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

1. Tổng quan chung về mạng Simatic
Trong mạng Simatic, đã đ a các giải pháp cho mạng truyền thông công
nghiệp nh : Profibus, Ethernet, AS-i nhằm kết nối các thiết bị tr ờng 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 ph ơng pháp tích hợp mà có thể đ a ra các lựa chọn phần
cứng cũng nh phần mềm t ơng ứng.
Ch ơng này trình bày về các giao thức chính đ ợc dùng trong Simatic,
phần thiết bị phần cứng và ph ơng pháp ghép nối đ ợc trình bày trong
ch ơng 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 nh : Siemens AG, Festo KG Đây là hệ thống Bus

Trong sản phẩm của Siemens module giao diện AS-i Master trong S7-
300 là CP 342-2, module này có thể đ ợc 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
đ ợc thời điểm bắt đầu, kết thúc một bản tin cũng nh 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
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 tr ờng đ ợc phát triển tại Đức năm 1987 và thành
chuẩn EIC 61158 năm 2000.
Với mục đích quảng bá cũng nh hỗ trợ việc phát triển và ứng dụng
các sản phẩm t ơng thích Profibus, một tổ chức ng ời sử dụng đã đ ợc
thành lập mang tên Profibus International với hơn 1000 thành viên.
Ngày nay Profibus là hệ thống Bus tr ờng 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 đ ợc 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 đ ợc ứng dụng để kết nối các thiết bị tr ờng 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 đ ờng Bus.
Các trạm chủ (th ờng là các PC, PLC) đ ợc quyền kiểm soát truyền
thông trên Bus, các trạm tớ (th ờng là các Module vào/ra phân tán, các thiết
bị đo thông minh ) không đ ợc phép truy nhập Bus, mà chỉ đ ợc 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

- Lớp vật lý quy định về kỹ thuật truyền dẫn tín hiệu, môi tr ờng
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 th ờng tring khoảng 9.6 500Kb/s và số l ợng trạm tối đa là
127, nó sử dụng ph ơng 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 ph ơng pháp truy nhập bus có thể đ ợc 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 đ ợc 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.



PC

Controller

M

Drive

Sensor

Sensor

Actuator

M

Drive

V

Transmiter

M

Drive

Sensor

Hình 2.4.
LE - Token
SD4 DA

SA

DA, SA, FC và DU đ ợc coi là phần mang thông tin, mỗi ô có chiều dài
8 bit (trừ DU). ý nghĩa các tr ờng trong khung đ ợc chỉ ra trên bảng sau:
Ký hiệu Tên
ý nghĩa
SD1 SD4

Start Delimiter Byte khởi đầu để phân biệt các loại khung:
SD1=10H, SD2=68H, SD3=A2H; SD4=DCH
LE Length Chiều dài dữ liệu (4- 249 byte)
LER Length Repeated Chiều dài truyền lại
DA Destination Address

Địa chỉ trạm nhận, từ 0 127
SA Source Address Địa chỉ trạm gửi, từ 0 127
DU Data Unit Đơn vị dữ liệu
FC Frame Control Kiểm tra khung
FCS Frame Check
Sequence
Kiểm soát lỗi
ED End Delimiter Byte kết thúc, ED=16H

thực hiện bởi lớp ALI (Application Layer Interface).
FMS thực chất là một tập con của MMS (Munufacturing Message
Specification), đây là một chuẩn giao thức và dịch vụ thuộc lớp 7 của mô
hình OSI có giao tiếp h ớng thông báo (Message-oriented communication)
đ ợc áp dụng rộng rãi trong công nghiệp.
Giao tiếp h ớng đối t ợng:
Profibus-FMS cho phép thực hiện giao tiếp h ớng đối t ợng theo cơ
chế Client/Server. ý nghĩa của giao tiếp h ớng đối t ợng là quan điểm
thống nhất trong giao tiếp dữ liệu, không phụ thuộc vào các đặc điểm của
nhà sản xuất thiết bị hay các lĩnh vực ứng dụng cụ thể.
Các phần tử có thể truy cập đ ợc từ một trạm trong mạng, đai diện cho
các đối t ợng thực hay các biến quá trình đ ợc gọi là đối t ợng. Việc truy
nhập vào đối t ợng có thể thực hiện theo nhiều cách khác nhau, một
ph ơng pháp hiệu quả là truy cập đối t ợng thông qua tên hình thức (nhãn)
hay còn gọi là các Tag. Mỗi đối t ợng có một tên hình thức phân biệt thống
nhất. Ph ơng pháp này thể hiện tính trực quan, dễ theo dõi trong quá trình
thực hiện dự án.
Thiết bị tr ờng ảo (VFD - Virtual Field Device)
Đây là mô hình trừu t ợng mô tả các dữ liệu, cấu trúc dữ liệu và đặc
tính của một thiết bị tự động hoá d ới góc độ của một đối tác giao tiếp. Một
Chổồng 2. Caùc bus tióu bióứu cuớa hóỷ thọỳng maỷng SIMATICNET
Nguyóựn Kim Aẽnh & Nguyóựn Maỷnh Haỡ - Tổỷ õọỹng hoùa - BKN 28
đối t ợng VFD chứa tất cả các đối t ợng giao tiếp và danh mục mô tả các
đối t ợng giao tiếp có thể truy cập qua các dịch vụ. Một đối t ợng VFD
đ ợc sắp xếp t ơng ứng với đúng một quá trình ứng dụng.
Một thiết bị thực có thể chứa nhiều đối t ợng VFD, trong đó địa chỉ
của mỗi đối t ợng đ ợc xác định qua các điểm đầu cuối giao tiếp.
Quan hệ giao tiếp
Ngoài hình thức gửi đồng loạt và gửi tới nhiều đích, việc trao đổi thông
tin trong Profibus-FMS luôn đ ợc thực hiện giữa hai đối tác truyền thông

