Bài giảng Mạng máy tính và hệ thống thông tin công nghiệp - Chương 2.3 - Đào Đức Thịnh

Mạng máy tính
&
Hệ thống thông tin công nghiệ
Đào Đức Thịnh
BM Kỹ thuật đo & THCN
Foundation Fieldbus - Lịch sử phát triển
Sự xuất hiện của nhiều hệ bus tr−ờng khác nhau dẫn đến việc 
ra đời của hai tổ chức ISP và Worldfip vào năm 1993, với cùng 
mục đích là xây dựng một chuẩn bus tr−ờng thống nhất. Trong 
khi ISP về cơ bản dựa trên nền tảng là PROFIBUS, Worldfip đại 
diện cho giới sản xuất và sử dụng các sản phẩm FIP. Cuối năm 
1994, các thành phần đại diện phía Bắc Mỹ trong hai tổ chức 
này đi tới thống nhất thành lập hiệp hội mang tên Fieldbus 
Foundation (FF) nhằm chấm dứt sự phân nhánh trong việc xây 
dựng chuẩn. Tuy nhiên, các t− t−ởng đại diện trong tổ chức mới 
này không dựa hẳn vào PROFIBUS hay FIP, mà h−ớng tới một 
hệ bus twờng mới sử dụng lớp vật lý theo IEC 1158-2. 
Foundation Fieldbus - Lịch sử phát triển
Điều này dẫn tới việc các thành phần đại diện châu âu đã rút lui 
và quay trở lại với hệ thống của họ trong khuôn khổ PNO 
(PROFIBUS Nutzerorganisation) cũng nh−Worldfip. 
Hiện nay Fieldbus Foundation có hơn 130 công ty thành viên 
trên khắp thế giới. chiếm đại đa số các nhà cung cấp thiết bị đo 
l−ờng và điều khiển. Hệ thống bus tr−ờng wợc phát triển trong 
khuôn khổ của FF đ−ợc gọi là Foundation fieldbus. 
Foundation Fieldbus - Lịch sử phát triển
T−ơng tự nh− PROFIBUS-PA, phạm vi ứng dụng tiêu biểu của 
H1 là các ngành công nghiệp chế biến. Các công ty lớn nh−
ABB,Fisher-rosemount (Emerson Process Management), 
Honeywell, National Instruments, Endress+hauser và
Yokogawa đều có hàng loạt sản phẩm hỗ trợ . 
Foundation Fieldbus - Tại sao?
FF không chỉ là một giao thức thông tin mà nó còn có các đặc 
điểm sau:
- Thay thế hoàn toàn cho hệ thống cũ 4-20 mA.
- Các chức năng điều khiển, cảnh báo, theo dỗi quá trình...đ−ợc 
phân tán tới các thiết bị trong hệ.
- Cho phép các nhà thiết bị của các nhà SX nhau.
- Hệ thống mở
Các thiết bị FF là các thiết bị thông minh.
FF là hệ đầy đủ với các chức năng điều khiển phân tán ở các 
thiết bị nh−ng nó vẫn cho phép hoạt động và điều khiển từ 
phòng điều khiển trung tâm
Foundation Fieldbus
- Tại sao?
Foundation Fieldbus - Tại sao?
Foundation Fieldbus - Tại sao?
Foundation Fieldbus - Tại sao?
Foundation Fieldbus - Tại sao?
Các −u điểm của hệ thống thông tin số so với chuẩn 4-20 mA:
- Độ chính xác cao, độ đảm bảo dữ liệu cao.
- Cho phép đa biến.
- Có thể đặt cấu hình và chuẩn đoán từ xa.
- Giảm đấu dây.
- .....
Foundation Fieldbus - Tại sao?
Các nh−ợc điểm của hệ thống thông tin số so với chuẩn 4-20 
mA:
- Tốc độ thông tin chậm so với để điều vòng kín.
- Không có giao tiếp của các nhà SX khác nhau.
- Phải kiểm tra trạng thái theo kiểu hỏi vòng.
- .....
Foundation Fieldbus - Lợi ích
- Hoạt động với độ tin cậy cao hơn.
- Độ mềm dẻo hầu nh− không có giới hạn.
- Giảm giá thành thiết bị.
- Giảm giá thành lắp đặt.
- L−ợng thông tin lớn.
Hệ t−ơng tự dễ hiểu hơn ( ng−ời dùng chỉ cần 1 screwdriver, và
1 đồng hhồ đo dòng có thể kiểm tra, cấu hình các thiết bị).
FF báo các vấn đề một cách trực tiếp, thậm trí tr−ớc khi nó xảy 
ra.
Foundation Fieldbus - Lợi ích
Foundation Fieldbus - Lợi ích
- Khả năng đa biến có thể cho phép kết hợp các bộ điều khiển 
và các bộ xử lý tín hiệu.
- FF cho phép kết nối vài trăm thiết bị, khoảng cách vài km với 
1 đôi dây.
- FF có các khối chức năng phần mềm thay thế cho các khối 
phần cứng-> thay đổi hệ điều khiển mà không cần đi lại dây 
hay thay đổi phần cứng.
