›
›

Bài giảng Hệ thống máy tính công nghiệp - Chương 2: Industrial Communications and Networking

pdf 42 trang ngocly 2400
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Hệ thống máy tính công nghiệp - Chương 2: Industrial Communications and Networking", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfbai_giang_he_thong_may_tinh_cong_nghiep_chuong_2_industrial.pdf

Nội dung text: Bài giảng Hệ thống máy tính công nghiệp - Chương 2: Industrial Communications and Networking

  1. Ch2 - Industrial Communications Ch2 - Industrial Communications Chapter 2 Industrial Communications and Networking  Giới thiệu một số mô hình/chuẩn truyền tin trong công nghiệp:  Chuẩn truyền tin V24/V28 (RS-232C, RS- 485 và RS-422), I2C  Các bus tiêu biểu: Profibus, CAN, Modbus, AS-I  Các giao thức: ProfiBus, MODBUS và IEC 870-5  Ethernet 802.x Ch2 - Industrial Communications 1
  2. Ch2 - Industrial Communications Ch2 - Industrial Communications 2.1. Khái niệm về truyền tin trong môi trường công nghiệp (TTCN):  Khái niệm: • Là mạng máy tính với số nodes và phạm vi địa lý hạn chế, thông tin trên mạng là các số đo, các trạng thái và các lệnh điều khiển, gắn với các quá trình thực, với độ tin cậy cao, khả năng chịu nhiễu tốt • Có khả năng kết nối với các mạng máy tính thông thường để khai thác được các đặc tính ưu việt về remote và database. • Topologies: Daisy chain, Ring, Bus, Star, Tree • Giao thức: (Kỹ thuật ghép nối) thường dùng các giao thức các tầng phía thiết bị (Transport Oriented Protocols) • Bảo toàn thông tin – trong mô hình OSI, lớp 2: . Phân loại lỗi: – Lỗi không phát hiện được – Phát hiện được nhưng không sửa được và – Phát hiện và sửa được . Phân tích và đánh giá lỗi: Chech sum, CRC, Parity . Đánh giá theo: – Xác xuất xuất hiện, – Thời gian xuất hiện, – Theo điều kiện môi trường, – Theo tác động của đối tượng Ch2 - Industrial Communications 2
  3. Ch2 - Industrial Communications Ch2 - Industrial Communications . Parity: cho từng byte/character . Parity kép: cho 1 packet. Tính Parity và XOR dọc theo gói tin => phát hiện lỗi và sửa lỗi nếu xác suất nhỏ . CRC: phần cứng, vi mạch . Check sum: phần mềm  Các chuẩn truyền thông tin: • TIA/EIA (Electronics/Telecommunication Industry Association), mô hình DTE và DCE, các chuẩn qui định vật lý của tín hiệu như: . Complete Interface Standards: TIA/EIA 232-F, TIA/EIA 530-A [561] . Electrical Only Standards: EIA 422, EIA 485 . Signal Quality Standards  Tín hiệu: • Single End, RS232 • Differential, RS 422/485, MultiDrop, Hình 201 Ch2 - Industrial Communications 3
  4. Ch2 - Industrial Communications Ch2 - Industrial Communications 2.2. Standard Buses: 2.2.1. AS-i bus:  Actuator Sensor Interface  Các (11) hãng Châu Âu hợp tác phát triển Hình 202. Ví trí AS-i bus trong hệ thống mạng CN Ch2 - Industrial Communications 4
  5. Ch2 - Industrial Communications Ch2 - Industrial Communications 2.2.1.1. Khái niệm mạng AS-i:  AS-i (Actuator/Sensor Interface) là giao diện kết nối các cảm biến và cơ cấu chấp hành ở tầng thấp nhất (field level) trong một hệ thống tự động. 2.2.1.2. Hoạt động của hệ thống mạng AS-i:  Kiến trúc và các thông số hoạt động của mạng • AS-i Mạng AS-i là mạng Single Master/ Multi Slaves: Trong mạng AS-i chỉ có một master việc trao đổi dữ liệu với các slaves trong mạng, thông qua cơ chế polling các slave liên tiếp và chờ đợi trả lời. • Topology của mạng: Mạng AS-i có thể có dạng đường thẳng, hoặc dạng cây. Hình 202a. Cấu trúc một mạng AS-i Ch2 - Industrial Communications 5
  6. Ch2 - Industrial Communications Ch2 - Industrial Communications Hình 203. Cấu trúc mạng AS-i • Thời gian vòng quét: AS-i Master cần 5ms để trao đổi dữ liệu số với 31 nút mạng - polling, analog (12 bit sensor) cần 6 vòng quét - 30ms. • Tốc độ truyền thông: Fixed 167Kbps • Thành phần nút mạng: Mỗi nút mạng có thể là các sensor/actuator theo chuẩn AS-i, hoặc các AS-i I/O module cho phép kết nối nhiều nhất với 4 sensor/actuator nhị phân • Khoảng cách mạng: Độ dài cáp truyền trong mạng AS-i là không lớn, khoảng cách tối đa 300m, với 2 repeaters max. Lượng thông tin nhị phân không lớn. Ch2 - Industrial Communications 6
