Báo cáo lập trình PLC nâng cao- Truyền Thông Modbus Giữa 2 Plc S7-1200 và giám sát qua phần mềm

LỜI MỞ ĐẦU Trong thời đại ngày nay, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật, quá trình sản xuất cũng phát triển không ngừng, và thay thế những phương thức sản xuất nhỏ, giản đơn bằng những hệ thống máy móc và các quy trình tự động hóa sản xuất phức tạp đem lại nguồn lợi rất lớn về kinh tế, thức đẩy sự phát triển đi lên nhanh chóng của xã hội. Cùng với đó chính là sự tăng lên về số lượng các kênh tín hiệu cần kiểm tra, đo lường và điều khiển, kéo theo là sự tăng lên về số lượng các thiết bị thông minh trong hệ điều khiển. Rõ ràng ở trong điều kiện đó thì vai trò của dữ liệu được thu thập tại các tầng khác nhau của hệ điều khiển các quá trình sản xuất và kỹ thuật đóng vai trò hết sức to lớn. Câu hỏi được đặt ra ở đây là với các hệ điều khiển lớn đến hàng trăm máy móc thiết bị trong một phân xưởng, thậm chí đến hàng nghìn mắt xích trong một nhà máy. Làm thế nào để liên kết chúng lại với nhau và điều khiển tất cả các thiết bị đó trong một hệ thống nhất. Câu trả lời chính là sử dụng mạng truyền thông công nghiệp. Trong kỳ này em thực hiện đề tài: “Truyền thông MODBUS giữa 2 PLC S7-1200” Em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ nhiệt tình của thầy giáo và các thầy cô giáo trong khoa để em có thể hoàn thành tốt đề tài này. Tuy nhiên do kiến thức, kinh nghiệm chưa được hoàn chỉnh nên còn có một số thiếu sót trong quá trình thực hiện đề tài, mong được sự chỉ bảo, đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo và bạn đọc quan tâm đề tài này. Hà Nội, năm 2020 Sinh viên CHƯƠNG 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ MẠNG TRUYỀN THÔNG CÔNG NGHIỆP 1.1 Khái niệm, vai trò mạng truyền thông công nghiệp - Khái niệm: Mạng truyền thông công nghiệp hay mạng công nghiệp là một khái niệm chung chỉ các hệ thống mạng truyền thông số, truyền bit nối tiếp, được sử dụng để ghép nối các thiết bị công nghiệp. Các hệ thống truyền thông công nghiệp hiện nay cho phép ta liên kết mạng ở nhiều mức khác nhau trong sơ đồ phân cấp hệ thống tự động hóa quá trình sản xuất và kỹ thuật từ các cảm biến, cơ cấu chấp hành dưới trường cho đến các máy tính điều khiển, thiết bị quan sát, máy tính điều khiển quan sát cấp nhà máy, xí nghiệp. - Vai trò: Ghép nối thiết bị, trao đổi thông tin là một trong những vấn đề cơ bản của bất kỳ một giải pháp tự động hóa nào. Một bộ điều khiển cần phải được kết nối với cơ cấu cảm biến và chấp hành. Giữa các bộ điều khiển trong một hệ thống phân tán cũng phải trao đổi thông tin với nhau để phối hợp thực hiện điều khiển toàn bộ quá trình sản xuất. - Sử dụng mạng truyền thông công nghiệp, đặc biệt là bus trường để thay thế nối điểm với điểm đem lại những lợi ích sau: + Đơn giản hóa cấu trúc liên kết giữa các thiết bị công nghiệp + Nâng cao độ tin cậy và độ chính xác của thông tin + Nâng cao độ linh hoạt và tính năng mở của hệ thống + Đơn giản hóa việc tham số hóa, định vị lỗi, sự cố của các thiết bị Như vậy việc sử dụng mạng truyền thông công nghiệp không những đem lại những lợi thế về mặt kỹ thuật mà còn cả về mặt kinh tế. Chính vì vậy mà mạng truyền thông công nghiệp được ứng dụng rộng rãi trong hầu hết các lĩnh vực công nghiệp. 1.2 Phân loại và đặc trưng các hệ thống mạng công nghiệp Sơ đồ mô hình phân cấp chức năng thường thấy trong các nhà máy, xí nghiệp: Hình 1.1 Sơ đồ mô hình phân cấp chức năng nhà máy, xí nghiệp Một nhà máy, xí nghiệp hay nói cách khác là một hệ thống điều khiển giám sát quá trình được phân thành 5 cấp cơ bản. Mỗi cấp mang một chức năng riêng và có những yêu cầu đòi hỏi riêng. Càng ở cấp dưới thì chức năng càng cơ bản và yêu cầu về độ nhanh nhạy và độ phản ứng cao hơn với các cấp trên. Nhưng càng lên các cấp trên thì lượng thông tin cần trao đổi và xử lý càng lớn. Tương ứng với năm cấp chức năng là bốn cấp của hệ thống truyền thông. Từ cấp điều khiển giám sát trở xuống thuật ngữ "bus" thường được dùng thay thế cho "mạng" với lý do phần lớn các hệ thống mạng phía dưới đều có cấu trúc vật lý hoặc logic theo kiểu bus. Mô hình phân cấp chức năng có vai trò lớn trong việc phân tích hệ thống, lựa chọn thiết bị và thuận lợi cho việc theo dõi quá trình. Tuy nhiên sự phân cấp chức năng là hoàn toàn không cần thiết đối với các hệ nhỏ và đơn giản. 1.2.1. Bus trường và bus thiết bị a. Bus trường - Khái niệm: Bus trường (fieldbus) là một khái niệm để chỉ các hệ thống bus nối tiếp, sử dụng kỹ thuật truyền tin số để kết nối các thiết bị thuộc cấp điều khiển (PC, PLC) với nhau và với các thiết bị ở cấp chấp hành, hay các thiết bị trường. Một số kiểu bus trường chỉ thích hợp nối mạng các thiết bị cảm biến và cơ cấu chấp hành với các bộ điều khiển, cũng được gọi là bus chấp hành/cảm biến. - Ứng dụng: Bus trường được sử dụng chủ yếu trong các ngành công nghiệp chế biến. Bus thiết bị được sử dụng chủ yếu trong công nghiệp chế tạo (tự động hóa trong các dây chuyền sản xuất, gia công). Bus trường và bus thiết bị có chức năng tương đương, bên cạnh đó chúng cũng có một số tính năng khác nhau do đặc trưng của 2 ngành khác nhau. - Nhiệm vụ của bus trường: Chuyển thông tin của quá trình sản xuât từ các cảm biến, sensor cấp trường lên cấp trên và chuyển tín hiệu điều khiển từ các cấp trên đến cơ cấu chấp hành. - Yêu cầu đối với bus trường: Yêu cầu về tính năng thời gian thực phải được đặt lên hàng đầu. Thời gian phản ứng: vài ms - 0,1s Lượng thông tin cần truyền trong một bức điện trường: vài byte Tốc độ truyền thông: vài Mbit/s Việc trao đổi thông tin mang tính chất định kỳ, tuần hoàn. b. Bus hệ thống, bus điều khiển: - Bus hệ thống: Ứng dụng: Các hệ thống mạng công nghiệp được dùng để kết nối các máy tính điều khiển và các máy tính trên cấp điều khiển giám sát với nhau được gọi là bus hệ thống (system bus) hay bus quá trình (process bus). Vai trò của bus hệ thống: Truyền thông tin giữa các máy tính điều khiển. Cung cấp thông tin về quá trình cho các trạm kỹ thuật và trạm quan sát. Nhận mệnh lệnh, tham số điều khiển từ các trạm phía trên. Kết nối máy tính điều khiển, trạm kỹ thuật, trạm quan sát, trạm vận hành, máy in, lưu trữ dữ liệu… Yêu cầu đối với bus hệ thống: + Yêu cầu tính năng thời gian thực phụ thuộc vào lĩnh vực ứng dụng + Thời gian phản ứng tiêu biểu: vài trăm ms + Lưu lượng thông tin cần trao đổi lớn hơn nhiều bus trường + Tốc độ truyền thông tin: vài trăm kbit/s đến vài Mbit/s - Bus điều khiển: Ứng dụng: Là bus hệ thống chỉ được sử dụng để ghép nối các máy tính điều khiển theo chiều ngang. Vai trò bus điều khiển: trao đổi dữ liệu thời gian thực giữa các trạm điều khiển trong một hệ thống có cấu trúc phân tán. Yêu cầu đối với bus điều khiển: + Yêu cầu tính năng thời gian thực cao + Tốc độ truyền không cao + Do các yêu cầu về tốc độ truyền thông và khả năng kết nối dễ dàng nhiều loại máy tính, hầu hết các bus hệ thống thông dụng đều dựa