1. Modbus.
Modbus là một giao thức do hãng Modicon thuộc AEG và Schneider Automation phát triển. Theo mô hình ISO/OSI thì Modbus là một chuẩn giao thức và dịch vụ thuộc lớp ứng dụng, vì vậy có thể được thực hiện trên các cơ chế vận chuyển cấp thấp như TCP/IP, hay qua đường truyền RS-232.
Modbus định nghĩa một tập hợp rộng các dịch vụ phục vụ trao đổi dữ liệu quá trình, dữ liệu điều khiển và dữ liệu chẩn đoán.
Modbus mô tả quá trình giao tiếp giữa một bộ điều khiển với các thiết bị khác thông qua cơ chế yêu cầu/đáp ứng.
Modbus tương đối đơn giản nên có ảnh hưởng lớn đến các hệ PLC của các nhà sản xuất khác. Ví dụ trong các hệ thống thu thập dữ liệu và điều khiển giám sát (SCADA). Modbus hay được sử dụng trên các đường truyền RS-232 ghép nối giữa các thiết bị dữ liệu đầu cuối (PLC, PC) với thiết bị truyền dữ liệu (Modem).
1. Cơ chế giao tiếp.
Modbus có cơ chế giao tiếp phụ thuộc vào hệ thống truyền thông cấp thấp. Có thể phân chia ra hai loại là mạng Modbus chuẩn và Modbus trên các mạng khác như TCP/IP, Modbus Plus.
Với mạng Modbus chuẩn: Các cổng Modbus chuẩn trên các bộ điều khiển sử dụng giao diện nối tiếp RS-232. Các bộ điều khiển này có thể được nối mạng trực tiếp qua Modem.
Các trạm Modbus giao tiếp với nhau qua cơ chế chủ/tớ.
• Các thiết bị chủ thông thường là các máy tính điều khiển trung tâm, các thiết bị lập trình.
2. Chế độ truyền.
Đối với các thiết bị ghép nối qua mạng Modbus chuẩn, có thể sử dụng một trong hai chế độ truyền là ASCII hoặc RTU.
o Chế độ ASCII: Thông tin được xử lý với mỗi byte trong thông báo được gửi là hai ký tự ASCII 7 bit. Trong đó mỗi ký tự biểu diễn một chữ số hex.
Ưu điểm: Chế độ này cho phép một khoảng thời gian trống tối đa một giây giữa hai ký tự mà không gây ra lỗi.
Hình 14: Cấu trúc một ký tự gửi đi ở chế độ ASCII.
Một ký tự khung bao gồm: Bit Start: Bit khởi đầu.
Các bit 0 6: Là 7 bit biểu diễn một chữ số hex của byte cần gửi dưới dạng ký tự ASCII, trong đó bit thấp nhất được gửi đi trước.
Bit P – Parity: Là bit kiểm tra chẵn lẻ, nếu được sử dụng.
Bit Stop: Bit kết thúc. Nếu không sử dụng bit P thì vị trí bit P cũng là một bit Stop.
o Chế độ RTU: Thông tin đươc xử lý chỉ với một ký tự gồm 8 bit. Ưu điểm: Hiệu suất cao hơn chế độ ASCII.
Hình 15: Cấu trúc một ký tự gửi chế độ RTU.
Về chức năng các bit cũng tương tự như chế độ ASCII.
3. Cấu trúc bức điện.
Với hai chế độ truyền tương đương với hai khung tin như sau:
o Khung ASCII: Trong chế độ ASCII, một thông báo bắt đầu với dấu hai chấm (:) và kết thúc bằng hai dấu quay lại và dấu xuống dòng (CRLF)
Khởi đầu Địa chỉ Mã hàm Dữ liệu Mã LCR Kết thúc 1 ký tự : 2 ký tự 2 ký tự n ký tự 2 ký tự 2 ký tự CR + LF
Hình 15: Khung thông báo Modbus chế độ ASCII.
Mỗi thiết bị tham gia mạng có trách nhiệm liên tục theo dõi đường truyền và phát hiện sự xuất hiện của dấu hai chấm. Khoảng cách thời gian tối đa cho phép giữa hai ký tự trong một thông báo là một giây, nếu vượt quá giá trị này, bên nhận sẽ coi là lỗi.
o Khung RTU: Trong chế độ này một thông báo bắt đầu với một khoảng trống yên lặng tối thiểu là 3.5 thời gian truyền ký tự.
Khởi đầu Địa chỉ Mã hàm Dữ liệu Mã CRC Kết thúc
Chờ (- - - -)
8 bit 8 bit n x 8 bit 16 bit Chờ
(- - - -)
Hình 16: Khung thông báo Modbus chế độ RTU.