  7. Ch2 - Industrial Communications Ch2 - Industrial Communications  Chế độ địa chỉ: • Chế độ địa chỉ thông thường, 1 Master có thể quản lý 31 slaves (4I/4O), cho phép kết nối với 124 sensors/actuators. • Chế độ mở rộng (A/B), một master có thể quản lý 62 slaves (4I/3O), kết nối được với 186 actuator hoặc 248 sensor. • Mỗi slave AS-i được gán một địa chỉ, lưu trong EPROM của slave đó. Địa chỉ có thể được đặt do AS-i Master hoặc dùng một thiết bị đặt địa chỉ chuyên dụng (mỗi slave chỉ có thể được đặt địa chỉ 15 lần)  Cơ chế giao tiếp: . AS-i hoạt động kiểu Master/Slave. Trong một chu kì quét bus, Master thực hiện trao đổi dữ liệu với mỗi slave một lần. . Master gửi message 14 bit (5 bit địa chỉ Slave và 5 bit thông tin - dữ liệu output hoặc mã gọi hàm), rồi chờ đợi slave trả lời. . Message trả lời của slave 7 bit [4 bit thông tin (dữ liệu đầu vào hoặc kết quả thực hiện hàm)]. . Thời gian một chu kì bus phụ thuộc vào số lượng slave. . Master có thể gửi kèm một số thông báo khác. Có tất cả 9 loại messge, – 2 loại để truyền dữ liệu và tham số, – 2 loại để đặt địa chỉ cho slave, – 5 loại để nhận dạng và xác định trạng thái hoạt động của các slave. Ch2 - Industrial Communications 7
  8. Ch2 - Industrial Communications Ch2 - Industrial Communications  Cấu trúc message từ Master • 0-CB-A4-A3-A2-A1-A0-I4-I3-I2-I1-I0-P-1 . Bit 0: đầu Message Bit 1: cuối Message . CB: Bit điều khiển P: Bit Parity . A4-A0: Slave Addr I4 - I0:to Slave  Cấu trúc message của slave: • 0-S3-S2-S1-S0-P-1 . Bit 0: đầu Mess. Bit 1: cuối Mess. . Bit S3-S0: to Master P: Bit Parity  Kỹ thuật truyền: • Kỹ thuật mã hoá chọn dải tần số truyền, tự đồng bộ theo cơ chế APM (Alternate Pulse Modula- tion) cho phép loại nhiễu => có độ tin cậy cao.  Kiểm soát lỗi: • Trong 1 chu kì bit 6s (chu kì bus 5ms), tín hiệu trên đường truyền được receiver senses 16 lần. Theo phương pháp điều chế APM đã nói, trong mỗi chu kì bit phải có một hoặc hai xung và các xung kế tiếp phải đảo chiều. Như vậy chỉ có các tín hiệu có dạng này mới được nhận và giải mã, ngược lại sẽ được coi là nhiễu và sẽ bị loại bỏ. • Mỗi Mess. chiều dài cố định, có bit đầu, bit cuối và có khoảng thời gian nghỉ, => phát hiện tín hiệu sai lệch. Ngoài ra, các bit truyền còn có bit chẵn lẻ parity để phát hiện lỗi. Ch2 - Industrial Communications 8
  9. Ch2 - Industrial Communications Ch2 - Industrial Communications 2.2.1.3. AS-i Devices  AS-i cable: • Kiểu riêng, để kết nối với các thiết bị mạng, không cần tách vỏ, bắt vít hoặc hàn. • Truyền được cả năng lượng và số liệu trên cùng một cáp 2 dây. • Không truyền được trong khoảng cách xa (tối đa 100 mét cần có 1 repeater) • Cũng có thể dùng bất kì cáp 2 dây thông thường có kích thước 2x1.5mm2 trong mạng AS-i, không cần vỏ chống nhiễu.  Repeater/Extender • Repeater/ Extender: Prolongation, max 100m. Max 300m with 2 repeaters  Nguồn cung cấp ở cả hai đầu của repeater  Hai đường cáp AS-i của repeater được cách ly về điện với Extender • Mở rộng chiều dài mạng thêm được 100m. • Chỉ cần nguồn cung cấp ở phía không nối với Master.  Cáp trực tiếp: không cách ly với Extender Ch2 - Industrial Communications 9
  10. Ch2 - Industrial Communications Ch2 - Industrial Communications  Power Supply Unit: • Nguồn cấp dc có độ ổn định, tin cậy cao cho mọi thiết bị mạng AS-i chuẩn và các sensor nối vào mạng. • Normal Actuators không lấy nguồn từ AS-i cable, mà thường được cấp nguồn riêng.  Addressing Device: • Là thiết bị gán địa chỉ và chẩn đoán (offline). • Address: 1 đến 31 (hoặc 1A đến 31A) và Ext (1B đến 31B). Các thiết bị mới xuất xưởng có địa chỉ 0. • Các Master hỗ trợ chế độ địa chỉ mở rộng phải nối với các slave có chế độ địa chỉ mở rộng. • Trên một mạng không thể có hai thiết bị có cùng địa chỉ.  AS-i Master: Phần sau  AS-i Gateway: • AS-i Gateway (Distributed I/O) là các thiết bị cho phép nối mạng AS-i với các thiết bị ở mạng khác, cũng là một Master, đóng vai trò làm chủ đối với mạng AS-i bên dưới và là Slave của mạng trên (thường là PROFIBUS)  I/O Module đặt tại hiện trường • Là các module ghép nối với các cơ cấu chấp hành và cảm biến nhị phân, được lắp đặt trực tiếp tại hiện trường • Compact Module: Module kết nối với các cơ cấu chấp hành và cảm biến làm việc trong môi trường khắc nghiệt Ch2 - Industrial Communications 10
