Vai Vai trò trò ccủủa m a mạạng truy ng truyềền thông công nghi n thông công nghiệệ p p
Vào đầu thế kỷ 20, các hệ thống điều khiển quá trình và hệ thống sản xuất được phát triển dựa trên nền tảng công nghệ cơ khí và các thiết bị xử lý bằng tín hiệu tương tự Sự tiến bộ này đã mở ra nhiều cơ hội mới cho ngành công nghiệp.
Công nghệ điều khiển khí nén và thủy lực đã được đưa vào sử dụng rộng rãi sau thời kỳ phát triển Công nghệ này giúp điều khiển hệ thống một cách hiệu quả thông qua hệ thống điều khiển trung tâm Hiện nay, những kỹ thuật công nghệ này vẫn còn rất phổ biến.
Sự phát triển phổ biến của các giải pháp tự động hóa trong hệ thống truyền thông số đã tạo ra kết quả tổng hợp quan trọng trong kỹ thuật vi điện tử, máy tính và thông tin Mạng truyền thông công nghiệp (MCN) là khái niệm chỉ các hệ thống truyền thông số, cho phép truyền tải dữ liệu để kết nối các thiết bị công nghiệp Các hệ thống này hiện nay cho phép liên kết mạng ở nhiều mức độ khác nhau, từ cảm biến, cơ cấu chấp hành đến máy tính điều khiển và giám sát, hỗ trợ quản lý và điều hành trong các doanh nghiệp.
Ghép nối và trao đổi thông tin là một trong những vấn đề cơ bản trong bất kỳ giải pháp tự động hóa nào Một bộ điều khiển cần được ghép nối với các cảm biến và cơ cấu chấp hành Giữa các bộ điều khiển trong một hệ thống điều khiển phân tán, cần trao đổi thông tin để phối hợp thực hiện điều khiển toàn bộ quá trình sản xuất Ở một cấp cao hơn, các trạm vận hành trong trung tâm điều khiển cũng cần được ghép nối và giao tiếp với các bộ điều khiển để có thể theo dõi, giám sát toàn bộ quá trình sản xuất và hệ thống điều khiển.
Hình 1.1 N Hình 1.1 N ố ố i dây truy i dây truy ề ề n thông (a) và n n thông (a) và n ố ố i m i m ạạ ng công nghi ng công nghi ệệ p (b) p (b)
Sử dụng mạng truyền thông công nghiệp, đặc biệt là bus trường, để thay thế các phương thức kết nối điểm cổ điển giữa các thiết bị công nghiệp mang lại nhiều lợi ích Các lợi ích này bao gồm khả năng truyền tải dữ liệu nhanh chóng, giảm thiểu chi phí lắp đặt và bảo trì, cũng như tăng cường tính linh hoạt trong việc mở rộng hệ thống.
Đơn giản hóa cấu trúc liên kết giữa các thiết bị công nghiệp là một quá trình quan trọng Nhiều loại thiết bị khác nhau được kết nối với nhau thông qua một đường truyền duy nhất, giúp tối ưu hóa hiệu suất và giảm thiểu sự phức tạp trong hệ thống Việc này không chỉ nâng cao tính linh hoạt mà còn cải thiện khả năng quản lý và bảo trì thiết bị.
Thiết kế hệ thống dây nối và công nghệ lắp đặt đơn giản giúp dễ dàng hơn trong việc thi công Cấu trúc đơn giản của hệ thống này cho phép thay thế một số lượng lớn cáp truyền bằng một đường duy nhất, từ đó giảm chi phí đáng kể cho nguyên vật liệu và công lắp đặt.
Nâng cao độ tin cậy và chính xác của thông tin là điều cần thiết Khi sử dụng phương pháp truyền tín hiệu tương tự cổ điển, tác động của nhiễu có thể dễ dàng làm thay đổi nội dung thông tin, điều mà các thiết bị không có khả năng nhận biết.
Nhờ vào kỹ thuật truyền thông số, thông tin được truyền đi không chỉ khó bị sai lệch hơn mà còn giúp các thiết bị mạng có khả năng tự phát hiện và chẩn đoán lỗi nếu có Hơn nữa, việc giảm thiểu các lần chuyển đổi qua lại giữa số và số tương tự nâng cao độ chính xác của thông tin.
Nâng cao tính linh hoạt và khả năng mở rộng của hệ thống mạng chung chuẩn hóa quốc tế tạo điều kiện thuận lợi cho việc sử dụng các thiết bị của nhiều hãng khác nhau Việc thay thế, nâng cấp và mở rộng phạm vi chức năng của hệ thống cũng trở nên dễ dàng hơn Khả năng tương tác giữa các thành phần (phần cứng và phần mềm) được nâng cao nhờ các giao diện chuẩn.
Đơn giản hóa quy trình tham số hóa và chẩn đoán thiết bị giúp cải thiện khả năng tự chẩn đoán và giao tiếp giữa các thiết bị Các thiết bị có thể trao đổi dữ liệu trạng thái, cảnh báo và thông tin chẩn đoán qua một đường truyền duy nhất, tạo điều kiện thuận lợi cho việc giám sát từ xa Việc cấu hình hệ thống, lập trình và điều chỉnh thiết bị có thể thực hiện từ xa thông qua một trạm kỹ thuật trung tâm, nâng cao hiệu quả hoạt động và khả năng phản hồi nhanh chóng trong quá trình vận hành.
MM mở ra nhiều chức năng và khả năng ứng dụng trong hệ thống: Sử dụng mạng truyền thông công nghệ thông tin cho phép áp dụng các kiến trúc điều khiển mới như điều khiển phân tán với các thiết bị thị trường Điều này bao gồm việc giám sát hoặc chẩn đoán lỗi từ xa qua internet, tích hợp thông tin của hệ thống điều khiển và giám sát, cũng như thông tin điều hành sản xuất và quản lý công ty.
