MẠNG PROFIBUS
Tổng quan về mạng Profibus
PROFIBUS (Process Field Bus) là một chuẩn truyền thông fieldbus quan trọng trong lĩnh vực tự động hóa, được phát triển lần đầu vào năm 1989 bởi BMBF (phòng giáo dục và nghiên cứu Đức) và được Siemens áp dụng Trong sản xuất, PROFIBUS hỗ trợ các ứng dụng tự động hóa quá trình công nghiệp và tự động hóa tòa nhà, cho phép các mạng trường nối tiếp hoạt động như hệ thống truyền thông, facilitating thông tin giữa các hệ thống tự động hóa và thiết bị hiện trường phân tán Chuẩn này cũng đảm bảo khả năng giao tiếp giữa các thiết bị của nhiều nhà cung cấp khác nhau mà không cần điều chỉnh giao diện đặc biệt.
- Họ PROFIBUS có 3 kiểu giao thức là: PROFIBUS DP, PA, FMS trong đó
PROFIBUS-DP được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay.
PROFIBUS DP là bus cấp thiết bị hỗ trợ tín hiệu tương tự và tín hiệu phân tán, được sử dụng phổ biến cho hệ thống I/O, điều khiển động cơ và biến tần Với tốc độ truyền thông từ 9,6 Kbp đến 12 Mbp trong khoảng cách 100-1200m, PROFIBUS DP hoạt động trên giao diện RS485 chuẩn và được tối ưu hóa cho các ứng dụng quá trình, bao gồm đọc/ghi dữ liệu không theo chu kỳ, truyền trạng thái thiết bị, cấp nguồn trên bus và an toàn nội tại Được thiết kế để truyền dữ liệu tốc độ cao tại cấp thiết bị, PROFIBUS DP cho phép các bộ điều khiển trung tâm như PLC và PC giao tiếp hiệu quả với các thiết bị hiện trường phân tán như I/O, drive và van qua liên kết nối tiếp tốc độ cao, với quá trình truyền dữ liệu chủ yếu diễn ra theo chu kỳ.
PROFIBUS PA là một loại fieldbus đa chức năng, thường được áp dụng cho thiết bị cấp quá trình Với tốc độ truyền thông đạt 31,25 Kbps và phạm vi tối đa lên tới 1.900m cho mỗi phân đoạn, tiêu chuẩn này được thiết kế đặc biệt cho các ứng dụng an toàn nội tại (Intrinsically Safe).
+ PROFIBUS FMS là một bus điều khiển được sử dụng để giao tiếp giữa DCS và các hệ thống PLC.
- Cấu trúc liên kết mạng: Cấu trúc tuyến (bus) , Cấu trúc mạch vòng (ring) , Cấu trúc hình sao (star).
Communication methods include peer-to-peer (P2P), multicast, and cyclic master-slave configurations utilizing token passing techniques Additionally, client/server architectures, publisher/subscriber models, and event-driven interactions are also employed in various systems.
(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 )
Đặc điểm của mạng Profibus
PROFIBUS sử dụng công nghệ truyền thông xoắn đôi và tiêu chuẩn RS485 trong các ứng dụng sản xuất, hoặc theo IEC 1158-2 trong điều khiển quá trình Bên cạnh đó, PROFIBUS cũng hỗ trợ kết nối qua Ethernet/TCP-IP.
PROFIBUS là một mạng Fieldbus được phát triển nhằm mục đích giao tiếp hiệu quả giữa máy tính và PLC Nó hoạt động dựa trên nguyên tắc token bus không đồng bộ, cho phép truyền dữ liệu trong thời gian thực một cách linh hoạt và ổn định.
PROFIBUS xác định mối quan hệ truyền thông giữa nhiều master và giữa master-slave, cho phép truy cập theo chu kỳ và không theo chu kỳ Tốc độ truyền tối đa đạt 500 kbit/s, có thể lên đến 1,5 Mbps hoặc 12 Mbps trong một số ứng dụng Khoảng cách bus tối đa không sử dụng bộ lặp là 200m, trong khi với bộ lặp, khoảng cách tối đa có thể lên đến 800m Số điểm (node) tối đa là 32 nếu không có bộ lặp và 127 nếu có bộ lặp.
