PRFIBUS-DP được phát triển nhằm đáp ứng các yêu cầu cao về tính năng thời gian trong trao đổi dữ liệu dưới cấp trường, ví dụ giữa thiết bị điều khiển khả trình hoặc máy tính cá nhân công nghiệp với các thiết bị trường phân tán như I/O, các thiết bị đo, truyền động và van. Việc trao đổi dữ liệu ở đây chủ yếu được thực hiện tuần hoàn theo cơ chế chủ/tớ. Các dịch vụ truyền thông cần thiết được định nghĩa qua các chức năng DP cơ sở theo chuẩn EN 50 170. Bên cạnh đó, DP còn hỗ trợ các dịch vụ truyền thông không tuần hoàn, phục vụ tham số hóa, vận hành và chẩn đoán các thiết bị trường thông minh.
Đối chiếu với mô hình OSI, PROFIBUS-DP chỉ thực hiện các lớp 1 và 2 vì lý do hiệu suất xử lý giao thức và tính năng thời gian. Tuy nhiên, DP định nghĩa phía trên lớp 7 một lớp ánh xạ liên kết với lớp 2 gọi là DDLM (Direct Data Link Mapper) cũng như một lớp giao diện sử dụng (User Interface Layer) chứa các hàm DP cơ sở và các hàm DP mở rộng. Trong khi các hàm DP cơ sở chủ yếu phục vụ trao đổi dữ liệu tuần hoàn, thời gian thực, các hàm DP mở rộng cung cấp các dịch vụ truyền dữ liệu không định kỳ như tham số thiết bị, chế độ vận hành và thông tin chẩn đoán.
Với các phát triển mới gần đây, PROFIBUS-DP được coi là kỹ thuật truyền thông, là giao thức truyền thông duy nhất trong công nghệ PROFIBUS. Giao thức PROFIBUSDP được chia thành ba phiên bản với các ký hiệu DP-V0, DP-V1 và DP-V2.
Phiên bản DP-V0 qui định các chức năng DP cơ sở, bao gồm:
• Trao đổi dữ liệu tuần hoàn Chẩn đoán trạm, module và kênh
• Hỗ trợ đặt cấu hình với tập tin GSD. Phiên bản DP-V1 bao gồm các chức năng của DP-V0 và các chức năng DP mở rộng, trong đó có:
• Trao đổi dữ liệu không tuần hoàn giữa PC hoặc PLC với các trạm tớ
• Tích hợp khả năng cấu hình với các kỹ thuật hiện đại EDD (Electronic Device Description) và FDT (Field Device Tool)
• Các khối chức năng theo chuẩn IEC 61131-3
• Giao tiếp an toàn (PROFIsafe)
• Hỗ trợ cảnh báo và báo động. Phiên bản DP-V2 mở rộng DP-V1 với các chức năng sau đây:
• Trao đổi dữ liệu giữa các trạm tới theo cơ chế chào hàng/đặt hàng (publisher/subscriber)
• Chế độ giao tiếp đẳng thời
• Đồng bộ hóa đồng hồ và đóng dấu thời gian
• Hỗ trợ giao tiếp qua giao thức HART
• Truyền nạp các vùng nhớ lên và xuống
• Khả năng dự phòng.
Các phiên bản DP được mô tả chi tiết trong chuẩn IEC 61158. Phần dưới đây chỉ giới thiệu một cách sơ lược các điểm quan trọng.
Cấu hình hệ thống và kiểu thiết bị
PROFIBUS-DP cho phép sử dụng cấu hình một trạm chủ (Mono-Master) hoặc nhiều trạm chủ (Multi-Master). Cấu hình hệ thống định nghĩa số trạm, gán các địa chỉ trạm cho các địa chỉ vào/ra, tính nhất quán dữ liệu vào/ra, khuôn dạng các thông báo chẩn đoán và các tham số bus sử dụng. Trong cấu hình nhiều chủ, tất cả các trạm chủ đều có thể đọc ảnh dữ liệu đầu vào/ra của các trạm tớ. Tuy nhiên, duy nhất một trạm chủ được quyền ghi dữ liệu đầu ra. Tùy theo phạm vi chức năng, kiểu dịch vụ thực hiện, người ta phân biệt các kiểu thiết bị DP như sau:
• Trạm chủ DP cấp 1 (DP-Master Class 1, DPM1): Các thiết bị thuộc kiểu này trao đổi dữ liệu với các trạm tớ theo một chu trình được qui định. Thông thường, đó là các bộ điều khiển trung tâm, ví dụ PLC hoặc PC, hoặc các module thuộc bộ điều khiển trung tâm.