Mạng truyền thông công nghiệp đã thay đổi tư duy về thiết kế và tích hợp hệ thống Ưu thế của giải pháp này không chỉ nằm ở phương diện kỹ thuật mà còn ở hiệu quả kinh tế Chính vì vậy, ứng dụng của nó ngày càng phổ biến trong hầu hết các lĩnh vực công nghiệp, như điều khiển quá trình, tự động hóa xí nghiệp, và điều khiển giao thông.
Trong quá trình điều khiển, các hệ thống bus trường đã dần thay thế các mạch dòng tương tự Trong các hệ thống tự động hóa, đặc biệt là tự động hóa tòa nhà, một số lượng lớn các phần tử trung gian được bỏ qua nhờ vào các bus ghép nối trực tiếp các thiết bị cảm biến và chấp hành Tóm lại, sử dụng mạng truyền thông công nghiệp là không thể thiếu trong việc tích hợp các hệ thống tự động hóa hiện đại.
C
Hình 1.2 C Hình 1.2 C ấ ấ u trúc t u trúc t ổ ổ ng quan c ng quan c ủủ a m a m ạạ ng truy ng truy ề ề n thông công nghi n thông công nghi ệệ p p
Bus trườ ườ ng, bus thing, bus thiếết bt bịị
Bus trường (fieldbus) là một khái niệm chung được sử dụng trong các ngành công nghiệp chế biến, nhằm chỉ các hệ thống bus nối tiếp, sử dụng kỹ thuật truyền thông số để kết nối các thiết bị thuộc cấp điều khiển (PC, PLC) với nhau và với các thiết bị tại các cấp hành, hay các thiết bị trường Các chức năng chính của cấp hành là đo lường, truyền động và chuyển đổi tín hiệu trong trường hợp các thiết bị Các thiết bị có khả năng nối mạng bao gồm các vào/ra phân tán (distributed I/O), các thiết bị đo lường (sensor, transducer, transmitter) hoặc cơ cấu chấp hành (actuator, valve) có tích hợp khả năng xử lý truyền thông Một số kiểu bus trường chỉ thích hợp cho những ứng dụng nhất định.
TÌM HIỂ TÌM HIỂU CÁC M U CÁC MẠ ẠNG TRUY NG TRUYỀ ỀN THÔNG C N THÔNG CỦ ỦA SIEMENS A SIEMENS 6
Truyềền n thông thông Modbus Modbus RTU RTU
2.1 Truyềền thông Modbus RTUn thông Modbus RTU
Modbus là mộột giao tht giao thứức do hãng Modicon (sau này thuc do hãng Modicon (sau này thuộộc AEG và Schneiderc AEG và Schneider Automation) phát tri
Modbus là một giao thức truyền thông quan trọng trong tự động hóa, được phát triển theo mô hình ISO/OSI Giao thức này thực chất là một chuẩn giao tiếp, cho phép các thiết bị kết nối và trao đổi thông tin một cách hiệu quả Nhờ vào tính linh hoạt, Modbus có thể được triển khai trên nhiều nền tảng khác nhau như TCP/IP, MAP (Manufacturing Message Protocol) và Modbus Plus, giúp tối ưu hóa quy trình truyền dữ liệu trong các hệ thống tự động hóa.
Modbus Plus và ngay cảả qua qua đườ đườ ng truyng truyềền nn nốối tii tiếế p RS-232, RS-485 p RS-232, RS-485.
Giao thứức Modbus RTU là mc Modbus RTU là mộột giao tht giao thứức c mmở ở , , ssửử ddụng đườ ụng đườ ng truyng truyềền n vvậật lýt lý RS-232 ho
RS-232 và RS-485 là hai giao thức truyền thông phổ biến, trong đó RS-485 thường được sử dụng trong mô hình Master-Slave Giao thức này được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như Hệ thống Quản lý Tòa nhà (BMS), tự động hóa, công nghiệp và điện lực Việc hiểu rõ về RS-232 và RS-485 giúp nâng cao hiệu quả trong các ứng dụng công nghệ hiện đại.
2.1.1 Chuẩẩn vn vậật lýt lý Giao th
Giao thức Modbus RTU là một giao thức truyền thông phổ biến trong mô hình OSI, được sử dụng để kết nối các thiết bị trong hệ thống tự động hóa Modbus RTU cho phép truyền dữ liệu hiệu quả giữa các thiết bị, đảm bảo tính chính xác và độ tin cậy cao trong việc trao đổi thông tin.
OSI và Modbus RTU là giao thức hoạt động ở lớp ứng dụng (Application Layer), nhưng cần có lớp vật lý (Physical Layer) phía dưới để kết nối với các thiết bị khác Đường truyền vật lý tiêu chuẩn RS-232 và RS-485 được sử dụng cho giao thức này RS-232 là một trong những chuẩn truyền dẫn phổ biến.
RS-232 là một chuẩn giao tiếp truyền dữ liệu nối tiếp, cho phép các thiết bị trao đổi thông tin một cách hiệu quả.
❖ Đặc tính điệĐặc tính điện hn họọcc RS-232 s
RS-232 là một phương thức truyền thông không đồng bộ, sử dụng tín hiệu điện áp chênh lệch giữa hai dây dẫn Điện áp được sử dụng dao động trong khoảng từ -15V đến 15V Khoảng từ 3V đến 15V biểu thị giá trị logic 0, trong khi khoảng từ -15V đến -3V tương ứng với giá trị logic 1, như thể hiện trong Hình 2.1.
