Bài giảng Mạng truyền thông công nghiệp - Chương 3: Các thành phân hệ thống mạng - Hoàng Minh Sơn

Nội dung text: Bài giảng Mạng truyền thông công nghiệp - Chương 3: Các thành phân hệ thống mạng - Hoàng Minh Sơn

1. 3.1 Phương tiện truyền dẫn 75 Chương 3: Các thành phần hệ thống mạng Chương này giới thiệu các thành phần cơ bản trong một hệ thống mạng truyền thông công nghiệp như phương tiện truyền dẫn, phần cứng và phần mềm giao diện mạng, thiết bị liên kết mạng và các linh kiện mạng khác. 3.1 Phương tiện truyền dẫn Môi trường truyền dẫn hay phương tiện truyền dẫn ảnh hưởng lớn tới chất lượng tín hiệu, tới độ bền vững của tín hiệu với nhiễu bên ngoài và tính tương thích điện từ của hệ thống truyền thông. Tốc độ truyền và khoảng cách truyền dẫn tối đa cho phép cũng phụ thuộc vào sự lựa chọn phương tiện truyền dẫn. Ngoài các đặc tính kỹ thuật, các phương tiện truyền dẫn còn khác nhau ở mức độ tiện lợi sử dụng (lắp đặt, đấu dây) và giá thành. Bên cạnh chuẩn truyền dẫn, mỗi hệ thống bus đều có qui định chặt chẽ về chủng loại và các chỉ tiêu chất lượng của môi trường truyền dẫn được phép sử dụng. Tuy nhiên, trong khi qui định về chuẩn truyền dẫn thuộc lớp vật lý thì môi trường truyền dẫn lại nằm ngoài phạm vi đề cập của mô hình qui chiếu OSI. Nếu không xét tới các đặc điểm riêng biệt của từng hệ thống mạng cụ thể (ví dụ phương pháp truy nhập bus), tốc độ truyền tối đa của một kênh truyền dẫn phụ thuộc vào (độ rộng) băng thông của kênh truyền. Đối với môi trường không có nhiễu, theo thuyết Nyquist thì: Tốc độ bit tối đa (bits/s) = 2H log2 X, trong đó H là băng thông của kênh truyền và X là số mức trạng thái tín hiệu được sử dụng trong mã hóa bit. Đối với các hệ thống mạng truyền thông công nghiệp sử dụng tín hiệu nhị phân, ta có X = 2 và tốc độ bit (tính bằng bit/s) sẽ không bao giờ vượt quá hai lần độ rộng băng thông. Bên cạnh sự hạn chế bởi băng thông của kênh truyền dẫn, tốc độ truyền tối đa thực tế còn bị giảm đáng kể bởi tác động của nhiễu. Shannon đã chỉ ra rằng, tốc độ truyền bit tối đa của một kênh truyền dẫn có băng thông H (Hz) và tỉ lệ tín hiệu-nhiễu S/N (signal- to-noise ratio) được tính theo công thức: Tốc độ bit tối đa (bits/s) = H log2 (1+S/N) Từ các phân tích trên đây, ta có thể thấy rằng độ rộng băng thông và khả năng kháng nhiễu là hai yếu tố quyết định tới chất lượng của đường truyền. Bên cạnh đó, khoảng cách truyền tối đa phụ thuộc vào độ suy giảm của tín hiệu trên đường truyền. Trong kỹ thuật truyền thông nói chung cũng như truyền thông công nghiệp nói riêng, người ta sử dụng các phương tiện truyền dẫn sau: • Cáp điện: Cáp đồng trục, đôi dây xoắn, cáp trơn Bài giảng: Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội
2. 3.1 Phương tiện truyền dẫn 76 • Cáp quang: Cáp sợi thủy tinh (đa chế độ, đơn chế độ), sợi chất dẻo • Vô tuyến: Sóng truyền thanh (radio AM, FM), sóng truyền hình (TV), vi sóng (microwave), tia hồng ngoại (UV). Dải tần của một số phương tiện truyền dẫn tiêu biểu được mô tả trên Hình 3.1. f(Hz) 104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016 Đôi dây xoắn Vệ tinh Sợi quang Cáp đồng trục Vi sóng mặt đất Hồng ngoại AM radio FM radio TV Dải tần LF MF HF VHF UHF SHF EHF THF Hình 3.1: Dải tần của các phương tiện truyền dẫn tiêu biểu Loại cáp điện phổ biến nhất trong các hệ bus trường là đôi dây xoắn. Đối với các ứng dụng có yêu cầu cao về tốc độ truyền và độ bền với nhiễu thì cáp đồng trục là sự lựa chọn tốt hơn. Cáp quang cũng được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng có phạm vi địa lý rộng, môi trường xung quanh nhiễu mạnh hoặc dễ xâm thực, hoặc có yêu cầu cao về độ tin cậy cũng như tốc độ truyền dữ liệu. 3.1.1 Đôi dây xoắn Đôi dây xoắn (Twisted Pair) là một phát minh của A. Grahm Bell vào năm 1881 và từ đó trở thành phương tiện kinh điển trong công nghiệp điện thoại. Một đôi dây xoắn bao gồm hai sợi dây đồng được quấn cách ly ôm vào nhau. Tác dụng thứ nhất của việc quấn dây là trường điện từ của hai dây sẽ trung hòa lẫn nhau, như Hình 3.2 minh họa, vì thế nhiễu xạ ra môi trường xung quanh cũng như tạp nhiễu do xuyên âm sẽ được giảm thiểu. Hiện tượng nhiễu xuyên âm (crosstalk) xuất hiện do sự giao thoa trường điện từ của chính hai dây dẫn. Khái niệm xuyên âm có nguồn gốc ở kỹ thuật điện thoại, chỉ sự chồng chéo làm méo tiếng nói do tác động qua lại giữa hai dây dẫn. Nếu kích thước, độ xoắn của đôi dây được thiết kế, tính toán phù hợp, trường điện từ do chúng gây ra sẽ tự triệt tiêu lẫn nhau và hầu như không làm ảnh hưởng tới chất lượng tín hiệu. Hình 3.2: Đôi dây xoắn và tác dụng trung hòa trường điện từ Bài giảng: Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội
3. 3.1 Phương tiện truyền dẫn 77 Trong các hệ thống truyền thông công nghiệp, đôi dây xoắn thường được sử dụng đi kèm với chuẩn RS-485. Che chắn đường truyền đối với RS-485 không phải bao giờ cũng bắt buộc, tùy theo đòi hỏi về chất lượng đường truyền và tính tương thích điện từ trong từng lĩnh vực ứng dụng khác nhau. Các lớp bọc lót, che chắn sẽ giảm tác động của nhiễu bên ngoài đến tín hiệu truyền dẫn, đồng thời hạn chế nhiễu xạ từ chính đường truyền ra môi trường xung quanh. Một cáp dẫn thường bao gồm nhiều đôi dây xoắn, trường hợp phổ biến là hai đôi dây. Cũng có chuẩn LAN như IEEE 802.12 qui định sử dụng bốn đôi dây. Tùy theo cách che chắn mà người ta phân biệt hai loại cáp dẫn: Shielded Twisted Pair (STP) và Unshielded Twisted Pair (UTP). Sự khác nhau giữa STP và UTP ở chỗ, ngoài vỏ bọc chung bên ngoài của cả cáp thì STP còn có thêm một lớp che chắn riêng cho từng đôi dây, như thấy trên Hình 3.3. Điện trở đặc tính của STP và UTP thường là 120Ω. Đặc điểm của STP là khả năng chống tác động nhiễu từ bên ngoài cao hơn nhiều so với UTP, trong khi bản thân STP cũng tỏa ít nhiễu hơn ra môi trường xung quanh. Nhìn chung, đối với các hệ thống bus trường với chuẩn truyền dẫn RS-485 thì STP được sử dụng phổ biến nhất. Cũng chính vì khả năng kháng nhiễu tốt mà STP cho phép truyền với tốc độ tương đối cao (1 10Mbit/s). a) STP b) UTP Hình 3.3: Hai kiểu cáp đôi dây xoắn - STP và UTP Tùy theo chất lượng của cáp truyền, chiều dài dây dẫn tối đa không dùng bộ lặp có thể tới 3000m. Tuy nhiên, một phương thức truyền không cho phép đạt được cả tốc độ truyền tối đa và chiều dài tối đa cùng một lúc. Ví dụ, để đạt được tốc độ truyền tối đa thì chiều dài dây dẫn không được lớn hơn 100m. Bảng 3.1 liệt kê một số kiểu cáp theo qui chuẩn AWG (American Wire Gauge). Bảng 3.1: Một số kiểu cáp STP theo qui chuẩn AWG AWG 28 26 24 22 20 Tiết diện dây (mm2) 0.08 0.13 0.2 0.32 0.50 Đường kính dây (mm) 0.32 0.40 0.51 0.64 0.80 Điện trở ΔR (Ω/m) 0.436 0.280 0.178 0.106 0.070 Chất lượng truyền của STP tốt hơn luôn đi đôi với giá thành cao hơn. Vì vậy ở khoảng cách truyền dẫn ngắn hoặc trong các điều kiện ít có tác động nhiễu bên ngoài, UTP cũng được sử dụng. Do dải tần bị hạn chế và nhạy cảm với nhiễu, tốc độ truyền sử dụng UTP trong các hệ thống mạng truyền thông công nghiệp thường bị hạn chế ở mức 167 kbit/s, cũng như chiều dài đường truyền tối đa không dùng bộ lặp là 200m. Bài giảng: Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội
4. 3.1 Phương tiện truyền dẫn 78 Tuy tốc độ truyền của các loại cáp đôi dây xoắn không cao lắm, nhưng ưu điểm của nó là giá thành hợp lý và dễ lắp đặt, nối dây. Vì vậy ứng dụng chủ yếu của chúng là ở cấp trường, có thể sử dụng trong hầu hết các hệ thống bus trường. Trên Hình 3.4 là một ví dụ cáp đôi dây xoắn kiểu STP, sản phẩm của hãng Siemens được dùng trong mạng MPI và PROFIBUS. Tốc độ truyền tối đa cho phép ở đây là 12MBit/s. Hình 3.4: Cáp đôi dây xoắn STP (Siemens) Đến nay, cáp đôi dây xoắn cũng được thiết kế, chế tạo với nhiều cải tiến khác nhau. Tùy theo kiểu cách và chất lượng của sản phẩm, người ta cũng chia thành các hạng từ 1- 5. Loại cáp dùng trong công nghiệp điện thoại hoặc trong mạng thường thuộc hạng 3, cho phép truyền tới tốc độ 12Mbit/s. Hạng 5 cho phép truyền tới tốc độ 100Mbit/s, được dùng trong Fast Ethernet (100BASE-TX). Chuẩn IEC 61158 cũng đưa ra 4 loại đôi dây xoắn xếp hạng từ A tới D với chất lượng cao nhất thuộc hạng A. 3.1.2 Cáp đồng trục Một loại cáp truyền thông dụng khác là cáp đồng trục (coaxial cable hay coax). Như trên Hình 3.5 minh họa, một cáp đồng trục bao gồm một dây lõi bên trong và một dây (kiểu ống) bao bọc phía ngoài, được ngăn cách bởi một lớp cách ly (điện môi). Cũng như đôi dây xoắn, chất liệu được sử dụng cho dây dẫn ở đây là đồng. Lớp cách ly thường là polyethylen (PE), trong khi vỏ bọc là nhựa PVC. Vá bäc (PVC) Líp dÉn ngoµi (Cu) D©y dÉn lâi (Cu) Líp c¸ch ly (PE) Hình 3.5: Cấu tạo cáp đồng trục Cáp đồng trục thích hợp cho cả truyền tín hiệu tương tự và tín hiệu số. Người ta phân biệt hai loại cấp đồng trục là cáp dải cơ sở (baseband coax) và cáp dải rộng (broadband coax). Loại thứ nhất có trở đặc tính là 50Ω, được sử dụng rộng rãi trong truyền dữ liệu, trong khi loại thứ hai có trở đặc tính 75Ω, thường được sử dụng là môi trường truyền tín hiệu tương tự. Phạm vi ứng dụng cổ điển của cáp đồng trục chính là trong các hệ thống cáp truyền hình. Nhờ cấu trúc đặc biệt cũng như tác dụng của lớp dẫn ngoài, các điện trường và từ trường được giữ gần như hoàn toàn bên trong một cáp đồng trục. Chính vì vậy hiện tượng xuyên âm không đáng kể so với ở cáp đôi dây xoắn. Bên cạnh đó, hiệu ứng bề Bài giảng: Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội
5. 3.1 Phương tiện truyền dẫn 79 mặt2 cũng làm giảm sự tổn hao trên đường truyền khi sử dụng cáp truyền có đường kính lớn. Hình 3.6 biểu thị sự suy giảm đường truyền giữa cáp đồng trục so sánh với đôi dây xoắn. Về đặc tính động học, cáp đồng trục có dải tần lớn hơn đôi dây xoắn nên việc tăng tần số nhịp để nâng tốc độ truyền cũng dễ thực hiện hơn. Tốc độ truyền tối đa cho phép có thể tới 1-2 Gbit/s. Với tốc độ thấp, khoảng cách truyền có thể tới vài nghìn mét mà không cần bộ lặp. Tuy nhiên, bên cạnh giá thành cao hơn đôi dây xoắn thì việc lắp đặt, đấu dây phức tạp cũng là một nhược điểm của chúng. Vì vậy trong truyền thông công nghiệp, cáp đồng trục chủ yếu được dùng ở các cấp trên (bus hệ thống, bus xí nghiệp) như ControlNet và Ethernet. 100 STP 10 Coax Suy gi¶m (dB/100m) 1 1 10 100 1000 TÇn sè (MHz) Hình 3.6: Suy giảm đường truyền của đôi dây xoắn và cáp đồng trục 3.1.3 Cáp quang Cáp quang được sử dụng trong các lĩnh vực ứng dụng đòi hỏi tốc độ truyền tải rất cao, phạm vi truyền dẫn lớn hoặc trong các môi trường làm việc chịu tác động mạnh của nhiễu. Với kỹ thuật tiên tiến hiện nay, các loại cáp quang có thể đạt tới tốc độ truyền 20Gbit/s. Các hệ thống được lắp đặt thông thường có tốc độ truyền khoảng vài Gbit/s. Sự suy giảm tín hiệu ở đây rất nhỏ, vì vậy chiều dài cáp dẫn có thể tới hàng chục, thậm chí hàng trăm kilomét mà không cần một bộ lặp hay một bộ khuếch đại tín hiệu. Một ưu điểm lớn của cáp quang là tính năng kháng nhiễu cũng như tính tương thích điện-từ. Cáp quang không chịu tác động của nhiễu ngoại cảnh như trường điện từ, sóng vô tuyến. Ngược lại, bản thân cáp quang cũng hầu như không bức xạ nhiễu ra môi trường xung quanh, vì thế không ảnh hưởng tới hoạt động của các thiết bị khác. Bên cạnh đó, sử dụng cáp quang cũng nâng cao độ bảo mật của thông tin được truyền. Thực tế rất khó có thể gắn bí mật các thiết bị nghe trộm đường truyền mà không gây ra sụt giảm tín hiệu một cách đột ngột. Với các thiết bị kỹ thuật đặc biệt người ta có thể dễ dàng xác định được vị trí bị can thiệp. Nguyên tắc làm việc của cáp quang dựa trên hiện tượng phản xạ toàn phần của ánh sáng tại bề mặt tiếp xúc giữa hai vật liệu có hệ số khúc xạ n1 và n2 khác nhau thỏa mãn điều kiện: 2 Ở các tần số cao, dòng điện tập trung chủ yếu ở bề mặt của dây dẫn. Bài giảng: Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội
