Chapter 2 Industrial Communications and Networking
Giới thiệ Giớ thiệu mộ một số số mô hình/chuẩ hình/chuẩn truyề truyền tin trong công nghiệ nghiệp: Chuẩn truyề truyền tin V24/V28 (RS-232C, RS Chuẩ 485 485 và và RS-4 RS-422 22), ), I2C. I2C... .. biểu: Profibus, CAN, Modbus, Các bus tiêu biể AS-I… thức: Prof ProfiB iBus us,, MODB MODBUS US và IEC IEC Các giao thứ 870-5
2.1. Khái niệ niệm về về truyề truyền tin trong môi tr ường ường công nghiệ nghiệp (TTCN): niệm: Khái niệ
• Là mạng máy tính vớ với số số nodes và phạm vi địa địa • •
lý hạ hạn chế chế, thông tin trên mạ mạng là các số đo, các tr ạng th thái và và các lệ lệnh điều khiể khiển, gắ gắn vớ với các quá quá trìn rình th thực, vớ với độ tin cậ cậy cao, khả khả năng chị chịu nhiễ nhiễu tố tốt Có khả năng kế kết nố nối vớ với các mạ mạng máy tính thông thườ thường ng để khai thác được được các đặc đặc tính ưu việ việt về về remo remote te và và data databa base se.. Topologies: Daisy chain, Ring, Bus, Star, Tree
• Giao thứ thức: (Kỹ (Kỹ thuậ thuật ghép nố nối) thườ thường ng dùng các •
giao thứ thức các tầ tầng phía thiế thiết bị bị (Transport Oriented Protocols) Bảo toàn toàn thôn thông g tin – trong trong mô mô hình hình OSI, OSI, lớ lớp 2:
Phân loạ loại lỗ lỗi: – Lỗi không phát hiệ hiện được được – Phát hiện được được như nhưng không sử sửa được được và – Phát hiện và sửa được được
Phân tích và đánh giá lỗi: Chech sum, CRC, Parity... Đánh gi giá theo: Đá
– Xác xu ất xuấ xuất hiệ hiện, – Thời gian xuấ xuất hiệ hiện, – Theo điều kiệ kiện môi tr ường, ường, – Theo tác động động củ của đối đối tượ tượng... ng...
Parity: cho từ từng byte/character packet. Tính Tính Parity Parity và XOR dọ d ọc Parity kép: cho 1 packet. theo gói tin => phát hiệ hi ện lỗ lỗi và sửa lỗ lỗi nế nếu xác suấ suất nhỏ nhỏ phần cứ cứng, vi mạ mạch CRC: phầ phần mề mềm Check sum: phầ
Các chuẩ chuẩn truyề truyền thông tin:
• TIA/EIA (Electronics/Telecommunication (Electronics/Telecommunication
Industry Industry Associati Association), on), mô hình DTE và DCE, các chuẩ chuẩn qui định định vậ vật lý củ của tín hiệ hiệu như như: Complete Interface Standards: TIA/EIA 232-F, TIA/EIA 530-A [561]... Electrical Only Standards: EIA 422, EIA 485... Signal Quality Standards…
Tín hiệ hiệu:
• Single End, RS232 • Differential, RS 422/485, MultiDrop, Hình 201
2.2. Standard Buses: 2.2.1. AS-i bus:
Actuator Sensor Interface h ợp tác phát triể triển Các (11) hãng Châu Âu hợ
Hình Hình 202. 202. Ví trí trí AS-I AS-I bu buss tron trong g hệ thống mạng CN
2.2.1.1. Khái niệ niệm mạ mạng AS-i: AS-i (Actu (Actuato ator/S r/Sens ensor or Inte Interfa rface) ce) là giao AS-i diệ diện kế kết nố nối các cả cảm biế biến và cơ cơ cấu chấ chấp hành ở tầng thấ thấp nhấ nhất (field level) trong một hệ hệ thố thống tự tự động. động. 2.2.1.2. Hoạ Hoạt động động củ của hệ hệ thố thống mạ mạng AS-i: Kiến trú trúcc và và các các thô thông ng số hoạ hoạt động động củ của Kiế mạng
• •
AS-i M ạng AS-i là mạng Single Master/ Multi Slaves: Trong mạ mạng AS-i chỉ chỉ có có một master việ vi ệc trao đổi đổi dữ dữ liệ liệu vớ với các slaves trong mạng, thông qua cơ cơ chế chế polling các slave liên tiế tiếp và chờ đợi đợi tr ả lời. Topology c ủ ủa mạng : Mạ Mạng AS-i có có thể có dạng đường đường thẳ thẳng, hoặ hoặc dạ dạng cây.
Hình 202a. C ấ ấu trúc một mạng AS-i
Hình 203. C ấ ấu trúc mạng AS-i
• Thờ i gian vòng quét : AS-i Master cần 5ms để • • •
trao đổi đổi dữ dữ liệ liệu số số với 31 nút mạ mạng - polling, analog (12 bit sensor) cầ c ần 6 vòng vòng quét quét - 30ms 30ms.. T ốc độ truy ền thông : Fixed 167Kbps Thành phần nút mạng : Mỗ Mỗi nút mạ mạng có thể là các sensor sensor/ac /actua tuator tor theo theo chuẩ chuẩn AS-i, hoặ hoặc các AS-i I/O module cho phép kế k ết nố nối nhiề nhiều nhấ nhất vớ với 4 sensor/actuator nhị nhị phân Khoảng cách mạng : Độ dài cáp truyề truyền trong mạng AS-i AS-i là khôn không g lớ lớn, khoả khoảng cách tố tối đa 300m, vớ với 2 repeater max. Lượ L ượng ng thông tin nhị nhị phân không lớ lớn.
