13 ❖ Tốc độ truyền tải và chiều dài dây dẫn
RS-485 cho phép khoảng cách tối đa giữa trạm đầu và trạm cuối trong một đoạn mạng là 1200m, không phụ thuộc vào số trạm tham gia. Tốc độ truyền dẫn tối đa có thể lên tới 10Mbit/s, một số hệ thống gần đây có khả năng làm việc với tốc độ 12Mbit/s. Tuy nhiên có sự ràng buộc giữa tốc độ truyền dẫn tối đa và độ dài dây dẫn cho phép, tức là một mạng dài 1200m không thể làm việc với tốc độ 10MBd. Quan hệ giữa chúng phụ thuộc nhiều vào chất lượng cáp dẫn được dùng cũng như phụ thuộc vào việc đánh giá chất lượng tín hiệu.
Tốc độ truyền tối đa cũng phụ thuộc vào chất lượng cáp mạng, cụ thể là đơi dây xoắn kiểu STP có khả năng chống nhiễu tốt hơn loại UTP và vì thế có thể truyền với tốc độ cao hơn. Có thể sử dụng các bộ lặp để tăng số trạm trong một mạng, cũng như chiều dài dây dẫn lên nhiều lần, đồng thời đảm bảo được chất lượng tín hiệu.
❖ Cáp nối
RS-485 không phải là một chuẩn trọn vẹn mà chỉ là một chuẩn về đặc tính điện học, vì vậy khơng đưa ra các qui định cho cáp nối cũng như các bộ nối. Có thể dùng đơi dây xoắn, cáp trơn hoặc các loại cáp khác, tuy nhiên đôi dây xoắn là vẫn là loại cáp được sử dụng phổ biến nhất nhờ đặc tính chống tạp nhiễu và xuyên âm.
❖ Trở đầu cuối
Do tốc độ truyền thông và chiều dài dây dẫn có thể khác nhau rất nhiều trong các ứng dụng, hầu như tất cả các bus RS-485 đều yêu cầu sử dụng trở đầu cuối tại hai đầu dây. Sử dụng trở đầu cuối có tác dụng chống các hiệu ứng phụ trong truyền dẫn tín hiệu, ví dụ sự phản xạ tín hiệu. Trở đầu cuối dùng cho RS-485 có thể từ 100Ω đến 120Ω. Một sai lầm thường gây tác hại nghiêm trọng trong thực tế là dùng trở đầu cuối tại mỗi trạm. Đối với một mạng bus có 10 trạm thì trở kháng tạo ra do các trở đầu cuối mắc song song sẽ là 10Ω thay chứ không phải 50Ω như thông thường.
Trong trường hợp cáp truyền ngắn và tốc độ truyền thấp, ta có thể khơng cần dùng trở đầu cuối. Tín hiệu phản xạ sẽ suy giảm và triệt tiêu sau vài lần qua lại. Tốc độ truyền dẫn thấp có nghĩa là chu kỳ nhịp bus dài. Nếu tín hiệu phản xạ triệt tiêu hồn tồn trước thời điểm trích mẫu ở nhịp tiếp thep (thường vào giữa chu kỳ) thì tín hiệu mang thông tin sẽ không bị ảnh hưởng
❖ Nối đất
Mặc dù mức tín hiệu được xác định bằng điện áp chênh lệch giữa hai dây dẫn A và B khơng có liên quan tới đất, hệ thống RS-485 vẫn cần một đường dây nối đất để tạo một đường thoát cho nhiễu chế độ chung và các dịng khác, ví dụ dịng đầu vào bộ thu. Một sai lầm thường gặp trong thực tế là chỉ dùng hai dây để nối hai trạm. Trong trường hợp như vậy, dịng chế độ chung sẽ tìm cách quay ngược trở lại
nguồn phát, bức xạ nhiễu ra mơi trường xung quanh, ảnh hưởng tới tính tương thích điện từ của hệ thống. Nối đất sẽ có tác dụng tạo một đường thốt trở kháng nhỏ tại một vị trị xác định, nhờ vậy giảm thiểu tác hại gây nhiễu. Hơn thế nữa, với cấu hình trở đầu cuối tin cậy, việc nối đất tạo thiên áp sẽ giữ một mức điện áp tối thiểu giữa hai dây A và B trong trường hợp kể cả khi bus rỗi hoặc có sự cố.
