PROFINET và PROFIBUS: Sự khác biệt, ưu nhược điểm và ứng dụng

Profinet và Profibus là hai chuẩn truyền thông phổ biến nhất hiện nay. Profinet là sự nâng cấp mạnh mẽ từ Profibus.

Bạn có biết rằng Profinet có tốc độ truyền nhanh hơn Profinet gần 10 lần và thời gian phản hồ dưới 1ms hay không? Để làm được điều này bạn cần có các IO profinet hoặc bộ chuyển đổi giao thức từ Profibus, modbus RTU, Modbus TCP-IP và thiết bị điều khiển có truyền thông Profinet của Siemens.

Profinet sử dụng các tiêu chuẩn kết nối vật lý Ethernet thông qua RJ-45. Điều này mở ra một phương thức truyền thông giữa các thiết bị không giới hạn về khoảng cách vật lý nhưng lại có tốc độ truyền nhanh hơn Profibus rất nhiều.

Có hai phương thức sử dụng chuẩn truyền thông Profinet cho hệ thống PLC Siemens S7-1200, S7-1400, S7-1500 là IO profinet và các bộ chuyển đổi từ tín hiệu Digital ( DI ), Analog ( AI ) thành tín hiệu truyền thông Profinet.

Hệ thống Profinet có thể kết nối nhiều chuẩn thiết bị lại với nhau như : Modbus RTU, Modbus TCP-IP, M-bus, BACnet, CAN-Open với nhau. Việc này khá đơn giản nếu tất cả các thiết bị cùng chung của Siemens.

Trên thực tế, các IO Profinet không thuộc cùng một hãng và phương thức truyền thông cũng khác nhau. Để PLC Siemens có thể hiểu được trên cùng giao thức Profinet bạn cần các bộ chuyển đổi tín hiệu Digital, Analog, Modbus RTU, Modbus TCP-IP sang profinet.

Ngoài ra các hãng sản xuất cũng cho ra các thiết bị có sẵn giao thức profinet. Các modul này thay thế hoàn toàn các IO Device của Siemens với giá thành cạnh tranh hơn. Điều này mang tới cho người sử dụng thêm nhiều sự lựa chọn khi dùng PLC của Siemens.

So sánh Profinet và Profibus

Profinet và Profibus đều là hai giao thức truyền thông công nghiệp được Siemens phát triển được sử dụng tới nay.

• Profibus ra đời 1989 và được phát hành vào năm 1993
• Profinet ra đời 2000 và được giới thiệu chính thức từ 2003

Profinet thừa hưởng tất cả các chức năng, đặc điểm của profibus và định danh thiết bị bằng địa chỉ IP. Nói cách khác thì Profinet chính là Profibus nâng cấp để tối ưu về tốc độ truyền và số lượng thiết bị kết nối nhiều hơn.

Để dễ hiểu hơn mình liệt kê vài điểm khác biệt giữa hai giao thức truyền Profinet và Profibus  thông này:

• Profibus, hay “PROcess-FIeld-BUS”, là một giao thức truyền thông công nghiệp đã được thử nghiệm và thực sự, được phát hành vào năm 1993. Profinet là một giao thức truyền thông công nghiệp dựa trên Ethernet mới hơn, được phát triển từ năm 2000.
• Profibus sử dụng cáp nối tiếp RS-485 và đầu nối DB-9, trong khi Profinet sử dụng cáp Ethernet và đầu nối RJ-45. Cáp Profibus có màu tím, còn cáp Profinet có màu xanh.
• Profibus có tốc độ truyền dữ liệu từ 9600 bit/giây đến 12 megabit/giây, và có thể kết nối tối đa 127 thiết bị trên mỗi mạng. Profinet có tốc độ truyền dữ liệu 100 megabit/giây hoặc cao hơn, và có thể kết nối hàng nghìn thiết bị trên một mạng.
• Profibus yêu cầu định cấu hình địa chỉ cho mỗi thiết bị, và sử dụng điện trở kết thúc để xác định kết thúc của mạng. Profinet không yêu cầu định cấu hình địa chỉ, và sử dụng bộ chuyển mạch Ethernet để mở rộng mạng.
• Profibus có ba phiên bản: Profibus DP (Decentralized Peripherals), Profibus PA (Process Automation) và Profibus FMS (Fieldbus Message Specification). Profinet có bốn phiên bản: Profinet IO (Input/Output), Profinet CBA (Component Based Automation), Profinet IRT (Isochronous Real Time) và Profinet RT (Real Time).