- Các kết nối có thể thay đổi, các khối chức năng có thể thêm 
vào hay bớt đi, ta có thực hiện gần nh− là vô hạn các khối chức 
năng, hệ có thể mở rông với phần cứng tối thiểu.
Foundation Fieldbus - Kiến trúc giao thức
Foundation Fieldbus - Physical
Môi tr−ờng truyền dẫn:
- Cáp điện ( hay dùng cáp xoắn)
- Cáp quang.
Tốc độ truyền:
- 31,25 kbps (H1)
-1 Mbps (H2)
-2,5 Mbps (H2)
Foundation Fieldbus - Physical
Foundation Fieldbus - Physical
Cấu trúc mạng:
- Cấu trúc dạng Bus ( Đ−ờng trục/nhánh, Daisy-chain)
- P-to-P.
- Cây.
Foundation Fieldbus - Physical
Foundation Fieldbus - Physical
120 m ( 393.6 ft )1 – 12 
90 m ( 295.2 ft )13 – 14 
60 m ( 196.8 ft )15 – 18 
30 m ( 98.42 ft )19 – 24 
1 m ( 3.28 ft )25 – 32 
Chiều dài lớn nhất của 
nhỏnh
Số thiết bị
Quan hệ giữa số lượng thiết bị và chiều dài cực đại của nhỏnh 
Foundation Fieldbus - Physical
Khoảng cách truyền tối đa phụ thuộc vào tốc độ truyền:
- 31,25 kbps - 1900 m
- 1 Mbps - 750 m
- 2,5 Mbps - 500 m
Số trạm trên 1 đoạn mạng phụ thuộc vào công suất nguồn, loại 
cáp. tuy nhiên tối đa là 32 trạm.
Sử dung 4 Repaeter : 9500 m, 240 trạm
Foundation Fieldbus - Physical
Foundation Fieldbus - Physical
Foundation Fieldbus - Physical
Số liệu đ−ợc trao đổi theo ph−ơng thức truyền đồng bộ, bán 
song công sử dụng mã Manchester.
Có khả năng đồng tải nguồn trên đ−ờng truyền. 
Nguồn từ 9-32 VDC
Terminator có dạng R-C
Foundation Fieldbus - Physical
Foundation Fieldbus - Physical
Foundation Fieldbus - Physical
Foundation Fieldbus - Data Link
FMAC: 
- Là sự kết hợp của các ph−ơng pháp Master/Slave, Token 
Passing và TDMA.
- Một thiết bị đóng vai trò trạm chủ gọi lá LAS ( Link Active 
Scheduler) phân chia và kiểm soát quyền truy nhập cho toàn 
mạng.
- Các thiết bị FF chia 2 loại Basic Device, Link Master. Chỉ có 
Link Master mới có thể trở thành LAS.
Foundation Fieldbus - Data Link
FDLC: Có hai cơ chế giao tiếp là lập lịch và không lập lịch.
- LAS cú một danh sỏch cỏc thời điểm truyền cho tất cả cỏc 
vựng đệm dữ liệu trong tất cả cỏc thiết bị điều này cần thiết đẻ
việc truyền dữ liệu cú chu kỳ . Khi đến thời điểm truyền dữ liệu 
của một thiết bị nào đú,LAS cấp cho thiết bị đú một bản tin 
cưỡng bức.Sau khi nhõn bản tin này thiết bị truyền thụng tin 
trong vựng đệm của mỡnh tới toàn bộ thiết bị trờn bus thiết bị cú
nhu cầu nhận bản tin đú gọi là Người thuờ bao.Việc truyền dữ
liệu tiền định đựoc sử dụng trong cỏc trường hợp bỡnh 
thường,chu kỳ truyền của vũng dữ liệu được kiểm soỏt giữa 
thiết bị và Bus.
Foundation Fieldbus - Data Link
Foundation Fieldbus - Data Link
Tất cả cỏc thiết bị trờn bus đều cú cơ hội gửi cỏc bản tin khụng 
định trước giữa cỏc bản tin tiền định. LAS cấp quyền truy cập 
cho một thiết bị trờn bus bằng việc cấp cho thiết bị đú một thẻ
bài. Khi thiết bị nhận được thẻ bài nú được phộp gửi bản tin 
cho tới khi vượt quỏ thời gian giữ thẻ bài lớn nhất cú thể.Bản 
tin cú thể đựoc gửi tới một đich hoặc nhiều đớch khỏc nhau.
Foundation Fieldbus - Data Link
Foundation Fieldbus - Cấu trúc bức điện
Foundation Fieldbus - Các dịch vụ giao tiếp
- Khi giải quyết một bài toán phức tạp nh− FF ng−ời ta cần phải 
phân tích bài toán ra thành các phần, thậm chí thành các phần 
tử cơ bản.
- Sử dụng thiết kế h−ớng đối t−ợng để thiết kế quá trình ứng 
dụng và các khối chức năng của QTƯD.
- Object là một thực thể có thể thực hiện 1 công việc nào đó.
- Phần mềm trên cơ sở các Obj sẽ thực thi công việc khi có bản 
tin gửi nhiệm vụ tới chúng -> TKHĐT không có Angorithm.