  11. Ch2 - Industrial Communications Ch2 - Industrial Communications  Motor Starter và load branch: • Motor Starter: Thiết bị khởi động động cơ. Mọi cơ cấu động lực và kết nối mạng AS-i đều được tích hợp chỉ trong thiết bị này. • Load Branch: Thiết bị khởi động băng tải, được đặc trưng bởi 1 đầu vào, 2 đầu ra nối với thiết bị chấp hành.  Proximity switch: • Dùng để nhận biết, đếm sản phẩm, được dùng trong các dây chuyền sản xuất. Gồm: . Cảm biến từ: BERO inductive proximity switch . Cảm biến siêu âm: Sonar-BERO ultrasonic proximity switch. Cảm biến từ và cảm biến siêu âm được dùng để phát hiện vật thể lớn với khoảng cách tương đối xa, như trong một dây chuyền rửa xe tự động . Cảm biến quang: Opto-BERO photoeletric proximity switch  Logic module LOGO: • Là thiết bị slave của mạng AS-i song xử lý được các phép logic, cho phép thực hiện một số quy trình tự động nhỏ, đơn giản.  Một số thiết bị hỗ trợ như: • Push button and indicator light: Bộ nút bấm và đèn báo • Counter module: Module đếm • Ground fault detection module: Module kiểm tra lỗi nối đất • Overvoltage protection module: Module bảo vệ chống quá áp Ch2 - Industrial Communications 11
  12. Ch2 - Industrial Communications Ch2 - Industrial Communications Hình 204. Siemens LOGO! 2.2.1.4. AS-i Masters: Hình 205. AS-I Master Ch2 - Industrial Communications 12
  13. Ch2 - Industrial Communications Ch2 - Industrial Communications  Master: • Thiết bị truyền thông AS-i như CP243-2 (cho S7 200) và CP 342-2 (cho S7 300)  Standard AS-i Master và Extended AS-i Master: • Extended AS-i Master: 62 Slave với chế độ địa chỉ mở rộng A/B, Standard AS-i Master chỉ hỗ trợ được 31 slave. • Nối mạng với Extended AS-i Master phải là các slave có chế độ địa chỉ mở rộng, nối mạng với Standard AS-i Master phải là các Standard Slaves. 2.2.2. Profibus: Hình 206. Sơ đồ mạng Profibus Ch2 - Industrial Communications 13
  14. Ch2 - Industrial Communications Ch2 - Industrial Communications 2.2.2.1. Khái niệm Mạng PROFIBUS:  Mạng PROFIBUS (Process Field Bus) là mạng truyền thông tại hiện trường (cell and field area) theo chuẩn EN 50170-1-2, DIN 19245, kết nối các thiết bị vào ra phân tán (distributed I/O), các thiết bị truyền động (drives) với các bộ điều khiển khả trình, như PC hoặc SIMATIC S7. 2.2.2.2. Các giao thức PROFIBUS: • Bao gồm DP, PA, FMS và FDL.  PROFIBUS DP (Decentralized Periphery) • Là giao diện chuẩn để trao đổi thông tin giữa trạm SIMATIC S7/M7/C7 với các thiết bị hiện trường phân tán (SIMATIC ET- 200), trong đó các DP Master và Slave trao đổi dữ liệu vào/ra ít, tốc độ cao. • Khoảng cách truyền lớn và độ tin cậy cao. • DP Slave: là thiết bị hiện trường tương thích với các module vào/ra được kết nối qua giao diện PROFIBUS DP (CP, IM) với bộ điều khiển trung tâm. • Đ/v Chương trình điều khiển trung tâm, các thiết bị phân tán được đánh địa chỉ như các thiết bị trung tâm. Ch2 - Industrial Communications 14
