Tập giao thức Interbus được cấu trúc thành ba lớp tương ứng với mơ hình ISO/OSI: lớp vật lý, lớp liên kết dữ liệu va lớp ứng dụng.
Lớp vật lý quy định phương pháp mã hoá bit, kỹ thuật truyền dẫn tín hiệu và giao diện về mặt điện học cũng như cơ học giữa một thiết bị mạng với mơi trường truyền thơng. Bên cạnh đó, lớp vật lý cũng đưa ra quy dịnh về các yếu tố thời gian như tốc độ truyền, độ rung (jitter)… Lớp liên kết dữ liệu có vai trị đảm bảo việc truyền dữ liệu tin cậy, chính xác. Lớp liên kết dữ liệu của Interbus hỗ trợ cả hai loại dữ liệu phổ biến ở cấp cảm biến/chấp hành là các dữ liệu q trình mang tính chất tuần hồn và các dữ liệu tham số mang tính chất khơng định kỳ. Phần chính của lớp ứng dụng của Interbus có tên là PMS (Peripheral Message Specification). Giống như FMS ở PROFIBUS. PMS thực chất cũng là một tập con của MMS. Chính vì vậy, các dịch vụ thuộc lớp 7 của Interbus về cơ bản tương thích với các dịch vụ của PROFIBUS – FMS.
Kiến trúc giao thức của Interbus được xây dựng nhằm hỗ trợ tối đa việc trao đổi dữ liệu giữa một bộ điều khiển trung tâm với các vào/ra phân tán, các thiết bị cảm biến và cơ cấu chấp hành. Dữ liệu được phân chai thành hai loại là dữ liệu quá trình được trao đổi tuần hoàn và dữ liệu tham số chỉ được trao đổi khi cần thiết. Phụ thuộc vào kiểu dữ liệu cần trao đổi mà tập giao thức của Interbus cũng được phân chia thành hai nhóm có độ phức tạp khác nhau, như được minh họa trên hình 3.20.
Giao thức cơ sở cho cả hai kiểu trao đổi dữ liệu nói trên được gọi là giao thức vào/ra tuần hoàn thuộc một lớp con của lớp liên kết dữ liệu, có tên là BLL (Basic Link Layer). Thơng qua giao diện lập trình (API), các chương trình ứng dụng có thể sử dụng các dịch vụ cao cấp PMS, hoặc sử dụng trực tiếp các dịch vụ trao đổi dữ liệu thuần tuý của lớp BLL.
147
4.5.2 Cấu trúc mạng và kỹ thuật truyền dẫn
Một hệ thống Interbus có cấu trúc mạch vịng trong đó mỗi thành viên đều đóng vai trị tích cực trên một đường truyền khép kín. Thực chất, phương pháp truy nhập bus được sử dụng là kết hợp giữa Master/Slave và TDMA, sẽ được giới thiệu chi tiết trong một chương mục sau. Một trạm chủ duy nhất đóng vai trị kiểm sốt tồn bộ hoạt động giao tiếp của cả hệ thống, còn các trạm khác được phân chia một khoảng thời gian thích hợp để trao đổi dữ liệu với trạm chủ và các trạm khác.
Interbus cho phép sử dụng cấu trúc mạch vòng phân cấp. Mạch vòng chứa tạo chủ được gọi là mạch vịng chính. Từ mạch vịng chính có thể mở rộng thêm các hệ thống mạch vòng phụ qua các bộ nối đặc biệt (bustermial module). Trong thực tế phổ biến là cấu trúc hai cấp mạch vòng như được minh họa trên hình 3.21. Một mạch vịng phụ có thể mang tính chất cục bộ, gọi là bus cục bộ hay bus ngoại vi,thường được sử dụng để ghép nối các module vào/ra trong nội bộ một tủ điện Mặt khác, một mạch vịng phụ cũng có thể ghép nối các thiết bị ở xa qua một khoảng cách tương đối lớn (bus lắp đặt hoặc bus xa). Một điểm đặc biệt là cả đường đi và đường về của mạch vòng đều được đặt trong một cáp truyền duy nhất đi qua tất cả các trạm, tạo ra cảm giác là mạng có cấu trúc đường thẳng hoặc cấu trúc cây.