Chế Chế độ địa địa chỉ chỉ :
• Chế Chế độ địa chỉ thông thông thườ thường ng,, 1 Mast Master er có thể thể địa chỉ • •
quả quản lý 31 slaves (4I/4O), cho phép kế k ết nố nối vớ với 124 sensors/actuators. sensors/actuators. Chế Chế độ mở r ộng (A/B), mộ một master có có thể quả quản lý 62 slaves (4I/3O), kế kết nố nối được với 186 được vớ actuator hoặ hoặc 248 sensor. M ỗi slave AS-i đượ c gán một đị a chỉ , lư lưu trong EPROM củ của slave đó. Đị ó. Địa a chỉ chỉ ccó thể được được đặt đặt do AS-i Master hoặ hoặc dùng mộ một thiế thiết bị bị đặt đặt địa địa chỉ chỉ chuyên chuyên dụ dụng (mỗ (mỗi slave chỉ chỉ ccó thể được được đặt đặt địa địa chỉ chỉ 15 15 lầ lần)
Cơ chế chế giao tiế tiếp: AS-i hoạ hoạt động động kiể kiểu Master/Slave. Trong mộ một chu kì quét bus, Master thự thực hiệ hiện trao đổi đổi dữ dữ liệ liệu vớ với mỗ m ỗi slave mộ một lầ lần. gửi message 14 bit (5 bit địa địa chỉ chỉ Sl Slav ave e và 5 bit Master gử thông tin - dữ liệ liệu output hoặ hoặc mã gọ gọi hàm), r ồi chờ chờ đợi đợi slave tr ả lời. của slave 7 bit [4 bit thông tin (dữ (d ữ liệ liệu Message tr ả lời củ đầu đầu vào hoặ hoặc kế kết quả quả thự thực hiệ hiện hàm)]. Thời gian mộ một chu chu kì bus bus phụ phụ thuộ thuộc vào số số lượng ượng Thờ slave. một số số thôn thông g báo báo khác khác.. Có Có tất Master có thể gửi kèm mộ cả 9 loạ loại messge,
– 2 lo ại để truyề truyền dữ dữ liệ liệu và tham ham số, – 2 lo ại để đặt đặt địa địa chỉ chỉ cho cho slave, – 5 lo ại để nhậ nhận dạ dạng và xác định định tr ạng thái hoạ hoạt động động củ của các slave.
Cấu trúc message từ từ Master
•
0-CB-A4-A3-A2-A1-A0-I4-I3-I2-I1-I0-P-1 Bit 0: đầu đầu Message khiển CB: Bit điều khiể A4-A0: Slave Addr
Cấu trúc message củ của slave:
•
0-S3-S2-S1-S0-P-1 Bit 0: đầu đầu Mess. Bit S3-S0: to Master
Bit 1: cuối Message P: Bit Parity I4 - I0:to Slave
Bit 1: cuối Mess. P: Bit Parity
Kỹ thuậ thuật truyề truyền:
• Kỹ thuậ thuật mã hoá chọn dả dải tầ tần số số truyề truyền, tự tự đồng đồng bộ theo cơ cơ chế chế APM (Alternate Pulse Modulation) cho phép loạ loại nhiễ nhiễu => có độ tin cậ cậy cao.
Kiể Kiểm soát lỗ lỗi:
• Tron Trong g 1 chu chu kì bit bit 6
•
s (ch (chu u kì kì bus bus 5ms 5ms), ), tín tín hi hiệu trên đường truyền được lần. đường truyề được receiver senses 16 lầ Theo phươ phương ng pháp điều chế chế APM đã nói, trong mỗi chu kì bit phải có một hoặ hoặc hai hai xun xung g và và các xung kế kế tiế tiếp phả phải đảo đảo chiề chiều. Như Như vậy chỉ chỉ ccó các tín hiệ hiệu có dạng này mớ mới được được nhậ nhận và giải mã, ngượ ngượcc lạ lại sẽ sẽ được được coi là nhiễu và sẽ bị loạ loại bỏ bỏ. Mỗi Mess. chiề chiều dài cố cố định, định, có bit đầu, đầu, bit cuố cuối và có khoảng thờ thời gian nghỉ nghỉ , => phát hiệ hiện tín hiệ hiệu sai lệch. Ngoài ra, các bit truyề truy ền còn có bit chẵn lẻ lẻ parity để phát hiệ hiện lỗ lỗi. μ
2.2.1.3. AS-i Devices
AS-i cable:
• Kiể Kiểu riêng, để kết nố nối vớ với các thiế thiết bị bị mạng, không cầ cần tách vỏ vỏ, bắ bắt vít hoặ hoặc hàn. • Truyề Truyền được cả năng lượ lượn ng và số liệ liệu trên được cả cùng mộ một cáp 2 dây. • Không truyề truyền được được trong khoả khoảng cách xa (tố (tối đa 100 mét cầ cần có 1 repe repeat ater er)) • Cũng có thể dùng bấ bất kì kì cáp cáp 2 dây dây thô thông ng thườ thườn ng có kích thước ước 2x1.5mm2 trong mạ mạng AS-i, không cầ cần vỏ vỏ chố chống nhiễ nhiễu.
Repeater/Extender
• Repeater/ Extender: Prolongation, max 100m. Max 300m with 2 repeaters
Nguồ Nguồn cung cấ cấp ở cả hai đầu đầu củ của repeater đường cáp AS-i củ của repeater đượ repeater đượcc Hai đường cách ly về về điện vớ với Extender
• Mở r ộng chiề chiều dài mạ mạng thêm được được 100m. • Chỉ Chỉ ccần nguồ nguồn cung cấ cấp ở phía không nố nối vớ với Master.
Cáp tr ực tiế tiếp: không cách ly vớ với Extender
Power Supply Unit:
Nguồn cấ cấp dc có độ ổn định, định, tin cậ cậy cao cho mọ mọi thiế thiết bị bị • Nguồ mạng AS-i chuẩ chuẩn và và các các sen senso sorr nố nối vào mạ mạng. • Normal Actuators không lấlấy nguồ nguồn từ từ AS-i cable, mà thườ thường ng được được cấ cấp nguồ nguồn riêng.
Addressing Device:
AS-i Master: Phầ Phần sau
địa chỉ chỉ vvà chẩn đoán (offline). • Là thiết bịbị gán địa đến 31 (hoặ (hoặc 1A đến đến 31A) và Ext (1B đến đến • Address: 1 đến 31B). Các thiế thiết bị bị mới xuấ xuất xưở xưởng ng có địa địa chỉ chỉ 0. 0. • Các Master hỗ hỗ tr ợ chế chế độ địa địa chỉ chỉ m mở r ộng phả phải nố nối vớ với các slav lave có có chế chế độ địa địa chỉ chỉ m mở r ộng. • Trên mộ một mạ mạng không thể thể có hai thiết bị bị có cùng địa địa chỉ chỉ .
