TỔNG QUAN VỀ GIAO THỨC MODBUS

TĐH1.K10 SCADA & DCS TĐH1.K10 SCADA & DCS LỜI NÓI ĐẦU Modbus giao thức truyền thông protocol phổ biến sử dụng cho nhiều ứng dụng Modbus có ưu điểm: đơn giản, rẻ, phổ biến dễ sử dụng Được phát minh từ năm 1979 Các nhà cung cấp thiết bị đo thiết bị tự động hóa cơng nghiệp tiếp tục hỗ trợ modbus hệ sản phẩm Mặc dù thiết bị tự động hóa PLC, biến tần, cảm biến đo lường… có kết nối khơng dây, Ethernet công nghiệp hay fieldbus… Modbus protocol nhiều hãng tự động hóa lựa chọn cho sản phẩm Một ưu điểm khác Modbus sử dụng nhiều kiểu kết nối kiểu dây xoắn, không dây, sợi quang, Ethernet, moden điện thoại… TĐH1.K10 SCADA & DCS CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ GIAO THỨC MODBUS Giới thiệu mạng truyền thông modbus 1.1 Các hệ thống truyền thông cơng nghiệp Hình 1.1: hệ thống truyền thơng cơng nghiệp 1.2 Biểu đồ thống kê mạng truyền thông cơng nghiệp Hình 1.2: biểu đồ thống kê mạng truyền thông TĐH1.K10 SCADA & DCS 1.3 Ứng dụng modbus lĩnh vực tự động hóa Modbus giao thức truyền thông protocol phổ biến sử dụng cho nhiều ứng dụng Modbus có ưu điểm: đơn giản, rẻ, phổ biến dễ sử dụng Được phát minh từ năm 1979 Các nhà cung cấp thiết bị đo thiết bị tự động hóa cơng nghiệp tiếp tục hỗ trợ modbus hệ sản phẩm Mặc dù thiết bị tự động hóa PLC, biến tần, cảm biến đo lường… có kết nối không dây, Ethernet công nghiệp hay fieldbus… Modbus protocol nhiều hãng tự động hóa lựa chọn cho sản phẩm Một ưu điểm khác Modbus sử dụng nhiều kiểu kết nối kiểu dây xoắn, không dây, sợi quang, Ethernet, moden điện thoại… Modbus modicon phát triển năm 1979, phương tiện truyền thông với nhiều thiết bị thông qua cặp dây xoắn đơn Ban đâu, Modbus hoạt động dựa tảng RS232, sau sử dụng cho RS485 công nghiệp để đạt tốc độ cao hơn, khoảng cách xa mạng đa điểm( multi-drop) Modbus trở thành tiêu chuẩn thơng dụng ngành tự động hóa giao thức Protocol miễn phí Modbus hệ thống hoạt động với Master- Slaver với sơ đồ điển hình hình TĐH1.K10 SCADA & DCS Hình 1.3: hệ thống Modbus - Master kết nối với nhiều Slaver - Master thường PLC, DCS, PC - Slaver thường thiết bị trường biến tần,cảm biến - Master kết nối với 247 Slaver + Các giao thức truyền thơng modbus phổ thơng : Có giao thức truyền thông modbus phổ biến sử dụng nhiều • • • Modbus ASCII Modbus RTU Modbus TCP/IP + Tất message gửi format Sự khác loại giao thức modbus cách thức message mã hóa Hình 1.4 modbus ASCII Với modbus ASCII, message mã hóa theo hexa, sử dụng đặc tính ASCII bit Đối với byte thơng tin, cần có byte truyền thơng, gấp đối so với modbus RTU Modbus TCP/IP Tuy mosbus ASCII chậm số loại protocol, lại thích hợp kết nối moden điện thoại hay kết nối sử dụng sóng radio ASCII sử dụng tính phân định message Do tính phân định này, rắc rối phương tiện truyền dẫn không làm thiết bị nhận sai thông tin Hình 1.5 Modbus RTU TĐH1.K10 SCADA & DCS Với modbus RTU liệu mã hóa theo hệ nhị phân, cần byte truyền thông cho byte liệu Đây thiết bị lý tưởng RS232 RS485 với tốc độ baud từ 1200 đến 115200 Tốc độ phổ biến 9600 đến 19200 baud Modbus