tiểu luận mạng truyền thông công nghiệp modbus rtu

Trong thời gian ngắn hàng trăm nhà sản xuất thực hiện hệ thống thông điệp Modbus trong thiết bị của họ và Modbus trở thành chuẩn cho các mạng truyền thông công nghiệp... Một thiết bị cũn

BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KĨ THUẬT

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

Chương 1:

1 TẦM QUAN TRỌNG CỦA MẠNG MODBUS:

Modbus là chuẩn truyền thông trong công nghiệp, rất hiệu quả và phổ biến, vì chúng đơn giản trong truyền nhận Tốt của chuẩn Modbus là sự linh hoạt, và dễ thực hiện Không những các thiết bị thông minh như các microcontroller, PLC có thể truyền thông với Modbus, mà còn các cảm biến thông minh trang bị Modbus interface gửi dữ liệu của chúng đến các host system Modbus, cũng có các mở rộng cho các chuẩn truyền thông không dây và các mạng TCP/IP

Với đậc điểm trên, nên ngày nay các nhà máy xí nghiệp rất chuộn mạng modbus này

2.LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN MODBUS:

Modbus bắt nguồn trong cuối những năm 70 thế kỷ trước Năm 1979 khi nhà sản xuất PLC Modicon giờ là tập đoàn

Schneider Electric's Telemecanique phát hành giao diện truyền thông Modbus cho mạng multidrop dựa trên kiến trúc master/client Truyền thông giữa các Modbus node có được bằng các thông điệp Nó là một chuẩn mở mà được mô tả bằng cấu trúc thông điệp Modbus interface ban đầu chạy trên RS-232, nhưng các thực hiện Modbus sau nhất dùng RS-

485 vì nó cho phép khoảng cách lớn, tốc độ cao và khả năng của một mạng multi-drop thực sự Trong thời gian ngắn hàng trăm nhà sản xuất thực hiện hệ thống thông điệp Modbus trong thiết bị của họ và Modbus trở thành chuẩn cho các mạng truyền thông công nghiệp

3.Cấu trúc thông điệp Modbus

Hình 1: cấu trúc kết nối mạng modbus

Trên RS232 gởi các thông điệp tương tự như được dùng trên Modbus/TCP qua ethernet Gọi là Modbus interface

Protocol có thể dùng không quan tâm kiểu kết nối Vì điều này, Modbus cho khả năng dễ dàng nâng cấp cấu trúc phần cứng của mạng công nghiệp, không cần thay đổi lớn trong phần mềm Một thiết bị cũng có thể truyền thông với vài

Modbus node một lúc, dù chúng được nối với các kiểu giao diện khác nhau, không cần dùng protocol khác cho mỗi kết nối

Trên các giao diện đơn giảng giống RS485 hay RS232, các thông điệp Modbus được gửi theo dạng đơn giản trên mạng

Các hệ thống mạng linh hoạt hơn như TCP/IP qua ethernet, các thông điệp Modbus như nhúng trong các gói với định dạng cần thiết cho giao diện vật lý Trong trường hợp đó Modbus và các kiểu kết nối khác có thể cùng tồn tại ở cùng giao

diện vật lý ở cùng lúc Mặc dù cấu trúc thông điệp Modbus chính là peer-to-peer(ngang hàng), Modbus có thể kết nối thành cả mạng point-to-point và multidrop Gởi đi bằng các thông điệp

Bốn thành phần cơ bản có mặt trong mỗi thông điệp Cuối các thành phần này là giống nhau cho tất cả thông điệp, để dễ dàng xác định nội dung của Modbus message Một hộp thoại luôn được bắt đầu bởi một master trong mạng Modbus Modbus master gửi một message phụ thuộc vào nội dung của message—slave tác động và đáp ứng với nó Có thể có nhiều master trong một Modbus network Địa chỉ trong message header được dùng để định nghĩa device mà sẽ đáp ứng với message Tất cả các node trong Modbus network bỏ qua message nếu address field không thỏa mẵn address riêng của chúng

4 Các dạng modbus phổ biến nhất đƣợc dử dụng ngày nay là:

-modbus/ASCII

-modbus/RTU

-modbus/TCP

Chương 2: Tìm hiểu về mạng modbus/RTU

Hình 2: Một số kết nối khác

1.So sánh MODBUS (RTU/ASCII/TCP)