trên nền Ethernet. c. Mạng xí nghiệp Chức năng: Mạng xí nghiệp thực chất là một mạng LAN bình thường có chức năng kết nối các máy tính văn phòng thuộc cấp điều hành sản xuất với cấp điều khiển giám sát. Thông tin được đưa lên trên bao gồm trạng thái làm việc của các quá trình kỹ thuật, các giàn máy cũng như của hệ thống điều khiển tự động, các số liệu tính toán, thống kê và diễn biến quá trình sản xuất và chất lượng sản phẩm. Thông tin theo chiều ngược lại là các thông số thiết kế, công thức điều khiển và mệnh lệnh điều khiển. Ngoài ra thông tin cũng được trao đổi mạnh theo chiều ngang giữa các máy tính thuộc cấp điều hành sản xuất, ví dụ hỗ trợ kiểu làm việc theo nhóm, cộng tác trong dự án, sử dụng chung các tài nguyên nối mạng (máy in, máy chủ...). Yêu cầu đối với mạng xí nghiệp: - Không yêu cầu nghiêm ngặt về tính năng thời gian thực. - Việc trao đổi dữ liệu không diễn ra định kỳ, nhưng có khi với số lượng lớn đến hàng Mbyte. Hai loại mạng được dùng phổ biến cho mục đích này là Ethernet và Token-Ring. Trên cơ sở giao thức chuẩn như TCP/IP và IPX/SPX. d. Mạng công ty Mạng công ty nằm trên cùng trong mô hình phân cấp hệ thống truyền thông của một công ty sản xuất công nghiệp. Đặc trưng của mạng công ty gần với mạng viễn thông hoặc một mạng máy tính diện rộng nhiều hơn trên các phương diện phạm vi và hình thức dịch vụ, phương pháp truyền thông và các hình thức dịch vụ, phương pháp truyền thông và các yêu cầu về kỹ thuật. Chức năng của mạng công ty: - Kết nối các máy tính của các văn phòng của các xí nghiệp - Cung cấp các dịch vụ trao đổi thông tin nội bộ và với các khách hàng như thư viện điện tử, thư điện tử, hội thảo từ xa qua điện thoại, hình ảnh, cung cấp dịch vụ truy cập Internet và thương mại điện tử… Trong nhiều trường hợp, mạng công ty và mạng xí nghiệp được thực hiện bằng một hệ thống mạng duy nhất về mặt vật lý, nhưng chia thành nhiều phạm vi và nhóm mạng làm việc riêng biệt. Yêu cầu đối với mạng công ty: - Tốc độ truyền thông cao - Độ an toàn, tin cậy đặc biệt cao 1.2.2. Thông tin, dữ liệu và tín hiệu Thông tin: Thông tin là một khái niệm trừu tượng, phản ánh thế giới khách quan, cho chúng ta hiểu biết và nhận thức về thế giới khách quan. Thông tin là cơ sở của giao tiếp. Dữ liệu :Thông tin là một khái niệm trìu tượng và được biểu diễn đa dạng dưới những hình thức khác nhau tùy theo mục đích của người truyền đạt: hình ảnh, tiếng nói, cử chỉ, hành động,… Các thông tin về quá trình được mã hóa dưới dạng nhị phân, được phân tích, đánh giá và lưu lại dưới dạng dữ liệu hay nói cách khác, thông tin được số lượng hóa bởi dữ liệu để có thể lưu giữ và xử lý. Đơn vị nhỏ nhất của dữ liệu là bit. Tín hiệu: Tín hiệu là diễn biến của một đại lượng vật lý chứa đựng tham số thông tin/dữ liệu và có thể truyền dẫn được. Theo quan điểm toán học thì tín hiệu được coi là một hàm của thời gian. Các tham số sau đây thường được dùng trực tiếp, gián tiếp hay kết hợp để biểu thị nội dung thông tin: - Biên độ (điện áp, dòng..) - Tần số, nhịp xung, độ rộng xung, sườn xung - Pha, vị trí xung. Ta có thể phân loại tín hiệu dựa theo tập hợp giá trị của tham số thông tin hoặc dựa theo diễn biến thời gian thành những dạng sau: - Tương tự: Tham số thông tin có thể có một giá trị bất kỳ trong một khoảng nào đó. - Rời rạc: Tham số thông tin chỉ có thể có một số giá trị (rời rạc) nhất định. - Liên tục: Tín hiệu có ý nghĩa tại bất kỳ thời điểm nào trong một khoảng thời gian quan tâm. Nói theo nghĩa toán học, một tín hiệu liên tục là một hàm liên tục của biến thời gian trong một khoảng xác định. - Gián đoạn: tín hiệu chỉ có ý nghĩa tại những thời điểm nhất định Hình 1.2 Tín hiệu tương tự, liên tục Hình 1.3 Tín hiệu tương tự, gián đoạn Hình 1.4 Tín hiệu rời rạc, liên tục Hình 1.5 Tín hiệu rời rạc, gián đoạn 1.2.3. Truyền dữ liệu và tín hiệu Truyền dữ liệu: - Giao tiếp và truyền thông: Giao tiếp hay truyền thông là một quá trình trao đổi thông tin giữa hai chủ thể với nhau (đối tác giao tiếp) theo một phương pháp được quy định trước. Đối tác này có thể điều khiển đối tác kia, hoặc quan sát trạng thái của đối tác. Các đối tác giao tiếp có thể là người hoặc hệ thống kỹ thuật - tức là các thiết bị phần cứng (đối tác vật lý) hoặc các đối tác phần mềm (đối tác logic). - Để thực hiện việc giao tiếp hay truyền thông ta cần các tín hiệu thích hợp, có thể là tín hiệu tương tự hay tín hiệu số. Sự phân biệt giữa tín hiệu và thông tin dẫn tới sự phân biệt giữa xử lý tín hiệu và xử lý thông tin, giữa truyền tín hiệu và truyền thông. Có thể sử dụng các dạng tín hiệu rất khác nhau để truyền tải một nguồn thông tin, cũng như một tín hiệu có thể mang nhiều nguồn thông tin khác nhau. - Truyền dữ liệu là truyền tải thông tin dưới dạng tín hiệu số. Dữ liệu là một dạng biểu diễn thông tin sử dụng mã nhị phân, có thể nói truyền dữ liệu là phương pháp truyền thông duy nhất giữa các máy tính trong mạng máy tính. Mã hóa/giải mã: - Mã hóa chỉ quá trình biến đổi nguồn thông tin (dữ liệu) cần trao đổi sang một chuỗi tín hiệu thích hợp để truyền dẫn. Quá trình này ít nhất gồm hai bước: mã hóa nguồn và mã hóa đường truyền. - Trong quá trình mã hóa nguồn, dữ liệu mang thông tin thực dụng hay dữ liệu nguồn được bổ xung các thông tin phụ trợ cần thiết cho việc truyền dẫn, ví dụ địa chỉ bên nhận và bên gửi, kiểu dữ liệu, thông tin tìm kiếm lỗi... Dữ liệu trước khi gửi đi cũng có thể phân chia thành nhiều gói dữ liệu bức điện phù hợp với phương pháp truyền, nén lại để tăng hiệu suất đường truyền, hoặc mã hóa bảo mật. Như vậy lượng thông tin chứa đựng trong một tín hiệu sẽ nhiều hơn lượng thông tin thực dụng cần truyền tải. Hình 1.6 Nguyên tắc cơ bản của truyền thông Mã hóa đường truyền: là quá trình tạo tín hiệu tương ứng với các bit trong gói dữ liệu hay bức điện theo một phương pháp nhất định để phù hợp với đường truyền và kỹ thuật truyền(quá trình này thưc hiện sau khi mã hóa nguồn). Trong truyền thông công nghiệp, mã hóa đường truyền đồng nghĩa với mã hóa bit, bởi tín hiệu do khâu mã hóa từng bit tạo ra cũng chính là tín hiệu được truyền dẫn. Trong một tín hiệu được truyền tải đi, cần có một phương pháp để bên nhận phân biệt giới hạn giữa các bit dữ liệu nối tiếp nhau, quá trình đó gọi là phương pháp đồng bộ hóa. Để thực hiện được công việc này một cách đơn giản, tín hiệu thường được phát theo một nhịp đều đặn, mỗi nhịp ứng với 1 bit. Trong quá trình ngược lại với mã hóa là giải mã, đó là quá trình chuyển đổi các tín hiệu nhận được thành dãy bit tương ứng và sau đó xử lý, loại bỏ thông tin bổ xung để tái tạo thông tin nguồn. Điều chế và điều biến tín hiệu: - Điều chế và điều biến là hai khái niệm được dùng với nghĩa rất gần nhau. - Điều chế: được hiểu là quá trình tạo một tín hiệu trực tiếp mang tham số thông tin, thể hiện qua biên độ, tần số hoặc pha, trong đó tham số thông tin có thể lấy một giá trị bất kỳ. Một trường hợp đặc biệt của