6. 3.1 Phương tiện truyền dẫn 80 ⎛⎞n1 α ≥ arctan⎜⎟ ⎝⎠n2 với α là góc lệch của tia ánh sáng tới so với đường trực giao, như Hình 3.7 minh họa. Thông thường n1 được chọn lớn hơn n2 khoảng 1%. α n1 n2 Hình 3.7: Nguyên tắc phản xạ toàn phần (n1 > n2) Một sợi cáp quang bao gồm một sợi lõi, một lớp bọc và một lớp vỏ bảo vệ. Sợi lõi cũng như lớp bọc có thể được làm bằng thủy tinh hoặc chất dẻo trong suốt. Một tia ánh sáng với góc lệch ϕ so với chiều dọc cáp dẫn - tính theo công thức sau - sẽ được nắn đi theo một đường rích rắc đều đặn: 22 sinϕ =−nn12 Nguyên tắc làm việc của cáp quang được minh họa trên Hình 3.8. n2 ϕ n1 Hình 3.8: Nguyên tắc làm việc của cáp quang Tỉ lệ của các hệ số khúc xạ cũng như đường kính của sợi lõi và lớp bọc ảnh hưởng tới đặc tính đường đi của tia ánh sáng. Người ta phân loại cáp quang sợi thủy tinh thành hai nhóm chính sau: • Sợi đa chế độ (Multimode Fiber, MMF): Sợi quang nhiều kiểu sóng, tín hiệu truyền đi là các tia laser có tần số không thuần nhất. Các LED được sử dụng trong các bộ phát. Hiện tượng tán xạ gây khó khăn trong việc nâng cao tốc độ truyền và chiều dài cáp dẫn. Khả năng truyền hạn chế trong phạm vi Gbit/s * km. • Sợi đơn chế độ (Single-Mode Fiber, SMF): Sợi quang một kiểu sóng, tín hiệu truyền đi là các tia laser có tần số thuần nhất. Các điôt laze được sử dụng trong các bộ phát. Tốc độ truyền có thể đạt tới hàng trăm Gbit/s ở khoảng cách 1km. Nhóm thứ nhất cũng được chia tiếp thành hai loại: Sợi có hệ số bước (Step Index Fiber) và sợi có hệ số dốc (Gradient Index Fiber). Bảng 3.2 tóm tắt một số đặc tính và thông số tiêu biểu của ba loại cáp quang này. Bài giảng: Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội
7. 3.1 Phương tiện truyền dẫn 81 Bên cạnh sợi thủy tinh, một số loại sợi chất dẻo cũng được sử dụng tương đối rộng rãi. Sợi chất dẻo cho phép truyền với tốc độ thấp (khoảng vài chục tới vài trăm Mbit/s) và khoảng cách truyền ngắn (tối đa 80m), nhưng giá thành thấp và lắp đặt dễ dàng hơn nhiều. Bảng 3.2: Các loại sợi thủy tinh Sợi đa chế độ Sợi đơn chế độ Hệ số bước Hệ số dốc Đường đặc tính của hệ số khúc xạ Đường đi của tia sáng Đường kính trong 50 μm 9 μm Đường kính ngoài 250 μm 125 μm 125 μm Độ suy giảm 100 MHz 1GHz 100GHz 1dB/100m ở tần số Bộ phát / bộ thu LED / Điôt PIN hoặc APD1 Điôt laze / APD Tốc độ truyền * ~ 1Gbit/s * km ~ 100Gbit/s * km Khoảng cách Giá thành Cao Thấp 1 LED: Light-emitting Diode, APD: Avalanche Photodiode 3.1.4 Vô tuyến Trong một số lĩnh vực ứng dụng không thể sử dụng cáp truyền, hoặc với chi phí cho lắp đặt rất cao - ví dụ trong công nghiệp khai thác dầu khí trên biển hoặc trong lĩnh vực theo dõi khí tượng thủy văn - các phương pháp truyền vô tuyến đóng vai trò quan trọng. Trong những năm gần đây, phương pháp truyền dữ liệu trên các phương tiện vô tuyến được ứng dụng ngày càng rộng rãi, nhờ sự có mặt của các công nghệ hiện đại, dễ sử dụng và tin cậy. Một trong các vấn đề của việc truyền dữ liệu qua vi sóng là phải sử dụng một tần số thích hợp, được phép của các cơ quan hữu quan để tránh gây nhiễu đối với các hệ thống khác. Ở nhiều nước, sự nới lỏng trong các qui định cấp phép tạo điều kiện dễ dàng cho việc trang bị và đưa vào sử dụng các thiết bị. Giá thành tổng thể cho một hệ thống - kể Bài giảng: Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội
8. 3.1 Phương tiện truyền dẫn 82 cả chi phí cho trang thiết bị và bảo trì hệ thống - có thể thấp hơn rất nhiều so với chi phí cho cáp dẫn. Hai phương tiện chính được sử dụng rộng rãi là vi sóng mặt đất và vi sóng qua vệ tinh. Đối với vi sóng mặt đất, có thể sử dụng các dịch vụ công cộng hoặc tự lắp đặt hệ thống riêng. Các hệ thống truyền dẫn mặt đất riêng có thể xây dựng trên cơ sở hàng loạt các thiết bị tương tự và kỹ thuật số, phục vụ các nhu cầu ứng dụng khác nhau, cần trao đổi dữ liệu theo một chiều hoặc cả hai chiều. Phạm vi phủ sóng có thể từ vài mét cho tới hàng chục kilômét. Giá thành cũng rất khác nhau, từ các hệ thống đơn giản, rẻ tiền với giao tiếp đơn kênh, một chiều cho đến các hệ thống rất đắt cho phép sử dụng nhiều kênh và liên lạc hai chiều cùng một lúc. Một số hệ thống đơn giản được sử dụng không cần giấy phép. Các hệ thống dịch vụ công cộng mặt đất cũng rất đa dạng như mạng dịch vụ tích hợp kỹ thuật số (ISDN), mạng điện thoại di động (GSM, AMPS, UTSM), đài phát di động công cộng (MPT1327, TETRA), các sóng phát thanh và truyền hình. Bên cạnh chi phí mua sắm hoặc thuê các trang thiết bị thì giá thành tổng thể bao gồm cả tiền thuê bao và phí sử dụng tính theo thời gian. Vì vậy, mặc dù đầu tư ban đầu không cao, song chi phí cho vận hành lại có thể rất lớn. Sử dụng vệ tinh (Eutelsat, Intelsat, Inmarsat, Panamsat, Orbcomm) phù hợp với các ứng dụng đòi hỏi liên lạc ở khoảng cách lớn, nhưng có thể không liên tục. Truyền dẫn qua vệ tinh có thể đòi hỏi đầu tư cho thuê bao tương đối lớn, phụ thuộc vào hợp đồng sử dụng và chất lượng dịch vụ, tuy nhiên trong nhiều trường hợp thì đây là sự lựa chọn duy nhất. Bài giảng: Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội
9. 3.2 Giao diện mạng 83 3.2 Giao diện mạng 3.2.1 Cấu trúc giao diện mạng Một giao diện mạng bao gồm các thành phần xử lý giao thức truyền thông (phần cứng và phần mềm) và các thành phần thích ứng cho thiết bị được nối mạng. Hình 3.9 mô tả phạm vi thực hiện chức năng có thể thực hiện được do các thành phần giao diện mạng đối chiếu với mô hình OSI. Lưu ý rằng, nhiều khi ta không thể định nghĩa ranh giới rõ ràng giữa phần cứng và phần mềm. Phạm vi chức năng của các thành phần này có thể giao nhau. Phần cứng thực hiện chức năng của lớp vật lý và có thể một phần hoặc toàn bộ chức năng của các lớp liên kết dữ liệu và lớp mạng. Phạm vi chức năng của phần mềm là xử lý giao thức, có thể từ lớp liên kết dữ liệu cho tới lớp ứng dụng. Tuy nhiên, vì các lý do về tính năng thời gian trong vấn đề tạo xung nhịp, đồng bộ nhịp, trích mẫu tín hiệu và mã hóa bít, lớp vật lý bắt buộc phải do các vi mạch cứng đảm nhiệm. Phần mềm có thể thực hiện dưới dạng phần dẻo (firmware) đổ cứng trong vi xử lý, phần mềm giao thức tích hợp trong hệ điều hành (hiểu với nghĩa rộng) hoặc dưới dạng các hàm thư viện được gọi trong chương trình ứng dụng. M« h×nh OSI Thµnh phÇn thùc hiÖn Líp øng dông Líp biÓu diÔn d÷ liÖu Líp kiÓm so¸t nèi ¬ng tr×nh dông øng − Ch Líp vËn chuyÓn PhÇn mÒm mÒm PhÇn Líp m¹ng Líp liªn kÕt d÷ liÖu ®iÒuHÖ hµnh PhÇn cøng PhÇn Líp vËt lý Hình 3.9: Phạm vi chức năng của các thành phần giao diện mạng Hình 3.10 mô tả một cấu trúc tiêu biểu phần cứng ghép nối bus trường cho các thiết bị, sử dụng chủ yếu các vi mạch tích hợp cao. Phần cứng này có thể thực hiện dưới dạng một bảng mạch riêng để có thể ghép bổ sung, hoặc tích hợp sẵn trong bảng mạch của thiết bị. Chức năng xử lý giao thức truyền thông có thể được thực hiện bằng một bộ vi xử lý thông dụng kết hợp với vi mạch thu phát không đồng bộ đa năng UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter). Vi mạch UART thực hiện việc chuyển đổi các dữ Bài giảng: Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội
10. 3.2 Giao diện mạng 84 liệu song song từ vi xử lý sang một dãy bit nối tiếp. Phần mềm xử lý giao thức được lưu trữ trong bộ nhớ EPROM/EEPROM hoặc Flash-ROM. Phương pháp này có nhược điểm là tính năng thời gian xử lý truyền thông rất khó xác định và kiểm nghiệm một cách chính xác. Bên cạnh đó chi phí cho thiết kế, phát triển, thử nghiệm và chứng nhận hợp chuẩn phần mềm xử lý giao thức cho một loại vi xử lý cụ thể có thể rất lớn. Để khắc phục các vấn đề trên đây, nhiều công ty cho sản xuất hàng loạt các vi mạch chuyên dụng cho một loại bus, được gọi là ASIC (Application Specific Integrated Circuit), đa dạng về chất lượng, hiệu năng và giá thành. Một số ASIC thậm chí còn được tích hợp sẵn một số phần mềm ứng dụng như các thuật toán điều khiển, chức năng tiền xử lý tín hiệu và chức năng tự chẩn đoán. Nhờ đó, việc phân tán các chức năng tự động hóa xuống các thiết bị trường được nối mạng không những giảm tải cho máy tính điều khiển cấp trên, mà còn cải thiện tính năng thời gian thực của hệ thống. Tuy nhiên, thông thường các bảng mạch vi điện tử “cứng” không đảm nhiệm toàn bộ chức năng xử lý giao thức truyền thông, mà chỉ thực hiện dịch vụ thuộc các lớp dưới trong mô hình OSI, còn các phần trên thuộc trách nhiệm của phần mềm thư viện hoặc phần mềm ứng dụng. Trong một số hệ thống bus hoặc trong một số sản phẩm, nhà sản xuất tạo điều kiện cho người sử dụng tự lựa chọn một trong nhiều khả năng. Hầu hết các mạch giao diện bus đều thực hiện cách ly với đường truyền để tránh gây ảnh hưởng lẫn nhau. Ngoài ra, cần một bộ cung cấp nguồn nuôi trong trường hợp đường truyền tín hiệu không đồng tải nguồn. Đa số các thành phần ghép nối cũng cho phép thay đổi chế độ làm việc hoặc tham số qua các công tắc, jumper và hiển thị trạng thái qua các đèn LED. Bài giảng: Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội
11. 3.2 Giao diện mạng 85 Bus Gi¾c c¾m Bé thu ph¸t (VÝ dô RS-485) C¸ch ly • • VÝ dô +24VDC Nguån §Êt Vi m¹ch chuyªn dông (ASIC) UART • EPROM/ Vi xö lý Timer, EEPROM/ (Xö lý giao thøc) • Flash Watchdog Giao diÖn víi vi Giao diÖn sö dông • RAM m¹ch thiÕt bÞ hoÆc • (C«ng t¾c, jumper, IO-Driver LED) Vi m¹ch thiÕt bÞ Hình 3.10: Cấu trúc tiêu biểu một bảng mạch giao diện bus 3.2.2 Ghép nối PLC Để ghép nối PLC trong một hệ thống mạng, ví dụ bus trường hoặc bus hệ thống, có thể sử dụng các module truyền thông riêng biệt hoặc trực tiếp các CPU có tích hợp giao diện mạng. Module giao diện mạng Đối với các PLC có cấu trúc kiểu linh hoạt, mỗi thành phần hệ thống như nguồn (PS), bộ xử lý trung tâm (CPU) và các vào/ra (I/O) đều được thực hiện bởi một module riêng biệt, mỗi module chiếm một khe cắm (slot) trên giá đỡ. Việc giao tiếp giữa CPU và các module khác được thực hiện thông qua một bus nội bộ đặt trên giá đỡ (backplane bus), theo chế độ truyền dữ liệu song song. Khi đó, phương pháp được dùng rộng rãi nhất để nối mạng là bổ sung thêm một module giao diện (interface module, IM) riêng biệt, tương tự như việc ghép nối các module vào/ra. Các module giao diện mạng nhiều khi cũng được gọi là bộ xử lý truyền thông (communication processor, CP), module giao diện truyền thông (communication interface module, CIM) hoặc ngắn gọn hơn nữa là module truyền thông (communication module, CM). Trong hầu hết các trường hợp, các module giao diện này cũng phải do chính nhà sản xuất PLC cung cấp. Hình 3.11 mô tả phương pháp sử dụng hai module giao diện riêng biệt để ghép nối một PLC với hai cấp mạng khác nhau. Bus trường (ví dụ PROFIBUS-DP) ghép nối Bài giảng: Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội
12. 3.2 Giao diện mạng 86 PLC với các thiết bị vào/ra phân tán và các thiết bị trường khác. Bus hệ thống (ví dụ Ethernet) ghép nối các PLC với nhau và với các máy tính điều khiển giám sát và vận hành. Lưu ý rằng, ở đây mỗi module giao diện chính là một trạm và có một địa chỉ riêng trong mạng của nó. Bus hÖ thèng (VD: Ethernet) PLC PS CPU IM IM DI DO AI AO Bus tr−êng (VD: Profibus-DP) Hình 3.11: Giao diện bus cho PLC với module truyền thông CPU tích hợp giao diện mạng Bên cạnh phương pháp thực hiện thành phần giao diện mạng của một thiết bị dưới dạng một module tách rời, có một bộ vi xử lý riêng như giới thiệu trên đây thì một giải pháp kinh tế cho các thiết bị điều khiển khả trình là lợi dụng chính CPU cho việc xử lý truyền thông. Các vi mạch giao diện mạng cũng như phần mềm xử lý giao thức được tích hợp sẵn trong CPU. Phương pháp này thích hợp cho cả các PLC có cấu trúc module và cấu trúc gọn nhẹ. Hình 3.12 minh họa việc ghép nối bus trường cho PLC bằng giải pháp sử dụng một loại CPU thích hợp, ví dụ có sẵn một cổng PROFIBUS-DP. PLC PS CPU DI DO AI AO Cæng DP Profibus-DP Hình 3.12: Sử dụng CPU tích hợp giao diện PROFIBUS-DP 3.2.3 Ghép nối PC Các mạch giao diện mạng cho máy tính cá nhân cũng có cấu trúc tương tự như cho PLC. Tuy nhiên, vì tính chất đa năng của bộ xử lý trung tâm cũng như của bảng mạch chính (main-board), phương án thứ hai cho PLC (CPU tích hợp khả năng truyền thông) không thể thực hiện được ở đây. Các module giao diện mạng cho PC thường được thực hiện dưới một trong các dạng sau: • Card giao diện mạng cho các khe cắm ISA, PCI, Compact-PCI, Bài giảng: Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội
13. 3.2 Giao diện mạng 87 • Bộ thích ứng mạng qua cổng nối tiếp hoặc cổng song song • Card PCMCIA Ngoài ra, sử dụng Modem (trong hoặc ngoài) cũng là một phương pháp thông dụng để có thể truy nhập mạng qua PC và một đường điện thoại sẵn có. Card giao diện mạng Tương tự như các PLC, CPU của một máy tính cá nhân sử dụng hệ thống bus nội bộ (bus song song) để giao tiếp với các module vào/ra cho các thiết bị ngoại vi như máy in, bàn phím, màn hình, v.v Bên cạnh một số module được tích hợp sẵn trên bảng mạch chính, các máy tính cá nhân còn có một số khe cắm cho các module vào/ra khác và hỗ trợ việc mở rộng hệ thống. Một card giao diện mạng cho PC được lắp vào một khe cắm, thông thường theo chuẩn ISA, PCI hoặc Compact-PCI. Trên Hình 3.13 là ví dụ một sản phẩm của Siemens cho ghép nối máy tính cá nhân PC với PROIBUS-FMS hoặc PROFIBUS-DP. Trên một card giao diện mạng cho PC thường có một bộ vi xử lý đảm nhiệm chức năng xử lý giao thức. Tuy nhiên, tùy theo từng trường hợp cụ thể mà toàn bộ hay chỉ một phần chức năng thuộc lớp 7 (lớp ứng dụng) được vi xử lý của card thực hiện, phần còn lại sẽ thuộc trách nhiệm của chương trình ứng dụng, thông qua CPU của máy tính. CP 5412 (A2) Hình 3.13: Card giao diện PROFIBUS CP5412 Siemens) Sử dụng card giao diện, một máy tính cá nhân (công nghiệp) đặt tại trung tâm có thể đồng thời thực hiện nhiệm vụ điều khiển cơ sở thay cho một PLC và đảm nhiệm chức năng hiển thị quá trình, điều khiển giám sát từ xa qua hệ thống bus trường. Thế mạnh của giải pháp “PC-based control” này chính là giá thành thấp và tính năng mở của hệ thống. Một vấn đề cố hữu của máy tính cá nhân là độ tin cậy thấp trong môi trường công nghiệp một phần được khắc phục bởi vị trí đặt xa quá trình kỹ thuật. Hơn thế nữa, có thể thiết kế một cấu hình dự phòng nóng nâng cao độ tin cậy của giải pháp. Bộ thích ứng mạng qua cổng nối tiếp/song song Trong các cấu hình ứng dụng đơn giản, có thể dùng các bộ thích ứng mạng (adapter) nối qua các cổng của máy tính như: • Các cổng nối tiếp theo chuẩn RS-232 (COM1, COM2) Bài giảng: Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội
14. 3.2 Giao diện mạng 88 • Cổng nối tiếp theo chuẩn USB (Universal Serial Bus)) • Các cổng song song (LPT1, LPT2) Như được minh họa trên Hình 3.14, một bộ thích ứng mạng có vai trò như một trạm trong mạng, thực hiện chuyển đổi tín hiệu từ một cổng nối tiếp hoặc song song của máy tính sang tín hiệu theo chuẩn của mạng, đồng thời đảm nhiệm việc xử lý giao thức truyền thông. RS-232 PC Adapter bus tr−êng Hình 3.14: Ghép nối PC với bus trường qua cổng RS-232 Giải pháp sử dụng bộ thích ứng mạng có ưu điểm là đơn giản và linh hoạt. Tuy nhiên, tốc độ truyền bị hạn chế bởi khả năng cố hữu của các cổng máy tính. Card PCMCIA Đối với các loại máy tính xách tay không có khả năng mở rộng qua các khe cắm, bên cạnh phương pháp sử dụng bộ thích ứng mạng, ta có thể ghép nối qua khe PCMCIA với kích cỡ của card bằng một thẻ điện thoại. Phương pháp này đặc biệt tiện lợi cho các máy lập trình, đặt cấu hình, tham số hóa và chẩn đoán hệ thống cho các bộ điều khiển và thiết bị trường. 3.2.4 Ghép nối vào/ra phân tán Được lắp đặt gần kề với quá trình kỹ thuật, các thiết bị vào/ra phân tán cho phép tiết kiệm một cách triệt để cáp truyền tín hiệu từ các cảm biến và cơ cấu chấp hành tới bộ điều khiển. Bên cạnh đó, cấu trúc vào/ra phân tán còn cho phép sử dụng các module vào/ra khác nhau, không nhất thiết phải đồng bộ với máy tính điều khiển (PLC, PC, DCS). Thực ra, một thiết bị vào/ra phân tán chỉ khác với một PLC ở chỗ nó không có bộ xử lý trung tâm (CPU). Thay vào đó, nó được tích hợp các vi mạch giao diện mạng cũng như phần mềm xử lý giao thức. Tùy theo cấu trúc của thiết bị vào/ra phân tán là dạng module hay dạng gọn mà phần giao diện mạng được thực hiện bằng một module riêng biệt hay không. Hình 3.15 minh họa cách nối mạng PROFIBUS-DP cho một thiết bị vào/ra phân tán có cấu trúc module. Về nguyên tắc, phương pháp này không khác so với cách ghép nối các bộ PLC như đã trình bày trên đây. Bài giảng: Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội
15. 3.2 Giao diện mạng 89 PS Interface DI DO AI AO Distributed Module I/O Cæng DP Profibus-DP Hình 3.15: Ghép nối vào/ra phân tán qua module giao diện DP 3.2.5 Ghép nối các thiết bị trường Các thiết bị đo thông minh, các van điều khiển, các thiết bị quan sát, các bộ khởi động động cơ, các bộ điều khiển số và các biến tần là những thiết bị trường tiêu biểu có thực hiện chức năng xử lý thông tin và thậm chí chức năng điều khiển tại chỗ. Ghép nối các thiết bị trường trực tiếp với nhau và với cấp điều khiển chính là cấu trúc vào/ra tiên tiến nhất, cho phép thực hiện kiến trúc điều khiển phân tán thực sự. Tương tự như đối với PLC hoặc vào/ra phân tán, việc nối mạng các thiết bị trường với nhau và với cấp điều khiển có thể thực hiện theo hai cách tương ứng là sử dụng một module truyền thông riêng biệt và sử dụng các thiết bị được tích hợp giao diện mạng. Trên Hình 3.16 và Hình 3.17 là các cấu hình minh họa cho các phương pháp ghép nối trên với ví dụ mạng DeviceNet. DeviceNet DeviceNet module Bé khëi ®éng DeviceNet module Bé ®iÒu khiÓn sè ®éng c¬ Hình 3.16: Ghép nối thiết bị trường sử dụng DeviceNet module Bài giảng: Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội
16. 3.2 Giao diện mạng 90 DeviceNet TruyÒn ®éng C¶m biÕn ThiÕt bÞ quan s¸t ®iÖn-quang Hình 3.17: Ghép nối thiết bị trường tích hợp giao diện DeviceNet Đối với các hệ bus được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp chế biến, xu hướng hiện nay một mặt là tích hợp sẵn giao diện mạng, mặt khác bổ sung các chức năng xử lý thông tin và điều khiển trên các thiết bị trường. Công nghệ vi xử lý tiên tiến ngày nay cho phép thực hiện toàn bộ các chức năng đó trên một bản vi mạch nhỏ gọn như minh họa trên Hình 3.18. Giải pháp này mang lại hàng loạt các ưu điểm như tiết kiệm dây dẫn, đầu tư ít hơn cho bộ điều khiển, tăng độ tin cậy của toàn hệ thống, tăng khả năng trao đổi thông tin. Hiện nay, Foundation Fieldbus là công nghệ đi đầu xu hướng này. Hình 3.18: Kích cỡ bản vi mạch giao diện nối bus trường so với đồng 1 Euro (hình ảnh chụp sản phẩm của hãng Bürkert) Bài giảng: Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội
17. 3.3 Phần mềm trong hệ thống mạng 91 3.3 Phần mềm trong hệ thống mạng Phần mềm của hệ thống mạng có thể được chia thành các lớp là phần mềm giao thức, phần mềm hệ thống bao gồm trình điều khiển (driver) và các trình tích hợp trong hệ điều hành, và phần mềm giao diện ứng dụng. Phần mềm giao thức thực hiện các chức năng thuộc các lớp phía trên trong mô hình OSI (có thể từ lớp 2 trở lên), ví dụ như xây dựng bức điện, bảo toàn dữ liệu, v.v Trình điều khiển có vai trò liên kết phần cứng giao diện mạng (ví dụ một card PCI) với hệ điều hành. Các trình tích hợp trong hệ điều hành có chức năng quản lý phần cứng, sắp đặt các vùng nhớ và ngắt cho trình điều khiển, kiểm soát giao tiếp giữa các chương trình ứng dụng và phần cứng giao diện mạng. Phần mềm giao diện ứng dụng, còn được gọi là giao diện lập trình, nằm ở lớp trên cùng trước khi tới chương trình ứng dụng. Quan hệ giữa các thành phần phần mềm của một hệ thống mạng được minh họa trên Hình 3.19. Ch−¬ng tr×nh Ch−¬ng tr×nh Ch−¬ng tr×nh øng dông øng dông øng dông PhÇn mÒm PhÇn mÒm giao diÖn øng dông giao diÖn øng dông HÖ ®iÒu hµnh PM giaoPM thøc PM giao thøc Tr×nh ®iÒu khiÓn Tr×nh ®iÒu khiÓn PhÇn cøng GD m¹ng PhÇn cøng GD m¹ng Hình 3.19: Quan hệ giữa các phần mềm trong hệ thống mạng 3.3.1 Phần mềm giao thức Phần mềm xử lý giao thức hay nói gọn là phần mềm giao thức là một thành phần giao diện mạng, có nhiệm vụ thực hiện các chức năng xử lý giao thức còn lại trong mô hình OSI. Phần mềm giao thức tồn tại dưới ba hình thức là phần dẻo (firmware), thành phần của hệ điều hành hoặc phần mềm thư viện. Firmware Phần mềm dưới dạng firmware được đổ cứng trong các vi mạch ghép nối ASIC, được chứa trong các bộ nhớ lâu dài (EPROM, Flash-ROM), hoặc được nạp lên một bộ nhớ RAM trước khi đi vào hoạt động. Hình thức sau cùng còn được gọi là bootloading hay downloading, phổ biến trong các card giao diện cho PC. Hầu hết các ASIC cho bus trường đều chứa toàn bộ phần mềm xử lý giao thức cho tất cả các lớp chức năng, hoặc chỉ một phần trong đó. Trong trường hợp sau, các chức năng còn lại sẽ được thực hiện bổ sung trên ASIC hoặc qua CPU chủ thông qua sử dụng các phần mềm thư viện. Bài giảng: Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội
18. 3.3 Phần mềm trong hệ thống mạng 92 Trong một số trường hợp, CPU chủ chỉ cần truy nhập trực tiếp vào một số vùng trong bộ nhớ của ASIC (ví dụ vùng nhớ DPM), phần tổ chức giao tiếp còn lại do ASIC đảm nhiệm hoàn toàn. Một số vùng nhớ như thanh ghi có thể chứa dữ liệu cấu hình, một số vùng nhớ khác như hộp thư (mailbox) có thể chứa các dữ liệu sử dụng cần trao đổi trong mạng. Thành phần của hệ điều hành Phần mềm giao thức có thể thực hiện dưới hình thức là một thành phần tùy chọn trong hệ điều hành. Thông thường, phần mềm này không thực hiện toàn bộ các lớp giao thức của một hệ thống mạng, mà chỉ thực hiện một số lớp phía trên. Ví dụ, một card giao diện Ethernet đã chứa sẵn firmware cho xử lý giao thức cấp thấp, trong khi hệ điều hành (Windows, UNIX) có thể bổ sung các phần mềm giao thức cấp trên như TCP/IP, IPX/SPX, Sự khác biệt cơ bản so với dạng firmware là phần mềm xử lý giao thức ở đây do CPU của máy chủ thực hiện, trong khi firmware do vi xử lý của phần cứng giao diện mạng thực hiện. Ưu điểm của cách thực hiện này là sự linh hoạt tối đa cho nền ứng dụng. Phần mềm thư viện Phần mềm xử lý giao thức thực hiện dưới dạng một thư viện lập trình là hình thức linh hoạt nhất, cho phép nhúng trực tiếp mã xử lý giao thức vào chương trình ứng dụng một cách có lựa chọn. Thông thường, nhà sản xuất phần cứng giao diện mạng có thể cung cấp kèm một thư viện hàm (C/C++). Cũng giống như dạng cài đặt trong hệ điều hành, mã phần mềm thư viện do CPU của máy chủ thực hiện và thông thường chỉ đảm nhiệm chức năng xử lý giao thức của các lớp trên. 3.3.2 Phần mềm giao diện lập trình ứng dụng Để các chương trình ứng dụng có thể sử dụng các dịch vụ mạng, lớp phần mềm giao diện ứng dụng có thể được thực hiện thông qua các hình thức phần mềm thư viện hoặc server. Thư viện lập trình phổ thông Các ngôn ngữ lập trình bậc cao thường được sử dụng trên nền máy tính cá nhân hoặc điều khiển nhúng, vì thế rất nhiều phần mềm giao diện ứng dụng được cung cấp dưới dạng thư viện lập trình phổ thông, đặc biệt là cho ngôn ngữ C/C++. Bên cạnh việc định nghĩa một số cấu trúc dữ liệu, các thư viện dưới dạng này cung cấp một tập hợp các hàm hoặc lớp để khai thác các dịch vụ mạng như trao đổi dữ liệu, xác định và thiết lập cấu hình. Một số nhà sản xuất còn cung cấp cả mã nguồn ANSI-C để có thể dịch trên nhiều vi xử lý khác nhau. Việc sử dụng các thư viện lập trình phổ thông thường gặp một khó khăn lớn. Đó là sự phụ thuộc không những vào các dịch vụ của một mạng cụ thể, mà còn vào cách xây dựng thư viện của nhà cung cấp sản phẩm. Điều đó có nghĩa là, đối với các mạng khác nhau hay thậm chí với cùng một loại mạng, người sử dụng cũng sẽ không có một thư viện lập trình thống nhất. Vì thế, việc tuân theo một chuẩn giao tiếp như MMS (Manufacturing Message Specification) sẽ góp phần giảm bớt sự không thống nhất này. Bài giảng: Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội
19. 3.3 Phần mềm trong hệ thống mạng 93 Thư viện hàm hoặc khối chức năng chuyên dụng Lập trình sử dụng hàm và khối chức năng là phương pháp phổ biến trong phát triển các phần mềm điều khiển. Vì thế, các nhà sản xuất PLC hoặc các bộ điều khiển khác (ví dụ trong một hệ DCS) thường cung cấp một số hàm và khối chức năng giao tiếp để có thể sử dụng tích hợp trong môi trường lập trình. Các hàm/khối chức năng này có thể có giao diện theo một chuẩn quốc tế, hoặc do riêng hãng tự đặt. Ví dụ, mô hình giao tiếp và một tập hợp các khối chức năng giao tiếp theo chuẩn IEC 61131-5 có thể tìm thấy nguyên bản hoặc biến thể trong hầu hết các công cụ lập trình cho PLC. Chuẩn 61131-5 sẽ được giới thiệu khái quát trong chương 5 của bài giảng này. Công nghệ đối tượng thành phần Một đối tượng thành phần được có thể thực hiện thông qua một thư viện liên kết động, ví dụ DLL (Dynamic Link Library) hoặc một chương trình server, cho phép sử dụng bằng nhiều ngôn ngữ lập trình khác nhau. Tốt hơn nữa là nếu các đối tượng thành phần này được thực hiện theo một mô hình chuẩn quốc tế hay chuẩn công nghiệp. Hai mô hình đối tượng thành phần cho các ứng dụng phân tán được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay là CORBA (Common Object Request Broker Architecture) chuẩn hóa quốc tế bởi tổ chức OMG (Object Management Group) và chuẩn Microsoft DCOM (Distributed Component Object Model). OPC chính là một chuẩn công nghiệp dựa trên mô hình DCOM và có ý nghĩa quan trọng hơn cả trong lĩnh vực tự động hóa công nghiệp, sẽ được đề cập chi tiết hơn ở chương 5. Bài giảng: Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội
20. 3.4 Thiết bị liên kết mạng 94 3.4 Thiết bị liên kết mạng Để cho dòng dữ liệu giữa hai phần mạng có thể truyền qua lại cho nhau được người ta sử dụng các thiết bị liên kết đặc biệt. Thông thường thì mỗi phần mạng được thiết lập các giao thức truyền thông riêng, các giao thức này có thể giống nhau hoặc khác so với các phần mạng còn lại. Vấn đề là làm thế nào có thể liên kết hai mạng lại, mà người sử dụng hoàn toàn không phải thiết lập lại giao thức truyền thông. Tùy theo những đặc điểm giống và khác nhau giữa hai phần mạng cần liên kết, có thể thực hiện được bằng cách chọn các loại thiết bị liên kết cho phù hợp trong số các loại kết nối như bộ lặp (repeater), cầu nối (bridge), router và gateway. Những thiết bị liên kết này được chọn theo nhiệm vụ của chúng theo mô hình ISO/OSI. 3.4.1 Bộ lặp Tín hiệu từ một trạm phát ra trên đường truyền khi tới các trạm khác bao giờ cũng bị suy giảm và biến dạng, ít hay nhiều tùy theo đặc tính của cáp truyền và đặc tính tần số của tín hiệu. Chính vì vậy mà có sự liên quan ràng buộc giữa tốc độ truyền (quyết định tần số tín hiệu) với chiều dài tối đa của dây dẫn. Mặt khác, các chuẩn truyền dẫn như RS-485 cũng qui định chặt chẽ đặc tính điện học của các thiết bị ghép nối (được coi như tải), dẫn đến sự hạn chế về số trạm tham gia. Để mở rộng khoảng cách truyền cũng như nâng cao số trạm tham gia thì cách thông thường là sử dụng các bộ lặp (repeater). Vai trò của bộ lặp là sao chép, khuếch đại và hồi phục tín hiệu mang thông tin trên đường truyền. Hai phần mạng có thể liên kết với nhau qua một bộ lặp được gọi là các đoạn mạng (segment), chúng phải giống nhau hoàn toàn cả về tất cả các lớp giao thức và kể cả đường truyền vật lý. Mặc dù các đoạn mạng về mặt logic vẫn thuộc một mạng duy nhất, tức các trạm của chúng phải có địa chỉ riêng biệt, mỗi đoạn mạng được coi như cách ly về mặt điện học. Vì vậy, số lượng các trạm trong toàn mạng có thể lớn hơn chuẩn truyền dẫn qui định. Như Hình 3.20 minh họa, chức năng của một bộ lặp có thể coi như thuộc phần dưới của lớp vật lý nếu đối chiếu với mô hình OSI. Chú ý rằng, bộ lặp chỉ nối được hai đoạn đường dẫn của cùng một hệ thống truyền thông, thực hiện cùng một giao thức và môi trường truyền dẫn cũng hoàn toàn giống nhau. Trường hợp một thiết bị có chức năng kết nối hai đoạn mạng có môi trường truyền dẫn khác nhau (ví dụ một bên dùng cáp quang, một bên dùng cáp đồng trục), ta dùng khái niệm bộ chuyển đổi hoặc bộ thích ứng. Bài giảng: Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội
21. 3.4 Thiết bị liên kết mạng 95 CT øng dông CT øng dông 7 7 6 6 5 5 4 4 3 3 2 Repeater 2 1 1 1 VD: Profibus VD: Profibus segment 1 segment 2 Hình 3.20: Repeater trong mô hình OSI Khác với một bộ khuếch đại tín hiệu, một bộ lặp không chỉ làm nhiệm vụ khuếch đại các tín hiệu bị suy giảm, mà còn chỉnh dạng và tái tạo tín hiệu trong trường hợp tín hiệu bị nhiễu. Một bộ lặp tuy không có một địa chỉ riêng, không tham gia trực tiếp vào các hoạt động giao tiếp nhưng vẫn được coi là một trạm, hay một thành viên trong mạng. 3.4.2 Cầu nối Cầu nối (bridge) phục vụ cho việc liên kết các mạng con với nhau, chỉ khi phần phía trên của lớp 2 của chúng (được gọi là lớp điều khiển kết nối logic, Logical Link Control-LLC) làm việc với cùng một giao thức. Môi trường truyền dẫn và phương pháp điều khiển truy nhập đường dẫn cho mỗi một mạng con có thể khác nhau. Cầu nối được sử dụng khi liên kết các mạng con có cấu trúc khác nhau hoặc do một yêu cầu thiết kế đặc biệt nào đó. Nhiệm vụ của cầu nối nhiều khi chỉ để giải quyết vấn đề điều khiển truy nhập môi trường (MAC), còn chức năng của lớp LLC không bị thay đổi gì. Trong trường hợp này, cầu nối có thể được sử dụng cho ghép nối các mạng con mà môi trường truyền dẫn có thể khác nhau, ví dụ giữa cáp đồng trục với cáp quang, hoặc ghép nối các mạng con có phương pháp truy nhập bus khác nhau, ví dụ giữa Token Ring và Ethernet. Hình 3.21 minh họa nguyên tắc làm việc của một cầu nối. Đối chiếu với mô hình OSI thì một cầu nối làm việc trên cơ sở lớp LLC, tức phần trên của lớp 2. Như vậy, nó sẽ phải thực hiện các giao thức phía dưới lớp này cho cả hai phần mạng để có thể chuyển đổi các bức điện qua lại. Bản thân một cầu nối không có địa chỉ mạng riêng. Bài giảng: Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội
22. 3.4 Thiết bị liên kết mạng 96 CT øng dông CT øng dông 7 7 6 6 5 5 4 4 3 Bridge 3 2 LLC 2 MAC MAC 1 1 1 1 VD: Token Bus VD: Ethernet Hình 3.21: Bridge trong mô hình OSI 3.4.3 Router Router có nhiệm vụ liên kết hai mạng với nhau trên cơ sở lớp 3 theo mô hình OSI. Router cũng có chức năng xác định đường đi tối ưu cho một gói dữ liệu cho hai đối tác thuộc các mạng khác nhau (routing). Các mạng được liên kết có thể khác nhau ở hai lớp 1 và 2, nhưng bắt buộc phải giống nhau ở lớp 3. Mỗi mạng đều có một địa chỉ riêng biệt và một không gian địa chỉ riêng. Điều đó có nghĩa là, hai trạm thuộc hai mạng khác nhau có thể có cùng một địa chỉ, tuy nhiên chúng được phân biệt bởi địa chỉ của mạng. Cũng như các nút mạng khác, tương ứng với mỗi mạng router có một địa chỉ riêng. Như vậy, nếu một router ghép nối n mạng thì bản thân nó có n địa chỉ - các trạm trong một mạng chỉ nhìn thấy một địa chỉ của router. Hình 3.22 mô tả nguyên tắc làm việc của router trong mô hình OSI. Đối với bus trường, lớp 3 hầu như không có ý nghĩa, vì vậy router chỉ có vai trò quan trọng trong các hệ thống mạng cao cấp hơn như mạng cục bộ (LAN) hoặc mạng diện rộng (WAN). Trong việc giao tiếp liên mạng thì mã địa chỉ trong một bức điện bao gồm nhiều thành phần, trong đó có địa chỉ của nơi gửi, nơi nhận cũng như các thành phần mô tả địa chỉ mạng mà bức điện cần đi qua. Để thực hiện được việc tìm đường đi tối ưu, router phải thay đổi các thành phần liên quan trong mã địa chỉ này trước khi truyền tiếp dữ liệu đi, nhờ một thuật toán cho trước và một bảng chứa những thông tin cần thiết của các mạng tham gia. Tiêu chuẩn cho đường đi tối ưu phụ thuộc vào qui định cụ thể, ví dụ đường truyền đến địa chỉ cần gửi là ngắn nhất, thời gian truyền thông tin ngắn nhất, qua ít thiết bị truyền tin trung gian nhất hay giá thành hợp lý nhất, hoặc cũng có thể kết hợp nhiều yếu tố khác nhau. Bài giảng: Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội
23. 3.4 Thiết bị liên kết mạng 97 CT øng dông CT øng dông 7 7 6 6 5 5 4 Router 4 3 3 3 3 3 2 2 2 2 1 1 1 1 VD: Token Ring VD: X.25 Hình 3.22: Router trong mô hình OSI 3.4.4 Gateway Gateway được sử dụng để liên kết các hệ thống mạng khác nhau (các hệ thống bus khác nhau). Nhiệm vụ chính của gateway là chuyển đổi giao thức ở cấp cao, thường được thực hiện bằng các thành phần phần mềm. Như vậy, gateway không nhất thiết phải là một thiết bị đặc biệt, mà có thể là một máy tính PC với các phần mềm cần thiết. Tuy nhiên, cũng có các sản phẩm phần cứng chuyên dụng thực hiện chức năng gateway. Hình 3.23 minh họa nguyên tắc làm việc của một gateway. Chính vì nguyên tắc hoạt động trên lớp ứng dụng, nên gateway cho phép liên kết các hệ thống theo mô hình kiến trúc bảy lớp OSI và cả các hệ thống không theo mô hình này. CT øng dông Gateway CT øng dông 7 7 7 7 7 6 6 6 6 5 5 5 5 4 4 4 4 3 3 3 3 2 2 2 2 1 1 1 1 VD: Profibus VD: Interbus-S Hình 3.23: Gateway trong mô hình OSI Một câu hỏi mang tính chất lý thuyết nhiều hơn là ý nghĩa thực tế là khả năng liên kết hay khả năng chuyển đổi giữa các hệ thống mạng khác nhau, đặc biệt là giữa các hệ Bài giảng: Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội
24. 3.4 Thiết bị liên kết mạng 98 thống bus trường3. Trong khi việc chuẩn hóa các hệ thống bus còn mang nhiều vấn đề thì người sử dụng thường mong đợi sự tương thích giữa chúng ở một mức độ nào đó. Tuy nhiên, trước khi trả lời câu hỏi này ta cần phải làm rõ hai vấn đề sau: • Sự liên kết hay chuyển đổi giữa hai hệ thống mạng nói chung và ở cấp trường nói riêng nhằm mục đích cụ thể gì? • Hai hệ thống mạng có cùng thực hiện một số dịch vụ tương đương hay không? Nếu như mục đích của việc liên kết chỉ là khả năng truy nhập dữ liệu xuyên suốt mạng, thì không nhất thiết phải dùng những bộ chuyển đổi “trực tuyến” (on-wire). Một giải pháp đơn giản, thông dụng hơn nhiều là sử dụng một thiết bị trung gian có vai trò tương tự như một gateway, ví dụ một PLC hay một PC, như trong các cấu hình hệ thống phân cấp thường gặp trong thực tế. 3 Phải nói một cách chính xác hơn là khả năng liên kết giữa các thiết bị hỗ trợ hai hệ thống mạng khác nhau. Bài giảng: Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội
25. 3.5 Các linh kiện mạng khác 99 3.5 Các linh kiện mạng khác Bộ nối (connector) Bộ nối là linh kiện liên kết giữa cáp truyền với phần cứng giao diện mạng của một thiết bị tham gia. Các phích cắm Sub-D (RS-485, RS-232), các bộ nối chữ T (Ethernet), các bộ nối cáp quang (optical link module, OLM) là một vài ví dụ tiêu biểu. Đối với cấu trúc mạng đường thẳng kiểu daisy-chain, người ta có thể kết hợp chức năng trở đầu cuối trên bộ nối. Trên Hình 3.24 là hình ảnh một phích cắm PROFIBUS, trên đó có công tắc chuyển chế độ trở đầu cuối (ON = chặn, OFF = không chặn). Hình 3.24: M ột bộ nối PROFIBUS (Sub- D) Thông thường, các bộ nối chỉ có chức năng thích ứng giao diện cơ học. Đối với một mạng cáp quang, các bộ nối thường phức tạp hơn rất nhiều. Bên cạnh việc thực hiện việc chuyển đổi qua lại giữa các tín hiệu điện và quang, một số bộ nối quang còn có chức năng cách ly và by-pass để có thể tách một trạm ra khỏi mạng trong trường hợp có sự cố trên trạm. Bộ chia (hub) Trong một mạng hoặc một phần mạng có cấu trúc hình sao, một trạm trung tâm đóng vai trò trung chuyển thông tin một cách thụ động được gọi là bộ chia (hub, tap, ports, ). Giống như một ổ chia điện, bộ chia chỉ có chức năng đơn thuần là phân chia và chuyển tiếp thông tin từ một cổng sang tất cả các cổng còn lại. Nguyên tắc làm việc của bộ chia được minh họa trên Hình 3.25. Ví dụ, thông tin từ trạm 2 gửi cho một trạm bất kỳ cũng sẽ được chuyển tới tất cả các trạm khác. Vì vậy, tuy cấu trúc về mặt vật lý ở đây là hình sao, nhưng cấu trúc về mặt logic lại là dạng bus. Lưu ý rằng trong một số mạng đơn giản, ví dụ DeviceNet hoặc AS-Interface, một module vào/ra cũng có thể kết hợp đóng vai trò một bộ chia. Bài giảng: Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội
26. 3.5 Các linh kiện mạng khác 100 1 2 3 1 2 3 HUB SWITCH 4 5 6 4 5 6 Hình 3.25: Nguyên tắc làm việc của bộ chia và bộ chuyển mạch Bộ chuyển mạch (switch) Một bộ chuyển mạch được sử dụng để ghép nối nhiều thiết bị vào mạng, tương tự như một bộ chia. Khác với một bộ chia, một bộ chuyển mạch đóng vai trò chủ động, kiểm soát toàn bộ các hoạt động giao tiếp trong mạng. Thông tin từ một trạm gửi tới một trạm khác không được chuyển tới các cổng khác ngoài cổng tương ứng với trạm đích. Hình 3.25 bên phải minh họa nguyên tắc hoạt động của một bộ chuyển mạch. Một bức điện từ trạm 2 gửi cho trạm 4 chỉ được chuyển tới cổng tương ứng với trạm 4. Cơ chế này giúp cho hạn chế xung đột trên đường truyền, đặc biệt với các phương pháp truy nhập bus ngẫu nhiên. Bài giảng: Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội
27. 3.5 Các linh kiện mạng khác 101 3.6 Tài liệu tham khảo [1] Siemens: SIMATIC NET - Industrial Communication Networks. Siemens AG 1998. [2] Rockwell Automation: Manuals On-line, DataDisc 1. Rockwell International Corporation, Inc. 1999. [3] SISCO: Overview and Introduction to the Manufacturing Message Specification (MMS). Revision 2, SISCO Inc., 1995. [4] IEC 61131-5: Programmable Controllers – Part 5: Communication. International Electrotechnical Commission. [5] OPC Taskforce: OLE for Process Control - Data Access Specification, Version 2.0A, 1998, www.opcfoundation.org. Các trang Web về bus trường [6] AS-Interface: [7] Bitbus: [8] CAN: [9] ControlNet: [10] DeviceNet: [11] EIB: [12] Foundation Fieldbus: [13] INTERBUS: [14] LON: [15] Modbus: [16] P-NET: [17] PROFIBUS: [18] SwiftNet: [19] WorldFIP: Bài giảng: Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội
28. 4.1 PROFIBUS 102 Chương 4: Các hệ thống bus tiêu biểu 4.1 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 còn được đưa vào trong chuẩn IEC 61784 – một chuẩn mở rộng trên cơ sở IEC 61158 cho các hệ thống sản xuất công nghiệp. 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. Với mục đích quảng bá cũng như hỗ trợ việc phát triển và sử dụng các sản phẩm tương thích PROFIBUS, một tổ chức người sử dụng đã được thành lập, mang tên PROFIBUS Nutzerorganisation (PNO). Từ năm 1995, tổ chức này nằm trong một hiệp hội lớn mang tên PROFIBUS International (PI) với hơn 1.100 thành viên trên toàn thế giới. PROFIBUS định nghĩa các đặc tính của một hệ thống bus cho phép kết nối nhiều thiết bị khác nhau, từ các 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. Bước tiếp theo là 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 kiểu 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 PROFIBUS-DP xuống cấp trường cho lĩnh vực công nghiệp chế biến. Ngày nay, PROFIBUS là hệ bus trường hàng đầu thế giới với hơn 20% thị phần và với hơn 5 triệu thiết bị lắp đặt trong khoảng 500.000 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. Bài giảng: Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội
29. 4.1 PROFIBUS 103 4.1.1 Kiến trúc giao thức PROFIBUS chỉ thực hiện các lớp 1, lớp 2 và lớp 7 theo mô hình qui chiếu OSI, như minh họa trên Hình 4.1. Tuy nhiên, PROFIBUS-DP và -PA bỏ qua cả lớp 7 nhằm tối ưu hóa việc trao đổi dữ liệu quá trình giữa cấp điều khiển với cấp chấp hành. Một số chức năng còn thiếu được bổ sung qua lớp giao diện sử dụng nằm trên lớp 7. Bên cạnh các hàm dịch vụ DP cơ sở và mở rộng được qui định tại lớp giao diện sử dụng, hiệp hội PI còn đưa ra một số qui định chuyên biệt (profiles) về đặc tính và chức năng đặc thù của thiết bị cho một số lĩnh vực ứng dụng tiêu biểu. Các đặc tả này nhằm mục đích tạo khả năng tương tác và thay thế lẫn nhau của thiết bị từ nhiều nhà sản xuất. PROFIBUS-FMS PROFIBUS-DP PROFIBUS-PA Giao diÖn FMS-Profiles DP-Profiles PA-Profiles sö dông C¸c chøc n¨ng DP më réng C¸c chøc n¨ng DP c¬ së Líp 7 Fieldbus Message Specification (FMS) Líp 3-6 Kh«ng thÓ hiÖn Líp 2 Fieldbus Data Link (FDL) Líp 1 RS-485/RS-485IS/C¸p quang MBP (IEC 1158-2) Hình 4.1: Kiến trúc giao thức của PROFIBUS Cả ba 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 thiết bị được qui định khác nhằm phù hợp với môi trường làm việc dễ cháy nổ. Kỹ thuật truyền dẫn MBP (Manchester coded, 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 (Fieldbus Message Specification) và LLI (Lower Layer Interface), trong đó FMS chính là một tập con của chuẩn MMS (xem chi tiết trong chương 5). Lớp FMS đảm nhiệm 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 qui định về kỹ thuật truyền dẫn tín hiệu, môi 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-IS 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 có thể sử dụng trong môi trường đòi hỏi an toàn cháy nổ. Bài giảng: Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội
30. 4.1 PROFIBUS 104 Lớp liên kết dữ liệu ở PROFIBUS được gọi là FDL (Fieldbus Data Link), có chức năng kiểm soát truy nhập bus, cung cấp các dịch vụ cơ bản (cấp thấp) cho việc trao đổi dữ liệu một cách tin cậy, không phụ thuộc vào phương pháp truyền dẫn ở lớp vật lý. 4.1.2 Cấu trúc mạng và kỹ thuật truyền dẫn Truyền dẫn với RS-485 Chuẩn PROFIBUS theo IEC 61158 qui 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 thông 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 các tốc độ truyền từ 1,5 Mbit/s trở lên yêu cầu cấu trúc daisy-chain. • 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 100 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 4.1. • Số lượng tối đa các trạm trong mỗi đoạn 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 4.1: Chiều dài tối đa của một đoạn mạng PROFIBUS (cáp STP loại A) Tốc độ (kbit/s) 9,6/19,2/ 187.5 500 1500 3000/6000/ 45,45/93,75 12000 Chiều dài 1200 1000 400 200 100 (mét) 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 DESINA • Bộ nối kiểu lai của Siemens. Bài giảng: Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội
31. 4.1 PROFIBUS 105 Truyền dẫn với RS-485IS Một trong những ưu điểm của RS-485 là cho phép truyền tốc độ cao, vì thế nó được phát triển để có thể phù hợp với môi trường đòi hỏi an toàn cháy nổ. Với RS-485IS (IS : Intrinsically Safe), tổ chức PNO đã đưa ra các chỉ dẫn và các qui định ngặt nghèo về mức điện áp và mức dòng tiêu thụ của các thiết bị làm cơ sở cho các nhà cung cấp. Khác với mô hình FISCO chỉ cho phép một nguồn tích cực an toàn riêng, ở đây mỗi trạm đều là một nguồn tích cực. Khi ghép nối tất cả các nguồn tích cực, dòng tổng cộng của tất cả các trạm không được phép vượt quá một giá trị tối đa cho phép. Các thử nghiệm cho thấy cũng có thể ghép nối tối đa 32 trạm trong một đoạn mạng RS-485IS. Truyền dẫn với cáp quang Cáp quang thích hợp đặc biệt trong các lĩnh vực ứng dụng có môi trường làm việc nhiễu mạnh hoặc đòi hỏi phạm vi phủ mạng lớn. Các loại cáp quang có thể sử dụng ở đây là: • Sợi thủy tinh đa chế độ với khoảng cách truyền tối đa 2-3km và sợi thủy tinh đơn chế độ với khoảng cách truyền có thể trên 15km. • Sợi chất dẻo với chiều dài tối đa 80m và sợi HCS với chiều dài tối đa 500m. Do đặc điểm liên kết điểm-điểm ở cáp quang, cấu trúc mạng chỉ có thể là hình sao hoặc mạch vòng. Trong thực tế, cáp quang thường được sử dụng hỗn hợp với RS-485 nên cấu trúc mạng phức tạp hơn. Truyền dẫn với MBP Trong một số ngành công nghiệp chế biến, đặc biệt là ngành xăng dầu, hóa chất, môi trường làm việc rất nhạy cảm với xung điện nên mức điện áp cao trong chuẩn truyền dẫn RS-485 không thích hợp. PROFIBUS-PA sử dụng lớp vật lý theo phương pháp MBP (chuẩn IEC 1158-2 cũ). Phương pháp mã hóa bit Manchester rất bền vững với nhiễu nên cho phép sử dụng mức tín hiệu thấp hơn nhiều so với RS-485, đồng thời cho phép các thiết bị tham gia bus được cung cấp nguồn với cùng đường dẫn tín hiệu. Kỹ thuật truyền dẫn MBP thông thường được sử dụng cho một đoạn mạng an toàn riêng (thiết bị trường trong khu vực dễ cháy nổ), được ghép nối với đoạn RS-485 qua các bộ nối đoạn (segment coupler) hoặc các liên kết (link). Một segment coupler hoạt động theo nguyên tắc chuyển đổi tín hiệu ở lớp vật lý, vì vậy có sự hạn chế về tốc độ truyền bên đoạn RS-485. Trong khi đó, một link ánh xạ toàn bộ các thiết bị trường trong một đoạn MBP thành một trạm tớ duy nhất trong đoạn RS-485, không hạn chế tốc độ truyền bên đoạn RS-485. Với MBP, các cấu trúc mạng có thể sử dụng là đường thẳng (đường trục/đường nhánh), hình sao hoặc cây. Cáp truyền thông dụng là đôi dây xoắn STP với trở đầu cuối dạng RC (100Ω và 2μF). Số lượng trạm tối đa trong một đoạn là 32, tuy nhiên số lượng thực tế phụ thuộc vào công suất bộ nạp nguồn bus. Trong khu vực nguy hiểm, công suất bộ nạp nguồn bị hạn chế, vì thế số lượng thiết bị trường có thể ghép nối tối đa thông thường là 8-10. Số lượng bộ lặp tối đa là 4, tức 5 đoạn mạng. Với chiều dài tối đa một đoạn mạng là 1900m, tổng chiều dài của mạng sử dụng kỹ thuật MBP có thể lên tới 9500m. Bài giảng: Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội
32. 4.1 PROFIBUS 106 4.1.3 Truy nhập bus PROFIBUS phân biệt hai loại thiết bị chính là trạm chủ (master) và trạm tớ (slave). Các trạm chủ có khả năng kiểm soát truyền thông trên bus. Một trạm chủ có thể gửi thông tin khi nó giữ quyền truy nhập bus. Một trạm chủ còn được gọi là trạm tích cực. Các trạm tớ chỉ được truy nhập bus khi có yêu cầu của trạm chủ. Một trạm tớ phải thực hiện ít dịch vụ hơn, tức xử lý giao thức đơn giản hơn so với các trạm chủ, vì vậy giá thành thường thấp hơn nhiều. Một trạm tớ còn được gọi là trạm thụ động. Hai phương pháp truy nhập bus có thể được áp dụng độc lập hoặc kết hợp là Token- Passing và Master/Slave. Nếu áp dụng độc lập, Token-Passing thích hợp với các mạng FMS dùng ghép nối các thiết bị điều khiển và máy tính giám sát đẳng quyền, trong khi Master/Slave thích hợp với việc trao đổi dữ liệu giữa một thiết bị điều khiển với các thiết bị trường cấp dưới sử dụng mạng DP hoặc PA. Khi sử dụng kết hợp (Hình 4.2), nhiều trạm tích cực có thể tham gia giữ Token. Một trạm tích cực nhận được Token sẽ đóng vai trò là chủ để kiểm soát việc giao tiếp với các trạm tớ nó quản lý, hoặc có thể tự do giao tiếp với các trạm tích cực khác trong mạng. Vßng token logic gi÷a c¸c thiÕt bÞ Master C¸c tr¹m tÝch cùc, Master PLC PC PLC PROFIBUS M M T C¸c tr¹m thô ®éng, Slave Hình 4.2: Cấu hình Multi-Master trong PROFIBUS Chính vì nhiều trạm tích cực có thể đóng vai trò là chủ, cấu hình truy nhập bus kết hợp giữa Token-Passing và Master/Slave còn được gọi là nhiều chủ (Multi-Master). Thời gian vòng lặp tối đa để một trạm tích cực lại nhận được Token có thể chỉnh được bằng tham số. Khoảng thời gian này chính là cơ sở cho việc tính toán chu kỳ thời gian của cả hệ thống. 4.1.4 Dịch vụ truyền dữ liệu Các dịch vụ truyền dữ liệu thuộc lớp 2 trong mô hình OSI, hay còn gọi là lớp FDL (Fieldbus Data Link), chung cho cả FMS, DP và PA. PROFIBUS chuẩn hóa bốn dịch vụ trao đổi dữ liệu, trong đó ba thuộc phạm trù dịch vụ không tuần hoàn và một thuộc phạm trù dịch vụ tuần hoàn, cụ thể là: • SDN (Send Data with No Acknowledge): Gửi dữ liệu không xác nhận • SDA (Send Data with Acknowledge): Gửi dữ liệu với xác nhận Bài giảng: Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội
33. 4.1 PROFIBUS 107 • SRD (Send and Request Data with Reply): Gửi và yêu cầu dữ liệu • CSRD (Cyclic Send and Request Data with Reply): Gửi và yêu cầu dữ liệu tuần hoàn. Hình thức thực hiện các dịch vụ này được minh họa trên Hình 4.3. Các dịch vụ không tuần hoàn thường được sử dụng để truyền các dữ liệu có tính chất bất thường, ví dụ các thông báo sự kiện, trạng thái và đặt chế độ làm việc, vì vậy còn được gọi là các dịch vụ truyền thông báo. DÞch vô kh«ng tuÇn hoµn DÞch vô tuÇn hoµn (TruyÒn th«ng b¸o) (B d ) Göi d÷ liÖu kh«ng x¸c nhËn (SDN) Göi vµ yªu cÇu d÷ liÖu tuÇn hoµn (CSRD) (broadcast) D÷ liÖu D÷ liÖu Tr¹m n Göi d÷ liÖu víi x¸c nhËn (SDA) D÷ liÖu D÷ liÖu D÷ liÖu X¸c nhËn Tr¹m n+1 D÷ liÖu Göi vµ yªu cÇu d÷ liÖu (SRD) D÷ liÖu Tr¹m n+2 D÷ liÖu D÷ liÖu D÷ liÖu Hình 4.3: Các dịch vụ truyền dữ liệu PROFIBUS Dịch vụ SDN được dùng chủ yếu cho việc gửi đồng loạt (broadcast) hoặc gửi tới nhiều đích (multicast). Một trạm tích cực có thể gửi một bức điện đồng loạt tới tất cả hoặc tới một số trạm khác mà không cần cũng như không thể đòi hỏi xác nhận. Có thể lấy một vài ví dụ tiêu biểu như việc tham số hóa, cài đặt và khởi động chương trình trên nhiều trạm cùng một lúc. Để thực hiện theo các chế độ này, không cần phải gửi các bức điện tới từng địa chỉ mà chỉ cần gửi một bức điện duy nhất mang địa chỉ đặt trước là 127. Chính vì vậy, các trạm chỉ có thể nhận địa chỉ từ 0-126. Các dịch vụ còn lại chỉ phục vụ trao đổi dữ liệu giữa hai đối tác. SDA và SRD đều là những dịch vụ trao đổi dữ liệu không tuần hoàn cần có xác nhận, trong đó với SRD bên nhận có trách nhiệm gửi kết quả đáp ứng trở lại. Hai dịch vụ này được dùng phổ biến trong việc trao đổi dữ liệu giữa trạm chủ và trạm tớ. Ví dụ máy tính điều khiển (trạm chủ) dùng SDA để thay đổi chế độ làm việc của một thiết bị trường (trạm tớ), hoặc dùng SRD để đòi một thiết bị trường thông báo trạng thái làm việc. Dịch vụ trao đổi dữ liệu tuần hoàn duy nhất (CSRD) được qui định với mục đích hỗ trợ việc trao đổi dữ liệu quá trình ở cấp chấp hành, giữa các module vào/ra phân tán, các thiết bị cảm biến và cơ cấu chấp hành với máy tính điều khiển. Dịch vụ này khác với SRD ở chỗ là chỉ cần một lần yêu cầu duy nhất từ một lớp trên xuống, sau đó các đối tác logic thuộc lớp 2 tự động thực hiện tuần hoàn theo chu kỳ đặt trước. Một trạm chủ sẽ có Bài giảng: Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội
34. 4.1 PROFIBUS 108 trách nhiệm hỏi tuần tự các trạm tớ và yêu cầu trao đổi dữ liệu theo một trình tự nhất định. Phương pháp đó được gọi là polling. Vì thế, dữ liệu trao đổi luôn có sẵn sàng tại lớp 2, tạo điều kiện cho các chương trình ứng dụng trao đổi dữ liệu dưới cấp trường một cách hiệu quả nhất. Khi một chương trình ứng dụng cần truy nhập dữ liệu quá trình, nó chỉ cần trao đổi với thành phần thuộc lớp 2 trong cùng một trạm mà không phải chờ thực hiện truyền thông với các trạm khác. Ngoài các dịch vụ trao đổi dữ liệu, lớp 2 của PROFIBUS còn cung cấp các dịch vụ quản trị mạng. Các dịch vụ này phục vụ việc đặt cấu hình, tham số hóa, đặt chế độ làm việc, đọc các thông số và trạng thái làm việc của các trạm cũng như đưa ra các thông báo sự kiện. 4.1.5 Cấu trúc bức điện Một bức điện (telegram) trong giao thức thuộc lớp 2 của PROFIBUS được gọi là khung (frame). Ba loại khung có khoảng cách Hamming là 4 và một loại khung đặc biệt đánh dấu một token được qui định như sau: • Khung với chiều dài thông tin cố định, không mang dữ liệu: SD1 DA SA FC FCS ED • Khung với chiều dài thông tin cố định, mang 8 byte dữ liệu: SD3 DA SA FC DU FCS ED • Khung với chiều dài thông tin khác nhau, với 1-246 byte dữ liệu: SD2 LE LEr SD2 DA SA FC DU FCS ED • Token: SD4 DA SA Các ô DA, SA, FC và DU (nếu có) được coi là phần mang thông tin. Trừ ô DU, mỗi ô còn lại trong một bức điện đều có chiều dài 8 bit (tức một ký tự) với các ý nghĩa cụ thể như sau: Bảng 4.2: Ngữ nghĩa khung bức điện FDL Ký hiệu Tên đầy đủ Ý nghĩa SD1 Start Delimiter Byte khởi đầu, phân biệt giữa các loại khung SD4 SD1 = 10H, SD2=68H, SD3 = A2H, SD4=DCH LE Length Chiều dài thông tin (4-249 byte) LEr Length repeated Chiều dài thông tin nhắc lại vì lý do an toàn DA Destination Address Địa chỉ đích (trạm nhận), từ 0-127 SA Source Address Địa chỉ nguồn (trạm gửi), từ 0-126 Bài giảng: Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội
35. 4.1 PROFIBUS 109 DU Data Unit Khối dữ liệu sử dụng FC Frame Control Byte điều khiển khung FCS Frame Check Sequence Byte kiểm soát lỗi, HD = 4 ED End Delimiter Byte kết thúc, ED = 16H Byte điều khiển khung (FC) dùng để phân biệt các kiểu bức điện, ví dụ bức điện gửi hay yêu cầu dữ liệu (Send and/or Request) cũng như xác nhận hay đáp ứng (Acknowledgement/Response). Bên cạnh đó, byte FC còn chứa thông tin về việc thực hiện hàm truyền, kiểm soát lưu thông để tránh việc mất mát hoặc gửi đúp dữ liệu cũng như thông tin kiểu trạm, trạng thái FDL. PROFIBUS-FMS và -DP sử dụng phương thức truyền không đồng bộ, vì vậy việc đồng bộ hóa giữa bên gửi và bên nhận phải thực hiện với từng ký tự. Cụ thể, mỗi byte trong bức điện từ lớp 2 khi chuyển xuống lớp vật lý được xây dựng thành một ký tự UART dài 11 bit, trong đó một bit khởi đầu (Start bit), một bit chẵn lẻ (parity chẵn) và một bit kết thúc (Stop bit). D·y bit truyÒn ®i 1234567891011 20 27 LSB MSB 0 b1b2b3b4b5b6b7b8P 1 Start bit (ST) Stop bit (SP) Parity bit (ch½n) Hình 4.4: Ký tự khung UART sử dụng trong PROFIBUS Việc thực hiện truyền tuân thủ theo các nguyên tắc sau đây: • Trạng thái bus rỗi tương ứng với mức tín hiệu của bit 1, tức mức tín hiệu thấp theo phương pháp mã hóa bit NRZ (0 ứng với mức cao). • Trước một khung yêu cầu (request frame) cần một thời gian rỗi tối thiểu là 33 bit phục vụ mục đích đồng bộ hóa giữa hai bên gửi và nhận. • Không cho phép thời gian rỗi giữa các ký tự UART của một khung. • Với mỗi ký tự UART, bên nhận kiểm tra các bit khởi đầu, bit cuối và bit chẵn lẻ (parity chẵn). Với mỗi khung, bên nhận kiểm tra các byte SD, DA, SA, FCS, ED, LE/LEr (nếu có) cũng như thời gian rỗi trước mỗi khung yêu cầu. Nếu có lỗi, toàn bộ khung phải hủy bỏ. Trong trường hợp gửi dữ liệu với xác nhận (SDA), bên nhận có thể dùng một ký tự duy nhất SC=E5H để xác nhận. Ký tự duy nhất SC này cũng được sử dụng để trả lời yêu cầu dữ liệu (SRD) trong trường hợp bên được yêu cầu không có dữ liệu đáp ứng. Bài giảng: Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội
36. 4.1 PROFIBUS 110 4.1.6 PROFIBUS-FMS Mặc dù PROFIBUS-FMS không được chuẩn hóa trong IEC 61158 và một phần vì thế vai trò của nó cũng mờ nhạt dần trong các phát triển tiếp theo, ứng dụng của nó đã có một vai trò nhất định trong một số lĩnh vực công nghiệp chế tạo, lắp ráp. Sử dụng PROFIBUS-FMS là bus hệ thống, các máy tính điều khiển có thể được ghép nối theo cấu hình nhiều chủ để giao tiếp với nhau và với các thiết bị trường thông minh dưới hình thức gửi các thông báo. Ở đây, phạm vi chức năng, dịch vụ cao cấp là tính năng được coi trọng hơn so với thời gian phản ứng của hệ thống. Do đặc điểm của các ứng dụng trên cấp điều khiển và điều khiển giám sát, dữ liệu được trao đổi chủ yếu với tính chất không định kỳ. Đối chiếu với mô hình OSI, lớp ứng dụng của PROFIBUS-FMS bao gồm hai lớp con là FMS và LLI (Lower Layer Interface). Bởi các lớp từ 3 đến 6 không xuất hiện ở đây, lớp LLI có vai trò thích ứng, chuyển dịch các dịch vụ giữa lớp FMS và lớp FDL (lớp 2). Giao diện giữa FMS với các quá trình ứng dụng được thực hiện bởi lớp ALI (Application Layer Interface). Qu¸ tr×nh øng dông ThÝch øng dÞch vô ThÝch øng c¸c dÞch víi FMS ALI vô víi øng dông T¹o c¸c khèi DL FMS DiÔn gi¶i c¸c giao thøc (PDU) PDU Líp 7 Qu¶n trÞ m¹ng ChuyÓn dÞch sang ChuyÓn dÞch sang LLI (FMA) c¸c dÞch vô FDL c¸c dÞch vô FMS Líp 1 / 2 Líp vËt lý vµ líp liªn kÕt d÷ liÖu Hình 4.5: Kiến trúc FMS trong mô hình OSI FMS (Fieldbus Message Specification) thực chất là một tập con của MMS (Manufacturing Message Specification), một chuẩn giao thức và dịch vụ lớp 7 theo mô hình OSI cho kiểu giao tiếp hướng thông báo (message-oriented communication) được áp dụng rộng rãi trong công nghiệp. Cũng như các giao thức khác, FMS không chỉ chuẩn hóa ý nghĩa của các thông báo (ngữ nghĩa), mà còn cả cấu trúc bức điện của các thông báo (cú pháp). Giao tiếp hướng đối tượng PROFIBUS-FMS cho phép thực hiện các hoạt động giao tiếp hướng đối tượng theo cơ chế Client/Server. Ở đây, ý nghĩa của phương thức hướng đối tượng là quan điểm thống nhất trong giao tiếp dữ liệu, không phụ thuộc vào các đặc điểm của nhà sản xuất thiết bị hay của lĩnh vực ứng dụng cụ thể. Bài giảng: Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội
37. 4.1 PROFIBUS 111 Các phần tử có thể truy nhập được từ một trạm trong mạng, đại diện cho các đối tượng thực hay các biến quá trình được gọi là các đối tượng giao tiếp. Ví dụ, giá trị đo của một cảm biến nhiệt hoặc trạng thái logic của một van đóng/mở có thể được đại diện qua các đối tượng giao tiếp tương ứng. Các thành viên trong mạng giao tiếp thông qua các đối tượng này. Việc truy nhập các đối tượng có thể thực hiện theo nhiều cách khác nhau. Phương pháp hiệu quả nhất là sử dụng chỉ số đối tượng (object index), còn gọi là phương pháp định địa chỉ logic. Chỉ số có thể coi là căn cước của một đối tượng nội trong một thành viên của mạng, được biểu diễn bằng một số thứ tự 16 bit. Nhờ vậy, các khung thông báo sẽ có chiều dài ngắn nhất so với các phương pháp khác. Một khả năng thứ hai là truy nhập thông qua tên hình thức (nhãn) của đối tượng, hay còn gọi là tag. Mỗi đối tượng có một tên hình thức phân biệt thống nhất. Phương pháp này thể hiện ưu điểm ở tính trực quan, dễ theo dõi trong quá trình thực hiện một dự án. Thiết bị trường ảo (VFD) Thiết bị trường ảo (Virtual Field Device, VFD) là một mô hình trừu tượng, mô tả các dữ liệu, cấu trúc dữ liệu và đặc tính của một thiết bị tự động hóa dưới giác độ của một đối tác giao tiếp. Một đối tượng VFD chứa tất cả các đối tượng giao tiếp và danh mục mô tả các đối tượng mà các đối tác giao tiếp có thể truy nhập qua các dịch vụ. Một đối tượng VFD được sắp xếp tương ứng với đúng một quá trình ứng dụng. Một thiết bị thực có thể chứa nhiều đối tượng VFD, trong đó địa chỉ của mỗi đối tượng VFD được xác định qua các điểm đầu cuối giao tiếp của nó. Việc mô tả một đối tượng VFD được qui định chặt chẽ trong chuẩn EN 50170. Quan hệ giao tiếp Ngoại trừ các hình thức gửi đồng loạt (broadcast và multicast), việc trao đổi thông tin trong FMS luôn được thực hiện giữa hai đối tác truyền thông dưới hình thức có nối theo cơ chế Client/Server. Một client được hiểu là một chương trình ứng dụng (nói chính xác hơn là một quá trình ứng dụng) gửi yêu cầu để truy nhập các đối tượng. Còn một server chính là một chương trình cung cấp các dịch vụ truyền thông thông qua các đối tượng. Mối quan hệ giao tiếp giữa một client và một server được gọi là một kênh logic. Về nguyên tắc, một chương trình ứng dụng có thể đóng cả hai vai trò là client và server. Mỗi thành viên trong mạng có thể đồng thời có nhiều quan hệ giao tiếp với cùng một thành viên khác, hoặc với các thành viên khác nhau. Mỗi quan hệ giao tiếp được mô tả bởi một số các thông số trong một communication reference (CR), bao gồm địa chỉ trạm đối tác (remote addresss), điểm truy nhập dịch vụ (service access point, SAP), các loại dịch vụ được hỗ trợ và chiều dài các bộ nhớ đệm. Mỗi CR phải được người sử dụng định nghĩa trong quá trình thực hiện dự án, trước khi mạng đưa vào hoạt động. Tất cả các CR của một thành viên cần được đưa vào một danh sách quan hệ giao tiếp (communication relationship list, CRL). Trước khi hai đối tác thực hiện truyền thông, chúng phải tạo một kênh tương ứng. Khi đó các thông số định nghĩa trong CR sẽ được hai bên kiểm tra để khẳng định tính tương thích. Bài giảng: Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội
38. 4.1 PROFIBUS 112 Dịch vụ truyền thông Với mục đích hỗ trợ nhiều thể loại ứng dụng mạng khác nhau, PROFIBUS-FMS chuẩn hóa một loạt các dịch vụ, có thể chia thành hai phạm trù là các dịch vụ ứng dụng và các dịch vụ quản trị. Các dịch vụ ứng dụng bao gồm: • Variable Access: Truy nhập dữ liệu • Program Invocation: Đối tượng chương trình, liên kết các domain thành một chương trình và kiểm soát các hoạt động của chương trình • Domain Management: Quản lý miền nhớ, truyền nạp và quản lý các vùng nhớ có liên kết logic • Event Management: Hỗ trợ xử lý sự kiện (kiểm soát bởi các chương trình ứng dụng). Các dịch vụ quản lý gồm có: • VFD Support: Hỗ trợ thiết bị ảo, cung cấp thông tin về các thiết bị trường thông qua đối tượng thiết bị trường ảo VFD (Virtual Field Device) • Object List Management: Quản lý danh mục các đối tượng • Context Management: Quản lý ngữ cảnh, có nghĩa là quản lý các mối liên kết (tạo nối, ngắt nối). 4.1.7 PROFIBUS-DP PRFIBUS-DP được phát triển nhằm đáp ứng các yêu cầu cao về tính năng thời gian trong trao đổi dữ liệu dưới cấp trường, ví dụ giữa thiết bị điều khiển khả trình hoặc máy tính cá nhân công nghiệp với các thiết bị trường phân tán như I/O, các thiết bị đo, truyền động và van. Việc trao đổi dữ liệu ở đây chủ yếu được thực hiện tuần hoàn theo cơ chế chủ/tớ. Các dịch vụ truyền thông cần thiết được định nghĩa qua các chức năng DP cơ sở theo chuẩn EN 50 170. Bên cạnh đó, DP còn hỗ trợ các dịch vụ truyền thông không tuần hoàn, phục vụ tham số hóa, vận hành và chẩn đoán các thiết bị trường thông minh. Đối chiếu với mô hình OSI, PROFIBUS-DP chỉ thực hiện các lớp 1 và 2 vì lý do hiệu suất xử lý giao thức và tính năng thời gian. Tuy nhiên, DP định nghĩa phía trên lớp 7 một lớp ánh xạ liên kết với lớp 2 gọi là DDLM (Direct Data Link Mapper) cũng như một lớp giao diện sử dụng (User Interface Layer) chứa các hàm DP cơ sở và các hàm DP mở rộng. Trong khi các hàm DP cơ sở chủ yếu phục vụ trao đổi dữ liệu tuần hoàn, thời gian thực, các hàm DP mở rộng cung cấp các dịch vụ truyền dữ liệu không định kỳ như tham số thiết bị, chế độ vận hành và thông tin chẩn đoán. Với các phát triển mới gần đây, PROFIBUS-DP được coi là kỹ thuật truyền thông, là giao thức truyền thông duy nhất trong công nghệ PROFIBUS. Giao thức PROFIBUS- DP được chia thành ba phiên bản với các ký hiệu DP-V0, DP-V1 và DP-V2. Phiên bản DP-V0 qui định các chức năng DP cơ sở, bao gồm: • Trao đổi dữ liệu tuần hoàn Bài giảng: Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội
39. 4.1 PROFIBUS 113 • Chẩn đoán trạm, module và kênh • Hỗ trợ đặt cấu hình với tập tin GSD. Phiên bản DP-V1 bao gồm các chức năng của DP-V0 và các chức năng DP mở rộng, trong đó có: • Trao đổi dữ liệu không tuần hoàn giữa PC hoặc PLC với các trạm tớ • Tích hợp khả năng cấu hình với các kỹ thuật hiện đại EDD (Electronic Device Description) và FDT (Field Device Tool) • Các khối chức năng theo chuẩn IEC 61131-3 • Giao tiếp an toàn (PROFIsafe) • Hỗ trợ cảnh báo và báo động. Phiên bản DP-V2 mở rộng DP-V1 với các chức năng sau đây: • Trao đổi dữ liệu giữa các trạm tới theo cơ chế chào hàng/đặt hàng (publisher/subscriber) • Chế độ giao tiếp đẳng thời • Đồng bộ hóa đồng hồ và đóng dấu thời gian • Hỗ trợ giao tiếp qua giao thức HART • Truyền nạp các vùng nhớ lên và xuống • Khả năng dự phòng. Các phiên bản DP được mô tả chi tiết trong chuẩn IEC 61158. Phần dưới đây chỉ giới thiệu một cách sơ lược các điểm quan trọng. Cấu hình hệ thống và kiểu thiết bị PROFIBUS-DP cho phép sử dụng cấu hình một trạm chủ (Mono-Master) hoặc nhiều trạm chủ (Multi-Master). Cấu hình hệ thống định nghĩa số trạm, gán các địa chỉ trạm cho các địa chỉ vào/ra, tính nhất quán dữ liệu vào/ra, khuôn dạng các thông báo chẩn đoán và các tham số bus sử dụng. Trong cấu hình nhiều chủ, tất cả các trạm chủ đều có thể đọc ảnh dữ liệu đầu vào/ra của các trạm tớ. Tuy nhiên, duy nhất một trạm chủ được quyền ghi dữ liệu đầu ra. Tùy theo phạm vi chức năng, kiểu dịch vụ thực hiện, người ta phân biệt các kiểu thiết bị DP như sau: • Trạm chủ DP cấp 1 (DP-Master Class 1, DPM1): Các thiết bị thuộc kiểu này trao đổi dữ liệu với các trạm tớ theo một chu trình được qui định. Thông thường, đó là các bộ điều khiển trung tâm, ví dụ PLC hoặc PC, hoặc các module thuộc bộ điều khiển trung tâm. • Trạm chủ DP cấp 2 (DP-Master Class 2, DPM2): Các máy lập trình, công cụ cấu hình và vận hành, chẩn đoán hệ thống bus. Bên cạnh các dịch vụ của cấp 1, Bài giảng: Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội
40. 4.1 PROFIBUS 114 các thiết bị này còn cung cấp các hàm đặc biệt phục vụ đặt cấu hình hệ thống, chẩn đoán trạng thái, truyền nạp chương trình,v.v • Trạm tớ DP (DP-Slave): Các thiết bị tớ không có vai trò kiểm soát truy nhập bus, vì vậy chỉ cần thực hiện một phần nhỏ các dịch vụ so với một trạm chủ. Thông thường, đó là các thiết bị vào/ra hoặc các thiết bị trường (truyền động, HMI, van, cảm biến) hoặc các bộ điều khiển phân tán. Một bộ điều khiển PLC (với các vào/ra tập trung) cũng có thể đóng vai trò là một trạm tớ thông minh. Trong thực tế, một thiết bị có thể thuộc một kiểu riêng biệt nói trên, hoặc phối hợp chức năng của hai kiểu. Ví dụ, một thiết bị có thể phối hợp chức năng của DPM1 với DPM2, hoặc trạm tớ với DPM1. Việc đặt cấu hình hệ thống được thực hiện bằng các công cụ (phần mềm). Thông thường, một công cụ cấu hình cho phép người sử dụng bổ sung và tham số hóa nhiều loại thiết bị của cùng một nhà sản xuất một cách tương đối đơn giản, bởi các thông tin tính năng cần thiết của các thiết bị này đã được đưa vào cơ sở dữ liệu của công cụ cấu hình. Còn với thiết bị của các hãng khác, công cụ cấu hình đòi hỏi tập tin mô tả đi kèm, gọi là tập tin GSD (Geräte-stammdaten). Đặc tính vận hành hệ thống Chuẩn DP mô tả chi tiết đặc tính vận hành hệ thống để đảm bảo tính tương thích và khả năng thay thế lẫn nhau của các thiết bị. Trước hết, đặc tính vận hành của hệ thống được xác định qua các trạng thái hoạt động của các thiết bị chủ: • STOP: Không truyền dữ liệu sử dụng giữa trạm chủ và trạm tớ, chỉ có thể chẩn đoán và tham số hóa. • CLEAR: Trạm chủ đọc thông tin đầu vào từ các trạm tớ và giữ các đầu ra ở giá trị an toàn • OPERATE: Trạm chủ ở chế độ trao đổi dữ liệu đầu vào và đầu ra tuần hoàn với các trạm tớ. Trạm chủ cũng thường xuyên gửi thông tin trạng thái của nó tới các trạm tớ sử dụng lệnh gửi đồng loạt vào các khoảng thời gian đặt trước. Các hàm DP cơ sở cho phép đặt trạng thái làm việc cho hệ thống. Phản ứng của hệ thống đối với một lỗi xảy ra trong quá trình truyền dữ liệu của trạm chủ (ví dụ khi một trạm tớ có sự cố) được xác định bằng tham số cấu hình “auto-clear”. Nếu tham số này được chọn đặt, trạm chủ sẽ đặt đầu ra cho tất cả các trạm tớ của nó về trạng thái an toàn trong trường hợp một trạm tớ có sự cố, sau đó trạm chủ sẽ tự chuyển về trạng thái CLEAR. Nếu tham số này không được đặt, trạm chủ sẽ vẫn tiếp tục giữ ở trạng thái OPERATE. Trao đổi dữ liệu tuần hoàn Trao đổi dữ liệu giữa trạm chủ và các trạm tớ gán cho nó được thực hiện tự động theo một trình tự qui đinh sẵn. Khi đặt cấu hình hệ thống bus, người sử dụng định nghĩa các trạm tớ cho một thiết bị DPM1, qui định các trạm tớ tham gia và các trạm tớ không tham gia trao đổi dữ liệu tuần hoàn. Bài giảng: Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội
41. 4.1 PROFIBUS 115 Trước khi thực hiện trao đổi dữ liệu tuần hoàn, trạm chủ chuyển thông tin cấu hình và các tham số đã được đặt xuống các trạm tớ. Mỗi trạm tớ sẽ kiểm tra các thông tin về kiểu thiết bị, khuôn dạng và chiều dài dữ liệu, số lượng các đầu vào/ra. Chỉ khi thông tin cấu hình đúng với cấu hình thực của thiết bị và các tham số hợp lệ thì nó mới bắt đầu thực hiện trao đổi dữ liệu tuần hoàn với trạm chủ. Trong mỗi chu kỳ, trạm chủ đọc các thông tin đầu vào lần lượt từ các trạm tớ lên bộ nhớ đệm cũng như đưa các thông tin đầu ra từ bộ nhớ đệm xuống lần lượt các trạm tớ theo một trình tự qui định sẵn trong danh sách (polling list). Mỗi trạm tớ cho phép truyền tối đa 246 Byte dữ liệu đầu vào và 246 Byte dữ liệu đầu ra. Nguyên tắc trao đổi dữ liệu tuần hoàn chủ/tớ được minh họa trên Hình 4.6. Với mỗi trạm tớ, trạm chủ gửi một khung yêu cầu và chờ đợi một khung đáp ứng (bức điện trả lời hoặc xác nhận). Thời gian trạm chủ cần để xử lý một lượt danh sách hỏi tuần tự chính là chu kỳ bus. Đương nhiên, chu kỳ bus cần phải nhỏ hơn chu kỳ vòng quét của chương trình điều khiển. Thực tế, thời gian cần thiết để truyền 512 bit dữ liệu đầu vào và 512 bit dữ liệu đầu ra với 32 trạm và với tốc độ truyền 12Mbit/s nhỏ hơn 2ms. yªu cÇu D÷ liÖu ®Çu ra D÷ liÖu ®Çu ra Slave 1 Slave 1 ®¸p øng ù D÷ liÖu ®Çu vµo D÷ liÖu ®Çu vµo D÷ liÖu ®Çu ra Slave 2 D÷ liÖu ®Çu vµo danh s¸ch hái tuÇn t yªu cÇu D÷ liÖu ®Çu ra D÷ liÖu ®Çu ra Slave n ®¸p øng Slave n D÷ liÖu ®Çu vµo D÷ liÖu ®Çu vµo DP-Master Hình 4.6: Nguyên tắc trao đổi dữ liệu tuần hoàn Master/Slave Mô hình DP-Slave hỗ trợ cấu trúc kiểu module của các thành viên. Mỗi module được xếp một số thứ tự khe cắm bắt đầu từ 1, riêng module có số thứ tự khe cắm 0 phục vụ việc truy nhập toàn bộ dữ liệu của thiết bị. Toàn bộ dữ liệu vào/ra của các module được chuyển chung trong một khối dữ liệu sử dụng của trạm tớ. Giao tiếp dữ liệu được giám sát bởi cả hai bên trạm chủ và trạm tớ. Bên trạm tớ sử dụng cảnh giới (watchdog) để giám sát việc giao tiếp với trạm chủ và sẽ đặt đầu ra về một giá trị an toàn, nếu nội trong một khoảng thời gian qui định không có dữ liệu từ trạm chủ đưa xuống. Bài giảng: Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội
42. 4.1 PROFIBUS 116 Đồng bộ hóa dữ liệu vào/ra Trong các giải pháp điều khiển sử dụng bus trường, một trong những vấn đề cần phải giải quyết là việc đồng bộ hóa các đầu vào và đầu ra. Một thiết bị chủ có thể đồng bộ hóa việc đọc các đầu vào cũng như đặt các đầu ra qua các bức điện gửi đồng loạt. Một trạm chủ có thể gửi đồng loạt (broadcast, multicast) lệnh điều khiển để đặt chế độ đồng bộ cho một nhóm trạm tớ như sau: • Lệnh SYNC: Đưa một nhóm trạm tớ về chế độ đồng bộ hóa đầu ra. Ở chế độ này, đầu ra của tất cả các trạm tớ trong nhóm được giữ nguyên ở trạng thái hiện tại cho tới khi nhận được lệnh SYNC tiếp theo. Trong thời gian đó, dữ liệu đầu ra được lưu trong vùng nhớ đệm và chỉ được đưa ra sau khi (đồng loạt) nhận được lệnh SYNC tiếp theo. Lệnh UNSYNC sẽ đưa các trạm tớ về chế độ bình thường (đưa đầu ra tức thì). • Lệnh FREEZE: Đưa một nhóm các trạm tớ về chế độ đồng bộ hóa đầu vào. Ở chế độ này, tất cả các trạm tớ trong nhóm được chỉ định không được phép cập nhật vùng nhớ đệm dữ liệu đầu vào, cho tới khi (đồng loạt) nhận được lệnh FREEZE tiếp theo. Trong thời gian đó trạm chủ vẫn có thể đọc giá trị đầu vào (không thay đổi) từ vùng nhớ đệm của các trạm tớ. Lệnh UNFREEZE sẽ đưa các trạm tớ về chế độ bình thường (đọc đầu vào tức thì). Tham số hóa và chẩn đoán hệ thống Trong trường hợp có thông tin chẩn đoán, ví dụ báo cáo trạng thái vượt ngưỡng hay các báo động khác, một DP-Slave có thể thông báo cho trạm chủ của nó qua bức điện trả lời. Nhận được thông báo, trạm chủ sẽ có trách nhiệm tra hỏi trạm tớ liên quan về các chi tiết thông tin chẩn đoán. Để thực hiện truyền nạp các bộ tham số hoặc đọc các tập dữ liệu tương đối lớn, PROFIBUS-DP cung cấp các dịch vụ không tuần hoàn là DDLM_Read và DDLM_Write. Trong mỗi chu kỳ bus, trạm chủ chỉ cho phép thực hiện được một dịch vụ. Tốc độ trao đổi dữ liệu tuần hoàn vì thế không bị ảnh hưởng đáng kể. Dữ liệu không tuần hoàn được định địa chỉ qua số thứ tự của khe cắm và chỉ số của tập dữ liệu thuộc khe cắm đó. Mỗi khe cắm cho phép truy nhập tối đa là 256 tập dữ liệu. Các hàm chẩn đoán của DP cho phép định vị lỗi một cách nhanh chóng. Các thông tin chẩn đoán được truyền qua bus và thu thập tại trạm chủ. Các thông báo này được phân chia thành ba cấp: • Chẩn đoán trạm: Các thông báo liên quan tới trạng thái hoạt động chung của cả trạm, ví dụ tình trạng quá nhiệt hoặc sụt áp • Chẩn đoán module: Các thông báo này chỉ thị lỗi nằm ở một khoảng vào/ra nào đó của một module • Chẩn đoán kênh: Trường hợp này, nguyên nhân của lỗi nằm ở một bit vào/ra (một kênh vào/ra) riêng biệt. Ngoài ra, phiên bản DP-V1 còn mở rộng thêm hai loại thông báo chẩn đoán nữa là: Bài giảng: Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội
43. 4.1 PROFIBUS 117 • Thông báo cảnh báo/báo động liên quan tới các biến quá trình, trạng thái cập nhật dữ liệu và các sự kiện tháo/lắp module thiết bị. • Thông báo trạng thái phục vụ mục đích bảo trì phòng ngừa, đánh giá thống kê số liệu, Giao tiếp trực tiếp giữa các trạm tớ (DXB) Trao đổi dữ liệu giữa các trạm tớ là một yêu cầu thiết thực đối với cấu trúc điều khiển phân tán thực sự sử dụng các thiết bị trường thông minh. Như ta đã biết, cơ chế giao tiếp chủ-tớ thuần túy làm giảm hiệu suất trao đổi dữ liệu cho trường hợp này. Chính vì thế, phiên bản DP-V2 đã bổ sung một cơ chế trao đổi dữ liệu trực tiếp theo kiểu chào hàng/đặt hàng giữa các trạm tớ. Như trên Hình 4.7 minh họa, một trạm tớ (ví dụ một cảm biến) có thể đóng vai trò là “nhà xuất bản” hay “nhà cung cấp” dữ liệu. Khối dữ liệu sẽ được gửi đồng loạt tới tất cả các trạm tớ (ví dụ một van điều khiển, một biến tần) đã đăng ký với vai trò “người đặt hàng” mà không cần đi qua trạm chủ. Với cơ chế này, không những hiệu suất sử dụng đường truyền được nâng cao, mà tính năng đáp ứng của hệ thống còn được cải thiện rõ rệt. Điều này đặc biệt quan trọng đối với các ứng dụng đòi hỏi tính năng thời gian thực ngặt nghèo, hoặc đối với các ứng dụng sử dụng kỹ thuật truyền dẫn tốc độ thấp (ví dụ MBP). DP Master Cấp 1 DP Slave DP Slave DP Slave (chào hàng) (đặt hàng) (đặt hàng) Hình 4.7: Giao tiếp trực tiếp giữa các trạm tớ Chế độ đẳng thời Đối với một số ứng dụng như điều khiển truyền động điện, điều khiển chuyển động, cơ chế giao tiếp theo kiểu hỏi tuần tự hoặc giao tiếp trực tiếp tớ-tớ chưa thể đáp ứng được đòi hỏi cao về tính năng thời gian thực. Vì vậy, phiên bản DP-V2 bổ sung chế độ đẳng thời (isochronous mode), cho phép thực hiện giao tiếp theo cơ chế chủ/tớ kết hợp với TDMA. Nhờ một thông báo điều khiển toàn cục gửi đồng loạt, toàn bộ các trạm trong mạng được đồng bộ hóa thời gian với độ chính xác tới micro-giây. Việc giao tiếp được thực hiện theo một lịch trình đặt trước, không phụ thuộc vào tải tức thời trên bus. Do hạn chế được độ rung (jitter), cơ chế này cho phép phối hợp hoạt động một cách chặt chẽ và nhịp nhàng giữa các trạm trên bus. Một ví dụ ứng dụng tiêu biểu là bài toán điều khiển chuyển động, trong đó trạm chủ đóng vai trò bộ điều khiển vị trí và một số trạm tớ là các biến tần với chức năng điều khiển tốc độ động cơ. Bài giảng: Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội
44. 4.1 PROFIBUS 118 4.1.8 PROFIBUS-PA PROFIBUS-PA (Process Automation) là một thể loại bus trường thích hợp cho các hệ thống điều khiển trong các ngành công nghiệp chế biến, đặc biệt là trong hóa chất và hóa dầu. Thực chất, PROFIBUS-PA là một sự mở rộng của PROFIBUS-DP với kỹ thuật truyền dẫn MBP theo IEC 1158-2 cũ và một số qui định chuyên biệt (profile) về thông số và đặc tính của cho các thiết bị trường. Các qui định chuyên biệt này tạo điều kiện cho khả năng tương tác và thay thế lẫn nhau giữa các thiết bị của nhiều nhà sản xuất khác nhau. Việc mô tả các chức năng và đặc tính hoạt động của các thiết bị dựa mô hình khối chức năng quen thuộc. Xét về mặt kỹ thuật, PROFIBUS-PA không những hoàn toàn có thể thay thế các phương pháp truyền tín hiệu với 4-20 mA hoặc HART, mà còn đem lại nhiều ưu thế của một hệ thống bus trường. Với khả năng đồng tải nguồn, PROFIBUS-PA cho phép nối mạng các thiết bị đo lường và điều khiển tự động trong các ứng dụng công nghiệp chế biến bằng một cáp đôi dây xoắn duy nhất, sử dụng tốc độ truyền cố định là 31.25 kbit/s. PROFIBUS-PA cũng cho phép thực hiện bảo trì, bảo dưỡng cũng như thay thế các trạm thiết bị trong khi vận hành. Đặc biệt, PRFIBUS-PA được phát triển để thích hợp sử dụng trong các khu vực nguy hại, dễ cháy nổ thuộc kiểu bảo vệ “an toàn riêng”4 (EEx ia/ib) hoặc “đóng kín”5 (EEx d). Kiến trúc giao thức Xét theo mô hình qui chiếu OSI, PROFIBUS-PA giống hoàn toàn PROFIBUS-DP từ lớp liên kết dữ liệu (FDL) trở lên. Vì vậy việc ghép nối giữa hai hệ thống có thể thực hiện đơn giản qua các bộ chuyển đổi (DP/PA-Link hoặc DP/PA-Coupler), như được minh họa trên Hình 4.8. Mỗi thiết bị trường PA cũng được coi như một DP-Slave. Các giá trị đo, giá trị điều khiển và trạng thái của các thiết bị trường PA trao đổi tuần hoàn với DP-Master (DPM1) qua các chức năng DP cơ sở (DP-V0). Mặt khác, các dữ liệu không tuần hoàn như tham số thiết bị, chế độ vận hành, thông tin bảo dưỡng và chẩn đoán được trao đổi với các công cụ phát triển (DPM2) qua các chức năng DP mở rộng (DP-V1). Bên cạnh các chức năng DP chuẩn, PA còn bổ sung một hàm quản trị hệ thống có đồng bộ hóa thời gian. Giao diện bus an toàn riêng (EEx ia/ib) Các yêu cầu cụ thể đặt ra cho một giao diện bus PROFIBUS-PA an toàn riêng bao gồm: • Một đoạn mạng chỉ được phép có một nguồn nuôi tích cực. • Mỗi trạm tiêu thụ một dòng cơ sở cố định (≥ 10mA) ở trạng thái xác lập. • Mỗi trạm được coi như một tải tiêu thụ dòng thụ động, điện cảm và điện dung nội bỏ qua được. • Mỗi trạm khi phát tín hiệu đi không được phép nạp thêm nguồn vào đường bus. 4 “intrinsically safe” 5 “encapsulation” Bài giảng: Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội
45. 4.1 PROFIBUS 119 PLC PC (DP-Master) (DP-Master) PROFIBUS-DP PROFIBUS-PA I/O ph©n t¸n DP/PA-Link (DP-Slave) (DP-Slave) Hình 4.8: Cấu hình ghép nối PROFIBUS-DP/PA PA-Profile PA-Profile hỗ trợ khả năng tương tác và thay thế lẫn nhau giữa các thiết bị của nhiều nhà sản xuất khác nhau. Các thiết bị trường PA được chia thành hai loại, dựa theo các profile như sau: • Profile cấp A: Qui định đặc tính và chức năng cho các thiết bị đơn giản như các cảm biến nhiệt độ, áp suất, đo mức hoặc lưu lượng và các cơ cấu truyền động. Các giá trị cũng như tham số có thể truy nhập là giá trị và trạng thái biến quá trình, đơn vị đo, phạm vi làm việc, giới hạn trễ (hysteresis) và ngưỡng cảnh báo. • Profile cấp B: Qui định đặc tính và chức năng cho các thiết bị có chức năng phức hợp, hay còn gọi là các thiết bị trường thông minh. Bên cạnh các chức năng của cấp A, các chức năng này bao hàm khả năng gán địa chỉ tự động, đồng bộ hóa thời gian, cơ sở dữ liệu phân tán, tự mô tả thiết bị qua ngôn ngữ DDL (Device Description Language) và lập lịch khối chức năng. Các khối PA PA-Profile sử dụng mô hình khối để mô tả các chức năng và tham số thiết bị. Mỗi khối đại diện cho một chức năng sử dụng, ví dụ vào hoặc ra tương tự. Các khối chức năng có thể được liên kết logic với nhau qua các đầu vào và đầu ra, tạo ra một chương trình ứng dụng. Trên thực tế, một mối liên kết logic giữa hai khối chức năng thuộc hai trạm thiết bị sẽ được thực hiện bằng một mối liên kết truyền thông của hệ thống bus. Ba loại khối đặc thù cho các thiết bị PA là: • Khối vật lý (physical block) chứa các thông tin chung của một thiết bị như tên thiết bị, nhà sản xuất, chủng loại, mã số serie. • Khối biến đổi (transducer block) chứa các tham số cần thiết cho việc ghép nối một thiết bị trường với quá trình kỹ thuật, ví dụ các thông tin phục vụ chỉnh định (calibration) và chẩn đoán vào/ra. Bài giảng: Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội
46. 4.1 PROFIBUS 120 • Khối chức năng có trách nhiệm thực hiện chức năng vào/ra (AI, AO, DI, DO) nằm trong một sách lược điều khiển. Các khối được các nhà sản xuất thực hiện và tích hợp trong các thiết bị trường. Các công cụ phát triển có thể truy nhập các khối, đặt tham số và liên kết chúng với nhau tạo nên các chương trình ứng dụng. 4.1.9 Tài liệu tham khảo [1] Chuẩn DIN 19245: PROFIBUS-Norm. Beuth-Verlag, Berlin,1995. [2] Chuẩn EN 50170 (Vol. 2): PROFIBUS Specification, Normative Parts. PROFIBUS International, 1998. [3] Chuẩn IEC 61158 (Part 2-6): Digital data communications for measurement and control - Fieldbus for use in industrial control systems. [4] K. Bender: PROFIBUS - Der Feldbus für die Automation. 2. Auflage, Hanser-Verlag, München 1992. [5] PROFIBUS International: PROFIBUS Technical Overview. PROFIBUS International, 1999. www.profibus.com. [6] PROFIBUS International: PROFIBUS Technology and Application. PROFIBUS International, 2003. www.profibus.com. [7] Jonas Berge: Fieldbuses for Process Control: Engineering, Operation and Maintenance. ISA, 2002. Bài giảng: Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội
47. 4.2 Modbus 121 4.2 Modbus Modbus là một giao thức do hãng Modicon (sau này thuộc AEG và Schneider Automation) phát triển. Theo mô hình ISO/OSI thì Modbus thực chất 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, MAP (Manufacturing Message Protocol), Modbus Plus và ngay cả qua đường truyền nối tiếp 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. Tất cả các bộ điều khiển của Modicon đều sử dụng Modbus là ngôn ngữ chung. 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. Vì lý do đơn giản nên Modbus có ảnh hưởng tương đối mạnh đối với các hệ PLC của các nhà sản xuất khác. Cụ thể, trong mỗi PLC người ta cũng có thể tìm thấy một tập hợp con các dịch vụ đã đưa ra trong Modbus. Đặc biệt 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, RTU) với thiết bị truyền dữ liệu (Modem). 4.2.1 Cơ chế giao tiếp Cơ chế giao tiếp ở Modbus phụ thuộc vào hệ thống truyền thông cấp thấp. Cụ thể, có thể phân chia ra hai loại là mạng Modbus chuẩn và Modbus trên các mạng khác (ví dụ TCP/IP, Modbus Plus, MAP). Mạng Modbus chuẩn Các cổng Modbus chuẩn trên các bộ điều khiển của Modicon cũng như một số nhà sản xuất khác sử dụng giao diện nối tiếp RS-232C. Các bộ điều khiển này có thể được nối mạng trực tiếp hoặc qua modem. Các trạm Modbus giao tiếp với nhau qua cơ chế chủ/tớ (Master/Slave), trong đó chỉ một thiết bị chủ có thể chủ động gửi yêu cầu, còn các thiết bị tớ sẽ đáp ứng bằng dữ liệu trả lại hoặc thực hiện một hành động nhất định theo như yêu cầu. Các thiết bị chủ thông thường là các máy tính điều khiển trung tâm và các thiết bị lập trình, trong khi các thiết bị tớ có thể là PLC hoặc các bộ điều khiển số chuyên dụng khác. Một trạm chủ có thể gửi thông báo yêu cầu tới riêng một trạm tớ nhất định, hoặc gửi thông báo đồng loạt (broadcast) tới tất cả các trạm tớ. Chỉ trong trường hợp nhận được yêu cầu riêng, các trạm tớ mới gửi thông báo đáp ứng trả lại trạm chủ. Trong một thông báo yêu cầu có chứa địa chỉ trạm nhận, mã hàm dịch vụ bên nhận cần thực hiện, dữ liệu đi kèm và thông tin kiểm lỗi. Modbus trên các mạng khác Với một số mạng như Modbus Plus và MAP sử dụng Modbus là giao thức cho lớp ứng dụng, các thiết bị có thể giao tiếp theo cơ chế riêng của mạng đó. Ví dụ trong giao tiếp tay đôi (Peer-to-Peer), mỗi bộ điều khiển có thể đóng vai trò là chủ hoặc tớ trong các lần giao dịch (một chu kỳ yêu cầu-đáp ứng) khác nhau. Một trạm có thể cùng một Bài giảng: Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội
48. 4.2 Modbus 122 lúc có quan hệ logic với nhiều đối tác, vì vậy nó có thể đồng thời đóng vai trò là chủ và tớ trong các giao dịch khác nhau. Nhìn nhận ở mức giao tiếp thông báo, giao thức Modbus vẫn tuân theo nguyên tắc chủ/tớ mặc dù phương pháp giao tiếp mạng cấp thấp có thể là tay đôi. Khi một bộ điều khiển gửi một yêu cầu thông báo thì nó đóng vai trò là chủ và chờ đợi đáp ứng từ một thiết bị tớ. Ngược lại, một bộ điều khiển sẽ đóng vai trò là tớ nếu nó nhận được thông báo yêu cầu từ một trạm khác và phải gửi trả lại đáp ứng. Chu trình yêu cầu-đáp ứng Giao thức Modbus định nghĩa khuôn dạng của thông báo yêu cầu cũng như của thông báo đáp ứng, như được minh họa trên Hình 4.9. Một thông báo yêu cầu bao gồm các phần sau: • Địa chỉ trạm nhận yêu cầu (0-247), trong đó 0 là địa chỉ gửi đồng loạt. • Mã hàm gọi chỉ thị hành động trạm tớ cần thực hiện theo yêu cầu. Ví dụ, mã hàm 03 yêu cầu trạm tớ đọc nội dung các thanh ghi lưu dữ và trả lại kết quả. • Dữ liệu chứa các thông tin bổ sung mà trạm tớ cần cho việc thực hiện hàm được gọi. Trong trường hợp đọc thanh ghi, dữ liệu này chỉ rõ thanh ghi đầu tiên và số lượng các thanh ghi cần đọc. • Thông tin kiểm lỗi giúp trạm tớ kiểm tra độ vẹn toàn của nội dung thông báo nhận được. Th«ng b¸o yªu cÇu tõ master §Þa chØ thiÕt bÞ §Þa chØ thiÕt bÞ M· hµm M· hµm D÷ liÖu D÷ liÖu KiÓm so¸t lçi KiÓm so¸t lçi Th«ng b¸o ®¸p øng tõ slave Hình 4.9: Chu trình yêu cầu-đáp ứng Modbus Thông báo đáp ứng cũng bao gồm các thành phần giống như thông báo yêu cầu. Địa chỉ ở đây là của chính trạm tớ đã thực hiện yêu cầu và gửi lại đáp ứng. Trong trường hợp bình thường, mã hàm được giữ nguyên như trong thông báo yêu cầu và dữ liệu chứa kết quả thực hiện hành động, ví dụ nội dung hoặc trạng thái các thanh ghi. Nếu Bài giảng: Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội
49. 4.2 Modbus 123 xảy ra lỗi, mã hàm quay lại được sửa để chỉ thị đáp ứng là một thông báo lỗi, còn dữ liệu mô tả chi tiết lỗi đã xảy ra. Phần kiểm lỗi giúp trạm chủ xác định độ chính xác của nội dung thông báo nhận được. 4.2.2 Chế độ truyền Khi thực hiện Modbus trên các mạng khác như Modbus Plus hoặc MAP, các thông báo Modbus được đưa vào các khung theo giao thức vận chuyển/liên kết dữ liệu cụ thể. Ví dụ, một lệnh yêu cầu đọc nội dung các thanh ghi có thể được thực hiện giữa hai bộ điều khiển ghép nối qua Mobus Plus. 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. 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. Chế độ ASCII Khi các thiết bị trong một mạng Modbus chuẩn giao tiếp với chế độ ASCII (American Standard Code for Information Interchange), mỗi byte trong thông báo được gửi thành hai ký tự ASCII 7 bit, trong đó mỗi ký tự biểu diễn một chữ số hex. Ưu điểm của chế độ truyền này là nó cho phép một khoảng thời gian trống tối đa một giây giữa hai ký tự mà không gây ra lỗi. Cấu trúc một ký tự khung gửi đi được thể hiện như sau: Start 0 1 2 3 4 5 6 P Stop Mỗi ký tự khung bao gồm • 1 bit khởi đầu (Startbit) • 7 bit biểu diễn một chữ số hex của byte cần gửi dưới dạng ký tự ASCII (0-9 và A-F), trong đó bit thấp nhất được gửi đi trước • 1 bit parity chẵn/lẻ, nếu sử dụng parity • 1 bit kết thúc (Stopbit) nếu sử dụng parity hoặc 2 bit kết thúc nếu không sử dụng parity Chế độ RTU 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. Ưu điểm chính của chế độ truyền này so với chế độ ASCII là hiệu suất cao hơn. Tuy nhiên, mỗi thông báo phải được truyền thành một dòng liên tục. Cấu trúc một ký tự khung gửi đi được thể hiện như sau: Start 0 1 2 3 4 5 6 7 P Stop Mỗi ký tự khung bao gồm Bài giảng: Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội