1 2 N Chu kỳ bus (chu kỳ TDMA)
4.3.2 Cấu trỳc mạng và kỹ thuật truyền dẫn
Hai phương tiện truyền dẫn được sử dụng trong Foundation Fieldbus là cỏp điện và cỏp quang. Phần trỡnh bày dưới đõy chỉ đề cập tới cấu trỳc mạng và kỹ thuật truyền dẫn liờn quan tới cỏp điện.
Chiều dài tổng cộng tối đa cho phộp trong một đoạn mạng phụ thuộc vào loại cỏp truyền. Cú 4 loại cỏp truyền được đặt tờn là A, B, C và D theo thứ tự chất lượng từ cao đến thấp. Bảng 4.9 liệt kờ kớch cỡ và chiều dài tổng cộng tối đa của một đoạn mạng đối với từng loại cỏp. D là loại cỏp trơn nhiều lừi cú một vỏ bọc chống nhiễu bờn ngoài, cú chất lượng thấp nhất nờn hầu như khụng được sử dụng. C là loại cỏp đụi dõy xoắn một hoặc nhiều lừi khụng cú bọc lút chống nhiễu, cú thể sử dụng trong một số lĩnh vực ứng dụng ớt nhiễu và khoảng cỏch truyền ngắn. Loại B tương tự như C, nhưng cú bọc lút chống nhiễu cho từng đụi dõy. Loại A lượng cao nhất, chớnh là đụi dõy xoắn STP một lừi.
Bảng 4.3: Cỏc loại cỏp điện Foundation Fieldbus
Loại cỏp Mụ tả Kớch cỡ
Chiều dài tối đa
A Đụi dõy xoắn STP #18 AWG (0,8 mm2) 1900 m B
Đụi dõy xoắn nhiều lừi cú bọc lút
#22 AWG (0,32
mm2) 1200 m
C Đụi dõy xoắn nhiều lừi khụng bọc lút
#26 AWG (0,13
mm2) 400 m
D Cỏp trơn nhiều lừi, một lớp bọc lút
#16 AWG (1,25
mm2) 200 m
Foundation Fieldbus hỗ trợ cỏc cấu trỳc mạng khỏc nhau như đường trục/đường nhỏnh, daisy-chain và hỡnh sao (Hỡnh 4.13). Trong nhiều trường hợp cũng cú thể sử dụng cỏch ghộp nối điểm-điểm, tuy nhiờn cỏch này khụng mang nhiều lợi ớch của một hệ bus trường.
135
Trong cấu trỳc đường trục/đường nhỏnh, đường nhỏnh (được gọi là spur) cú thể cú chiều dài từ 1-120 một, tựy theo số lượng thiết bị tham gia. Vớ dụ, với số trạm từ 1-12 thỡ chiều dài đường nhỏnh cú thể là 120 một, nhưng với số trạm từ 25 trở lờn đường nhỏnh chỉ được phộp dài tối đa 1 một.
Số trạm cho phộp trong một đoạn mạng phụ thuộc vào cỏc yếu tố như cụng suất nguồn, tiờu hao cụng suất ở cỏc thiết bị và loại cỏp truyền, tuy nhiờn khụng vượt quỏ 32
nếu khụng sử dụng bộ lặp. Cú thể sử dụng tối đa 4 bộ lặp, cho phộp tăng khoảng cỏch truyền tối đa lờn tổng cộng 9500 một và nõng tổng số trạm trong toàn mạng lờn 240.
Bus điều khiển/ Bus hệ thống
Fieldbus I/O hoặc PLC
Hộp chia
Điểm-điểm Đường trục/ Daisy-chain Hỡnh sao đường nhỏnh
Hỡnh 4.13: Cỏc cấu trỳc mạng Foundation Fieldbus
Để thớch hợp với cỏc ứng dụng trong cụng nghiệp chế biến, đặc biệt trong mụi trường dễ chỏy nổ, cỏc tớn hiệu truyền được mó húa theo phương phỏp Manchester. Bit 1 ứng với sưũng xuống và bit 0 ứng với sườn lờn của tớn hiệu ở giữa một chu kỳ bit. Bờn gửi và bờn nhận cú thể đồng bộ nhịp cho từng bức điện dựa vào chớnh tớn hiệu mang thụng tin, vỡ thế chế độ truyền ở đõy là đồng bộ. Một trạm phỏt cũng cú thể lợi dụng đặc tớnh triệt tiờu dũng một chiều của phương phỏp mó húa bit này để cung cấp nguồn nuụi cho cỏc thiết bị khỏc trờn cựng đường truyền. Điện ỏp nguồn nuụi DC cú thể từ 9-32 Volt, nhưng cụng suất bị hạn chế trong cỏc ứng dụng yờu cầu an toàn chỏy nổ. Với dũng đầu ra của bộ phỏt ±10mA, mức tớn hiệu mang thụng tin dao động trong
136
phạm vi 0,75 - 1,0 V. Hỡnh 4.14 minh họa cỏc mức tớn hiệu trong mạng Foundation Fieldbus.