  15. Ch2 - Industrial Communications Ch2 - Industrial Communications  PROFIBUS PA (Process Automation) • IEC 61158 - 2, kết nối các thiết bị vận hành trong môi trường khắc nghiệt, đòi hỏi độ an toàn dữ liệu cao. • Cho phép truyền dữ liệu và nguồn cấp trên cùng một đường truyền duy nhất. • Topology: Star/ Line/ Tree. • Tốc độ truyền: Fixed 31.25 kbps. • Mạng PROFIBUS PA được kết nối với PROFIBUS DP qua các bộ chuyển đổi DP/PA Coupler hay DP/PA Link, trong đó DP/PA Coupler chỉ hoạt động như protocol Converter, • Kết nối nhiều nhất 5 cơ cấu chấp hành, còn DP/PA Link hoạt động như một slave của mạng DP.  ProFiBus FMS (Fieldbus Message Specification): • Là giao thức chuẩn kiểu thông điệp, lượng thông tin lớn, • Truyền giữa các PLCs của các hãng khác nhau, trao đổi giữa SIMATIC S7/M7/C7 với PC. • Ưu điểm: Dữ liệu có cấu trúc được truyền đi ở một định dạng trung lập, không phụ thuộc thiết bị truyền (non-device specific format) và sau đó lại được chuyển đổi thành định dạng tương ứng thiết bị nhận (device-specific format) ở đầu kia. • PROFIBUS FMS và PROFIBUS DP sử dụng cùng một kĩ thuật truyền và cùng giao thức truy nhập bus, do đó có thể hoạt động đồng thời. Ch2 - Industrial Communications 15
  16. Ch2 - Industrial Communications Ch2 - Industrial Communications  PROFIBUS FDL (Fieldbus Data Link): • Là giao thức truyền thông với các thiết bị tương thích các hệ S5 để trao đổi dữ liệu với các mạng con.  Tổ chức mạng: dạng Master/Slave, • Master của mạng là các module truyền thông DP (như CP 342-5 - cho CPU S7 300) • Topology: Star, Tree, Line • Tín hiệu: vi sai, RS 485 hoặc Optic • Thời gian xử lý một vòng quét 1ms với tốc độ truyền là 12Mbps và 5ms với tốc độ truyền 1.5Mbps Ch2 - Industrial Communications 16
  17. Ch2 - Industrial Communications Ch2 - Industrial Communications Hình 207. Profibus  Kết nối với mạng PROFIBUS DP qua các DP/PA Coupler hoặc DP/PA Link + Coupler (khi đó DP/PA Link là slave của mạng DP nhưng là Master của mạng PA) Ch2 - Industrial Communications 17
  18. Ch2 - Industrial Communications Ch2 - Industrial Communications  Môi trường truyền: • Cáp xoắn hai dây có bọc (trở kháng 150Ω) • Cáp xoắn có bọc + bảo vệ trong (đ/v PROFIBUS PA) cho môi trường khắc nghiệt, IEC 61158 • Cáp quang: loại trừ được nhiễu điện, tổn hao năng lượng rất thấp. Cáp quang được chế tạo từ chất liệu nhựa hoặc thuỷ tinh, có thể sử dụng in/out door, khoảng cách >10km • Truyền không dây (InfraRed Technology): Số liệu được truyền thông qua Module ILM (Infrared Link Module) có khoảng cách truyền tối đa là 15m.  Cơ chế truyền: • Token Bus . Nếu mạng nhiều active nodes (masters) tạo thành một mạng Token Ring logic với thứ tự xác định theo địa chỉ của node đó. Mỗi active node mạng tự nhận biết được các active node khác. . Quyền truy nhập: “Token” là một frame đặc biệt được truyền lần lượt giữa các active node trong mạng Token Ring. . 1 node nhận được token (được gắn địa chỉ trong token), nó có thể gửi các frame và chỉ được giữ token trong 1 khoảng thời gian xác định - token holding time) được kiểm soát bởi token timer. Khi Time Out, node mạng đó chỉ được quyền gửi đi một thông điệp dạng ưu tiên cao. Ch2 - Industrial Communications 18
  19. Ch2 - Industrial Communications Ch2 - Industrial Communications . Active node giữ token có kết nối tới các passive node để trao đổi dữ liệu với slave kiểu polling hoặc gửi dữ liệu đến slaves. . Khi một active node nhận token mà không có yêu cầu trao đổi dữ liệu, nó chuyển token sang active node tiếp theo . Các passive node không có token . Các node có thể được thêm vào hay loại bỏ trong quá trình hoạt động  Chế độ Master – Slave • Nếu mạng có 1 active node và nhiều passive nodes, được gọi là hệ thống Master/Slave. • Chế độ truyền Master/Slave cho phép Master đánh địa chỉ cho Slaves. • Master trao đổi dữ liệu với Slave kiểu tuần tự, Master truyền xuống Slave thông số cấu hình/ các lệnh để trao đổi dữ liệu, điều khiển. • Slave gửi lên cho Master trạng thái, dữ liệu thu thập được và kết quả thực hiện các lệnh của Master. Ch2 - Industrial Communications 19
  20. Ch2 - Industrial Communications Ch2 - Industrial Communications 2.2.2.3. Các dạng vật lý của ProFiBus:  Mạng cáp quang: HÌnh 208. mạng cáp quang của Profibus • Đặc điểm mạng cáp quang: . Chống được nhiễu điện - từ, . Thích hợp với các mạng có khoảng cách truyền lớn (khoảng cách truyền > 10km) . Cách ly (điện) với các thiết bị hiện trường . Mạng có thể có cấu trúc dạng bus, star hoặc dạng vòng . Tốc độ truyền từ 9.6Kbps tới 12Mbps • Các thiết bị mạng cáp quang: . OBT (Optical Bus Terminal) được dùng để kết nối các thiết bị mạng hoặc các segment RS 485 không quá 31 node vào mạng cáp quang. . OML (Optical Link Module) cho phép thiết lập cấu hình mạng cáp quang, có 1 giao diện RS485 và 1 hoặc 2 giao diện cáp quang. . Các loại cáp quang dùng cho OBT và OLM là khác nhau, có thể là cáp quang thuỷ tinh, cáp quang plastic, cáp PCF FOC, glass FOC Ch2 - Industrial Communications 20
