IV. MỘT SỐ MẠNG CƠNG NGHIỆP PHỔ BIẾN
trang 40 Hình 2.24 : Ki n trúc giao th c c a PROFIBUS
9.6 19.2 93.75 187.5 500 1500 12000 Chiều dài1200m1200m1200m1000m400m 200m 100m
IV.1.4. Truy nhập Bus
Profibus FMS/DP/PA sử dụng cùng một giao thức truy cập bus. Giao thức này được thực hiện thơng qua lớp 2 (FDL). Nĩ bao gồm cả an tồn dữ liệu và thực hiện giao thức truyền.
Profibus cĩ hai thủ tục truy nhập bus cĩ thể được áp dụng độc lập hoặc kết hợp là: Token Passing và Master/Slave.
Token Passing: Đây là thủ tục cho phép các trạm chủ (Master) cĩ thể trao đổi dữ liệu với nhau. Thủ tục này đảm bảo quyền truy cập bus được trao lần lượt theo vịng trịn cho mỗi trạm chủ theo thứ tự địa chỉ tăng dần của các trạm trong khoảng thời gian xác định.
Master/Slave: Thủ tục này được áp dụng khi một trạm chủ nhận được Token cần thiết trao đổi dữ liệu với các trạm tớ (Slave).
IV.1.5. Cấu trúc bức điện
Một bức điện (Telegram) trong giao thức thuộc lớp 2 của Profibus được gọi là khung. Ba loại khung cĩ khoảng cách Hamming 4 (HD = 4) và một loại khung đặc biệt đánh dấu một Token được quy định như sau:
Khung với chiều dài thơng tin cố định, khơng mang dữ liệu: SD1 DA SA FC FCS ED
Khung với chiều dài thơng tin cố định, mang 8 byte dữ liệu:
SD3 DA SA FC DU FCS ED
Khung với chiều dài thơng tin khác nhau, với 1- 264 byte dữ liệu: SD2 LE Ler SD2 DA SA FC DU FCS ED
Token:
SD4 DA SA
Các ơ DA, SA, FC và DU được xem là phần mang thơng tin Trừ ơ DU, mỗi ơ cịn lại trong một bức điện đều cĩ chiều dài 8 bit với các ý nghĩa cụ thể như sau:
Bảng ngữ nghĩa khung bức điện FDL:
Ký hiệu Tên đầy đủ Ý nghĩa
SD1-SD4 Start Delimiter
Byte khởi đầu, phân biệt giữa các loại khung SD1 = 10H, SD2 = 68H, SD3 = A2H, SD4= DCH
LE Length Chiều dài thơng tin (4 -249 byte)
LER Length repeated Chiều dài thơng tin nhắc lại vì lý do an tồn DA Destination Address Địa chỉ đích (trạm nhận), từ 0-127
SA Source Address Địa chỉ nguồn (trạm gửi), từ 0-126 DU Data Unit Đơn vị dữ liệu
FC Frame Control Byte kiểm sốt lỗi
FCS Frame Check Sequence Byte kiểm sốt lỗi, khoảng cách Hamming = 4 ED End Delimiter Byte kết thúc, ED = 16H
Byte kiểm sốt khung (FC) dùng để phân biệt các kiểu bức điện, ví dụ bức điện gửi hay yêu cầu dữ liệu cũng như xác nhận hay đáp ứng. Bên cạnh đĩ, byte FC cịn chứa thơng tin về việc thực hiện hàm truyền, kiểm sốt lưu thơng để tránh việc mất mát hoặc gửi đúng dữ liệu cũng như thơng tin kiểu trạm, trạng thái FDL.
PROFIBUS-FMS và DP sử dụng phương thức truyền khơng đồng bộ, vì vậy việc đồng bộ hố giữa bên gửi và bên nhận phải thực hiện với từng kí tự. Việc thực hiện truyền tuân thủ theo các nguyên tắc sau đây:
Trạng thái bus rỗi tương ứng với mức tín hiệu của bit 1, tức mức tín hiệu thấp theo phương pháp mã hố bit NRZ (0 ứng với mức tín hiệu cao).