2.1.2 Giao thức
a) Định dạng gói tin RTU
Định dạng gói tin của Modbus RTU cho phép truyền các byte với đầy đủ toàn bộ dải giá trị của byte từ 0-255. Khơng có ký tự bắt đầu hoặc kết thúc để chỉ ra việc bắt đầu hoặc kết thúc gói tin.
Việc kết thúc gói tin được báo bới thơi gian trễ tương đương với thời gian truyền 3byte trên giao thức truyền thơng mà khơng có bất kỳ dữ liệu nào được truyền đi.
Device Address Function Code Data CRC
− Device Addres – địa chỉ của Slave: chiếm 1 byte với tầm giá trị từ 1 đến 247. Địa chỉ Broadcast hay master là 0.
− Function Code – mã chức năng: chiếm 1 byte với tầm giá trị từ 1 đến 127 để miêu tả cho các mã chức năng cơ bản hay mở rộng. Mã chức năng được gửi từ master tới slave để slave thực hiện các yêu cầu master chỉ định.
− Data – dữ liệu: kích thước dữ liệu từ 0 – N byte chứa các thông tin được yêu cầu theo mã chức năng.
− CRC – Cyclic Redundancy Check hay Error check– kiểm tra mã lỗi truyền thơng: chiếm 2 byte với giá trị được tính tốn từ các byte của gói tin. Giá trị này có thể được tính trên cả master và slave để xác minh độ tin cậy rằng dữ liệu được truyền và nhận chính xác.
b) Chế độ truyền
Người sử dụng lựa chọn chế độ theo ý muốn, cùng với các tham số truyền thông qua cổng nối tiếp như tốc độ truyền, parity chẵn/lẻ, v.v... Chế độ truyền cũng như các tham số phải giống nhau đối với tất cả các thành viên của một mạng Modbus.
Khi các thiết bị trong một mạng Modbus chuẩn được đặt chế độ RTU (Remote Terminal Unit), mỗi byte trong thông báo được gửi thành một ký tự 8 bit.
15 Mỗi thông báo phải được truyền thành một dòng liên tục. Cấu trúc một ký tự khung gửi đi được thể hiện như sau:
Mỗi ký tự khung bao gồm:
− 1bit khởi đầu (start bit).
− 8bit của byte thơng báo cần gửi, trong đó bit thấp nhất được gửi đi trước.
− 1bit parity chẵn/lẻ nếu sử dụng parity.
− 1bit kết thúc (stop bit) nếu sử dụng parity hoặc 2bit kết thúc nếu không sử dụng parity.
c) Cấu trúc bức điện
Một thông báo Modbus bao gồm nhiều thành phần và có chiều dài có thể khác nhau. Khi ở chế độ Modbus RTU, một thông báo sẽ được đóng khung. Mỗi khung bao gồm nhiều ký tự khung có cấu trúc như được mơ tả ở phần trên. Các ký tự này sẽ được truyền đi liên tục thành dòng ở chế độ RTU. Mục đích của việc đóng khung là để đánh dấu khởi điểm và kết thúc của một thông báo, cũng như bổ sung thông tin kiểm lỗi. Trường hợp thông báo không được truyền trọn vẹn có thể phát hiện được và báo lỗi.