  21. Ch2 - Industrial Communications Ch2 - Industrial Communications  Mạng không dây: • Module ILM được sử dụng để kết nối không dây các slave riêng lẻ hoặc slave segments, cho phép điều khiển và truyền thông với các thiết bị di động, max 1.5Mbps, 15m. Tia hồng ngoại dùng để truyền dữ liệu được phát trong dải +/- 100 so với trục thẳng. Hình 209. Wireless ProFiBus network Ch2 - Industrial Communications 21
  22. Ch2 - Industrial Communications Ch2 - Industrial Communications  PROFIBUS PA: • Tốt trong môi trường CN như bụi kim loại, n/độ axit cao, áp suất, tO cao • Tốc độ truyền cố định, 31.25Kbps • Truyền tín hiệu và năng lượng (nguồn cấp) trên cùng một cáp 2 dây • Tín hiệu được mã hoá Manchester II Hình 210. Manchester II Code Hình 211. Profibus PA Network Ch2 - Industrial Communications 22
  23. Ch2 - Industrial Communications Ch2 - Industrial Communications Hình 212. Quan hệ Khoảng cách – U/I của PA • Các thiết bị mạng PROFIBUS PA: . Nhiều loại T/b cho các ứng dụng khác nhau (w/wo Ex) . Cable: nhựa PVC chống cháy, điện áp trên cáp không quá 100V. . Split T Connector: để kết nối thiết bị slave PA vào đường PROFIBUS PA chung . DP/PA Link: được ghép nối với DP/PA. Tốc độ truyền thông PA: 31.25Kbps, tốc độ DP khi có DP/PA Link có thể lên tới 12Mbps. . 1 DP/PA Link có thể ghép nối với tối đa 5 DP/PA coupler. . DP/PA coupler chuyển đổi format 11bit/char (Async) => 8bit/char (Sync) và đổi tốc độ truyền. . DP/PA coupler cấp nguồn cho các thiết bị hiện trường và giới hạn dòng tối đa trên mạch. Môi trường nguy hiểm (Ex version) dòng giới hạn là 90mA, trong môi trường bình thường (non-Ex version) là 400mA. Ch2 - Industrial Communications 23
  24. Ch2 - Industrial Communications Ch2 - Industrial Communications  Mạng tín hiệu điện: • RS 485: . RS 485: tín hiệu áp vi sai, khoảng cách >1 km trên đường cáp xoắn 2 dây có vỏ bọc. . Cáp truyền trong mạng được chia thành các segment có trở kháng không đổi. . Các thiết bị được nối vào mạng (node mạng) qua bus terminal với tap line hoặc bus connector (thiết bị kết nối/giắc cắm) . Có tối đa 32 node mạng trên một segment. . Các đoạn được kết nối với nhau bởi các repeater. Có thể có tối đa 9 repeater trong một network. . Các cable terminator phải được cấp nguồn trước khi được kích hoạt. Bus connector và bus terminal được cấp nguồn bởi thiết bị DTE gắn vào nó, còn repeater, terminator, ILM có nguồn riêng. Hình 213: Sơ đồ PROFIBUS - RS 485 sử dụng repeater Ch2 - Industrial Communications 24
  25. Ch2 - Industrial Communications Ch2 - Industrial Communications . Có cấu trúc mở, linh động với các bus terminal, bus connector, repeater cho phép dễ dàng gắn các thiết bị mạng, mở rộng mạng hay thay đổi cấu hình mạng. . Đường truyền vi sai cho phép các thiết bị có thể dừng hoạt động (deactivated) mà không hề làm ảnh hưởng đến hoạt động của mạng . Lắp đơn giản, không cần kiến thức chuyên môn sâu . Khoảng cách giảm, tốc độ truyền tăng lên . Cần có thiết bị bảo vệ chống sét khi lắp đặt ngoài trời . Cấu hình mạng: Dạng bus, cấu trúc tự do, dùng repeater . Môi trường: Cáp xoắn 2 dây có vỏ bọc . Chiều dài mạng và tốc độ: 1000m - 187.5 Kbps 400m – 500 Kbps 200m – 1.5 Mbps 100m – 12 Mbps . Số Repeater max: 9 . Số node trong một segment max: 32 trong một network: 127 . Tốc độ truyền: 9.6 kbps, 19.2, 45.45, 93.75, 187.5, 1.5 Mbps, 3, 6 và 12 Mbps Ch2 - Industrial Communications 25