4.3.3 Cơ chế giao tiếp Phương phỏp truy nhập bus ở Foundation Fieldbus là một kết hợp giữa Master/Slave, Token Passing và TDMA. Một thiết bị với vai trũ trạm chủ - được gọi là Link Active Scheduler (LAS) – cú chức năng phõn chia và kiểm soỏt quyền truy nhập cho toàn bộ mạng. Tuy nhiờn, bộ LAS khụng nhất thiết tham gia vào cỏc hoạt động giao tiếp, trao đổi dữ liệu trong mạng. Cỏc thiết bị mạng Foundation Fieldbus được chia làm hai loại là thiết bị cơ sở (Basic Device) và trạm chủ liờn kết (Link Master). Chỉ cỏc trạm chủ liờn kết mới cú khả năng trở thành bộ LAS (Link Active Scheduler).
Lớp liờn kết dữ liệu của Foundation Fieldbus qui định hai cơ chế giao tiếp là lập lịch (scheduled communication) và khụng lập lịch (unscheduled communication). Giao tiếp lập lịch đặc trưng cho trao đổi dữ liệu tuần hoàn, định kỳ giữa cỏc thiết bị, trong khi giao tiếp khụng lập lịch được sử dụng chủ yếu trong việc truyền tham số và gửi cỏc thụng bỏo bỏo động.
Hỡnh 4.15 minh họa hai cơ chế giao tiếp cơ bản của Foundation Fieldbus. Trong cơ chế giao tiếp lập lịch (Hỡnh 4.15a), bộ LAS lưu giữ trong một danh sỏch tất cả cỏc bộ nhớ đệm chứa dữ liệu tuần hoàn của cỏc thiết bị cũng như thời gian cần thiết để truyền cỏc dữ liệu đú. Khi đến lượt, một trạm sẽ nhận được một thụng bỏo Compel Data (CD) từ bộ LAS. Sau khi nhận được CD, nú sẽ gửi dữ liệu trong vựng nhớ đệm tới tất cả
137
cỏc trạm khỏc trong mạng. Trạm gửi đúng vai trũ là publisher, cỏc trạm muốn được nhận là subscriber. Cơ chế này tương tự như việc sử dụng một vựng nhớ chung trong một số hệ khỏc. Kiểu dữ liệu trao đổi ở đõy thụng thường là giỏ trị cỏc biến quỏ trỡnh sử dụng
trong cỏc mạch vũng điều khiển. Xen giữa cỏc hoạt động trao đổi dữ liệu mang tớnh chất tuần hoàn, mỗi thiết bị trờn bus cũn cú cơ hội gửi cỏc thụng bỏo khụng lập lịch (Hỡnh 4.15b). Bộ LAS quản lý tất cả cỏc trạm tham gia vào mạng thụng qua một “Danh sỏch sống” (Live List). Bộ LAS lần lượt gửi pass token (PT) tới từng thiết bị trong danh sỏch. Khi nhận được PT, một thiết bị cú thể gửi thụng bỏo đến một hoặc nhiều trạm khỏc. Nếu khụng cú nhu cầu gửi nữa, thiết bị gửi trả lại token cho bộ LAS. Thời gian tối đa một trạm được giữ token do LAS hạn chế và kiểm soỏt. Cơ chế giao tiếp này được sử dụng trong việc gửi cỏc bản tin cảnh bỏo hoặc thay đổi tham số.