Hình 2.1 Qui đị Hình 2.1 Qui đị nh tr nh tr ạạ ng thái logic c ng thái logic c ủủ a tín hi a tín hi ệệ u RS-232 u RS-232
Tín hiệu điện tử thường có phạm vi giá trị xác định, trong đó các thay đổi từ 0 lên 1 hoặc từ 1 xuống 0 phải diễn ra trong khoảng thời gian hợp lý Ví dụ, tiêu chuẩn DIN 66259 phần 2 quy định rằng độ dốc của một tín hiệu phải đạt ít nhất 6V/ms hoặc 3% nhịp xung, tùy thuộc vào giá trị nhỏ hơn Điều này dẫn đến việc cần phải hạn chế điện dung của các thiết bị tham gia và đường truyền để đảm bảo tín hiệu được truyền tải chính xác.
Tốc độ truyền dẫn dữ liệu phụ thuộc vào chiều dài dây dẫn, với hầu hết các hệ thống hiện nay chỉ hỗ trợ tốc độ 19.2kBd cho chiều dài dây từ 30-50m Gần đây, sự tiến bộ trong vi mạch đã góp phần nâng cao tốc độ của các modem lên nhiều lần so với mức 19.2kBd trước đây.
B ảả ng 2.1 Tóm t ng 2.1 Tóm t ắ ắ t các thông s t các thông s ố ố quan tr quan tr ọọ ng c ng c ủủ a RS-232 a RS-232
Thông số điện áp đầu vào tối thiểu và tối đa cho mạch là 25V Điện áp đầu ra khi không có tải nằm trong khoảng từ 5V đến 15V Khi có tải, điện trở R_L cần nằm trong khoảng từ 3kΩ đến 7kΩ để đảm bảo hiệu suất hoạt động của mạch.
Tr ở ở kháng đầkháng đầu ra khi cu ra khi cắắt ngut nguồồnn -2V-2V ≤ ≤ VOVO ≤ ≤ 2V2V 300300ΩΩ
Dòng ra ngắắn mn mạạch ch 500mA500mA Điệ Điện dung tn dung tảải i 2500pF2500pF
Tr ở ở kháng đầkháng đầu vàou vào 3V3V ≤ ≤ VIVI ≤ ≤ 25V25V 3k 3k ΩΩ 7k 7k ΩΩ Ngưỡ
Ngưỡ ng cho giá tr ng cho giá tr ịị logic logic 0 0 3V3V Ngưỡ
Ngưỡ ng cho giá tr ng cho giá tr ịị logic logic 1 1 -3V-3V
❖ Giao diGiao diện cơ họện cơ họcc
Hình 2.2 Đầ Hình 2.2 Đầ u n u n ố ố i DB-9 i DB-9
Hình 2.3 Hình 2.3 Đầ Đầ u n u n ố ố i DB-25 i DB-25
Chuẩn EIA/TIA-232F quy định ba loại giao tiếp RS-232, bao gồm DB-9 với chín chân, DB-25 với 25 chân, và ALT-A với 26 chân.
DB-25 (25 chân) và ALT-A (26 chân) là hai loại đầu nối phổ biến, trong khi DB-9 cũng được chuẩn hóa theo EIA/TIA-574 Các chân quan trọng của các đầu nối này được mô tả chi tiết dưới đây.
− RxD (RxD ( Receive Data) Receive Data)::Đườ Đườ ng nhng nhậận dn dữữ li liệệu.u.
− TxD (TxD (Transmit Data)Transmit Data):: Đườ Đườ ng gng gửửi di dữữ li liệệu.u.
Chân DTR (Data Terminal Ready) thường ở trạng thái ON khi thiết bị đầu cuối sẵn sàng thiết lập kênh truyền thông Khi DTR ở trạng thái ON, thiết bị DCE của nó cho phép chế độ “tự trả lời”, chấp nhận lệnh gọi không yêu cầu Ngược lại, chân DTR ở trạng thái OFF chỉ khi thiết bị đầu cuối không muốn DCE chấp nhận lệnh gọi từ xa, chuyển sang chế độ cụ động.
− DSR (DSR ( Data S Data Set Ready, et Ready, DCE ReadyDCE Ready): C): Cảả hai modem chuy hai modem chuyểển n mmạạch DSR sangch DSR sang
ON khi mộộtt đườ đườ ng truyng truyềền thôngn thông đđãã đượ đượ c thic thiếết lt lậậ p gi p giữữa hai bên.a hai bên.
Chân DCD (Data Carrier Detect) được sử dụng để kiểm soát quá trình truyền nhận dữ liệu Khi tín hiệu DCD là OFF, điều này cho thấy rằng không có đối tác nào đang hoạt động, dẫn đến việc không thể gửi dữ liệu (chân RTS) và yêu cầu kiểm soát đường truyền Ngược lại, khi tín hiệu DCD là ON, điều này chỉ ra rằng đối tác đã gửi tín hiệu RTS, cho phép quyền kiểm soát đường truyền dữ liệu.
RTS (Request To Send) là một phương thức kiểm soát luồng dữ liệu, giúp quản lý việc truyền tải thông tin Khi một thiết bị cần gửi dữ liệu, nó sẽ kích hoạt tín hiệu RTS để thông báo cho modem của nó Tín hiệu này cũng được chuyển tiếp đến modem xa, đảm bảo quá trình truyền tải diễn ra suôn sẻ.
Khi CTS (Clear To Send) được chuyển sang trạng thái ON, điều này thông báo rằng modem đã sẵn sàng nhận dữ liệu từ trạm Tín hiệu này giúp kiểm soát đường truyền điện thoại cho việc truyền tải dữ liệu một cách hiệu quả.
