Bài giảng Hệ thống máy tính công nghiệp - Chương 2: Industrial Communications and Networking

Ch2 - Industrial Communications Ch2 - Industrial Communications
Ch2 - Industrial Communications 1
Chapter 2
Industrial
Communications and Networking
Giới thiệu một số mô hình/chuẩn truyền tin 
trong công nghiệp:
 Chuẩn truyền tin V24/V28 (RS-232C, RS-
485 và RS-422), I2C...
 Các bus tiêu biểu: Profibus, CAN, Modbus, 
AS-I
Các giao thức: ProfiBus, MODBUS và IEC 
870-5
Ethernet 802.x
Ch2 - Industrial Communications Ch2 - Industrial Communications
Ch2 - Industrial Communications 2
2.1. Khái niệm về truyền tin trong môi trường 
công nghiệp (TTCN):
Khái niệm:
• Là mạng máy tính với số nodes và phạm vi địa 
lý hạn chế, thông tin trên mạng là các số đo, 
các trạng thái và các lệnh điều khiển, gắn với 
các quá trình thực, với độ tin cậy cao, khả năng 
chịu nhiễu tốt
• Có khả năng kết nối với các mạng máy tính 
thông thường để khai thác được các đặc tính 
ưu việt về remote và database.
• Topologies: Daisy chain, Ring, Bus, Star, Tree
• Giao thức: (Kỹ thuật ghép nối) thường dùng các 
giao thức các tầng phía thiết bị (Transport 
Oriented Protocols)
• Bảo toàn thông tin – trong mô hình OSI, lớp 2:
 Phân loại lỗi:
– Lỗi không phát hiện được
– Phát hiện được nhưng không sửa được và 
– Phát hiện và sửa được
 Phân tích và đánh giá lỗi: Chech sum, CRC, Parity...
 Đánh giá theo:
– Xác xuất xuất hiện,
– Thời gian xuất hiện, 
– Theo điều kiện môi trường, 
– Theo tác động của đối tượng...
Ch2 - Industrial Communications Ch2 - Industrial Communications
Ch2 - Industrial Communications 3
 Parity: cho từng byte/character
 Parity kép: cho 1 packet. Tính Parity và XOR dọc 
theo gói tin => phát hiện lỗi và sửa lỗi nếu xác suất 
nhỏ
 CRC: phần cứng, vi mạch 
 Check sum: phần mềm
Các chuẩn truyền thông tin:
• TIA/EIA (Electronics/Telecommunication 
Industry Association), mô hình DTE và DCE, 
các chuẩn qui định vật lý của tín hiệu như: 
 Complete Interface Standards: TIA/EIA 232-F, 
TIA/EIA 530-A [561]...
 Electrical Only Standards: EIA 422, EIA 485...
 Signal Quality Standards
Tín hiệu:
• Single End, RS232
• Differential, RS 422/485, MultiDrop, Hình 201
Ch2 - Industrial Communications Ch2 - Industrial Communications
Ch2 - Industrial Communications 4
2.2. Standard Buses:
2.2.1. AS-i bus:
 Actuator Sensor Interface
 Các (11) hãng Châu Âu hợp tác phát triển 
Hình 202. Ví trí AS-i bus trong hệ thống mạng CN
Ch2 - Industrial Communications Ch2 - Industrial Communications
Ch2 - Industrial Communications 5
2.2.1.1. Khái niệm mạng AS-i:
 AS-i (Actuator/Sensor Interface) là giao 
diện kết nối các cảm biến và cơ cấu chấp 
hành ở tầng thấp nhất (field level) trong 
một hệ thống tự động. 
2.2.1.2. Hoạt động của hệ thống mạng AS-i:
 Kiến trúc và các thông số hoạt động của 
mạng
• AS-i Mạng AS-i là mạng Single Master/ Multi 
Slaves: Trong mạng AS-i chỉ có một master 
việc trao đổi dữ liệu với các slaves trong 
mạng, thông qua cơ chế polling các slave liên 
tiếp và chờ đợi trả lời.
• Topology của mạng: Mạng AS-i có thể có dạng 
đường thẳng, hoặc dạng cây.
Hình 202a. Cấu trúc một mạng AS-i
Ch2 - Industrial Communications Ch2 - Industrial Communications
Ch2 - Industrial Communications 6
Hình 203. Cấu trúc mạng AS-i
• Thời gian vòng quét: AS-i Master cần 5ms để 
trao đổi dữ liệu số với 31 nút mạng - polling, 
analog (12 bit sensor) cần 6 vòng quét - 30ms.
• Tốc độ truyền thông: Fixed 167Kbps
• Thành phần nút mạng: Mỗi nút mạng có thể là 
các sensor/actuator theo chuẩn AS-i, hoặc các 
AS-i I/O module cho phép kết nối nhiều nhất với 
4 sensor/actuator nhị phân
• Khoảng cách mạng: Độ dài cáp truyền trong 
mạng AS-i là không lớn, khoảng cách tối đa 
300m, với 2 repeaters max. Lượng thông tin nhị 
phân không lớn.