148 Cách ghép nối điểm - điểm cũng như cấu trúc mạch vòng ở Interbus cho phép sử dụng nhiều loại đường truyền khác nhau, ví dụ cáp đôi dây xoắn, cáp quang, hồng ngoại… Tuy nhiên, đôi dây xoắn kết hợp với chuẩn truyền dẫn RS - 485 vẫn là kỹ thuật được sử dụng rộng rãi nhất. Như vậy, trên mỗi cáp truyền giữa hai thiết bị sẽ có tổng cộng năm dây dẫn, kể cả một dây trung hoà điện áp đất. Các độ dài tối đa đưa trên hình vẽ tiêu biểu đối với cáp đôi dây xoắn. Với tốc độ truyền là 500kbit/s, khoảng cách tối đa giữa hai thiết bị là 400m. Mỗi thiết bị đóng vai trị như một bộ lặp trên mạch vòng, giúp cho chiều dài tổng cộng của một hệ thống Interbus có thể lên tới 13km. Để cịn có thể bao quát và vận hành dễ dàng, tổng số được hạn chế ở con số 256. Như một số hệ thống khác sử dụng chuẩn RS - 485, phương pháp mã hoá bit được sử dụng ở đây cũng là NRZ.
Bên cạnh tính cởi mở trong việc sử dụng các môi trường truyền thông khác nhau, cấu trúc mạch vòng ở Interbus còn mang lại một số ưu điểm quan trọng khác. Thứ nhất, nó cho phép truyền dữ liệu hai chiều toàn phần, bởi một trạm vừa có thể nhận và giử dữ liệu đồng thời (full - duplex). Thứ hai, khả năng tự chẩn đoán hệ thống tốt hơn rất nhiều so với cấu trúc đường thẳng. Trong một hệ thống có cấu trúc đường thẳng, lỗi do sự cố tại một trạm hay sự cố trên đường dây rất khó định vị. Ngược lại, một lỗi xảy ra trong cấu trúc mạch vòng sẽ được hai trạm kế cận phát hiện. Hơn thế nữa, trong nhiều trường hợp lỗi một hệ thống mạch vịng có khả năng
149 tự phân đoạn kể từ vị trí bị lỗi. Tiếp theo, cấu trúc mạch vòng phân cấp cho phép việc bổ sung hoặc tách thiết bị ra khỏi hệ thống mạng đang không ảnh hưởng tới sự hoạt động của các thiết bị còn lại. Qua các phần tử ghép nối có thể kiểm sốt việc liên kết với các mạch vòng phụ từ trạm chủ trung tâm. Cấu trúc mạch vịng tích cực cũng cho phép định địa chỉ tự động dựa theo vị trí vật lý của một trạm trên mạch vòng. Việc bảo dưỡng, sửa chữa, mở rộng hệ thống nhờ vậy trở nên đơn giản hơn rất nhiều.
Trong môi trường dễ cháy nổ, một thể loại Interbus khác là Interbus - Loop có thể ghép nối dễ dàng với một hệ thống Interbus. Interbus - Loop sử dụng phương pháp mã hoá bit Manchester, cho phép đồng tải nguồn cho các thiết bị qua hai dây dẫn mang tín hiệu.