AS-i Gateway:
• AS-i AS-i Gatewa Gatewayy (Distri (Distribut buted ed I/O) I/O) là các thi thiế ết bị bị cho phép nố nối mạ mạng AS-i vớ với các thiế thiết bị bị ở mạng khác, cũ cũng là một Master, đóng vai trò làm chủ chủ đối đối vớ với mạ mạng AS-i bên dướ dướii và là Slave của mạng trên (thườ (thườn ng là là PRO ROFI FIB BUS) US)
I/O Module đặt đặt tạ tại hiệ hiện tr ường ường
• Là các các mod modul ule e ghé ghép p nố nối vớ với các cơ cơ cấu chấ chấp •
hành và cảm biế biến nhị nhị phân, được được lắ lắp đặt đặt tr ực tiế tiếp tạ tại hiệ hiện tr ường ường Compact Module: Module kế kết nố nối vớ với các cơ cơ cấu chấ chấp hành và cảm biế biến làm việ việc trong môi tr ường ường khắ khắc nghiệ nghiệt
Moto Motorr Start Starter er và load load bran branch ch::
Thiết bị bị khở khởi động động động động cơ cơ. Mọ Mọi cơ cơ cấu • Motor Starter: Thiế
•
động động lự lực và kết nố nối mạ mạng AS-i đều đều được được tích hợ hợp chỉ chỉ trong thiế thiết bị bị này. Load Branch: Thiế Thiết bị bị khở khởi động băng tả tải, được động bă được đặc đặc tr ưng bở bởi 1 đầu đầu vào, 2 đầu đầu ra nố nối vớ với thiế thiết bị bị chấ chấp hành.
Proximity switch:
• Dùng để nhậ nhận biế biết, đếm đếm sả sản phẩ phẩm, được được dùng trong các dây chuyề chuyền sả sản xuấ xuất. Gồ Gồm:
Cảm biế biến từ từ: BERO inductive proximity switch Cảm biế biến siêu âm: Sonar-BERO ultrasonic proximity switch. Cảm biế biến từ từ và cảm biế biến siêu âm được được dùng để phát hiệ hiện vậ vật thể thể lớn vớ với khoả khoảng cách tươ tương ng đối đối xa, như như trong mộ một dây chuyề chuyền r ửa xe tự tự động... động... Cảm biế biến quang: Opto-BERO photoeletric proximity switch
Logic module LOGO:
• Là thiết bịbị slave củ của mạ mạng AS-i song xử xử lý được được các phép logic, cho phép thự th ực hiệ hiện mộ một số số quy trình tự tự động động nhỏ nhỏ, đơn đơn giả giản.
Một số số thiế thiết bị bị hỗ tr ợ như như:
• Push button and indicator light: Bộ nút bấ bấm và đèn báo • Counter module: Module đếm đếm • Ground fault detection module: Module kiể kiểm tra lỗi nố nối đất đất • Overvoltage protection module: Module bả bảo vệ vệ chố chống quá áp
Hình 204. Siemens LOGO!
2.2.1.4. AS-i Masters:
Hình 205. AS-I Master
Master:
• Thiế Thiết bị bị truyề truyền thông AS-i như như CP243-2 (cho S7
200) 200) và và CP 342 342-2 -2 (ch (cho o S7 S7 300) 300) Standard AS-i Master Master và và Extended Extended AS-i Master: Master: Standard Extended AS-i Master: 62 Slave vớ v ới chế chế độ địa địa chỉ chỉ m mở r ộng A/B, Standard AS-i Master chỉ ch ỉ h hỗ tr ợ được được 31 slave. Nối mạ mạng vớ với Extended AS-i Master phả phải là các slave có chế độ địa địa chỉ chỉ m mở r ộng, nố nối mạ mạng vớ với Standard AS-i Master phả phải là là các các St Stand andard ard Slaves.
• •
2.2.2. Profibus:
Hình 206. S ơ đồ ơ đồ mạng Profibus
2.2.2.1. Khái niệm Mạng PROFIBUS:
Mạng PROFIBUS (Process Field Bus) là mạng truyề truyền thông tạ tại hiệ hiện tr ường ường (cell and field area) theo chuẩ chuẩn EN 50170-1-2, DIN 19245, kế kết nố nối các thiế thiết bị bị vào ra phân tán (distributed I/O), các thiế thi ết bị bị truyề truyền động động (drives) vớ với các bộ bộ điều khiể khiển khả khả trình, như như PC hoặ hoặc SIMATIC S7. 2.2.2.2. Các giao th ức PROFIBUS:
DP, PA, PA, FMS FMS và FDL. FDL. • Bao gồm DP,
PROFIBUS DP (Decentralized Periphery)
• Là giao diện chuẩ chuẩn để trao đổi đổi thông tin giữ giữa
tr ạm SIMATIC S7/M7/C7 vớ với các thiế thiết bị bị hiệ hiện tr ường ường phân tán (SIMATIC ET- 200), trong đó các DP Master và Slave trao đổi đổi dữ dữ liệ liệu vào/ra ít, tốc độ cao. Khoả Khoảng cách truyề truyền lớ lớn và độ tin cậ cậy cao. DP Sla Slave: ve: là thiế hiết bị bị hiệ hiện tr ường ường tươ tương ng thích vớ với các module vào/ra được được kế kết nố nối qua giao diệ diện PROFIBUS DP (CP, IM) vớ với bộ bộ điều khiể khiển trung tâm. Đ/v Đ/v Chươ Chương ng trình điều khiể khiển trung tâm, các thiế thi ết bị phân tán được được đánh địa địa chỉ chỉ nh như ư các thiế thiết bị bị trung tâm.
• • •
PROFIBUS PA (Process Automation)
• IEC IEC 611 61158 58 - 2, kế kết nố nối các thiế thiết bị bị vận hành trong môi tr ường ường khắ khắc nghiệ nghiệt, đòi hỏ hỏi độ an toàn dữ dữ liệ liệu cao. truyền dữ dữ liệ liệu và nguồn cấ cấp trên cùng mộ một • Cho phép truyề đường đường truyề truyền duy nhấ nhất. • Topology: Star/ Line/ Tree. • Tốc độ truyề truyền: Fixed 31.25 kbps. • Mạng PROFIBUS PA được được kế kết nố nối vớ với PROFIBUS DP •
qua các bộ bộ chuyể chuyển đổi đổi DP/PA Coupler hay DP/PA Link, trong đó DP/P DP/PA A Cou Coupl pler er chỉ chỉ ho hoạ ạt động động như như protocol Converter, Kết nố nối nhiề nhiều nhấ nhất 5 cơ cơ cấu chấ chấp hành, còn DP/PA Link hoạ hoạt động động như như một slave củ của mạ mạng DP.