Dù bạn đang dùng Profinet và Profibus cùng nhau hoặc độc lập nhau thì đây cũng là các giao thức mạnh mẽ được phát triển bởi Siemens. Nếu có nâng cấp PLC của Siemens bạn nên chọn chuẩn truyền thông Profinet cho thiết bị ngoại vi để đơn giản hóa việc truyền dẫn tín hiệu và tăng thời gian phản hồi của hệ thống.

Truyền thông Profibus

Profibus, hay “PROcess-FIeld-BUS”, một phương thức truyền thông lâu đời của Siemens với đầu kết nối DB-9 và dây được bọc bên ngoài màu tím. Đây là chuẩn truyền thông khá quen thuộc với hầu hết kỹ sư lập trình.

• Một đầu nối Profibus luôn có một cổng chuyển tiếp phía sau để kết nối với thiết bị khác phía sau.
• Đầu nối DB-9 có 9 chân tiêu chuẩn pin được dùng cho RS232, RS485 và RS422.
• Kết nối vật lý Modbus RTU quy định A+ và B tương ứng ( + ) và ( – ). Các thiết bị cần kết nối đúng A-B song song hoặc nối tiếp cùng nhau trên hai lỏi này.
• Các đầu nối đều có công tắc màu đỏ phía sau được dùng để điều khiển điện trở kết thúc. Điện trở kết thúc cho biết điểm kết thúc của mạng Profibus.
• Công tắc này phải được nằm ở vị trí “Bật“ trên thiết bị cuối cùng và “Tắt “cho mọi thiết bị khác. Nếu các công tắc này không được gạt đúng thì sẽ xảy ra lỗi trên Bus.
• Mỗi một thiết bị kết nối Profibus chỉ có duy nhất 1 địa chỉ được định danh từ 0 cho đến 126. Tức là có nhiều nhất 127 thiết bị trong 1 hệ thống mạng Profibus.
• Việc cài đặt địa chỉ phải được cài trước khi kết nối vào hệ thống mạng bằng DIP Switch hoặc phần mềm. Đối vơi PLC Siemens việc cài đặt nằm trong phần mềm STEP 7 hoặc TIA PORTAL.
• Lưu ý là các địa chỉ không được phép trùng nhau. Một địa chỉ được định danh cho 1 thiết bị duy nhất. Khi trùng địa chỉ hệ thống mạng sẽ bị treo hoặc báo lỗi.
• Mạng Profibus cho phép lựa chọn tốc độ truyền ( Baud rate ) từ 9200 – 120000 bit trên giây với chiều dài dây dẫn lớn nhất 1200m. Tuy nhiên, tốc độ truyền sẽ tỉ lệ nghịch với độ dài dây dẫn vật lý.
• Trên một hệ thống mạng Profibus chỉ chọn duy nhất một tốc độ truyền. Nếu bạn chọn baud 19.200 thì tất cả các thiết bị cũng phải chọn 19.200 tưng ứng.

Một kết nối Modbus RTU hoặc TCP-IP  bạn cần biết : Tốc độ Baud + địa chỉ của thiết bị Slave ID.

Ví dụ: chúng ta có 10 thiết bị cần truyền về PLC – S7-1200

• Slave 1 có baud 19200
• Slave 2 có baud 19200
• …
• Slave 10 có baud 19200

Các địa chỉ Slave này chúng ta có thể tùy chọn tùy ý nhưng không được trùng nhau. Truyền thông Profibus có hai phương thức truyền là Modbus RTU và Modbus TCP-IP.

Profibus DP

Profibus DP được sử dụng rộng rãi, phổ biến nhất trong các nhà máy tự động hóa, hệ thống IO có liên đến điều khiển motor, biến tần, van điều khiển … Profibus DP sử dụng chuẩn RS-485 kết nối vật lý cho phép truyền tải tốc độ cao từ 9,6kbps…12 Mbps và khoảng cách truyền max 1200m.