Trong chế độ RTU, một thông báo bắt đầu với một khoảng trống yên lặng tối thiểu là 3.5 thời gian ký tự. Thực tế, người ta chọn thời gian đó bằng một số nguyên lần thời gian ký tự, như được biểu thị bằng dãy (- - - -) trên bảng 2.3. Ô đầu tiên được truyền sẽ là 8bit địa chỉ, sau đó đến 8bit mã hàm, một số byte tùy ý dữ liệu và cuối cùng là thông tin kiểm lỗi CRC. Sau khi truyền ký tự cuối của mã CRC, khung thông báo cũng phải được kết thúc bằng một khoảng trống yên lặng tối thiểu là 3.5 thời gian ký tự, trước khi bắt đầu một thông báo mới. Thực chất, khoảng trống kết thúc của một thơng báo cũng có thể chính là phần khởi đầu bắt buộc của thông báo tiếp theo.
Bảng 2.3 Khung thông báo Modbus chế độ RTU
Khởi đầu
Địa chỉ Mã hàm Dữ liệu Mã CRC
Kết thúc
(----) 8bit 8bit n x 8bit 16bit (----) Start 0 1 2 3 4 5 6 7 P Stop
Địa chỉ
Phần địa chỉ trong một khung thông báo bao gồm tám bit (RTU). Các giá trị địa chỉ hợp lệ nằm trong khoảng 0-247, trong đó địa chỉ 0 dành riêng cho các thông báo gửi đồng loạt tới tất cả các trạm tớ. Nếu Modbus được sử dụng trên một mạng khác, có thể phương thức gửi đồng loạt khơng được hỗ trợ, hoặc được thay thế bằng một phương pháp khác.
Một thiết bị chủ sử dụng ô địa chỉ để chỉ định thiết bị tớ nhận thông báo yêu cầu. Sau khi thực hiện yêu cầu, thiết bị tớ đưa địa chỉ của mình vào khung thơng báo đáp ứng, nhờ vậy thiết bị chủ có thể xác định thiết bị tớ nào đã trả lời. Trong một mạng Modbus chuẩn chỉ có một trạm chủ duy nhất, vì thế ơ địa chỉ khơng cần thiết phải chứa cả địa chỉ trạm gửi và trạm nhận.
Mã hàm
Giống như địa chỉ, phần mã hàm trong một khung thông báo bao gồm tám bit (RTU). Các giá trị hợp lệ nằm trong khoảng từ 1-255, trong đó các mã hàm trong thông báo yêu cầu chỉ được phép từ 1-127. Tuy nhiên, hầu hết các thiết bị chỉ hỗ trợ một phần nhỏ số hàm trên và một số mã hàm được dữ trữ cho sau này.
Khi một thông báo gửi từ thiết bị chủ tới một thiết bị tớ, mã hàm chỉ địn hành động mà thiết bị tớ cần thực hiện. Khi thiết bị tớ trả lời, nó cũng dùng chính mã hàm đó trong thơng báo đáp ứng bình thường. Trong trường hợp xảy ra lỗi, mã hàm trả lại sẽ là mã hàm trong yêu cầu với bit cao nhất được đặt bằng 1 và phần dữ liệu sẽ chứa thông tin chi tiết về lỗi đã xảy ra.
Dữ liệu
Trong một thông báo yêu cầu, nội dung phần dữ liệu nói lên chi tiết hành động mà bên nhận cần thực hiện.Ví dụ trong một yêu cầu đọc các thanh ghi thì phần dữ liệu chứa thơng tin về địa chỉ thanh ghi đầu tiên, số lượng các thanh ghi cần đọc và chiều dài thực tế của chính phần dữ liệu.