(http://www.dia.uniroma3.it/autom/Reti_e_Sistemi_Automazione/PDF/Profibus%20Te chnical%20Overview.pdf ) ( Page 5,6,7/ 36 )
Kết nối các thiết bị trong mạng Profibus
Hình 1.3a : Kết nố i các thiết bị qua mạng Profibus
( https://www.auser.fi/wp- content/uploads/IKPI_2009_Profibus.pdf?fbclid=IwAR1NwjUN5o0ZwPA5zFfOoE_TI9-W3FrepnMHne1pi1_-sYNUTURYm57mwoY ) ( Page 5/234 )
Hình 1.3b : Kết nố i các thiết bị qua Profibus bằng Profibus cable
Thiết lập địa chỉ cho các thiết bị trong mạng Profibus ( Master and Slave )
Hình 1.4a: Địa chỉ các thiết bị trong mạng Profibus
• Cách cài đặt địa chỉ cho Master trong mạng Profibus - Đầu tiên chúng ta cài đặt Station 1 làm Master
- Tiếp theo chúng ta cài đặt địa chỉ cho Master
• Cách cài đặt địa chỉ cho Slave trong mạng Profibus - Cài đặt Station 2 làm Slave
- Cài đặt địa chỉ cho Slave
Các kiểu trao đổi dữ liệu giữa Master và Slave trong mạng Profibus
- Profibus DP uses two types of transmission services SRD ( Send and Request Data with acknowledge )
SRD enables data transmission in a single telegram cycle, allowing the master to send output data to the slave while simultaneously receiving input data in response, if applicable This efficient service is commonly utilized in ProfiBus DP, facilitating effective data exchange for mixed I/O devices.
SDN ( Send Data with No acknowledge )
This service facilitates the simultaneous transmission of messages to either a group of slaves (multi-cast) or to all slaves (broadcast) It is important to note that slaves do not respond to or acknowledge these 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)
Cấu trúc khung dữ liệu trong mạng Profibus
Hình 1.6a : Cấ u trúc khung dữ liệ u trong mạng Profibus
Hình 1.6b : Chi tiết cấu trúc khung dữ liệu
( http://www.diit.unict.it/users/scava/dispense/II/Profibus.pdf ) ( Page 15,16 / 42 )
Các thiết bị làm Master và Slave trong mạng Profibus
Các loại thiế t bị đượ c phân loại dự a trên công việc trong mạng Profibus :
Master Class 1 là các thiết bị trao đổi dữ liệu với trạm Slave theo chu trình định trước, thường được sử dụng trong các bộ điều khiển trung tâm như PLC, PC hoặc các module của bộ điều khiển Các thiết bị này chủ yếu phục vụ cho việc lập trình, cấu hình vận hành và chẩn đoán hệ thống bus Chúng được khởi động để thiết lập cấu hình cho hệ thống DP và ngoài chức năng Master Class 1, còn cung cấp các hàm đặc biệt cho việc cấu hình hệ thống, chẩn đoán trạng thái và truyền nạp chương trình.
DP Slave : o Không có vai trò kiểm soát truy cập bus o Là các thiết bị vào, ra
(https://industrial.softing.com/uploads/softing_downloads/Softing_WhitePaper_P ROFIBUSDP_Master_EN.pdf?fbclid=IwAR37OF- sSfDeEQShZGYXj6o9USzeA8b9VH350xjhwNwu3_PzSmZC_WflbK4 ) ( Page 6 / 24 )
Hình ảnh minh họa các thiết bị Master and Slave trong mạng Profibus
Hình 1.7 : Ví dụ kế t nối các thiết bị Master và Slave t
( https://www.sbc-support.com/uploads/tx_srcproducts/26-860_ENG_Manual_ProfibusDP.pdf ) ( Page 15 / 114 )
Các module tín hiệu được sử dụng trong mạng Profibus
Các module tín hiệu được sử dụng trọng mạng Profibus bao gồm :
Profibus Module InterfaceCác module chuyển đổiCác module mở rộng : ET200 , Repeater , I/O link , OPT ( Optical Bus Terminal )
Hình 1.8a : Module mở rộng ET 200M
(https://cache.industry.siemens.com/dl/files/591/35222591/att_105793/v1/mn _pbnets_76.pdf ) ( Page 29 / 350)
Hình 1.8b: Kết nố i bộ Repeater
(https://cache.industry.siemens.com/dl/files/591/35222591/att_105793/v1/mn_pbnet s_76.pdf ) ( Page 26/ 350 )
Ứng dụng mạng Profibus
Ứng dụng : Điều khiển và giám sát ổn định tốc độ động cơ qua mạng Profibus
Hình 1.9.1: Thêm MircoMaster4 vào mạng Profibus