Profibus DP sử dụng tối đa 32 nút và 127 trạm cho mỗi đường truyền. Chúng ta có thể sử dụng bộ lặp để tăng số nút hoặc gateway để tăng số lượng thiết bị truyền về PLC.

Profibus DP được thiết kế để truyền dữ liệu tốc độ cao tại thiết bị. Lúc này, các bộ điều khiển ( PLC, DCS, PC … )giao tiếp với các thiết bị hiện trường ( I/O, van, Flowmeter, drive …) trực tiếp qua đường truyền RS485 hoặc thông qua gateway để tăng tốc độ đường truyền.

Lưu ý rằng, quá trình truyền dữ liệu giữa thiết bị điều khiển và thiết bị hiện trường được thực hiện theo chu kỳ. Chính vì hoạt động theo chu kỳ nên khi giao tiếp với quá nhiều thiết bị sẽ có hiện tượng Delay, càng nhiều thiết bị thì kết quả truyền về càng chậm.

Ngoài ra, mạng PROFIBUS DP có thể thiết lập cấu hình ProfiSafe và chúng có thể được sử dụng trong các ứng dụng an toàn SIL3.

Profibus PA

Profibus PA được thiết kế dành cho các khu vực dễ cháy nổ như xăng dầu, hóa chất, các môi trường dễ cháy. Tốc độ truyền cố định tại 31.24 kbps và max 32 thiết bị trên trạm.

Dù được thiết kế riêng cho môi trường chống cháy nổ Ex-zone 0 và 1 nhưng Profibus PA vẫn giao tiếp với các thiết bị Profibus DP một cách bình thường.

Profibus PA hỗ trợ các tín hiệu đầu vào từ analog 4-20mA, Digital, nhiệt độ, flowmeter … với việc truyền và ghi dữ liệu. Điều quan trọng nhất trong sử dụng Profibus PA chính là sử dụng dây Profibus có vỏ màu xanh đạt chuẩn phòng nổ. Điều này làm phát sinh chi phí rất lớn cho phần dây truyền tín hiệu trong hệ thống Profibus.

Lưu ý rằng: màu dây của Profibus PA rất dễ nhầm lẫn với dây cáp của Profinet.

Profibus FMS

Profinet FMS (Field bus Message Specification) là một biến thể của hệ thống truyền thông Profinet. Đây là môt giải pháp truyền thông được sử dụng để giải quyết các nhiệm vụ phức tạp của PLC, 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. Bởi chức năng chính của nó là giao tiếp ngang hàng, cho nên hiện nay nó đang được thay thế bằng các giao thức dựa trên Ethernet.

Truyền thông Profinet

Profinet hoạt động dựa vào nền tảng Profibus nhưng trên đường truyền mạng Ethernet. Tuy nhiên, đừng nghĩ rằng Profinet là Profibus trang bị thêm Ethernet. Bởi Profinet mang nhiều lợi ích vì truyền dữ liệu nhanh và trực tiếp chứ không hoạt động theo cơ chế Master / Slave theo chu kỳ.

Nói dễ hiểu hơn Profinet cung cấp 1 đường đi duy nhất cho 1 thiết bị kết nối, bạn có 100 thiết bị thì sẽ thiết lập 100 đường đi độc lập nhau đi song song nhau và chỉ dành cho chính nó.

Trong khi đó Profibus chỉ 1 đường đi duy nhất, các thiết bị phải xếp hàng cho tới khi được gọi thì nó mới trả tín hiệu về. Dù đường truyền có lớn nhưng cũng không đủ để cho nhiều thiết bị chạy song song cùng lúc với nhau.

Điều này lý giải tại sao đường truyền Profinet lại nhanh hơn Profibus rất nhiều lần. Không chỉ nhanh mà Profinet lại mở rộng số lượng thiết bị kết nối gần như không giới hạn và còn có thể kết nối không dây.

Profinet giải quyết vấn đề dây dẫn khi muốn truyền tín hiệu đi xa. Nếu như Profibus bạn phải kéo dây vật lý từ thiết bị đo cho tới tủ điều khiển. Nay, Profinet cho phép truyền trên đường truyền Ethernet.