Trước một khung yêu cầu cần một thời gian rỗi tối thiểu là 33 bit thực hiện đồng bộ hố giữa hai bên gửi và nhận.
Khơng cho phép thời gian rỗi giữa các kí tự UART của một khung.
Với mỗi kí tự UART bên nhận kiểm tra các bit khởi đầu (start), bit cuối (stop) và bit chẵn lẻ (parity). Với mỗi khung, bên nhận kiểm tra các byte SD, DA, SA, FCS, ED,
LE, LEr (nếu cĩ) cũng như thời gian rỗi trước mỗi khung yêu cầu. Nếu cĩ lỗi thì tồn bộ khung phải huỷ bỏ.
IV.1.5. PROFIBUS-DP
PROFIBUS được phát triển nhằm đáp ứng các yêu cầu cao về tính năng thời gian trong trao đổi dữ liệu dưới cấp trường, ví dụ giữa thiết bị điều khiển khả trình PLC hoặc máy tính cá nhân cơng nghiệp với thiết bị trường phân tán như I/O, các thiết bị đo, truyền động và van. Việc trao đổi dữ liệu ở đây chủ yếu được thực hiện theo phương pháp chủ/tớ. Các dịch vụ truyền thơng cần thiết được định nghĩa qua các hàm DP cơ sở theo chuẩn EN 50 170.
Đối với mơ hình OSI, PROFIBUS-DP chỉ thực hiện các lớp 1 và 2 vì lý do hiệu suất xử lý giao thức và tính năng thời gian.
Cấu hình hệ thống và kiểu thiết bị
Với số trạm tối đa trong một mạng là 126, DP cho phép sử dụng cấu hình một trạm chủ (Mono-Master) hoặc nhiều trạm chủ (Multi-Master). Cấu hình hệ thống định nghĩa số trạm, gán các địa chỉ cho các địa chỉ vào/ra, tính nhất quán của dữ liệu vào ra, khuơn dạng các thơng báo chuẩn đốn và các tham số bus sử dụng.
Tuỳ theo phạm vi chức năng, kiểu dịch vụ thực hiện, người ta phân biệt các kiểu thiết bị DP như sau:
DP-Master Class1 (DPM1): Các thiết bị thuộc kiểu này trao đổi dữ liệu với các thiết bị trạm tớ theo một chu trình được quy định. Thơng thường, đĩ là các bộ điều khiển trung tâm, ví dụ như PLC hoặc PC.
DP-Master Class 2 (DPM2): Các máy lập trình, cơng cụ cấu hình và vận hành, chuẩn đốn hệ thống bus.
DP-Slave: Các thiết bị tớ chỉ cần thực hiện một phần nhỏ các dịch vụ so với một trạm chủ. Cụ thể, chúng trao đổi dữ liệu một cách thụ động với trạm chủ cũng như cĩ thể thơng báo về các trạng thái chuẩn đáng và sự kiện cục bộ. Thơng thường, đĩ là các thiết bị trường (I/O, truyền động, HMI, van, cảm biến) hoặc các bộ điều khiển phân tán. Một bộ điều khiển PLC cũng cĩ thể đĩng vai trị là một trạm tớ thơng minh.
Đặc tính vận hành hệ thống
Chuẩn DP mơ tả chi tiết vận hành hệ thống để đảm bảo tính tương thích và khả năng thay thế lẫn nhau của các thiết bị. Trước hết đặc tính vận hành hệ thống được xác định qua các trạng thái hoạt động của thiết bị chủ:
STOP: Khơng truyền dữ liệu sử dụng giữa trạm chủ và trạm tớ, chỉ cĩ thể chuẩn đốn và tham số hố.
CLEAR: Trạm chủ đọc thơng tin đầu vào của các trạm tớ và giữ các đầu ra ở trạng thái an tồn.