1.9.2 Đặ t địa chỉ cho tham số biến tần
Hình 1.9.2: Cài đặt mạng và địa chỉ cho biến tần
1.9.3 Cài đặt tham số cho biến tần
Hình 1.9.3 : Chọn Marco làm việc cho biến tần
1.9.4 Chương trình điều khiển biến tần qua Profibus ( bao gồm các chức năng : Start , Stop , thay đổi tốc độ cho biến tần , đọc tham số tốc độ từ biến tần )
Hình 1.9.4a : Chương trinh điều khiển biến tần
Hình 1.9.4b : Các Marco của biến tần
Hình 1.9.4c : Thông số khởi chạy biến tần
MẠNG MODBUS
Tổng quan về mạng Modbus
- MODBUS do Modicon (hiện nay thuộc Schneider Electric) phát triển năm
MODBUS, được giới thiệu lần đầu vào năm 1979, là một giao thức truyền thông sử dụng cặp dây xoắn đơn, ban đầu hoạt động trên RS232 và sau đó mở rộng sang RS485 để đạt tốc độ cao hơn, khoảng cách xa hơn và hỗ trợ mạng đa điểm Giao thức này nhanh chóng trở thành tiêu chuẩn phổ biến trong ngành tự động hóa, với Modicon công bố nó như một giao thức miễn phí.
(https://www.halvorsen.blog/documents/technology/resources/resources/modbus/Modbu s%20Overview.pdf ) ( Page 1 / 34 )
- Modbus là một giao thức truyền thông lớp ứng dụng , được định vị ở lớp thứ
Mô hình OSI cung cấp giao tiếp client/server giữa các thiết bị kết nối trên các loại bus hoặc mạng khác nhau Hiện nay, Modbus với cấu trúc đơn giản và tinh tế vẫn tiếp tục phát triển Cộng đồng Internet có thể truy cập Modbus qua cổng hệ thống 502 trên TCP/IP Stack.
Modbus là giao thức yêu cầu/đáp ứng, cung cấp các dịch vụ thông qua mã chức năng Mã hàm (function code) xác định các chức năng cụ thể trong giao thức này.
Modbus là các thành phần của Modbus request/reply PDUs ( protocol data unit – bộ dữ liệu giao thức )
- Modbus đang được kết nối bằng nhiều giao thức khác nhau :
TCP/IP Ethernet là một giao thức truyền thông quan trọng, cho phép kết nối qua nhiều phương tiện khác nhau như dây dẫn EIA/TIA-232, EIA-422, EIA/TIA-485, sợi quang và radio Modbus Plus là một mạng truyền thông sử dụng phương thức truyền thẻ xác thức với tốc độ cao, giúp tối ưu hóa quá trình trao đổi dữ liệu.
Hình 2.1 a : Gói truyền thông Modbus
- Giao thức Modbus cho phép giao tiếp dễ dàng trong tất cả các loại kiến trúc mạng
- Mọi loại thiết bị ( PLC, HMI, Control Panel, Driver, Motion control, I/O Device ) có thể sử dụng giao thức Modbus để bắt đầu một hoạ t độ ng từ xa
Giao tiếp có thể diễn ra qua đường nối tiếp và mạng Ethernet TCP/IP Các Gateway đóng vai trò quan trọng trong việc kết nối các loại bus hoặc mạng khác nhau thông qua giao thức Modbus.
Hình 2.1b : Cấu trúc mạng Modbus
( http://www.modbus.org/docs/Modbus_Application_Protocol_V1_1b.pdf ) ( Page 2,3 / 51 )
Đặc điểm của mạng Modbus
- Giao thức Modbus có 2 phương thức truyền dẫn :
Giao thức MODBUS Serial Line Protocol sử dụng truyền thông nối tiếp qua RS232 và RS485, bao gồm hai chế độ truyền RTD và ASCII Modbus hoạt động theo mô hình Master/Slave, diễn ra ở cấp 2 của mô hình OSI, trong đó nút chính (master node) gửi lệnh đến các nút phụ (slave nodes) và nhận phản hồi Các nút slave thường không truyền dữ liệu nếu không có yêu cầu từ nút chính và không giao tiếp với nhau Về mặt vật lý, Modbus có thể sử dụng các giao diện khác nhau như RS485 và RS232, trong đó giao diện hai dây TIA/EIA-485 (RS485) là phổ biến nhất Ngoài ra, có thể sử dụng giao diện bốn dây RS-485 và giao diện nối tiếp TIA/EIA-232E (RS-232) cho các kết nối point to point ở khoảng cách 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 Modbus, nằm ở lớp ứng dụng của mô hình OSI, cho phép truyền thông Server/Client giữa các thiết bị trên mạng và bus Trong hệ thống Modbus, Master đóng vai trò máy khách, trong khi các nút Slaves hoạt động như máy chủ, tạo nên một cấu trúc kết nối hiệu quả.
