Nghiên cứu nguyên lý truyền thông và ứng dụng của giao thức Profibus-PA

BÀI TẬP LỚN MÔN: SCADA, DCS VÀ MẠNG TTCN
Mục lục
LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật đã góp phần không nhỏ vào trong
công cuộc xây dựng đất nước. Đặc biệt là với sự phát triển không ngừng của lĩnh
vực tự động hóa hiện nay đã giúp việc sản xuất kinh tế rất lớn. Nó đã góp phần vào
việc sản xuất một cách tự động để có thể đạt được năng suất cũng như chất lượng
cao hơn. Trong tự động hóa không thể không kể đến việc ứng dụng mạng truyền
thông công nghiệp đặc biệt là việc ứng dụng công nghệ profibus vào lĩnh vực
truyền thông. Việc sử dụng truyền thông profibus đã nâng tự động hóa lên một tầm
cao hơn và hứa hẹn đầy triển vọng trong tương lai. Trong đề tài này chúng em tìm
hiểu và nghiên cứu về truyền thông profibus PA. là một trong 3 giao thức của
PROFIBUS.
SVTH: NHÓM 2 GVHD: HOÀNG QUỐC XUYÊN
1
BÀI TẬP LỚN MÔN: SCADA, DCS VÀ MẠNG TTCN
Chương 1:
TỔNG QUAN VỀ PROFIBUS
1.Công nghệ Profibus
PROFIBUS (Process Filed Bus) được một nhóm các nhà cung cấp tự
động hóa nhà máy thành lập năm 1989 tại Đức. Ban đầu, giao thức này
được phát triển cho sản xuất phân tán, sau đó nó dần mở rộng sang tự
động hóa quá trình và các ứng dụng trên toàn doanh nghiệp, được hỗ trợ
bởi PROFIBUS Nutzerorganisation (PNO), từ năm 1995 nằm trong
PROFIBUS International (PI) với hơn 1100 thành viên trên toàn thế giới.
Profibus là một tiêu chuẩn mạng trường mở quốc tế theo chuẩn mạng
trường châu Âu EN 50170 và EN 50254. Trong sản xuất, các ứng dụng
tự động hóa quá trình công nghiệp và tự động hóa tòa nhà, các mạng
trường nối tiếp (serial fieldbus) có thể hoạt động như hệ thống truyền
thông, trao đổi thông tin giữa các hệ thống tự động hóa và các thiết bị
hiện trường phân tán. Chuẩn này cũng cho phép các thiết bị của nhiều

nhà cung cấp khác nhau giao tiếp với nhau mà không cần điều chỉnh giao
diện đặc biệt.
SVTH: NHÓM 2 GVHD: HOÀNG QUỐC XUYÊN
2
BÀI TẬP LỚN MÔN: SCADA, DCS VÀ MẠNG TTCN
Profibus sử dụng phương tiện truyền tin xoắn đôi và RS485 chuẩn công
nghiệp trong các ứng dụng sản xuất hoặc IEC 1158-2 trong điều khiển
quá trình. Profibus cũng có thể sử dụng Ethernet/TCP-IP.
Profibus là một mạng Fieldbus được thiết kế để giao tiếp giữa máy tính
và PLC. Dựa trên nguyên tắc token bus không đồng bộ ở chế độ thời
gian thực, Profibus xác định mối quan hệ truyền thông giữa nhiều master
và giữa master-slave, với khả năng truy cập theo chu kì và không theo
chu kì, tốc độ truyền tối đa lên tới 500kbit/s (trong một số ứng dụng có
thể lên tới 1,5Mbp hay 12Mbp). Khoảng cách bus tối đa không dùng bộ
lặp (repeater) là 200m và nếu dung bộ lặp thì khoảng cách tối đa có thể
đạt được là 800m. Số điểm (node) tối đa nếu không có bộ lặp là 32 và là
127 nếu có bộ lặp.
2.Phân loại
PROFIBUS bao gồm 3 loại giao thức là PROFIBUS-FMS (multi-
master/peer-to-peer), PROFIBUS-DP (master/slave), PROFIBUS-PA
(intrinsically safe), trong đó hai kiểu giao thức DP và PA đóng vai trò
quan trọng đối với tự động hóa quá trình.
- PROFIBUS-FMS (Fieldbus Message Specification) 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.
- PROFIBUS-DP (Decentral Peripheral) 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-PA (Process Automation) 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 nghệ chế biến.
PROFIBUS-DP
Cấp trường
EN 50 170
PLC, PG/PC, các thiết bị trường logic và tương tự, các van, Ops
SVTH: NHÓM 2 GVHD: HOÀNG QUỐC XUYÊN
3
BÀI TẬP LỚN MÔN: SCADA, DCS VÀ MẠNG TTCN
1 – 5 ms
<= 100 km
9.6 kbit/s – 12 Mbit/s
3.Kiến trúc giao thức
PROFIBUS chỉ thực hiện các lớp 1, 2, 7 theo mô hình quy chiếu OSI.
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 và 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 quy đinh tại
lớp giao diện sử dụng, hiệp hội PI còn đưa ra một số quy định chuyên
biệt về đặc tính và chức năng đặc thù của thiết bị cho một số 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. Cả 3 giao thức FMS, PD,
PA đều có chung lớp liên kết dữ liệu.
PROFIBUS-FMS PROFIBUS-DP PROFIBUS-PA
Giao diện
sử dụng
FMS
Profiles
DP-