• Trạm chủ DP cấp 2 (DP-Master Class 2, DPM2): Các máy lập trình, công cụ cấu hình và vận hành, chẩn đoán hệ thống bus. Bên cạnh các dịch vụ của cấp 1, các thiết bị này còn cung cấp các hàm đặc biệt phục vụ đặt cấu hình hệ thống, chẩn đoán trạng thái, truyền nạp chương trình,v.v...
• Trạm tớ DP (DP-Slave): Các thiết bị tớ không có vai trò kiểm soát truy nhập bus, vì vậy chỉ cần thực hiện một phần nhỏ các dịch vụ so với một trạm chủ. Thông thường, đó là các thiết bị vào/ra hoặc các thiết bị trường (truyền động, HMI, van, cảm biến) hoặc các bộ điều khiển phân tán. Một bộ điều khiển PLC (với các vào/ra tập trung) cũng có thể đóng vai trò là một trạm tớ thông minh.
Trong thực tế, một thiết bị có thể thuộc một kiểu riêng biệt nói trên, hoặc phối hợp chức năng của hai kiểu. Ví dụ, một thiết bị có thể phối hợp chức năng của DPM1 với DPM2, hoặc trạm tớ với DPM1.
Việc đặt cấu hình hệ thống được thực hiện bằng các công cụ (phần mềm). Thông thường, một công cụ cấu hình cho phép người sử dụng bổ sung và tham số hóa nhiều loại thiết bị của cùng một nhà sản xuất một cách tương đối đơn giản, bởi các thông tin tính năng cần thiết của các thiết bị này đã được đưa vào cơ sở dữ liệu của công cụ cấu hình. Còn với thiết bị của các hãng khác, công cụ cấu hình đòi hỏi tập tin mô tả đi kèm, gọi là tập tin GSD (Geräte-stammdaten).
Đặc tính vận hành hệ thống
Chuẩn DP mô tả chi tiết đặc tính vận hành hệ thống để đảm bảo tính tương thích và khả năng thay thế lẫn nhau của các thiết bị. Trước hết, đặc tính vận hành của hệ thống được xác định qua các trạng thái hoạt động của các thiết bị chủ:
• STOP: Không truyền dữ liệu sử dụng giữa trạm chủ và trạm tớ, chỉ có thể chẩn đoán và tham số hóa.
• CLEAR: Trạm chủ đọc thông tin đầu vào từ các trạm tớ và giữ các đầu ra ở giá trị an toàn
• OPERATE: Trạm chủ ở chế độ trao đổi dữ liệu đầu vào và đầu ra tuần hoàn với các trạm tớ. Trạm chủ cũng thường xuyên gửi thông tin trạng thái của nó tới các trạm tớ sử dụng lệnh gửi đồng loạt vào các khoảng thời gian đặt trước.
Các hàm DP cơ sở cho phép đặt trạng thái làm việc cho hệ thống. Phản ứng của hệ thống đối với một lỗi xảy ra trong quá trình truyền dữ liệu của trạm chủ (ví dụ khi một trạm tớ có sự cố) được xác định bằng tham số cấu hình “auto-clear”. Nếu tham số này được chọn đặt, trạm chủ sẽ đặt đầu ra cho tất cả các trạm tớ của nó về trạng thái an toàn trong trường hợp một trạm tớ có sự cố, sau đó trạm chủ sẽ tự chuyển về trạng thái CLEAR. Nếu tham số này không được đặt, trạm chủ sẽ vẫn tiếp tục giữ ở trạng thái OPERATE.
