Profibus là gì? Cùng tìm hiểu về giao thức truyền thông Profibus

Profibus là gì?

Profibus (Process Field Bus) là một chuẩn truyền thông fieldbus, được sử dụng trong lĩnh vực 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. Trong các ứng dụng tự động hóa 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 nhà cung cấp khác nhau giao tiếp với nhau mà không cần điều chỉnh giao diện truyền thông đặc biệt.

• Các chuẩn giao tiếp, giao thức truyền thông công nghiệp

Đặc điểm của Profibus

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.

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.

Phân loại Profibus

Profibus có 3 kiểu giao thức là: PROFIBUS DP, PROFIBUS PA, PROFIBUS FMS

PROFIBUS DP

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 nhất hiện nay cho các đối tượng như hệ thống I/O, điều khiển động cơ và biến tần. DP là viết tắt của “Decentralized Periphery”. Tên gọi này đề cập đến các kết nối I/O, sử dụng giao tiếp nối tiếp tốc độ cao hoàn toàn phi tập trung để kết nối với bộ điều khiển trung tâm.

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. Không kém phần quan trọng, mạng DP có thể có cấu hình ProfiSafe và chúng có thể được sử dụng trong các ứng dụng an toàn SIL3.

PROFIBUS PA

PROFIBUS PA là một fieldbus có chức năng toàn diện thường được sử dụng cho thiết bị cấp quá trình. Ban đầu, giao thức PROFIBUS PA được phát triển như một bước tiến của giao tiếp HART. Nó dành riêng cho các ứng dụng hiện trường, nơi yêu cầu giao tiếp giữa các dụng cụ đo và hệ thống điều khiển. PROFIBUS PA có cấu trúc mạng vật lý tuân theo IEC-61158-2 và 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.

Thiết bị PROFIBUS PA không được kết nối trực tiếp với bộ điều khiển. Điều này được thực hiện trên mạng PROFIBUS DP nhanh hơn và tiếp cận thông qua bộ ghép nối hoặc liên kết. Bộ ghép nối/liên kết hoạt động như một giao diện mạng và cung cấp năng lượng cho bus.

Có thể thiết kế kết nối an toàn trên mạng PA, có nghĩa là các thiết bị kết nối với chúng có thể hoạt động trong các khu vực nguy hiểm.

Thông thường, có ít thiết bị hơn trên một bus an toàn của mạng PA khi so sánh với mạng thông thường, nhưng điều này phụ thuộc vào một số yếu tố quyết định số lượng thiết bị tối ưu cho mỗi loại. Ví dụ: dòng tiêu thụ thiết bị, chiều dài bus, loại cáp, v.v.

PROFIBUS FMS

PROFIBUS FMS cung cấp cho người dùng nhiều lựa chọn chức năng khi so sánh với các biến thể khác. Đây là giải pháp trong tiêu chuẩn truyền thông chung có thể được sử dụng để giải quyết các nhiệm vụ truyền thông phức tạp giữa PLC và DCS. Biến thể này hỗ trợ giao tiếp giữa các hệ thống tự động hóa bên cạnh việc trao đổi dữ liệu giữa các thiết bị thông minh, thường được sử dụng ở cấp độ điều khiển. Gần đây, vì chức năng chính của nó là giao tiếp ngang hàng, nó đang được thay thế bằng ứng dụng trong Ethernet.

Ưu, nhược điểm của Profibus

Ưu điểm của Profibus

• Được sử dụng rộng rãi, hoạt động ổn định, đơn giản, đáng tín cậy dễ mở rộng hệ thống.
• Hỗ trợ mạng tại các cấp độ thiết bị, điều khiển quá trình.
• Sẵn có giao diện cho các ứng dụng variable speed drive và trung tâm điều khiển động cơ (Profibus DP).
• Sử dụng trong môi trường an toàn (Intrinsically Safe) (đối với các thiết bị Profibus PA).
• Các cổng nối (gateway) cho phép tích hợp Profibus PA trực tiếp với mạng Profibus DP.
• Giao diện chủ (host) sẵn có cho hầu hết PLC, DCS và các hệ thống máy tính.
• Thiết bị gateway hỗ trợ trực tiếp các mạng bus sensor chi phí thấp hơn, đặc biệt là AS-Interface.

Dù có nhiều ưu điểm song PROFIBUS cũng tồn tại những nhược điểm:

Nhược điểm của Profibus

• Profibus DP không hỗ trợ ứng dụng Intrinsically Safe.
• Những yêu cầu rằng buộc về hệ thống dây cáp, điện, tiếp đất, bọc và đầu cuối phải được tính đến trong quá trình thiết kế và lắp đặt.

Ứng dụng Profibus

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.

Sự khác biệt giữa PROFIBUS và PROFINET

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. PROFINET hỗ trợ giao tiếp nhanh hơn và cũng có nhiều băng thông hơn. Điều này có nghĩa là một thông điệp được trao đổi trên mạng PROFINET có thể chứa nhiều thông tin hơn một thông điệp trên PROFIBUS.

	PROFIBUS	PROFINET
Tổ chức	PI
Application profiles	Giống nhau
concepts	Engineering, GSDs
Lớp vật lý	RS-485	Ethernet
Tốc độ	12 Mbit/s	1 Gbit/s hoặc 100 Mbit/s
Thông điệp	244 bytes	1440 bytes (cyclic)^
Address space	126	unlimited
Technology	Master/slave	Provider/consumer
Connectivity	PA + other*	Many buses
Wireless	Possible*	IEEE 802.11, 15.1
motion	32 axes	>150 axes
Machine-to-machine	No	Yes
Vertical integration	No	Yes
^ with multiple telegrams: lên tới 2^32-65 (acyclic)
* không có thông số kỹ thuật, nhưng có sẵn các giải pháp

Với những thông tin được cung cấp ở trên về FROFIBUS, MESIDAS hy vọng rằng nó có thể giúp ích được cho các bạn. Xin cảm ơn!

Tham khảo thêm tại: www.profibus.com