Ch2 - Industrial Communications Ch2 - Industrial Communications
Ch2 - Industrial Communications 7
Chế độ địa chỉ:
• Chế độ địa chỉ thông thường, 1 Master có thể 
quản lý 31 slaves (4I/4O), cho phép kết nối với 
124 sensors/actuators. 
• Chế độ mở rộng (A/B), một master có thể quản 
lý 62 slaves (4I/3O), kết nối được với 186 
actuator hoặc 248 sensor.
• Mỗi slave AS-i được gán một địa chỉ, lưu trong 
EPROM của slave đó. Địa chỉ có thể được đặt 
do AS-i Master hoặc dùng một thiết bị đặt địa 
chỉ chuyên dụng (mỗi slave chỉ có thể được đặt 
địa chỉ 15 lần)
 Cơ chế giao tiếp:
 AS-i hoạt động kiểu Master/Slave. Trong một chu kì 
quét bus, Master thực hiện trao đổi dữ liệu với mỗi 
slave một lần. 
 Master gửi message 14 bit (5 bit địa chỉ Slave và 5 bit 
thông tin - dữ liệu output hoặc mã gọi hàm), rồi chờ 
đợi slave trả lời. 
 Message trả lời của slave 7 bit [4 bit thông tin (dữ liệu 
đầu vào hoặc kết quả thực hiện hàm)]. 
 Thời gian một chu kì bus phụ thuộc vào số lượng 
slave.
 Master có thể gửi kèm một số thông báo khác. Có tất 
cả 9 loại messge, 
– 2 loại để truyền dữ liệu và tham số, 
– 2 loại để đặt địa chỉ cho slave, 
– 5 loại để nhận dạng và xác định trạng thái hoạt động của các 
slave.
Ch2 - Industrial Communications Ch2 - Industrial Communications
Ch2 - Industrial Communications 8
Cấu trúc message từ Master
• 0-CB-A4-A3-A2-A1-A0-I4-I3-I2-I1-I0-P-1
 Bit 0: đầu Message Bit 1: cuối Message
 CB: Bit điều khiển P: Bit Parity
 A4-A0: Slave Addr I4 - I0:to Slave 
Cấu trúc message của slave:
• 0-S3-S2-S1-S0-P-1
 Bit 0: đầu Mess. Bit 1: cuối Mess.
 Bit S3-S0: to Master P: Bit Parity
Kỹ thuật truyền:
• Kỹ thuật mã hoá chọn dải tần số truyền, tự đồng 
bộ theo cơ chế APM (Alternate Pulse Modula-
tion) cho phép loại nhiễu => có độ tin cậy cao.
Kiểm soát lỗi:
• Trong 1 chu kì bit 6s (chu kì bus 5ms), tín hiệu 
trên đường truyền được receiver senses 16 lần. 
Theo phương pháp điều chế APM đã nói, trong 
mỗi chu kì bit phải có một hoặc hai xung và các 
xung kế tiếp phải đảo chiều. Như vậy chỉ có các 
tín hiệu có dạng này mới được nhận và giải mã, 
ngược lại sẽ được coi là nhiễu và sẽ bị loại bỏ.
• Mỗi Mess. chiều dài cố định, có bit đầu, bit cuối và 
có khoảng thời gian nghỉ, => phát hiện tín hiệu sai 
lệch. Ngoài ra, các bit truyền còn có bit chẵn lẻ 
parity để phát hiện lỗi.
Ch2 - Industrial Communications Ch2 - Industrial Communications
Ch2 - Industrial Communications 9
2.2.1.3. AS-i Devices
AS-i cable: 
• Kiểu riêng, để kết nối với các thiết bị mạng, 
không cần tách vỏ, bắt vít hoặc hàn.
• Truyền được cả năng lượng và số liệu trên 
cùng một cáp 2 dây.
• Không truyền được trong khoảng cách xa (tối 
đa 100 mét cần có 1 repeater)
• Cũng có thể dùng bất kì cáp 2 dây thông 
thường có kích thước 2x1.5mm2 trong mạng 
AS-i, không cần vỏ chống nhiễu.
 Repeater/Extender
• Repeater/ Extender: Prolongation, max 100m. 
Max 300m with 2 repeaters
Nguồn cung cấp ở cả hai đầu của repeater
Hai đường cáp AS-i của repeater được 
cách ly về điện với Extender
• Mở rộng chiều dài mạng thêm được 100m.
• Chỉ cần nguồn cung cấp ở phía không nối với 
Master.
Cáp trực tiếp: không cách ly với Extender
Ch2 - Industrial Communications Ch2 - Industrial Communications
Ch2 - Industrial Communications 10
 Power Supply Unit:
• Nguồn cấp dc có độ ổn định, tin cậy cao cho mọi thiết bị 
mạng AS-i chuẩn và các sensor nối vào mạng.
• Normal Actuators không lấy nguồn từ AS-i cable, mà 
thường được cấp nguồn riêng.