ProFiBus FMS (Fieldbus Message Specification):
• Là giao thức chuẩ chuẩn kiể kiểu thông điệp, lượ lượng ng thông tin lớ lớn, • Truyề Truyền giữ giữa các PLCs củ của các hãng khác nhau, trao đổi đổi giữ giữa SIMATIC S7/M7/C7 vớ với PC. • Ưu điểm: Dữ Dữ liệ liệu có cấu trúc được được truyề truyền đi ở •
một định định dạ dạng trung lậ lập, không phụ phụ thuộ thuộc thiế thiết bị bị truyề truyền (non-device specific format) và sau đó lại được được chuyể chuyển đổi đổi thành định định dạ dạng tươ tương ng ứng thiế thiết bị bị nhậ nhận (device-specific format) ở đầu đầu kia. PROFI PROFIBUS BUS FMS và PROFIB PROFIBUS US DP sử dụng cùng mộ một k ĩ ĩ thu thuậ ật truyề truyền và cùng cùng giao iao thức truy nhậ nhập bus, do đó có thể hoạ hoạt động thời. động đồng đồng thờ
PROFIBUS FDL (Fieldbus Data Link):
• Là giao thức truyề truyền thông vớ với các thiế thiết bị bị tương ương thích các hệ hệ S5 để trao đổi đổi dữ dữ liệ liệu vớ với các mạng con.
Tổ chứ chức mạ mạng: dạ dạng Master/Slave,
• Master củ của mạ mạng là các các mod modul ule e tru truyyền thông DP (như (như CP 342342-5 5 - cho cho CPU CPU S7 300) 300) • Topology: Star, Tree, Line • Tín hiệ hiệu: vi sai, RS 485 hoặ hoặc Optic • Thờ Thời gian xử xử lý mộ một vòng quét 1ms vớ v ới tố tốc độ truyề truyền là 12Mbps và 5ms với tố tốc độ truyề truyền 1.5Mbps
Hình 207. Profibus
Kết nố nối vớ với mạ mạng PROFIBUS DP qua các DP/PA Coupler hoặ hoặc DP/PA Link + Coupler (khi đó DP/PA Link ink là là slave củ của mạ mạng DP như nhưng là Master của mạng PA)
ường truyền: Môi tr ườ Cáp xoắ xoắn hai dây có bọc (tr ở kháng 150Ω 150Ω) Cáp xoắ xoắn có bọc + bả bảo vệ vệ trong (đ (đ/v PROFIBUS PA) cho môi tr ường ường khắ khắc nghiệ nghiệt, IEC 61158 Cáp quang: loạ loại tr ừ được được nhiễ nhiễu điện, tổ tổn hao năng lượ lượng ng r ất thấ thấp. Cáp quang được được chế chế tạo từ từ chấ chất liệ liệu nhự nhựa hoặ hoặc thuỷ thuỷ tinh, có thể sử dụng in/out door, khoả khoảng cách >10km Truyề Truyền không dây (InfraRed Technology): Số S ố liệ liệu được được truyề truyền thông qua Module ILM (Infrared Link Module) có có khoảng cách truyề truyền tố tối đa là 15m.
• • • •
Cơ chế truyền:
• Token Bus
Nếu mạ mạng nhiề nhiều active nodes (masters) tạ t ạo thành một mạ mạng Token Ring logic vớ v ới thứ thứ tự xác định định theo địa địa chỉ chỉ ccủa node đó. Mỗ Mỗi active node mạ mạng tự tự nhậ nhận biế biết được được các active node khác. Quyền truy nhậ nhập: “Token” là một frame đặc đặc biệ biệt Quyề được được truyề truyền lầ lần lượ lượtt giữ giữa các active node trong mạng Token Ring. nhận được được token (đượ (đượcc gắ gắn địa địa chỉ chỉ trong trong 1 node nhậ token), nó có thể gửi các các fram frame e và và chỉ chỉ đượ đượcc giữ giữ token trong 1 khoả khoảng thờ thời gian xác định định - token holding time) được được kiể kiểm soát bở bởi token timer. Khi Time Out, node mạ mạng đó chỉ chỉ đượ đượcc quyề quyền gử gửi đi mộ một thông điệp dạ dạng ưu tiên cao.
Active node giữ giữ token có kết nố nối tớ tới các passive node để trao đổi đổi dữ dữ liệ liệu vớ với slave kiể kiểu polling hoặ hoặc gửi dữ dữ liệ liệu đến đến slaves. một active node nhậ nhận token mà không có yêu Khi mộ cầu trao đổi đổi dữ dữ liệ liệu, nó chuyển token sang active node tiế tiếp theo passive e node node khôn không g có token token Các passiv Các no node có có thể được được thêm vào hay loạ loại bỏ bỏ trong Các quá trình hoạt động động
Chế độ ế độ Master – Slave
• Nếu mạ mạng có có 1 ac active no node và và nhiều passive nodes, được được gọ gọi là hệ thố thống Master/Slave. • Chế Chế độ truyề truyền Master/Slave cho phép Master đánh địa địa chỉ chỉ cho cho Slaves. • Master trao đổi đổi dữ dữ liệ liệu vớ với Slave kiể kiểu tuầ tuần tự tự, •
Master truyề truyền xuố xuống Slave thông số số cấu hình/ các lệ lệnh để trao đổi đổi dữ dữ liệ liệu, điều khiể khiển. Slave gử gửi lên cho Master tr ạng thái, dữ dữ liệ liệu thu thậ thập được được và kết quả quả thự thực hiệ hiện các lệ lệnh củ của Master.