điều chế là khi nó được dùng vào mục đích truyền dữ liệu và tham số thông tin chỉ có thể lấy hai giá trị logic 1 và 0, người ta dùng khái niệm mã hóa bit như đã giới thiệu ở trên. - Điều biến: chỉ quá trình dùng tín hiệu mang thông tin để điều khiển, biến đổi các tham số thích hợp của một tín hiệu thứ hai (tín hiệu mang). Mục đích cơ bản của điều biến là sử dụng một tín hiệu mang có một dải tần khác để thực hiện phương pháp dồn kênh phân chia tần số, hoặc để tránh truyền dẫn ở dải tần cơ sở dễ bị nhiễu. - Đôi khi ranh giới để phân biệt giữa điều chế và điều biến cũng không hoàn toàn rõ ràng. Trong tiếng anh người ta sử dụng một thuật ngữ chung là modulation, tuy nhiên tùy theo ngữ cảnh mà được hiểu theo hai nghĩa khác nhau. Tốc độ truyền và tốc độ bit - Tốc độ baud: số lần tín hiệu thay đổi giá trị tham số thông tin (ví dụ biên độ) trong một giây và có đơn vị là Baud. - Do hầu hết các hệ thống truyền dữ liệu hoạt động theo nhịp tuần hoàn, tốc độ baud tương đương với tần số nhịp của hệ thống thu phát. Cũng cần lưu ý rằng, đối với nhiều phương pháp mã hóa bit, tín hiệu không bắt buộc phải thay đổi trạng thái trong mỗi nhịp, vì thế khái niệm tốc độ baud không hoàn toàn chính xác. Thay vào đó, người ta sử dụng các khái niệm tốc độ truyền hay tốc độ bit. Tốc độ truyền hay tốc độ bit được tính bằng số bit dữ liệu được truyền đi trong một giây, tính bằng bit/s hoặc bps (bit per second). Thời gian bit/ chu kỳ bit - Thời gian bit hay chu kỳ bit được định nghĩa là thời gian trung bình cần thiết để chuyển một bit, hay chính bằng giá trị nghịch đảo của tốc độ truyền tải. Tốc độ lan truyền tín hiệu. - Thời gian lan truyền tín hiệu là thời gian cần để một tín hiệu phát ra từ một đầu dây lan truyền tới đầu dây khác, phụ thuộc vào chiều dài dây và cấu tạo dây dẫn. Tốc độ lan truyền tín hiệu chính là tốc độ truyền sóng điện từ. Tuy nhiên, trong môi trường kim loại hoặc sợi quang học, giá trị này sẽ nhỏ hơn tốc độ truyền sóng điện từ hay tốc độ ánh sáng trong môi trường chân không. 1.2.4. Tính năng thời gian thực Tính năng thời gian thực là một trong những đặc trưng quan trọng nhất đối với các hệ thống tự động hóa nói chung và với các hệ thống bus trường nói riêng. Một hệ thống có tính năng thời gian thực không nhất thiết phải có phản ứng thật nhanh, mà quan trọng hơn là có phản ứng kịp thời đối với các yêu cầu tác đống bên ngoài. Như vậy, một hệ thống truyền thông có tính năng thời gian thực phải có khả năng truyền tải thông tin một cách tin cậy và kịp thời với yêu cầu của các đối tác truyền thông. Để đảm bảo tính năng thời gian thực, một hệ thống bus phải có những đặc điểm sau: - Độ nhanh nhạy (tốc độ truyền thông): đáp ứng nhu cầu trao đổi dữ liệu. - Tính tiền định: Dự đoán trước được về thời gian phản ứng tiêu biểu và thời gian phản ứng chậm nhất của từng trạm. - Độ tin cậy, kịp thời: Đảm bảo cho tổng thời gian cần cho việc chuyển dữ liệu một cách tin cậy giữa các trạm nằm trong khoảng xác định. - Tính bền vững: Có khả năng xử lý sự cố một cách thích hợp để không gây hại thêm cho hệ thống. 1.2.5. Chế độ truyền tải Chế độ truyền tải là phương thức các bit dữ liệu được truyền tải giữa các đối tác truyền thông. Phân loại chế độ truyền tải: - Truyền bit song song và truyền bit nối tiếp. - Truyền đồng bộ và truyền không đồng bộ. - Truyền một chiều, hai chiều toàn phần và gián đoạn. - Truyền tải dải cơ sở, truyền tải dải mạng và truyền tải dải rộng. 1.3. Giao thức mạng Modbus 1.3.1. Giới thiệu chung Modbus là giao thức do hãng Modicon phát triển, tập hợp rộng các dịch vụ phục vụ trao đổi dữ liệu quá trình, dữ liệu điều khiển và chẩn đoán. Modbus là một giao thức phổ biến bậc nhất được sử dụng hiện nay cho nhiều mục đích vì nó đơn giản, rẻ, phổ biến và dễ sử dụng. Theo mô hình ISO/OSI, Modbus thực chất là một chuẩn giao thức và dịch vụ thuộc lớp ứng dụng. Hình 1.7 Vị trí mạng Modbus trong mô hình ISO Có thể được thực hiện trên các cơ chế vận chuyển cấp thấp như TCP/IP, MAP và ngay cả RS232. Ban đầu nó hoạt động trên RS232 nhưng sau đó nó sử dụng cho cả RS485 để đạt tốc độ cao hơn, khoảng cách dài hơn. Hình 1.8 Phân loại mạng Modbus Một ưu điểm khác của Modbus là nó có thể chạy hầu như trên tất cả các phương tiện truyền thông, trong đó có cổng kết nối dây xoắn. Các cải tiến Modbus gồm Modbus Plus và Modbus TCP, cả hai giao thức này cho phép đóng gói thông tin Modbus vào gói tin của mạng để cho phép giao tiếp đồng mức (peer-to-peer). Modbus Plus truyền dữ liệu qua một cặp cáp xoắn đơn và dùng cơ chế chuyền thẻ bài (token pass) để thực hiện các giao tiếp đồng mức. Modbus TCP là một chuẩn mở được thiết kế để gửi các thông điệp Modbus qua TCP/IP và các mạng Ethernet chuẩn. Hình 1.9 Mô hình peer-to-peer 1.3.2. Cơ chế giao tiếp Phụ thuộc vào hệ thống truyền thông cấp thấp. Cụ thể có thể chia ra 2 loại mạng là Modbus chuẩn và Modbus trên các mạng khác (TCP/IP, Modbus Plus, MAP). a. Mạng Modbus chuẩn Sử dụng giao diện RS232/RS485, các bộ điều khiện có thể được nối mạng trực tiếp hoặc qua modern. Các mạng Modbus giao tiếp với nhau qua cơ chế chủ/tớ, trong đó chỉ có một thiết bị chủ động gửi yêu cầu, còn lại các thiết bị tớ sẽ đáp ứng dữ liệu trả lại theo đúng yêu cầu. b. Modbus trên các mạng khác Với một số mạng như Modbus Plus và MAP sử dụng Modbus là giao thức cho lớp ứng dụng, các thiết bị có thể giao tiếp theo cơ chế riêng của mạng đó. Tóm lại, giao thức Modbus vẫn tuân theo nguyên tắc chủ/tớ mặc dù phương pháp giao tiếp mạng cấp thấp có thể là tay đôi. c. Chu trình yêu cầu đáp ứng Modbus là một hệ thống chủ - tớ, chủ được kết nối với một hay nhiều tớ. Chủ thường là một PLC, PC... Tớ thường là các thiết bị hiện trường. Khi một chủ muốn có thông tin từ thiết bị, chủ sẽ gửi một thông điệp về dữ liệu cần, tóm tắt dò lỗi tới địa chỉ thiết bị. Mọi thiết bị khác trên mạng sẽ nhận thông điệp này nhưng chỉ có thiết bị nào được chỉ định mới có phản ứng. Các thiết bị trên mạng Modbus không thể tạo ra kết nối, chúng chỉ có thể phản ứng. Nói cách khác, chúng chỉ lên tiếng khi được chủ nói tới. Hình 1.10 Chu trình yêu cầu-đáp ứng Một thông báo yêu cầu gồm có 4 phần sau: Hình 1.11 Các thành phần của khung thông báo - Additional address: địa chỉ trạm nhận yêu cầu (0-247), trong đó 0 là địa chỉ gửi đồng loạt đến tất cả trạm tớ. - Function code: mã chức năng (1-255) xác định hành động mà trạm tớ cần thực hiện khi nhận thông báo từ trạm chủ. Bảng 1.1 Các mã chức năng Yêu cầu Mã chức năng 01 Đọc cuộn cảm 02 Đọc đầu ra rời rạc 03 Đọc thanh ghi 04 Đọc bộ ghi đầu vào 05 Viết cuộn cảm đơn 06 Viết bộ ghi đơn 07 Đọc trạng thái ngoại lệ 08 Chuẩn đoán - Data: chứa thông tin chi tiết hành động của trạm tớ cần thưc hiện khi được chủ gọi. Trong trường hợp đọc thanh ghi, dữ liệu này chỉ rõ thanh ghi đầu tiên và số lượng các thanh ghi cần đọc. Nếu xảy ra lỗi, phần dữ liệu chứa mã ngoại lệ, nhờ đó mà ô chủ xác định được hành động tiếp