 Addressing Device:
• Là thiết bị gán địa chỉ và chẩn đoán (offline).
• Address: 1 đến 31 (hoặc 1A đến 31A) và Ext (1B đến 
31B). Các thiết bị mới xuất xưởng có địa chỉ 0. 
• Các Master hỗ trợ chế độ địa chỉ mở rộng phải nối với 
các slave có chế độ địa chỉ mở rộng. 
• Trên một mạng không thể có hai thiết bị có cùng địa chỉ.
 AS-i Master: Phần sau
 AS-i Gateway:
• AS-i Gateway (Distributed I/O) là các thiết bị cho 
phép nối mạng AS-i với các thiết bị ở mạng 
khác, cũng là một Master, đóng vai trò làm chủ 
đối với mạng AS-i bên dưới và là Slave của 
mạng trên (thường là PROFIBUS)
 I/O Module đặt tại hiện trường
• Là các module ghép nối với các cơ cấu chấp 
hành và cảm biến nhị phân, được lắp đặt trực 
tiếp tại hiện trường
• Compact Module: Module kết nối với các cơ cấu 
chấp hành và cảm biến làm việc trong môi 
trường khắc nghiệt
Ch2 - Industrial Communications Ch2 - Industrial Communications
Ch2 - Industrial Communications 11
 Motor Starter và load branch:
• Motor Starter: Thiết bị khởi động động cơ. Mọi cơ cấu 
động lực và kết nối mạng AS-i đều được tích hợp chỉ 
trong thiết bị này.
• Load Branch: Thiết bị khởi động băng tải, được đặc 
trưng bởi 1 đầu vào, 2 đầu ra nối với thiết bị chấp 
hành.
 Proximity switch:
• Dùng để nhận biết, đếm sản phẩm, được dùng trong 
các dây chuyền sản xuất. Gồm:
 Cảm biến từ: BERO inductive proximity switch
 Cảm biến siêu âm: Sonar-BERO ultrasonic proximity switch. 
Cảm biến từ và cảm biến siêu âm được dùng để phát hiện vật 
thể lớn với khoảng cách tương đối xa, như trong một dây 
chuyền rửa xe tự động...
 Cảm biến quang: Opto-BERO photoeletric proximity switch
Logic module LOGO:
• Là thiết bị slave của mạng AS-i song xử lý được 
các phép logic, cho phép thực hiện một số quy 
trình tự động nhỏ, đơn giản.
Một số thiết bị hỗ trợ như:
• Push button and indicator light: Bộ nút bấm và 
đèn báo
• Counter module: Module đếm
• Ground fault detection module: Module kiểm tra 
lỗi nối đất
• Overvoltage protection module: Module bảo vệ 
chống quá áp
Ch2 - Industrial Communications Ch2 - Industrial Communications
Ch2 - Industrial Communications 12
Hình 204. Siemens LOGO!
2.2.1.4. AS-i Masters:
Hình 205. AS-I Master
Ch2 - Industrial Communications Ch2 - Industrial Communications
Ch2 - Industrial Communications 13
Master:
• Thiết bị truyền thông AS-i như CP243-2 (cho S7 
200) và CP 342-2 (cho S7 300)
 Standard AS-i Master và Extended AS-i Master:
• Extended AS-i Master: 62 Slave với chế độ địa 
chỉ mở rộng A/B, Standard AS-i Master chỉ hỗ 
trợ được 31 slave.
• Nối mạng với Extended AS-i Master phải là các 
slave có chế độ địa chỉ mở rộng, nối mạng với 
Standard AS-i Master phải là các Standard 
Slaves.
2.2.2. Profibus:
Hình 206. Sơ đồ mạng Profibus
Ch2 - Industrial Communications Ch2 - Industrial Communications
Ch2 - Industrial Communications 14
2.2.2.1. Khái niệm Mạng PROFIBUS:
Mạng PROFIBUS (Process Field Bus) là 
mạng truyền thông tại hiện trường (cell and 
field area) theo chuẩn EN 50170-1-2, DIN 
19245, kết nối các thiết bị vào ra phân tán 
(distributed I/O), các thiết bị truyền động 
(drives) với các bộ điều khiển khả trình, 
như PC hoặc SIMATIC S7.
2.2.2.2. Các giao thức PROFIBUS: 
• Bao gồm DP, PA, FMS và FDL.
PROFIBUS DP (Decentralized Periphery)
• Là giao diện chuẩn để trao đổi thông tin giữa 
trạm SIMATIC S7/M7/C7 với các thiết bị hiện 
trường phân tán (SIMATIC ET- 200), trong đó 
các DP Master và Slave trao đổi dữ liệu vào/ra ít, 
tốc độ cao. 
• Khoảng cách truyền lớn và độ tin cậy cao.
• DP Slave: là thiết bị hiện trường tương thích với 
các module vào/ra được kết nối qua giao diện 
PROFIBUS DP (CP, IM) với bộ điều khiển trung 
tâm. 
• Đ/v Chương trình điều khiển trung tâm, các thiết 
bị phân tán được đánh địa chỉ như các thiết bị 
trung tâm.