- Đối t−ợng đ−ợc chia thành các lớp phù hợp
Foundation Fieldbus - Các dịch vụ giao tiếp
Fieldbus Access Sublayer (FAS)
Lớp con FAS sử dụng hai cơ chế giao tiếp ở lớp 2 để cung cấp 
các dịch vụ cho lớp FMS. Kiều dịch vụ FAS đ−ợc mô tả bởi các 
quan hệ giao tiếp ảo VCR (Vtrtual Communication 
Relationships). Ba kiểu VCR đ−ợc định nghĩa nh sau:
- Kiểu Client/server: Giao tiếp không lập lịch giữa một trạm gửi 
(server) và một trạm nhận (client). các thông báo đ−ợc xếp 
trong hàng đợi theo thứ tự có −u tiên. Kiểu VCR này th−ờng 
đ−ợc sử dụng trong việc nạp ch−ơng trình lên xuống, thay đổi 
các tham số điều khiển hoặc xác nhận báo cáo.
Foundation Fieldbus - Các dịch vụ giao tiếp
- Kiểu phân phối báo cáo (Report Distribution): Giao tiếp không 
lập lịch giữa một trạm gửi và một nhóm trạm nhận, th−ờng đ−ợc 
sử dụng trong việc gửi các thông .báo báo động.
- Kiểu Publisher/subscriber: Giao tiếp lập lịch giữa một trạm gửi 
(publisher) và nhiều trạm nhận (subscriber), dữ liệu đ−ợc cập 
nhật mang tính toàn cục nh− nằm trong một vùng nhớ chung 
cho toàn bộ mạng. 
Foundation Fieldbus - Các dịch vụ giao tiếp
Fieldbus Message Specification (FMS)
Các dịch vụ FMS cho phép các ch−ơng trình ứng dụng gửi 
thông báo cho nhau trên bus theo một chuẩn thống nhắt về tập 
dịch vụ cũng nh− cấu trúc thông báo. Ngoại trừ một sồ dịch vụ 
báo cáo thông tin và sự kiện, hầu hết các dịch vụ FMS khác 
đều sử dụng kiểu VCR Client/server.
Dữ liệu cần trao đổi qua bus đ−ợc biểu diễn qua một "Mô tả đối 
t−ợng (object description). Các mô tả đối t−ợng wợc tập hợp 
thành một cấu trúc gọi là danh mục đối t−ợng (object dictionary, 
OD). Mỗi mô tả đối t−ợng đ−ợc phân biệt qua chỉ số trong danh 
mục đối t−ợng. 
Foundation Fieldbus - Các dịch vụ giao tiếp
Trong FMS, mô hình thiết bị tr−ờng ảo (Virtual Field Device, 
VFDđóng vai trò trung tâm. Một VFD là một đối t−ợng mang 
tính chất logic đ−ợc sứ dụng để quan sát dữ liệu từ xa mô tả
trong danh mục đối t−ợng
Một thiết bị thông th−ờng có ít nhắt hai VFD, 
Foundation Fieldbus - Các dịch vụ giao tiếp
Foundation Fieldbus - Các dịch vụ giao tiếp
Quản lý mạng và hệ thống: Gồm hai phần
- Phần chính: cung cấp các chức năng cơ bản mà từ đó CT ứng 
dụng có thể xây d−ng lên.
- Phần tiện ích: Cung cấp các dịch vụ tối −u hoá hoạt động và
chuẩn đoán các vấn đề xảy ra với mạng.
Foundation Fieldbus - Các dịch vụ giao tiếp
Phần chính bao gồm:
- Gán tên vật lý cho thiết bị
- Phân địa chỉ cho thiết bị.
- Các khối chức năng có liên quan.
- Đồng bộ hoá đồng hồ hệ thống.
- Lập danh mục các quá trình điều khiển phân tán
Foundation Fieldbus - Các dịch vụ giao tiếp
Các khối chức năng: các khối chức năng này dùng để cấu trúc 
nên các ứng dụng đo và điều khiển.
+ Khối chức năng;
- Khối chức năng vào.
- Khối chức năng ra.
- Khối chức năng điều khiển.
- Khối chức năng tính toán
+ Các bộ biến đổi;
- Khối chức năng bộ biến đổi vào.
- Khối chức năng bộ biến đổi ra.
- Khối chức năng bộ biến đổi hiển thị.
Foundation Fieldbus - Các dịch vụ giao tiếp
+ Khối đối t−ợng vật lý;
- Cảnh báo
- Sự kiện.
- Trend
-Danh sách hiển thị
Foundation Fieldbus - Các dịch vụ giao tiếp
- Mô hình khối cho phép ng−ời dùng sử dụng các khối để cấu 
trúc nên các ứng dụng.
- Trong FF nó là các khối phần mềm nằm trong thiết bị.
- Trong FF các khối cung cấp phần lớn các chức năng cho các 
hệ thống điều khiển.
- Ng−ời dùng có thể cấu trúc nên hệ ĐK bằng cách liên kết các 
khối chức năng.