OPERATE: Trạm chủ ở chế độ trao đổi dữ liệu đầu vào và đầu ra tuần hồn với các trạm tớ. Trạm chủ cũng thường xuyên gửi thơng tin trạng thái của nĩ tới các trạm tớ sử dụng lệnh gửi đồng loạt bằng các khoảng thời gian đặt trước. Các hàm DP cho phép đặt trạng thái làm việc cho hệ thống.
Trao đổi dữ liệu tuần hồn
Trao đổi dữ liệu giữa trạm chủ và các trạm tớ gán cho nĩ được thực hiện tự động theo một trình tự qui định sẵn. Khi đặt cấu hình hệ thống bus, người sử dụng định nghĩa các trạm tớ cho một thiết bị DPM1, qui định các trạm tớ tham gia và các trạm tớ khơng tham gia trao đổi dữ liệu tuần hồn.
Trước khi thực hiện trao đổi dữ liệu tuần hồn, trạm chủ chuyển thơng tin cấu hình và các tham số được đặt xuống các trạm tớ. Mỗi trạm tớ sẽ kiểm tra các thơng tin về kiểu thiết bị, khuơn dạng, chiều dài thiết bị, số lượng các đầu vào/ra. Khi thơng tin
cấu hình đúng với cấu hình thực của thiết bị và các tham số hợp lệ thì nĩ mới bắt đầu thực hiện trao đổi dữ liệu tuần hồn với trạm chủ.
Trong mỗi chu kỳ, trạm chủ đọc các thơng tin đầu vào từ các trạm tớ lên bộ nhớ đệm cũng như đưa ra các thơng tin đầu ra từ bộ nhớ đệm xuống lần lượt các trạm tớ theo một trình tự qui định sẵn trong danh sách. Mỗi trạm tớ cho phép truyền tối đa 246 Byte dữ liệu đầu vào và 246 Byte dữ liệu đầu ra.
Mơ hình DP-Slave hỗ trợ cấu trúc kiểu module của các thành viên. Mỗi module được xếp một số thứ tự khe cắm bắt đầu từ 1, riêng module cĩ số thứ tự khe cắm 0 thực hiện việc truy nhập tồn bộ dữ liệu của thiết bị. Tồn bộ dữ liệu vào/ra của các module được chuyển chung trong một khối dữ liệu sử dụng của trạm tớ. Giao tiếp dữ liệu được giám sát bởi cả hai bên trạm chủ và trạm tớ. Bên trạm tớ sử dụng cảnh giới để giám sát việc giao tiếp với trạm chủ và sẽ đặt đầu ra về một giá trị an tồn, nếu trong một khoảng thời gian qui định khơng cĩ dữ liệu từ trạm chủ đưa xuống.
Đồng bộ hố dữ liệu vào/ra
Trong các giải pháp điều khiển sử dụng bus trường, một trong những vấn đề cần phải giải quyết là việc đồng bộ hố các đầu vào và đầu ra. Mỗi thiết bị chủ cĩ thể đồng bộ hố việc đọc các đầu vào cũng như đặt các đầu ra qua các bức điện gửi đồng loạt.
Tham số hố và chẩn đốn hệ thống
Để thực hiện truyền nạp các bộ tham số hoặc đọc các tập dữ liệu tương đối lớn. Profibus-DP cung cấp các dịch vụ khơng tuần hồn là DDLM_Read và DDLM_Write. Trong mỗi chu kỳ bus trạm chủ chỉ cho phép thực hiện được một dịch vụ. Tốc độ trao đổi dữ liệu vì thế khơng bị ảnh hưởng đáng kể. Dữ liệu khơng tuần hồn được định địa chỉ qua số thứ tự của khe căm đĩ. Mỗi khe cắm cho phép truy nhập tối đa là 256 tập dữ liệu.