− RI RI (( Ring Ring Indicator Indicator ): Khi modem nh): Khi modem nhậậnn đượ đượ c c mmộột t llờ ờ i i ggọọi, i, mmạạch RI chuych RI chuyểểnn ON/OFF m
Truyềền n thông thông Profibus Profibus 18 18
Phần gin giắc cắm DB9 đã được trình bày chi tiết ở phần Giao diện cơ học của RS232.
2.2 Truyềền thông Profibusn thông Profibus
PROFIBUS (Process Field Bus) là m
PROFIBUS (Process Field Bus) là một hệ thống bus trường được phát triển tại Đức từ năm 1987, nhờ sự hợp tác của 21 công ty và cơ quan nghiên cứu Sau khi được chuẩn hóa quốc gia với DIN 19245, PROFIBUS đã trở thành tiêu chuẩn châu Âu EN 50.
Vào năm 1996, tiêu chuẩn PROFIBUS được phát triển và đã được chuẩn hóa theo tiêu chuẩn quốc tế IEC 61158 vào cuối năm 1999 Sự ra đời của PROFIBUS đã góp phần quan trọng trong việc cải thiện hiệu suất và tính linh hoạt của các hệ thống tự động hóa công nghiệp.
PROFIBUS được công nhận trong tiêu chuẩn IEC 61784 và đã phát triển mạnh mẽ trong thời gian gần đây Không chỉ là một hệ thống truyền thông truyền thống, PROFIBUS còn được xem như một công nghệ tự động hóa tiên tiến.
PROFIBUS kết nối các bộ điều khiển và hệ thống điều khiển phân tán, bao gồm cả cảm biến và thiết bị thực thi, cùng với bộ truyền động Nó hoạt động ở cấp fieldbus và cho phép trao đổi dữ liệu nhất quán với các hệ thống truyền thông cao hơn.
2.2.1 Chuẩẩn vn vậật lýt lý a) a) TruyTruyề ề n d n d ẫ ẫ n vn vớ ớ i RS-485:i RS-485:
Chuẩn PROFIBUS theo IEC 61158 quy định các đặc tính điện học và cơ học của giao diện RS-485, cũng như môi trường truyền thông Dựa trên các tiêu chuẩn này, các ứng dụng có thể lựa chọn các thông số thích hợp Các đặc tính điện học bao gồm:
− TTốc độốc độ truy truyềền thông tn thông từừ 9,6 kbit/s đế9,6 kbit/s đến 12 Mbit/s.n 12 Mbit/s.
Cấu trúc đường truyền thường thấy bao gồm đường trục và đường nhánh (trunk-line/drop-line) hoặc cấu trúc daisy-chain Trong đó, tốc độ truyền dữ liệu có thể đạt từ 1,5 Mbit/s trở lên, tùy thuộc vào yêu cầu cụ thể của hệ thống Cấu trúc daisy-chain là một lựa chọn phổ biến cho các mạng lưới kết nối.
Cáp truyền dữ liệu được sử dụng là cáp xoắn đôi có bảo vệ (STP) Hiện nay, các chuyên gia khuyến cáo nên sử dụng cáp loại A.i để đảm bảo hiệu suất truyền tải tốt nhất.
Trong thiết kế hệ thống điện, việc áp dụng phương pháp điều chỉnh an toàn (fail-safe biasing) là rất quan trọng Phương pháp này đảm bảo rằng các thiết bị điện hoạt động một cách đáng tin cậy, ngay cả khi gặp sự cố Việc sử dụng các điện trở trong quá trình này giúp duy trì tính ổn định và an toàn cho hệ thống, giảm thiểu rủi ro và tăng cường hiệu suất hoạt động.
Chiều dài tối đa của một đoạn mạng truyền có thể dao động từ 100m đến 1200m, phụ thuộc vào tốc độ truyền dữ liệu Mối quan hệ giữa tốc độ truyền và chiều dài tối đa của đoạn mạng được tóm tắt trong bảng 2.4.
Số lượng tối đa các trạm trong mỗi mạng là 32, với khả năng sử dụng tối đa 9 bộ lặp tức 10 đoạn mạng Tổng số trạm tối đa trong một mạng lên đến 126.
− ChChếế độđộ truy truyềền tn tải không đồải không đồng bng bộộ và hai chi và hai chiều không đồều không đồng thng thờ ờ i.i.
− Phương pháp mã hóa bit NRZ.Phương pháp mã hóa bit NRZ
B ảả ng 2.4 Chi ng 2.4 Chi ề ề u dài t u dài t ối đa củ ối đa củ a m a m ột đoạ ột đoạ n m n m ạạ ng PROFIBUS (cáp STP lo ng PROFIBUS (cáp STP lo ạạ i A) i A)
Tốc độốc độ (kbit/s) (kbit/s)
Giao diện cơ học cho các bộ nối loại D-sub 9 chân được sử dụng phổ biến nhất trong các cấp bảo vệ IP20 Trong trường hợp yêu cầu cấp bảo vệ cao hơn như IP65/67, có thể sử dụng các loại khác phù hợp với nhu cầu.
− BBộộ n nốối tròn M12 theo chui tròn M12 theo chuẩẩn IEC 947-5-2.n IEC 947-5-2.
− BBộộ n nốối Han-Brid theo khuyi Han-Brid theo khuyếến cáo cn cáo củủa DENISA.a DENISA.
Bộ điều khiển Hybrid HAN-BRID của Siemens cho phép truyền dữ liệu qua cáp quang và cung cấp điện áp 24V cho các thiết bị ngoại vi thông qua cáp đồng.
