Profibus

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. Không nên lẫn lộn với tiêu chuẩn PROFINET cho Ethernet công nghiệp. PROFIBUS được xuất bản công khai như một phần của IEC 61158.

Nguồn gốc
PROFIBUS bắt nguồn từ một kế hoạch quảng bá công khai cho một hiệp hội được bắt đầu ở Đức vào năm 1986 và có 21 công ty và viện nghiên cứu đã đề xuất ra một kế hoạch dự án tổng thể gọi là "Fieldbus". Mục đích là để thực hiện và lan truyền việc sử dụng một bus trường bit-nối tiếp dựa trên các yêu cầu cơ bản của giao diện thiết bị hiện trường. Với mục đích này, các công ty thành viên đã đồng ý hỗ trợ một khái niệm kỹ thuật chung cho sản xuất (tức là rời rạc hoặc tự động hóa nhà máy) và tự động hóa quá trình. Đầu tiên, giao thức truyền thông phức tạp Profibus FMS (Field bus Message Specification), được thiết kế cho các tác vụ đòi hỏi giao tiếp, đã được chỉ định. Sau đó vào năm 1993, các đặc điểm kỹ thuật đơn giản hơn và do đó thu được giao thức nhanh hơn đáng kể PROFIBUS DP (thiết bị ngoại vi phân tán) được hoàn thành. Profibus FMS được sử dụng cho (không xác định) truyền dữ liệu giữa các Profibus Master. Profibus DP là một giao thức được tạo ra cho (xác định) giao tiếp giữa các Profibus master và các I/O slaver từ xa của chúng.

Có hai biến thể của PROFIBUS được sử dụng ngày nay; PROFIBUS DP thường được sử dụng nhất, và ít được sử dụng hơn, dành riêng cho ứng dụng, PROFIBUS PA:
PROFIBUS DP (thiết bị ngoại vi phân tán-Decentralised Peripherals) được sử dụng để vận hành các cảm biến và cơ cấu chấp hành thông qua một bộ điều khiển tập trung trong các ứng dụng sản xuất tự động hóa (nhà máy). Nhiều tùy chọn chẩn đoán tiêu chuẩn, đặc biệt, đều tập trung ở đây.
PROFIBUS PA (Tự động hóa quá trình - Process Automation) được sử dụng để giám sát các thiết bị đo thông qua một hệ thống điều khiển quá trình trong các ứng dụng tự động hóa quá trình. Biến thể này được thiết kế để sử dụng trong các khu vực dễ nổ/độc hại (Ex-zone 0 và 1). Lớp vật lý (tức là cáp nối) phù hợp với tiêu chuẩn IEC 61158-2, cho phép dòng điện được phân phối qua các bus tới các thiết bị ngoài nhà máy, trong khi giới hạn dòng điện sử dụng vì thế không tạo ra điều kiện cháy nổ, ngay cả khi có sự cố xảy ra. Số lượng các thiết bị gắn vào một phân khúc PA sẽ bị giới hạn bởi tính năng này. PA có tốc độ truyền tải dữ liệu là 31.25 kbit/s. Tuy nhiên, PA sử dụng giao thức tương tự như DP, và có thể được liên kết với một mạng DP sử dụng một bộ ghép. DP hoạt động nhanh hơn nhiều giống như một mạng đường trục để truyền tín hiệu quá trình cho bộ điều khiển. Điều này có nghĩa rằng DP và PA có thể làm việc chặt chẽ với nhau, đặc biệt là trong các ứng dụng lai nơi mà mạng quá trình và mạng tự động hóa nhà máy hoạt động song song với nhau.
Trong hơn 30 triệu nút PROFIBUS đã được lắp đặt vào cuối năm 2009. 5 triệu trong số này được sử dụng trong quá trình công nghiệp.

Đặc điểm kỹ thuật

Giao thức PROFIBUS (mô hình tham chiếu OSI)

Lớp ứng dụng
Để sử dụng các chức năng này, các mức dịch vụ khác nhau của giao thức DP đã được định nghĩa:
DP-V0 để trao đổi dữ liệu và chẩn đoán theo chu kỳ
DP-V1 để trao đổi dữ liệu và xử lý báo động tuần hoàn
DP-V2 để phát đi ở chế độ đẳng thời và trao đổi dữ liệu (truyền thông slave-to-slave)

Lớp bảo mật
Lớp bảo mật FDL (Field bus Data Link) làm việc với một phương pháp tiếp cận lai kết hợp token(mã thông báo) đi qua với một phương pháp master-slave. Trong một mạng PROFIBUS DP, các bộ điều khiển hay các hệ thống điêu khiển quá trình là những master và các cảm biến và cơ cấu chấp hành là những slave.

