Tài liệu Chương 2: Các bus tiêu biểu của hệ thống mạng SIMATICNET pptx

Chổồng 2. Caùc bus tióu bióứu cuớa hóỷ thọỳng maỷng SIMATICNET
Nguyóựn Kim Aẽnh & Nguyóựn Maỷnh Haỡ - Tổỷ õọỹng hoùa - BKN 21
Chương 2
CC BUS TIấU BIU CA H THNG MNG SIMATICNET

1. Tổng quan chung về mạng Simatic
Trong mạng Simatic, đã đưa các giải pháp cho mạng truyền thông công
nghiệp như: Profibus, Ethernet, AS-i... nhằm kết nối các thiết bị trường với
các thiết bị ở cấp điều khiển , các thiết bị ở cấp điều khiển giám sát và các
thiết bị ở cấp quản lí
Tuỳ theo phương pháp tích hợp mà có thể đưa ra các lựa chọn phần
cứng cũng như phần mềm tương ứng.
Chương này trình bày về các giao thức chính được dùng trong Simatic,
phần thiết bị phần cứng và phương pháp ghép nối được trình bày trong
chương 5
Hình sau là cấu trúc phân tầng điển hình trong Simatic-net












2. AS-i (Actuator Sensor Interface)
Đây là sản phẩm của 11 hãng sản xuất sensor và cơ cấu chấp hành nổi
tiếng trên thế giới như: Siemens AG, Festo KG...Đây là hệ thống Bus

trường dùng cho giao tiếp giữa các thiết bị ở cấp hiện trường với các thiết bị
trong cấp điều khiển. Đặc tính kỹ thuật chính của AS-i là:
- Truyền tín hiệu cùng nguồn nuôi
- Cho phép thực hiện cấu trúc mạng dạng Bus cũng như hình sao
- Các thành phần giao diện mạng có thể thực hiện với giá thành thấp
AS - i
Profibus
Ethernet
(Ethernet, IEEE 802.3)
Hình 2.0. Phân tầng các mạng điển hình trong Simatic -net
Chổồng 2. Caùc bus tióu bióứu cuớa hóỷ thọỳng maỷng SIMATICNET
Nguyóựn Kim Aẽnh & Nguyóựn Maỷnh Haỡ - Tổỷ õọỹng hoùa - BKN 22
2.1. Kiến trúc giao thức
Giao thức trong AS-i phản hoạt động của các bộ điều khiển với các
thiết bị trường. Để nâng cao hiêu suất và đơn giản hoá trong xử lí, toàn bộ
việc xử lí giao thức được thực hiện ở lớp 1 trong mô hình OSI.
Phương pháp truy cấp Bus là Master/Slave
2.2. Cấu trúc mạng, cáp truyền và cơ chế giao tiếp
Cấu trúc mạng trong AS-i là dạng Bus hoặc hình sao, đặc trưng của AS-
i là không sử dụng trở đầu cuối.
Chiều dài tổng cộng tối đa là 100m, tất nhiên nếu muốn dùng với
khoảng cách lớn hơn phải sử dụng bộ lặp. Số lượng trạm tối đa trong một
mạng là 31 tức có thể quản lí tối đa là 124 S/A, tốc độ truyền quy định là
167kB/s
Trong sản phẩm của Siemens module giao diện AS-i Master trong S7-
300 là CP 342-2, module này có thể được nối với các Module thụ động để
nối với các A/S
Cơ chế giao tiếp trong AS-i dựa trên các yêu cầu và trả lời. Trạm chủ có
thể hỏi tuần tự để các trạm tớ trả lời hoặc cũng có thể hỏi các trạm tớ theo
cơ chế định địa chỉ

2.3. Cấu trúc khung truyền
Mục đích của định dạng khung truyền là để giúp bên nhận xác định
được thời điểm bắt đầu, kết thúc một bản tin cũng như gửi kèm các thông
tin về sửa sai lỗi
Khung truyền yêu cầu dữ liệu từ trạm chủ trong AS-i có chiều dài là 14
bít còn khung trả lời từ các trạm tớ có chiều dai là 7 bít, minh hoạ trên hình
sau:
Start CB A4 A3 A2 A1 A0 I4 I3 I2 I1 I0 P Stop

