nguyờn tắc chuyển đổi tớn hiệu ở lớp vật lý, vỡ vậy cú sự hạn chế về tốc độ truyền bờn đoạn RS – 485. Trong khi đú, một link ỏnh xạ toàn bộ cỏc thiết bị trường trong một đoạn MBP thành một trạm tớ duy nhất trong đoạn RS – 485, khụng hạn chế tốc độ truyền bờn đoạn RS – 485.
` `
Với MBP, cỏc cấu trỳc mạng cú thể sử dụng là đường thẳng (đường trục, đường nhỏnh), hỡnh sao hoặc cõy. Cỏp truyền thụng dụng là đụi dõy xoắn STP với trở đầu cuối dạng RC (100 và 2μF). Số lượng trạm tối đa trong một đoạn là 32, tuy nhiờn số lượng thực tế phụ thuộc vào cụng suất bộ nạp nguồn bus. Trong khu vực nguy hiểm, cụng suất bộ nạp nguồn bị hạn chế, vỡ thế số lượng thiết bị thường cú thể ghộp nối tối đa thụng thường là 8 – 10. Số lượng bộ lặp tối đa là 4, tức 5 đoạn mạng. Với chiều dài tối đa một đoạn mạng là 1900m, tổng chiều dài của mạng sử dụng kỹ thuật MBP cú thể lờn tới 9500m.
c) Truy nhập bus
PROFIBUS phõn biệt hai loại thiết bị chớnh là trạm chủ (master) và trạm tớ
(slave). Cỏc trạm chủ cú khả năng kiểm soỏt truyền thụng trờn bus. Một trạm chủ cú thể gửi thụng tin khi nú giữ quyền truy nhập bus. Một trạm chủ cũn được gọi là trạm tớch cực. Cỏc trạm tớ chỉ được truy nhập bus khi cú yờu cầu của trạm chủ. Một trạm tớ phải thực hiện ớt dịch vụ hơn, tức xử lý giao thức đơn giản hơn so với cỏc trạm chủ, vỡ vậy giỏ thành thường thấp hơn nhiều. Một trạm tớ cũn được gọi là trạm thụ động.
Hai phương phỏp truy nhập bus cú thể được ỏp dụng độc lập hoặc kết hợp là Token-Passing và Master/Slave. Nếu ỏp dụng độc lập, Token - Passing thớch hợp với cỏc mạng FMS dựng ghộp nối cỏc thiết bị điều khiển và mỏy tớnh giỏm sỏt đẳng quyền, trong khi Master/Slave thớch hợp với việc trao đổi dữ liệu giữa một thiết bị điều khiển với cỏc thiết bị trường cấp dưới sử dụng mạng DP hoặc PA. Khi sử dụng kết hợp, nhiều trạm tớch cực cú thể tham gia giữ Token. Một trạm tớch cực nhận được Token sẽ đúng vai trũ là chủ để kiểm soỏt việc giao tiếp với cỏc trạm tớ nú quản lý, hoặc cú thể tự giao tiếp với cỏc trạm tớch cực khỏc trong mạng.
Chớnh vỡ nhiều trạm tớch cực cú thể đúng vai trũ là chủ, cấu hỡnh truy nhập bus kết hợp giữa Token-Passing và Master/slave cũn được gọi là nhiều chủ (Multi- Master).
Thời gian vũng lặp tối đa để một trạm tớch cực lại nhận được Token cú thể chỉnh được bằng tham số. Khoảng thời gian này chớnh là cơ sở cho việc tớnh toỏn chu kỳ thời gian của cả hệ thống.
d) Dịch vụ truyền dữ liệu
Cỏc dịch vụ truyền dữ liệu thuộc lớp 2 trong mụ hỡnh OSI, hay cũn gọi là lớp FDL (Fieldbus Data Link), chung cho cả FMS, DP và PA. PROFIBUS chuẩn húa bốn dịch vụ trao đổi dữ liệu, trong đú ba thuộc phạm trự dịch vụ khụng tuần hũan và một thuộc phạm trự dịch vụ tuần hoàn, cụ thể là:
SDN (Send Data with No Acknowledge): gửi dữ liệu khụng xỏc nhận
SDA (Send Data with Acknowledge): gửi dữ liệu với xỏc nhận
SRD (Send and Request Data with Reply): gửi và yờu cầu dữ liệu
CSRD (Cyclic Send and Request Data with Reply): gửi và yờu cầu dữ liệu tuần hoàn
Cỏc dịch vụ khụng tuần hoàn thường được sử dụng để truyền cỏc dữ liệu cú tớnh chất bất thường, vớ dụ cỏc thụng bỏo sự kiện, trạng thỏi và đặt chế độ làm việc, vỡ vậy cũn được gọi là cỏc dịch vụ truyền thụng bỏo.