Profiles
PA-Profiles
Các chức năng DP mở rộng
Các chức năng DP cơ sở
Lớp 7
Field
message
Specificatio
n
Không thể hiện
Lớp 3 – 6
Lớp 2 Fieldbus Data Link (FDL)
Lớp 1
RS-485 / RS-485IS / Cáp
quang
MBP(IEC 1158-
2)
- Lớp ứng dụng của FMS bao gồm hai lớp con là FMS (Field Message
Specification) và LLI (Lower layer Interface). Lớp FMS đảm nhận
việc xử lí giao thức sử dụng và cung cấp các nhiệm 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 các
SVTH: NHÓM 2 GVHD: HOÀNG QUỐC XUYÊN
4
BÀI TẬP LỚN MÔN: SCADA, DCS VÀ MẠNG TTCN
nhiệm vụ bình thường thuộc các lớp 3, 6, ví dụ: tạo và ngắt nối, kiểm
soát lưu thông.
- Lớp vật lí (lớp 1) của PROFIBUS quy đinh 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, 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.
- Lớp liên kết dữ liệu (lớp 2) ở PROFIBUS được gọi là FDL (Field
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.Kỹ thuật truyền
- Truyền dẫn với RS-485
Các đặc tính điện học như sau:
• Tốc độ truyền thông từ 9.6 kbit/s đến 12 Mbit/s.
• Cấu trúc đường thẳng kiểu trunk-line/drop-line hoặc daisy-
chain, nếu tốc độ truyền đòi hỏi từ 1.5 Mbit/s trở lên thì sử
dụng cấu trúc daisy-chain.
• Cáp truyền được sử dụng là đôi dây xoắn có bảo vệ (STP).
• Trở kết thúc có dạng tin cậy (fail-safe blasing) với các điện trở
lần lượt là 390Ω-220 Ω-390 Ω.
• Chiều dài tối đa của một đoạn mạng từ 100 đến 1200m, phụ
thuộc vào tốc độ truyền được lựa chọn được tóm tắt trong
bảng:
Tốc
độ
(kbit/s
)
9.6/19.
2/45.45
/93.75
187.
5