4.3.4 Cấu trỳc bức điện Quỏ trỡnh xõy dựng bức điện qua từng lớp giao thức của Foundation Fieldbus được minh họa trờn Hỡnh 4.16. Độ dài mỗi ụ trong bức điện được tớnh bằng byte. Dữ liệu sử dụng tối đa là 251 byte trong một bức điện. Qua mỗi lớp trong ngăn giao thức, bức điện lại được gắn thờm phần thụng tin liờn quan tới việc xử lý giao thức ở lớp đú. Vớ dụ, phần FMS PCI mụ tả kiểu đối tượng VFD và dịch vụ FMS được sử dụng, phần DLL PCI mang thụng tin về cơ chế giao tiếp và kiểu liờn kết. Ở lớp vật lý, khung tạo ra từ lớp liờn kết dữ liệu cũn được gắn thờm ụ khởi đầu và cỏc ụ ngăn cỏch phục vụ mục đớch đồng bộ húa nhịp cũng như nhận biết đầu cuối của bức điện. Foundation Fieldbus sử dụng phương phỏp mó húa bit Manchester lưỡng cực. Việc đồng bộ húa được thực hiện cho từng bức điện thụng qua 8 bit 1 và 0 luõn phiờn trong ụ đỏnh dấu mở đầu (Preamble). Trong trường hợp sử dụng thờm cỏc bộ
138
lặp thỡ độ dài ụ mở đầu này cú thể hơn 1 byte. Riờng cỏc ụ ngăn cỏch đầu (Start Delimiter) và ngăn cỏch cuối (End Delimiter) được mó húa theo một sơ đồ đặc biệt.
4.3.5 Dịch vụ giao tiếp Fieldbus Access Sublayer (FAS) Lớp con FAS sử dụng hai cơ chế giao tiếp ở lớp 2 để cung cấp cỏc dịch vụ cho lớp FMS. Kiểu dịch vụ FAS được mụ tả bởi cỏc quan hệ giao tiếp ảo VCR (Virtual Communication Relationships). Ba kiểu VCR được định nghĩa như sau: • Kiểu Client/Server: Giao tiếp khụng lập lịch giữa một trạm gửi (server) và một trạm nhận (client), cỏc thụng bỏo được xếp trong hàng đợi theo thứ tự cú ưu tiờn. Kiểu VCR này thường được sử dụng trong việc nạp chương trỡnh lờn xuống, thay đổi cỏc tham số điều khiển hoặc xỏc nhận bỏo cỏo.
• Kiểu phõn phối bỏo cỏo (Report Distribution): Giao tiếp khụng lập lịch giữa một trạm gửi và một nhúm trạm nhận, thường được sử dụng trong việc gửi cỏc thụng bỏo bỏo động.
• Kiểu Publisher/Subscriber: Giao tiếp lập lịch giữa một trạm gửi (publisher) và nhiều trạm nhận (subscriber), dữ liệu được cập nhật mang tớnh toàn cục như nằm trong một vựng nhớ chung cho toàn bộ mạng.
Fieldbus Message Specification (FMS) Cỏc dịch vụ FMS cho phộp cỏc chương trỡnh ứng dụng gửi thụng bỏo cho nhau trờn bus theo một chuẩn thống nhất về tập dịch vụ cũng như cấu trỳc thụng bỏo (xem chi tiết trong 4.1.6). Ngoại trừ một số dịch vụ bỏo cỏo thụng tin và sự kiện, hầu hết cỏc dịch vụ FMS khỏc đều sử dụng kiểu VCR Client/Server. Dữ liệu cần trao đổi qua bus được biểu diễn qua một “Mụ tả đối tượng” (object description). Cỏc mụ tả đối tượng được tập hợp thành một cấu trỳc gọi là danh mục đối tượng (object dictionary, OD). Mỗi mụ tả đối tượng được phõn biệt qua chỉ số trong danh mục đối tượng. Chỉ số 0 được gọi là đầu danh mục, cung cấp phần mụ
139
tả cho bản thõn danh mục, cũng như định nghĩa chỉ số đầu tiờn cho mụ tả cỏc đối tượng của chương trỡnh ứng dụng. Mỗi đối tượng của chương trỡnh ứng dụng cú thể bắt đầu từ một chỉ số bất kỳ lớn hơn 255. Chỉ số 255 và cỏc chỉ số nhỏ hơn định nghĩa cỏc kiểu dữ liệu chuẩn, vớ dụ kiểu bool, kiểu nguyờn, kiểu số thực, chuỗi bớt và cấu trỳc dữ liệu dựng xõy dựng tất cả cỏc mụ tả đối tượng khỏc. Trong FMS, mụ hỡnh thiết bị trường ảo (Virtual Field Device, VFD) đúng vai trũ trung tõm. Một VFD là một đối tượng mang tớnh chất logic, được sử dụng để quan sỏt dữ liệu từ xa mụ tả trong danh mục đối tượng. Một thiết bị thụng thường cú ớt nhất hai VFD, như minh họa trờn Hỡnh 4.17. Cỏc dịch vụ FMS cung cấp một phương thức giao tiếp chuẩn trờn bus, vớ dụ thụng qua cỏc khối chức năng. Đối với mỗi kiểu đối tượng, FMS qui định một số dịch vụ riờng biệt, vớ dụ đọc/ghi dữ liệu, thụng bỏo/xỏc nhận sự kiện, nạp lờn/nạp xuống chương trỡnh, v.v...