RTU protocol công nghiệp sử dụng nhiều hệ thống mạng truyền thơng modbus Hình 1.6 Modbus TCP/IP Modbus TCP/IP đơn giản chuẩn oodbus truyền oodbu qua giao thức Ethernet Thay sử dụng Master cho việc kết nối với Slaver địa IP sử dụng Với oodbus TCP/IP, liệu oodbus tóm lược đơn giản gói TCP/IP CHƯƠNG GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ PHẦN MỀM TIA – PORTAL VÀ BỘ ĐIỀU KHIỂN PLC S7 - 1200 2.1 Giới thiệu chung PLC S7-1200 * Khái niệm chung PLC s7-1200 Năm 2009, Siemens dòng sản phẩm S7-1200 dùng để thay dần cho S7-200 So với S7-200 S7-1200 có tính trội: + S7-1200 dòng điều khiển logic lập trình (PLC) kiểm sốt nhiều ứng dụng tự động hóa Thiết kế nhỏ gọn, chi phí thấp, tập lệnh mạnh làm cho có giải pháp hồn hảo cho ứng dụng sử dụng với S7-1200 TĐH1.K10 SCADA & DCS + S7-1200 bao gồm microprocessor, nguồn cung cấp tích hợp sẵn, đầu vào/ra (DI/DO) Một số tính bảo mật giúp bảo vệ quyền truy cập vào CPU chương trình điều khiển: + Tất CPU cung cấp bảo vệ password chống truy cập vào PLC + Tính “know-how protection” để bảo vệ block đặc biệt S7-1200 cung cấp cổng PROFINET, hỗ trợ chuẩn Ethernet TCP/IP Ngồi bạn dùng module truyền thong mở rộng kết nối RS485 RS232 + Phần mềm dùng để lập trình cho S7-1200 Step7 Basic Step7 Basic hỗ trợ ba ngơn ngữ lập trình FBD, LAD SCL Phần mềm tích hợp TIA Portal 11 Siemens + Vậy để làm dự án với S7-1200 cần cài TIA Portal phần mềm bao gồm mơi trường lập trình cho PLC thiết kế giao diện HMI 2.2 Các module hệ PLC S7-1200 2.2.1 Giới thiệu module CPU Các module CPU khác có hình dạng, chức năng, tốc độ xử lý lệnh, nhớ chương trình khác nhau… PLC S7-1200 có loại sau: TĐH1.K10 SCADA & DCS Hình 2.1: Phân loại PLC S7-1200 2.2.2 Sign board PLC SIMATIC S7-1200 Sign board: SB1223 DC/DC • • • Digital inputs / outputs DI x 24 VDC 0.5A DO 2x24 VDC 0.5A Sign boards : SB1232AQ TĐH1.K10 • • • SCADA & DCS Ngõ analog AO x 12bit +/- 10VDC, – 20mA Cards ứng dụng: • • CPU tín hiệu để thích ứng với ứng dụng Thêm điểm kỹ thuật số I/O tương tự với CPU u cầu • ứng dụng Kích thước CPU không thay đổi 2.2.3 Module xuất nhập tín hiệu số Hình 2.2: Module xuất nhập tín hiệu số 2.2.4 Module xuất nhập tín hiệu tương tự TĐH1.K10 SCADA & DCS Hình 2.3: Module xuất nhập tín hiệu tương tự 2.2.5 Module truyền thơng Hình 2.4: Module truyền thông 2.3 Làm việc với phần mềm Tia Portal 2.3.1 Giới thiệu SIMATIC STEP Basic – tích hợp lập trình PLC,HMI Step basic hệ thống kỹ thuật đồng đảm bảo hoạt động liên tục hoàn hảo Một hệ thống kỹ thuật mới, thông minh trực quan cấu hình phần cứng kỹ thuật cấu hình mạng, lập trình, chẩn đốn nhiều Lợi ích với người dùng: • • • Trực quan : dễ dàng để tìm hiểu dễ dàng để hoạt động Hiệu : tốc độ kỹ thuật Chức bảo vệ : Kiến trúc phần mềm tạo thành sở ổn định cho đổi tương lai 2.3.2 Mục đích kết nối qua giao thứ\c TCP/IP + Để lập trình SIMATIC S7-1200 từ PC hay Laptop cần kết nối TCP/IP 10 TĐH1.K10 SCADA & DCS Trong phần “Network settings”, ta thay đổi tốc độ truyền mạng Profibus (ở ta chọn 500kbps) + Liên kết Slave với Master thông qua module IE/PB: Chọn “Not assigned” Chọn “Gateway_1…” 34 TĐH1.K10 SCADA & DCS Làm tương tự cho Slave cịn lại, ta sau: 3.2 CẤU HÌNH CHO CÁC SLAVE: 3.2.1 Cấu hình cho DP Slave 1: 35 TĐH1.K10 SCADA & DCS Chọn “Slave 1…” Chọn module Profibus CP1242-5 Trong phần “DP interface” => “Operating mode” => chọn “Islave communication” Trong phần này, ta quy định vùng địa truyền nhận Slave Master Ví dụ: hình, ta muốn ngõ vào I0.0 (Master) điều khiển ngõ Q0.0 (Slave1) ta phải làm theo bước sau: • Trong chương trình Master: Xuất I0.0 (Master) => Q50.0 (DP Slave1) • Trong chương trình Slave1: Đọc I60.0 (DP Slave1) => Q0.0 (Slave1) • Trong module profibus Slave1: Q50.0 => I60.0 (q trình hồn tồn tự động bên module profibus) 36 TĐH1.K10 SCADA & DCS 3.2.1 Cấu hình cho DP Slave 2: 3.2.2 Cấu hình cho DP Slave 3: Chương trình để truyền liêu với Slave3 Master giống Slave Tuy nhiên, không giống module Profibus S7-1200, 37 TĐH1.K10 SCADA & DCS module Profibus S7-300 CP342-5 truyền nhận liệu với Master thông qua hàm DP_RECV DP_SEND Chức năng: Gửi liệu từ Slave sang Master CPLADDR: địa bắt đầu I/O address, xác định cách SEND: liệu gửi (Lưu ý: Nếu phần cấu hình DP Slave3, ta chọn vùng liệu byte lệnh DP_SEND ta phải gửi byte, byte ta phải gửi byte, khơng Profibus báo lỗi) 38 TĐH1.K10 SCADA & DCS Hàm ghi đọc liệu: 39 TĐH1.K10 SCADA & DCS Vùng nhớ liệu, đối tượng cách truy cập PLC thường yêu cầu nhớ trường hợp: Làm định thời cho kênh trạng thái I/O Làm đệm trạng thái chức PLC định thời, đếm, ghi Relay Mỗi lệnh chương trình có vị trí riêng nhớ, tất vị trí nhớ đánh số, số địa nhớ Địa ô nhớ trỏ đến đếm địa bên vi xử lý Bộ vi xử lý giá trị đếm lên trước xử lý lệnh Với địa mới, nội dung ô nhớ tương ứng xuất đầu ra, trình gọi trình đọc Bộ nhớ bên PLC tạo vi mạch bán dẫn, vi mạch có khả chứa 2000 - 16000 dòng lệnh , tùy theo loại vi mạch Trong PLC nhớ RAM, EPROM sử dụng + RAM (Random Access Memory) nạp chương trình, thay đổi hay xóa bỏ nội dung lúc Nội dung RAM bị nguồn điện nuôi bị Để tránh tình trạng PLC trang bị pin khơ, có khả cung cấp lượng dự trữ cho RAM từ vài tháng đến vài năm Trong thực tế RAM dùng để khởi tạo kiểm tra chương trình Khuynh hướng dùng CMOS RAM nhờ khả tiêu thụ thấp tuổi thọ lớn + EPROM (Electrically Programmable Read Only Memory) nhớ mà người sử dụng bình thường đọc không ghi nội dung vào 40 TĐH1.K10 SCADA & DCS Nội dung EPROM không bị mất nguồn, gắn sẵn máy, nhà sản xuất nạp chứa hệ điều hành sẵn Nếu người sử dụng không muốn mở rộng nhớ dùng thêm EPROM gắn bên PLC Trên PG (Programer) có sẵn chỗ ghi xóa EPROM + EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory) liên kết với truy xuất linh động RAM có tính ổn định Nội dung xóa lập trình điện, nhiên số lần có giới hạn Mơi trường ghi liệu thứ tư đĩa cứng đĩa mềm, sử dụng máy lập trình Đĩa cứng đĩa mềm có dung lượng lớn nên thường dùng để lưu chương trình lớn thời gian dài + Kích thước nhớ: • Các PLC loại nhỏ chứa từ 300 -1000 dịng lệnh tùy vào • cơng nghệ chế tạo Các PLC loại lớn có kích thước từ 1K - 16K, có khả chứa từ 2000 -16000 dịng lệnh Ngồi cịn cho