Các hàm chẩn đốn DP cho phép định vị lỗi một cách nhanh chĩng. Các thơng tin chẩn đốn được truyền qua bus và thu thập tại trạm chủ. Các thơng báo này được phân chia thành 3 cấp:
Chẩn đốn trạm: Các thơng báo liên quan tới trạng thái hoạt động chung của trạm.
Chẩn đốn module: Các thơng báo này chỉ thị lỗi ở một khoảng vào/ra nào đĩ của một module.
Chẩn đốn kênh: Trường hợp này nguyên nhân lỗi nằm ở một bit vào/ra (một kênh vào/ra riêng biệt).
IV.1.7. Mạng Industrial Ethernet (IE)
Mạng Industrial Ethernet (IEEE 802.2) dựa trên cơ sở Ethernet thường nhưng được thiết kế lại cho sử dụng phù hợp trong mơi trường cơng nghiệp và do tổ chức IEA quản lý. Mạng IE phục vụ cho lớp quản lý và lớp điều khiển để thực hiện việc truyền thơng giữa máy tính và các hệ thống tự động hố. Nĩ phục vụ cho việc trao đổi một dung lượng thơng tin lớn và truyền trong một khoảng cách lớn. Về phương diện vật lý mạng IE cũng là một mạng điện. Các cáp dùng trong mạng là cáp đồng trục cĩ tráng cách điện và cĩ bọc, cáp quang.
Phương pháp thâm nhập đường dẫn là phương pháp CSMA/CD. Trước khi dữ liệu được gửi đi thì các trạm trong mạng được kiểm tra xem trạm đĩ cĩ ở trong quá trình truyền thơng khơng. Nếu khơng thì một trạm nào đĩ trong mạng cĩ thể gửi thơng tin đi. Nếu xảy ra xung đột trên mạng thì quá trình truyền thơng trên mạng sẽ bị ngừng lại và quá trình đĩ sẽ được thực hiện lại sau một thời gian nhất định. Sau đây là một mơ hình truyền thơng của mạng Industrial Ethernet.
Mạng IE cĩ những tính chất đặc trưng sau:
Mạng IE sử dụng thủ tục truyền thơng ISO và TCP/IP.
Theo phương pháp thâm nhập đường dẫn đã chọn thì các phần tử trong mạng IE đều bình đẳng với nhau.
IE là một hệ thống mạng truyền thơng mở.
Bảng các thơng số kỹ thuật của mạng IE:
Chuẩn truyền thơng IEEE 802.3 Số lượng trạm Nhiều hơn 1 Phương pháp thâm nhập đường
dẫn CSMA/CD
Tốc độ truyền thơng 10 Mbit/s Mơi trường truyền thơng
Dây dẫn Cable đồng trục cĩ tráng và bọc Cable quang Cable thuỷ tinh
hoặc nhựa
Topology Đường thẳng, hình cây, hình sao vàdạng vịng Dịch vụ truyền thơng ISO-Transfort
ISO-on-TCP
IV.1.8. Hệ thống điều khiển quá trình PCS 7 (Process Control System-PCS)
SIMATIC PCS 7 là một hệ thống điều khiển quá trình cho tồn hệ thống tích hợp tự động hố thuộc họ SIMATIC. PCS 7 là hệ thống điều khiển quá trình được chọn trên thế giới. Nĩ mở ra một nền tảng vững chắc, giải quyết vấn đề kinh tế hướng tới sự phát triển cơng nghiệp trong tương lai.
SIMATIC PCS 7 kết hợp các lợi thế của các giải pháp tự động hố dựa trên PLC cho các quá trình sản xuất trong cơng nghiệp, ví dụ như chi phí thấp và tính linh hoạt cao với những ưu thế như là điều khiển các quá trình an tồn, việc vận hành đơn giản, trực quan cũng như cơng cụ kỹ thuật mạnh. Tồn bộ quá trình tự động hố của nhà máy sản xuất cĩ thể được thực hiện bằng việc tự động hố tồn bộ và hệ thống điều khiển quá trình cho phép vận hành kinh tế, mở rộng thiết bị của các quá trình trong nhà máy và xử lý mơi trường.
SIMATIC PCS 7 sử dụng thành phần chuẩn của SIMATIC mà đã được thiết kế sử dụng trong hệ thống điều khiển quá trình. Hệ thống điều khiển quá trình hiện đại như PCS 7 là dạng được tích hợp, đồng nhất trong tồn bộ hệ thống. Thêm vào đĩ là sự mở rộng các chức năng để thực hiện các đáp ứng của hệ thống đối với quá trình và đảm bảo các tính năng cần thiết trong điều khiển quá trình từ vấn đề kỹ thuật cho đến giao diện người- máy. Đặc tính hệ thống ở phạm vi từ kỹ thuật đến vận hành đảm bảo những lệnh điển hình cho việc điều khiến quá trình là thực hiện một cách tồn diện. Bao gồm các ưu điểm sau:
Điều khiển đơn giản và an tồn. Nhanh và đồng loạt.
Bao hàm việc tích hợp cho bus trường.
Giải quyết việc điều khiển nhĩm một cách linh hoạt.
Hệ thống cĩ tính mở: Giao diện mở đa dạng trong hệ thống cho phép kết nối đơn giản, thậm chí với cả những thiết bị của hãng khác mà khơng cần sử dụng các thiết bị kết nối chuyên dụng đắt tiền.
Quá trình vận hành an tồn và thuận lợi. Thư viện cĩ sẵn các khối chức năng.
Dễ dàng đặt cấu hình nhờ các cơng cụ được tích hợp sẵn.
SIMATIC PCS 7 đặc biệt dễ dàng cho người sử dụng và tiết kiệm chi phí.
Hệ thống điều khiển quá trình cung cấp một phạm vi điều khiển rộng lớn và mềm dẻo của các trạm vận hành để cho phép người vận hành cĩ thể vận hành và hiển thị thiết bị.
Trạm vận hành cung cấp các phần cứng hiện đại vận hành hệ thống trên mơi trường Windows NT. Các phiên bản khác nhau cĩ thể bao hàm tất cả các ứng dụng:
Từ hệ thống một chủ (Single Master) cho đến cấu hình phân tán Client/Server . Trạm vận hành được nối với thiết bị bus Ethernet đồng thời với việc xử lý thơng tin hoặc Card mạng LAN đơn giản. Mỗi Ethernet truyền tối đa là 8 trạm. Một hệ thống nhiều chủ bao gồm các đầu nối điều hành được cung cấp dữ liệu từ một hoặc nhiều OS server thơng qua một OS-LAN.
Sau đây là một ví dụ minh hoạ về một hệ thống điều khiển quá trình PCS 7. Trong đĩ:
Terminal bus: Sử dụng kiến trúc giao thức TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol).
Bus thiết bị (Plant bus): Sử dụng các chuẩn Profibus, Industrial Ethernet hoặc Fast Ethernet.
Modul vào ra phân tán (Distribute I/O module): Với xu hướng hiện nay là hướng tới các cấu trúc phân tán nhờ sự linh hoạt, đảm bảo các tính năng về kỹ thuật cao và chi phí thấp. Thiết bị vào ra phân tán khác với PLC ở chỗ là nĩ khơng cĩ bộ xử lý trung tâm (CPU). Tuy nhiên chúng lại được tích hợp các mạch giao diện mạng cũng như các phần mềm xử lý giao thức. Thiết bị vào ra phân tán hoạt động như một trạm tớ trong hệ thống thơng qua chuẩn Profibus DP với tốc độ truyền tối đa là 12 Mbit/s.
Thiết bị vào ra phân tán SIMATIC ET 200M là một hệ thống vào ra kiểu mới được nâng cấp từ SIMATIC DP. Chúng được ghép nối với đối tượng điều khiển thơng qua các module tương tự là AI (Analog Input) và AO (Analog Output).
trang 50i t ng đi u khi n