Tất cả thông điệp được gửi dưới cùng một format Sự khác nhau duy nhất giữa 3 loại MODBUS là cách thức thông điệp được mã hóa

Với MODBUS ASCII, mọi thông điệp được mã hóa bằng hexadeci-mal, sử dụng đặc tính ASCII 4 bit Đối với mỗi một byte thông tin, cần có 2 byte truyền thông, gấp đôi so với MODBUS RTU hay MODBUS/TCP

Tuy nhiên, MODBUS ASC II chậm nhất trong số 3 loại protocol, nhưng lại thích hợp khi modem điện thoại hay kết nối sử dụng sóng radio do ASC II sử dụng các tính năng phân định thông điệp Do tính năng phân định này, mọi rắc rối trong phương tiện truyền dẫn sẽ không làm thiết bị nhận dịch sai thông tin Điều này quan trọng khi đề cập đến các modem chậm, điện thoại di động, kết nối ồn hay các phương tiện truyền thông khó tính khác

đó, bất cứ mạng Ethernet hỗ trợ MODBUS/ IP sẽ ngay lập tức hỗ trợ MODBUS/TCP Phiên bản MODBUS này sẽ được

đề cập chi tiết trong bài viết lần sau với tiêu đề ―MODBUS qua Ethernet‖

 MODBUS/RTU

 Địa chỉ Modbus

Thông tin đầu tiên trong mỗi Modbus message là địa chỉ của receiver Thông số này chứa một byte thông tin Trong

Modbus/RTU một byte được dùng Các địa chỉ hợp lệ trong dải 0 247 Các giá trị 1 247 được gán cho các thiết bị

Modbus slave cụ thể và 0 được dùng như địa chỉ broadcast Các Message được gửi sau sẽ được nhận bởi tất cả slave

Một slave luôn đáp ứng với một Modbus message Khi đáp ứng nó dùng cùng địa chỉ như master trong request đó Theo cách này master có thể thấy device thực sự đáp ứng với yêu cầu

 Modbus master address(S7-200)

 00001-09999 là các ngõ ra riêng biệt

 10001-19999 là các ngõ vào riệng biệt

 30001-39999 là các thanh ghi ngõ vào

 40001-49999 là các thanh ghi holding

 Địa chỉ modbus slave

 00001-00128 ngõ ra riêng biệt tương ứng từ Q0.0-Q15.7

 10001-10128 ngõ ra riêng biệt tương ứng từ I0.0-I15.7

 30001-30032 thanh ghi ngõ vào tương tự tương ứng từ AIW0-AIW62

 40001-04XXXX thanh ghi holding tương ứng vùng nhớ V

 Việc sử dụng cấu trúc modbus master

MBUS_CTRL thực hiện sau mỗi vòng quét, sử dụng MBUS_CTRL để bắt đầu hay thay đỗi thông số truyền nhận Modbus master intruction chỉ những dòng để đọc hay viết vào địa chỉ đặt biệt của modbus Modbus slave cần được

hỗ trợ yêu cầu chức năng để đọc hay viết địa chỉ đặc trưng modbus

 Sử dụng MODBUS slave instruction

 Chọn khối MBUS-INIT thực hiện sau mỗi vòng quét, sử dụng MBUS_INIT để bắt đầu hay thay đỗi thông số truyền nhận

Cấu trúc MODBUS SLAVE hỗ trợ giao thức modbus RTU

 Mode =1 đăng kí port 0 để giao thức modbus và giao thức cho phép,

 Mode =0 đăng kí port 0 với PPI và giao thức modbus không sẵng sàn

 Delay điều kiện kết thúc message

Thông số bound đưa lên 1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 38400, 57600, 115200

Bảng thông số của MBUS_INIT

 0-không kiểm tra parity

 1-kiểm tra bit lẻ

 2 kiểm tra bit chẵn

Các mã chức năng Modbus

Tuy nhiên, khi một error được dò, bit cao nhất của mã chức năng được bật lên Theo cách đó master có thể thấy khác biệt giữa đáp ứng thành công và thất bại

