Bài giảng Các hệ thống tin học công nghiệp - Chương 2: Industrial communications and networking

Ch2 - Industrial Communications

Chapter 2

Industrial

Communications and Networking

 Giới thiệu một số mô hình/chuẩn truyền tin

trong công nghiệp:

 Chuẩn truyền tin V24/V28 (RS-232C, RS-

485 và RS-422), I2C...

 Các bus tiêu biểu: Profibus, CAN, Modbus,

AS-I…

 Các giao thức: ProfiBus, MODBUS và IEC

870-5

 Ethernet 802.x

Ch2 - Industrial Communications

1

Ch2 - Industrial Communications

2.1. Khái niệm về truyền tin trong môi trường

công nghiệp (TTCN):

 Khái niệm:

•

Là mạng máy tính với số nodes và phạm vi địa

lý hạn chế, thông tin trên mạng là các số đo,

các trạng thái và các lệnh điều khiển, gắn với

các quá trình thực, với độ tin cậy cao, khả năng

chịu nhiễu tốt

•

Có khả năng kết nối với các mạng máy tính

thông thường để khai thác được các đặc tính

ưu việt về remote và database.

Topologies: Daisy chain, Ring, Bus, Star, Tree

•

Giao thức: (Kỹ thuật ghép nối) thường dùng các

giao thức các tầng phía thiết bị (Transport

Oriented Protocols)

Bảo toàn thông tin – trong mô hình OSI, lớp 2:

. Phân loại lỗi:

– Lỗi không phát hiện được

– Phát hiện được nhưng không sửa được và

– Phát hiện và sửa được

. Phân tích và đánh giá lỗi: Chech sum, CRC, Parity...

. Đánh giá theo:

– Xác xuất xuất hiện,

– Thời gian xuất hiện,

– Theo điều kiện môi trường,

– Theo tác động của đối tượng...

Ch2 - Industrial Communications

2

Ch2 - Industrial Communications

. Parity: cho từng byte/character

. Parity kép: cho 1 packet. Tính Parity và XOR dọc

theo gói tin => phát hiện lỗi và sửa lỗi nếu xác suất

nhỏ

. CRC: phần cứng, vi mạch

. Check sum: phần mềm

 Các chuẩn truyền thông tin:

•

TIA/EIA (Electronics/Telecommunication

Industry Association), mô hì nh DTE và DCE,

các chuẩn qui định vật lý của tín hiệu như:

. Complete Interface Standards: TIA/EIA 232-F,

TIA/EIA 530-A [561]...

. Electrical Only Standards: EIA 422, EIA 485...

. Signal Quality Standards…

 Tín hiệu:

•

Single End, RS232

Differential, RS 422/485, MultiDrop, Hì nh 201

•

Ch2 - Industrial Communications

3

Ch2 - Industrial Communications

2.2. Standard Buses:

2.2.1. AS-i bus:

 Actuator Sensor Interface

 Các (11) hãng Châu Âu hợp tác phát triển

Hì nh 202. Ví trí AS-i bus trong hệ thống mạng CN

Ch2 - Industrial Communications

4

Ch2 - Industrial Communications

2.2.1.1. Khái niệm mạng AS-i:

 AS-i (Actuator/Sensor Interface) là giao

diện kết nối các cảm biến và cơ cấu chấp

hành ở tầng thấp nhất (field level) trong

một hệ thống tự động.

2.2.1.2. Hoạt động của hệ thống mạng AS-i:

 Kiến trúc và các thông số hoạt động của

mạng

•

AS-i Mạng AS-i là mạng Single Master/ Multi

Slaves: Trong mạng AS-i chỉ có một master

việc trao đổi dữ liệu với các slaves trong

mạng, thông qua cơ chế polling các slave liên

tiếp và chờ đợi trả lời.

•

Topology của mạng: Mạng AS-i có thể có dạng

đường thẳng, hoặc dạng cây.

Hình 202a. Cấu trúc một mạng AS-i

Ch2 - Industrial Communications

5

Ch2 - Industrial Communications

Hình 203. Cấu trúc mạng AS-i

•

Thời gian vòng quét: AS-i Master cần 5ms để

trao đổi dữ liệu số với 31 nút mạng - polling,

analog (12 bit sensor) cần 6 vòng quét - 30ms.

