BÁO cáo môn h c ọ TRUYỀN số LIỆ ạ u và m NG PLC đề tài tìm HIỂ ề ạ u v m NG MODBUS và PROFIBUS

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT VÀ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO -   - BÁO CÁO MÔN HỌC TRUYỀN SỐ LIỆU VÀ MẠNG PLC ĐỀ TÀI: “TÌM HIỂU VỀ MẠNG MODBUS VÀ PROFIBUS” GVHD: Thầy Tạ Văn Phương SVTH: Đỗ Thế Anh 0 16151001 Mục lục MẠNG PROFIBUS 1.1 Tổng quan mạng Profibus 1.2 Đặc điểm mạng Profibus 1.3 Kết nối thiết bị mạng Profibus 1.4 Thiết lập địa cho thiết bị mạng Profibus ( Master and Slave ) 1.5 Các kiểu trao đổi liệu Master Slave mạng Profibus 1.6 Cấu trúc khung liệu mạng Profibus 1.7 Các thiết bị làm Master Slave mạng Profibus 1.8 Các module tín hiệu sử dụng mạng Profibus 1.9 Ứng dụng mạng Profibus 11 1.9.1 Kết nối hệ thống 11 1.9.2 Đặt địa cho tham số biến tần 12 1.9.3 Cài đặt tham số cho biến tần 12 1.9.4 Chương trình điều khiển biến tần qua Profibus ( bao gồm chức : Start , Stop , thay đổi tốc độ cho biến tần , đọc tham số tốc độ từ biến tần ) 13 MẠNG MODBUS 16 2.1 Tổng quan mạng Modbus 16 2.2 Đặc điểm mạng Modbus 18 2.3 Kết nối thiết bị mạng Modbus 19 2.4 Thiết lập địa cho thiết bị mạng Modbus ( Slave Master ) 21 2.5 Các kiểu trao đổi liệu Master Slave mạng Modbus 26 2.6 Cấu trúc khung liệu mạng Modbus 26 2.7 Các thiết bị làm Master Slave mạng Modbus 27 2.8 Các module tín hiệu sử dụng mạng Modbus 27 2.9 Ứng dụng mạng Modbus 28 2.9.1 Kết nối hệ thống 28 2.9.2 Đặt địa cho tham số biến tần 28 2.9.3 Cài đặt tham số cho biến tần ( tham số động , tham số truyền thông qua mạng ) 28 2.9.4 Chương trình điều khiển biến tần qua mạng Modbus ( Start , Stop , thay đổi tốc độ cho biến tần , đọc tham số tốc độ từ biến tần ) 29 0 MẠNG PROFIBUS 1.1 Tổng quan mạng Profibus - PROFIBUS (Process Field Bus) chuẩn cho truyền thông fieldbus kỹ thuật tự động hóa phát triển lần đầu vào năm 1989 BMBF (phòng giáo dục nghiên cứu Đức) sau sử dụng Siemens Trong sản xuất, ứng dụng tự động hóa q trình cơng nghiệp tự động hóa tịa nhà, mạng trường nối tiếp (serial fieldbus) hoạt động hệ thống truyền thông, trao đổi thông tin hệ thống tự động hóa thiết bị trường phân tán Chuẩn cho phép thiết bị nhiều nhà cung cấp khác giao tiếp với mà không cần điều chỉnh giao diện đặc biệt - Họ PROFIBUS có kiểu giao thức là: PROFIBUS DP, PA, FMS PROFIBUS-DP sử dụng rộng rãi + PROFIBUS DP bus cấp thiết bị hỗ trợ tín hiệu tương tự tín hiệu phân tán PROFIBUS DP sử dụng rộng rãi cho đối tượng hệ thống I/O, điều khiển động biến tần Profibus DP truyền thông với tốc độ từ 9,6 Kbp -12 Mbp phạm vi từ 100-1200m Nó PROFIBUS hoạt động giao diện RS485 chuẩn bổ sung số đặc điểm để phù hợp với ứng dụng trình đọc/ghi liệu q trình khơng theo chu kì, truyền trạng thái thiết bị, cấp nguồn bus an toàn nội PROFIBUS DP thiết kế để truyền liệu tốc độ cao cấp thiết bị Trong trường hợp này, điều khiển trung tâm (PLC, PC) giao tiếp với thiết bị trường phân tán chúng (I/O, drive, van…) qua liên kết nối tiếp tốc độ cao Hầu hết trình truyền liệu với