Nhiều loại điện tín khác nhau được sử dụng. Chúng có thể được phân biệt bởi dấu phân cách bắt đầu (start delimiter-SD) của chúng:

Không có dữ liệu:
SD1 = 0x10

Dữ liệu chiều dài biến:

SD2 = 0x68

dữ liệu chiều dài cố định:

SD3 = 0xA2

Mã thông báo (token):

SD4 = 0xDC

Xác nhận ngắn gọn:

SC = 0xE5

SD: dấu phân cách bắt đầu - Start Delimiter

LE: Chiều dài của đơn vị dữ liệu giao thức (incl. DA, SA, FC, DSAP, SSAP)

LER: Lặp lại đơn vị dữ liệu giao thức, (Khoảng cách báo hiệu= 4)

FC: Mã hàm-Function code

DA: Địa chỉ đích-Destination Address

SA: Địa chỉ nguồn-Source Address

DSAP: Điểm truy xuất dịch vụ đích - Destination Service Access Point

SSAP: Điểm truy cập dịch vụ nguồn

Lưu ý: SAP55 là tùy chọn và có thể bị vô hiệu hóa nếu slave không cung cấp bộ nhớ lưu trữ cố định cho địa chỉ trạm.

PDU: Protocol Data Unit: Đơn vị dữ liệu giao thức (dữ liệu giao thức)

FCS: Frame Checking Sequence: Trình tự kiểm tra frame

ED: Dấu phân cách kết thúc - End Delimiter (= 0x16!)

FCS được tính toán bằng cách bổ sung lên các byte theo độ dài quy định. Một tràn bị bỏ qua ở đây. Mỗi byte được lưu với bit kiểm tra chẵn lẽ và truyền không đồng bộ với một bit start và stop.
Có thể không có một khoảng dừng giữa một bit stop và bit start theo sau khi các byte của một bức điện được truyền đi. Các tín hiệu master bắt đầu của một bức điện mới với khoảng dừng SYN của ít nhất 33 bit (logic "1" = bus nhàn rỗi).

Lớp Bit-truyền
Ba phương pháp khác nhau được quy định cho lớp bit-truyền:
Bằng đường truyền tải điện theo EIA-485, cáp xoắn đôi với trở kháng 150 ohm được sử dụng trong một topo mạng bus. Tốc độ bit từ 9,6 kbit / s đến 12 Mbit / s có thể được sử dụng.Chiều dài cáp giữa hai bộ lặp lại được giới hạn từ 100 đến 1.200 m, tùy thuộc vào tốc độ bit được sử dụng. Phương pháp truyền dẫn này chủ yếu được sử dụng với PROFIBUS DP.
Với truyền dẫn quang qua sợi quang, tôp mạng hình sao, bus và vòng được sử dụng. Khoảng cách giữa các bộ lặp lại có thể lên đến 15&nbsp;km. Topo vòng cũng có thể được thực hiện dư thừa.
Với công nghệ truyền MBP (Manchester Bus Powered), dữ liệu và nguồn bus trường được cho ăn qua cùng một cáp. Nguồn này có thể giảm khi sử dụng trong các môi trường dễ xảy ra cháy nổ. Topo bus có thể dài lên đến 1900 m và cho phép phân nhánh đến các thiết bị hiện trường (lớn nhất là 60 m nhánh). Tốc độ bit ở đây là cố định với 31,25 kbit/s. Công nghệ này đã được thiết lập riêng để sử dụng trong tự động hóa quá trình cho PROFIBUS PA.
Để dữ liệu truyền thông qua các tiếp điểm trượt cho các thiết bị di động hoặc truyền dữ liệu quang học hoặc radio trong không gian mở, các sản phẩm từ các nhà sản xuất khác nhau có thể thu được, tuy nhiên chúng không phù hợp với bất kỳ tiêu chuẩn nào.