•

Tốc độ truyền thông: Fixed 167Kbps

Thành phần nút mạng: Mỗi nút mạng có thể là

cá c sensor/actuator theo chuẩn AS-i, hoặc các

AS-i I/O module cho phép kết nối nhiều nhất với

4 sensor/actuator nhị phân

•

Khoảng cách mạng: Độ dài cáp truyền trong

mạng AS-i là không lớn, khoảng cách tối đa

300m, với 2 repeaters max. Lượng thông tin nhị

phân không lớn.

Ch2 - Industrial Communications

6

Ch2 - Industrial Communications

 Chế độ địa chỉ:

•

Chế độ địa chỉ thông thường, 1 Master có thể

quản lý 31 slaves (4I/4O), cho phép kết nối với

124 sensors/actuators.

Chế độ mở rộng (A/B), một master có thể quản

lý 62 slaves (4I/3O), kết nối được với 186

actuator hoặc 248 sensor.

Mỗi slave AS-i được gán một địa chỉ, lưu trong

EPROM của slave đó. Địa chỉ có thể được đặt

do AS-i Master hoặc dùng một thiết bị đặt địa

chỉ chuyên dụng (mỗi slave chỉ có thể được đặt

địa chỉ 15 lần)

 Cơ chế giao tiếp:

. AS-i hoạt động kiểu Master/Slave. Trong một chu kì

quét bus, Master thực hiện trao đổi dữ liệu với mỗi

slave một lần.

. Master gửi message 14 bit (5 bit địa chỉ Slave và 5 bit

thô ng tin - dữ liệu output hoặc mã gọi hàm), rồi chờ

đợi slave trả lời.

. Message trả lời của slave 7 bit [4 bit thông tin (dữ liệu

đầu vào hoặc kết quả thực hiện hàm)].

. Thời gian một chu kì bus phụ thuộc vào số lượng

slave.

. Master có thể gửi kèm một số thông báo khác. Có tất

cả 9 loại messge,

– 2 loại để truyền dữ liệu và tham số,

– 2 loại để đặt địa chỉ cho slave,

– 5 loại để nhận dạng và xác định trạng thái hoạt động của các

slave.

Ch2 - Industrial Communications

7

Ch2 - Industrial Communications

 Cấu trúc message từ Master

•

0-CB-A4-A3-A2-A1-A0-I4-I3-I2-I1-I0-P-1

. Bit 0: đầu Message

. CB: Bit điều khiển

. A4-A0: Slave Addr

Bit 1: cuối Message

P: Bit Parity

I4 - I0:to Slave

 Cấu trúc message của slave:

•

0-S3-S2-S1-S0-P-1

. Bit 0: đầu Mess.

Bit 1: cuối Mess.

. Bit S3-S0: to Master

P: Bit Parity

 Kỹ thuật truyền:

•

Kỹ thuật mã hoá chọn dải tần số truyền, tự đồng

bộ theo cơ chế APM (Alternate Pulse Modula-

tion) cho phép loại nhiễu => có độ tin cậy cao.

 Kiểm soát lỗi:

•

Trong 1 chu kì bit 6s (chu kì bus 5ms), tín hiệu

trên đường truyền được receiver senses 16 lần.

Theo phương pháp điều chế APM đã nói, trong

mỗi chu kì bit phải có một hoặc hai xung và các

xung kế tiếp phải đảo chiều. Như vậy chỉ có các

tín hiệu có dạng này mới được nhận và giải mã,

ngược lại sẽ được coi là nhiễu và sẽ bị loại bỏ.

•

Mỗi Mess. chiều dài cố định, có bit đầu, bit cuối và

có khoảng thời gian nghỉ, => phát hiện tín hiệu sai

lệch. Ngoài ra, các bit truyền còn có bit chẵn lẻ

parity để phát hiện lỗi.

Ch2 - Industrial Communications

8

Ch2 - Industrial Communications

2.2.1.3. AS-i Devices

 AS-i cable:

•

Kiểu riêng, để kết nối với các thiết bị mạng,

không cần tách vỏ, bắt vít hoặc hàn.

Truyền được cả năng lượng và số liệu trên

cùng một cáp 2 dây.

Không truyền được trong khoảng cách xa (tối

đa 100 mét cần có 1 repeater)

Cũng có thể dùng bất kì cáp 2 dây thông

thường có kích thước 2x1.5mm2 trong mạng

AS-i, không cần vỏ chống nhiễu.