Trong ngôn ngữ Modbus, một coil là một giá trị output rời rạc Chức năng Modbus 01 có thể được dùng để đọc trạng thái

của một output Chỉ có thể truy vấn một device ở một thời điểm Địa chỉ Broadcast được hỗ trợ chức năng Modbus này Chức năng này có thể được dùng để yêu cầu trạng thái của các coil khác nhau một lúc Điều này được định nghĩa một dải output trong trường dữ liệu của message

Khi nhận một Modbus query message có chức năng 01, slave thu thập các giá trị output cần thiết và dựng một answer

message Chiều dài của message này phụ thuộc vào số các value mà phải được trả về Nhìn chung, khi giá trị N được

yêu cầu, một số ((N+7) mod 8) byte là cần thiết để lưu các giá trị này Số thực sự các databyte trong datablock được đặt

trong byte đầu tiên của data field

Function 02: Đọc trạng thái input

Đọc các giá trị input với Modbus được làm theo cùng cách như đọc trạng thái các coil Khác biệt duy nhất là cho các input

Modbus function 02 được dùng Broadcast addressing mode không được hỗ trợ Bạn có thể chỉ giá trị các input chỉ trên

một device ở một lúc Giống với các coil, địa chỉ của input đầu tiên, và số các input để đọc phải được đặt trong data field

của query message Các Input trên các device bắt đầu đánh số từ 10001 Giá trị địa chỉ này tương đương địa chỉ 0 trong

Modbus message

Function 03: Đọc các holding register

Các giá trị bên trong một Modbus device được lưu trong các holding register Các register này có chiều rộng hai byte và

có thể được dùng cho các mục đích khác nhau Vài thanh ghi chứa các tham số cấu hình trong khi những cái khác được dùng cho các giá trị đo lường được trả về (nhiệt độ ) cho host Các thanh ghi trong thiết bị tương thích Modbus bắt đầu

ở 40001 Chúng được định địa chỉ trong cấu trúc thông điệp Modbus với địa chỉ bắt đầu ở 0 Modbus function 03 được

dùng để yêu cầu một hay nhiều giá trị thanh ghi holding từ một device Chỉ một slave device có thể được định địa chỉ

trong một query đơn Các query Broadcast với function 03 không được hỗ trợ

Sau khi xử lý query, Modbus slave trả về các giá trị 16 bit của các holding register được yêu cầu Vì kích thước các

holding registers, mọi register được mã với hai byte trong message trả lời Data byte đầu tiên chứa byte cao, byte thấp

của register Thông điệp trả lời Modbus bắt đầu với địa chỉ thiết bị slave và function code 03 Byte tiếp là số các data byte

theo sau Giá trị này là gấp đôi số register được trả về Một kiểm tra lỗi được mở rộng cho host để kiểm tra có lỗi truyền thông xuất hiện hay không

CHƯƠNG 3 VÍ DỤ SỬ DỤNG MODBUS ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT

1.Các bước thực hiện điều khiển truyền thông modbus

Bước 1: Kết nối

Hinh3: Sơ đồ kết nối master_slave

Nếu không có 2 cổng COM Thì hãy đổ chương trình cho từng cổng sau đó nối cáp Modbus Khi điều khiển 1 Master 1 Slave chỉ cần 3 dây điện nối như hình vẽ Nếu điều khiển nhiều Slave…phải dùng cáp PROFIBUS và bộ chia…

Bước 2: Cách khai báo

CHÚ Ý: Modbus master chỉ có thể giao tiếp 247 slave, với địa chỉ từ 1-247, 0 là địa chỉ BROADCAST( địa chỉ phát)

Hình 4: Cơ chế giữa Master và Slave Master và Slave có hiểu nhau

Bước 3: Phương thức truyền dữ liệu Cùng địa chỉ trên 2 CPU nhận được

Hình 5

Bước 4 Khai báo vùng nhớ trong thư viện

Để khi biên dịch không lỗi chúng ta cần khai báo vùng nhớ

Chú ý Phải cài thư viện modbus cho step7_microwin

2.Ví dụ

a.Chương trình cho master

b.Chương trình cho slave

CHƯƠNG 4 SỬ DỤNG MODBUS CHO ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

Trong khi điều khiển hiện đại tiếp tục theo đuổi mạng tiên tiến như fieldbus và mạng mắt lưới, tính đơn giản của