Ch2 - Industrial Communications Ch2 - Industrial Communications
Ch2 - Industrial Communications 15
 PROFIBUS PA (Process Automation)
• IEC 61158 - 2, kết nối các thiết bị vận hành trong môi 
trường khắc nghiệt, đòi hỏi độ an toàn dữ liệu cao. 
• Cho phép truyền dữ liệu và nguồn cấp trên cùng một 
đường truyền duy nhất.
• Topology: Star/ Line/ Tree.
• Tốc độ truyền: Fixed 31.25 kbps.
• Mạng PROFIBUS PA được kết nối với PROFIBUS DP 
qua các bộ chuyển đổi DP/PA Coupler hay DP/PA Link, 
trong đó DP/PA Coupler chỉ hoạt động như protocol 
Converter,
• Kết nối nhiều nhất 5 cơ cấu chấp hành, còn DP/PA Link 
hoạt động như một slave của mạng DP. 
ProFiBus FMS (Fieldbus Message 
Specification):
• Là giao thức chuẩn kiểu thông điệp, lượng thông 
tin lớn,
• Truyền giữa các PLCs của các hãng khác nhau, 
trao đổi giữa SIMATIC S7/M7/C7 với PC. 
• Ưu điểm: Dữ liệu có cấu trúc được truyền đi ở 
một định dạng trung lập, không phụ thuộc thiết bị 
truyền (non-device specific format) và sau đó lại 
được chuyển đổi thành định dạng tương ứng 
thiết bị nhận (device-specific format) ở đầu kia. 
• PROFIBUS FMS và PROFIBUS DP sử dụng 
cùng một kĩ thuật truyền và cùng giao thức truy 
nhập bus, do đó có thể hoạt động đồng thời.
Ch2 - Industrial Communications Ch2 - Industrial Communications
Ch2 - Industrial Communications 16
PROFIBUS FDL (Fieldbus Data Link):
• Là giao thức truyền thông với các thiết bị tương 
thích các hệ S5 để trao đổi dữ liệu với các 
mạng con.
Tổ chức mạng: dạng Master/Slave, 
• Master của mạng là các module truyền thông 
DP (như CP 342-5 - cho CPU S7 300)
• Topology: Star, Tree, Line
• Tín hiệu: vi sai, RS 485 hoặc Optic
• Thời gian xử lý một vòng quét 1ms với tốc độ 
truyền là 12Mbps và 5ms với tốc độ truyền 
1.5Mbps
Ch2 - Industrial Communications Ch2 - Industrial Communications
Ch2 - Industrial Communications 17
Hình 207. Profibus
 Kết nối với mạng PROFIBUS DP qua các DP/PA 
Coupler hoặc DP/PA Link + Coupler (khi đó DP/PA 
Link là slave của mạng DP nhưng là Master của 
mạng PA)
Ch2 - Industrial Communications Ch2 - Industrial Communications
Ch2 - Industrial Communications 18
 Môi trường truyền:
• Cáp xoắn hai dây có bọc (trở kháng 150Ω) 
• Cáp xoắn có bọc + bảo vệ trong (đ/v PROFIBUS 
PA) cho môi trường khắc nghiệt, IEC 61158
• Cáp quang: loại trừ được nhiễu điện, tổn hao 
năng lượng rất thấp. Cáp quang được chế tạo từ 
chất liệu nhựa hoặc thuỷ tinh, có thể sử dụng 
in/out door, khoảng cách >10km
• Truyền không dây (InfraRed Technology): Số liệu 
được truyền thông qua Module ILM (Infrared Link 
Module) có khoảng cách truyền tối đa là 15m. 
Cơ chế truyền:
• Token Bus
 Nếu mạng nhiều active nodes (masters) tạo thành 
một mạng Token Ring logic với thứ tự xác định theo 
địa chỉ của node đó. Mỗi active node mạng tự nhận 
biết được các active node khác.
 Quyền truy nhập: “Token” là một frame đặc biệt 
được truyền lần lượt giữa các active node trong 
mạng Token Ring.
 1 node nhận được token (được gắn địa chỉ trong 
token), nó có thể gửi các frame và chỉ được giữ 
token trong 1 khoảng thời gian xác định - token 
holding time) được kiểm soát bởi token timer. Khi 
Time Out, node mạng đó chỉ được quyền gửi đi một 
thông điệp dạng ưu tiên cao.
Ch2 - Industrial Communications Ch2 - Industrial Communications
Ch2 - Industrial Communications 19
 Active node giữ token có kết nối tới các passive 
node để trao đổi dữ liệu với slave kiểu polling hoặc 
gửi dữ liệu đến slaves.
 Khi một active node nhận token mà không có yêu 
cầu trao đổi dữ liệu, nó chuyển token sang active 
node tiếp theo
 Các passive node không có token
 Các node có thể được thêm vào hay loại bỏ trong 
quá trình hoạt động
 Chế độ Master – Slave
• Nếu mạng có 1 active node và nhiều passive 
nodes, được gọi là hệ thống Master/Slave.
