Bài giảng Mạng máy tính và hệ thống thông tin công nghiệp - Chương 2.1 - Đào Đức Thịnh

Mạng máy tính
&
Hệ thống thông tin công nghiệ
Đào Đức Thịnh
BM Kỹ thuật đo & THCN
Ch−ơng 2: Các giao thức công nghiệp
2.1 Khái niệm về giao thức:
- Giao thức ?
- Các đặc điểm quan trọng của giao thức.
2.2 Các yêu cầu riêng cho giao thức CN.
Ch−ơng 2: Các giao thức công nghiệp
2.3 ModBus:
- Mô tả chung về giao thức.
- Hai chế độ truyền ASCII và RTU.
- Khung bản tin của ModBus.
- Các ph−ơng pháp kiểm tra lỗi.
- Dữ liệu và các chức năng điều khiển.
- Các hàm phụ chuẩn đoán trong mạng.
- Báo lỗi.
Giao thức (Protocol)
- Giao thức thiết lập một tiêu chuẩn chung cho việc trao dữ liệu 
giữa phần thu và phát trên mạng.
- Nó th−ờng kết hợp với gói tin.
- Giao thức điều khiển một khung bản tin chung cho tất cả các 
thiết bị trên mạng.
- Giao thức thiết lập hoạt động đúng cho hệ thông tin
Giao thức (Protocol)
Các đặc điểm của giao thức:
- Khởi động: Khởi động các thông số của giao thức để bắt đầu 
truyền số liệu qua kênh liên lạc.
- Tạo khung và đồng bộ khung.
- Điều khiển luồng dữ liệu.
- Điều khiển truy nhập đ−ờng truyền.
- Phát hiện và sửa lỗi.
- Kiểm soát Time-out.
Các yêu cầu riêng cho giao thức CN
- Đơn giản nhất có thể để dễ khắc phục sự cố:
+ CN là nơi có sự hiểu biết về mạng thông tin CN ít.
+ Đòi hỏi hoạt động liên tục.
+ Có ý thức lựa chọn giao thức đơn giản nhất có thể.
- Độ đảm bảo dữ liệu truyền cao:
+ Hoạt động trong môi tr−ờng có nhiễu điện lớn.
+ Các thiết bị công suất lớn tập trung với mật độ cao.
+ Đòi hỏi không có lỗi khi truyền.
+ Chọn giao thức có mức độ cao của việc kiểm tra lỗi.
Các yêu cầu riêng cho giao thức CN
- Chuẩn hoá giao thức:
+ Có thể có nhu cầu cho việc kết nối giữa các thiết bị của 
các nhà SX khác nhau hay các hệ khác nhau.
+ Cần phải chuẩn hoá giao thức.
- Tốc độ cập nhật thông số cao:
+ Không đòi hỏi số l−ợng thông số lớn.
+ Yêu cầu cập nhật một loạt các setpoint cho một loạt các 
thiết bị gần nh− đồng thời.
+ Mộ số giao thức Field Bus mới có thể đáp ứng yêu cầu 
này.
Modbus
Mô tả chung về Modbus:
+ Modbus đ−ợc phát triển bởi Modicon (AEG) cho hệ
thống điều khiển các quá trình
ModBus
ModBus
+ Modbus chuẩn của bộ điều khiển Modicon sử dụng cổng RS-
232. Bộ điều khiển có thể nối mạng trực tiếp hay qua Modem.
+ Ng−ời dùng có thể lựa chọn các chuẩn RS-422, RS-485, 
20mA Current loop, tất cả các chuẩn trên đều t−ơng thích với 
tốc độ truyền của giao thức.
+ Thông tin giữa các bộ điều khiển sử dụng kỹ thuật Master-
Slave. Chỉ có Master mới có quyền khởi động việc truyền dữ
liệu, các thiết bị khác là Slave trả lời bằng cách cung cấp các 
dữ liệu đ−ợc yêu cầu từ Master hoặc đáp lại các hoạt động.
+ Master có thể là các máy chủ, PC hay các Panel lập trình.
+ Slave là các bộ điều khiển có tối đa 247 Slave.
ModBus
+ Master có thể địa chỉ từng Slave riêng hay gửi một bản tin 
quảng bá tới tất cả các Slave.