4.5.3 Cơ chế giao tiếp
Cơ chế giao tiếp của Interbus dựa trên phương pháp truy nhập bus phân chia thời gian TDMA (Time Divesion Multiple Access), kết hơpọ với sự kiểm soát chủ/tớ. Khác với kiểu truyền thông báo áp dụng trong đại đa số các hệ thống bus trường. Interbus sử dụng một phương pháp truyền đặc biệt là khung tổng hợp (summation frame) hoặc thanh ghi dịch chuyển (shift register). Hình 4.22 minh hoạ khái quát nguyên tắc làm việc theo cơ chế này. Trong một chu kỳ bus, trạm chủ sẽ đọc từ bộ nhớ đệm và gửi trong một khung tổng hợp các dữ liệu đầu ra của tất cả các trạm. Theo một chiều xoay vòng được quy định sẵn, khung tổng hợp hay thanh ghi dịch chuyển đó sẽ lần lượt tới từng trạm. Mỗi thiết bị được cấp phát một khe thời gian tương ứng với một "khoang" trong thanh ghi để thực hiện chức năng trao đổi dữ liệu. Khoảng thời gian đó cho phép một trạm đọc dữ liệu đầu vào hoặc/và ghi dữ liệu đầu ra trong khoang riêng. Thời gian tổng cộng mà tất cả các trạm cần sẽ tương đương với chiều dài của khung tổng hợp.
150 Khi khung tổng hợp đi hết một vòng và quay trở lại, trạm chủ đã đưa dữ liệu đầu ra tới tất cả các trạm và đồng thời nhận được ảnh của toàn bộ dữ liệu đầu vào. Nếu thủ tục trên diễn ra khơng có lỗi, trạm chủ sẽ gửi một bức điện ngắn, đặc biệt tới lần lượt các trạm để báo hiệu kết thúc một chu kỳ bus và cho phép các thiết bị cập nhật dữ liệu quá trình một cách (gần như) đồng thời.
Bên cạnh dữ liệu q trình mang tính chất tuần hồn, một trạm cũng có thể gửi hoặc nhận kèm dữ liệu tham số khi cần thiết nội trong khe thời gian cho phép. Mỗi thành viên có nhu cầu trao đổi dữ liệu tham số sẽ được cấp một khen thời gian dài từ 2 – 16 byte. Một khối dữ liệu lớn sẽ được cắt ra nhiều phần nhỏ để lần lượt gửi kèm theo dữ liệu q trình, vì thế khơng ảnh hưởng đáng kể tới việc trao đổi dữ liệu tuần hoàn. Sau mỗi chu kỳ bus, một phần khối dữ liệu tham số được truyền xong. Việc chia nhỏ khối dữ liệu thành các phần nhỏ tại trạm gửi cũng như việc lắp ghép các phần nhở trở lại trạm nhận thuộc chức năng của lớp liên kết dữ liệu, người sử dụng không cần can thiệp tới. Nguyên tắc truyền kết hợp dữ liệu quá trình và dữ liệu tham số được minh hoạ trên hình vẽ sau:
Có thể nói, tính năng thời gian thực của một hệ thống Interbus thể hiện qua các yếu tố sau. Thứ nhất, trình tự các trạm tham gia truy nhập bus hồn toàn được xác định trước. Thứ hai, căn cứ vào lượng dữ liệu cần trao đổi của các trạm có thể xác định được chu kỳ bus một cách tương đối chính xác. Tiếp theo, cách sử dụng khung tổng hợp quay vịng cho phép giảm thiểu phần thơng tin giao thức bổ trợ. Cùng với yếu tố này, chế độ truyền hai chiều tồn phần của mạch vịng cho phép tăng hiệu suất truyền một cách đáng kể so với các hệ thống bus khác. Hơn thế nữa, phương pháp truyền khung tổng hợp đảm bảo tính đồng bộ của các dữ liệu vào/ra. Đây là một khía cạnh kỹ thuật quan trọng trong các bài toán điều khiển, bởi các thiết bị nhận được dữ liệu đầu ra và gửi dữ liệu đầu vào đồng loạt nội trong một vòng quét.