2.2.2.3. Các dạng vật lý của ProFiBus: M ạng cáp quang:
HÌnh 208. mạng cáp quang c ủa Profibus
• Đặc Đặc điểm mạ mạng cáp quang:
Chố Chống được được nhiễ nhiễu điện - từ, Thích hợ hợp vớ với các mạ mạng có khoảng cách truyề truyền lớ lớn (khoả (khoảng cách truyề truyền > 10km) Cách ly (đ (điện) vớ với các thiế thiết bị bị hiệ hiện tr ường ường Mạng có thể có cấu trúc dạ dạng bus, star hoặ hoặc dạ dạng vòng Tốc độ truyề truyền từ từ 9.6Kbps tớ tới 12Mbps
• Các thiế thiết bị bị mạng cáp quang:
OBT (Optical Bus Terminal) được được dùng để kết nố nối các thiế thiết bị bị mạng hoặ hoặc các segment segment RS 485 không không quá quá 31 node node vào mạng cáp quang. OML (Optical Link Module) cho phép thiế thiết lậ lập cấ cấu hình mạ mạng cáp quang quang,, có có 1 giao giao diệ diện RS RS 485 485 và 1 ho hoặc 2 giao diệ diện cáp quang. Các loạ loại cáp cáp quan quang g dùng dùng cho cho OBT OBT và OLM OLM là khác khác nhau nhau,, có có thể thể là cáp cáp qua quang ng thu thuỷ tinh, cáp quang plastic, cáp PCF FOC, glass FOC
M ạng không dây: Module ILM được được sử sử dụng để kết nố nối không dây các slave riêng lẻ lẻ hoặ hoặc slave segments, cho phép điều khiể khiển và truyền thông vớ với các thiế thiết bị bị di động, động, max 1.5Mbps, 15m. Tia hồ h ồng ngoạ ngoại dùng để truyề truyền dữ dữ liệ liệu được được phát trong dả dải +/100 so vớ với tr ục thẳ thẳng.
•
Hình 209. Wireless ProFiBus network
PROFIBUS PA:
• Tốt trong môi tr ường ường CN • • •
như như bụi kim loạ loại, n/độ n/độ axit cao, áp suấ suất, tO cao... Tốc độ truyề truyền cố cố định, định, 31.25Kbps Truyề Truyền tín hiệ hiệu và nă năng lượng ượng (nguồ (nguồn cấ cấp) trên cùng mộ một cáp 2 dây Tín hiệ hiệu được được mã hoá Manchester II
Hình 210. Manchester II Code
Hình 211. Profibus PA Network
Hình 212. Quan hệ Khoảng cách cách – U/I U/I c ủa PA
thiết bị bị mạng PROFIBUS PA: • Các thiế
Nhiề Nhiều loạ loại T/b cho các ứng dụ dụng khác nhau (w/wo Ex) nhựa PVC chố chống cháy, điện áp trên cáp không Cable: nhự quá 100V. nối thiế thiết bị bị slave PA vào Split T Connector: để kết nố đường đường PROFIBUS PA chung được ghép nố nối vớ với DP/PA. Tố Tốc độ truyề truyền DP/PA Link: được thông PA: 31.25Kbps, tố tốc độ DP khi khi có có DP/P DP/PA A Lin Linkk có có thể thể lên tớ tới 12Mbps. DP/PA PA Link Link có thể thể ghép nố nối vớ với tố tối đa 5 DP/PA 1 DP/ coupler. chuyển đổi đổi format 11bit/char (Async) DP/PA coupler chuyể => 8bit/char (Sync) và đổi đổi tố tốc độ truyề truyền. cấp nguồ nguồn cho các thiế thiết bị bị hiệ hiện tr ường ường DP/PA coupler cấ và giới hạ hạn dòng tố tối đa trên mạ mạch. Môi tr ường ường nguy hiể hiểm (Ex version) dòng giớ gi ới hạ hạn là 90mA, trong môi tr ường ường bình thườ thường ng (non-Ex (non-Ex versio version) n) là là 400mA. 400mA.
Mạng tín hiệ hiệu điện:
• RS 485:
RS 485: tín hiệ hiệu áp vi sai, khoả khoảng cách >1 km trên đường đường cáp xoắ xoắn 2 dây có vỏ bọc. truyền trong mạ mạng được được chia thành các segment Cáp truyề có tr ở kháng không đổi. đổi. thiết bị bị được được nố nối vào mạ mạng (node mạ mạng) qua bus Các thiế terminal vớ với tap line hoặ hoặc bus connector (thiế (thi ết bị bị kết nối/giắ i/giắc cắ cắm) mạng trên mộ một segment. Có tối đa 32 node mạ được kế kết nố nối vớ với nhau bở bởi các repeater. Có Các đoạn được thể thể có tối đa 9 repeater trong mộ một network. ph ải được được cấ cấp nguồ nguồn tr ước ước khi Các cable terminator phả được được kích hoạ hoạt. Bus connector và bus terminal được được cấp nguồ nguồn bở bởi thiế thiết bị bị DTE gắ gắn vào nó, còn repeater, term termin inat ator or,, ILM ILM có ngu nguồn riêng.