 Repeater/Extender

•

Repeater/ Extender: Prolongation, max 100m.

Max 300m with 2 repeaters

 Nguồn cung cấp ở cả hai đầu của repeater

 Hai đường cáp AS-i của repeater được

cách ly về điện với Extender

•

Mở rộng chiều dài mạng thêm được 100m.

•

Chỉ cần nguồn cung cấp ở phía không nối với

Master.

 Cáp trực tiếp: không cách ly với Extender

Ch2 - Industrial Communications

9

Ch2 - Industrial Communications

 Power Supply Unit:

• Nguồn cấp dc có độ ổn định, tin cậy cao cho mọi thiết bị

• ^mNo^ạrⁿm^ga^Al ^SA^-cⁱtu^cha^uto^ẩrⁿs ^vk^àhô^cn^ág^cl^sấ^eyⁿn^sg^ou^rồⁿn^ốitừ^vàA^oS^m-i^ạcⁿa^gb^.le, mà

thường được cấp nguồn riêng.

 Addressing Device:

• Là thiết bị gán địa chỉ và chẩn đoán (offline).

• Address: 1 đến 31 (hoặc 1A đến 31A) và Ext (1B đến

• ³C¹á^Bc⁾M^{. C}a^ás^cte^tr^hh^iếỗ^tt^brợ^{ị m}c^ớhế^{i x}đ^uộ^ấtđ^xịa^ưc^ởhⁿỉ^gm^cở^ór^độ^ịn^ag^chp^ỉh⁰ả^.i nối với

• ^cT^árê^cn^sm^lavộ^et m^cóạn^cg^hếkh^đô^ộn^đg^ịath^cể^hc^ỉó^mởha^ri^ộtⁿh^giế^.t bị có cùng địa chỉ.

 AS-i Master: Phần sau

 AS-i Gateway:

•

AS-i Gateway (Distributed I/O) là các thiết bị cho

phép nối mạng AS-i với các thiết bị ở mạng

khác, cũng là một Master, đóng vai trò làm chủ

đối với mạng AS-i bên dưới và là Slave của

mạng trên (thường là PROFIBUS)

 I/O Module đặt tại hiện trường

•

Là các module ghép nối với các cơ cấu chấp

hành và cảm biến nhị phân, được lắp đặt trực

tiếp tại hiện trường

•

Compact Module: Module kết nối với các cơ cấu

chấp hành và cảm biến làm việc trong môi

trường khắc nghiệt

Ch2 - Industrial Communications

10

Ch2 - Industrial Communications

 Motor Starter và load branch:

• Motor Starter: Thiết bị khởi động động cơ. Mọi cơ cấu

động lực và kết nối mạng AS-i đều được tích hợp chỉ

• L^tro^oaⁿd^gB^thrⁱa^ến^tc^bh^ị:ⁿT^àh^y.iết bị khởi động băng tải, được đặc

trưng bởi 1 đầu vào, 2 đầu ra nối với thiết bị chấp

hành.

 Proximity switch:

• Dùng để nhận biết, đếm sản phẩm, được dùng trong

các dây chuyền sản xuất. Gồm:

. Cảm biến từ: BERO inductive proximity switch

. Cảm biến siêu âm: Sonar-BERO ultrasonic proximity switch.

Cảm biến từ và cảm biến siêu âm được dùng để phát hiện vật

thể lớn với khoảng cách tương đối xa, như trong một dây

chuyền rửa xe tự động...

. Cảm biến quang: Opto-BERO photoeletric proximity switch

 Logic module LOGO:

•

Là thiết bị slave của mạng AS-i song xử lý được

các phép logic, cho phép thực hiện một số quy

trình tự động nhỏ, đơn giản.

 Một số thiết bị hỗ trợ như:

•

Push button and indicator light: Bộ nút bấm và

đèn báo

•

Counter module: Module đếm

Ground fault detection module: Module kiểm tra

lỗi nối đất

•

Overvoltage protection module: Module bảo vệ

chống quá áp

Ch2 - Industrial Communications

11

Ch2 - Industrial Communications

Hì nh 204. Siemens LOGO!