Hình 2.1. Cấu trúc khung yêu cầu dữ liệu
STT Ký hiệu Mô tả
1 Start đây là bít đánh dấu sự khởi đầu của khung truyền, nó có
giá trị là 0
2 CB Là bit điều khiển
3 A0 - A4 Là các bít dùng để xác định địa chỉ trạm tớ
4 I0 - I4 Các bít xác định thông tin yêu cầu trạm tớ
5 P Bít kiểm tra chẵn lẻ
6 Stop đây là bít đánh dấu sự kết thúc của khung truyền, nó có
giá trị là 1
Chổồng 2. Caùc bus tióu bióứu cuớa hóỷ thọỳng maỷng SIMATICNET
Nguyóựn Kim Aẽnh & Nguyóựn Maỷnh Haỡ - Tổỷ õọỹng hoùa - BKN 23

Bảng 2.0. ý nghĩa của các bít trong khung yêu cầu
Cấu trúc khung trả lời từ trạm tớ trình bày trên hình sau:
Start S3 S2 S1 S0 P Stop

Hình 2.2. Cấu trúc khung trả lời
ý nghĩa các bít trong khung được trình bày trên hình sau:
STT Ký hiệu Mô tả
1 Start đây là bít đánh dấu sự khởi đầu của khung truyền, nó có

giá trị là 0
2 S0 - S3 Thông tin trả lời về trạm chủ
3 P Bít kiểm tra chẵn lẻ
4 Stop đây là bít đánh dấu sự kết thúc của khung truyền, nó có
giá trị là 1

Bảng 2.1. ý nghĩa của các bít trong khung trả lời

3. Profibus (Process Field Bus)
Là hệ thống Bus trường được phát triển tại Đức năm 1987 và thành
chuẩn EIC 61158 năm 2000.
Với mục đích quảng bá cũng như hỗ trợ việc phát triển và ứng dụng
các sản phẩm tương thích Profibus, một tổ chức người sử dụng đã được
thành lập mang tên Profibus International với hơn 1000 thành viên.
Ngày nay Profibus là hệ thống Bus trường hàng đầu thế giới với hơn
20% thị phần với hơn 5 triệu thiết bị lắp đặt trong khoảng 500.000 ứng
dụng. Profibus đang được coi là giải pháp chuẩn, tin cậy trong nhiều ứng
dụng đặc biệt là trong các ứng dụng có yêu cầu cao về tính năng thời gian
thực.
Hệ thống Bus này được ứng dụng để kết nối các thiết bị trường với các
thiết bị điều khiển giám sát. Đây là hệ thống Bus nhiều chủ (MultiCast) cho
phép các thiết bị vào/ra phân tán, các thiết bị đo thông minh, thiết bị điều
khiển... nối vào cùng một đường Bus.
Các trạm chủ (thường là các PC, PLC) được quyền kiểm soát truyền
thông trên Bus, các trạm tớ (thường là các Module vào/ra phân tán, các thiết
bị đo thông minh...) không được phép truy nhập Bus, mà chỉ được xác nhận
hoặc trả lời các yêu cầu từ trạm chủ.
Chổồng 2. Caùc bus tióu bióứu cuớa hóỷ thọỳng maỷng SIMATICNET
Nguyóựn Kim Aẽnh & Nguyóựn Maỷnh Haỡ - Tổỷ õọỹng hoùa - BKN 24
Profibus gồm 3 loại tương thích với nhau: Profibus FMS, Profibus

DP và Profibus PA. Profibus FMS được dùng chủ yếu trong việc
nối mạng các máy tính điều khiển và cấp điều khiển giám sát. Profibuss
DP được dùng để kết nối các thiết bị trường với các máy tính điều khiển,
còn Profibus PA được sử dụng trong các lĩnh vực tự động hoá các quá
trình có môi trường dễ cháy nổ.