Hình 213: S ơ đồ PROFIB IBUS US - RS 485 485 sử d ụng repeater ơ đồ PROF
Có cấu trúc mở mở, linh động với các bus terminal, bus động vớ connector, repeater cho phép dễ d ễ dàng gắ gắn các thiế thiết bị bị mạng, mở mở r ộng mạ mạng hay thay đổi đổi cấ cấu hình mạ mạng. Đường Đường truyề truyền vi sai cho phép các thiế thi ết bị bị có thể dừng hoạ hoạt động động (deact (deactiva ivated ted)) mà không không hề làm ảnh hưở hưởng ng đến đến hoạ hoạt động động củ của mạ mạng đơn giả giản, không cầ cần kiế kiến thứ thức chuyên môn sâu Lắp đơn Khoảng cách giả giảm, tố tốc độ truyề truyền tă tăng lên Khoả bị bảo vệ vệ chố chống sét khi lắ lắp đặt đặt ngoài tr ời Cần có thiết bị
Cấu hình mạ mạng: Dạ Dạng bus, cấ cấu trúc tự tự do, dùng repeater ường: Cáp xoắn 2 dây có vỏ bọc Môi tr ườn Chiều dài mạ mạng và tốc độ: 1000 1000m m - 187. 187.5 5 Kbps Kbps Chiề độ: 400m – 500 Kbps 200m 200m – 1.5 1.5 Mbp Mbpss 100m 100m – 12 Mbps bps Repeate terr max max:: 9 Số Repea một segment max: 32 Số node trong mộ trong mộ một network: 127 truyền: 9.6 kbps, 19.2, 45.45, 93.75, 187.5, 1.5 Tốc độ truyề Mbps Mbps,, 3, 3, 6 và và 12 Mbps Mbps
Mạng PROFIBUS DP Mô hình mạng
•
PROFIBUS DP: PROFIBUS DP (Distributed I/O) là giao diệ diện chuẩ chuẩn để trao đổi đổi dữ liệ liệu vào ra giữ giữa các tr ạm SIMATIC S7/M7/C7 với các thiế thiết bị bị hiệ hiện tr ường như ường phân tán như SIMATIC ET 200, trong đó các các DP DP Mas Maste terr và và DP Slave trao đổi đổi mộ một khố khối lượng ượng nhỏ nhỏ dữ liệ liệu vào/ra một cỏ cỏch tuầ tuần tự tự với tố tốc độ cao. Hình 213b. Simatic ET200
Hình 213c. M ạng Profibus DP
• Ghép nối PLC SIMATIC S7:
Chươ Chương ng trình ứng dụ dụng PLC SIMATIC S7 điều khiể khiển và kiểm soá soátt quá quá trìn trình h tru truyyền thông trên mạ mạng PROFIBUS bằ bằng các khố khối chươ chương ng trình FC (cho S7300) 300) và SFC (cho (cho S7-40 S7-400). 0). Các FC th thực hiệ hiện các chứ chức nă năng sau: – Chuyển dữ dữ liệ liệu ra từ từ vùng nhớ nhớ của PLC (process image, bit memory, data block) tớ tới các thiế thiết bị bị hiệ hiện tr ường ường – Đọc Đọc dữ dữ liệ liệu vào từ từ thiế thiết bị bị hiệ hiện tr ường ường tớ tới vùng nhớ nhớ xác định định của PLC – Thực hiệ hiện công việ việc giá giám m sát sát và chẩ chẩn đoán
• Các tr ạm làm việc trong hệ PROFIBUS DP: DP Master (class 1): thiế thi ết bị bị thự thực hiệ hiện các tác vụ vụ điều khiể khiển thiết bị bị hiệ hiện tr ường, ường, nhậ nhận lệ lệnh từ từ DP Slaves: các thiế Master và gửi dữ dữ liệ liệu về về master Maste terr (cl (clas asss 2 – tuỳ tuỳ chọ chọn): thiế thiết bị bị lập trình, DP Mas chuẩ chuẩn đoán hoặ hoặc quả quản lý
Các dạng truyền thông trong mạng DP
• Đặt c ấu hình Modular/ Compact DP Slaves
(Trao đổi đổi dữ dữ liệ liệu Slave <=> Master)
Trong cơ cơ chế chế này, DP Master polling lầ lần lượ lượtt các slave, gử gửi và nhận dữ liệ liệu vớ với slave đó. Đị ó. Địa a chỉ chỉ vào/ra vào/ra củ của các slave được được đánh tự tự động động khi Hình đặt đặt cấ cấu hình mạ mạng
ữ li ệu 214. Trao đổi d ữ DP Ma Master – Slave (a (a)
• Đặt c ấu hình v ớ ới Intelligent đổi dữ dữ liệ liệu DP Slave (Trao đổi tr ực tiế tiếp Slave <> Master)
I-Sl I-Slave ave là các các thi thiế ết bị bị có khả năng thao tác độc độc lậ lập và tự xử lý số số liệ liệu vớ với các cơ cơ cấu chấ chấp hành gắ gắn vớ với nó tr ước gửi ước khi gử số liệ liệu về về master (như (như CPU S7, Drives...). Master không tr ực tiế tiếp truy nhậ nhập các I/O module gắ gắn vớ với Islave lave,, mà chỉ chỉ truy truy nhậ nhập vào vùng địa địa chỉ chỉ ccủa CPU củ của Islave. Do đó, địa chỉ ccủa các địa chỉ I/O module do I-slave quả quản lý, được được đặt đặt trong khi khai báo cấ cấu hình mạ mạng cho DP I-slave.
Hình 215. Trao đổi d ữ ữ li ệu ISla ISlave ve – Mast Master er (b) (b)
• Trao đổi đổi dữ dữ liệ liệu
tr ực tiế tiếp Slave > Islave
Các DP Slave có thể thể trao đổi đổi dữ dữ liệ liệu tr ực tiế tiếp vớ với các Intelligent slave vớ với tố tốc độ cao mà không qua master.
Hình 216. Trao đổi d ữ ữ li ệu Slave-Islave (c)
• Trao đổi đổi dữ dữ liệ liệu qua 2 tr ạm: tr ực tiế tiếp Slave => Islave
Các intellig intelligent ent slave slave có có thể thể đọc đọc dữ dữ liệ liệu từ từ các slave vớ với tố tốc độ cao, cả cả các slave cùng hay khác master vớ với i-slave đó.
Hình 217. Direct data XCGH (d)
đổi dữ dữ liệ liệu tr ực • Trao đổi d ữ ữ li ệu gi ữ ữa 2 tr ạm Master (Trao đổi tiế tiếp Slave => Master)
Trong chế chế độ này, dữ dữ liệ liệu từ từ các slave slave hay hay i-sl i-slave ave có có thể thể được được master này hay master khác trên cùng mạ m ạng PROFIBUS DP truy nhậ nhập. Cơ chế chế này được được gọ gọi là “ chia sẻ đầu đầu vào” vì dữ liệ liệu được được sử sử dụng chéo giữ giữa các hệ hệ thố thống PROFIBUS DP.
