Những điều cần biết về PROFIBUS và PROFINET

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? MC&TT sẽ giúp các bạn giải đáp những thắc mắc đó. Hôm nay MC&TT tiếp tục giới thiệu đến các bạn khái niệm cơ bản về giao thức PROFIBUS nhé!

PROFIBUS là gì?

PROFIBUS là một mạng kỹ thuật số chịu trách nhiệm cung cấp thông tin liên lạc giữa các cảm biến trường và hệ thống điều khiển hoặc bộ điều khiển. Ý tưởng đầu tiên trong quá trình phát triển của nó là có các giải pháp PROFIBUS được thực hiện trong các ngành công nghiệp tự động hóa nhà máy, sau đó là các ngành công nghiệp chế biến, sản xuất, v.v.

Ngay từ đầu, nhóm lợi ích đã phát triển PROFIBUS FMS (Đặc tả thông điệp Fieldbus). Đó là một giao thức phức tạp không còn được sử dụng ngày nay. Sau đó, họ làm việc để tạo ra giao thức PROFIBUS DP (Thiết bị ngoại vi phi tập trung) và vào năm 1998 PROFIBUS PA (Tự động hóa quy trình) đã được đưa ra. Ngày nay, khi chúng ta nói về PROFIBUS, chúng ta có PROFIBUS DP và PROFIBUS PA. Ngoài ra còn có PROFINET, dựa trên giao tiếp Ethernet, đã được phát triển và nó đã được triển khai trong nhiều lĩnh vực và ứng dụng khác nhau.

Đặc điểm, phân loại PROFIBUS

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 PA là 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 FMS là 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).

[et_bloom_locked optin_id=optin_6]

PROFINET là gì?

Trước khi bắt đầu, cần phải nói rằng SmartFactoryVN sẽ không đi sâu về PROFINET ở đây bởi vì, mặc dù nó cũng được duy trì bởi nhóm lợi ích PROFIBUS, nhưng nó là một giao thức khác. SmartFactoryVN sẽ cung cấp thêm thông tin về cách nó hoạt động vào lúc khác. Hãy chỉ nhìn vào những điều cần thiết. SmartFactoryVN nghĩ rằng chúng ta có thể nói PROFINET có thể được coi là một bước tiến của giao thức PROFIBUS. Trong công nghiệp ngày nay, mọi người thích sử dụng các giao thức dựa trên Ethernet (IEEE 802.3) và mô hình OSI.

PROFINET có thể được áp dụng từ điều khiển đến truyền thông tại hiện trường, mang lại một mạng lưới thống nhất và theo chiều dọc cũng như tất cả các lợi thế của CNTT trong các lĩnh vực sản xuất của công ty.

Bạn đã có thể tìm thấy nhiều nhà sản xuất với các thiết bị hiện trường sử dụng giao thức dựa trên Ethernet gốc. Một ưu điểm khác liên quan đến việc triển khai nó, là loại giao thức này rất dễ thực hiện vì nó sử dụng một mô hình nổi tiếng với chi phí cơ sở hạ tầng thấp.

Xin đừng nghĩ rằng PROFINET là một Ethernet PROFIBUS! PROFINET là một tiêu chuẩn mở dựa trên Ethernet và là sự phát triển của giao thức PROFIBUS.

Một lợi thế đáng kể của PROFINET là sự tồn tại tiềm ẩn của nó với TCP / IP, điều này bổ sung thêm những lợi ích đáng kể. Tất cả các thiết bị được kết nối với một mạng duy nhất, nơi kiểm soát, chẩn đoán, v.v. được thực hiện. Cổng thông thường không bắt buộc.

Tiêu chuẩn cho phép mạng được xây dựng theo nhiều cách khác nhau, ví dụ cấu trúc liên kết vòng, đường, cây hoặc hình sao, v.v. PROFINET hoạt động với tốc độ lên đến 1000 megabit / giây và dây cáp có thể dài tới 100 mét. Do hoạt động ở tốc độ cao, nó có thời gian phản hồi dưới 1 phần nghìn giây.

Sự khác biệt giữa PROFIBUS và PROFINET là gì?

Khi chúng ta nói về PROFIBUS, chúng ta đang nói về một giao thức truyền thông kỹ thuật số truyền thống và nổi tiếng đã được triển khai trong các ngành và ứng dụng khác nhau. Giao thức này dựa trên giao tiếp nối tiếp và đã mang lại rất nhiều lợi ích cho ngành.

PROFINET là một giao thức dựa trên Ethernet công nghiệp. Có, PROFINET hỗ trợ giao tiếp nhanh hơn và bạn cũng có nhiều băng thông hơn. Điều này có nghĩa là một tin nhắn được trao đổi trên mạng PROFINET có thể chứa nhiều thông tin hơn một tin nhắn trên PROFIBUS.

Dưới đây, bạn có một bảng từ PROFIBUS International để so sánh giữa cả hai tùy chọn:

Tuy nhiên, điều cần thiết là phải xem các yêu cầu của ứng dụng của bạn là gì để triển khai giao thức truyền thông tốt nhất tại nhà máy của bạn.

PROFIBUS gateway là 1 thiết bị giúp bạn dễ dàng kết nối hai mạng, cho phép luồng thông tin nhất quán xuyên suốt toàn bộ nhà máy. Khả năng truyền dữ liệu I / O theo chu kỳ nhanh chóng được kích hoạt giữa hai mạng, giúp PLC không làm việc với các tính toán phức tạp bổ sung.

Ứng dụng PROFIBUS trên thế giới

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.

Một số ứng dụng tiêu biểu sử dụng mạng PROFIBUS 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.