PROFIBUS và mạng truyền thông

PROFIBUS và mạng truyền thông PROFIBUS là chữ viết tắt của Process Field Bus, là một tiêu chuẩn mạng trường được phát triển đầu tiên tại Đức năm 1987, sau này trở thành tiêu chuẩn của châu Âu EN 50 170 vào năm 1996 và trở thành tiêu chuẩn quốc tế IEC 61158 vào đầu năm 2000. Ngày nay, càng ngày càng có nhiều nhà sản xuất và người sử dụng trên toàn thế giới ứng dụng tiêu chuẩn mạng này trong các hệ thống tự động hoá. Hiệp hội người sử dụng và phát triển PROFIBUS có tên gọi là PROFIBUS Nutzerorganisation (PNO) với hơn 1000 thành viên trên phạm vi toàn thế giới (trong đó có những nhà sản xuất nổi tiếng như ABB, Danfoss, Foxboro, Fisher-Rosemount, Krone, Vega, Wika, Endress+Hauser, Mishubishi Electric, Siemens, ). Bạn đọc có thể tìm thấy mọi thông tin chi tiết trên mạng theo địa chỉ: www.profibus.com.  Trong bài viết này, tác giả sẽ giới thiệu một số thông tin cơ bản về PROFIBUS. Bài viết sẽ không đi sâu vào lý thuyết về nguyên lý hoạt động của tiêu chuẩn mà cố gắng đề cập đến những đặc điểm cơ bản để giúp người đọc có thể nhanh chóng nắm bắt được các khái niệm cơ bản và có thể áp dụng chúng trong việc xây dựng hệ thống tự động hoá dùng PROFIBUS như một phương thức truyền thông chuẩn. Để cho người đọc nhất là những người không có nhiều kiến thức về mạng truyền thông dễ dàng theo dõi, phần dưới đây, tác giả xin được bắt đầu từ một số những khái niệm cơ bản. Một số khái niệm cơ bản về mạng truyền thông + Truyền thông (communication): Là quá trình trao đổi thông tin giữa hai chủ thể với nhau. Ví dụ, hai PLC trao đổi thông tin với nhau trong một mạng truyền thông công nghiệp. + Mạng (network): Là một hệ thống bao gồm nhiều trạm (station) được nối với nhau để có thể trao đổi thông tin. Mỗi một mạng có thể bao gồm nhiều phân mạng (subnet). + Gateway: Là thiết bị để ghép nối hai hay nhiều phân mạng có khả năng truyền thông khác nhau. Ví dụ, trong hình dưới, trạm PLC S7-400 đóng vai trò một gateway ghép nối hai phân mạng (subnet) khác nhau là subnet 1 và subnet 2. Hai phân mạng này có thể có đặc điểm vật lý giống hoặc khác nhau (ví dụ, một gateway có thể nối mạng Ethernet với mạng PROFIBUS). + Liên kết (link): Là một phép gán logic cho phép việc truyền thông giữa một chủ thể này với một chủ thể khác để thực hiện một dịch vụ truyền thông. + Giao thức (protocol): Là các qui tắc, thủ tục qui định cho việc giao tiếp. Đối với việc truyền thông qua mạng, giao thức qui định cấu trúc của gói dữ liệu được trao đổi, phương thức hoạt động, thủ tục thiết lập truyền thông, bảo toàn dữ liệu và tốc độ truyền dữ liệu Cấu trúc liên kết của mạng (Network Topology) Là cấu trúc hình học của mạng, hay nói cách khác, là cách sắp xếp, tổ chức về mặt vật lý của mạng. Cấu trúc đơng giản nhất là cấu trúc chỉ có 2 nút mạng hay còn gọi là liên kết điểm-tới-điểm (point-to-point). a) Cấu trúc tuyến (line): (xem hình vẽ ví dụ): với cấu trúc này, trong quá trình hoạt động, trong một thời điểm chỉ có một trạm được phép truyền tin, các trạm khác chỉ được phép nhận. b) Cấu trúc mạch vòng (ring): (xem hình vẽ): c) Cấu trúc hình sao (star):  d) Cấu trúc hình cây (tree):  Kỹ thuật truy nhập mạng (access technique) Trong một mạng truyền thông có cấu trúc như một trong những dạng nêu trên, tại mỗi thời điểm chỉ có một thông điệp duy nhất được phép truyền đi, còn số lượng thành viên được phép nhận thông điệp này thì không hạn chế. Vì vậy, người ta phải thiết lập nên phương pháp phân chia thời gian gửi thông tin trên đường dẫn của mạng, hay còn gọi là kỹ thuật truy nhập mạng.  