theo cần thục hiện. - Error Check: thông tin kiểm lỗi giúp trạm tớ kiểm tra nội dung thông báo nhận được. Thông báo đáp ứng cũng bao gồm các thành phần như thông báo yêu cầu. Tổ chức vùng nhớ. Hình 1.12 Tổ chức vùng nhớ của Modbus Mỗi thiết bị Modbus có bộ nhớ chứa dữ liệu quá trình. Thông số kỹ thuật của Modbus chỉ ra cách dữ liệu được gọi ra như thế nào, loại dữ liệu nào có thể được gọi ra. Tuy nhiên, không đặt ra giới hạn về cách thức và vị trí mà nhà cung cấp đặt dữ liệu trong bộ nhớ. 1.3.3. Chế độ truyền a. Chế độ ASCII Khi các thiết bị trong mạng Modbus chuẩn giao tiếp với nhau thì mỗi byte trong thông báo được gửi thành hai ký tự ASCII 7 bit, trong đó mỗi ký tự biểu diễn một chữ số Hex. Ưu điểm là cho phép một khoảng thời gian trống tối đa 1s giữa hai ký tự mà không xảy ra lỗi. Hình 1.13 Khung truyền ASCII Mỗi ký tự khung bao gồm: - 1 bit khởi đầu (Start Bit). - 7 bit biễu diễn 1 chữ số Hex của byte cần gửi dưới dạng ký tự ASCII (0-9 và A-F), trong đó bit thấp nhất được gửi đi trước. - 1 bit parity chẵn/lẻ nếu sử dụng Parity. - 1 bit kết thúc (Stop Bit) nếu sử dụng parity hoăc 2 bit kết thúc nếu không sử dụng Parity. b. Chế độ RTU Ngược lại với ASCII thì ở chế độ RTU, mỗi byte thông báo được gửi thành ký tự 8 bit. Ưu điểm là hiệu suất cao hơn. Hình 1.14 Khung truyền RTU Mỗi ký tự khung bao gồm: - 1 bit khởi đầu (Start Bit). - 8 bit của byte thông báo cần gửi, bit thấp nhất được gửi đi trước. - 1 bit Parity chẵn/lẻ nếu sử dụng Parity. - 1 bit kết thúc (Stop Bit) nếu sử dụng parity hoặc 2 bit kết thúc nếu không sử dụng parity. 1.3.4 Chuẩn truyền thông RS-485 modbus Năm 1983, Hiệp hội công nghiệp điện tử (EIA) đã phê duyệt một tiêu chuẩn truyền cân bằng mới gọi là RS-485. Đã được chấp nhận rộng rãi và sử dụng trong công nghiệp, y tế, và dân dụng. Có thể coi chuẩn RS485 là một phát triển của RS232 trong việc truyền dữ liệu nối tiếp. Những bộ chuyển đổi RS232/RS485 cho phép người dùng giao tiếp với bất kỳ thiết bị mà sử dụng liên kết nối tiếp RS232 thông qua RS485. Liên kết RS485 được hình thành cho việc thu nhận dữ liệu ở khoảng cách xa và điều khiển cho những ứng dụng. Những đặc điểm nổi trội của RS485 là nó có thể hỗ trợ một mạng lên tới 32 trạm thu phát trên cùng một đường truyền, tốc độ baud có thể lên tới 115.200 cho một khoảng cách là 4000feet (1200m). Chuẩn truyền thông RS485 là một dạng tín hiệu giao tiếp móc nối hay còn gọi là thiết bị trung gian hỗ trợ trong việc truyền tải dữ liệu về máy tính hoặc kết hợp với một truyền thông khác đưa dưa liệu về một địa chỉ IP trên mạng internet giúp truy xuất ra file Excel lưu trữ Hình 1.15 Truyền thông RS485 trong dây chuyền tự động hóa Có thể hiểu đơn giản là dòng RS485 chính là dòng nâng cấp từ RS232. Ngày xưa sinh ra thằng RS232 chỉ sử dụng trong việc kết nối gần và 1 dòng RS232 chỉ kết nối được 1 thiết bị và người ta cải tiến truyền thông RS232 lên RS485 nhằm mục đích giúp thiết bị như plc, máy tính… được kết nối xa hơn và 1 RS485 có thể kết nối nhiều phương tiện hơn.   CHƯƠNG 2: PHẦN MỀM LẬP TRÌNH PLC 2.1. Tổng quan về PLC S7-1200 và module CM1241 2.1.1. PLC S7-1200 Hình 2.1 PLC S7-1200 PLC viết tắt của Programmable Logic Controller là thiết bị điều khiển lập trình được cho phép thực hiện linh hoạt các thực toán điều khiển logic thong qua một ngôn ngữ lập trình. Người sử dụng có thể lập trình để thực hiện môt loạt trình tự các sự kiện. Các sự kiện này được kích hoạt bởi tác nhân kích thích tác động vào PLC hoặc qua các hoạt động có trễ như thời gian định kì hay thời gian được đếm. Một khi sự kiện được kích hoạt thật sự, nó bật ON hay OFF các thiết bị điều khiển bên ngoài được gọi là thiết bị vật lý. Một bộ điều khiển lập trình sẽ liên tục lặp trong chương trình do người sử dụng lập ra chờ tín hiệu ở ngõ vào và xuất tín hiệu ở ngõ ra tại các thời điểm đã lập trình. Để khắc phục những nhược điểm của bộ điều khiển dùng dây nối, người ta đã chế tao bộ điều khiển PLC nhằm thoả mãn các yêu cẩu sau: + Lập trình dễ dàng, ngôn ngữ lập trình dễ học. + Gọn nhẹ, dễ bảo quản, sửa chữa. + Dung lượng bộ nhớ lớn để có thể chứa được những chương trình phức tạp. + Hoàn toàn tin cậy trong môi trường công nghiệp. + Giao tiếp được với các thiết bị thông minh khác như máy tính, nối mạng, các module mở rộng. Các thiết kế đầu tiên là nhằm thay cho các phần cứng Relay dây nối và các logic thời gian. Tuy nhiên bên canh đó việc đòi hỏi tăng cường dung lượng nhớ và tính dễ dàng cho PLC mà vẫn đảm bảo tốc độ xử lí cũng như giá cả… Chính điều này đã tạo ra sự quan tâm sâu sắc đến việc sử dụng PLC trong công nghiệp, các tập lệnh nhanh chống đi từ các lệnh logic đơn giản đến các lệnh đếm, định thời, thanh ghi dịch…Sự phát triển các máy tính dẫn đến các bộ PLC có dung lượng lớn, số lượng I/O nhiều hơn. Trong PLC phần cứng CPU và chương trình là đơn vị cơ bản cho quá trình điều khiển và sử lí hệ thống, chức năng mà bộ điều khiển cần thực hiện sẽ được xác định bằng một chương trình. Chương trình này sẽ được nạp sẵn vào bộ nhớ của PLC, PLC sẽ thực hiện việc điều khiển dựa vào chương trình này. Như vậy nếu muốn thay đổi hay mở rộng chức năng cửa quy trình công nghệ. Ta chỉ cần thay đổi chương trình bên trong bộ nhớ PLC. Việc thay đổi hay mở rộng chức năng sẽ được thực hiện một cách dễ dàng mà không cần một sự can thiệp vật lí nào so với các bộ dây nối hay Relay. Hình 2.2 Cấu trúc của PLC Thiết bị điều khiển logic lập trình PLC là thiết bị điều khiển đặc biệt dựa trên bộ vi xử lý, sử dụng bộ nhớ lập trình được để lưu trữ các lệnh và thực hiện các chức năng: phép logic, lập chuỗi, định giờ, đếm, thuật toán để điều khiển máy và các quá trình. PLC được thiết kế cho phép những người không yêu cầu kiến thức cao về máy tính và ngôn ngữ máy tính có thể vận hành được. Khi cần điều khiển một bài toán ta chỉ cần viết chương trình theo ngôn ngữ PLC và nhập vào bộ nhớ PLC. Thiết bị điều khiển sẽ giám sát các tín hiệu vào /ra theo các chương trình này và thực hiện các quy tắc điều khiển đã lập trình. PLC có 5 thành phần cơ bản: Đơn vị xử lý trung tâm, bộ nhớ, bộ nguồn nuôi, khối tín hiệu vào/ra và thiết bị lập trình. Hình 2.3 Cấu tạo của PLC Ta thấy cấu trúc cơ bản của PLC bao gồm một bộ vi xử lý trung tâm CPU, bộ nhơ (ROM, RAM), khối vào ra, khối phát xung nhịp, pin và hệ thống các BUS. Toàn bộ hoạt động của PLC được điều khiển bởi CPU, nó được cung cấp bởi khối phát xung nhịp, do đó tốc độ của CPU sẽ phụ thuộc vào khối phát xung nhịp( thông thường khối phát xung nhịp có tần số vào khoảng 1-8 MHz ), xung nhịp này sẽ cung cấp cho tất cả các khối trong PLC để đồng bộ hóa quá trình hoạt động của khối này với CPU. Hệ thống BUS bao gồm BUS địa chỉ ( xác định địa chỉ trên các vùng nhớ ), BUS điều khiển ( truyền tải các thông tin điều khiển ), BUS dữ liệu ( truyền tải dữ liệu)và các BUS vào/ra ( mang thông tin từ các đầu vào ra). Có bốn bộ nhớ trong PLC: + Bộ nhớ ROM: là loại bộ nhớ không thể thay đổi được, bộ nhớ này chỉ nạp được một lần nên ít được sử dụng phổ biến như các loại bộ nhớ khác. + Bộ nhớ RAM: là loại bộ nhớ có thể thay đổi được và dùng để chứa các chương trình ứng dụng cũng như dữ liệu, dữ liệu chứa trong RAM sẽ bị mất khí mất điện. Tuy nhiên, điều này có thể khắc phục bằng cách dung Pin. + Bộ nhớ EPROM: giống như RAM, nguồn nuôi cho EPROM không cần dung Pin, tuy nhiên nội dung chứa trong nó có thể xóa bằng cách chiếu tia cực tím vào một cửa sổ nhỏ trên EPROM và sau đó nạp lại nội dung bằng máy nạp. + Bộ nhớ EEPROM: kết hợp hai ưu điểm của RAM và EPROM, loại này có thể xoa và nạp bằng tín hiệu điện. Tuy nhiên số lần nạp cũng có giới hạn. Thông thường, để tăng tính mềm dẻo trong ứng dụng thực tế mà ở đó phần lớn các đối tượng điều khiển có số tín hiệu đầu vào/ra cũng như chủng loại tín hiệu vào /ra khác nhau mà các bộ điều khiển PLC được thiết kế không bị cứng hóa về cấu hình. Chúng được chia nhỏ thành các modul. Số các modul được sử dụng nhiều hay ít tuỳ theo yêu cầu công nghệ, song tối thiểu bao giờ cũng phải có một modul chính là các modul CPU, các modul chức năng chuyên dụng như PID, điều khiển động cơ. Chúng được gọi chung là modul mở rộng. Tất cả các modul được gá trên những thanh ray ( RACK). Cấu hình chi tiết các loại PLC S7-1200 Chức năng CPU 1211C CPU 1212C CPU 1214C Kích thước vật lý (mm) 90 x 100 x 75 110 x 100 x 75 Bộ nhớ người dùng: - Bộ nhớ làm việc - Bộ nhớ nạp - Bộ nhớ giữ lại - 25 kB - 1 MB - 2 kB - 50 kB - 2 MB - 2 kB I/O tích hợp cục bộ - Kiểu số - Kiểu tương tự - 6 ngõ vào / 4 ngõ ra - 2 ngõ ra - 8 ngõ vào / 6 ngõ ra - 2 ngõ ra - 14 ngõ vào / 10 ngõ ra - 2 ngõ ra Kích thước ảnh tiến trình 1024 byte ngõ vào (I) và 1024 byte ngõ ra (Q) Bộ nhớ bit (M) 4096 byte 8192 byte Độ mở rộng các module tín hiệu Không 2 8 Bảng tín hiệu 1 Các module truyền thông 3 (mở rộng về bên trái) Các bộ đếm tốc độ cao - Đơn pha - Vuông pha 3 - 3 tại 100 kHz - 3 tại 80 kHz 4 - 3 tại 100 kHz 1 tại 30 kHz - 3 tại 80 kHz 1 tại 20 kHz 6 - 3 tại 100 kHz 3 tại 30 kHz - 3 tại 80 kHz 3 tại 20 kHz Các ngõ ra xung 2 Thẻ nhớ Thẻ nhớ SIMATIC (tùy chọn) Thời gian lưu giữ đồng hồ thời gian thực Thông thường 10 ngày / ít nhất 6 ngày tại 400C PROFINET 1 cổng truyền thông Ethernet Tốc độ thực thi tính toán thực 18 μs/lệnh Tốc độ thực thi Boolean 0,1 μs/lệnh Họ S7-1200 cung cấp một số lượng lớn các module tín hiệu và bảng tín hiệu để mở rộng dung lượng của CPU. Người dùng còn có thể lắp đặt thêm các module truyền thông để hỗ trợ các giao thức truyền thông khác. Bảng chi tiết module truyền thông Module Chỉ ngõ vào Chỉ ngõ ra Kết hợp In/Out Module tín hiệu (SM) Kiểu số 8 x DC In 8 x DC Out 8 x Relay Out 8 x DC In / 8 x DC Out 8 x DC In / 8 x Relay Out 16 x DC In 16 x DC Out 16 x Relay Out 16 x DC In / 16 x DC Out 16 x DC In /16 x Relay Out Kiểu tương tự 4 x Analog In 8 x Analog In 2 x Analog In 4 x Analog In 4 x Analog In / 2 x Analog Out Bảng tín hiệu (SB) Kiểu số _ _ 2 x DC In / 2 x DC Out Kiểu tương tự 1 x Analog In Module truyền thông (CM) • RS485 • RS232 2.1.2. Module CM1241 Module CM1241 dùng để Hình 2.4 Module CM1241 Cấu hình module: - SIMATIC S7-1200. - Mô-đun giao tiếp CM 1241, RS232. - D-sub 9 cực (pin). - Hỗ trợ Freeport. Tính năng nổi bật: Bộ điều khiển mở rộng từ S7 -1200 với phương án mở rộng linh hoạt: -1 bo mạch tín hiệu (SB) và 1 bo mạch truyền thông (CB). - 0, 2 hoặc 8 mô đun tín hiệu (SM) tùy vào dòng CPU lần lượt CPU 1211C, CPU 1212C, và CPU 1214C. - Có thể có lớn nhất 3 modun truyền thông (CM). - Cổng truyền thông Profinet (Ethernet) được tích hợp sẵn: + Dùng để kết nối máy tính, với màn hình HMI hay truyền thông PLC-PLC. + Dùng kết nối với các thiết bị khác có hỗ trợ chuẩn Ethernet mở. + Đầu nối RJ45 với tính năng tự động chuyển đổi đấu chéo. + Tốc độ truyền 10/100 Mbits/s. + Hỗ trợ 16 kết nối ethernet. + TCP/IP, ISO on TCP, và S7 protocol. Module truyền thông có các đặc tính sau: - Cổng được cách ly - Hỗ trợ các giao thức PTP. - Được cấu hình và được lập trình thông qua tập lệnh mở rộng và các hàm thư viện . - Hiển thị các hoạt động phát và thu bằng các LED. - Hiển thị một LED chẩn đoán. - Được cấp nguồn bởi CPU. Không cần có kết nối nguồn bên ngoài. 2.2. Phần mềm tia Portal V13/V14 TIA Portal – cái tên rất quen thuộc trong lĩnh vực tự động hóa. Đúng như tên gọi TIA Portal: Total Intergrated Automation Portal, là phần mềm cơ sở tích hợp tất cả các phần mềm cấu hình, lập trình cho các hệ tự động hóa và truyền động điện: PLC, HMI, Inverter của Siemens. - Ưu điểm: tích hợp tất cả trong 1 phần mềm, 1 giao diện, tạo ra sự nhất quán trong việc cấu hình hệ thống. - Nhược điểm: dung lượng phần mềm lớn, yêu cầu cấu hình máy tính cao, ban đầu khó làm quen đối với người mới học. Các gói phần mềm có trong TIA Portal: - SIMATIC STEP7 Professional và SIMATIC STEP7 PLCSIM: dùng để lập trình và mô phỏng PLC S7-1200, S7-1500, S7-300, S7-400,... - SIMATIC WinCC Professional: Lập trình giao diện HMI và giao diện SCADA - SIMATIC Start Driver: Cấu hình biến tần Siemens Sử dụng một trong các hệ điều hành sau: - Windows 7 Home Premium/Professional/Enterprise/Ultimate SP 1 (32 Bit) - Windows 7 Home Premium/ Professional/Enterprise/Ultimate SP1 (64 Bit) - Windows 8.1 - Windows 8.1 Professional/Enterprise - Windows 10 (đối với bản V13 Sp2 trở lên) Cấu hình tốt nhất để chạy TIA Portal: - Processor: Core i5-3320M , 3.3 GHz - RAM: 16 GB - Screen resolution: 1920 x 1080 px - HDD: SSD với ít nhất 50GB bộ nhớ trống Hình 2.5 Giao diện làm việc của phần mềm 2.2.1. Một số thao tác cơ bản khi làm quen với phần mềm - Tạo project mới: Hình 2.6 Giao diện ban đầu của TIA Portal - Giao diện tổng quan trên trước khi lập trình : Hình 2.7 Giao diện khi tạo project mới - Giao diện thiết bị: Hình 2.8 Phần mềm hiển thị CPU sau khi được chọn - Tag của PLC: Hình 2.9 Đặt tên cho các ngõ vào ngõ ra -Giao diện lập trình : Hình 2.10 Giao diện lập trình chính - Đổ từ màn hình soạn thảo chương trình bằng cách kích vào biểu tượng download trên thanh công cụ của màn hình Hình 2.11 Tiến hành chọn chức năng tải chương trình xuống - Chọn cấu hình Type of the PG/PC interface và PG/PC interface như hình dưới sau đó nhấn chọn load Hình 2.12 Chọn phương thức để kết nối với PLC - Chọn start all như hình vẽ và nhấn finish Hình 2.13 Hoàn tất việc tải chương trình xuống PLC - Giám sát và thực hiện chương trình Để giám sát chương trình trên màn hình soạn thảo kích chọn Monitor trên thanh công cụ. Hoặc cách 2 làm như hình dưới Sau khi chọn monitor chương trình soạn thảo xuất hiện như sau: CHƯƠNG 3 : THIẾT KẾ HỆ THỐNG 3.1. Đấu nối thiết bị phần cứng - Sơ đồ đấu nối thiết bị phần cứng : Hình 3.1 Sơ đồ sâu khi được đấu nối Bạn có thể kết nối CM 1241 qua đầu nối PROFIBUS và cáp bus PROFIBUS của Siemens. Nối chân TX (chân 3 ) – RX(chân 8). 3.2 Cấu hình phần cứng PLC cho thiết bị Chọn thêm module CM 1241 cho 2 PLC