Trong trường hợp bình thường, phần dữ liệu trong thơng báo đáp ứng sẽ chứa kết quả của hành động đã thực hiện, ví dụ nội dung các thanh ghi đã đọc. Nếu xảy ra lỗi, phần dữ liệu chứa mã ngoại lệ, nhờ đó mà thiết bị chủ xác định hành động tiếp theo cần thực hiện. Lưu ý rằng, một số hàm khơng địi hỏi tham số, vì vậy phần dữ liệu có thể trống.
d) Bảo tồn dữ liệu
Mạng Modbus chuẩn sử dụng hai biện pháp bảo toàn dữ liệu ở hai mức: kiểm sốt khung thơng báo và kiểm sốt ký tự khung. Đối với chế độ truyền RTU, có thể lựa chọn kiểm tra bit chẵn/lẻ cho từng ký tự khung. Hơn thế nữa, cả khung thông báo lại được kiểm soát một lần nữa bằng mã CRC ở chế độ RTU.
17 Khi đặt cấu hình cho một thiết bị chủ, có thể chọn một khoảng thời gian timeout mà nó có thể chờ đợi đáp ứng từ trạm tớ. Khoảng thời gian này cần phải đủ lớn để bất cứ thiết bị tớ nào cũng có thể trả lời trong điều kiện bình thường. Trường hợp thiết bị tớ phát hiện lỗi ở thơng báo u cầu, nó sẽ khơng trả lời. Vì thế thiết bị chủ cũng tự động nhận biết lỗi và chương trình chủ sẽ có trách nhiệm thực hiện các hành động cần thiết.
Kiểm soát CRC
Mã CRC được áp dụng trong chế độ RTU dài 16 bit. Đa thức phát được sử dụng G = 1010 0000 0000 0001. Khi đưa vào khung thông báo, byte thấp của mã CRC được gửi đi trước, tiếp sau là byte cao.
2.1.3 Các thiết bị hỗ trợ
a) Cáp truyền thông RS485
Dây cáp tín hiệu RS485 được làm bằng các sợi được xoắn lại với nhau, theo từng cặp. Nên khi nhiễu xảy ra ở dây này thì cũng xảy ra ở dây kia, tức là hai dây cùng nhiễu giống nhau. Điều này làm cho điện áp sai biệt giữa hai dây thay đổi không đáng kể, nên tại nơi thu vẫn nhận được tín hiệu đúng nhờ tính năng đặc biệt của bộ thu đã loại bỏ nhiễu. Dây cáp tín hiệu RS485 được sử dụng rất rộng rãi trong công nghiệp, nơi mà môi trường nhiễu khá cao và sự tin tưởng vào tính ổn định của hệ thống là điều quan trọng. Bên cạnh đó khả năng truyền thơng qua khoảng cách xa ở tốc độ cao cũng rất được quan tâm, đặc biệt là tại những nơi mà có nhiều trạm giao tiếp được trải ra trên diện rộng.
Hình 2.9 Cáp truyền thơng RS485
Hình 2.10 Giắc cắm DB9
Phần giắc cắm DB9 đã được trình bày chi tiết ở phần Giao diện cơ học của RS232.
2.2 Truyền thông Profibus
PROFIBUS (Process Field Bus) là một hệ thống bus trường được phát triển tại Đức từ năm 1987, do 21 công ty và cơ quan nghiên cứu hợp tác. Sau khi được chuẩn hóa quốc gia với DIN 19245, PROFIBUS đã trở thành chuẩn châu Âu EN 50 170 trong năm 1996 và chuẩn quốc tế IEC 61158 vào cuối năm 1999. Bên cạnh đó, PROFIBUS cịn được đưa ra vào trong chuẩn IEC 61784 cũng như với các phát triển mới gần đây, PROFIBUS không chỉ dừng lại là một hệ thống truyền thơng, mà cịn được coi là một cơng nghệ tự động hóa.
PROFIBUS kết nối các bộ điều khiển hoặc hệ thống điều khiển với các thiết bị phân tán ( cảm biến và các thiết bị thực thi , bộ truyền động …) ở cấp fieldbus, đồng thời cũng cho phép trao đổi dữ liệu nhất quán ( consistent data ) với các hệ thống truyền thông cao hơn.
