Mạng PROFIBUS DP là gì

Mạng PROFIBUS DP là gì?
Profibus là một chuẩn thông tin công nghiệp mở phù hợp với nhiều ứng dụng tự động
hóa và điều khiển các quá trình công nghiệp. Profibus có 3 Communication Profiles:
FMS (Fieldbus Message Specification) thường được sử dụng cho Bus hệ thống ở cấp
điều khiển giám sát; DP (Distributed Peryphery) sử dụng để kết nối thiết bị điều khiển
với các ngoại vi phân tán; PA (Process Automation) là sự mở rộng của DP sử dụng
trong môi trường chống cháy, nổ.
Profibus DP được thiết kế để trao đổi dữ liệu ở cấp thiết bị trường. Ở đó, các thiết bị
điều khiển như PLC/PC hay các thiết bị điều khiển quá trình khác có thể thông tin với
các thiết bị trường phân tán như I/O, các bộ driver và van cũng như các thiết bị đo
thông qua một Bus thông tin nối tiếp tốc độ cao. Dữ liệu trao đổi với các thiết bị phân
tán này chủ yếu là theo chu kỳ. Các chức năng thông tin cần thiết đó được định nghĩa
trong hàm DP cơ bản. DP cũng mở rộng với các dịch vụ thông tin không theo chu kỳ
cho việc thông số hóa, giám sát và cảnh báo đối với các thiết vị trường "thông minh".
Profibus DP sử dụng chuẩn RS-485 và cáp quang cho phần truyền dẫn tín hiệu. Trong
đó chuẩn RS-485 thông dụng hơn vì nó cú giá thành thấp, dễ đấu nối, tốc độ truyền
cao. RS-485 có cấu trúc dạng Bus, sử dụng cáp đôi xoắn có vỏ bọc chống nhiễu làm
môi trường truyền dẫn. Thông thường người ta hay sử dụng cáp kiểu A với các thông
số sau:

• Trở kháng 135W đến 165W
• Dung kháng <30 pF/m
• Điện trở vòng 110W/km
• Thiết diện dây > 0,34 mm2

Tốc độ truyền có thể chọn từ 9,6 kbps đến 12Mbps. Khoảng cách truyền lớn nhất 1200
m. Tốc độ truyền và khoảng cách truyền có liên hệ với nhau theo bảng sau (với cáp
kiểu A):
RS-485 không định nghĩa kiểu jack đấu do đó khi đấu nối ta phải chú ý xem hướng dẫn
của nhà sản xuất để đấu nối cho đúng. Các thiết bị của SIEMENS hay dùng jack D-sub
9 chân cho kết nối với chân 3 là chân Tx/Rx+ và chân 8 là Tx/Rx-, chân 1 được nối với

vỏ chống nhiễu. Mỗi một đoạn mạng có tối đa 32 nút mạng mà không cần repeater.
Nếu có repeater ta có thể mở rộng số nút trên mạng lờn 126 nút. Ở hai đầu nút của
đường truyền yêu cầu nối một điện trở kết thúc để giảm sóng phản xạ gây nhiễu tín
hiệu. Điện trở kết thúc trên Profibus cú dạng fail-safe biasing như sau:
Hình 2: Điện trở kết thúc dạng fail-safe biasing.

Do cấu trúc mạng dạng Bus nên Profibus đòi hỏi một giao thức điều khiển truy nhập
đường truyền. Phương pháp điều khiển truy nhập đường truyền của Profibus là sự kết
hợp của hai phương pháp Master/Slave và Token Bus. Trong mạng Profibus có hai loại
thiết bị là thiết bị Master (có thể là PC, PLC hay các thiết bị điều khiển khác) và Slave
(các I/O phân tán, các thiết bị trường ). Trong mạng chỉ có một thiết bị là Master
(Mono Master) thì điều khiển truy nhập đường truyền theo Master/Slave. Khi đó Master
hỏi và Slave trả lời các yêu cầu từ Master. Trong mạng có nhiều Master (Multi Master)
thì điều khiển truy nhập là sự kết hợp cả hai phương pháp: giữa các Master sử dụng
phương pháp Token Bus và giữa Master với Slave sử dụng phương pháp Master/Slave.
Một Master quản lý một hay nhiều Slave và Slave có thể bị truy nhập bởi nhiều Master.
Hình 3: Truy cập theo cấu hình Multi Master trong Profibus.

Lớp DataLink của Profibus cung cấp bốn dịch vụ trao đổi số liệu. SDN ( Send Data with
No Acknowledge) được dùng cho việc gửi đồng loạt tới tất cả các thiết bị trong mạng
(broadcast) hay gửi tới một nhóm thiết bị (Multicast). SDA (Send Data with
Acknowledge) và SRD ( Send and Request Data with Reply) là các dịch vụ trao đổi dữ
liệu có xác nhận, trong đó SRD bên nhận phải gửi dữ liệu trả lời. CSRD ( Cyclic Send
and Request Data with Reply) là dịch vụ trao đổi dữ liệu tuần hoàn. Profibus cung cấp 4
kiểu bản tin khác nhau cho truyền dữ liệu và gửi thẻ bài.
Trạng thái làm việc của Profibus DP được xác định thông qua trang thái của trạm chủ.
Có 3 trạng thái hoạt động là: Operate truyền theo chu kỳ dữ liệu đầu vào/ra; Clear đọc
đầu vào và giữ đầu ra ở trạng thái an toàn; Stop không truyền dữ liệu của ứng dụng,
chỉ cho phép tham số hóa và chuẩn đoán.
Profibus DP có các lệnh cho phép đồng bộ các đầu vào và ra. Chế độ Sync để đồng bộ