  26. Ch2 - Industrial Communications Ch2 - Industrial Communications  Mạng PROFIBUS DP • Mô hình mạng PROFIBUS DP: . PROFIBUS DP (Distributed I/O) là giao diện chuẩn để trao đổi dữ liệu vào ra giữa các trạm SIMATIC S7/M7/C7 với các thiết bị hiện trường phân tán như SIMATIC ET 200, trong đó các DP Master và DP Slave trao đổi một khối lượng nhỏ dữ liệu vào/ra một cỏch tuần tự với tốc độ cao. Hình 213b. Simatic ET200 Hình 213c. Mạng Profibus DP Ch2 - Industrial Communications 26
  27. Ch2 - Industrial Communications Ch2 - Industrial Communications • Ghép nối PLC SIMATIC S7: . Chương trình ứng dụng PLC SIMATIC S7 điều khiển và kiểm soát quá trình truyền thông trên mạng PROFIBUS bằng các khối chương trình FC (cho S7- 300) và SFC (cho S7-400). Các FC thực hiện các chức năng sau: – Chuyển dữ liệu ra từ vùng nhớ của PLC (process image, bit memory, data block) tới các thiết bị hiện trường – Đọc dữ liệu vào từ thiết bị hiện trường tới vùng nhớ xác định của PLC – Thực hiện công việc giám sát và chẩn đoán • Các trạm làm việc trong hệ PROFIBUS DP: . DP Master (class 1): thiết bị thực hiện các tác vụ điều khiển . DP Slaves: các thiết bị hiện trường, nhận lệnh từ Master và gửi dữ liệu về master . DP Master (class 2 – tuỳ chọn): thiết bị lập trình, chuẩn đoán hoặc quản lý Ch2 - Industrial Communications 27
  28. Ch2 - Industrial Communications Ch2 - Industrial Communications Các dạng truyền thông trong mạng DP • Đặt cấu hình Modular/ Compact DP Slaves (Trao đổi dữ liệu Slave Master) . Trong cơ chế này, DP Master polling lần lượt các slave, gửi và nhận dữ liệu với slave đó. Địa chỉ vào/ra của các slave được đánh tự động khi Hình 214. Trao đổi dữ liệu đặt cấu hình mạng DP Master – Slave (a) • Đặt cấu hình với Intelligent DP Slave (Trao đổi dữ liệu trực tiếp Slave <> Master) . I-Slave là các thiết bị có khả năng thao tác độc lập và tự xử lý số liệu với các cơ cấu chấp hành gắn với nó trước khi gửi số liệu về master (như CPU S7, Drives ). . Master không trực tiếp truy nhập các I/O module gắn với I- slave, mà chỉ truy nhập vào vùng địa chỉ của CPU của I- slave. Do đó, địa chỉ của các I/O module do I-slave quản lý, được đặt trong khi khai báo cấu Hình 215. Trao đổi dữ hình mạng cho DP I-slave. liệu ISlave – Master (b) Ch2 - Industrial Communications 28
  29. Ch2 - Industrial Communications Ch2 - Industrial Communications • Trao đổi dữ liệu trực tiếp Slave > Islave . Các DP Slave có thể trao đổi dữ liệu trực tiếp với các Intelligent slave với tốc độ cao mà không qua master. Hình 216. Trao đổi dữ liệu Slave-Islave (c) • Trao đổi dữ liệu qua 2 trạm: trực tiếp Slave => Islave . Các intelligent slave có thể đọc dữ liệu từ các slave với tốc độ cao, cả các slave cùng hay khác master với i-slave đó. Hình 217. Direct data XCGH (d) Ch2 - Industrial Communications 29
  30. Ch2 - Industrial Communications Ch2 - Industrial Communications • Trao đổi dữ liệu giữa 2 trạm Master (Trao đổi dữ liệu trực tiếp Slave => Master) . Trong chế độ này, dữ liệu từ các slave hay i-slave có thể được master này hay master khác trên cùng mạng PROFIBUS DP truy nhập. . Cơ chế này được gọi là “ chia sẻ đầu vào” vì dữ liệu được sử dụng chéo giữa các hệ thống PROFIBUS DP. Hình 218. Trao đổi số liệu (e) 2.2.2.4. Hoạt động của Mạng Profibus  DP Master  Profibus CP  DP Master và DP Slave  CPU Cycle & DP Polling Cycle Ch2 - Industrial Communications 30
  31. Ch2 - Industrial Communications Ch2 - Industrial Communications 2.3. MODBUS Protocol:  Là Giao thức chuẩn cho các đường truyền mạng cấp thấp ( cả RS232/485/422) do Modicon/AEG/ Schneider Automation  Thường dùng trong các PLC, các computerized sensor, các drives, trong các hệ SCADA, DCS Nhiều hãng dùng  Có các qui ước trao đổi lệnh, dữ liệu, diagnostics  Truyền thông mức thấp (232/485), gồm standard modbus và trên các giao thức khác: TCP/IP, MAP,  Master/Slave: • Master: Command (query message) • Slave: Response message Hình 219 Sơ đồ Modbus Ch2 - Industrial Communications 31
  32. Ch2 - Industrial Communications Ch2 - Industrial Communications Hình 220. Kịch bản MODBUS  Device Address: gồm 247 slaves, Địa chỉ 0 là Broadcast  Function code: câu lệnh  8bit data bytes, tùy số lượng  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] Ch2 - Industrial Communications 32