Thiết bị giao tiếp cần chuyển về giao thức Profinet & PLC Siemens S7-1200 đã tích hợp sẵn Profinet. Các thiêt bị được giao tiếp không dây với nhau qua Wifi hoặc các HUD mạng. Miễn là tất cả cùng chung một hệ thống mạng LAN.

Profinet IO là gì?

IO Profinet là một thiết bị có chuẩn truyền thông Profinet. Các IO profinet có điểm chung là các tín hiệu ngõ ra sẽ có kết nối vật lý là RJ-45 kết nối với mạng. Thông qua kết nối mạng PLC của S7-1200, S7-1400, S7-1500 có thể kết nối từ xa mà không cần kéo dây vật lý.

Các loại Profinet IO thường gặp:

• Profinet IO Digital Input – Output
• Profinet IO với Analog Input
• Ngoài ra còn có gateway profinet

Các PLC của Siemens sử dụng Profinet làm thay đổi cách mà chúng ta lập trình, truyền thông công nghiệp và sử dụng thiết bị. Với chuẩn Profinet chúng ta dễ dàng kết nối với nhiều thiết bị của các hãng khác lại với nhau.

Việc Profinet không yêu cầu cấu hình địa chỉ cho từng thiết bị và chỉ dùng Ethernet làm đường truyền tương tự Modbus TCP-IP. Việc khai báo chỉ diễn ra duy nhất với File GSD của nhà sản xuất cung cấp.

Profinet Protocol

Profinet Protocol hoạt động giống như một đường truyền ưu tiên dành riêng cho các thiết bị có chuẩn Profinet. Với chuẩn Modbus RTU và Modbus TCP-IP các thiết bị phải được quét từng thiết bị, sau đó nhận kết quả phản hồi. Điều này có nghĩa rằng càng nhiều thiết bị kết nối vào PLC thì thời gian đọc dữ liệu càng lâu.

Profinet protocol ra đời giải quyết thời gian đáp ứng nhanh chóng nhỏ hơn 1 mili giây. Các thiết bị có thể truyền cùng một lúc về PLC mà không cần phải chờ đợi thời gian trễ.

Profinet protocol không giới hạn về khoảng cách, không giới hạn về điểm kết nối & có thể đặt tên cho từng thiết bị. Các thiết bị ngoại vi khi truyền thông qua Profinet thì PLC sẽ hiểu đây như là một Modul của chính Siemens phát hành.

Cáp Profinet

Cáp profinet được sử dụng để kết nối các thiết bị truyền thông công nghiệp dựa trên giao thức profinet. Cáp profinet phải đảm bảo tiêu chuẩn Ethernet công nghiệp cho truyền dữ liệu theo thời gian thực. Vì vậy cáp profinet cần có những đặc điểm sau:

• Quy định màu dây là màu xanh lá cây hoặc màu xanh dương. Còn trong profibus sẽ dùng cáp màu tím.
• Jack cắm của cáp profinet theo chuẩn RJ45. Trong profibus là đầu nối DB-9.
• Cáp profinet cần có lớp bảo vệ chắc chắn bên ngoài và có khả năng chịu được môi trường khắc nghiệt trong sản xuất.
• Cáp profinet cần được chống nhiễu hai lớp để truyền tín hiệu nhanh và chính xác.
• Cáp profinet cần có hiệu năng truyền tại tần số lên tới 100 Mhz bằng với thời gian thực
• Bên ngoài có nhiều loại vật liệu vỏ bọc để bảo vệ cáp bên trong như PVC, PUR …

Để truyền thông profinet hiệu quả bạn cần có một đầu cáp RJ-45 cứng cáp, tốt nhất là dùng đầu cáp nối bằng kim loại thay cho các loại bằng nhựa rất dễ gãy.

Hy vọng rằng, với chia sẻ của mình sẽ giúp các bạn có cái nhìn rõ hơn về chuẩn Profinet và Profibus.

Chúc các bạn thành công !

Kỹ sư Cơ – Điện Tử

Nguyễn Minh Hòa