140
4.3.6 Khối chức năng ứng dụng Hiệp hội Fieldbus Foundation đó xõy dựng một mụ hỡnh chương trỡnh ứng dụng dựa trờn cơ sở cỏc khối (block). Một chương trỡnh ứng dụng là một tổ chức của cỏc khối được liờn kết với nhau, trong đú mỗi khối là một đại diện cho một chức năng riờng. Cú ba loại khối cơ bản là khối tài nguyờn (Resource Block), khối chức năng (Function Block) và khối biến đổi (Transducer Block). Khối tài nguyờn Khối tài nguyờn mụ tả cỏc đặc tớnh của thiết bị bus trường như tờn thiết bị, nhà sản xuất và mó số. Trong mỗi thiết bị chỉ cú một khối tài nguyờn duy nhất. Một khối tài nguyờn chỉ đứng một mỡnh, khụng bao giờ cú liờn kết với cỏc khối khỏc. Khối chức năng Cỏc khối chức năng định nghĩa chức năng và đặc tớnh của một hệ thống điều khiển. Cỏc tham số đầu vào và đầu ra của cỏc khối chức năng cú thể được liờn kết với nhau qua bus, tạo ra cấu trỳc của chương trỡnh ứng dụng. Việc thực hiện mỗi khối chức năng được lập lịch một cỏch chớnh xỏc. Một chương trỡnh ứng dụng cú thể bao gồm nhiều khối chức năng. Hiệp hội FF định nghĩa một tập chuẩn cỏc khối chức năng, trong đú cỏc khối quan trọng nhất là:
• AI (Analog Input): Đại diện cho một đầu vào tương tự • B (Bias): Biểu diễn độ dịch
• CS (Control Selector): Khối lựa chọn 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 chỉnh tỉ lệ/vi phõn • PID (Proportional/Integral/Derivative): Bộ điều chỉnh PID • RA (Ratio): Khối tỉ lệ.
• AO (Analog Output): Đại diện cho một đầu ra tương tự
Tư tưởng khỏc biệt so với cỏc hệ bus khỏc là ở đõy cỏc khối chức năng được tớch hợp trong cỏc thiết bị bus trường để cung cấp chức năng cụ thể của thiết bị. Vớ dụ, một cảm biến nhiệt độ cú thể chứa một khối AI, một van điều chỉnh cú thể chứa một khối PID và một khối AO. Nhờ vậy, một vũng điều khiển chỉ cần sử dụng ba khối chức năng ở trong hai thiết bị này, như Hỡnh 4.18 mụ tả.
Khối biến đổi Cỏc khối biến đổi cú chức năng tỏch biệt cỏc khối chức năng khỏi sự phụ thuộc vào cơ chế vào/ra vật lý cụ thể. Thụng thường, mỗi khối chức năng vào/ra cú một khối biến đổi tương ứng. Một khối biến đổi chứa cỏc thụng tin chi tiết như ngày thỏng hiệu chỉnh, kiểu cảm biến hoặc cơ cấu chấp hành.
141
Bờn cạnh ba kiểu khối cơ bản, cỏc đối tượng sau đõy cũng được định nghĩa: • Cỏc khối liờn kết (Link Objects) định nghĩa liờn kết giữa cỏc đầu vào/ra của cỏc khối chức năng, nội bộ trong một thiết bị cũng như xuyờn mạng bus trường.
• Cỏc đối tượng ghi đồ thị (Trend Objects) cho phộp ghi lại dữ liệu thời gian thực tại chỗ cỏc tham số khối chức năng để cú thể truy nhập từ mỏy chủ hoặc từ cỏc thiết bị khỏc.
• Cỏc đối tượng cảnh bỏo (Alert Objects) cho phộp gửi cỏc bỏo động, sự kiện trờn bus.