500 1500
3000/600
0/12000
Chiều
dài
1200 1000 400 200 100
SVTH: NHÓM 2 GVHD: HOÀNG QUỐC XUYÊN
5
BÀI TẬP LỚN MÔN: SCADA, DCS VÀ MẠNG TTCN
(m)
• Số lượng tối đa các trạm trong mỗi đoạn mạng là 32. Có thể
dùng tối đa 9 bộ lặp. Tổng số trạm tối đa trong một mạng là
126
• Chế độ truyền tải không đồng bộ và hai chiều đồng thời.
• Phương pháp mã hóa NRZ.
Các 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 tiêu chuẩn IEC 947-5-2
• Bộ nối Han-Brid theo khuyến cáo của DESINA
• Bộ nối kiểu lai của Siemens
- Truyền dẫn với RS-485IS
Có thể nói RS-485IS là sự phát triển về mặt an toàn cháy nổ của RS-
485. 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 quy 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 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:
• 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.
SVTH: NHÓM 2 GVHD: HOÀNG QUỐC XUYÊN
6
BÀI TẬP LỚN MÔN: SCADA, DCS VÀ MẠNG TTCN
• 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
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), có sự hạn chế tốc độ truyền bên đoạn RS-485. Bên
cạnh đó, MBP sử dụng 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 cũng
cấp nguồn với cùng đường dẫn tín hiệu.
Với MBP, các cấu trúc mạng có thể sử dụng là đường thẳng (trunk-
line/drop-line), 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 lương 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. 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.
5.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.
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 lí giao thức đơn giản hơn
so với các trạm chủ.
SVTH: NHÓM 2 GVHD: HOÀNG QUỐC XUYÊN
7
BÀI TẬP LỚN MÔN: SCADA, DCS VÀ MẠNG TTCN
Hai phương pháp truy nhập bus có thể áp dụng độc lập hay 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 thieté bị
trường cấp dưới sử dụng mạng DP hoặc PA. Khi sử dụng kết hợp nhiều
trạm chủ có thể tham gia giữ Token. Một trạm chủ giữ Token sẽ đóng
vai trò là chủ để kiểm soát giao tiếp với các trạm tớ nó quản lí, hoặc có
thể tự do giao tiếp các trạm chủ khác trong mạng.
Cấu hình Multi-Master trong PROFIBUS
Trên đây là cấu hình truy nhập bus kết hợp giữa Token-passing và
Master/Slave hay còn được gọi là Multi-Master. Thời gian vòng lặp tối
đa để một trạm chủ 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.
SVTH: NHÓM 2 GVHD: HOÀNG QUỐC XUYÊN
8
BÀI TẬP LỚN MÔN: SCADA, DCS VÀ MẠNG TTCN
6.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 có 3 kiểu
thuộc phạm trù dịch vụ không tuần hoàn và một thuộc phạm trù tuần
hoàn
Dịch vụ không tuần hoàn
(Truyền thông báo)
Dịch vụ tuần hoàn
Gửi dữ liệu không xác nhận
(SDN) (broadcast)
Gửi và yêu cầu dữ liệu tuần hoàn
(CSRD)
Gửi dữ liệu với xác nhận
(SDA)
Gửi và yêu cầu dữ liệu
(SRD)
Các dịch vụ truyền dữ liệu PROFIBUS
SVTH: NHÓM 2 GVHD: HOÀNG QUỐC XUYÊN
9
BÀI TẬP LỚN MÔN: SCADA, DCS VÀ MẠNG TTCN
- SDN (Send Data with No Acknowledge): Gửi dữ liệu không xác
nhận, được dùng chủ yếu cho việc gửi đồng loạt (broadcast) hoặc gửi
tới nhiều đích (multicast). Một trạm chủ có thể gửi một bức điện đồng
loạt tới tất cả hoặc tới một số trạm chủ khác mà không cần cũng như
không thể đòi xác nhận.

- SDA (Send Data with Acknowledge): Gửi dữ liệu với xác nhận, phục
vụ trao đổi dữ liệu giữa hai đối tác không tuần hoàn cần có xác nhận,
được dùng để trao đổi dữ liệu không gấp lắm giữa trạm chủ và tớ do.
- SRD (Send and Request Data with Reply): Gửi và yêu cầu dữ liệu,
phục vụ trao đổi dữ liệu giữa hai đối tác không tuần hoàn cần có xác
nhận và gửi kết quả đáp ứng trở lại, được dùng để trao đổi dữ liệu
không gấp lắm giữa trạm chủ và tớ.
- CSRD (Cyclic Send and Request Data with Reply): Gửi và yêu cầu
dữ liệu tuần hoàn, đây là một dịch vụ trao đổi dữ liệu tuần hoàn duy
nhất được quy 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. 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 trách nhiệm hỏi tuần tự các trạm tớ và yêu cầu trao đổi
dữ liệu theo một trình tự nhất định, gọi là phương pháp polling. Do
đó, dữ liệu trao đổi luôn có sẵn tại lớp 2, tạo điều kiện cho các
chương trình ứng dụng trao đổi dữ liệu dưới cấp trường một cách
hiệu quả nhất. 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.
7.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:
SVTH: NHÓM 2 GVHD: HOÀNG QUỐC XUYÊN
10