Trao đổi dữ liệu tuần hoàn
Trao đổi dữ liệu giữa trạm chủ và các trạm tớ gán cho nó được thực hiện tự động theo một trình tự qui đinh sẵn. Khi đặt cấu hình hệ thống bus, người sử dụng định nghĩa các trạm tớ cho một thiết bị DPM1, qui định các trạm tớ tham gia và các trạm tớ không tham gia trao đổi dữ liệu tuần hoàn
Trước khi thực hiện trao đổi dữ liệu tuần hoàn, trạm chủ chuyển thông tin cấu hình và các tham số đã được đặt xuống các trạm tớ. Mỗi trạm tớ sẽ kiểm tra các thông tin về kiểu thiết bị, khuôn dạng và chiều dài dữ liệu, số lượng các đầu vào/ra. Chỉ khi thông tin cấu hình đúng với cấu hình thực của thiết bị và các tham số hợp lệ thì nó mới bắt đầu thực hiện trao đổi dữ liệu tuần hoàn với trạm chủ.
Trong mỗi chu kỳ, trạm chủ đọc các thông tin đầu vào lần lượt từ các trạm tớ lên bộ nhớ đệm cũng như đưa các thông tin đầu ra từ bộ nhớ đệm xuống lần lượt các trạm tớ theo một trình tự qui định sẵn trong danh sách (polling list). Mỗi trạm tớ cho phép truyền tối đa 246 Byte dữ liệu đầu vào và 246 Byte dữ liệu đầu ra. Nguyên tắc trao đổi dữ liệu tuần hoàn chủ/tớ được minh họa trên Hình 4.6.
Với mỗi trạm tớ, trạm chủ gửi một khung yêu cầu và chờ đợi một khung đáp ứng (bức điện trả lời hoặc xác nhận). Thời gian trạm chủ cần để xử lý một lượt danh sách hỏi tuần tự chính là chu kỳ bus. Đương nhiên, chu kỳ bus cần phải nhỏ hơn chu kỳ vòng quét của chương trình điều khiển. Thực tế, thời gian cần thiết để truyền 512 bit dữ liệu đầu vào và 512 bit dữ liệu đầu ra với 32 trạm và với tốc độ truyền 12Mbit/s nhỏ hơn 2ms.
Đồng bộ hóa dữ liệu vào/ra
Trong các giải pháp điều khiển sử dụng bus trường, một trong những vấn đề cần phải giải quyết là việc đồng bộ hóa các đầu vào và đầu ra. Một thiết bị chủ có thể đồng bộ hóa việc đọc các đầu vào cũng như đặt các đầu ra qua các bức điện gửi đồng loạt. Một trạm chủ có thể gửi đồng loạt (broadcast, multicast) lệnh điều khiển để đặt chế độ đồng bộ cho một nhóm trạm tớ như sau:
• Lệnh SYNC: Đưa một nhóm trạm tớ về chế độ đồng bộ hóa đầu ra. Ở chế độ này, đầu ra của tất cả các trạm tớ trong nhóm được giữ nguyên ở trạng thái hiện tại cho tới khi nhận được lệnh SYNC tiếp theo. Trong thời gian đó, dữ liệu đầu ra được lưu trong vùng nhớ đệm và chỉ được đưa ra sau khi (đồng loạt) nhận được lệnh SYNC tiếp theo. Lệnh UNSYNC sẽ đưa các trạm tớ về chế độ bình thường (đưa đầu ra tức thì).
• Lệnh FREEZE: Đưa một nhóm các trạm tớ về chế độ đồng bộ hóa đầu vào. Ở chế độ này, tất cả các trạm tớ trong nhóm được chỉ định không được phép cập nhật vùng nhớ đệm dữ liệu đầu vào, cho tới khi (đồng loạt) nhận được lệnh FREEZE tiếp theo. Trong thời gian đó trạm chủ vẫn có thể đọc giá trị đầu vào (không thay đổi) từ vùng nhớ đệm của các trạm tớ. Lệnh UNFREEZE sẽ đưa các trạm tớ về chế độ bình thường (đọc đầu vào tức thì).
Tham số hóa và chẩn đoán hệ thống Trong trường hợp có thông tin chẩn đoán, ví dụ báo cáo trạng thái vượt ngưỡng hay các báo động khác, một DP-Slave có thể thông báo cho trạm chủ của nó qua bức điện trả lời. Nhận được thông báo, trạm chủ sẽ có trách nhiệm tra hỏi trạm tớ liên quan về các chi tiết thông tin chẩn đoán.