• Cỏc đối tượng hiển thị (View Objects) là cỏc nhúm cỏc tập tham số khối được định nghĩa trước để cú thể sử dụng trờn cỏc giao diện người-mỏy. Chức năng của một thiết bị được xỏc định bới sự sắp xếp và liờn kết giữa cỏc khối. Cỏc chức năng này được mụ tả ra bờn ngoài thụng qua thiết bị trường ảo VFD, như đó núi trờn đõy.
4.4 Ethernet
Ethernet là kiểu mạng cục bộ (LAN) được sử dụng rộng rói nhất hiện nay. Thực chất, Ethernet chỉ là mạng cấp dưới (lớp vật lý và một phần lớp liờn kết dữ liệu), vỡ vậy cú thể sử dụng cỏc giao thức khỏc nhau ở phớa trờn, trong đú TCP/IP là tập giao thức được sử dụng phổ biến nhất. Tuy vậy, mỗi nhà cung cấp sản phẩm cú thể thực hiện giao thức riờng hoặc theo một chuẩn quốc tế cho giải phỏp của mỡnh trờn cơ sở
Ethernet. High Speed Ethernet (HSE) của Fieldbus Foundation chớnh là một trong tỏm hệ bus trường được chuẩn húa quốc tế theo IEC 61158. Ethernet cú xuất xứ là tờn gọi
142
một sản phẩm của cụng ty Xerox, được sử dụng đầu tiờn vào năm 1975 để nối mạng 100 trạm mỏy tớnh với cỏp đồng trục dài 1km, tốc độ truyền 2,94 Mbit/s và ỏp dụng phương phỏp truy nhập bus CSMA/CD. Từ sự thành cụng của sản phẩm này, Xerox đó cựng DEC và Intel đó xõy dựng một chuẩn 10 Mbit/sEthernet. Chuẩn này chớnh là cơ sở cho IEEE 802.3 sau này. Đặc biệt, với phiờn bản 100 Mbit/s (Fast Ethernet, IEEE 802.3u), Ethernet ngày càng đúng một vai trũ quan trọng trong cỏc hệ thống cụng nghiệp. Bờn cạnh việc sử dụng cỏp đồng trục, đụi dõy xoắn và cỏp quang, gần đõy Ethernet khụng dõy (Wireless LAN, IEEE 802.11) cũng đang thu hỳt sự quan tõm lớn.
4.4.1 Kiến trỳc giao thức
Hỡnh minh họa kiến trỳc giao thức của Ethernet/IEEE 802.3 trong tập chuẩn IEEE 802. Lớp liờn kết dữ liệu được chia thành 2 lớp con là lớp LLC (Logical Link Control) và MAC (Medium Access Control). Như vậy, phạm vi của Ethernet/IEEE 802.3 chỉ bao gồm lớp vật lý và lớp MAC.
Điểm khỏc biệt cơ bản so với đặc tả Ethernet lỳc đầu là chuẩn 802.3 đó đưa ra một họ cỏc hệ thống mạng trờn cơ sở CSMA/CD, với tốc độ truyền từ 1-10 Mbit/s cho nhiều mụi trường truyền dẫn khỏc nhau. Bờn cạnh đú, trong cấu trỳc bức điện cũng cú sự khỏc biệt nhỏ: ụ chứa chiều dài bức điện theo 802.3 chỉ định kiểu giao thức phớa trờn ở Ethernet (xem mục Mó húa bit và cấu trỳc bức điện). Tuy nhiờn, ngày nay khi ta núi tới Ethernet cũng là chỉ một loại sản phẩm thực hiện theo chuẩn IEEE 802.3.
4.4.2 Cấu trỳc mạng và kỹ thuật truyền dẫn
Về mặt logic, Ethernet cú cấu trỳc bus. Cấu trỳc mạng vật lý cú thể là đường thẳng hoặc hỡnh sao tựy theo phương tiện truyền dẫn. Bốn loại cỏp thụng dụng nhất cựng cỏc đặc tớnh được liệt kờ trong bảng 4.10. Cỏc tờn hiệu 10BASE5, 10BASE2, 10BASE-T và 10BASE-F được sử dụng với ý nghĩa như sau: Loại 10BASE5 cũn được gọi là cỏp dầy (thick Ethernet), loại cỏp đồng trục thường cú màu vàng theo đề nghị trong 802.3. Ký kiệu 10BASE5 cú nghĩa là tốc độ truyền tối đa 10 Mbit/s, phương phỏp truyền tải