• Chế độ truyền Master/Slave cho phép Master 
đánh địa chỉ cho Slaves.
• Master trao đổi dữ liệu với Slave kiểu tuần tự, 
Master truyền xuống Slave thông số cấu hình/ 
các lệnh để trao đổi dữ liệu, điều khiển.
• Slave gửi lên cho Master trạng thái, dữ liệu thu 
thập được và kết quả thực hiệ ... ector: để kết nối thiết bị slave PA vào 
đường PROFIBUS PA chung
 DP/PA Link: được ghép nối với DP/PA. Tốc độ truyền 
thông PA: 31.25Kbps, tốc độ DP khi có DP/PA Link có 
thể lên tới 12Mbps.
 1 DP/PA Link có thể ghép nối với tối đa 5 DP/PA 
coupler.
 DP/PA coupler chuyển đổi format 11bit/char (Async) 
=> 8bit/char (Sync) và đổi tốc độ truyền. 
 DP/PA coupler cấp nguồn cho các thiết bị hiện trường 
và giới hạn dòng tối đa trên mạch. Môi trường nguy 
hiểm (Ex version) dòng giới hạn là 90mA, trong môi 
trường bình thường (non-Ex version) là 400mA.
Ch2 - Industrial Communications Ch2 - Industrial Communications
Ch2 - Industrial Communications 24
Mạng tín hiệu điện:
• RS 485:
 RS 485: tín hiệu áp vi sai, khoảng cách >1 km trên 
đường cáp xoắn 2 dây có vỏ bọc.
 Cáp truyền trong mạng được chia thành các segment 
có trở kháng không đổi.
 Các thiết bị được nối vào mạng (node mạng) qua bus 
terminal với tap line hoặc bus connector (thiết bị kết 
nối/giắc cắm)
 Có tối đa 32 node mạng trên một segment.
 Các đoạn được kết nối với nhau bởi các repeater. Có 
thể có tối đa 9 repeater trong một network.
 Các cable terminator phải được cấp nguồn trước khi 
được kích hoạt. Bus connector và bus terminal được 
cấp nguồn bởi thiết bị DTE gắn vào nó, còn repeater, 
terminator, ILM có nguồn riêng.
Hình 213: Sơ đồ PROFIBUS - RS 485 sử dụng repeater
Ch2 - Industrial Communications Ch2 - Industrial Communications
Ch2 - Industrial Communications 25
 Có cấu trúc mở, linh động với các bus terminal, bus 
connector, repeater cho phép dễ dàng gắn các thiết bị 
mạng, mở rộng mạng hay thay đổi cấu hình mạng.
 Đường truyền vi sai cho phép các thiết bị có thể dừng 
hoạt động (deactivated) mà không hề làm ảnh hưởng 
đến hoạt động của mạng
 Lắp đơn giản, không cần kiến thức chuyên môn sâu
 Khoảng cách giảm, tốc độ truyền tăng lên
 Cần có thiết bị bảo vệ chống sét khi lắp đặt ngoài trời
 Cấu hình mạng: Dạng bus, cấu trúc tự do, dùng 
repeater
 Môi trường: Cáp xoắn 2 dây có vỏ bọc
 Chiều dài mạng và tốc độ: 1000m - 187.5 Kbps
400m – 500 Kbps
200m – 1.5 Mbps
100m – 12 Mbps
 Số Repeater max: 9
 Số node trong một segment max: 32
trong một network: 127 
 Tốc độ truyền: 9.6 kbps, 19.2, 45.45, 93.75, 187.5, 1.5 
Mbps, 3, 6 và 12 Mbps
Ch2 - Industrial Communications Ch2 - Industrial Communications
Ch2 - Industrial Communications 26
 Mạng PROFIBUS DP
• Mô hình mạng 
PROFIBUS DP:
 PROFIBUS DP 
(Distributed I/O) là giao 
diện chuẩn để trao đổi 
dữ liệu vào ra giữa các 
trạm SIMATIC S7/M7/C7 
với các thiết bị hiện 
trường phân tán như 
SIMATIC ET 200, trong 
đó các DP Master và DP 
Slave trao đổi một khối 
lượng nhỏ dữ liệu vào/ra 
một cỏch tuần tự với tốc 
độ cao.