2.2.1 Chuẩn vật lý
a) Truyền dẫn với RS-485:
Chuẩn PROFIBUS theo IEC 61158 quy định các đặc tính điện học và cơ học của giao diện RS-485 cũng như môi trường truyền thông, trên cơ sở đó các ứng dụng có thể lựa chọn các thơng số thích hợp. Các đặc tính điện học bao gồm:
− Tốc độ truyền thông từ 9,6 kbit/s đến 12 Mbit/s.
− Cấu trúc đường thẳng kiểu đường trục / đường nhánh (trunk-line/drop- line) hoặc daisy-chain, trong đó có tốc độ truyền từ 1,5 Mbit/s trở lên theo yêu cầu cấu trúc daisy-chain.
19
− Cáp truyền được sử dụng là đôi dây xoắn có bảo vệ (STP). Hiệp hội PI khuyến cáo dùng cáp loại A.
− Trở kết thúc có dạng tin cậy (fail-safe biasing) với các điện trở lần lượt là 390Ω-220Ω-390Ω.
− Chiều dài tối đa của một đoạn mạng từ 100m 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 tóm tắt trong bảng 2.4.
− Số lượng tối đa các trạm trong mỗi mạng là 32. Có thể dùng tối đa 9 bộ lặp tức 10 đoạn mạng. Tổng số trạm tối đa trong một mạng là 126.
− Chế độ truyền tải không đồng bộ và hai chiều không đồng thời.
− Phương pháp mã hóa bit NRZ.
Bảng 2.4 Chiều dài tối đa của một đoạn mạng PROFIBUS (cáp 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 các bộ nối, loại D-sub 9 chân được sử dụng phổ biến nhất với cấp bảo vệ IP20. Trong trường hợp yêu cầu cấp bảo vệ IP65/67 có thể sử dụng một trong các loại sau đây:
− Bộ nối tròn M12 theo chuẩn IEC 947-5-2.
− Bộ nối Han-Brid theo khuyến cáo của DENISA.
− Bộ nối Hibrid của Siemens.
Đầu nối HAN-BRID có thể dùng cho truyền dữ liệu qua cáp quang và điện áp nguồn 24V cho các ngoại vi qua cáp đồng.
− Đầu nối M12 cho RS 485 -cấp bảo vệ IP 65/67. sơ đồ chân: 1: VP, 2: RxD/TxD-N, 3: DGND, 4: RxD/TxD, 5: vỏ bọc.
Hình 2.11 Đầu nối M12
− Đầu nối Han-Brid kiểu Cu-Fo. Dùng để truyền dữ liệu qua cáp quang và điện áp 24V cung cấp cho các ngoại vi. Đầu nối này cũng có kiểu Cu-Cu.
− Đầu nối Siemens-Hybrid, truyền điện áp cung cấp 24 V. dữ liệu PROFIBUS qua cáp đồng cho các thiết bị với cấp bảo vệ IP 65.
Hình 2.12 Đầu nối kiểu Siemens-Hibrid
Khi kết nối tới trạm hãy đảm bảo rằng các đường dữ liệu không bị đảo ngược. Việc sử dụng đường dây dữ liệu có bọc là hồn tồn cần thiết để hệ thống có khả năng tránh được những ảnh hưởng của từ trường. Vỏ bọc dây dẫn cần phải được nối vối PE ở cả 2 phía. Ngồi ra đường dây dữ liệu phải đặt cách cáp dẫn điện áp cao. Khi tốc độ truyền >= 1,5 Mbit/s không được sử dụng trong các đường nhánh cụt. Hiện có các đầu nối dạng cắm có khả năng kết nối trực tiếp cáp dữ liệu vào và cáp dữ liệu ra. Qua đó loại trừ sử dụng đường nhánh cụt và đầu nối BUS có thể cắm vào hoặc tháo ra khỏi BUS bất cứ thời gian nào mà không làm ảnh hưởng đế sự