  33. Ch2 - Industrial Communications Ch2 - Industrial Communications Hình 221. MODBUS Format of Frames  Format of packet: Hình 222. MODBUS Packet • ASCII format . Functions: Read Reg, Fetch Event- log, Diagnostic, Preset Reg • RTU format: . start: 4 space chr . Time out: 1,5 char time . End(n)start(n+1) Ch2 - Industrial Communications 33
  34. Ch2 - Industrial Communications Ch2 - Industrial Communications 2.4. IEC 60-870-5-101 Protocol  2.4.1. Giới thiệu chung về IEC 870-5-101. • Giao thức IEC 870-5 do tổ chức IEC (International Electrotechnical Commission)Technical Committee 57 cho các lĩnh vực telecontrol, teleprotection và telecommunication của các hệ thống năng lượng. Có 5 tài liệu đặc tả về chuẩn giao 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 thức IEC 870-5-101 cho các ứng dụng có sử dụng các RTU điều khiển xa, các định nghĩa và đặc tả của giao thức này được lựa chọn từ 5 tài liệu trên.  Là giao thức truyền thông giữa các thiết bị đầu cuối (RTU) và hệ thống trung tâm (Central Station).  Thông tin theo hướng từ thiết bị đầu cuối (RTU) tới Central Station thường là các thông số đo RTU thu thập từ các thiết bị vật lí (như tần số, điện áp, dòng điện, công suất ) và  thông tin theo hướng ngược lại thường là các lệnh điều khiển hoạt động thiết bị vật lí. Ch2 - Industrial Communications 34
  35. Ch2 - Industrial Communications Ch2 - Industrial Communications  Một số định nghĩa: Controlling Station: Trạm điều khiển hoạt động toàn bộ hệ thống. Controlled Station: Các trạm cấp dưới hoặc thiết bị thu thập số liệu RTU. Unbalanced Mode: Là chế độ hoạt động mà chỉ có Controlling Station khởi đầu một phiên truyền nhận. Balanced Mode: Là chế độ hoạt động mà tất cả các trạm đều có thể khởi đầu một phiên truyền nhận.  2.4.2. Cấu trúc giao thức Giao thức đưa ra mô hình phân lớp mạng bao gồm 3 lớp: . Application layer . Data link layer . Physical layer Application layer Data link layer Hình 223. IEC 780 Physical layer Layers Ch2 - Industrial Communications 35
  36. Ch2 - Industrial Communications Ch2 - Industrial Communications Physical Layer: Data Terminal Data circuit Data circuit Data Terminal Equipment Terminating Terminating Equipment (DTE) Equipment Equipment (DTE) of the controlling (DCE) (DCE) of the controlled station station Serial telecontroll channel Data circuit Hình 224. IEC Physical Layers Link layer:  Cung cấp các thủ tục truyền thông, sử dụng trường điều khiển và trường địa chỉ.  Liên kết giữa các trạm có thể được thực hiện theo chế độ truyền thông unbalanced /balanced mode.  Nếu sự liên kết giữa trạm điều khiển trung tâm và các trạm khác chia sẻ cùng một đường truyền thì chế độ hoạt động phải là unbalanced mode. Ch2 - Industrial Communications 36
  37. Ch2 - Industrial Communications Ch2 - Industrial Communications Application layer: Application Service Data Units (ASDU): là cấu trúc dữ liệu trên từng ứng dụng.  Các ASDU thực chất là 1 frame có chứa số liệu hay lệnh điều khiển. 2.4.3. Các đặc tả về truyền thông  Các đặc tả này định nghĩa cấu hình mạng, định dạng chuẩn kí tự và các luật truyền thông.  Cấu hình mạng: bao gồm các dạng sau: Point - to – point, figures @ next page Multiple point - to - point Party line Redundant line Ch2 - Industrial Communications 37