BÀI TẬP LỚN MÔN: SCADA, DCS VÀ MẠNG TTCN
• Khung với chiều dài thông tin cố định, không mang dữ liệu:
• Khung với chiều dài thông tin cố định, mang 8 byte dữ liệu:
• Khung với chiều dài thông tin khác nhau, với 1-246 byte dữ liệu:
• Token
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 với
các ý nghĩa cụ thể như sau:
SVTH: NHÓM 2 GVHD: HOÀNG QUỐC XUYÊN
11
BÀI TẬP LỚN MÔN: SCADA, DCS VÀ MẠNG TTCN
Ngữ nghĩa khung bức điện FDL
Ký
hiệu
Tên đầy đủ Ý nghĩa
SD1
…
SD4
Start Delimiter
Byte khởi đầu, phân biệt giữa
các loại khung 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
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 thông 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 bít khởi đầu (Start bit), một bit chẵn lẻ (parity chẵn)
và một bít kết thúc (Stop bit).
SVTH: NHÓM 2 GVHD: HOÀNG QUỐC XUYÊN
12
BÀI TẬP LỚN MÔN: SCADA, DCS VÀ MẠNG TTCN
SVTH: NHÓM 2 GVHD: HOÀNG QUỐC XUYÊN
13
BÀI TẬP LỚN MÔN: SCADA, DCS VÀ MẠNG TTCN
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.
SVTH: NHÓM 2 GVHD: HOÀNG QUỐC XUYÊN
14
BÀI TẬP LỚN MÔN: SCADA, DCS VÀ MẠNG TTCN
Chương 2:
PROFIBUS - PA
2.1. Giới thiệu về Profibus – PA
PROFIBUS-PA là một trong ba biến thể của Profibus tương thích với nhau
(PROFIBUS FMS, DP, PA). Profibus là một tiêu chuẩn mạng trường mở, quốc tế
theo chuẩn mạng trường châu Âu EN 50170 và EN 50254.
Profibus là một chuẩn fieldbus dành cho tất cả các nhà sản xuất cho những ứng
dụng trong tự động hóa sản xuất, tự động hóa quá trình và tự động hóa tòa nhà.
Trong tự động hóa tòa nhà và tự động hóa quá trình, để thực hiện các tác vụ vận
hành và giám sát thì bên cạnh thiết bị tự động hóa cần phải có thiết bị hiển thị.
Master class-2 này chịu trách nhiệm thực hiện các chức năng khởi động, tham số
hóa và giám sát các thiết bị hiện trường tiên tiến. việc ghi và đọc dữ liệu cảu thiết
bị phải được thực hiện trong suốt quá trình hoạt động của một vòng điều khiển độc
lập.
Vì chuẩn DP ban đầu không cung cấp các dịch vụ đặc biệt để thực hiện các tác vụ

