Khái Niệm Cơ Bản Về Giao Thức Truyền Thông PROFIBUS - Bkaii

Cùng với sự phát triển không ngừng nghỉ của ngành công nghiệp tự động hóa là sự áp dụng rộng rãi các giao thức truyền thông như: CAN, Modbus RTU, Modbus TCP, Profibus DP, Profibus PA, Hart,... Vậy làm thế nào để chúng ta có thể hiểu chính xác những giao thức ấy là gì cũng như giải pháp hoạt động ra sao? BKAII sẽ giúp các bạn giải đáp những thắc mắc đó. Hôm trước chúng ta đã cùng tìm hiểu về giao thức truyền thông Hart, hôm nay BKAII tiếp tục giới thiệu đến các bạn khái niệm cơ bản về giao thức PROFIBUS nhé!

PROFIBUS (Process Field Bus) là một chuẩn cho truyền thông fieldbus trong kỹ thuật tự động hóa và được phát triển lần đầu vào năm 1989 bởi BMBF (phòng giáo dục và nghiên cứu Đức) và sau đó được sử dụng bởi Siemens. 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.

Đặc điểm, phân loại

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 500 kbit/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 dùng bộ lặp 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.

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 DP là 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 FMSlà 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.

Ứng dụng:

Do có rất nhiều ưu điểm nên hiện nay, PROFIBUS được sử dụng rất nhiều trong các hệ thống điều khiển tự động trong công nghiệp, đặc biệt là PROFIBUS DP được sử dụng trong các nhà máy công nghiệp như xi măng, điện, hóa chất, chế biến,...v.v. tại Việt Nam cũng như trên thế giới.

• Nhà máy đóng chai Coca-Cola tại HM Interdrink (Đức)

Yêu cầu của HM Interdrink là cần một dây chuyền sản xuất có năng suất cao, hoạt động tin cậy và hiệu quả về kinh tế. Do vậy họ đã quyết định sử dụng PROFIBUS-DP cho quá trình lưu thông dữ liệu chu kỳ nhanh và PROFIBUS-FMS cho lưu thông dữ liệu không đồng bộ với lượng dữ liệu lớn. Hai giao thức được sử dụng cho 2 mức điều khiển khác nhau trong dây chuyền sản xuất.

• Nhà máy pha chế dầu khí của Shell (Đức)

Deutsche Shell AG quyết định áp dụng một giải pháp tự động hóa tiên tiến dựa trên công nghệ giao tiếp phân tán hiện đại. Phòng điều khiển trung tâm sử dụng phần mềm Total Plant Batch và hệ thống thị giác Honeywell SCAN 3000. Những thiết bị này được nối với Simantic S5 PLC sử dụng Ethernet công nghiệp. Công cụ Commuwin 2 của Endres and Hauser nối trực tiếp với PROFIBUS được sử dụng để cấu hình các bộ truyền tín hiệu E&H. Xét về tổng thể, toàn nhà máy gồm hơn 9000 thiết bị và cảm biến từ 8 nhà sản xuất. Toàn bộ chúng được nối thông với nhau bằng PROFIBUS-DP, PA và AS-Interface.

• Nhà máy đóng chai rượu Jonny Walker (Scotland)

Nhà máy đóng chai rượu Jonny Walker được công ty Scomagg nâng cấp thiết bị dựa trên nền PROFIBUS giúp điều khiển nhà máy lọc thô. Trong nhà máy này, hỗn hợp rượu uýt-ki được vận chuyển bằng đường ống tới bể chứa pha màu. Tại đây, nó được làm lạnh, lọc và đun nóng. Cuối cùng hỗn hợp được chuyển tới 40 bể chứa đóng chai khác đặt cách đây 500m. Những I/O truyền thống gồm 18 cảm biến nhiệt độ, 18 van điều khiển nhiệt độ, 6 bộ chuyển mạch áp suất, 7 lưu lượng kế, 7 van điều khiển lưu lượng và 1 bộ đếm xung. Còn mạng PROFIBUS nối được 62 bể chứa, trong đó gồm 292 van điều khiển, 19 thước đo mức, 102 bộ chuyển mạch mức, 4 bộ chuyển mạch áp suất, 6 SIL, 15 MCC I/F, 22 nút và 44 đèn. Tổng diện tích nối mạng gần 1 km và tốc độ truyền dữ liệu là 500 kB/s. Toàn mạng có 72 nút trong 5 đoạn PROFIBUS gồm có 900 đầu vào và 500 đầu ra.

• Nhà máy sản xuất kem Tai Chang Wall (Trung Quốc)

Ban lãnh đạo nhà máy đã quyết định sử dụng SIMATIC PCS làm hệ điều khiển trung tâm. Nhằm tiết kiệm công sức lắp đặt và thời gian đưa nhà máy mới vào hoạt động, PROFIBUS được sử dụng để nối thông các thiết bị hiện trường với hệ điều khiển trung tâm. Toàn bộ chuyền sản xuất do 2 nhân viên ngồi trong phòng điều khiển trung tâm giám sát và vận hành. Hai PLC TI505 làm nhiệm vụ điều khiển thời gian thực toàn bộ chuyền sản xuất. Ngoài ra, hai PLC này còn làm chức năng như trạm chủ của PROFIBUS-DP Fieldbus và thực thi nhiệm vụ liên lạc chính bao gồm cấu hình, giám sát và điều khiển. PFOFIBUS truyền tải toàn bộ thông tin từ thiết bị hiện trường đặt phân tán tại nhiều điềm trong nhà máy tới bộ điều khiển trung tâm. Nhiều đường ống và van được sử dụng để trộn các loại nguyên liệu làm kem. Van được điều khiển bằng những môđun điều khiển van ngay tại sàn máy (những môđun này của Festo). Những môđun điều khiển này có hỗ trợ giao thức PROFIBUS-DP và được nối với các bus PROFIBUS-DP như những trạm tớ. Thông qua PROFIBUS-DP, bộ điều khiển trung tâm có thể điều khiển và giám sát trực tiếp toàn bộ van.

Xem thêm:

• Giới thiệu về giao thức lưu trữ phân cấp IPFS
• Khái niệm cơ bản về giao thức BACnet
• Giới thiệu về MQTT giao thức nhắn tin IoT
• Khái niệm cơ bản về giao thức truyền thông SDI-12

Trên đây là một số kiến thức về giao thức truyền thông PROFIBUS. Hi vọng với những thông tin trên sẽ giúp ích được cho công việc cũng như việc nghiên cứu, học tập của các bạn. Để tìm hiểu thêm về các giao thức khác hay những vấn đề liên quan đến tự động hóa trong công nghiệp các bạn nhớ theo dõi BKAII nhé.

"BKAII - Thiết bị truyền thông TỐT nhất với giá CẠNH TRANH nhất!"