− ĐầĐầu nu nốối M12 cho RS 485 -ci M12 cho RS 485 -cấấ p b p bảảo vo vệệ IP 65/67 s IP 65/67 sơ ơ đồđồ chân: 1: VP, 2: chân: 1: VP, 2:
RxD/TxD-N, 3: DGND, 4: RxD/TxD, 5: vRxD/TxD-N, 3: DGND, 4: RxD/TxD, 5: vỏỏ b bọọc.c.
Đầu nối Han-Brid kiểu Cu-Fo được sử dụng để truyền dữ liệu qua cáp quang và cung cấp điện áp 24V cho các ngoại vi Ngoài ra, đầu nối này cũng có kiểu Cu-Cu.
Đầu nuôi Siemens-Hybrid cung cấp điện áp 24 V và truyền dữ liệu PROFIBUS qua cáp đồng, đảm bảo kết nối ổn định cho các thiết bị Thiết bị này được bảo vệ với tiêu chuẩn IP 65, giúp chống bụi và nước hiệu quả.
Hình 2.12 Đầ Đầ u n u n ố ố i ki i ki ể ể u Siemens-Hibrid u Siemens-Hibrid
Truyềền n thông thông Profinet Profinet 30 30
Quang có chức năng cách ly và bypass, giúp tách một trạm ra khỏi mạng trong trường hợp có sự cố xảy ra.
Cáp truy Cáp truyềền thông Profibusn thông Profibus
Hình 2.17 Cáp truy ề ề n thông Profibus n thông Profibus
Cáp Profibus được thiết kế với hai lõi cáp đồng trục, bao gồm ba lớp bảo vệ: lớp lưới nhôm chống nhiễu, lớp lá nhôm bảo vệ và lớp PE chống nước.
2.3 Truyềền thông Profinetn thông Profinet
Profinet, viết tắt của Process Field Net, là một tiêu chuẩn kỹ thuật công nghiệp được sử dụng để truyền dữ liệu qua Ethernet Dựa trên nền tảng Ethernet, Profinet sử dụng chuẩn TCP/IP và tích hợp các giao thức đặc biệt nhằm tối ưu hóa hiệu suất và thời gian thực Hệ thống này cho phép tích hợp các hệ thống Fieldbus như Profibus, DeviceNet và Interbus mà không làm thay đổi thiết bị hiện có.
2.3.1 Chuẩẩn vn vậật lýt lý a) a) C C ấ ấ u trúc mu trúc mạạng và k ng và k ỹ ỹ thu thuậật truyt truyề ề n d n d ẫ ẫ nn Profinet r
Profinet rất linh hoạt trong việc thiết lập cấu trúc hệ thống mạng Tuy nhiên, cấu trúc mạng thường được thiết lập với 4 kiểu thông dụng như: Line, Star, Ring, Tree và Wireless.
Profinet sử dụng hai loại cáp thông dụng nhất, mỗi loại có những đặc tính riêng biệt Các đặc tính này được trình bày chi tiết trong bảng 2.9.
B ảả ng 2.9 M ng 2.9 M ộộ t s t s ố ố lo lo ạạ i cáp truy i cáp truy ề ề n Profinet thông d n Profinet thông d ụụ ng ng
Tên hi Tên hiệệu u LoLoạại i cáp cáp ChiChiều dài đoạều dài đoạn tn tối đaối đa 100BASE-TX
100BASE-TX Đôi dây xoắĐôi dây xoắn hn hạạng ng 5 5 100 100 mm
100BASE-FX 100BASE-FX Cáp Cáp quang quang 2000 2000 mm
100BASE-TX sử dụng hai dây xoắn đôi loại 5, có khả năng truyền dữ liệu ở tần số 125MHz và cao hơn Phương pháp mã hóa 4B5B được áp dụng, biến khung MAC thành các tổ hợp 5 bit trên đường truyền Trong số 32 tổ hợp, chỉ có 16 tổ hợp biểu diễn dữ liệu, trong khi các tổ hợp còn lại được dùng cho điều khiển và tín hiệu Việc nối dây có thể thông qua bộ chia hoặc bộ chuyển mạch; bộ chuyển mạch có chi phí cao hơn nhưng nâng cao hiệu suất của hệ thống Loại 100BASE-FX cũng cho phép truyền hai chiều toàn phần, sử dụng hai sợi quang, là giải pháp lý tưởng cho các ứng dụng yêu cầu khoảng cách truyền lớn và khả năng kháng nhiễu cao.
Truy Truyềền thông Profinet sn thông Profinet sửử d dụụng cng cổổng RJ45 làm giao ding RJ45 làm giao diện cơ họện cơ học.c.
Hình 2.18 C Hình 2.18 C ổ ổ ng RJ45 ng RJ45
Dây m Dây mạạng RJ45ng RJ45 có ccó cấấu tu tạạo chung là 8 dây nho chung là 8 dây nhỏỏ v vớ ớ i 4 ci 4 cặp màu như sau:ặp màu như sau:
− Cam / Cam tr Cam / Cam tr ắắngng
− Xanh lá / Xanh lá tr Xanh lá / Xanh lá tr ắắngng
− Xanh dương / Xanh dương trắXanh dương / Xanh dương trắngng
− Nâu/ Nâu tr Nâu/ Nâu tr ắắngng
2.3.2 Giao Giao ththứ ứ cc a) a) C C ấ ấ u trúc bu trúc bứ ứ ccđ đ iiệệnn
IEEE 802.3/Ethernet quy định các tiêu chuẩn liên quan đến lớp MAC và lớp vật lý, trong đó, một đơn vị dữ liệu được gọi là khung MAC Cấu trúc của một khung MAC được minh họa rõ ràng trong hình 2.19.