( http://www.modbus.org/docs/Modbus_over_serial_line_V1_02.pdf ) ( Page 5/ 44)
- Dựa trên giao thứ c kết nối , Modbus được chia làm 3 loại chính được sử dụng rộng rãi trong 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 dụ ng ngôn ngữ ASCII trong giao thứ c giao tiếp
Giao thức Modbus RTU sử dụng dữ liệu kiểu nhị phân qua các giao tiếp như RS-485 và RS-232 Để kết nối thành công trong Modbus RTU, cần xác định các thông số như tỷ lệ baud, định dạng ký tự và slave ID Nếu bất kỳ chi tiết nào không phù hợp, kết nối sẽ không thể thực hiện được.
Modbus TCP/IP hoạt động theo mô hình mạng OSI và có thể được triển khai trên mạng Ethernet thông thường Để sử dụng Modbus TCP/IP, việc xác định địa chỉ IP trong mạng là điều cần thiết.
Modbus TCP/IP sử dụ ng Port định dạng 502 Modbus TCP/IP sử dụ ng thuật ngữ ( Server / Client ) thay vì ( Master/ Slave )
- Khác biệt cơ bản giữa Modbus RTU và Modbus TCP/IP là Modbus TCP chạy trên lớp vật lý Ethernet còn Modbus RTU là một giao thức nối tiếp
(https://www.halvorsen.blog/documents/technology/resources/resources/modbus/Modbu s%20Overview.pdf ) ( Page 15, 16, 17/ 34 )
Kết nối các thiết bị trong mạng Modbus
- Kết nối thiết bị qua phương thức truyền dẫn : MODBUS Serial Line Protocol Two – wire MODBUS Definition ( Kết nối 2 dây theo tiêu chuẩn EIA/TIA – 485 )
Do dây thứ 3 thực chất là dây nố i chung ( common ) nên chỉ còn lại
Optional Four – Wire MODBUS Definition
Khả năng tương thích giữa Two – Wire và Four – Wire
- Kết thiết bị qua phương thức truyền dẫn : MODBUS over TCP/IP Protocol Các thiết bị kết nối bằng cable Lan
( http://www.modbus.org/docs/Modbus_over_serial_line_V1_02.pdf ) ( Page 22, 23,25/ 44)
Thiết lập các địa chỉ cho các thiết bị trong mạng Modbus ( Slave và Master )
MBUS Control : Khởi tạo Modbus tại MS
Hình 2.4 b: Data type of MBUS_CONTROL FUNCTION
Các tham số của hàm khởi tạo Modbus : o EN : Cho phép truyền nhận o Mode : Chọn lự a giao tiếp truyền thông cho cổ ng giao tiếp PLC
+ Mode = 1 : Chuẩn Modbus o Baud : Tốc độ truyền thông o Parity : Kiể m tra chẵn lẻ o Timeout : Thời gian đợ i đáp ứng từ Slave MBUS MSG : Truyền nhận dữ liệu
Hình 2.4 d : Data Type of MBUS_MSG FUNCTION
Các tham số của hàm MBUS MSG bao gồm: EN, cho phép hàm hoạt động; First, kích hoạt việc truyền nhận dữ liệu; Slave, địa chỉ của Slave từ 1 đến 247; và RW, ngõ vào điều khiển việc đọc và ghi dữ liệu.
+ RW = 0 : Đọ c dữ liệ u từ Slave về Master
Để ghi dữ liệu từ Master đến Slave trong hệ thống Modbus, cần xác định địa chỉ Modbus trong Slave (Addr), số lượng bit hoặc word dữ liệu cần đọc hoặc ghi (Count), và con trỏ địa chỉ vùng nhớ tại Master (DataPtr) Sau khi quá trình ghi hoặc đọc hoàn tất, ngõ ra Done sẽ báo hiệu, trong khi byte Error sẽ hiển thị mã lỗi nếu có sự cố xảy ra.