Hình 218. Trao đổi số li ệu (e)
2.2.2.4. Hoạ Hoạt động động củ của Mạ Mạng Profibus DP Master Profibus CP Master er và DP Slav Slave e DP Mast CPU Cycle & DP Polling Cycle
2.3. MODBUS Protocol: chuẩn cho các đường đường truyề truyền mạ mạng cấ cấp Là Giao thức chuẩ thấ thấp ( cả cả RS232/485/422) do Modicon/ AEG/ Schneider Automation Thường ng dùng trong các PLC, các computerized Thườ sensor, các drives, trong các hệ h ệ SCADA, DCS… Nhiề Nhiều hãng dùng ước trao đổi đổi lệ lệnh, dữ dữ liệ liệu, diagnostics Có các qui ước Truyền thông mứ mức thấ thấp (232/485), gồ gồm standard Truyề modb modbus us và trên trên các các gia giao o thứ thức khác: TCP/IP, MAP, … Master/Slave:
• Master: Command (query message) • Slave: Response message
Hình 219 ơ đồ S ơ đồ Modbus
Hình 220. Kịch bản MODBUS
Device Address: gồ gồm 247 slaves, Đị slaves, Địa a chỉ chỉ 0 0 là Broadcast Function code s ố lượng ượng 8bit data bytes, tùy số CRC Error checking Characters: 7/8 bit data, PE or Non ASCII/ RTU modes:
• ASCII: breaking down 1 byte = 2 ASCII characters: 7, [PE/ PO], 1[2] • RTU: binary character: 8,[PE/PO], 1[2]
Hình 221. MODBUS Format of Frames
Format of packet:
• ASCII format
•
Functions: Read Reg, Fetch Eventlog, Diagnostic, Preset Reg…
RTU format:
start: 4 space chr Time out: 1,5 char time End(n)start(n+1)
Hình 222. MODBUS Packet
2.4. IEC 870-5-101 Protocol
2.4.1. Giới thiệu chung về IEC 870-5-101. Giao thứ thức IEC 870-5 do tổ tổ chứ chức IEC (International Electrotechnical Commission)Technical Committee 57 cho các l ĩ nh vự vực telecontrol, teleprotection và ĩ nh telecommunication củ của các hệ hệ thố thống nă năng lượ lượn ng. Có 5 tài liệ liệu đặc đặc tả tả về chuẩ chuẩn giao thứ thức này: IEC 870-5-1 (Transmission Frame Formats) IEC 870-5-2 (Data Link Transmission Services) IEC 870-5-3 (General Structure Of Application Data) IEC 870-5-4 (Definition And Coding Of Information Elements) IEC 870-5-5 (Basic Application Functions)
• • • • • •
Giao thứ thức IEC 870-5-101 cho các ứng dụ dụng có sử dụng các RTU điều khiể khiển xa, các định định ngh ĩ ngh ĩ a và đặc đặc tả tả của giao thứ thức này được được lự lựa chọ chọn từ từ 5 tài liệ liệu trên. truyền thông giữ giữa các thiế thiết bị bị đầu đầu Là giao thức truyề cuố cuối (RTU) và hệ thố thống trung tâm (Central Station). hướng ng từ từ thiế thiết bị bị đầu đầu cuố cuối (RTU) Thông tin theo hướ tới Central Station thườ thườn ng là các thông hông số đo RTU thu thậ thập từ từ các thiế thiết bị bị vật lí (như (như tần số số, điện áp, dòng điện, công suấ suất…) và hướng ng ngượ ngượcc lạ lại thườ thườn ng là các thông tin theo hướ lệnh điều khiể khiển hoạ hoạt động động thiế thiết bị bị vật lí.
Một số định ngh ĩ a: a: Controlling Station: Tr ạm điều khiể khiển hoạ hoạt động động toàn bộ bộ hệ thố thống. cấp dướ dướii hoặ hoặc thiế thiết Controlled Station: Các tr ạm cấ bị thu thậ thập số số liệ liệu RTU. Unbala lanc nced ed Mode Mode:: Là chế chế độ hoạ hoạt độn Unba động mà chỉ có Cont Contro rolli lling ng Sta Statition on kh khởi đầu đầu mộ một phiên truyề truyền nhậ nhận. Balanc nced ed Mode Mode:: Là Là chế chế độ hoạ hoạt độn động mà tất cả cả Bala các tr ạm đều khởi đầu một phiên truyề truyền đều có thể khở đầu mộ nhậ nhận.
2.4.2. Cấu trúc giao th ức thức đưa đưa ra mô hình phân lớ l ớp mạ mạng bao Giao thứ gồm 3 lớ lớp: Application layer Data link layer Physical layer
Application layer Data link layer
Hình 223. IEC 780 Layers
Phisical layer
Phisical Layer:
Data Terminal Equipment (DTE) of the controlling station
Data circuit Terminating Equipment (DCE)
Data circuit Terminating Equipment (DCE)
Data Terminal Equipment (DTE) of the controlled station
Serial telecontroll channel
Data circuit
Hình 224. IEC Physical Layers
Link layer: Cung cấ cấp các thủ thủ tục truyề truyền thông, sử sử dụng tr ường ường điều khiể khiển và tr ường ường địa địa chỉ chỉ . kết giữ giữa các tr ạm có thể được thực Liên kế được thự hiệ hiện theo chế chế độ truyề truyền thông unbalanced /balanced mode. sự liên kế kết giữ giữa tr ạm điều khiể khiển trung Nếu sự tâm và các tr ạm khác chia sẻ sẻ cùng mộ một đường đường truyề truyền thì chế độ hoạ hoạt động động phả phải là unbalanced mode.
Application layer
Application Service Data Units (ASDU): là cấu trúc dữ dữ liệ liệu trên từ từng ứng dụ dụng. thực chấ chất là 1 frame có chứa số số Các ASDU thự liệ liệu hay lệ lệnh điều khiể khiển.