Hình 213b. Simatic ET200
Hình 213c. Mạng Profibus DP
Ch2 - Industrial Communications Ch2 - Industrial Communications
Ch2 - Industrial Communications 27
• Ghép nối PLC SIMATIC S7:
 Chương trình ứng dụng PLC SIMATIC S7 điều khiển 
và kiểm soát quá trình truyền thông trên mạng 
PROFIBUS bằng các khối chương trình FC (cho S7-
300) và SFC (cho S7-400). Các FC thực hiện các 
chức năng sau:
– Chuyển dữ liệu ra từ vùng nhớ của PLC (process image, bit 
memory, data block) tới các thiết bị hiện trường 
– Đọc dữ liệu vào từ thiết bị hiện trường tới vùng nhớ xác định 
của PLC
– Thực hiện công việc giám sát và chẩn đoán
• Các trạm làm việc trong hệ PROFIBUS DP:
 DP Master (class 1): thiết bị thực hiện các tác vụ điều 
khiển
 DP Slaves: các thiết bị hiện trường, nhận lệnh từ 
Master và gửi dữ liệu về master
 DP Master (class 2 – tuỳ chọn): thiết bị lập trình, 
chuẩn đoán hoặc quản lý
Ch2 - Industrial Communications Ch2 - Industrial Communications
Ch2 - Industrial Communications 28
Các dạng truyền thông 
trong mạng DP
• Đặt cấu hình Modular/ 
Compact DP Slaves
(Trao đổi dữ liệu Slave 
 Master)
 Trong cơ chế này, DP 
Master polling lần lượt 
các slave, gửi và nhận 
dữ liệu với slave đó. Địa 
chỉ vào/ra của các slave 
được đánh tự động khi 
đặt cấu hình mạng
Hình 214. Trao đổi dữ liệu 
DP Master – Slave (a)
• Đặt cấu hình với Intelligent 
DP Slave (Trao đổi dữ liệu 
trực tiếp Slave Master)
 I-Slave là các thiết bị có khả 
năng thao tác độc lập và tự xử 
lý số liệu với các cơ cấu chấp 
hành gắn với nó trước khi gửi 
số liệu về master (như CPU S7, 
Drives...). 
 Master không trực tiếp truy 
nhập các I/O module gắn với I-
slave, mà chỉ truy nhập vào 
vùng địa chỉ của CPU của I-
slave. Do đó, địa chỉ của các 
I/O module do I-slave quản lý, 
được đặt trong khi khai báo cấu 
hình mạng cho DP I-slave.
Hình 215. Trao đổi dữ 
liệu ISlave – Master (b)
Ch2 - Industrial Communications Ch2 - Industrial Communications
Ch2 - Industrial Communications 29
• Trao đổi dữ liệu 
trực tiếp Slave > 
Islave
 Các DP Slave có 
thể trao đổi dữ 
liệu trực tiếp với 
các Intelligent 
slave với tốc độ 
cao mà không 
qua master.
Hình 216. Trao đổi dữ
liệu Slave-Islave (c)
• Trao đổi dữ liệu qua 2 trạm: trực tiếp Slave => Islave
 Các intelligent slave có thể đọc dữ liệu từ các slave với tốc 
độ cao, cả các slave cùng hay khác master với i-slave đó.
Hình 217. Direct data XCGH (d)
Ch2 - Industrial Communications Ch2 - Industrial Communications
Ch2 - Industrial Communications 30
• Trao đổi dữ liệu giữa 2 trạm Master (Trao đổi dữ liệu trực 
tiếp Slave => Master)
 Trong chế độ này, dữ liệu từ các slave hay i-slave có thể được 
master này hay master khác trên cùng mạng PROFIBUS DP truy 
nhập.
 Cơ chế này được gọi là “ chia sẻ đầu vào” vì dữ liệu được sử dụng 
chéo giữa các hệ thống PROFIBUS DP.
Hình 218. Trao đổi số liệu (e)
2.2.2.4. Hoạt động của Mạng Profibus
DP Master
Profibus CP
DP Master và DP Slave 
CPU Cycle & DP Polling Cycle 
Ch2 - Industrial Communications Ch2 - Industrial Communications
Ch2 - Industrial Communications 31
2.3. MODBUS Protocol:
 Là Giao thức chuẩn cho các đường truyền mạng cấp 
thấp ( cả RS232/485/422) do Modicon/AEG/ 
Schneider Automation
 Thường dùng trong các PLC, các computerized 
sensor, các drives, trong các hệ SCADA, DCS 
Nhiều hãng dùng
 Có các qui ước trao đổi lệnh, dữ liệu, diagnostics
 Truyền thông mức thấp (232/485), gồm standard 
modbus và trên các giao thức khác: TCP/IP, MAP, 
 Master/Slave: 
• Master: Command (query message)
• Slave: Response message
Hình 219
Sơ đồ 
Modbus
Ch2 - Industrial Communications Ch2 - Industrial Communications
Ch2 - Industrial Communications 32
Hình 220. Kịch bản MODBUS
Device Address: gồm 247 slaves, Địa chỉ 0 là 
Broadcast
Function code: câu lệnh
8bit data bytes, tùy số lượng
CRC Error checking
Characters: 7/8 bit data, PE or Non
ASCII/ RTU modes:
• ASCII: breaking down 1 byte = 2 ASCII 
characters: 7, [PE/ PO], 1[2]
• RTU: binary character: 8,[PE/PO], 1[2]
Ch2 - Industrial Communications Ch2 - Industrial Communications
Ch2 - Industrial Communications 33
Hình 221. MODBUS Format of Frames
 Format of packet:
• ASCII format
 Functions: Read 
Reg, Fetch Event-
log, Diagnostic, 
Preset Reg
• RTU format:
 start: 4 space chr
 Time out: 1,5 char 
time
 End(n)start(n+1)