Hình 2.4 e : Error code of MBUS_CTRL & MBUS_MSG
MBUS INTI : Khởi tạo modbus tạo Slave
Hình 2.4 g : Data Type of MBUS_INTI FUNCTION
Các tham số hàm MBUS INTI bao gồm: EN để bắt đầu thực hiện, Mode để chọn chế độ truyền thông, Addr là địa chỉ của Slave (từ 1 – 247), Baud cho tốc độ truyền thông (từ 1200 đến 115200), Parity là bit kiểm tra chẵn lẻ, Delay là thời gian chờ để nhận dữ liệu (0 đến 32767ms), MaxIQ là số lượng ngõ vào và ngõ ra cho phép đọc ghi (0 – 128), MaxAI là số lượng analog cho phép ghi (0 đến 32), Maxhold là số lượng word tối đa cho phép truy xuất trong Slave, và Holdstart là địa chỉ bắt đầu của vùng nhớ V trong Slave cho phép Master truy xuất.
Hình 2.4 i: Data Type of MBUS_SLAVE
Hàm MBUS_SLAVE được sử dụng để phục vụ yêu cầu từ Modbus Master và phải được gọi trong mỗi chu trình quét của chương trình Nếu Slave đáp ứng yêu cầu của Master, bit Done sẽ được đặt thành 1; ngược lại, Done sẽ là 0 Tham số Error được sử dụng để báo lỗi trong trường hợp có sự cố xảy ra.
( https://cache.industry.siemens.com/dl/files/610/109745610/att_977303/v1/s7-
200_SMART_system_manual_en-US.pdf?fbclid=IwAR0ByvOED-
3Bhx3werqkvW3rBLBEMigY8zGJObPnBchdun8QbiMkJCBMYHk ) ( Page 463 – 472 / 895 )
Các kiểu trao đổi dữ liệu giữa Master và Slave trong mạng Modbus
There are two types of data exchange between Master and Slave devices: Unicast Mode, where the Master communicates with a single Slave, and Broadcast Mode, where the Master simultaneously exchanges data with multiple Slaves.
( http://www.modbus.org/docs/Modbus_over_serial_line_V1_02.pdf ) ( Page7 /44 )
Server và Client ( dành cho Modbus TCP/IP)
(https://www.halvorsen.blog/documents/technology/resources/resources/modbus/Mo dbus%20Overview.pdf ) ( Page 17 / 34)
Cấu trúc khung dữ liệu trong 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 the MODBUS protocol onto a specific bus or network adds extra fields to the Protocol Data Unit (PDU) The client initiating a MODBUS transaction constructs the MODBUS PDU and subsequently incorporates additional fields to create the suitable communication PDU.
Hình 2.6 b : Modbus Frame over Serial Line
- On MODBUS Serial Line, the Address field only contains the slave address.
Valid slave node addresses range from 0 to 247 in decimal, with individual slave devices assigned addresses from 1 to 247 A master communicates with a slave by including the slave's address in the message's address field In response, the slave indicates its identity by placing its own address in the response address field, allowing the master to identify which slave is replying.
- 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.
The error checking field is derived from a "Redundancy Checking" calculation applied to the message contents This calculation utilizes two different methods based on the transmission mode in use, either RTU or ASCII.
( http://www.modbus.org/docs/Modbus_over_serial_line_V1_02.pdf ) ( Page 8 /44 )
Các thiết bị làm Master và Slave trong mạng Modbus
Thiết bị làm Master trong mạng Modbus : PLC , PC , Driver, HMI …Thiết bị làm Slave trong mạng Modbus : Các module I/O , Device …
Các module tín hiệu được sử dụng trong mạng Modbus
Một số module tín hiệu :
Industrial 1-Port RS422/485 Modbus Gateway
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 dụ ng bộ chuyển đổi Modbus R-KEY-LT
( https://www.seneca.it/products/r-key-lt/doc/user_manualEN ) Page ( 6 / 27)
Ứng dụng mạng Modbus
Ứng dụ ng : Điều khiển và giám sát ổn định tốc độ động cơ qua mạng Modbus
2.9.2 Đặt địa chỉ cho tham số biến tần
2.9.3 Cài đặt tham số cho biến tần ( tham số động cơ , tham số truyền thông qua mạng )