phép gắn thêm nhớ mở rộng RAM, EPROM + Cấu trúc nhớ: Bộ nhớ gồm 48KB RAM, 48KB ROM, khả mở rộng tốc độ xử lý gần 0.3ms 1000 lệnh nhị phân, nhớ chia vùng + Vùng chứa chương trình ứng dụng: OBx (Organisation block): Miền chứa chương trình tổ chức, đó: • Khối OB1: Khối tổ chức chính, mặc định, thực thi lặp vịng Nó bắt đầu q trình khởi động hồn thành bắt đầu trở lại • kết thúc Khối OB10 (Time of day interrupt): thực có tín hiệu • ngắt thời gian Khối OB20 (Time delay interrupt): thực sau khoảng • thời gian đặt trước Khối OB35 (Cyclic Interrupt): khối ngắt theo chu kì định trước 41 TĐH1.K10 SCADA & DCS • Khối OB40 (Hardware Interrupt): thực tín hiệu ngắt • cứng xuất ngõ vào I124.0 I124.3 FC (Function): Miền chứa chương trình tổ chức thành hàm có biến hình thức để trao đổi liệu với chương trình gọi nó, phân biệt số nguyên Ví dụ: FC1, FC7, FC30ngồi cịn có hàm SFC hàm tích hợp • sẵn hệ điều hành FB (Function Block): tương tự FC, FB phải xây dựng 1khối liệu riêng gọi DB (Data Block) có hàm SFB hàm tích hợp sẵn hệ điều hành + Vùng chứa tham số hệ điều hành chương trình ứng dụng: • I (Process image input): Miền đệm liệu ngõ vào số Trước bắt đầu thực chương trình, PLC đọc tất giá trị logic cổng vào cất giữ chúng vùng I thực chương trình CPU sử dụng giá trị vùng I mà • khơng đọc trực tiếp từ ngõ vào số Q (Process image output): tương tự vùng I, miền Q đệm liệu cổng số Khi kết thúc chương trình, PLC chuyển giá trị • logic đệm Q tới cổng số M (Memory): Miền biến cờ Do vùng nhớ khơng sau chu kỳ qt nên chương trìng ứng dụng sử dụng vùng nhớ để lưu giữ tham số cần thiết Có thể truy nhập theo bit • (M), byte (MB), theo từ (MW) hay từ kép (MD) T (Timer): Miền nhớ phục vụ thời gian bao gồm việc lưu trữ giá trị đặt trước (PV-Preset Value), giá trị tức thời (CV- • Current Value) giá trị logic đầu Timer C (Counter): Miền nhớ phục vụ đếm bao gồm việc lưu giữ giá trị đặt trước (PV-Preset Value), giá trị tức thời (CV-Current Value) giá trị logic đầu Counter 42 TĐH1.K10 SCADA & DCS • PI: Miền địa cổng vào module tương tự (I/O External input) Các giá trị tương tự cổng vào module tương tự module đọc chuyển tự động theo địa Chương trình ứng dụng truy cập miền nhớ PI theo byte (PIB), • từ (PIW) theo từ kép (PID) PQ: Miền địa cổng module tương tự (I/O External output) Các giá trị tương tự cổng vào module tương tự module đọc chuyển tự động theo địa Chương trình ứng dụng truy cập miền nhớ PI theo byte (PQB), từ (PQW) theo từ kép (PQD) + Vùng chứa khối liệu, chia thành loại: • DB (Data block): Miền chứa liệu tổ chúc thành khối Kích thước hay số lượng khối người sử dụng qui định Có thể truy nhập miền theo bit (DBX), byte( DBB), từ • (DBW), từ kép (DBD) L (Local data block): Miền liệu địa phương, khối chương trình OB, FC, FB tổ chức sử dụngcho biến nháp tức thời trao đổi liệu biến hình thức với khối gọi Tồn vùng nhớ bị xố sau khối thực xong Có thể truy nhập theo bit (L), byte (LB), từ LW), từ kép (LD) Kích thước vùng nhớ tùy thuộc vào loại PLC 43 TĐH1.K10 SCADA & DCS + Vùng nhớ đầu vào I: - Tại thời điểm vịng qt PLC lấy tín hiệu từ đầu vào ghi giá trị tương ứng vào vùng nhớ đầu vào - Truy nhập: Kiểu: Bit I[địa byte].