+ Khi có yêu cầu bởi địa chỉ riêng thì sẽ có bản tin trả lời. Không 
có bản tin trả lời với yêu cầu quảng bá.
+ Modbus cung cấp một định dạng khung bản tin chung cho 
các bản tin truyền giữa Master và Slave. Bản tin bao gồm địa 
chỉ của thiết bị, mã chức năng định nghĩa các hoạt động yêu 
cầu, số liệu cần gửi và tr−ờng kiểm tra lỗi. 
+ Slave trả lời bằng một bản tin nó chính là kết quả của hoạt 
động. Nếu có lỗi thì nó cũng báo lỗi nào đã xảy ra.
ModBus
+ Ngoài ra các bộ điều khiển Modbus có thể thông tin trên 
Modbus Plus sử dụng cổng thông tin có sẵn hay cộng mạng và
truyền trên MAP.
+ ở đay thông tin giữa các bộ điều khiển dùng kỹ thuật Pear-
Pear.( ứng dụng vẫn là Master-Slave).
ModBus
ModBus - Hai chế độ truyền
+ Bộ điều khiển trên mạng Modbus có thể truyền ở hai chế độ: 
ASCII và RTU.
+ Ta có thể chọn chế độ truyền cũng nh− các thông số của 
cổng thông tin nh−ng nó phải nh− nhau ở tất cả các bộ điều 
khiển.
ModBus - ASCII Mode
+ Khi các bộ điều khiển sử dụng chế độ ASCII mỗi một byte-
8bits truyền nh− là 2 ký tự ASCII.
+ Ưu điểm chính là cho thời gian truyền giữa các ký tự lên đến 
1s mà không gây ra lỗi
+ Mã: Hexadecimal, ASCII 0-9,A-F. 1 Hexa ->ASCII
+ Bit trên ký tự: 1 Start bit; 7 data bit; 1,0 Parity bit; 1,2 Stop bit 
(10 bit).
+ Kiểm tra lỗi: LRC
ModBus - RTU Mode
+ Khi các bộ điều khiển hoạt động ở chế đọ RTU mỗi một Byte-
8bit gửi nh− là hai số Hexadecimal -4 bit.
+ Ưu điểm của ph−ơng pháp này là có mật độ ký tự lớn cho 
phép truyền tốt hơn chế độ ASCII với cùng một tốc độ bit.
+ Mỗi một bản tin cần phải truyền thành một chuỗi liên tục.
+ Mã: 8 bit, Hexa 0-9,A-F. Hai số Hexa chứa trong một tr−ờng 8 
bit.
+ Số bit trên Byte: 1 Start bit; 8 data bit; 1,0 Parity bit; 1,2 Stop 
bit ( 11 bit).
+ Kiểm tra lỗi: CRC
ModBus - Cấu trúc khung bản tin
+ Trong cả hai chế độ truyền bản tin Modbus đ−ợc bên phát đặt 
trong một khung có điểm bắt đầu, kết thúc.
+ Bên thu nhận bản tin địng vị các tr−ờng khác và phát hiện ra 
lỗi có trong bản tin.
+ Có hai chế độ truyền có hai kiểu khung bản tin
ModBus - ASCII Frame
ModBus - ASCII Frame
+ Tất cả các thiết bị nối vào mạng sẽ kiểm tra bus liên tục cho 
đến khi nhận đ−ợc ký tự ':' . Nó sẽ giải mã tr−ờng địa chỉ. Nếu 
gửi cho nó thì nó nhận và xử lý các tr−ờng tiết theo.
+ Thời gian cho phép giữa các ký tự có thể lên đến 1 s-> không 
gây ra lỗi.
ModBus - RTU Frame
ModBus - RTU Frame
+ Các thiết bị nối vào mạng sẽ kiểm tra bus trong suốt quá trình 
rỗi của bus. Tr−ờng đầu tiên nhận đ−ợc sẽ là tr−ờng địa chỉ và
nó sẽ so sánh với địa chỉ của nó.
+ Nếu thời gian nghỉ > 3.5 lần th−ời gian truyền 1 byte thì kết 
thúc bản tin.