này, nên vào năm 1997 biến mở rộng PROFIBUS-DPV1 đã được phát triển. Biến
mở rộng này tương thích với giao thức DP hiện tại và tất cả các phiên bản cũ hơn.
Ngoài các dịch vụ truyền thong DP theo chu kỳ, PROFIBUS-DPV1 cũng tạo ra các
dịch vụ không theo chu kì cho thong báo cảnh báo, chuẩn đoán, tham số hóa và
điều khiển các thiết bị hiện trường.
PROFIBUS-PA đáp ứng được các yêu cầu đặc biệt của tự động hóa quá trình.
Truyền thong PA dựa trên các dịch vụ do DPV1 cung cấp và được thực hiên như
một hệ thống cục bộ (bộ phận) nhúng trong một hệ thống truyền thong Dp cấp độ
cao hơn. Không giống như những ứng dụng tự động trong kỹ thuật sản xuất đòi hỏi
thời gian chu kỳ ngắn cớ vài ms, trong tự động hóa quá trình có nhiều nhân tố khác
cũng cực kỳ quan trọng như
 Kỹ thuật truyền an toàn nội tại
 Thiết bị hiện trường được cấp nguồn trên cáp bus
 Truyền dữ liệu tin cậy
SVTH: NHÓM 2 GVHD: HOÀNG QUỐC XUYÊN
15
BÀI TẬP LỚN MÔN: SCADA, DCS VÀ MẠNG TTCN
 Khả năng tương tác ( chuẩn hóa các chức năng của thiết bị)
Ban đầu khi Profibus được chuẩn hóa, về an toàn nội tại và cấp nguồn trên bus
không được chú ý. Chỉ khi chuẩn quốc tế IEC 1158-2 ra đời vào khoảng tháng 10
năm 1994, kỹ thuật truyền hợp lý đã được chỉ định rõ phạm vi ứng dụng này và
được xây dựng thành chuẩn châu Âu EN 61158-2. Chuẩn PROFIBUS-PA ra đời
vào tháng 3 năm 1995 bao gồm kỹ thuật truyền trong môi trường an toàn nội tại và
các thiết bị hiện trường cấp nguồn trên cáp bus.
Profibus PA là một thể loại bus trường thích hợp với 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 quy định chuyên biệt (profile) về thông số và đặc tính
cho các thiết bị trường. các quy 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 4-20mA 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 31.25kbit/s. profibus PA cũng
cho phép bảo trì, bảo dưỡng cũng như thay thế các trạm thiết bị trong khi vận hành.
Đặc biệt profibus PA được phát triển để thích hợp sử dụng các khu vực nguy hại,
dễ cháy nổ thuộc kiểu bảo vệ “an toàn riêng”(EEx ia/ib) hoặc “đóng kín” (EEx d).
2.2. kiến trúc giao thức
Profibus chỉ thực hiện ở lớp 1, lớp 2 và lớp 7 theo mô hình quy chiếu OSI. Tuy
nhiên PROFIBUS 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
Mô hình OSI PROFIBUS-PA
Lớp 7 Lớp ứng dụng
Không sử dụng
Lớp 6 Lớp biểu diễn
Lớp 5 Lớp phân phiên
Lớp 4 Lớp vận chuyển
Lớp 3 Lớp mạng
SVTH: NHÓM 2 GVHD: HOÀNG QUỐC XUYÊN
16
BÀI TẬP LỚN MÔN: SCADA, DCS VÀ MẠNG TTCN
Lớp 2
Lớp liên kết dữ
liệu
Fieldbus Data Link
(FDL)
Lớp 1 Lớp vật lý MBP (IEC-611582)

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 2 hệ thống có thể thực
hiên đơn giản qua các bộ chuyển đổi (DP/PA-link hoặc DP/PA coupler). 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 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 chuẩn 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.
a. DDLM và giao diện người sử dụng
Các tầng OSI 3-7 không được sử dụng với profibus DP và PA, cả 2 hệ thống
này sử dụng giao diện người sử dụng đồng nhất. Do đó profibus PA được
tính đến trong các ứng dụng chuẩn hóa của tầng 2.
SVTH: NHÓM 2 GVHD: HOÀNG QUỐC XUYÊN
17
BÀI TẬP LỚN MÔN: SCADA, DCS VÀ MẠNG TTCN
Giao diện người sử dụng cùng với Direct Data Link Mapper(DDLM) hình
thành giao diện giữa chương trình ứng dụng và tầng 2. Với DPV1, DDLM
cung cấp một số chức năng dịch vụ không đồng bộ, chẳng hạn như:
- DDLM_initiate, DDLM_read, DDLM_write, DDLM_Abort;
DDLM_Alarm_Ack
các chức năng DDLM này được sử dụng như một nền tảng cho các dịch vụ
truyền thông, như khởi động, bảo dưỡng, chuẩn đoán và thông báo cảnh báo.
Hệ thống do Master class 1 điều khiển, sử dụng kỹ thuật trao đổi dữ liệu theo
chu kỳ.
Nhiều chức năng của giao diện người sử dụng tạo nên một giao diện mạnh mẽ
hơn cho hệ thống truyền thông tiên tiến. Ngoài ra, một hệ thống mở, hiện đại
cho các ứng dụng tự động hóa quá trình đòi hỏi các thành phần của các nhà
sản xuất khác nhau có thể traon đổi được (chính là khả năng tương tác). Điều