MODBUS và thuận tiện ứng dụng thông qua nhiều phương tiện truyền thông vẫn đảm bảo nó là một protocol công nghiệp được sử dụng rộng rãi nhất trên thế giới

1.Kết nối các thiết bị modbus

Một trong những cách đơn giản nhất để đưa thiết bị hiện trường vào một hệ thống điều khiển quá trình, PLC hay máy tính công nghiệp là kết nối I/O analog số thành hệ thống I/O phân tán mang tính năng truyền thông MODBUS Thí dụ, NCS (hệ thống kết nối mạng) của Moore Industries cho phép người sử dụng kết nối các tín hiệu analog và số từ xa (sau đó được kết nối với chủ MODBUS bằng cáp đôi xoắn) Đa hệ thống NCS có thể được lắp đặt trong nhiều vị trí toàn nhà

máy, tất cả được kết nối bằng MODBUS

Giải pháp này hoạt động trên cả máy thế hệ mới và hiện nay Trong nhiều nhà máy hiện nay, các công cụ đo hiện trường đều kết nối với DCS hay PLC qua ―home run wiring‖, tại đây, mỗi thiết bị được kết nối với từng cặp dây xoắn mang tín hiệu analog Với NCS, một trong những cặp dây xoắn có thể được sử dụng cho tín hiệu MODBUS Điều này thật sự hữu ích nếu nhà máy muốn bổ sung thêm công cụ hiện trường nhưng không muốn nối thêm dây (chi phí lắp đặt 100 đôla cho mỗi foot) Một hệ thống I/O phân tán có thể cung cấp tất cả các I/O hiện có hoặc nó có thể được sử dụng chỉ để gửi dữ liệu từ tất cả các dụng cụ hiện trường thế hệ mới

Trong một số trường hợp, hệ thống điều khiển không có khả năng xử lí một tín hiệu MODBUS Có thể là do hệ thống điều khiển thừa kế quen với việc xử lí I/O analog 4-20mA và I/O số nối trực tiếp, lập trình hệ thống thế hệ cũ để cung cấp dữ liệu MODBUS sẽ trở nên khó khăn Thông thường, người sử dụng mong muốn bổ sung tín hiệu từ xa mới vào hệ thống của họ mà không phải nối dây hay mua card giao diện MODBUS đắt đỏ đòi hỏi tái lập trình sâu hơn Trong trường hợp

đó, giải pháp peer – to – peer là hoàn hảo nhất Thí dụ: CCS (hệ thống tập trung cáp) và NCS của Moore Industries đều

có tính năng truyền thông peer – to – peer

NCS và CCS đều tương tự một module I/O, nhưng có một bộ phận thu thập thông tin bên trong và có thể được thiết lập trong cấu hình peer-to-peer và peer-to-host

Với hệ thống NCS peer-to-peer (hình 6 ), hai bộ tập trung được sử dụng: một trong hiện trường và một trong phòng điều khiển Công cụ hiện trường kết nối với NCS - thiết bị kết nối với phòng điều khiển NCS bằng một kết nối cặp dây xoắn đơn Đầu ra từ phòng điều khiển NCS được nối với panel I/O analog hiện có của hệ thống điều khiển Bằng cách này, tín hiệu analog từ bộ truyền hiện trường thế hệ mới có thể được quan sát theo trạng thái analog gốc thông qua card I/O

analog hiện tại của nhà máy Điều này làm cho việc lập trình và đưa tín hiệu mới vào hoạt động trở nên bớt khó khăn hơn việc lập trình card giao diện số mới Giải pháp peer-to-peer có thể cung cấp truyền thông hai chiều trong dó cả hai chiều của hệ thống có thể có cả đầu vào và đầu ra

Hình 6: Kết nối peer-to-peer

Trong một số trường hợp, hệ thống điều khiển không thể xử lí tín hiệu MODBUS, giải pháp peer-to-peer với hai hệ thống NCS sẽ thay thế tất cả nối dây home run với 1 cáp MODBUS đơn Đầu ra analog từ phòng điều khiển NCS được nối trực tiếp với card I/O của hệ thống host