  38. Ch2 - Industrial Communications Ch2 - Industrial Communications Hình 2.2 Các mô hình mạng của giao thức IEC 870-5-101 Point - to - point Multiple point - to - point Party line Redundant line Controlling Controlling Controlling Controlling Station Station Station Station Controlled Controlled Controlled Controlled Controlled Station Station Station Station Station Controlled Station Hình 225. IEC Models Controlled Station  Character format: 1 Start bit, 1 Stop bit, 1 Parity bit (even) và 8 Data bits  Transmission rules:  Đường truyền rỗi là mức nhị phân 1.  Mỗi kí tự có một bit khởi đầu (binary = 0), 8 bit thông tin, một bit parity (chẵn) và một bit stop(binary = 1).  Không được có khoảng thời gian trống trên đường truyền giữa các kí tự trong cùng một frame.  Khoảng thời gian xác định lỗi giữa các frame cho phép nhỏ nhất là 33 bit (3 kí tự)  Các kí tự dữ liệu được kết thúc bởi 8 bits checksum (CS). Checksum được thực hiện trên toàn bộ các byte mang dữ liệu.  Phía nhận thực hiện kiểm tra:  Các bít không mạng tin/char: bit start, bit stop và parity bit.  Đối với mỗi frame: kí tự start, độ dài (2 bytes trong frame có độ dài không cố định), check sum của frame và kí tự kết thúc Ch2 - Industrial Communications 38
  39. Ch2 - Industrial Communications Ch2 - Industrial Communications 2.4.4 Định dạng frame dữ liệu  Giao thức IEC 870-5-101 sử dụng ba định dạng frame Frame có độ dài thay đổi Frame có độ dài cố định Frame chỉ có một kí tự Hình 226. IEC 780-5 Frames Ch2 - Industrial Communications 39
  40. Ch2 - Industrial Communications Ch2 - Industrial Communications  Frame có độ dài thay đổi: truyền dữ liệu giữa controlling và controlled station.  Frame có độ dài cố định: dùng cho các dịch vụ của link layer.  Frame chỉ có một kí tự: xác nhận các hoạt động như đồng bộ thời gian, yêu cầu dữ liệu  Cấu trúc dữ liệu IEC 870-5-101 định nghĩa: Các Application Service Data Unit (ASDU) chứa thông tin truyền thông giữa các trạm. Các ASDU được định nghĩa là các frame dữ liệu có độ dài không cố định. Định dạng của frame: Khởi đầu frame: . 1 byte START CHARACTER . 2 byte FRAME LENGTH . 1 byte START of DATA CHARACTER . 1 byte LINK ADDRESS Kết thúc frame: . 1 byte CHECKSUM . 1 byte STOP CHARCTER Ch2 - Industrial Communications 40
  41. Ch2 - Industrial Communications Ch2 - Industrial Communications Hình 226. Formats of Application Service Data Unit  Mỗi ASDU bao gồm hai 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 truyền từ Controlled Station theo yêu cầu số liệu từ Controlling Station thì ASDU thông tin các đối tượng có thể kèm theo thẻ thời gian. . Nếu ASDU được truyền từ Controlling Station thì thông tin được chứa là thời gian nếu là lệnh đồng bộ thời gian hay là trạng thái trong lệnh điều khiển Ch2 - Industrial Communications 41
  42. Ch2 - Industrial Communications Ch2 - Industrial Communications 2.4.5. Command set and Scenario  Command set:  Station initialisation: Khởi tạo các trạm.  Data acquisition by polling: Thu thập số liệu kiểu polling  Cyclic data transmission: Truyền dữ liệu có tính chu kì.  Acquisition of events: Thu thập sự kiện.  General interrogation: Thủ tục để Controlling Station cập nhật các Controlled Station, thực hiện sau khi khởi tạo.  Clock synchronisation: đồng bộ thời gian.  Command transmission: Truyền lệnh điều khiển.  Transmission of integrated totals: Thu thập giá trị đếm xung.  Parameter loading: Nạp tham số cho Controlled Station.  Test procedure: Thủ tục kiểm tra sự kết nối giữa các trạm.  File transfer: Truyền file.  Acquisition of transmission delay: Xác định độ trễ đường truyền. A Case Study: Acquisition of events  Các sự kiện xảy ra được lưu trữ trong buffer của Controlled Station cho các sự kiện xảy ra nhanh hơn so với tốc độ truyền thông. Khi Controlling Station hỏi Controlled Station yêu cầu các sự kiện thì có hai khả năng xảy ra: không có sự kiện trong buffer và có sự kiện trong buffer của Controlled Station. • Trường hợp không có sự kiện trong buffer: Controlled Station trả lời NACK dưới dạng message chỉ có một kí tự (05H) hay hay một frame có độ dài cố định (fixes frame) mang thông điệp "Requested data not available". • Trường hợp có sự kiện trong buffer: Controlled Station trả lời bằng một fixed frame NACK nhưng bit trạng thái = 1 báo hiệu cho Controlling Station có sự kiện. Controlling gửi message "Request user data class 1" yêu cầu và Controlled trả bằng một ASDU chứa sự kiện, ASDU này có thể chứa toàn bộ hoặc một vài sự kiện của Controlled Station. Ch2 - Industrial Communications 42