này yêu cầu phải xác định (định ngĩa) chính xác tất cả giao diện thiết bị.
Để định nghĩa các giao diện, Profibus PA sử dụng một số yếu tố hoặc các
phần mô tả, cụ thể như sau:
- Các file cơ sở dữ liệu thiết bị - Device Database file (GSD)
- Profile thiết bị
- Mô tả thiết bị điện tử - Electronic Device Description (EDD) hay field
Device Tool (FDT)
b. Lớp vật lý (lớp 1)
Có 2 cách khác nhau để nhận ra kỹ thuật truyền chon profibus PA
- Hoặc theo chuẩn RS 485
- Hoặc theo chuẩn IEC 61158-2 được xác định riêng cho những khu vực có
nguy cơ cháy nổ và cấp nguồn trên bus. Có 4 biến thể IEC 61158-2, nhưng
chỉ có profibus PA sử dụng chế độ điện áp 31.25 kbit/s.
Khi sử dụng giao diện RS485, profibus FMS, profibus DP, profibus PA có
thể được vận hành cùng nhau trên một đường bus chung. Tuy nhiên truyền
thông an toàn nội tại trong những khu vực có nguy cơ cháy nổ đòi hỏi việc
lắp đặt phải tuân theo chuẩn IEC 611582
SVTH: NHÓM 2 GVHD: HOÀNG QUỐC XUYÊN
18
BÀI TẬP LỚN MÔN: SCADA, DCS VÀ MẠNG TTCN
Các master của một hệ thống PA- trạm điều khiển và vận hành luôn hoạt
động trên một đường bus profibus DP.
• Kỹ thuật truyền dẫn IEC 61158-2
Với kỹ thuật truyền dẫn IEC 61158-2, phân đoạn PA đưa ra một số
thông số vật lý sau:
- Truyền dữ liệu đồng bộ kỹ thuật số, bit
- Tốc độ truyền dữ liệu: 31.25kbit/s
- Manchester coding mà không tính giá trị trung bình, với sự biến điệu
dòng/ biên độ 9mA
- Nguồn cấp DC từ xa: tối đa 32V

- Truyền tín hiệu và cấp nguồn từ xa trên đường 2 dây xoắn
- 126 thiết bị có thể định vị địa chỉ
- Cấu trúc mạng đường thẳng hay hình cây
- Độ dài line lên tới 1900m
- 32 thiết bị trên mỗi phân đoạn line
- Có thể mở rộng mạng với tối đa 4 bộ lặp (repeater)
Các thuộc tính của 1 field bus cũng được xác định bởi các đặc tính kỹ thuật
điện của cáp truyền tải.Mặc dù IEC 61158-2 không xác định một loại cáp cụ
thể, nhưng có thể tham khảo cáp như trong hình 12 (Type A).Chỉ có loại cáp
này cho phép truyền dữ liệu trên phạm vi tới 1.900m
Để đạt được độ tương thích điện từ (EMC)tốt b nhất ,các đường bus phải
được bọc bảo vệ.Tấm chắn bảo vệ này cũng như các hộp kim loại của thiết bị
hiện trường phải được tiếp đất.
2.3. Cơ chế giao tiếp (lớp 2)
a. Truy nhập bus và lập địa chỉ
trong truyền thông profibus PA, có thể thực hiện các hệ thống đa master. Hệ thống
điều khiển truy cập bus hybrid hoạt động trên phương thức token passing (truyền
mã thông báo) và sử sụng nguyên tắc master/slave để giao tiếp với các đối tượng
tham gia thụ động (passive participant).Mỗi master nhận mã thông báo (token)
SVTH: NHÓM 2 GVHD: HOÀNG QUỐC XUYÊN
19
BÀI TẬP LỚN MÔN: SCADA, DCS VÀ MẠNG TTCN
trong một khung thời gian chính xác cho phép chỉ mình master đó điều khiển trên
mạng truyền thông trong khung thờ gian đó.
Một địa chỉ thiết bị 7 bít xác định các đối tượng bus tham gia trong mạng.Các địa
chỉ có dải từ 0-127,trong đó:
- Địa chỉ 126: mặc định gán địa chỉ tự động qua master ;
- Địa chỉ 127: gửi bức điện (telegrams) rộng khắp.
Nếu như địa chỉ 0 được sử dụng cho master class-1,các địa chỉ từ 1-125 được sử
dụng cho các thiết bị hiện trường và master class-2.Các địa chỉ thường được gán