2.4.3. Các đặc tả về truyền thông
Các đặc đặc tả tả này định định ngh ĩ ngh ĩ a cấ cấu hình mạ mạng, định định dạ dạng chuẩ chuẩn kí tự và các luật truyề truyền thông. gồm các dạ dạng sau: C ấu hình mạng: bao gồ
Point
- to – point, figures @ next page Multiple point - to - point Party line Redundant line
Hình 2.2 Các mô hình mạng củ của giao thứ thức IEC 870-5-101 Poin Pointt - to - poin pointt
Multip Multiple le point point - to - point point
Controlling Station
Controlled Station
Controlling Station
Controlled Station
Party line
Controlling Station
Controlled Station
Controlled Station
Controlled Station
Hình 225. IEC Models Controlled Station
Redundant line
Controlling Station
Controlled Station
Character format: 1 Start bit, 1 Stop bit, 1 Parity bit (even) và 8 Da Data bi bits Transmission rules: Đường Đường truyề truyền r ỗi là mức nhị nhị phân 1. khởi đầu đầu (binary = 0), 8 bit thông tin, mộ một bit Mỗi kí tự có một bit khở parity (chẵ (chẵn) và một bit stop(binary = 1). được có khoảng thờ thời gian r ỗi trên đường đường truyề truyền giữ giữa các kí Không được tự trong cùng mộ một frame. Khoảng thờ thời gian xác định lỗi giữ giữa các frame cho phép nhỏ nhỏ nhấ nhất là định lỗ Khoả 33 bit bit (3 (3 kí kí tự) liệu được được kế kết thúc bở bởi 8 bits checksum (CS). Các kí tự dữ liệ Checksum được thực hiệ hiện trên toàn bộ bộ các byte mang dữ dữ liệ liệu. được thự nhận thự thực hiệ hiện kiể kiểm tra: Phía nhậ mạng tin/char: bit start, bit stop và parity bit. Các bít không mạ Đối vớ với mỗ mỗi fra fram me: kí tự start, độ dài (2 bytes trong frame có độ dài Đối không cố cố định), định), check sum củ của frame và kí tự kết thúc
2.4.4 Định dạng frame dữ liệu
Giao thứ thức IEC 870-5-101 sử sử dụng ba định định dạng frame Frame
có độ dài thay đổi đổi cố định định Frame có độ dài cố Frame chỉ chỉ có có một kí tự
Hình 226. IEC 780-5 Frames
Frame có độ dài thay đổi: đổi: truyề truyền dữ dữ liệ liệu giữ giữa cont control rolling ling và contro controlled lled statio station. n. cố định: định: dùng cho các dị dịch Frame có độ dài cố vụ của link layer. chỉ có có một kí tự: xác nhậ nhận các hoạ hoạt Frame chỉ động động như như đồng đồng bộ bộ thờ thời gian, yêu cầ cầu dữ dữ liệ liệu...
C ấ ấu trúc d ữ ữ li ệu IEC
870-5-101 định định ngh ĩ ngh ĩ a: a: Các Application Service Data Unit (ASDU) chứ ch ứa thông tin truyề truyền thông giữ giữa các tr ạm. Các ASDU được được định định ngh ĩ ngh ĩ a là là các fra fram me dữ dữ liệ liệu có độ dài không cố cố định. định. Đị Định nh dạ dạng củ của frame: Khởi đầu frame: 1 byte START CHARACTER 2 byte FRAME LENGTH 1 byte START CHARACTER 1 byte LINK ADDRESS Kết thúc frame: 1 byte CHECKSUM 1 byte STOP CHARCTER
Hình 226. Formats of Application Service Data Unit
Mỗi ASDU bao gồ gồm hai phầ phần: DATA
UNIT IDENTIFIER:
1 byte TYPE IDENTIFICATION, 1 byte VARIABLE STRUCTURE QUALIFIER, 1 hay 2 byte CAUSE OF TRANSMISSION, 1 hay 2 byte COMMON ADDRESS OF ASDU
INFORMATION
OBJECT:
Nếu ASDU được được truyề truyền từ từ Controlled Station theo yêu cầ cầu số số liệ liệu từ từ Contro Controlli lling ng Statio Station n thì ASDU thông tin các đối đối tượ tượn ng có thể kèm theo thẻ thẻ thờ thời gian. được truyề truyền từ từ Controlling Station thì Nếu ASDU được thông tin được được chứ chứa là thời gian nế nếu là lệnh đồng đồng bộ bộ thờ thời gia gian n hay hay là tr ạng thái trong lệ lệnh điều khiể khiển...
2.4.5. Command set and Scenario
Command set: Station initialisation: Khở Khởi tạ tạo các tr ạm. th ập số số liệ liệu kiể kiểu polling Data acquisition by polling: Thu thậ Truyền dữ dữ liệ liệu có có tính tính chu chu kì. kì. Cyclic data transmission: Truyề thập sự sự kiệ kiện. Acquisition of events: Thu thậ Thủ tục để Controlling Station cậ cập nhậ nhật các General interrogation: Thủ Controlled Station, thự thực hiệ hiện sau khi khở khởi tạ tạo. đồng bộ bộ thờ thời gian. Clock synchronisation: đồng Truyền lệ lệnh điều khiể khiển. Command transmission: Truyề thập giá tr ị đếm đếm xung. Transmission of integrated totals: Thu thậ Nạp tham số số cho Controlled Station. Parameter loading: Nạ Thủ tục kiể kiểm tra sự sự kết nố nối giữ giữa các tr ạm. Test procedure: Thủ Truyền file. File transfer: Truyề định độ tr ễ đường đường truyề truyền. Acquisition of transmission delay: Xác định
A Case Study: Acquisition of events
Các sự sự ki kiệ ện xả xảy ra được được lư lưu tr ữ trong buffer củ c ủa Controlled Station cho các sự s ự ki kiệ ện xả xảy ra nhanh hơ hơn so với tố tốc độ truyề truyền thông. Khi Controlling Station hỏ h ỏi Controlled Station yêu cầ c ầu các sự sự ki kiệ ện thì có hai khả năng xảy ra: ra: không hông có sự ki kiệ ện trong buffer và có sự ki kiệ ện trong buffer củ của Controlled Station.
• Tr ường hợp kh không có có sự kiệ kiện trong buffer: Controlled Station tr ả ường hợ •
lời NACK dướ dướii dạ dạng message chỉ chỉ có có một kí tự (05H) hay hay mộ một frame có độ dài cố cố định định (fixes frame) mang thông điệp "Requested data not available". Tr ường ường hợ hợp có sự kiệ kiện trong buffer: Controlled Station tr ả lời bằ bằng một fixed frame NACK như nh ưng bit tr ạng thái = 1 báo hiệ hiệu cho Controll Controlling ing Statio Station n có có sự kiệ kiện. Controlling gử gửi message "Request user data class 1" yêu cầ cầu và và Cont Contro rolllled ed tr ả bằng mộ một ASDU chứ chứa sự kiệ kiện, ASDU ASDU này này có có thể thể chứ chứa toàn bộ bộ hoặ hoặc mộ một vài sự sự kiệ kiện củ của Controlled Station.