2.HART và MODBUS

Một bài toán đối với các nhà máy thừa kế là tìm ra một giải pháp rẻ và có tiện lợi để giành được ưu thế của thiết bị thông minh HART được lắp đặt HART là từ viết tắt của Highway Addressable Remote Transducer (bộ chuyển đổi từ xa có địa chỉ tốc độ cao) HART là một protocol số được thiết kế cho phép bộ truyền truyền dữ liệu số đồng thời và một tín hiệu analog qua nhà máy truyền thống với cặp dây xoắn bằng đồng Điều này cũng cho phép người sử dụng cấu hình, truy vấn và chẩn đoán bộ truyền tại chỗ hay từ xa với bất cứ điểm nào trên cặp dây xoắn Thiết bị tớ HART có thể được nối dây trong cấu hình point-to-point hay cấu hình multi-drop Đối với cấu hình point-to-point, bộ truyền HART chuyển đổi dòng điện trên vòng lặp analog để biểu diễn biến thiên quá trình đòi hỏi Trong khi dữ liệu HART số có thể được giám sát thì đối với cấu hình point-to-point, điều này hiếm khi xẩy ra Khi bộ truyền điều khiển dòng điện, nó cũng có khả năng gửi nhiều thông tin qua dòng dữ liệu HART Cả dữ liệu biến thiên quá trình và số đều có thể được truyền bởi thiết bị tớ HART hay qua bộ truyền riêng Dữ liệu có thể được sử dụng để giám sát tình trạng công cụ hay có thể được sử dụng bởi hệ thống điều khiển quá trình hay hệ thống quản lí thiết bị để giám sát quá trình, hỗ trợ cung cấp điều khiển chặt chẽ hơn, chống trục trặc không mong muốn Trong một số trường hợp, các nhà máy có thể sử dụng hàng trăm công cụ có HART Nhưng thật đáng tiếc là nhiều nhà máy đã không khai thác hết tính năng của HART

Trong công tác quản lí thiết bị ngày nay, chẩn đoán từ xa và điều khiển tiên tiến, nhiều nhà máy muốn lọc thông tin số đó, nhưng hệ thống điều khiển và kết nối dây hiện nay không thể cung cấp chức năng này Hệ thống điều khiển có thể không được thiết lập hay có khả năng lọc dữ liệu từ vòng lặp analog Một công cu HART có thể gửi tới 4 sự biến thiên quá trình thông qua tín hiệu HART: PV (biến thiên cơ sở), SV (biến thiên thứ cấp), TV (biến thiên thứ 3), FV (biến thiên thứ 4)

Ngoài ra, có nhiều bit và byte dữ liệu trạng thái có thể được chuyển đổi Tuy nhiên, nếu hệ thống điều khiển không thể đọc dữ liệu biến thiên quá trình bổ sung hay bất kỳ chẩn đoán và thông tin về trạng thái khác từ tín hiệu HART số, dữ liệu

sẽ trở thành ―thứ bỏ đi‖

Khách hàng chắc chắn sẽ có nhiều sự lựa chọn để thu thập dữ liệu này, thậm chí trong các nhà máy thừa kế và ―trưởng thành’ Một số công ty DCS đưa ra card I/O analog nâng cấp mới có khả năng làm mất dữ liệu HART này Tuy nhiên, những card này thường đắt gấp 3 đến 5 lần so với các card analog truyền thống Thêm nữa, có thiết bị đa hợp được lắp trên vòng lặp analog mang các đầu ra RS422 và RS485 giám sát hệ thống quản lí hay DCSes Lại nữa, thiết bị đa hợp này có thể có giá quá cao Một cách khác, sử dụng một bộ chuyển đổi HART giống như HIM của Moore Industries, là một cách hiệu quả và cho phép giám sát linh hoạt một số hay nhiều vòng lặp với chi phí hợp lí

Hình 7 Module giao diện HART (HIM) lọc dữ liệu từ tín hiệu HART và lưu trữ trong bộ nhớ MODBUS, do đó bất kì thiết bị chủ nào cũng có thể đọc dữ liệu Tín hiệu 4-20mA gốc vẫn được nối dây với hệ thống điều khiển như trước đây Với một module giao diện HART hỗ trợ truyền thông MODBUS RTU, mọi dữ liệu HART có thể được chuyển tới hệ thống điều khiển đơn giản mà hiệu quả (hình6) HIM là thiết bị thông minh hoạt động như thiết bị chủ HART trên ở mặt trước và