qua 7 chuyển mạch DIP trên thiết bị hoặc qua phần mềm.
b. Trình tự giao tiếp và cơ chế bảo vệ lỗi
Profibus PA và DP đều được trang bị nhiều cơ cấu an toàn để đảm bảo
truyền thông phi sự cố.Ví dụ, trong quá trình khởi tạo hệ thống, một số
nguồn có khả năng bị lỗi đã được kiểm tra.
Sau khi hệ thống được cấp điện, slave luôn trong tư thế sẵn sàng trao đổi
dữ liệu nếu như master gửi đi trước một bức điện tham số hóa và sau đó
đến một bức điện cấu hình. Chỉ khi các bức điện này phù hợp với các đặc
tính hoạt động, slave mới chấp nhận các lệnh từ master. Ví dụ, số line đầu
ra được master cấu hình phải phù hợp với số line đầu ra hiện có trong thiết
bị.
Với sự trợ giúp của các lệnh Get-Cfg có thể tải cấu hình thiết bị của tất cả
slave. Do đó có thể tránh được các lỗi tham số hóa trong mạng nếu master
so sánh sự lắp ráp thiết bị như kế hoạch với cấu hình hiện có. Thông tin
cần thiết cho quá trình này (kiểu thiết bị ,số đầu vào và đầu ra, định dạng
và độ dài dữ liệu) nhận được qua file cơ sở dữ liệu thiết bị và các mô tả
(description).Hình 25 minh họa chu kỳ khởi tạo điển hình trong quá trình
khởi động một hệ thống .
-Ngoài khả năng kiểm tra lỗi điều khiển của các bức điện dx liệu trong quá
trình vận hành, quá trình truyền thông cũng được giám sát bởi các cơ cấu
an toàn theo thời gian và giao thức.
SVTH: NHÓM 2 GVHD: HOÀNG QUỐC XUYÊN
20
BÀI TẬP LỚN MÔN: SCADA, DCS VÀ MẠNG TTCN
-Mỗi master điều khiển giao tiếp với các slave nhờ các bộ định thời (timer)
đặc biệt được sử dụng để kiểm tra trình tự thời gian của lưu lượng dữ liệu
có ích.
-Với các slave, chức năng giám sát đầu độc sẽ chuyển các đầu ra trong
trạng thái an toàn xác định trước nếu quá trình truyền dữ liệu không xảy ra
với master trong một khoảng thời gian cố định.

-Các đầu ra của slave được bảo vệ chống lại sự truy cập. Khi đó chỉ master
được quyền trong hệ thống đa master mới được phép truy cập (ghi) trong
khi việc đọc các đầu vào và đầu ra cũng có thể được thực hiện mà không
cần quyền truy cập.
Sự an toàn của hệ thống thậm chí còn cao hơn vì mỗi master -1 báo cáo
trạng thái hệ thống của nó theo chu kỳ tới tất cả slave đã được chỉ định
trong khoảng thời gian có thể cấu hình sử dụng một lệnh multicast. Master
có thể được tham số hóa sao cho có thể chuyển tất cả slave tới một trạng
thái an toàn và dừng hoạt động truyền dữ liệu trong trường hợp hệ thống bị
lỗi ….khi slave bị hỏng.
c. Các dịch vụ truyền thông tầng 2
Tầng 2 (Layer 2) cung cấp tầng ứng dụng với các dịch vụ truyền thông SRD
và SDN :
-Với dịch vụ SRD (gửi và yêu cầu dữ liệu có phản hồi – Send and Request
Data with reply),master phát ra một lệnh hay gửi dữ liệu tới slave và nhận hồi
đáp từ slave trong một khoảng thời gian xác định.Hồi đáp này bao gồm hoặc
là một tin báo nhận(tin báo nhận ngắn gọn ) hoặc dữ liệu theo yêu cầu(hình
18).
-Dịch vụ SDN(gửi dữ liệu mà không có tin báo nhận-Send Data with No
acknowledge) gửi dữ liệu tới một nhóm slave.Dịch vụ này cho phép đồng bộ
hóa điều khiển sự kiện,tại đó tất cả slave thiết đặt (set) các đầu ra cùng một
lúc(chế độ đồng bộ - Sync mode)b hay cập nhật dữ liệu đầu vào cùng một lúc
(chế độ cố định – Freeze mode).Trong trường hợp này không thể thực hiện
chỉ định bus điều khiển master cho slave, do đó các bức điện SDN vẫn không
được phúc đáp.
Điểm truy cập dịch vụ (Service Access Points – SAP )cho phép truy cập ứng
dụng các dạng truyền thông cơ bản này và các dịch vụ tầng 2 khác nhau.Các
SVTH: NHÓM 2 GVHD: HOÀNG QUỐC XUYÊN
21
BÀI TẬP LỚN MÔN: SCADA, DCS VÀ MẠNG TTCN