Sau khi truyên ký tự cuối cùng của mã CRC. Khung thông báo phải được kết thúc bằng một khoảng trống yên lặng tối thiểu là 3.5 thời gian truyền ký tự trước khi bắt đầu một thông báo mới, thực chất khoảng trống kết thúc cũng có thể là phần khởi đầu của thông báo tiếp theo.
Khác với chế độ ASCII, toàn bộ khung thông báo RTU phải được truyền thành một dòng liên tục. Nếu một khoảng trống yên lặng lớn hơn 1.5 thời gian ký tự xuất hiện trước khi truyền xong toàn bộ khung thì thiết bị nhận sẽ hủy bỏ thông báo chưa đầy đủ và cho rằng byte tiếp theo sẽ là địa chỉ của một thông báo mới.
o Địa chỉ: Là phần rất quan trọng trong một bức điện. 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 (broadcast). 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 thông 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 ô địa chỉ không cần thiết phải chứa cả địa chỉ tram gửi và trạm nhận.
Mạng Modbus chuẩn sử dụng hai biện pháp bảo toàn dữ liệu ở hai mức:
• Kiểm soát khung thông báo: Cả khung thông báo được kiểm soát bằng mã LRC với chế độ ASCII hoặc mã CRC với chế độ RTU.
• Kiểm soát ký tự khung: Có thể kiểm tra bit chẵn/lẻ cho từng ký tự khung với hai chế độ ASCII và RTU.
2. Modbus Plus.
Là một hệ thống bus dựa trên giao thức Modbus, phục vụ nối mạng ở cấp trường cũng như cấp điều khiển.
Ưu điểm là giá thành thấp, dễ lắp đặt và đưa vào vận hành.
Môi trường truyền: Sử dụng đôi dây xoắn, chiều dài cáp dẫn tối đa là 500m không cần bộ lặp.
Kỹ thuật truyền dẫn: RS-485, tốc độ truyền có thể lên tới 1 Mbit/s. Cơ chế giao tiếp: Token Passing.
Modbus Plus có cấu trúc bức điện khác hẳn với Modbus.
Địa chỉ trạm tớ Mã hàm Dữ liệu
1 Byte 1 Byte 1 Byte
Output Path Router Counter Trans Sequence Routing Path Modbus Message
1 Byte 1 Byte 1 Byte 5 Byte 3 Byte
Bảng 5: Khung LLC – LLC FIELD.
Dest Address Source Address MAC Function Byte Count LLC FIELD
1 Byte 1 Byte 1 Byte 2 Byte 11 Byte
Bảng 6: Khung MAC – MAC FIELD.
Preamble Opening Flag Broadcast Address
MAC FIELD
CRC Closing Flag
1 Byte 1 Byte 1 Byte 16 Byte 2
Byte
1 Byte
Bảng 7: Khung thông báo Modbus Plus.
Các ô trên các bảng trên có ý nghĩa cụ thể sau:
• Output Path: Đường dẫn đầu ra, chỉ thị một kênh logic của trạm chủ, có vai trò trong việc dồn kênh/phân kênh. Địa chỉ Modbus được thiết bị gửi chuyển đổi thành mã đường dẫn.
• Router Counter: Đếm số các router mà khung thông báo đã đi qua.
• Transaction Sequence: Mã số phiên giao dịch.
• Routing Path: Mã số đường dẫn, chứa thông tin chọn đường đi tối ưu trong một hệ thống liên mạng.
• Destination Address: Địa chỉ đích (trạm Modbus Plus).
• Source Address: Địa chỉ nguồn (trạm Modbus Plus).
• MAC Function: Mã hàm điều khiển truy nhập môi trường.
• Byte Count: Đếm số lượng byte trong phần LLC được truyền.
• Preamble: Dãy bit báo hiện đầu khung.
• Opening Flag: Cờ mở đầu khung.
• Broadcast Address: Địa chỉ gửi đồng loạt.
• CRC: Mã CRC kiểm lỗi.
• Closing Flag: Cờ báo hiệu kết thúc khung.
3. Data Highway Plus/DH 485.
Data Highway Plus sử dụng giao thức Data Highway Plus Protocol – một trong các giao thức được sử dụng trong giao tiếp dữ liệu Allen Bradley.
Data Highway Plus sử dụng 3 lớp trong mô hình tham chiếu OSI.
• Lớp vật lý: Sử dụng kỹ thuật truyền dẫn RS-485 với môi trường truyền là đôi dây xoắn.
• Lớp liên kết dữ liệu: Truyền song công sử dụng khung tin ASCII hoặc bán song công.