151
4.5.4 Cấu trúc bức điện
Phần trên đã trình bày, Interbus th ực hiện truyền khung tổng hợp sử dụng thanh ghi dịch chuyển. Dữ liệu đầu ra quá trình cho cá c thiết bị ngoại vi được trạm chủ đưa vào bộ nhớ đệm đầu ra tương ứng với thứ tự vật lý c ủa các trạm trên mạch vòng.
Như minh hoạ trên hình 3.24, một khung truyền tuần hồn bắt đầu với một dãy 16 bit, gọi là từ loopback. Từ loopback sẽ phải đi qua tất cả các trạm và là thông tin được đọc trở lại trạm chủ sau cùn g. Như vậy, sự vẹn toàn của từ loopback cũng cơ bản nói lên độ tin cậy của đường truyền và tính sẵn sàng của các trạm.
Sau từ loopback là phần dữ liệu sử dụng bao gồm dữ liệu vào/ra quá trình và dữ liệu tham số. Cuối phần dữ liệu là 32 bit thơng tin kiểm lỗi khung FCS, trong đó 16 bit đầu là mã CRC và 16 bit sau (CNTR) chứa thông tin chi tiết về trạng thái lỗi. Do cấu trúc liên kết điểm - điểm, cơ chế kiểm lỗi luôn được thực hiện giữa hai thiết bị kế cận. Mỗi trạm đều có trách nhiệm kiểm lỗi dựa trên phương pháp CRC và thông báo trạng thái lỗi qua 16 bit CNTR của ô FCS. Bên cạnh chu trình truyền dữ liệu sử dụng mơ tả trên đây, một chu trình nhận dạng cũn g được định nghĩa trong lớp liên kết dữ liệu của Interbus. Chu trình này phục vụ cho việc quản trị, cấu hình bus. Mỗi trạm thiết bị có một mã căn cước (lớp 2) mang thông tin về kiểu thiết bị cũng như số lượng dữ liệu sử dụng. Trong một chu kỳ nhận dạng trạm chủ đọc thông tin này từ tất cả các trạm khác và dựa trên cơ sở đó để thiết lập cấu hình khung tổng hợp cho chu trình truyền dữ liệu.
Trong việc truyền dẫn ở lớp 1, Interbus sử dụng chế độ không đồng bộ với thủ tục start/stop. Khung giao thức ở lớp 2 được chia thành các ký tự 8 bit, kể cả từ loopback và các ô CRC, CNTR. Mỗi ký tự được bổ sung 5 bit, bao gồm các bit khởi đầu và kết thúc cũng như các thông tin bổ trợ khác như kiểu bức điện, kiểu và thứ tự chu trình.
152 Trong thời gian không thực hiện truyền dữ liệu sử dụng, trạm chủ lấp khoảng trống bằng các thông báo trạng thái. Mỗi thông báo trạng thái này dài 5 bit, không mang dữ liệu lớp 2 mà chỉ có vai trị đảm bảo hoạt động tích cực của đường truyền. Nếu thời gian rỗi của đường truyền lớn hơn 20ms, tất cả các trạm sẽ coi như hệ thống bị lỗi.
Trong trường hợp đó, các thiết bị sẽ tự chuyển về một trạng thái an toàn quy định sẵn.
4.5.5 Dịch vụ giao tiếp
Các đặc tính giao thức cũng như cấu trúc mạng Interbus cho phép kết hợp truyền dữ liệu vào/ra tuần hồn và truyền thơng báo khơng tuần hồn. Bên cạnh hiệu suất sử dụng đường truyền cao và tính năng thời gian thực thì sự đơn giản trong giao diện sử dụng cũng đóng một vai trị quan trọng đối với một hệ thống bus trường. Tương ứng với hai kiểu dữ liệu, In terbus cung cấp cho các chương trình ứng dụng hai giao diện sử dụng khác nhau.