thiết bị phân tán thực theo chu kì + PROFIBUS PA fieldbus có chức tồn diện thường sử dụng cho thiết bị cấp trình PROFIBUS PA truyền thông với tốc độ 31,25 Kbp với phạm vi tối đa 1.900m/phân đoạn Chuẩn thiết kế cho ứng dụng Intrinsically Safe + PROFIBUS FMS bus điều khiển sử dụng để giao tiếp DCS hệ thống PLC - Cấu trúc liên kết mạng: Cấu trúc tuyến (bus) , Cấu trúc mạch vịng (ring) , Cấu trúc hình (star) - Phương thức truyền thông: DP: đồng đẳng (peer-to-peer), multicast hay master-slave theo chu kì (sử dụng kỹ thuật token passing) PA: khách/chủ (client/server), Publisher/subscriber, kiện (event) 0 - - (http://www.dia.uniroma3.it/autom/Reti_e_Sistemi_Automazione/PDF/Profibus%20Te chnical%20Overview.pdf ) ( Page 5,6 / 36 ) ( https://vi.wikipedia.org/wiki/Profibus ) 1.2 Đặc điểm mạng Profibus PROFIBUS sử dụng phương tiện truyền tin xoắn đôi RS485 chuẩn công nghiệp ứng dụng sản xuất IEC 1158-2 điều khiển q trình PROFIBUS sử dụng Ethernet/TCP-IP PROFIBUS mạng Fieldbus thiết kế để giao tiếp máy tính PLC Dựa nguyên tắc token bus không đồng chế độ thời gian thực, PROFIBUS xác định mối quan hệ truyền thông nhiều master master-slave, với khả truy cập theo chu kì khơng theo chu kì, tốc độ truyền tối đa lên tới 500 kbit/s (trong số ứng dụng lên tới 1,5Mbp hay 12Mbp) Khoảng cách bus tối đa không dùng lặp (repeater) 200m dùng lặp khoảng cách tối đa đạt 800m Số điểm (node) tối đa khơng có lặp 32 127 có lặp (http://www.dia.uniroma3.it/autom/Reti_e_Sistemi_Automazione/PDF/Profibus%20Te chnical%20Overview.pdf ) ( Page 5,6,7/ 36 ) 1.3 Kết nối thiết bị mạng Profibus 0 Hình 1.3a : Kết nối thiết bị qua mạng Profibus ( https://www.auser.fi/wpcontent/uploads/IKPI_2009_Profibus.pdf?fbclid=IwAR1NwjUN5o0ZwPA5zFfOoE_TI9W3FrepnMHne1pi1_-sYNUTURYm57mwoY ) ( Page 5/234 ) 0 Hình 1.3b : Kết nối thiết bị qua Profibus Profibus cable 1.4 Thiết lập địa cho thiết bị mạng Profibus ( Master and Slave ) Hình 1.4a: Địa thiết bị mạng Profibus 0 • Cách cài đặt địa cho Master mạng Profibus - Đầu tiên cài đặt Station làm Master - Tiếp theo cài đặt địa cho Master • Cách cài đặt địa cho Slave mạng Profibus - Cài đặt Station làm Slave 0 - Cài đặt địa cho Slave 0 1.5 Các kiểu trao đổi liệu Master Slave mạng Profibus - Profibus DP uses two types of transmission services SRD ( Send and Request Data with acknowledge ) With SRD , data is sent and received in one telegram cycle That is, the master sends output data to the slave and receives input data from the slave in its response (if applicable) within a specified period of time The important thing to remember about this service, is that a master may send output data to a slave and request input data from the slave in its response, all in a single telegram cycle This is the transmission service most often used in ProfiBus DP that makes the data exchange very efficient for mixed I/O devices SDN ( Send Data with No acknowledge ) This service is used when a message must be sent simultaneously to a group of slaves (multi-cast), or all slaves (broadcast) Slaves not respond or acknowledge broadcast or multi-cast messages - Profibus FMS one types of transmission services SDA ( Send Data with Acknowledge ) SDA, with data sent to a master or slave and a short acknowledgement sent in response This is not used in ProfiBus DP and is not covered here ( http://www.diit.unict.it/users/scava/dispense/II/Profibus.pdf ) (Page 14 / 42) 0 1.6 Cấu trúc khung liệu mạng Profibus Hình 1.6a : Cấu trúc khung liệu mạng Profibus Hình 1.6b : Chi tiết cấu trúc khung liệu ( http://www.diit.unict.it/users/scava/dispense/II/Profibus.pdf ) ( Page 15,16 / 42 ) 1.7 Các thiết bị làm Master Slave mạng Profibus Các loại thiết bị phân loại dựa công việc mạng Profibus : DP Master Class : o Các thiết bị Master Class trao đổi liệu với trạm Slave theo chu trình định trước o Trạm DP cấp thường điều khiển trung tâm : PLC , PC module điều khiển trung tâm DP Master Class : o Chủ yếu máy lập trình , cơng cụ đặt cấu hình vận hành , chuẩn đốn hệ thống bus o Các thiết bị dùng khởi động hệ thống để đặt cấu hình cho hệ thống DP o Ngoài chức Master Class , thiết bị cung cấp hàm đặc biệt phục vụ đặt cấu hình hệ thống , chuẩn đốn trạng thái , truyền nạp chương trình , … 0 Hình 1.9.4c : Thơng số khởi chạy biến tần 15 0 - - - - MẠNG MODBUS 2.1 Tổng quan mạng Modbus MODBUS Modicon (hiện thuộc Schneider Electric) phát triển năm 1979, phương tiện truyền thông với nhiều thiết bị thông qua cặp dây xoắn đơn Ban đầu, hoạt động RS232, sau sử dụng cho RS485 để đạt tốc độ cao hơn, khoảng cách dài hơn, mạng đa điểm (multi-drop) MODBUS nhanh chóng trở thành tiêu chuẩn thơng dụng ngành tự động hóa, Modicon cho mắt cơng chúng protocol miễn phí (https://www.halvorsen.blog/documents/technology/resources/resources/modbus/Modbu s%20Overview.pdf ) ( Page / 34 ) Modbus giao thức truyền thông lớp ứng dụng , định vị lớp thứ mơ hình OSI , cung cấp giao tiếp client/server thiết bị kết nối loại bus network khác Ngày , hỗ trợ cho cấu trúc đơn giản tao nhã Modbus tiếp tục phát triển Cộng đồng Internet truy cập Modbus cổng hệ thống dành riêng 502 TCP/IP Stack Modbus giao thức yêu cầu/ đáp ứng ( request / reply ) cung cấp dịch vụ định mã chức , mã hàm ( function code ) Mã chức Modbus thành phần Modbus request/reply PDUs ( protocol data unit – liệu giao thức ) Modbus kết nối nhiều giao thức khác : TCP/IP Ethernet Truyền nối tiếp không đồng qua nhiều phương tiện khác ( dây dẫn :EIA/TIA- 232 ,EIA – 422 , EIA/TIA – 485 ,sợi quang , radio … ) Modbus Plus , mạng truyền mã thông báo ( truyền thẻ xác thức ) tốc độ cao – a high speed token passing network 16 0 - Hình 2.1 a : Gói truyền thơng Modbus Giao thức Modbus cho phép giao tiếp dễ dàng tất loại kiến trúc mạng Mọi loại thiết bị ( PLC, HMI, Control Panel, Driver, Motion control, I/O Device ) sử dụng giao thức Modbus để bắt đầu hoạt động từ xa Giao tiếp tương tự thực đường nối tiếp mạng lưới Ethernet TCP/IP Các Gateway cho phép giao tiếp số loại bus network giao