Hình 2.19 C Hình 2.19 C ấ ấ u trúc khung MAC theo IEEE 802.3 u trúc khung MAC theo IEEE 802.3
Khung MAC bắt đầu với 56 bit xen kẽ 0 và 1, trong đó 7 byte đầu tiên có giá trị 55H Đối với mã Manchester, tín hiệu sẽ có dạng tuần hoàn, được sử dụng để đồng bộ hóa giữa bên gửi và bên nhận Việc đồng bộ hóa chỉ thực hiện một lần cho cả hai bên Ở tốc độ truyền 10 Mbit/s, khoảng thời gian đồng bộ hóa là 5,6 μs Tiếp theo là một byte SFD (Start of Frame Delimiter) chứa dãy bit 10101011.
Khung MAC chứa dãy bít mở và dãy bít múng ra, với byte SFD không thực sự thuộc vào khung MAC Việc đánh dấu các dãy bít này là rất quan trọng để xác định cấu trúc của khung dữ liệu trong mạng.
Theo tiêu chuẩn 802.3, địa chỉ đích và địa chỉ nguồn có thể là 2 hoặc 6 byte Tuy nhiên, chuẩn quy định cho việc truyền dữ liệu cơ sở ở tốc độ 10 Mbit/s (10BASE-X) chỉ sử dụng địa chỉ 6 byte Bit cao nhất trong địa chỉ đích có giá trị 0 cho các địa chỉ thông thường và giá trị 1 cho các địa chỉ nhóm Điều này áp dụng cho các thông báo gửi đến tất cả các trạm (broadcast).
(broadcast), tấất ct cảả các bit trong các bit trong địđịa cha chỉỉ đđích sích sẽẽ là 1 là 1. b) b) Truy nhTruy nhậậ p bus p bus M
Một vấn đề lớn trong việc sử dụng Ethernet ở cấp trường học là phương pháp truy nhập bus ngẫu nhiên CSMA/CD và sự ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ thống Trong đó, một trong những yếu tố quyết định đến hiệu suất của hệ thống là thuật toán tính thời gian chờ truy nhập lại cho các trạm trong trường hợp xảy ra xung đột.
Thời gian lan truyền tín hiệu trong mạng được gọi là khe thời gian, giá trị này được tính cho khoảng cách 2,5 km và băng thông là 512 kbps, tương đương với 51,2 μs Khi xảy ra xung độ đầu tiên, mỗi trạm sẽ chọn ngẫu nhiên 0 hoặc 1 trong khe thời gian chờ trước khi gửi liệu Nếu hai trạm ngẫu nhiên chọn một khoảng thời gian giống nhau, số khe thời gian lựa chọn sẽ là 0, 1, 2 hoặc 3 Sau lần xung độ thứ hai, số khe thời gian chọn ngẫu nhiên nằm trong khoảng từ 0 đến 2 - 1 Tuy nhiên, sau mười lần xung độ, số khe thời gian sẽ được giữ lại ở con số 1023 Sau 16 lần xung độ liên tiếp, các trạm sẽ coi là lỗi hệ thống và báo trở lại lên lớp giao thức phía trên.
The Binary Exponential Backoff (BEB) algorithm is a well-known method used in network protocols It is particularly significant in the context of TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol), which is essential for data transmission over the internet BEB helps manage network congestion by adjusting the timing of retransmissions, ensuring efficient communication in various network conditions.
TCP/IP (Giao thức điều khiển truyền tải/Giao thức Internet) là kết quả nghiên cứu và phát triển giao thức truyền thông trong mạng chuyển mạch gói, được phát triển từ Arpanet do ARPA (Cơ quan Dự án Nghiên cứu Tiên tiến) thực hiện.
Arpanet là một dự án của ARPA (Cơ quan Dự án Nghiên cứu Tiên tiến) thuộc Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ, được tài trợ để phát triển mạng lưới truyền thông Khái niệm TCP/IP được sử dụng để chỉ cả một tập hợp giao thức và dịch vụ truyền thông đã được công nhận là chuẩn cho Internet Đến nay, TCP/IP đã xâm nhập vào rất nhiều lĩnh vực ứng dụng khác nhau, bao gồm các mạng máy tính cục bộ và mạng truyền thông công nghệ.
PLC PLC S7-1200 S7-1200 và và các các giao giao th thứức truy c truyềền n thông thông 35 35
3.1 PLC S7-1200 và các giao thứ ứ c truyc truyềền thôngn thông
3.1.1 Giớ ớ i thii thiệệu PLC S7-1214Cu PLC S7-1214C PLC S7-1200 là b
PLC S7-1200 là bộ điều khiển linh hoạt và mạnh mẽ, giúp kiểm soát nhiều loại thiết bị hỗ trợ cho nhu cầu tự động hóa của bạn Với thiết kế nhỏ gọn, cấu hình linh hoạt và bộ hướng dẫn mạnh mẽ, S7-1200 trở thành giải pháp hoàn hảo để kiểm soát ứng dụng.
CPU là bộ phận quan trọng trong hệ thống điều khiển, bao gồm bộ vi xử lý, bộ nhớ và các cổng vào ra Nó được tích hợp sẵn trong một khối nhỏ gọn, cho phép kết nối với các giao thức như PROFINET và các cổng vào analog Sau khi tải chương trình, CPU thực hiện các logic để kiểm soát và giám sát thiết bị theo yêu cầu của người điều khiển CPU đọc giá trị đầu vào và thay đổi giá trị đầu ra dựa trên logic trong chương trình, có thể thực hiện các phép toán cơ bản, PID, bộ đếm, thời gian, và giao tiếp với các thiết bị thông minh khác.