Dịch vụ truyền tuần hoàn
Đối với dữ liệu q trình, trạm chủ có trách nhiệm tự động cập nhật nhờ các dịch vụ truyền của lớp hai. Các chương trình ứng dụng sử dụng dữ liệu tuần hoàn chỉ cần sử dụng bộ nhớ đệm vào/ra của trạm chủ để đọc các đầu vào cũng như đưa các dữ liệu ra mà không cần thiết phải quan tâm tới giao thức mạng cấp thấp. Thực sự, một chương trình ứng dụng như điều khiển q trình khơng cần quan tâm tới cơ chế vào/ra cụ thể (qua bus hay qua các module vào/ra tập trung). Hình thức truy nhập trực tiếp bộ nhớ kh ơng những đơn giản hố cách sử dụng, mà cịn đơn giản hoá thủ tục xử lý giao thức phức tạp. Đối với các thiết bị có thể tự do lập trình như máy tính cá nhân, có thể truy nhập trực tiếp dữ liệu quá trình ở vùng nhớ DPM (Dual - Port Memory) qua các giao diện phần mềm chuẩn hoá như DDE, OPE và Open Control Dịch vụ truyền thông báo PMS
153 Bên cạnh dịch vụ trao đổi dữ liệu tuần hoàn cấp thấp, một hệ thống có tính năng mở cần hỗ trợ các dịch vụ ứng dụng cao cấp, chuẩn hoá. Như ở phần trên đã giới thiệu sơ bộ, PMS (Periphera Massage Specification) là một tập con các dịch vụ của chuẩn MMS được Interbus cung cấp qua lớp ứng dụng. Nếu so sánh với PROFIBUS - FMS thì PMS cũng có thể được coi là một tập con các dịch vụ tương thích với FMS.
Tổng cộng khoảng 25 dịch vụ được định nghĩa trong PMS cho phép đơn giản hoá việc giao tiếp với các thiết bị trường thơng minh. Số lượng các dịch vụ có thể được mở rộng cho một số loại thiết bị. Các dịch vụ tiêu biểu bao gồm:
• Context Management: thiết lập và giám sát các mối liên kết truyền thơng • Variable Access: đọc và ghi các biến q trình hoặc tham số
• Program Invocation: nạp chương trình, khởi động và kết thúc chương trình
Do đặc tính mạch vịng và do việc thực hiện liên tục các chu trình truyền dữ liệu, mỗi trạm có thể vừa đóng vai trị là server cung cấp các dịch vụ PMS hoặc là client sử dụng các dịch vụ mà các trạm khác cung cấp.
Với các bộ điều khiển khả trình (PLC), việc khai thác các dịch vụ PMS không thông qua bộ nhớ đệm vào/ra, mà qua các khối chức năng giao tiếp. Bên cạnh đó, các dịch vụ giao tiếp có thể được định nghĩa trong khi thiết lập cấu hình hệ thống và sau đó được kích hoạt động qua các lệnh logic đơn giản.
4.6 AS - i
AS - i (Actuator Sensor Interface) là kết quả phát triển hợp tác của 11 hãng sản xuất các thiết bị cảm biến và cơ cấu chấp hành có tên tuổi trong công nghiệp, trong đó có Siemens AG, Festo KG, Pepperl & Fuchs GmbH. Như tên gọi của nó phần nào diễn tả, mục đích sử dụng duy nhất của AS - i là kết nối các thiết bị cảm biến và chấp hành số với cấp điều khiển. Từ một thực tế là hơn 80% cảm biến và cơ cấu chấp hành trong một hệ thống máy móc làm việc với các biến logic, cho nên việc nối mạng chúng trước phải đáp ứng được yêu cầu về giá thành cũng như lắp đặt, vận hành và bảo dưỡng đơn giản. Vì thế, các tính năng kỹ thuật được đặt ra là:
• Khả năng đồng tải nguồn, tức dữ liệu và dịng ni cho tồn bộ các cảm biến và một phần