2.2.1.4. AS-i Masters:

Hì nh 205. AS-I Master

Ch2 - Industrial Communications

12

Ch2 - Industrial Communications

 Master:

•

Thiết bị truyền thông AS-i như CP243-2 (cho S7

200) và CP 342-2 (cho S7 300)

 Standard AS-i Master và Extended AS-i Master:

•

Extended AS-i Master: 62 Slave với chế độ địa

chỉ mở rộng A/B, Standard AS-i Master chỉ hỗ

trợ được 31 slave.

•

Nối mạng với Extended AS-i Master phải là các

slave có chế độ địa chỉ mở rộng, nối mạng với

Standard AS-i Master phải là các Standard

Slaves.

2.2.2. Profibus:

Hình 206. Sơ đồ mạng Profibus

Ch2 - Industrial Communications

13

Ch2 - Industrial Communications

2.2.2.1. Khái niệm Mạng PROFIBUS:

 Mạng PROFIBUS (Process Field Bus) là

mạng truyền thông tại hiện trường (cell and

field area) theo chuẩn EN 50170-1-2, DIN

19245, kết nối các thiết bị vào ra phân tán

(distributed I/O), các thiết bị truyền động

(drives) với các bộ điều khiển khả trình,

như PC hoặc SIMATIC S7.

2.2.2.2. Các giao thức PROFIBUS:

•

Bao gồm DP, PA, FMS và FDL.

 PROFIBUS DP (Decentralized Periphery)

•

Là giao diện chuẩn để trao đổi thông tin giữa

trạm SIMATIC S7/M7/C7 với các thiết bị hiện

trường phân tán (SIMATIC ET- 200), trong đó

các DP Master và Slave trao đổi dữ liệu vào/ra ít,

tốc độ cao.

•

Khoảng cách truyền lớn và độ tin cậy cao.

DP Slave: là thiết bị hiện trường tương thích với

các module vào/ra được kết nối qua giao diện

PROFIBUS DP (CP, IM) với bộ điều khiển trung

tâ m.

•

Đ/v Chương trình điều khiển trung tâm, các thiết

bị phân tán được đánh địa chỉ như các thiết bị

trung tâ m.

Ch2 - Industrial Communications

14

Ch2 - Industrial Communications

 PROFIBUS PA (Process Automation)

• IEC 61158 - 2, kết nối các thiết bị vận hành trong môi

• ^tC^rưh^ờoⁿp^ghé^kp^hắtr^cuⁿy^gề^hn^iệd^tữ^{, đ}li^òệⁱu^hv^ỏà^{i đ}n^ộgu^aồⁿn^toc^àấⁿp ^dtr^ữên^liệc^uùn^cg^aom^.ột

• ^đT^ưop^ờoⁿl^gog^try^u:^yS^ềtⁿar^d/^uL^yinⁿe^h/^ấT^tr^.ee.

• Tốc độ truyền: Fixed 31.25 kbps.

• Mạng PROFIBUS PA được kết nối với PROFIBUS DP

qua các bộ chuyển đổi DP/PA Coupler hay DP/PA Link,

trong đó DP/PA Coupler chỉ hoạt động như protocol

• K^Cế^otⁿn^vố^ei^rtn^eh^r,iều nhất 5 cơ cấu chấp hành, còn DP/PA Link

hoạt động như một slave của mạng DP.

 ProFiBus FMS (Fieldbus Message

Specification):

•

Là giao thức chuẩn kiểu thông điệp, lượng thông

tin lớn,

Truyền giữa các PLCs của các hãng khác nhau,

trao đổi giữa SIMATIC S7/M7/C7 với PC.

Ưu điểm: Dữ liệu có cấu trúc được truyền đi ở

một định dạng trung lập, không phụ thuộc thiết bị

truyền (non-device specific format) và sau đó lại

được chuyển đổi thành định dạng tương ứng

thiết bị nhận (device-specific format) ở đầu kia.

•

PROFIBUS FMS và PROFIBUS DP sử dụng

cùng một kĩ thuật truyền và cùng giao thức truy

nhập bus, do đó có thể hoạt động đồng thời.

Ch2 - Industrial Communications

15

Ch2 - Industrial Communications

 PROFIBUS FDL (Fieldbus Data Link):

•

Là giao thức truyền thông với các thiết bị tương

thích các hệ S5 để trao đổi dữ liệu với các

mạng con.