LỜI MỞ ĐẦU

Trong thời đại ngày nay, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật, quátrình sản xuất cũng phát triển không ngừng, và thay thế những phương thức sản xuất nhỏ,giản đơn bằng những hệ thống máy móc và các quy trình tự động hóa sản xuất phức tạp đemlại nguồn lợi rất lớn về kinh tế, thức đẩy sự phát triển đi lên nhanh chóng của xã hội Cùngvới đó chính là sự tăng lên về số lượng các kênh tín hiệu cần kiểm tra, đo lường và điềukhiển, kéo theo là sự tăng lên về số lượng các thiết bị thông minh trong hệ điều khiển Rõràng ở trong điều kiện đó thì vai trò của dữ liệu được thu thập tại các tầng khác nhau của hệđiều khiển các quá trình sản xuất và kỹ thuật đóng vai trò hết sức to lớn

Câu hỏi được đặt ra ở đây là với các hệ điều khiển lớn đến hàng trăm máy móc thiết bịtrong một phân xưởng, thậm chí đến hàng nghìn mắt xích trong một nhà máy Làm thế nào

để liên kết chúng lại với nhau và điều khiển tất cả các thiết bị đó trong một hệ thống nhất.Câu trả lời chính là sử dụng mạng truyền thông công nghiệp Trong kỳ này em thực hiện đề

tài: “Truyền thông MODBUS giữa 2 PLC S7-1200”

Em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ nhiệt tình của thầy giáo và các thầy cô giáotrong khoa để em có thể hoàn thành tốt đề tài này Tuy nhiên do kiến thức, kinh nghiệm chưađược hoàn chỉnh nên còn có một số thiếu sót trong quá trình thực hiện đề tài, mong được sựchỉ bảo, đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo và bạn đọc quan tâm đề tài này

Hà Nội, năm 2020

Sinh viên

CHƯƠNG 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ MẠNG TRUYỀN

THÔNG CÔNG NGHIỆP1.1 Khái niệm, vai trò mạng truyền thông công nghiệp

- Khái niệm:

Mạng truyền thông công nghiệp hay mạng công nghiệp là một khái niệm chung chỉcác hệ thống mạng truyền thông số, truyền bit nối tiếp, được sử dụng để ghép nối các thiết bịcông nghiệp.