hóa dữ liệu đầu ra và chế độ Freeze dùng để đồng bộ hóa dữ liệu đầu vào.
Trao đổi dữ liệu giữa Master và các Slave gán cho nó thực hiện tuần hoàn theo trình tự
định sẵn. Trong mỗi một chu kỳ Bus, Master sẽ lần lượt đọc các thông tin đầu vào của
các trạm Slave lên bộ nhớ của Master và đưa các thông tin đầu ra từ bộ nhớ Master tới
trạm Slave. Mỗi trạm Slave cho phép tối đa 246 byte dữ liệu đầu vào và 246 byte dữ
liệu đầu ra.
Hình 4: Truyền dữ liệu theo chu kỳ trong DP.

Profibus DP còn có các dich vụ trao đổi dữ liệu không theo chu kỳ cho phép số hóa và
chuẩn đoán các vấn đề xảy ra với Slave từ Master.
Các thiết bị PROFIBUS có những đặc điểm cấu trúc khác nhau. Sự khác nhau về cấu
trúc giữa chúng tùy thuộc vào chức năng của từng thiết bị và phụ thuộc vào các tham
số đường truyền như tốc độ truyền dữ liệu, các giá trị thời gian giám sát. Những tham
số này thay đổi tùy theo từng loại thiết bị và hệ thống điều khiển. Để mạng truyền
thông với giao thức Profibus có cấu trúc đơn giản, các thiết bị thường sử dụng GSD
files. Tất cả các nhà sản xuất đều phải cung cấp file GSD trong các thiết bị Profibus
của mình. GSD files được ứng dụng rộng rãi, từ hệ thống truyền tin mở đến các hệ
thống điều khiển vận hành. GSD files được dùng trên mọi cấu hình từ loại đơn giản
nhất đến loại phức tạp nhất. Điều này có nghĩa là tích hợp giữa các thiết bị thuộc
những nhà sản xuất khác nhau trong mạng Profibus còn không là vấn đề khó khăn.
GSD files chứa những đặc điểm đặc trưng cơ bản giống nhau giữa các thiết bị Profibus,
đó chính là lý do vì sao GSD files tương thích được với nhiều loại thiết bị. Thông qua
những file này, kỹ sư dự án không phải nắm bắt các thông số kỹ thuật theo cách đo đạc
bằng tay thông thường như trước nữa. Thời gian được tiết kiệm đáng kể và trong suốt
quá trình, hệ thống điều khiển sẽ tự động kiểm tra (check) các sai số đầu vào, sai số
truyền dữ liệu và nhiều loại sai số khác.
Hình 5: Sử dụng
GSD file trong DP

Để thiết kế một thiết bị điều khiển có tích hợp Profibus DP, thông thường người ta sử

dụng các chip ASICs
Đối với các thiết bị đầu vào/ đầu ra đơn giản, giải pháp Profibus với ASICs đơn chíp là
một giải pháp thực tế. Tất cả các chức năng giao thức đã được tích hợp sẵn trong
ASICs. Vì vậy không cần bộ vi xử lý hoặc phần mềm mà chỉ cần mạch giao diện truyền
tin, tinh thể thạch anh và các thiết bị điện tử công suất đóng vai trò như các thiết bị
ngoại vi. Thí dụ: bộ Slave điển hình bao gồm SPM2 ASICs của Siemens, chip IX1 của
M2C và CHIP vpcls-ASIC của profichip.
Đối với bộ slave thông minh, bộ phận xử lý giao thức của nó sẽ làm việc trên chip giao
thức, các phần còn lại làm việc như phần mềm trong bộ vi điều khiển. Chip DDC31 của
hãng Siemens là sự kết hợp của chip giao thức và bộ vi điều khiển. Còn những chip cơ
sở khác, ví dụ như ASICs SPC3 (Siemens), VPC3+ (PROFICHIP) hay IX1 (M2C) thì đã
được chế sẵn, chỉ cần lắp ráp. Những con chip ASIC cung cấp giao diện dùng chung với
các bộ vi điều khiển, bộ slave thông minh ta còn có thể dùng các bộ vi xử lý với lõi đã
được tích hợp giao thức PROFIBUS.
Cũng giống như bộ slave thông minh, ở bộ master phức hợp, bộ phận xử lý giao thức
của nó cũng làm việc trên chip giao thức, còn những phần còn lại làm việc như phần
mềm trong bộ vi điều khiển. Các chip ASICs ASPC2 (Siemens), IX1 (M2C) hay VAF PBM
(IAM) đều đã được chế sẵn để hỗ trợ các thiết bị master phức hợp hoạt động. Chúng
cũng được kết hợp và cùng vận hành với các bộ vi xử lý.
Do có nhiều ưu điểm nên hiện nay Profibus DP được sử dụng rất nhiều trong hệ thống
điều khiển tự động của các nhà máy công nghiệp như Xi-măng, điện, hóa chất, chế
biến v v tại Việt Nam cũng như trên thể giới.