OPERATE: Trạm chủ ở chế độ trao đổi dữ liệu đầu vào và đầu ra tuần
hoàn với các trạm tớ. Đồng thời trạm chủ cũng th ờng xuyên gửi thông tin
trạng thái của nó tới các trạm tớ sử dụng lệnh gửi đồng loạt với các khoảng
thời gian đặt tr ớc.
STOP: Không truyền số liệu sử dụng giữa trạm chủ và trạm tớ, chỉ để
xhuẩn đoán.
3.5.2. Trao đổi dữ liệu
Việc trao đổi dữ liệu giữa trạm chủ và trạm tớ đ ợc thực hiện một cách
tuần tự theo quy trình định sẵn. Khi đặt cấu hình cho hệ thống Profibus, ta
có thể định nghĩa địa chỉ các trạm tớ cho 1 trạm chủ
Trong mỗi chu kì, trạm chủ đọc các thông tin đầu vào lần l ợt từ các
trạm tớ vào bộ nhớ đệm và truyền các yêu cầu từ bộ nhớ này ra các trạm tớ
theo trình tự định sẵn. Mỗi trạm tớ chỉ cho phép truyền/ nhận tối đa 246
byte dữ liệu.
Với các trạm tớ, trạm chủ gửi 1 yêu cầu và chờ sự trả lời. Thời gian
trạm chủ cần để xử lí 1 l ợt danh sách hỏi tuần tự gọi là thời gian chu kỳ
bus. Thời gian chu kỳ bus phải nhỏ hơn chu kỳ quét của chu trình điều
khiển.
3.5.3. Đồng bộ hoá dữ liệu
Một thiết bị chủ có thể đồng bộ hoá việc đọc các đầu vào cũng nh đặt
các đầu ra bằng việc gửi đồng thời các thông báo đồng bộ. Lệnh điều khiển
để đặt chế độ đồng bộ cho một nhóm trạm tớ nh sau:
+ SYNC: Đ a ra nhóm trạm tớ về chế độ đồng bộ hoá đầu ra. Trong
chế độ này, đầu ra của các trạm tớ đ ợc giữ nguyên ở trạng thái hiện tại cho
đến lệnh SYNC tiếp theo, trongthời gian đó dữ liệu đầu ra đ ợc l u trong
vùng nhớ đệm của trạm tớ và chỉ khi nhận đ ợc lệnh SYNC tiếp theo nó
mới đ ợc đ a ra.
+ FREEZE: Đ a 1 nhóm các trạm tớ về chế độ đồng bộ hoá đầu vào, ở
chế độ này các trạm tớ trong nhóm đ ợc chỉ định không đ ợc phép cập nhật
vùng nhớ đệm dữ liệu đầu vào cho tới khi nhận đ ợc lệnh FREEZE tiếp

Ethernet do Digital và Xorox hợp tác và phát triển từ năm 1980 (lúc đầu gọi
là DIX Ethenet 2.0 version 1.0 và đến năm 1982 là version 2.0).
Ngày nay Ethernet đang đóng vai trò quan trọng trong các hệ thống
thông tin công nghiệp, bên cạnh việc sử dụng cáp đôi dây xoắn, cáp đồng
trục, cáp quang là Ethernet không dây
Thực chất Ethernet chỉ thực hiện ở lớp vật lí và một phần của lớp liên
kết dữ liệu, do đó có thể sử dụng các giao thức khác nhau ở phía trên trong
đó TCP/IP là họ giao thức đ ợc dùng phổ biến nhất.
4.1. Cấu trúc mạng và kỹ thuật truyền dẫn
Cấu trúc mạng th ờng là dạng Bus, mạch vòng khép kín và đôi khi là
hình sao. Tầng vật lí của Ethernet đ ợc chia làm 2 phần: Phần độc lập với
đ ờng truyền đặc tả giao diện giữa các tầng MAC và vật lí (giao diện này
không phải là yêu cầu bắt buộc của chuẩn nh ng trong nhiều tr ờng hợp nó
rất hữu ích). Phần phụ thuộc đ ờng truyền là bắt buộc phải có đặc tả giao
diện với đ ờng truyền, trong phần này quy định nhiều lựa chọn khác nhau
cho kiểu đ ờng truyền, ph ơng thức truyền và tốc độ truyền.
Chổồng 2. Caùc bus tióu bióứu cuớa hóỷ thọỳng maỷng SIMATICNET
Nguyóựn Kim Aẽnh & Nguyóựn Maỷnh Haỡ - Tổỷ õọỹng hoùa - BKN 31
Hiện nay có các ph ơng án sau cho tầng vật lí với cách đặt tên quy ớc
theo bộ 3:
- Tốc độ truyền tin hiệu (1, 10 hoặc 100Mb/s)
- BASE (nếu là Baseband) hoặc BROAD (nếu là Broadband)
- Chỉ định đặc tr ng đ ờng truyền
Một số loại cáp thông dụng đ ợc trình bày trên bảng sau:

STT

Kí hiệu Tốc độ
truyền
(Mb/s)

7 100BASE-T 100 Baseband Cáp UTP 100/ topo
dạng sao

Bảng 2.3. Một số loại cáp điển hình
Ethernet theo chuẩn IEEE 802.3 sử dụng chế độ truyền đồng bộ với
ph ơng thức mã hoá Manchester. Bít 0 t ơng ứng với s ờn lên và 1 là s ờn
xuống.
4.2. Cơ chế giao tiếp
Việc ứng dụng rộng rãi Ethernet một phần vì tính năng mở. Ethernet
chỉ quy định lớp vật lí và lớp MAC, cho phép các hệ thống khác nhau tuỳ ý
thực hiện các giao thức và dịch vụ phía trên. Mặt khác ph ơng pháp truy
Chổồng 2. Caùc bus tióu bióứu cuớa hóỷ thọỳng maỷng SIMATICNET
Nguyóựn Kim Aẽnh & Nguyóựn Maỷnh Haỡ - Tổỷ õọỹng hoùa - BKN 32
cập CSMA/CD cho phép bổ xung và loại bỏ các thành viên tham gia trong
mạng dẽ dàng.
Các thành viên tham gia trong mạng Ethernet đều có vai trò bình đẳng,
chúng có một địa chỉ riêng biệt, thống nhất. Việc giao tiếp giữa các trạm
đ ợc thực hiện thông qua các giao thức phía trên (chẳng hạn nh NetBUI,
IPX/SPX, TCP/IP). Tuỳ theo giao thức cụ thể mà địa chỉ của bên gửi và bên
nhận trong khung truyền ở lớp phía trên sẽ đ ợc dịch sang địa chỉ Ethernet
tr ớc khi chuyển xuống lớp MAC.
Bên cạnh giao tiếp tay đôi Ethernet còn hỗ trợ ph ơng pháp gửi đồng
loạt hoặc gửi tới nhiều đích.
4.3. Cấu trúc khung truyền
Khuôn dạng khung truyền đ ợc thể hiện trên hình sau:

Preamble

SFD


Là sự phát triển tiếp theo của Ethernet cho phép truyền với tốc độ
100Mb/s. Để đảm bảo tính t ơng thích với mạng cũ, toàn bộ cơ chế giao
tiếp và kiến trúc giao thức đ ợc giữ nguyên, chỉ có thời gian bit đ ợc giảm
từ 100ns xuống 10ns. Do ph ơng pháp nối mạng xử dụng cáp đôi dây xoắn
và bộ chia có u thế v ợt trội nên các mạng Fast Ethernet không hỗ trợ cáp
đồng trục. Các loại cáp chuẩn cho Fast Ethernet đ ợc trình bày trên bảng
sau:

STT

Ký hiệu Loại cáp Chiều dài tối đa trong
đoạn mạng (m)
1 100BASE-T4 Đôi dây xoắn hạng 3

100
2 100BASE-TX Đôi dây xoắn hạng 5

100
3 100BASE-FX Cáp quang 2000

Bảng 2.4. Một số loại cáp thông dụng dùng trong Fast Ethernet
- Loại 100BASE-T4 xử dụng 4 đôi dây xoắn UTP hạng 3. Dải tần của
cáp này bị giới hạn ở 25MHz, trong khi mã Manchester sử dụng
trong Ethernet thông th ờng tạo tần số tín hiệu cao gấp đôi so với tần
số nhịp. Để đạt đ ợc tốc độ truyền 100Mb/s, một ph ơng pháp mã
hoá bít với tín hiệu 3 mức thay vì 2 mức đ ợc thể hiện ở đây. Đồng
thời loại cáp này cũng phải xử dụng tới 4 đôi dây xoắn (do đó có ký
hiệu là T4), trong đó một đôi luôn truyền tín hiệu vào bộ chia, một
đôi luôn truyền ra và hai đôi đ ợc xử dụng linh hoạt theo chiều đang
truyền. Với 3 đôi dây và 3 mức tín hiệu, trong một nhịp có thể truyền