Các hệ thống truyền thông công nghiệp hiện nay cho phép ta liên kết mạng ở nhiềumức khác nhau trong sơ đồ phân cấp hệ thống tự động hóa quá trình sản xuất và kỹ thuật từcác cảm biến, cơ cấu chấp hành dưới trường cho đến các máy tính điều khiển, thiết bị quansát, máy tính điều khiển quan sát cấp nhà máy, xí nghiệp

- Vai trò:

Ghép nối thiết bị, trao đổi thông tin là một trong những vấn đề cơ bản của bất kỳ mộtgiải pháp tự động hóa nào Một bộ điều khiển cần phải được kết nối với cơ cấu cảm biến vàchấp hành Giữa các bộ điều khiển trong một hệ thống phân tán cũng phải trao đổi thông tinvới nhau để phối hợp thực hiện điều khiển toàn bộ quá trình sản xuất

- Sử dụng mạng truyền thông công nghiệp, đặc biệt là bus trường để thay thế nối điểm vớiđiểm đem lại những lợi ích sau:

+ Đơn giản hóa cấu trúc liên kết giữa các thiết bị công nghiệp

+ Nâng cao độ tin cậy và độ chính xác của thông tin

+ Nâng cao độ linh hoạt và tính năng mở của hệ thống

+ Đơn giản hóa việc tham số hóa, định vị lỗi, sự cố của các thiết bị

Như vậy việc sử dụng mạng truyền thông công nghiệp không những đem lại nhữnglợi thế về mặt kỹ thuật mà còn cả về mặt kinh tế Chính vì vậy mà mạng truyền thông côngnghiệp được ứng dụng rộng rãi trong hầu hết các lĩnh vực công nghiệp

1.2 Phân loại và đặc trưng các hệ thống mạng công nghiệp

Sơ đồ mô hình phân cấp chức năng thường thấy trong các nhà máy, xí nghiệp:

Hình 1.1 Sơ đồ mô hình phân cấp chức năng nhà máy, xí nghiệp

Một nhà máy, xí nghiệp hay nói cách khác là một hệ thống điều khiển giám sát quátrình được phân thành 5 cấp cơ bản Mỗi cấp mang một chức năng riêng và có những yêu cầuđòi hỏi riêng Càng ở cấp dưới thì chức năng càng cơ bản và yêu cầu về độ nhanh nhạy và độphản ứng cao hơn với các cấp trên Nhưng càng lên các cấp trên thì lượng thông tin cần traođổi và xử lý càng lớn

Tương ứng với năm cấp chức năng là bốn cấp của hệ thống truyền thông Từ cấp điềukhiển giám sát trở xuống thuật ngữ "bus" thường được dùng thay thế cho "mạng" với lý dophần lớn các hệ thống mạng phía dưới đều có cấu trúc vật lý hoặc logic theo kiểu bus

Mô hình phân cấp chức năng có vai trò lớn trong việc phân tích hệ thống, lựa chọnthiết bị và thuận lợi cho việc theo dõi quá trình Tuy nhiên sự phân cấp chức năng là hoàntoàn không cần thiết đối với các hệ nhỏ và đơn giản

1.2.1 Bus trường và bus thiết bị

a Bus trường

- Khái niệm: Bus trường (fieldbus) là một khái niệm để chỉ các hệ thống bus nối tiếp, sử dụng

kỹ thuật truyền tin số để kết nối các thiết bị thuộc cấp điều khiển (PC, PLC) với nhau và vớicác thiết bị ở cấp chấp hành, hay các thiết bị trường Một số kiểu bus trường chỉ thích hợp nốimạng các thiết bị cảm biến và cơ cấu chấp hành với các bộ điều khiển, cũng được gọi là buschấp hành/cảm biến

- Ứng dụng: Bus trường được sử dụng chủ yếu trong các ngành công nghiệp chế biến Busthiết bị được sử dụng chủ yếu trong công nghiệp chế tạo (tự động hóa trong các dây chuyềnsản xuất, gia công).

Bus trường và bus thiết bị có chức năng tương đương, bên cạnh đó chúng cũng có một

số tính năng khác nhau do đặc trưng của 2 ngành khác nhau

- Nhiệm vụ của bus trường: Chuyển thông tin của quá trình sản xuât từ các cảm biến, sensorcấp trường lên cấp trên và chuyển tín hiệu điều khiển từ các cấp trên đến cơ cấu chấp hành

- Yêu cầu đối với bus trường: Yêu cầu về tính năng thời gian thực phải được đặt lên hàngđầu

Thời gian phản ứng: vài ms - 0,1s

Lượng thông tin cần truyền trong một bức điện trường: vài byte

Tốc độ truyền thông: vài Mbit/s

Việc trao đổi thông tin mang tính chất định kỳ, tuần hoàn

b Bus hệ thống, bus điều khiển:

- Bus hệ thống:

Ứng dụng: Các hệ thống mạng công nghiệp được dùng để kết nối các máy tính điềukhiển và các máy tính trên cấp điều khiển giám sát với nhau được gọi là bus hệ thống (systembus) hay bus quá trình (process bus)

Vai trò của bus hệ thống:

Truyền thông tin giữa các máy tính điều khiển

Cung cấp thông tin về quá trình cho các trạm kỹ thuật và trạm quan sát

Nhận mệnh lệnh, tham số điều khiển từ các trạm phía trên

Kết nối máy tính điều khiển, trạm kỹ thuật, trạm quan sát, trạm vận hành, máy in, lưu trữ dữliệu…

Yêu cầu đối với bus hệ thống:

+ Yêu cầu tính năng thời gian thực phụ thuộc vào lĩnh vực ứng dụng

+ Thời gian phản ứng tiêu biểu: vài trăm ms

+ Lưu lượng thông tin cần trao đổi lớn hơn nhiều bus trường

+ Tốc độ truyền thông tin: vài trăm kbit/s đến vài Mbit/s

- Bus điều khiển:

Ứng dụng: Là bus hệ thống chỉ được sử dụng để ghép nối các máy tính điều khiểntheo chiều ngang.