SAP này được các tầng cao hơn sử dụng để thực hiện tất cả các nhiệm vụ
truyền thông của chương trình ứng dụng tương ứng.
d. Đặc tính dữ liệu
Cùng với độ dài,tốc độ dữ liệu của người sử dụng thay đổi trong phạm vi 8-
96%.
Tốc độ truyền 31.25 kbit/s dẫn đến thời gian truyền của mỗi bức điện là 0.4-
8.2 ms,don đó mỗi byte dữ liệu của người sử dụng cần trung bình 0.4-
32ms.Tốc độ truyền dữ liệu như vậy là đủ chẳng hạn như để đáp ứng 10 vòng
điều khiển,bao gồm 10 sensor và 10 actuator tương ứng trong thời gian chu kỳ
điều khiển khoảng 210 ms.
Trong quá trình đánh giá ,người ta thấy rằng chỉ duy nhất một giá trị theo chu
kỳ (5 byte dữ liệu người sử dụng)phải được truyền trên mỗi thiết bị .Cứ mỗi
giá trị thêm vào, thời gian chu kỳ tối thiểu tăng (5x8 bits)/(31.25 kbit/s).
Có thể áp dụng theo công thức:
Thời gian chu kỳ ≥
+10ms x số thiết bị
+10ms (đối với các dịch vụ master class-2 không theo chu kỳ)
+1.3 ms (đối với mỗi giá trị theo chu kỳ thêm vào)
SVTH: NHÓM 2 GVHD: HOÀNG QUỐC XUYÊN
22
BÀI TẬP LỚN MÔN: SCADA, DCS VÀ MẠNG TTCN
Chương 3:
CẤU TRÚC KHUNG TIN
1.Cấu trúc bức điện của profibus
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:
• Khung với chiều dài thông tin cố định, mang 8 byte dữ liệu:

• Khung với chiều dài thông tin khác nhau, với 1-246 byte dữ liệu:
• Token
SVTH: NHÓM 2 GVHD: HOÀNG QUỐC XUYÊN
23
BÀI TẬP LỚN MÔN: SCADA, DCS VÀ MẠNG TTCN
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 với
các ý nghĩa cụ thể như sau:
Ngữ nghĩa khung bức điện FDL
Ký
hiệu
Tên đầy đủ Ý nghĩa
SD1
…
SD4
Start Delimiter
Byte khởi đầu, phân biệt giữa
các loại khung 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
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.
2.Cấu trúc khung tin của profibus PA
FDL định nghĩa theo các bức điện sau đây
- Bức điện không có trường dữ liệu (6 byte điều khiển)
- Bức điện với một trường dữ liệu có độ dài cố định (8 byte dữ liệu và
6 byte điều khiển)
SVTH: NHÓM 2 GVHD: HOÀNG QUỐC XUYÊN
24
BÀI TẬP LỚN MÔN: SCADA, DCS VÀ MẠNG TTCN
- điện tín với một trường dữ liệu biến (0-244 byte dữ liệu và 9-11 byte
điều khiển),
- xác nhận ngắn gọn (1 byte)
- bức điện mã thông báo cho kiểm soát truy cập bus(3 byte).
Khoảng cách Hamming
Với tất cả các hệ thống truyền dữ liệu, tính chẵn lẻ và khối kiểm tra các
điện tín là được sử dụng để đạt được một khoảng cách Hamming của HD
= 4, vì vậy có đến ba lỗi có thể được phát hiện một cách chắc chắn.
Trong hình. 3.1, phần trên minh họa cấu trúc của một bức điện tín FDL
với một biến

chiều dài trường dữ liệu. Trong khi các byte của bức điện tín FDL được
truyền
không đồng bộ trong các hình thức UART ký tự trên dòng RS 485,
truyền trên các phân đoạn IEC là bit đồng bộ. Ở đây, các bức điện tín
FDL
được cung cấp thêm với lời mở đầu và bắt đầu và kết thúc ký tự phân
cách
(xem hình. 3.1 dưới đây).
Tốc độ dữ liệu người sử dụng cao
Hiệu suất dữ liệu
Kích thước của bức điện như hình. 3.1 phụ thuộc vào chiều dài của
trường dữ liệu. Cùng với chiều dài, thay đổi tốc độ dữ liệu người sử
dụng trong giới hạn tám và 96 phần trăm (một hoặc 244 byte dữ liệu và
mười một byte kiểm soát mỗi).
SVTH: NHÓM 2 GVHD: HOÀNG QUỐC XUYÊN
25