 Tổ chức mạng: dạng Master/Slave,

•

Master của mạng là các module truyền thông

DP (như CP 342-5 - cho CPU S7 300)

•

Topology: Star, Tree, Line

Tín hiệu: vi sai, RS 485 hoặc Optic

Thời gian xử lý một vòng quét 1ms với tốc độ

truyền là 12Mbps và 5ms với tốc độ truyền

1.5Mbps

Ch2 - Industrial Communications

16

Ch2 - Industrial Communications

Hì nh 207. Profibus

 Kết nối với mạng PROFIBUS DP qua các DP/PA

Coupler hoặc DP/PA Link + Coupler (khi đó DP/PA

Link là slave của mạng DP nhưng là Master của

mạng PA)

Ch2 - Industrial Communications

17

Ch2 - Industrial Communications

 Môi trường truyền:

•

Cáp xoắn hai dây có bọc (trở kháng 150Ω)

•

Cáp xoắn có bọc + bảo vệ trong (đ/v PROFIBUS

PA) cho môi trường khắc nghiệt, IEC 61158

•

Cáp quang: loại trừ được nhiễu điện, tổn hao

năng lượng rất thấp. Cáp quang được chế tạo từ

chất liệu nhựa hoặc thuỷ tinh, có thể sử dụng

in/out door, khoảng cách >10km

Truyền không dây (InfraRed Technology): Số liệu

được truyền thông qua Module ILM (Infrared Link

Module) có khoảng cách truyền tối đa là 15m.

 Cơ chế truyền:

•

Token Bus

. Nếu mạng nhiều active nodes (masters) tạo thành

một mạng Token Ring logic với thứ tự xác định theo

địa chỉ của node đó. Mỗi active node mạng tự nhận

biết được các active node khác.

. Quyền truy nhập: “Token” là một frame đặc biệt

được truyền lần lượt giữa các active node trong

mạng Token Ring.

. 1 node nhận được token (được gắn địa chỉ trong

token), nó có thể gửi các frame và chỉ được giữ

token trong 1 khoảng thời gian xác định - token

holding time) được kiểm soát bởi token timer. Khi

Time Out, node mạng đó chỉ được quyền gửi đi một

thông điệp dạng ưu tiên cao.

Ch2 - Industrial Communications

18

Ch2 - Industrial Communications

. Active node giữ token có kết nối tới các passive

node để trao đổi dữ liệu với slave kiểu polling hoặc

gửi dữ liệu đến slaves.

. Khi một active node nhận token mà không có yêu

cầu trao đổi dữ liệu, nó chuyển token sang active

node tiếp theo

. Cá c passive node khô ng có token

. Các node có thể được thêm vào hay loại bỏ trong

quá trình hoạt động

 Chế độ Master – Slave

•

Nếu mạng có 1 active node và nhiều passive

nodes, được gọi là hệ thống Master/Slave.

Chế độ truyền Master/Slave cho phép Master

đánh địa chỉ cho Slaves.

Master trao đổi dữ liệu với Slave kiểu tuần tự,

Master truyền xuống Slave thông số cấu hình/

các lệnh để trao đổi dữ liệu, điều khiển.

•

Slave gửi lên cho Master trạng thái, dữ liệu thu

thập được và kết quả thực hiện các lệnh của

Master.

Ch2 - Industrial Communications

19

Ch2 - Industrial Communications

2.2.2.3. Các dạng vật lý của ProFiBus:

 Mạng cáp quang:

HÌnh 208. mạng cáp quang của Profibus

• Đặc điểm mạng cáp quang:

. Chống được nhiễu điện - từ,

. Thích hợp với các mạng có khoảng cách truyền lớn (khoảng cách

truyền > 10km)

. Cách ly (điện) với các thiết bị hiện trường

. Mạng có thể có cấu trúc dạng bus, star hoặc dạng vòng

. Tốc độ truyền từ 9.6Kbps tới 12Mbps

• Các thiết bị mạng cáp quang:

. OBT (Optical Bus Terminal) được dùng để kết nối các thiết bị

mạng hoặc các segment RS 485 không quá 31 node vào mạng

cá p quang.

. OML (Optical Link Module) cho phép thiết lập cấu hình mạng cáp

quang, có 1 giao diện RS485 và 1 hoặc 2 giao diện cáp quang.

. Các loại cáp quang dùng cho OBT và OLM là khác nhau, có thể

là cáp quang thuỷ tinh, cáp quang plastic, cáp PCF FOC, glass

FOC

Ch2 - Industrial Communications

20