• Lớp ứng dụng: Xử lý các khung tin mà DH 485 định nghĩa. Định dạng gói tin:
Hình 17: Định dạng gói tin DH 485.
• DST (Destination byte): Byte chứa địa chỉ đích.
• CMD (Command byte): Byte chứa mã.
• STS (Status byte): Byte trạng thái. Trong tin truyền thì byte STS được đặt ở mức 0. Còn trong tin phản hồi thì byte STS có thể bao gồm mã trạng thái.
• TNS - Transaction byte (2 byte): Các phần mềm ứng dụng phải cấp chỉ định một số giao dịch 16 bit được tạo ra thông qua một truy cập. Khi được lệnh trả lời, nó có thể sử dụng giá trị TNS để liên kết các tin nhắn trả lời tương ứng của nó.
• ETX – Extended status bytes: Byte trạng thái mở rộng. Nếu 4 bit cao của byte STS bằng 1 thì có thông tin trạng thái mở rộng trong 1 byte ETX.
4. HART.
HART (Highway Addressable Remote Transducer) là một giao thức, các thiết bị thông minh điển hình trong hệ thống bus đươc triển khai sử dụng giao thức này với các chức năng chính sau:
• Kiểm soát phạm vi/điều chỉnh nhịp.
• Chuẩn đoán để xác minh tính năng.
• Lưu trữ cấu hình và tình trạng thông tin.
Giao thức này được xây dựng và phát triển bởi Rosemount và được xem là một tiêu chuẩn mở cho tất cả các nhà sản xuất.
Ưu điểm: Sử dụng đồng thời cùng một dây dẫn để truyền thông tin kỹ thuật số và lẫn cả tín hiệu tương tự. Nên chi phí tương đối nhỏ.
HART sử dụng tần số thay đổi, và làm việc với tín hiệu tương tự lai với các giao thức kỹ thuật số, khác hoàn toàn với các hệ thống bus khác chỉ làm việc với tín hiệu số.
Hai tần số được sử dụng là 1.2KHz và 2.2KHz tương ứng với hai bit 0 và 1. Còn tín hiệu Analog là dòng điện từ 4 mA đến 20 mA, nên thông tin trên đường truyền không bị ảnh hưởng.
Hình 18: Tần số giao thức HART.
Giao thức HART có thể được sử dụng trong ba cách:
• Trong chế độ điểm – điểm: Tín hiệu được biểu diễn bằng dòng điện 4 – 20 mA.
• Trong chế độ điểm – điểm: Chỉ với một thiết bị truyền quảng bá trong chế độ thay đổi đột ngột.
Hình 19: Giao tiếp điểm – điểm giữa thiết bị cầm tay và cảm biến thông minh.
Handheld: Thiết bị đầu cuối được sử dụng cho việc điều khiển quá trình.
Hình 21: Giao tiếp đa điểm.
Giao thức HART có hai cách để truyền dữ liệu kỹ thuật số:
• Thăm dò ý kiến chế độ đáp ứng: Thiết bị chủ gửi thông tin thăm dò các thiết bị qua đường truyền siêu cao (highway) và yêu cầu các thông tin có liên quan.
• Chế độ truyền quảng bá.
Giao thức này được thực hiện ở lớp 1, 2 và 7 của mô hình tham chiếu OSI.
• Lớp vật lý: Lớp vật lý của giao thức HART được dựa trên hai phương pháp truyền thông theo chuẩn Bell 202. Tương tự (4 – 20 mA) và kỹ thuật số với dịch tần số.
• Lớp liên kết dữ liệu: Một khung tin bao gồm 1 bit start, 8 bit dữ liệu, 1 bit chẵn lẻ và một bít stop. Khung dữ liệu gồm nhiều khung tin hay khung ký tự.
Hình 22: Định dạng khung dữ liệu HART.
• Lớp ứng dụng: Cho phép các thiết bị lưu trữ và diễn giải dữ liệu HART.
5. 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 50170 trong năm 1996 và chuẩn quốc tế IEC 61158 vào cuối năm 1999. Bên cạnh đó, PROFIBUS còn được đưa vào trong chuẩn IEC 61784 – một chuẩn mở rộng trên cơ sở IEC 61158 cho các hệ thống sản xuất công nghiêp. Với sự ra đời của các chuẩn mới IEC 61158 và IEC 61784 cũng như với các phát triển mới gần đây, PROFIBUS không chỉ dừng lại là một hệ thống truyền thông, mà còn được coi là một công nghệ tự động hóa.
1. Định nghĩa.
PROFIBUS định nghĩa các đặc tính của một hệ thống bus cho phép kết nối nhiều thiết bị khác nhau, từ các thiết bị trường cho tới vào/ra phân tán, các thiết bị điều khiển và giám sát. PROFIBUS định nghĩa ba loại giao thức là PROFIBUS-FMS, PROFIBUS-DP và PROFIBUS-PA.