Hình 222. MODBUS Packet
Ch2 - Industrial Communications Ch2 - Industrial Communications
Ch2 - Industrial Communications 34
2.4. IEC 60-870-5-101 Protocol
 2.4.1. Giới thiệu chung về IEC 870-5-101.
• Giao thức IEC 870-5 do tổ chức IEC (International 
Electrotechnical Commission)Technical Committee 
57 cho các lĩnh vực telecontrol, teleprotection và 
telecommunication của các hệ thống năng lượng. Có 
5 tài liệu đặc tả về chuẩn giao thức này:
• IEC 870-5-1 (Transmission Frame Formats)
• IEC 870-5-2 (Data Link Transmission Services)
• IEC 870-5-3 (General Structure Of Application Data)
• IEC 870-5-4 (Definition And Coding Of Information 
Elements)
• IEC 870-5-5 (Basic Application Functions)
 Giao thức IEC 870-5-101 cho các ứng dụng có sử 
dụng các RTU điều khiển xa, các định nghĩa và 
đặc tả của giao thức này được lựa chọn từ 5 tài 
liệu trên.
 Là giao thức truyền thông giữa các thiết bị đầu 
cuối (RTU) và hệ thống trung tâm (Central 
Station).
 Thông tin theo hướng từ thiết bị đầu cuối (RTU) 
tới Central Station thường là các thông số đo 
RTU thu thập từ các thiết bị vật lí (như tần số, 
điện áp, dòng điện, công suất) và 
 thông tin theo hướng ngược lại thường là các 
lệnh điều khiển hoạt động thiết bị vật lí.
Ch2 - Industrial Communications Ch2 - Industrial Communications
Ch2 - Industrial Communications 35
Một số định nghĩa:
Controlling Station: Trạm điều khiển hoạt động 
toàn bộ hệ thống.
Controlled Station: Các trạm cấp dưới hoặc thiết 
bị thu thập số liệu RTU.
Unbalanced Mode: Là chế độ hoạt động mà chỉ 
có Controlling Station khởi đầu một phiên truyền 
nhận.
Balanced Mode: Là chế độ hoạt động mà tất cả 
các trạm đều có thể khởi đầu một phiên truyền 
nhận.
2.4.2. Cấu trúc giao thức
Giao thức đưa ra mô hình phân lớp mạng bao 
gồm 3 lớp:
 Application layer
 Data link layer
 Physical layer
Application layer
Data link layer
Physical layer
Hình 223. 
IEC 780 
Layers
Ch2 - Industrial Communications Ch2 - Industrial Communications
Ch2 - Industrial Communications 36
Data Terminal
Equipment
(DTE)
of the controlling 
station
Data circuit 
Terminating
Equipment
(DCE)
Data circuit 
Terminating
Equipment
(DCE)
Data Terminal
Equipment
(DTE)
of the controlled 
station
Serial 
telecontroll
channel
Data circuit
Physical Layer:
Hình 224. IEC Physical Layers
Link layer:
Cung cấp các thủ tục truyền thông, sử 
dụng trường điều khiển và trường địa chỉ.
Liên kết giữa các trạm có thể được thực 
hiện theo chế độ truyền thông unbalanced 
/balanced mode.
Nếu sự liên kết giữa trạm điều khiển trung 
tâm và các trạm khác chia sẻ cùng một 
đường truyền thì chế độ hoạt động phải là 
unbalanced mode.
Ch2 - Industrial Communications Ch2 - Industrial Communications
Ch2 - Industrial Communications 37
Application layer:
Application Service Data Units (ASDU): là 
cấu trúc dữ liệu trên từng ứng dụng.
Các ASDU thực chất là 1 frame có chứa số 
liệu hay lệnh điều khiển.
2.4.3. Các đặc tả về truyền thông
Các đặc tả này định nghĩa cấu hình mạng, 
định dạng chuẩn kí tự và các luật truyền 
thông.
Cấu hình mạng: bao gồm các dạng sau:
Point - to – point, figures @ next page
Multiple point - to - point
Party line
Redundant line
Ch2 - Industrial Communications Ch2 - Industrial Communications
Ch2 - Industrial Communications 38
Controlling
Station
Controlled
Station
Controlling
Station
Controlling
Station
Controlling
Station
Controlled
StationControlled
Station
Controlled
Station
Controlled
Station
Controlled
Station
Controlled
Station
Point - to - point Multiple point - to - point Party line Redundant line
Hình 2.2 Các mô hình mạng của giao thức IEC 870-5-101
Hình 225. IEC Models
 Character format: 1 Start bit, 1 Stop bit, 1 Parity bit (even) 
và 8 Data bits
 Transmission rules:
 Đường truyền rỗi là mức nhị phân 1.
 Mỗi kí tự có một bit khởi đầu (binary = 0), 8 bit thông tin, một bit 
parity (chẵn) và một bit stop(binary = 1).
 Không được có khoảng thời gian trống trên đường truyền giữa các 
kí tự trong cùng một frame.