3.1. Cấu trúc giao thức Profibus


Profibus - FMS Profibus - DP Profibus- PA
Lớp 7 Fieldbus Message Specification
Lớp 3 6
Lớp 2 Fieldbus Data Link (FDL)
Lớp 1 RS-48S/ Cáp quang IEC 1158-2

Hình 2.3 Kiến trúc giao thức Profibus

Profibus DP và PA chỉ thực hiện lớp 1 và 2 nhằm tối ưu hoá việc trao đổi
dữ liệu quá trình giữa cấp điều khiển và cấp chấp hành.
- Lớp FMS (với Profibus FMS) mô tả các đối tượng truyền thông,
xử lý và cung cấp các dịch vụ truyền thông.
- Lớp liên kết dữ liệu FDL có chức năng kiểm soát truy cập bus, cung
cấp dịch vụ cơ bản (cấp thấp) cho việc trao đổi dữ liệu một cách tin
cậy.
- Lớp vật lý quy định về kỹ thuật truyền dẫn tín hiệu, môi trường
truyền dẫn, cấu trúc mạng và các giao diện cơ học. Việc sử dụng giao
diện RS485 đã quyết định các đặc tính truyền dẫn. Khoảng cách
truyền cực đại là 1200m, nếu sử dụng trạm lặp có thể lên đến 4800m
tất nhiên nó còn phụ thuộc vào tốc độ truyền. Nói chung tốc độ
truyền thường tring khoảng 9.6 500Kb/s và số lượng trạm tối đa là

127, nó sử dụng phương pháp mã hoá NRZ.
Quan hệ giữa tốc độ truyền và chiều dài dây dẫn thể hiện trên bảng sau:
Tốc độ (Kb/s) 9.6, 19.2, 45.45,
93.75
187.5 500 1500 3000, 6000,
12000
Chiều dài (m) 1200 1000 400 200 100

Chổồng 2. Caùc bus tióu bióứu cuớa hóỷ thọỳng maỷng SIMATICNET
Nguyóựn Kim Aẽnh & Nguyóựn Maỷnh Haỡ - Tổỷ õọỹng hoùa - BKN 25
3.2. Truy cập Bus và các dịch vụ truyền số liệu.
Hai phương pháp truy nhập bus có thể được áp dụng độc lập hoặc kết
hợp là Token Passing và Master/ Slave.
Thời gian vòng lặp tối đa để 1 trạm tích cực nhận lại được Token có thể
thay đổi bởi các tham số. Khoảng thời gian này là cơ sở cho việc tính toán
chu kì thời gian của cả hệ thống.

+ Các dịch vụ truyền số liệu thuộc lớp 2 trong mô hình OSI (FDL) bao
gồm 4 dịch vụ:
- SDN (Send Data with No Acknowledge)
- SDA (Send Data with Acknowledge)
- SRD (Send and Request Data with Reply)
- CSRD (Cyclic Send and Request Data with Reply)
Dịch vụ SDN chủ yếu dùng trong gửi đông floạt (broadcast) hoặc gửi
tới nhiều đích (multi cast).
Dịch vụ SDA và SRD là những dịch vụ trao đổi dữ liệu yêu cầu có sự
trả lời. Do tính chất không tuần hoàn của 2 dịch vụ này, để thực hiện mỗi
cuộc trao đổi dữ liệu đều phải có yêu cầu từ lớp trên xuống lớp 2, thời gian
xử lý giao thức tăng nên xuất hiệu suất truyền thông giảm. Nên 2 dịch vụ
này được ứng dụng trong truyền số liệu bình thường.
Dịch vụ CSRD là dịch vụ trao đổi dữ liệu tuần hoàn với mục đích hỗ trợ
việc trao đổi dữ liệu quá trình ở cấp chấp hành, giữa các thiết bị cảm biến,
Controller
PC PC
Controller
M
Drive Sensor
Sensor
Actuator
M
Drive
V
Transmiter
M
Drive

Sensor
Hình 2.4. Cấu trúc điển hình về hệ thống mạng Profibus