ModBus - Cấu trúc khung bản tin
Tr−ờng địa chỉ:
+ Chứa 2 ký tự ASCII hay 8 bit.
+ Giá trị từ 0-247.
+ Từng Slave địa chỉ hoá từ 1-247.
+ Master địa chỉ hoá Slave bằng cách đặt địa chỉ của nó vào 
tr−ờng địa chỉ.
+ Slave trả lời báo cho Master biết Slave nào đã trả lời.
+ Địa chỉ 0 sử dụng ở chế độ quảng bá.
ModBus - Cấu trúc khung bản tin
Tr−ờng chức năng:
+ Bao gồm 2 ký tự ASCII hay 1 byte.
+ Giá trị từ 1-255.
+ Một vài mã áp dụng cho các bộ điều khiển. Một vài mã chỉ áp 
dụng cho một mô hình nào đó. Một số dành cho t−ơng lai.
+ Master->Slave chỉ ra Slave phải làm gì?
+ Slave->Master báo là hoạt động bình th−ờng hay báo lỗi. Nếu 
bình th−ờng thì phản hồi về mã chức năng ban đầu. Nếu có lỗi 
thì phản hồi về mã chức năng ban đầu với bít cao nhất bằng 1.
ModBus - Cấu trúc khung bản tin
Tr−ờng dữ liệu:
- Master->Slave các dữ liệu cần cho hoạt động đ−ợc định nghĩa 
bỡi mã chức năng.
- Slave->Master nếu không có lỗi nó chức các dữ liệu trả về. 
Nếu có lỗi nó chứa mã lỗi.
- Tr−ờng dữ liệu có thể không có trong một số bản tin.
ModBus - Cấu trúc khung bản tin
Kiểm tra lỗi:
+ ASCII mode: kết quả kiểm tra theo LRC -> 1byte -> 2 ký tự
ASCII.
+ RTU mode: kiểm tra theo PP CRC nội dung bản tin. 16 bit -> 
2 byte
ModBus - Cấu trúc khung bản tin
- Khi truyền ở chế độ Modbus chuẩn các ký tự hay các byte đ−ợc 
truyền các bít thấp tr−ớc, cao sau.
ModBus - Cấu trúc khung bản tin
ModBus - Các ph−ơng pháp kiểm tra lỗi
- Modbus chuẩn đ−ợc áp dụng hai ph−ơng pháp kiểm tra lỗi. 
Kiểm tra chẵn lẻ áp dụng cho từng ký tự. Kiểm tra khung ( LRC, 
CRC) đ−ợc áp dụng cho toàn bộ khung bản tin.
- Cả hai ph−ơng pháp này sẽ đ−ợc Master thực hiện tr−ớc khi 
truyền khung bản tin và đ−ợc Slave kiểm tra trong quá trình 
nhận bản tin.
- Nếu Slave phát hiện ra lỗi trong bản tin thì bản tin sẽ bị bỏ đi, 
không có đáp ứng cho Master. Master đợi quá thời gian Time-
out để bỏ quá trình truyền. Thời gian Time-out đủ lớn để cho bất 
kỳ Slave nào có thể trả lời bình th−ờng đ−ợc. Nh− vậy khi Time-
out ch−ơng trình ứng dụng trên Master biết có một lỗi xảy ra.
ModBus - Các ph−ơng pháp kiểm tra lỗi
Kiểm tra chẵn lẻ:
- Ta có thể đặt là kiểm tra chẵn, kiểm tra lẻ hay không kiểm tra 
chẵn lẻ.
- Khi truyền các bit chẵn lẻ sẽ đ−ợc tính toán và truyền cùng với 
ký tự. Bên thu sẽ kiểm tra lại. Tất cả các thiết bị phải dùng 
chung một ph−ơng pháp.
ModBus - Các ph−ơng pháp kiểm tra lỗi
Kiểm tra LRC:
Kiểm tra CRC:
ModBus -Các chức năng của Modbus
Modbus cung cấp một loạt các chức năng sau:
ModBus -Các chức năng của Modbus
ModBus -Các chức năng của Modbus
ModBus -Các chức năng của Modbus
ModBus -Các chức năng của Modbus
ModBus -Các kiểu dữ liệu của Modbus
- Modbus sử dụng 4 kiểu dữ liệu khác nhau: 
+ Đầu vào số.