thức Modbus Hình 2.1b : Cấu trúc m ạng Modbus 17 0 ( http://www.modbus.org/docs/Modbus_Application_Protocol_V1_1b.pdf ) ( Page 2,3 / 51 ) - - 2.2 Đặc điểm mạng Modbus Giao thức Modbus có phương thức truyền dẫn : MODBUS Serial Line Protocol ( Truyền thông nối tiếp qua RS232 , RS485 gồm chế độ truyền RTD ASCII ) o Modbus qua giao thức truyền nối tiếp giao thức Master/Slave Giao thức diễn cấp mơ hình OSI Một hệ thống kiểu Master/Slave có nút – node ( nút – master node ) đưa lệnh rõ rang cho nút ‘ slave ’ đáp ứng trình Các nút slave thường khơng truyền liệu mà khơng có u cầu từ nút khơng giao tiếp với slave khác o Ở cấp độ vật lý , Modbus hệ thống truyền dẫn nối tiếp sử dụng giao diện vật lý khác ( RS485, RS232 ) Giao diện hai dây ( Two – wire interface ) TIA/EIA- 485 ( RS485 ) phổ biến Là tùy chọn bổ sung , giao diện RS – 485 bốn dây ( Four – wire interface ) triển khai Một giao diện nối tiếp TIA/EIA-232E ( RS – 232 ) làm giao diện, cần giao tiếp point to point khoảng ngắn MODBUS over TCP/IP Protocol ( Truyền thông qua giao thức TCP/IP qua Ethernet ) Hình 2.2 : MODBUS Protocol and ISO/OSI Model Giao thức truyền thông lớp ứng dụng Modbus , định vị cấp mơ hình OSI, cung cấp phương thức truyền thơng Server/Client thiết bị kết nối bus network Trên đường truyền nối tiếp Modbus , vai 18 0 trò máy khách – client role cung cấp Master bus nối tiếp nút Slaves đóng vai trị máy chủ ( http://www.modbus.org/docs/Modbus_over_serial_line_V1_02.pdf ) ( Page 5/ 44) - - - - - Dựa giao thức kết nối , Modbus chia làm loại sử dụng rộng rãi công nghiệp : Modbus ASCII Modbus RTU ( Remote Terminal Unit ) o Modbus RTD use RS – 485 or RS – 232 Modbus TCP/IP o Modbus TCP uses Ethernet Modbus ASCII sử dụng ngôn ngữ ASCII giao thức giao tiếp Modbus RTU : Sử dụng liệu kiểu nhị phân giao thức giao tiếp Giao thức giao tiếp Modbus RTU sử dụng RS – 485 , RS – 232 Giao tiếp Modbus RTU yêu cầu phải biết xác định tỉ lệ baud, định dạng kí tư, slave ID , …Chỉ cần chi tiết không phù hợp không kết nối Modbus TCP/IP : Modbus TCP/IP tn theo mơ hình mạng OSI dử dụng mạng Ethernet thơng thường Để sử dụng Modbus TCP/IP cần phải xác định địa IP mạng Modbus TCP/IP sử dụng Port định dạng 502 Modbus TCP/IP sử dụng thuật ngữ ( Server / Client ) thay ( Master/ Slave ) Khác biệt Modbus RTU Modbus TCP/IP Modbus TCP chạy lớp vật lý Ethernet Modbus RTU giao thức nối tiếp (https://www.halvorsen.blog/documents/technology/resources/resources/modbus/Modbu s%20Overview.pdf ) ( Page 15, 16, 17/ 34 ) 2.3 Kết nối thiết bị mạng Modbus Kết nối thiết bị qua phương thức truyền dẫn : MODBUS Serial Line Protocol Two – wire MODBUS Definition ( Kết nối dây theo tiêu chuẩn EIA/TIA – 485 ) 19 0 Do dây thứ thực chất dây nối chung ( common ) nên lại dây Optional Four – Wire MODBUS Definition Khả tương thích Two – Wire Four – Wire 20 0 - Kết thiết bị qua phương thức truyền dẫn : MODBUS over TCP/IP Protocol Các thiết bị kết nối cable Lan ( http://www.modbus.org/docs/Modbus_over_serial_line_V1_02.pdf ) ( Page 22, 23, 25/ 44) 2.4 Thiết lập địa cho thiết bị mạng Modbus ( Slave Master ) MBUS Control : Khởi tạo Modbus MS Hình 2.4 a: MBUS_CONTROL FUNCTION 21 0 Hình 2.4 b: Data type of MBUS_CONTROL FUNCTION Các tham số hàm khởi tạo Modbus : o EN : Cho phép truyền nhận o Mode : Chọn lựa giao tiếp truyền thông cho cổng giao tiếp PLC + Mode = : Chuẩn PPI + Mode = : Chuẩn Modbus o Baud : Tốc độ truyền thông o Parity : Kiểm tra chẵn lẻ o Timeout : Thời gian đợi đáp ứng từ Slave MBUS MSG : Truyền nhận liệu Hình 2.4 c: MBUS_MSG FUNCTION 22 0 Hình 2.4 d : Data Type of MBUS_MSG FUNCTION Các tham số hàm MBUS MSG : o o o o o o o o o EN : Cho phép hàm hoạt động First : Kích hoạt việc truyền nhận liệu Slave : Địa Slave đến 247 RW : Ngõ vào điều khiển đọc ghi liệu + RW = : Đọc liệu từ Slave Master + RW = : Ghi liệu từ Master đến Slave Addr : Địa Modbus Slave Count : Số lượng bit hay word liệu đọc hay ghi DataPtr : Con trỏ địa : Chỉ vùng nhớ V S7 – 200 Master Done : Ngõ báo hiệu việc ghi hay đọc hoàn tất Error : Byte báo lỗi trường hợp xảy lỗi 23 0 Hình 2.4 e : Error code of MBUS_CTRL & MBUS_MSG MBUS INTI : Khởi tạo modbus tạo Slave Hình 2.4 f : MBUS_INTI FUNCTION 24 0 Hình 2.4 g : Data Type of MBUS_INTI FUNCTION Các tham số hàm MBUS INTI : EN : Bắt đầu thực Mode : Chọn chế độ truyền thông Addr : Địa Slave ( từ – 247 ) Baud : Tốc độ truyền thông : Từ 1200 đến 115200 Parity : Bit kiểm tra chẵn lẻ Delay : Thời gian chờ để nhận liệu ( đến 32767ms ) MaxIQ : Số lượng ngõ vào , ngõ cho phép đọc ghi ( – 128 ) MaxAI : Số lượng analog cho phép ghi ( đến 32 ) Maxhold : Số lượng word tối đa cho phép truy xuất Slave Holdstart : Địa bắt đầu vùng nhớ V Slave cho phép Master truy xuất Hàm MBUS SLAVE : o o o o o o o o o o Hình 2.4 h: MBUS_SLAVE FUNCTION Hình 2.4 i: Data Type of MBUS_SLAVE Các tham số hàm MBUS SLAVE o MBUS_SLAVE : Được sử dụng để phục vụ yêu cầu từ modbus master o MBUS_SLAVE : Phải gọi chu trình quét chương trình 25 0 o Nếu Slave đáp ứng yêu cầu Master bit Done = 1, ngược lại Done = o Error : Được dùng để báo lỗi trường hợp có lỗi ( https://cache.industry.siemens.com/dl/files/610/109745610/att_977303/v1/s7200_SMART_system_manual_en-US.pdf?fbclid=IwAR0ByvOED3Bhx3werqkvW3rBLBEMigY8zGJObPnBchdun8QbiMkJCBMYHk ) ( Page 463 – 472 / 895 ) - 2.5 Các kiểu trao đổi liệu Master Slave mạng Modbus Có kiểu trao đổi liệu Master Slave : Master Slave ( dành cho Modbus RTU ASCII) o Unicast Mode : Master trao đổi liệu với Slave o Broadcast Mode : Master trao đổi với nhiều Slave lúc ( http://www.modbus.org/docs/Modbus_over_serial_line_V1_02.pdf ) ( Page7 /44 ) Server Client ( dành cho Modbus TCP/IP) (https://www.halvorsen.blog/documents/technology/resources/resources/modbus/Mo dbus%20Overview.pdf ) ( Page 17 / 34) - - 2.6 Cấu trúc khung liệu mạng Modbus The MODBUS application protocol [1] defines a simple Protocol Data Unit (PDU) independent of the underlying communication layers : Hình 2.6 a : Modbus Protocol Data Unit The mapping of