S7-1214 sở hữu nhiều tính năng bảo mật giúp bảo vệ quyền truy cập vào cả CPU và chương trình điều khiển Tất cả các CPU đều cung cấp tính năng bảo mật bằng mật khẩu, ngăn chặn truy cập trái phép vào PLC Đặc biệt, tính năng "know-how protection" giúp bảo vệ các block đặc biệt của người dùng Ngoài ra, S7-1214 còn hỗ trợ cổng PROFINET, cho phép kết nối qua Ethernet và TCP/IP.
TCP/IP Ngoài ra còn có thểể dùng các module truy dùng các module truyềền thôngn thông mmở ở r r ộộng ng k k ếết t nnốối i bbằằngng RS485 ho
Phần mềm Step7 Basic được sử dụng để lập trình cho S7-1214, hỗ trợ ba ngôn ngữ lập trình FBD, LAD và SCL Phần mềm này được tích hợp trong TIA Portal của Siemens.
Hình 3.1 Hình dáng bên ngoài S7-1214 và các mo Hình 3.1 Hình dáng bên ngoài S7-1214 và các module m dule m ở ở r r ộộ ng ng
Thông s Thông sốố k k ỹỹ thu thuậật:t:
B ảả ng 3.1 Thông s ng 3.1 Thông s ố ố k k ỹ ỹ thu thu ậậ t CPU S7-1200 1214C t CPU S7-1200 1214C
Kích thướ c vc vậật lýt lý
B Bộộ nh nhớ ớ ngườ ngườ ii dùng dùng
Bộộ nh nhớ ớ làm vi làm việệcc
Bộộ nh nhớ ớ gigiữữ l lạạii
Vào ra tích tích hhợ ợ p p trên trên CPU CPU
S Sốố 14 đầ14 đầu vàou vào
Tương tự 2 đầ2 đầu vàou vào Vùng
Vùng nh nhớ ớ ảảnhnh vào ra vào ra Đầ Đầu u vào vào 1024 1024 bytesbytes Đầ Đầu rau ra 1024 bytes1024 bytes
Vùng nhớ ớ bit bit M M 8192 8192 bytesbytes M
Mở ở r r ộộng moduleng module vào ra vào ra 88
M Mạạch tín hich tín hiệệu,u, mmạạch pin, mch pin, mạạchch truy truyềền thôngn thông
Th Thẻẻ nh nhớ ớ ThThẻẻ nh nhớ ớ SIMATIC SIMATIC
Module truyềền thông RS485/422n thông RS485/422
Để điều khiển tốc độ biến tần V20 Siemens, có hai phương pháp chính Thực tế, việc thiết lập và điều chỉnh biến tần trong hệ thống là rất quan trọng để đảm bảo hoạt động hiệu quả Các phương pháp này giúp tối ưu hóa hiệu suất và tiết kiệm năng lượng trong quá trình vận hành.
− Dùng tín hiDùng tín hiệu analog khi đó sẽệu analog khi đó sẽ c cầần thêm module analog cn thêm module analog củủa PLC.a PLC.
− Dùng module truyDùng module truyền thông điềền thông điều khiu khiểển bin biếến tn tầần qua Modbus.n qua Modbus.
Do giá thành module analog cao hơn module truyề
Giá thành của module truyền thông RS485 thường cao hơn so với module analog Tuy nhiên, khi sử dụng module RS485, việc truyền tải thông tin trở nên thuận tiện hơn và có khả năng mở rộng nhiều hơn so với module analog.
Hình 3.2 Module CM 1241 (RS422/485) Hình 3.2 Module CM 1241 (RS422/485)
Thông s Thông sốố k k ỹỹ thu thuậật module CM 1241 (RS422/485):t module CM 1241 (RS422/485):
− ĐiệĐiện áp ngun áp nguồồn cn cấấ p: 24 V DC p: 24 V DC
− Nhi Nhiệt độệt độ ho hoạt độạt động tng tối đa: 60°Cối đa: 60°C
− Nhi Nhiệt độệt độ ho hoạt độạt động tng tốối thii thiểểu: -20°Cu: -20°C
− Công suCông suấất tiêu tht tiêu thụụ: 1,1W: 1,1W
Giao thứức truyc truyềền thông: Modbus, 3964 (R), Freeportn thông: Modbus, 3964 (R), Freeport 3.1.2 Truy
3.1.2 Truyềền thông Modbus S7-1200 vn thông Modbus S7-1200 vớ ớ i mi mộột st sốố thi thiếết bt bịị trườ trườ ngng a) a) Bi Biế ế n t n t ầần V20n V20 – – Siemens Siemens Ngày
Ngày nay, máy công cụ ngày càng phổ biến trong hoạt động sản xuất tại các nhà máy Phần lớn các máy này đòi hỏi giải pháp truyền động đơn giản, tin cậy, tiết kiệm năng lượng và giá thành rẻ Siemens đã giới thiệu dòng sản phẩm SINAMICS V20, đáp ứng nhu cầu này.
SINAMICS V20, dòng biếến tn tầần cn căăn bn bảản nhn nhằằmm đ đápáp ứ ứng yêu cng yêu cầầu trên.u trên.