Để thực hiện truyền nạp các bộ tham số hoặc đọc các tập dữ liệu tương đối lớn, PROFIBUS-DP cung cấp các dịch vụ không tuần hoàn là DDLM_Read và DDLM_Write. Trong mỗi chu kỳ bus, trạm chủ chỉ cho phép thực hiện được một dịch vụ. Tốc độ trao đổi dữ liệu tuần hoàn vì thế không bị ảnh hưởng đáng kể. Dữ liệu không tuần hoàn được định địa chỉ qua số thứ tự của khe cắm và chỉ số của tập dữ liệu thuộc khe cắm đó. Mỗi khe cắm cho phép truy nhập tối đa là 256 tập dữ liệu.
Các hàm chẩn đoán của DP cho phép định vị lỗi một cách nhanh chóng. Các thông tin chẩn đoán được truyền qua bus và thu thập tại trạm chủ. Các thông báo này được phân chia thành ba cấp:
• Chẩn đoán trạm: Các thông báo liên quan tới trạng thái hoạt động chung của cả trạm, ví dụ tình trạng quá nhiệt hoặc sụt áp
• Chẩn đoán module: Các thông báo này chỉ thị lỗi nằm ở một khoảng vào/ra nào đó của một module
• Chẩn đoán kênh: Trường hợp này, nguyên nhân của lỗi nằm ở một bit vào/ra (một kênh vào/ra) riêng biệt.
Ngoài ra, phiên bản DP-V1 còn mở rộng thêm hai loại thông báo chẩn đoán nữa là:
• Thông báo cảnh báo/báo động liên quan tới các biến quá trình, trạng thái cập nhật dữ liệu và các sự kiện tháo/lắp module thiết bị.
• Thông báo trạng thái phục vụ mục đích bảo trì phòng ngừa, đánh giá thống kê số liệu,...
Giao tiếp trực tiếp giữa các trạm tớ (DXB)
Trao đổi dữ liệu giữa các trạm tớ là một yêu cầu thiết thực đối với cấu trúc điều khiển phân tán thực sự sử dụng các thiết bị trường thông minh. Như ta đã biết, cơ chế giao tiếp chủ-tớ thuần túy làm giảm hiệu suất trao đổi dữ liệu cho trường hợp này. Chính vì thế, phiên bản DP-V2 đã bổ sung một cơ chế trao đổi dữ liệu trực tiếp theo kiểu chào hàng/đặt hàng giữa các trạm tớ.
Như trên Hình 4.7 minh họa, một trạm tớ (ví dụ một cảm biến) có thể đóng vai trò là “nhà xuất bản” hay “nhà cung cấp” dữ liệu. Khối dữ liệu sẽ được gửi đồng loạt tới tất cả các trạm tớ (ví dụ một van điều khiển, một biến tần) đã đăng ký với vai trò “người đặt hàng” mà không cần đi qua trạm chủ. Với cơ chế này, không những hiệu suất sử dụng đường truyền được nâng cao, mà tính năng đáp ứng của hệ thống còn được cải thiện rõ rệt. Điều này đặc biệt quan trọng đối với các ứng dụng đòi hỏi tính năng thời gian thực ngặt nghèo, hoặc đối với các ứng dụng sử dụng kỹ thuật truyền dẫn tốc độ thấp (ví dụ MBP).
Đối với một số ứng dụng như điều khiển truyền động điện, điều khiển chuyển động, cơ chế giao tiếp theo kiểu hỏi tuần tự hoặc giao tiếp trực tiếp tớ-tớ chưa thể đáp ứng được đòi hỏi cao về tính năng thời gian thực. Vì vậy, phiên bản DP-V2 bổ sung chế độ đẳng thời (isochronous mode), cho phép thực hiện giao tiếp theo cơ chế chủ/tớ kết hợp với TDMA. Nhờ một thông báo điều khiển toàn cục gửi đồng loạt, toàn bộ các trạm trong mạng được đồng bộ hóa thời gian với độ chính xác tới micro-giây. Việc giao tiếp được thực hiện theo một lịch trình đặt trước, không phụ thuộc vào tải tức thời trên bus. Do hạn chế được độ rung (jitter), cơ chế này cho phép phối hợp hoạt động một cách chặt chẽ và nhịp nhàng giữa các trạm trên bus. Một ví dụ ứng dụng tiêu biểu là bài toán điều khiển chuyển động, trong đó trạm chủ đóng vai trò bộ điều khiển vị trí và một số trạm tớ là các biến tần với chức năng điều khiển tốc độ động cơ.