MODBUS protocol on a specific bus or network introduces some additional fields on the Protocol Data Unit The client that initiates a MODBUS transaction builds the MODBUS PDU, and then adds fields in order to build the appropriate communication PDU 26 0 - - - Hình 2.6 b : Modbus Frame over Serial Line On MODBUS Serial Line, the Address field only contains the slave address As described in the previous section the valid slave nodes addresses are in the range of – 247 decimal The individual slave devices are assigned addresses in the range of – 247 A master addresses a slave by placing the slave address in the address field of the message When the slave returns its response, it places its own address in the response address field to let the master know which slave is responding The function code indicates to the server what kind of action to perform The function code can be followed by a data field that contains request and response parameters Error checking field is the result of a "Redundancy Checking" calculation that is performed on the message contents Two kinds of calculation methods are used depending on the transmission mode that is being used (RTU or ASCII) ( http://www.modbus.org/docs/Modbus_over_serial_line_V1_02.pdf ) ( Page /44 ) 2.7 Các thiết bị làm Master Slave mạng Modbus Thiết bị làm Master mạng Modbus : PLC , PC , Driver, HMI … Thiết bị làm Slave mạng Modbus : Các module I/O , Device … 2.8 Các module tín hiệu sử dụng mạng Modbus Một số module tín hiệu : Industrial 1-Port RS422/485 Modbus Gateway Hình 2.8 a : Modbus Gateway IMG-110T 27 0 Hình 2.8 b : Modbus Gateway IMG – 110T connection ( https://www.planet.com.tw/storage/products/48988/EM-IMG-110T_v1.02.pdf ) ( Page 1,8 / 70 ) Bộ chuyển đổi Modbus R-KEY-LT Hình 2.8 c : Sử dụng chuyển đổi Modbus R-KEY-LT ( https://www.seneca.it/products/r-key-lt/doc/user_manualEN ) Page ( / 27) 2.9 Ứng dụng mạng Modbus Ứng dụng : Điều khiển giám sát ổn định tốc độ động qua mạng Modbus 2.9.1 Kết nối hệ thống 2.9.2 Đặt địa cho tham số biến tần 2.9.3 Cài đặt tham số cho biến tần ( tham số động , tham số truyền thông qua mạng ) 28 0 2.9.4 Chương trình điều khiển biến tần qua mạng Modbus ( Start , Stop , thay đổi tốc độ cho biến tần , đọc tham số tốc độ từ biến tần ) 29 0 ... C? ?c thiết bị d? ?ng khởi đ? ?ng h? ?? th? ?ng để đặt c? ? ?u h? ?nh cho h? ?? th? ?ng DP o Ng? ??i ch? ?c Master Class , thiết bị cung c? ??p h? ?m đ? ?c biệt ph? ?c v? ?? đặt c? ? ?u h? ?nh h? ?? th? ?ng , chuẩn đốn tr? ?ng thái , truyền nạp... định trư? ?c o Tr? ?m DP c? ??p thư? ?ng đi? ?u khiển trung t? ?m : PLC , PC module đi? ?u khiển trung t? ?m DP Master Class : o Chủ y? ?u m? ?y lập trình , c? ?ng c? ?? đặt c? ? ?u h? ?nh v? ??n h? ?nh , chuẩn đoán h? ?? th? ?ng bus... PLC Dựa nguyên t? ?c token bus kh? ?ng đ? ?ng chế độ thời gian th? ?c, PROFIBUS x? ?c định m? ??i quan h? ?? truyền th? ?ng nhi? ?u master master-slave, v? ??i khả truy c? ??p theo chu kì kh? ?ng theo chu kì, t? ?c độ truyền