Biếến n ttầần SINAMICS V20 có kích thn SINAMICS V20 có kích thướ ước c nhnhỏ ỏ ggọ ọn n vvớ ới i ttầầm công sum công suấất t ttừ ừ 0.12kW
0.12kW đế đến 15kW hn 15kW hỗ ỗ tr tr ợ ợ đ điiệện n llướ ưới 1 pha 220V và 3 pha 380V Giao tii 1 pha 220V và 3 pha 380V Giao tiếế p p vvớ ớii ng ng ườ ườ i i ss ử ử dd ụ ụ ng ng mm ộ ộ t cách thân thit cách thân thi ệệ n, n, dd ễễ dàng vdàng v ớ ớ i màn hình tích hi màn hình tích h ợ ợ p p trên trên bibi ếế n n tt ầầ n.n. Đ Điiềều khiu khiểểnn độ động cng cơ ơ theo dtheo dạạng V/f tuyng V/f tuyếến tính và V/f bình phn tính và V/f bình phươ ương Ngoài ra bing Ngoài ra biếến tn tầầnn này còn tích h này còn tích hợ ợ p p module module truytruyềền thông theo chun thông theo chuầần USS và Modbus RTU nên dn USS và Modbus RTU nên dễễ dàng tích h dàng tích hợ ợ p vào h p vào hệệ ththố ốngng đ điiềều khiu khiểển mn mộ ột cách linh hot cách linh hoạạt.t.
Hình 3.3 H Hình 3.3 H ệệ th th ống điề ống điề u khi u khi ể ể n bi n bi ế ế n t n t ầầ n SINAMICS V20 n SINAMICS V20
T Tổng quát sơ đồổng quát sơ đồ k kếết nt nốối hi hệệ th thốống bing biếến tn tầần SINAMICS V20:n SINAMICS V20:
Hình 3.4 Hình 3.4 Sơ đồ Sơ đồ k k ế ế t n t n ố ố i h i h ệệ th th ố ố ng bi ng bi ế ế n t n t ầầ n SINAMICS V20 n SINAMICS V20
Thông sThông sốố k kỹỹ thu thuậật:t:
B ảả ng 3.2 Thông s ng 3.2 Thông s ố ố k k ỹ ỹ thu thu ậậ t bi t bi ế ế n t n t ầầ n SINAMICS V20 n SINAMICS V20
D Dải điệải điện ápn áp 1AC 230V: 1AC 200V…240V (1AC 230V: 1AC 200V…240V (-10% +10%)-10% +10%) Điện áp đầ Điện áp đầu ra lu ra lớ ớ n nhn nhấấtt 100% điện áp đầ100% điện áp đầu vàou vào D
Dảải công sui công suấấtt 1AC 230 V 0.12 … 3.0 kW (1/6 … 1AC 230 V 0.12 … 3.0 kW (1/6 … 4 hp)4 hp)
Hệệ s sốố công su công suấấtt ≥≥ 0.95 / 0.72 0.95 / 0.72 Kh
Khảả năng quá tảnăng quá tảii 150% dòng điện ra đị150% dòng điện ra định mnh mứức trong 60s, chu k c trong 60s, chu k ỳỳ 600s 600s T
Tầần sn sốố ra ra 0….500Hz độ0….500Hz độ phân gi phân giảải 0.01 Hzi 0.01 Hz
ChChếế độđộ điềđiều khiu khiểển n V/f: V/f: tuytuyến tính, bình phương, đa điểến tính, bình phương, đa điểmm
ChChếế độđộ điềđiều khiu khiểển dòng tn dòng từừ thông FCC thông FCC
Sơ đồ đấđấu dây chi tiu dây chi tiếết:t:
Hình 3.5 Hình 3.5 Sơ đồ Sơ đồ đấ đấ u dây c u dây c ủủ a SINAMICS V20 a SINAMICS V20
B ảả ng 3.3 Tên và ch ng 3.3 Tên và ch ứ ứ cc các chân điề các chân điề u khi u khi ể ể n c n c ủủ a bi a bi ế ế n t n t ầầ n SINAMICS V20 n SINAMICS V20
Ch Chức năngức năng Chân điềChân điều khiu khiểển n Mô Mô ttảả Ngu
Nguồồn n 10V 10V 10V10V Cung cCung cấấ p p đđiiệện áp ra 10V (± 5%) 11mAn áp ra 10V (± 5%) 11mA Chân Analog
Chân Analog ngõ vào ngõ vào
AI1 Kênh analog ngõ vào 1, hKênh analog ngõ vào 1, hỗỗ tr tr ợ ợ analog analog giá tr giá tr ịị -10V -10Vđếđến +10V, 0mAn +10V, 0mAđếđến 20mAn 20mA AI2
AI2 Kênh Kênh analog analog ngõ ngõ vào vào 2, 2, hhỗỗ tr tr ợ ợ analog analog giá tr giá tr ịị 0V 0Vđếđến +10V, 0mAn +10V, 0mA đếđến 20mAn 20mA Chân Analog
Chân Analog ngõ ra ngõ ra
AO1 Kênh Kênh Analog Analog ngõ ngõ ra, ra, hhỗỗ tr tr ợ ợ analog giá analog giá tr tr ịị 0mA 0mA đếđến 20mAn 20mA Chân 0V
Chân 0V 0V0V Chân 0V dùng cho kênh analog vàChân 0V dùng cho kênh analog và truytruyềền thông RS485n thông RS485
TruyTruyềền thôngn thông RS485 RS485
N- N- Chân RS485-Chân RS485- Ngõ vào s
Ngõ vào sốố DI1DI1 3 Chân Digital ngõ vào, h3 Chân Digital ngõ vào, hỗỗ tr tr ợ ợ k k ếết t nnốốii ddạạng Source và Sinkng Source và Sink
4 Hoạạtt độđộngng ở ở đđiiệện trong dãin trong dãi đđiiệện ápn áp 0V-30V
5.ĐĐiiệện áp >11V là mn áp >11V là mứức 1,c 1, đđiiệện áp