Theo cách phân loại trên (đây chỉ là một trong những cách phân loại), kỹ thuật truy nhập mạng có thể phân làm hai nhóm chính: tập trung và phân tán. Với kỹ thuật phân tán, chúng có thể là loại tiền định hay ngẫu nhiên. Kỹ thuật truy nhập chủ/tớ (Master/Slave) là điển hình của kỹ thuật truy cập tập trung: Trạm chủ điều khiển toàn bộ luồng thông tin trên mạng. Nó gửi thông tin và lệnh tới các trạm tớ và yêu cầu các trạm này gửi thông tin trở lại. Việc liên lạc trực tiếp giữa các trạm tớ với nhau nhìn chung là không cho phép. Token Passing: Là kỹ thuật tiền định và phân tán. Một bức điện ngắn có cấu trúc (có độ dài bit cố định) được dùng tương tự như chìa khoá gọi là token. Token sẽ được chuyển từ trạm này tới trạm khác theo vòng tròn logic và với một luật lệ nhất định. Trong thời gian một trạm giữ token, nó có quyền được truy nhập mạng và gửi thông tin đi. Đồng thời nó có nhiệm vụ chuyển token cho trạm tiếp theo sau khoảng thời gian qui định trên. Nếu token sử dụng trong mạng có cấu trúc dạng tuyến (line) thì gọi là token bus. Nếu sử dụng trong mạng cấu trúc hình vòng (ring) thì gọi là token ring. CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access Collision), là kỹ thuật truy cập ngẫu nhiên. Với kỹ thuật này, bất kỳ trạm nào đều được phép truyền tin trong bất kể mọi thời điểm nếu thấy không có trạm khác phát. Tuy nhiên, có thể xảy ra trường hợp hai hay nhiều trạm cùng phát tín hiệu cùng một lúc, nếu xung đột này (collision) xảy ra, các trạm đều huỷ bức điện của mình và sẽ gửi lại sau một thời gian chờ ngẫu nhiên. Kỹ thuật này được qui định trong tiêu chuẩn IEEE802.3 và được áp dụng bởi mạng Ethernet. PROFIBUS PROFIBUS là một chuẩn mạng trường dùng để truyền dữ liệu ở cấp điều khiển với khả năng truyền dữ liệu ở cấp nhỏ và trung bình. Về mặt vật lý, nó là mạng dùng dây dẫn đồng xoắn có bọc kim hoặc dùng dây cáp quang hoặc cũng có thể là mạng không dây dùng truyền dẫn bằng hồng ngoại. + Kỹ thuật truy cập mạng Kỹ thuật truy cập: kỹ thuật truy cập cơ bản của PROFIBUS là Master/Slave (hình 1) Tuy nhiên trong trường hợp có nhiều Master trong một mạng, quyền điều hành sẽ được luân chuyển lần lượt từ trạm Master này sang Master khác nhờ kỹ thuật Token Passing (xem hình 2). Trong trường hợp này, các trạm chủ luân phiên nhau hoạt động và thực sự nắm quyền điều khiển các trạm tớ của mình trong thời gian giữ token. + Các dạng PROFIBUS chuẩn (PROFIBUS variants) PROFIBUS có 3 dạng chuẩn là: - PROFIBUS DP - PROFIBUS FMS - PROFIBUS PA PROFIBUS DP: Là giao diện chuẩn để trao đổi dữ liệu giữa các trạm điều khiển (dùng PLC, DP master) và các thiết bị hiện trường (DP slave). Hình 3 là ví dụ về một hệ thống mạng dùng PROFIBUS DP. Tốc độ tối đa của PROFIBUS DP là 12Mbit/giây. PROFIBUS FMS (Fieldbus Message Specification): được sử dụng để trao đổi thông tin giữa các bộ điều khiển (PLC) và các máy tính ở cấp điều khiển. Một trong những ưu điểm của FMS là dữ liệu được truyền đi có cấu trúc không phụ thuộc vào thiết bị mà nó phát đi (dạng trung hoà), sau đó nó được chuyển đổi thành dạng đặc thù của thiết bị tiếp nhận nó. Điều đó có nghĩa là, nó có thể “nói chuyện” với tất cả thiết bị hiểu được FMS. Trong chương trình của người sử dụng, ta có thể dùng các ngôn ngữ tương ứng như STL hay C cho các ứng dụng chạy trên PC. Cả PROFIBUS DP và PROFIBUS FMS đều dùng chung một công nghệ truyền dẫn và kỹ thuật truy cập mạng, vì thế chúng có thể hoạt động đồng thời. PROFIBUS PA được thiết kế để chuyên dùng cho điều khiển quá trình và cho phép các thiết bị đo và các thiết bị chấp hành có thể nối ghép với mạng điều khiển chung thậm chí trong điều kiện môi trường nguy hiểm. PROFIBUS PA tuân theo tiêu chuẩn IEC 61158-2 (truyền đồng bộ), nghĩa là cấu hình an toàn và các thiết bị hiện trường nhận nguồn nuôi thông qua đường mạng. PROFIBUS-PA có thể có cấu trúc hình tuyến, hình cây hay hình sao. Số trạm trên một nhánh mạng phụ thuộc vào nguồn nuôi, dòng tiêu thụ của các trạm, dạng cáp được sử dụng và khoảng cách của chúng. Tốc độ truyền của PROFIBUS PA là 31.25 kbit/giây. Nó có thể hoạt động với cấu hình có dự phòng bằng cách nhân đôi đường mạng. Một tuyến PROFIBUS PA có thể nối với tuyến PROFIBUS DP thông qua bộ chuyển đổi DP/PA link (xem ví dụ hình 4). + Một số thông số cơ bản của PROFIBUS  Trong bảng B1 là một số thông số và đặc điểm của chuẩn mạng PROFIBUS (bằng tiếng Anh):  THeo Tu Dong Hoa