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

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-

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

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

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.

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

- 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

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)

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

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.

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:

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