PROFIBUS DP sử dụng cáp chống nhiễu hai lõi với một vỏ màu tím, và chạy ở tốc độ giữa 9.6kbit/s và 12Mbit/s. Một tốc độ cụ thể có thể được lựa chọn cho một mạng để cung cấp cho đủ thời gian dành cho giao tiếp với tất cả các thiết bị có trong mạng đó. Nếu các hệ thống thay đổi chậm thì tốc độ truyền thấp hơn là thích hợp hơn, và nếu các hệ thống thay đổi nhanh thì truyền thông tốc độ nhanh sẽ tốt hơn. Việc truyền cân bằng RS485 sử dụng trong PROFIBUS DP chỉ cho phép 126 thiết bị được kết nối cùng một lúc; Tuy nhiên, nhiều thiết bị hơn có thể được kết nối hoặc mở rộng mạng bằng cách sử dụng các bộ hub hoặc hoặc bộ lặp lại.

PROFIBUS PA thì chậm hơn so với PROFIBUS DP và chạy ở tốc độ cố định 31.2kbit/s thông qua cáp chống nhiễu hai lõi có vỏ bọc màu xanh. Việc truyền thông có thể được thực hiện để giảm thiểu nguy cơ cháy nổ hoặc để hệ thống thực sự cần thiết bị an toàn. Các định dạng tin nhắn trong PROFIBUS PA là giống hệt với PROFIBUS DP.

Lưu ý: Không nên nhầm lẫn PROFIBUS DP và PROFIBUS PA với PROFINET.

Hồ sơ (profile)
Hồ sơ là các cấu hình được định nghĩa trước của các chức năng và các tính năng có sẵn từ PROFIBUS để sử dụng trong các thiết bị hoặc các ứng dụng cụ thể. Chúng được quy định bởi các nhóm làm việc PI và xuất bản bởi PI. Hồ sơ rất quan trọng đối đối với sự cởi mở, khả năng tương tác và khả năng thay thế lẫn nhau, để người dùng đầu cuối có thể chắc chắn rằng các thiết bị tương tự từ các nhà cung cấp khác nhau sẽ làm việc theo một tiêu chuẩn chung. Lựa chọn của người dùng cũng khuyến khích sự cạnh tranh khiến các nhà cung cấp phải nâng cao hiệu suất và giảm chi.

Có hồ sơ PROFIBUS cho bộ mã hóa (encoder), dụng cụ phòng thí nghiệm, máy bơm thông minh, Robot và máy máy CNC, ví dụ. Hồ sơ cũng được sử dụng đối với các ứng dụng có sử dụng HART và wireless với PROFIBUS, và các thiết bị tự động hóa quá trình thông qua PROFIBUS PA. Các hồ sơ khác đã được quy định cho Điều khiển Chuyển động-Motion Control (PROFIdrive) và Chức năng An toàn (PROFIsafe).Tiêu chuẩn hóa

PROFIBUS đã được quy định vào năm 1991/1993 trong DIN 19245, sau đó đã được đưa vào EN 50.170 vào năm 1996, và từ năm 1999, được thiết lập trong IEC 61158 / IEC 61784.

Tổ chức
PROFIBUS Nutzerorganisation e.V. (Tổ chức người dùng PROFIBUS, hoặc PNO) đã được tạo ra vào năm 1989. Nhóm này bao gồm chủ yếu của các nhà sản xuất và người sử dụng từ châu Âu. Trong năm 1992, tổ chức PROFIBUS khu vực đầu tiên được thành lập (PROFIBUS Schweiz tại Thụy Sĩ). Trong những năm sau, có thêm Hiệp hội Regional PROFIBUS & PROFINET Hội (RPAs).

Trong năm 1995, tất cả các RPA quốc tế liên kết lại với nhau dưới tổ chức PROFIBUS & PROFINET International (PI). Ngày nay, PROFIBUS được đại diện bởi 25 RPA trên toàn thế giới (bao gồm cả PNO) với hơn 1400 thành viên, bao gồm hầu hết nếu không phải tất cả các nhà cung cấp thiết bị và dịch vụ chính trong lĩnh vực tự động hóa, cùng với nhiều người dùng đầu cuối.

Xem thêm
Fieldbus
Danh sách các giao thức tự động hóa

Tham khảo

profibus.com, PROFIBUS system description
J. Weigmann, G. Kilian: Decentralization with PROFIBUS DP/DPV1, ISBN 978-3-89578-218-3
M. Felser: PROFIBUS Manual, A collection of information explaining PROFIBUS networks assembled by Prof. Max Felser, ISBN 978-3-8442-1435-2
Liên kết ngoài
PROFIBUS & PROFINET International
PROFIBUS Manual by Prof. Max Felser - on-line version