FMS là giao thức nguyên bản của PROFIBUS, được dùng chủ yếu cho việc giao tiếp giữa các máy tính điều khiển và điều khiển giám sát.
Sự ra đời của DP vào năm 1993 – một giao thức đơn giản và nhanh hơn nhiều so với FMS, PROFIBUS-DP được xây dựng tối ưu cho việc kết nối các thiết bị vào/ra phân tán và các thiết bị trường với các máy tính điều khiển. PROFIBUS-FMS và
PROFIBUS-DP lúc đầu được sử dụng phổ biến trong các ngành công nghiệp chế tạo, lắp ráp. Tuy nhiên gần đây, vai trò của PROFIBUS-FMS ngày càng mờ nhạt bởi sự cạnh tranh của các hệ dựa trên nền Ethernet (Ethernet/IP, PROFINet, High-Speed Ethernet,…). Trong khi đó, phạm vi ứng dụng của PROFIBUS-DP ngày càng lan rộng sang nhiều lĩnh vực khác.
PROFIBUS-PA là kiều đặc biệt được sử dụng ghép nối trực tiếp các thiết bị trường trong các lĩnh vực tự động hóa các quá trình có môi trường dễ cháy nổ, đặc biệt trong công nghiệp chế biến. Thực chất, PROFIBUS-PA chính là sự mở rộng của
là hệ bus trường hàng đầu thế giới với hơn 20% thị phần và với hơn 5tr thiết bị lắp đặt trong khoảng 500000 ứng dụng. Có thể nói, PROFIBUS là giải pháp chuẩn, đáng tin cậy cho nhiều phạm vi ứng dụng khác nhau, đặc biệt là các ứng dụng có yêu cầu cao về tính năng thời gian.
2. Kiến trúc giao thức.
PROFIBUS chỉ thực hiện các lớp 1, lớp 2 và lớp 7 theo mô hình tham chiếu OSI, như minh họa trên hình:
PROFIBUS-FMS PROFIBUS-DP PROFIBUS-PA
Giao diện sử
dụng
FMS-Profiles DP-Profiles PA-Profiles
Các chức năng DP mở rộng Các chức năng DP cơ sở Lớp 7 Fieldbus Message Specification (FMS) Không thể hiện Lớp 3-6 Không thể hiện
Lớp 1 RS-485/RS-485IS/Cáp quang MBP(IEC1158-2)
Hình 22: Kiến trúc giao thức của PROFIBUS.
Cả 3 giao thức FMS, DP và PA đều có chung lớp liên kết dữ liệu (lớp FDL). PROFIBUS-PA có cùng giao diện sử dụng như DP, tuy nhiên tính năng của các thết bị được quy định khác nhằm phù hợp với môi trường làm việc dễ cháy nổ. Kỹ thuật truyền dẫn MBP (Manchester code Bus Powered) theo IEC 1158-2 cũ được áp dụng ở đây đảm bảo vấn đề an toàn và cung cấp nguồn cho các thiết bị qua cùng dây dẫn bus. Để tích hợp các đoạn mạng DP và PA có thể dùng các bộ chuyển đổi (DP/PA-Link, DP/PA Coupler) có sẵn trên thị trường.
Lớp ứng dụng của FMS bao gồm hai lớp con là FMS và LLI (Lower Layer Interface), trong đó FMS chính là một tập con của chuẩn MMS.
Lớp FMS đảm nhận việc xử lý giao thức sử dụng và cung cấp các dịch vụ truyền thông trong khi LLI có vai trò trung gian cho FMS kết nối với lớp 2 mà không phụ thuộc vào các thiết bị riêng biệt.
Lớp LLI còn có nhiệm vụ thực hiện các chức năng bình thường thuộc các lớp 3-6, ví dụ tạo và ngắt nối, kiểm soát lưu thông.
PROFIBUS-FMS và PROFIBUS-DP sử dụng cùng một kỹ thuật truyền dẫn và phương pháp truy nhập bus, vì vậy có thể cùng hoạt động trên một đường truyền vật lý duy nhất.
Lớp vật lý của PROFIBUS quy định về kỹ thuật truyền dẫn tín hiệu, một trường truyền dẫn, cấu trúc mạng và các giao diện cơ học. Các kỹ thuật truyền dẫn được sử dụng ở đây là RS-485, RS-485-SI và cáp quang (đối với DP và FMS) cũng như MBP
(đối với PA). RS-485-IS (IS: Intrinsically Safe) được phát triển trên cơ sở RS-485 để