Dịch vụ SDN được dựng chủ yếu cho việc gửi đồng loạt (broadcast) hoặc gửi tới nhiều đớch (multicast). Một trạm tớch cực cú thể gửi một bức điện đồng loạt tới tất cả hoặc tới một số trạm khỏc mà khụng cần cũng như khụng thể đũi hỏi xỏc nhận. Cú thể lấy một vài vớ dụ tiờu biểu như việc tham số húa, cài đặt và khởi động chương trỡnh trờn nhiều trạm cựng một lỳc. Để thực hiện theo cỏc chế độ này, khụng cần phải gửi cỏc bức điện tới từng địa chỉ mà chỉ cần gửi một bức điện duy nhất mang địa chỉ đặt trước là 127. Chớnh vỡ vậy, cỏc trạm chỉ cú thể nhận địa chỉ từ 0-126.
Cỏc dịch vụ cũn lại chỉ phục vụ trao đổi dữ liệu giữa hai đối tỏc. SDA và SRD đều là những dịch vụ trao đổi dữ liệu khụng tuần hoàn cần cú xỏc nhận, trong đú với SRD bờn nhận cú trỏch nhiệm gửi kết quả đỏp ứng trở lại. Hai dịch vụ này được dựng phổ biến trong việc trao đổi dữ liệu giữa trạm chủ và trạm tớ. Vớ dụ mỏy tớnh điều khiển (trạm chủ) dựng SDA để thay đổi chế độ làm việc của một thiết bị trường (trạm tớ), hoặc dựng SRD để đũi hỏi một thiết bị trường thụng bỏo trạng thỏi làm việc. Do tớnh chất khụng tuần hoàn của hai dịch vụ này, để thực hiện mỗi cuộc trao đổi dữ liệu đều phải cú yờu cầu từ một lớp trờn xuống tới lớp 2, thời gian xử lý giao thức tăng lờn và hiệu suất truyền thụng giảm đi. Chớnh vỡ vậy, hai dịch vụ này chỉ thớch hợp với việc trao đổi dữ liệu khi khụng đũi hỏi cao về tham số thời giancũng như khụng tuần hoàn.
`
Hỡnh 3.18: Cỏc dịch vụ truyền dữ liệu PROFIBUS
Dịch vụ trao đổi dữ liệu tuần hoàn duy nhất (CSRD) được quy định với mục đớch hỗ trợ việc trao đổi dữ liệu quỏ trỡnh ở cấp chấp hành, giữa cỏc module vào/ra phõn tỏn, cỏc thiết bị cảm biến và cơ cấp chấp hành với mỏy tớnh điều khiển. Dịch vụ này khỏc với SRD ở chỗ là chỉ cần một lần yờu cầu duy nhất từ một lớp trờn xuống, sau đú cỏc đối tỏc logic thuộc lớp 2 tự động thực hiện tuần hoàn theo chu kỳ đặt trước. Một trạm chủ sẽ cú trỏch nhiệm hỏi tuần tự cỏc trạm tớ và yờu cầu trao đổi dữ liệu theo một trỡnh tự nhất định. Phương phỏp đú được gọi là polling. Chớnh vỡ thế, dữ liệu trao đổi luụn cú sẵn sàng tại lớp 2, tạo điều kiện cho cỏc chương trỡnh ứng dụng trao đổi dữ liệu dưới cấp trường một cỏch hiệu quả nhất. Khi một chương trỡnh ứng dụng cần truy nhập dữ liệu quỏ trỡnh, nú chỉ cần trao đổi với thành phần thuộc lớp 2 trong cựng một trạm mà khụng phải chờ thực hiện truyền thụng với cỏc trạm khỏc.