+ Đầu ra số (Coil).
+ Thanh ghi vào (Input Register).
+ Thanh ghi giữ (Holding Register)
- Các biến đầu vào và ra sô là 1 bit.
- Các biến thanh ghi là 2 byte.
- Mỗi một chức năng gắn liền với một kiểu dữ liệu.
- Địa chỉ mà khung bản tin sử dụng là địa chỉ offset t−ơng đối 
với địa chỉ thấp nhất của kiểu dữ liệu.
ModBus -Mô tả chi tiết các mã chức năng
ModBus -Mô tả chi tiết các mã chức năng
ModBus -Mô tả chi tiết các mã chức năng
ModBus -Mô tả chi tiết các mã chức năng
ModBus -Mô tả chi tiết các mã chức năng
ModBus -Mô tả chi tiết các mã chức năng
ModBus -Function 08 Diagnostics
ModBus -Function 08 Diagnostics
ModBus -Function 08 Diagnostics
ModBus -Function 08 Diagnostics
ModBus -Trả lời báo lỗi
Ngoại trừ bản tin quảng bá. Khi Master gửi một bản tin tới hỏi 
Slave thì có 4 tr−ờng hợp có thể xảy ra:
+ Slave nhận bản tin không có lỗi và có thể trả lời bản tin. 
Trả lời th−ờng.
+ Nếu Slave không nhận đ−ợc bản tin hỏi vì lỗi thông tin, 
sẽ không có bản tin trả lời.Master sử lý sự kiện Time-out.
+ Nếu Slave nhận đ−ợc bản tin hỏi nh−ng có lỗi thông tin 
(Parity, LRC,CRC), sẽ không có bản tin trả lời.Master sử lý sự
kiện Time-out.
+Nếu Slave nhận đ−ợc bản tin không bị lỗi thông tin nh−ng 
không thể thực hiện đ−ợc thì nó sẽ trả lời bản tin báo lỗi. Nó báo 
cho Master lỗi nào đã xảy ra.
ModBus -Trả lời báo lỗi
Bản tin báo lỗi bao gồm:
+ Tr−ờng địa chỉ báo thiết bị nào trả lời.
+ Tr−ờng chức năng với bit cao nhất bằng 1.
+ Tr−ờng dữ liệu báo lỗi nào đã xảy ra.
+ Tr−ờng kiểm tra lỗi.
ModBus -Trả lời báo lỗi
ModBus -Trả lời báo lỗi
ModBus -Trả lời báo lỗi
ModBus -Trả lời báo lỗi
ModBus Plus
- Là một hệ thống Bus dựa trên Modbus nh−ng có giá thành 
thấp, dễ láp đặt, cài đặt.
- Cho phép đành địa chỉ 64 nút trên mạng, tốc độ truyền 1 
Mbps.
- Mạng Peer-to-peer, sử dung MAC là Token passing.
ModBus Plus
ModBus Plus
- Output Path (1 byte):Đ−ờng dẫn đầu ra chỉ một kênh logic của 
trạm chủ, có vai trò trong việc dồn kênh/phân kênh.
- Router counter (1 byte): đếm số router mà khung bản tin đã đi 
qua.
- Transaction Sequence Number: Mã số giao dịch
- Routing Path (5 byte): Mã số đ−ờng dẫn chức thông tin chọn 
đ−ờng tối −u trong liên mạng.
- DA (1 byte): địa chit trạm đích.
- SA (1 byte): Địa chỉ trạm nguồn.
- MAC Function (1 byte): mã hàm điều khiển truy nhập đ−ờng 
truyền.
ModBus Plus
- Byte Count (2 byte) số l−ợng byte trong phần LLC đ−ợc 
truyền.
- Preamble (1 byte): dãy bit báo hiệu đầu khung.
- Opening Flag (1 byte): Cờ mở đầu khung.
- Broadcast Address (1 byte): địa chỉ gửi đồng loạt.
- CRC (2 byte): kiểm tra lỗi CRC.
- Closing Flag (1 byte): cờ báo kết thúc