[địa bit] I0.1 Byte, word, Double word I[kích thước][địa byte đầu tiên] Ví dụ: IB4, IW1, ID2 + Vùng nhớ đầu Q: - Trong trình thực cơng việc vịng qt (bao gồm chương trình điều khiển), PLC ghi giá trị tơơng ứng vào vùng nhớ này, cuối vòng quét PLC gửi giá trị đến đầu tương ứng - Truy nhập: Kiểu: Bit Q[địa byte].[địa bit] Q0.0 Byte, word, Double word Q[kích thước][địa byte đầu tiên] Ví dụ: QB2, QW1, QD4 44 TĐH1.K10 SCADA & DCS + Vùng nhớ M: - Các ô nhớ thuộc vùng nhớ (M) dùng để lơu trữ trạng thái trình hoạt động thông tin điều khiển khác - Truy nhập:Kiểu: Bit M[địa byte].[địa bit] M10.1 Byte, Word, Double word M[kích thước][địa byte đầu tiên] Ví dụ: MB20, MW8, MD6 + Vùng nhớ thời gian T - Mỗi thời gian có hai giá trị lưu trữ vùng nhớ T: Giá trị đếm thời gian (16 bit), giá trị bit timer (1 bit) - Truy nhập: T [số thứ tự timer] T3 + Vùng nhớ đếm C: - Mỗi đếm có hai giá trị lơu trữ vùng nhớ C: Giá trị đếm (kiểu BDC, 12 bit), giá trị bit counter (1 bit) - Truy nhập: C [số thứ tự timer] C1 Vùng nhớ đầu vào, đầu Analog AI, AQ: - PLC chuyển đổi giá trị điện áp (hoặc dòng điện) thành số nhị phân (12 bit) lưu trữ vùng nhớ analog (hoặc ngược lại) - Cách truy nhập với tín hiệu vào: PI[kích thước][địa byte đầu tiên] Ví dụ: Truy nhập: Kiểu: Byte, Word, Double word + PIB20, PIW8, PID6 - Cách truy nhập với tín hiệu ra: PQ[kích thước][địa byte đầu tiên] Ví dụ: Truy nhập: Kiểu: Byte, Word, Double word PQB20, PQW8, PQD6 + Vùng nhớ khối liệu DB: 45 TĐH1.K10 SCADA & DCS - Mở khối liệu DB DI lệnh OPN Ví dụ: OPN DB // Mở khối liệu DB (Open data Block) Hoặc OPN DI // Mở khối liệu DI (Open instance data Block) - Mở bít khối liệu DBX Ví dụ: A DB3.DB 0.5 // mở bit số byte khối liệu DB3 - Mở Byte, WORD một DW khối liệu DBx Ví dụ: L DB3 DBB2 // tới Byte khối liệu DB3 L DB3 DBW2 // tới WORD khối liệu DB3 L DB DBD2 // tới DWORD khối liệu DB3 + Vùng nhớ khối chương trình OB, FBx FCx - Chỉ bit Ví dụ: A L0.2// bít số Byte miền liệu địa phương - Chỉ Byte, Word DW Ví dụ: L LB0 // byte miền liệu địa phương L LW0 // Word miền liệu địa phương L LD0 // DWord miền liệu địa phương CHƯƠNG LẬP TRÌNH TRUYỀN THƠNG GIỮA BỘ PLC S7-1200 THÔNG QUA GIAO THỨC MODBUS RTU 4.1 Kĩ thuật lập trình Tham khảo kỹ thuật lập trình tài liệu đính kèm “Huong dan lap trinh tia v13 S7-1200” 46 TĐH1.K10 SCADA & DCS 47 TĐH1.K10 SCADA & DCS 48 ... Hình 2. 1: Phân loại PLC S7- 120 0 2. 2 .2 Sign board PLC SIMATIC S7- 120 0 Sign board: SB 122 3 DC/DC • • • Digital inputs / outputs DI x 24 VDC 0.5A DO 2x24 VDC 0.5A Sign boards : SB 123 2AQ TĐH1.K10 • •... DBX Ví dụ: A DB3.DB 0.5 // mở bit số byte khối liệu DB3 - Mở Byte, WORD một DW khối liệu DBx Ví dụ: L DB3 DBB2 // tới Byte khối liệu DB3 L DB3 DBW2 // tới WORD khối liệu DB3 L DB DBD2 // tới DWORD... Truy nh? ?p: Kiểu: Byte, Word, Double word + PIB20, PIW8, PID6 - Cách truy nh? ?p với tín hiệu ra: PQ[kích thước][địa byte đầu tiên] Ví dụ: Truy nh? ?p: Kiểu: Byte, Word, Double word PQB20, PQW8, PQD6