Truyền thông MPI và Profibus

 Truyền thông MPI

Giới thiệu truyền thông MPI

Là truyền thông được hãng Siemens sử phổ biến trong các thiết bị tự động hóa của hãng. Truyền thông MPI (Multipoint Interface) là một giao thức truyền thông đơn giản và kinh tế , được sử dụng khi yêu cầu tốc độ truyền không cao, số lượng dữ liệu truyền không lớn

Truyền thông MPI có thể được sử dụng để trao đổi dữ liệu giữa các PLC S7-200/300/400, màn hình HMI và card truyền thông MPI hay Profibus của máy chủ (host computer) . Ví dụ như CP 5512 ,CP 5611, CP 5613…

Tốc độ truyền nằm trong tầm 19.2 Kbit/s đến 12Mbit/s và thiết lập mặc định là 187.5 Kbit/s. Tuy nhiên ,chỉ khi nào giao tiếp MPI được cấu hình như giao tiếp Profibus thì có thể hỗ trợ lên 12Mbit/s.Mạng truyền thông MPI trao đổi thông tin với khoảng cách tối đa là 50m , có thể lên tới 32 điểm liên kết.

Khoảng cách của mạng có thể mở rộng qua Repeater

Cấu trúc truyền thông MPI

Bản chất mạng truyền thông MPI dựa trên nền tảng RS485. Giao tiếp RS 485 trong PLC s7-200/300/400 của Siemens không chỉ có tác dụng để lập trình (download/upload dữ liệu ) mà còn có thể sử dụng với truyền thông MPI. Không cần phải đầu tư thêm phần cứng cho CPU , truyền thông MPI có thể thực hiện chức năng truyền thông như PG/OP và truyền thông theo giao thức S7 -Communication với một dữ liệu nhỏ…

Những điểm node của mạng thông thường là những thành phần như PLC S7, màn hình HMI (TP/OP) ,PG/PC ,Intelligent ET200s và những bộ Repeater RS 485

Khoảng cách truyền thông MPI

Khoảng cách tối đa của truyền thông MPI là 50m . Tuy nhiên chúng ta có thể mở rộng khoảng cách truyền thông MPI thông qua bộ Repeater.

Khoảng cách tối đa  giữa MPI Station đến Repeater là 50m và khoảng cách tối đa giữa 2 Repeater là 1000m .Truyền thông MPI chỉ có thể liên kết tối đa với 10 Repeater như vậy khoảng cách tối đa giữa 2 MPI là 9100m.

Nếu có 1 MPI nằm ở giữa 2 MPI sation thì khoảng cách tối đa từ Repeater đến MPI sation là 50m . Giao tiếp MPI về bản chất là giao tiếp RS 485 và phải sử dụng với Profibus connector và cáp Profibus .Nếu người sử dụng connector và cáp khác thì sẽ không đảm bảo chất lượng trong truyền thông và khoảng cách đã nói ở trên

Truyền thông PROFIBUS

Giới thiệu về giao thức Profibus

PROFIBUS (Process Field Bus) là một hệ thống bus trường được phát triển ở 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.

PROFIBUS không chỉ dừng lại là một hệ thống truyền thống, màcòn được coi là một công nghệ tự động hóa.

IEC – International Electrotechnical Commission

PROFIBUS định nghĩa các đặc tính của một hệ thống bus cho phép kết nối nhiều thiết bị khác nhau, từ các thiết bị trường cho tới vào/ra phân tán, các thiết bị điều khiển và giám sát.

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 các thiết bị trường với các máy tính điều khiển.

PROFIBUS-PA là kiểu đặc biệt sử dụng ghép nối trực tiếp các thiết bị trường trong các lĩnh vực tự động hóa các quá trình có môi trường để cháy nổ, đặc biệt trong công nghiệp chế biến

Các định dạng truyền thông của PROFIBUS

PROFIBUS  sử dụng giao thức protocol  dựa theo mô hình OSI. Tuy nhiên , PROFIBUS chỉ sử dụng 3 lớp layer đó là : lớp vật lý (layer 1) , lớp liên kết dữ liệu (layer 2) và lớp ứng dụng (layer 7)

Các lớp layer của PROFIBUS

Lớp vật lý ( layer1)

• Sử dụng phương thức truyền cơ bản với cáp xoắn đôi có vỏ shield dựa theo chuẩn RS-485
• Tốc độ truyền từ 9.6 Kbps đến 12Mbps . Tốc độ truyền được áp dụng cho tất cả các thiết bị trên cùng bus tín hiệu. Điều này có nghĩa là trên một bus tín hiệu không thể có hai tốc độ truyền dữ liệu khác nhau.
• Phương thức truyền RS-485 sử dụng cho PROFIBUS được dựa theo semi-duplex , asynchronous và gap-free synchronous. Dữ liệu được truyền trong gói tin với 11 bit theo mã NRZ không trả về zero. Gói tin truyền sẽ không bị thay đổi trong quá trình truyền dữ liệu.