 Khoảng thời gian xác định lỗi giữa các frame cho phép nhỏ nhất là 
33 bit (3 kí tự) 
 Các kí tự dữ liệu được kết thúc bởi 8 bits checksum (CS). 
Checksum được thực hiện trên toàn bộ các byte mang dữ liệu.
 Phía nhận thực hiện kiểm tra:
 Các bít không mạng tin/char: bit start, bit stop và parity bit.
 Đối với mỗi frame: kí tự start, độ dài (2 bytes trong frame có độ dài 
không cố định), check sum của frame và kí tự kết thúc
Ch2 - Industrial Communications Ch2 - Industrial Communications
Ch2 - Industrial Communications 39
2.4.4 Định dạng frame dữ liệu
Giao thức IEC 870-5-101 sử dụng ba định 
dạng frame
Frame có độ dài thay đổi
Frame có độ dài cố định
Frame chỉ có một kí tự
Hình 226. IEC 780-5 Frames
Ch2 - Industrial Communications Ch2 - Industrial Communications
Ch2 - Industrial Communications 40
Frame có độ dài thay đổi: truyền dữ liệu 
giữa controlling và controlled station.
Frame có độ dài cố định: dùng cho các dịch 
vụ của link layer.
Frame chỉ có một kí tự: xác nhận các hoạt 
động như đồng bộ thời gian, yêu cầu dữ 
liệu...
Cấu trúc dữ liệu
IEC 870-5-101 định nghĩa: Các Application 
Service Data Unit (ASDU) chứa thông tin truyền 
thông giữa các trạm. Các ASDU được định 
nghĩa là các frame dữ liệu có độ dài không cố 
định. Định dạng của frame:
Khởi đầu frame:
 1 byte START CHARACTER
 2 byte FRAME LENGTH
 1 byte START of DATA CHARACTER
 1 byte LINK ADDRESS
Kết thúc frame:
 1 byte CHECKSUM
 1 byte STOP CHARCTER
Ch2 - Industrial Communications Ch2 - Industrial Communications
Ch2 - Industrial Communications 41
Hình 226. 
Formats of 
Application 
Service 
Data Unit
Mỗi ASDU bao gồm hai phần:
DATA UNIT IDENTIFIER:
 1 byte TYPE IDENTIFICATION,
 1 byte VARIABLE STRUCTURE QUALIFIER,
 1 hay 2 byte CAUSE OF TRANSMISSION,
 1 hay 2 byte COMMON ADDRESS OF ASDU
INFORMATION OBJECT:
 Nếu ASDU được truyền từ Controlled Station theo 
yêu cầu số liệu từ Controlling Station thì ASDU 
thông tin các đối tượng có thể kèm theo thẻ thời 
gian.
 Nếu ASDU được truyền từ Controlling Station thì 
thông tin được chứa là thời gian nếu là lệnh đồng bộ 
thời gian hay là trạng thái trong lệnh điều khiển...
Ch2 - Industrial Communications Ch2 - Industrial Communications
Ch2 - Industrial Communications 42
2.4.5. Command set and Scenario
 Command set:
 Station initialisation: Khởi tạo các trạm.
 Data acquisition by polling: Thu thập số liệu kiểu polling
 Cyclic data transmission: Truyền dữ liệu có tính chu kì.
 Acquisition of events: Thu thập sự kiện.
 General interrogation: Thủ tục để Controlling Station cập nhật các 
Controlled Station, thực hiện sau khi khởi tạo.
 Clock synchronisation: đồng bộ thời gian.
 Command transmission: Truyền lệnh điều khiển.
 Transmission of integrated totals: Thu thập giá trị đếm xung.
 Parameter loading: Nạp tham số cho Controlled Station.
 Test procedure: Thủ tục kiểm tra sự kết nối giữa các trạm.
 File transfer: Truyền file.
 Acquisition of transmission delay: Xác định độ trễ đường truyền.
A Case Study: Acquisition of events
 Các sự kiện xảy ra được lưu trữ trong buffer của 
Controlled Station cho các sự kiện xảy ra nhanh hơn so 
với tốc độ truyền thông. Khi Controlling Station hỏi 
Controlled Station yêu cầu các sự kiện thì có hai khả năng 
xảy ra: không có sự kiện trong buffer và có sự kiện trong 
buffer của Controlled Station.
• Trường hợp không có sự kiện trong buffer: Controlled Station trả 
lời NACK dưới dạng message chỉ có một kí tự (05H) hay hay một 
frame có độ dài cố định (fixes frame) mang thông điệp "Requested 
data not available".
• Trường hợp có sự kiện trong buffer: Controlled Station trả lời bằng 
một fixed frame NACK nhưng bit trạng thái = 1 báo hiệu cho 
Controlling Station có sự kiện. Controlling gửi message "Request 
user data class 1" yêu cầu và Controlled trả bằng một ASDU chứa 
sự kiện, ASDU này có thể chứa toàn bộ hoặc một vài sự kiện của 
Controlled Station.