Trong đó:

• Start bit – Bit bắt đầu gói tin : luôn có giá trị là 0
• Information bit – gồm có 8 bit mang thông tin của UART
• Partity bit Even – bit kiểm tra chẵn lẻ có giá trị 0 hoặc 1
• Stop bit – Bit kết thúc gói tin : luôn có giá trị 1

Lớp liên kết dữ liệu ( Layer 2)

PROFIBUS sử dụng một phương thức truyền đồng nhất .Phương thức này thuộc lớp layer 2 trong mô hình OSI và trong PROFIBUS gọi là lớp liên kết dữ liệu FDL. Lớp FDL đảm bảo khi thực hiện truyền thông an toàn dữ liệu , xử lý các phương thức truy cập và các gói tin

Lớp ứng dụng (Layer 7)

Lớp layer 7 theo tham chiếu của mô hình OSI cung cấp các dịch vụ ứng dụng cho người sử dụng .Lớp ứng dụng của PROFIBUS bao gồm đặc tính gói tin của fieldbus và giao tiếp thông tin với các lớp layer thấp hơn.

Đặc điểm và phân loại truyền thông PROFIBUS

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.

Họ PROFIBUS có 3 kiểu giao thức là: PROFIBUS DP, PA, FMS trong đó PROFIBUS-DP được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay.

• PROFIBUS DPlà bus cấp thiết bị hỗ trợ cả tín hiệu tương tự và tín hiệu phân tán.    PROFIBUS DP được sử dụng rộng rãi cho các đối tượng như hệ thống I/O, điều khiển động cơ và biến tần. Profibus DP truyền thông với tốc độ từ 9,6 Kbp -12 Mbp trong phạm vi từ 100-1200m. Nó là PROFIBUS hoạt động trên giao diện RS485 chuẩn và đã được bổ sung một số đặc điểm để phù hợp với các ứng dụng quá trình như đọc/ghi dữ liệu quá trình không theo chu kì, truyền trạng thái thiết bị, cấp nguồn trên bus và an toàn nội tại. PROFIBUS DP được thiết kế để truyền dữ liệu tốc độ cao tại cấp thiết bị. Trong trường hợp này, các bộ điều khiển trung tâm (PLC, PC) giao tiếp với các thiết bị hiện trường phân tán của chúng (I/O, drive, van…) qua một liên kết nối tiếp tốc độ cao. Hầu hết quá trình truyền dữ liệu với các thiết bị phân tán này được thực hiện theo chu kì.
• PROFIBUS PAlà một fieldbus có chức năng toàn diện thường được sử dụng cho thiết bị cấp quá trình. PROFIBUS PA truyền thông với tốc độ 31,25 Kbp với phạm vi tối đa 1.900m/phân đoạn. Chuẩn này được thiết kế cho những ứng dụng Intrinsically Safe.
• PROFIBUS FMS là một bus điều khiển được sử dụng để giao tiếp giữa DCS và các hệ thống PLC.

–  Cấu trúc liên kết mạng:

• Cấu trúc tuyến (bus)
• Cấu trúc mạch vòng (ring)
• Cấu trúc hình sao (star)

– Phương thức truyền thông:

• DP: đồng đẳng (peer-to-peer), multicast hay master-slave theo chu kì (sử dụng kỹ thuật token passing).
• PA: khách/chủ (client/server), Publisher/subscriber, sự kiện (event).

Ưu, nhược điểm:

Ưu điểm:

• Được sử dụng rộng rãi, hoạt động ổn định, đơn giản, đáng tín cậy dễ mở rộng hệ thống.
• Hỗ trợ mạng tại các cấp độ thiết bị, điều khiển quá trình.
• Sẵn có giao diện cho các ứng dụng variable speed drive và trung tâm điều khiển động cơ (Profibus DP).
• Sử dụng trong môi trường an toàn (Intrinsically Safe) (đối với các thiết bị Profibus PA).
• Các cổng nối (gateway) cho phép tích hợp Profibus PA trực tiếp với mạng Profibus DP.
• Giao diện chủ (host) sẵn có cho hầu hết PLC, DCS và các hệ thống máy tính.
• Thiết bị gateway hỗ trợ trực tiếp các mạng bus sensor chi phí thấp hơn, đặc biệt là AS-Interface.

Dù có nhiều ưu điểm song PROFIBUS cũng tồn tại những nhược điểm:

• Profibus DP không hỗ trợ ứng dụng Intrinsically Safe.
• Những yêu cầu rằng buộc về hệ thống dây cáp, điện, tiếp đất, bọc và đầu cuối phải được tính đến trong quá trình thiết kế và lắp đặt