Vai trò bus điều khiển: trao đổi dữ liệu thời gian thực giữa các trạm điều khiển trongmột hệ thống có cấu trúc phân tán

Yêu cầu đối với bus điều khiển:

+ Yêu cầu tính năng thời gian thực cao

+ Tốc độ truyền không cao

+ Do các yêu cầu về tốc độ truyền thông và khả năng kết nối dễ dàng nhiều loại máy tính, hầuhết các bus hệ thống thông dụng đều dựa trên nền Ethernet

c Mạng xí nghiệp

Chức năng: Mạng xí nghiệp thực chất là một mạng LAN bình thường có chức năngkết nối các máy tính văn phòng thuộc cấp điều hành sản xuất với cấp điều khiển giám sát.Thông tin được đưa lên trên bao gồm trạng thái làm việc của các quá trình kỹ thuật, các giànmáy cũng như của hệ thống điều khiển tự động, các số liệu tính toán, thống kê và diễn biếnquá trình sản xuất và chất lượng sản phẩm Thông tin theo chiều ngược lại là các thông sốthiết kế, công thức điều khiển và mệnh lệnh điều khiển Ngoài ra thông tin cũng được traođổi mạnh theo chiều ngang giữa các máy tính thuộc cấp điều hành sản xuất, ví dụ hỗ trợ kiểulàm việc theo nhóm, cộng tác trong dự án, sử dụng chung các tài nguyên nối mạng (máy in,máy chủ )

Yêu cầu đối với mạng xí nghiệp:

- Không yêu cầu nghiêm ngặt về tính năng thời gian thực

- Việc trao đổi dữ liệu không diễn ra định kỳ, nhưng có khi với số lượng lớn đến hàng Mbyte

Hai loại mạng được dùng phổ biến cho mục đích này là Ethernet và Token-Ring Trên

cơ sở giao thức chuẩn như TCP/IP và IPX/SPX

d Mạng công ty

Mạng công ty nằm trên cùng trong mô hình phân cấp hệ thống truyền thông của mộtcông ty sản xuất công nghiệp Đặc trưng của mạng công ty gần với mạng viễn thông hoặcmột mạng máy tính diện rộng nhiều hơn trên các phương diện phạm vi và hình thức dịch vụ,phương pháp truyền thông và các hình thức dịch vụ, phương pháp truyền thông và các yêucầu về kỹ thuật

Chức năng của mạng công ty:

- Kết nối các máy tính của các văn phòng của các xí nghiệp

- Cung cấp các dịch vụ trao đổi thông tin nội bộ và với các khách hàng như thư viện điện tử,thư điện tử, hội thảo từ xa qua điện thoại, hình ảnh, cung cấp dịch vụ truy cập Internet vàthương mại điện tử…

Trong nhiều trường hợp, mạng công ty và mạng xí nghiệp được thực hiện bằng một

hệ thống mạng duy nhất về mặt vật lý, nhưng chia thành nhiều phạm vi và nhóm mạng làmviệc riêng biệt

Yêu cầu đối với mạng công ty:

- Tốc độ truyền thông cao

- Độ an toàn, tin cậy đặc biệt cao

1.2.2 Thông tin, dữ liệu và tín hiệu

Thông tin: Thông tin là một khái niệm trừu tượng, phản ánh thế giới khách quan, chochúng ta hiểu biết và nhận thức về thế giới khách quan Thông tin là cơ sở của giao tiếp

Dữ liệu :Thông tin là một khái niệm trìu tượng và được biểu diễn đa dạng dưới nhữnghình thức khác nhau tùy theo mục đích của người truyền đạt: hình ảnh, tiếng nói, cử chỉ, hànhđộng,… Các thông tin về quá trình được mã hóa dưới dạng nhị phân, được phân tích, đánhgiá và lưu lại dưới dạng dữ liệu hay nói cách khác, thông tin được số lượng hóa bởi dữ liệu để

có thể lưu giữ và xử lý Đơn vị nhỏ nhất của dữ liệu là bit

Tín hiệu: Tín hiệu là diễn biến của một đại lượng vật lý chứa đựng tham số thông tin/dữliệu và có thể truyền dẫn được Theo quan điểm toán học thì tín hiệu được coi là một hàm củathời gian Các tham số sau đây thường được dùng trực tiếp, gián tiếp hay kết hợp để biểu thị nộidung thông tin:

- Tương tự: Tham số thông tin có thể có một giá trị bất kỳ trong một khoảng nào đó

- Rời rạc: Tham số thông tin chỉ có thể có một số giá trị (rời rạc) nhất định

- Liên tục: Tín hiệu có ý nghĩa tại bất kỳ thời điểm nào trong một khoảng thời gian quan tâm.Nói theo nghĩa toán học, một tín hiệu liên tục là một hàm liên tục của biến thời gian trongmột khoảng xác định.

- Gián đoạn: tín hiệu chỉ có ý nghĩa tại những thời điểm nhất định

Hình 1.2 Tín hiệu tương tự, liên tục

Hình 1.3 Tín hiệu tương tự, gián đoạn

Hình 1.4 Tín hiệu rời rạc, liên tục

Hình 1.5 Tín hiệu rời rạc, gián đoạn

1.2.3 Truyền dữ liệu và tín hiệu

Truyền dữ liệu:

- Giao tiếp và truyền thông: Giao tiếp hay truyền thông là một quá trình trao đổi thông tingiữa hai chủ thể với nhau (đối tác giao tiếp) theo một phương pháp được quy định trước Đối

tác này có thể điều khiển đối tác kia, hoặc quan sát trạng thái của đối tác Các đối tác giao tiếp

có thể là người hoặc hệ thống kỹ thuật - tức là các thiết bị phần cứng (đối tác vật lý) hoặc cácđối tác phần mềm (đối tác logic)

- Để thực hiện việc giao tiếp hay truyền thông ta cần các tín hiệu thích hợp, có thể là tín hiệutương tự hay tín hiệu số Sự phân biệt giữa tín hiệu và thông tin dẫn tới sự phân biệt giữa xử

lý tín hiệu và xử lý thông tin, giữa truyền tín hiệu và truyền thông Có thể sử dụng các dạngtín hiệu rất khác nhau để truyền tải một nguồn thông tin, cũng như một tín hiệu có thể mangnhiều nguồn thông tin khác nhau

- Truyền dữ liệu là truyền tải thông tin dưới dạng tín hiệu số Dữ liệu là một dạng biểu diễnthông tin sử dụng mã nhị phân, có thể nói truyền dữ liệu là phương pháp truyền thông duynhất giữa các máy tính trong mạng máy tính

Mã hóa/giải mã:

- Mã hóa chỉ quá trình biến đổi nguồn thông tin (dữ liệu) cần trao đổi sang một chuỗi tín hiệuthích hợp để truyền dẫn Quá trình này ít nhất gồm hai bước: mã hóa nguồn và mã hóa đườngtruyền

- Trong quá trình mã hóa nguồn, dữ liệu mang thông tin thực dụng hay dữ liệu nguồn được

bổ xung các thông tin phụ trợ cần thiết cho việc truyền dẫn, ví dụ địa chỉ bên nhận và bên gửi,kiểu dữ liệu, thông tin tìm kiếm lỗi Dữ liệu trước khi gửi đi cũng có thể phân chia thànhnhiều gói dữ liệu bức điện phù hợp với phương pháp truyền, nén lại để tăng hiệu suất đườngtruyền, hoặc mã hóa bảo mật Như vậy lượng thông tin chứa đựng trong một tín hiệu sẽ nhiềuhơn lượng thông tin thực dụng cần truyền tải

Hình 1.6 Nguyên tắc cơ bản của truyền thông

Mã hóa đường truyền: là quá trình tạo tín hiệu tương ứng với các bit trong gói dữ liệuhay bức điện theo một phương pháp nhất định để phù hợp với đường truyền và kỹ thuậttruyền(quá trình này thưc hiện sau khi mã hóa nguồn) Trong truyền thông công nghiệp, mã

hóa đường truyền đồng nghĩa với mã hóa bit, bởi tín hiệu do khâu mã hóa từng bit tạo ra cũng

chính là tín hiệu được truyền dẫn

Trong một tín hiệu được truyền tải đi, cần có một phương pháp để bên nhận phân biệtgiới hạn giữa các bit dữ liệu nối tiếp nhau, quá trình đó gọi là phương pháp đồng bộ hóa Đểthực hiện được công việc này một cách đơn giản, tín hiệu thường được phát theo một nhịp

đều đặn, mỗi nhịp ứng với 1 bit Trong quá trình ngược lại với mã hóa là giải mã, đó là quá

trình chuyển đổi các tín hiệu nhận được thành dãy bit tương ứng và sau đó xử lý, loại bỏthông tin bổ xung để tái tạo thông tin nguồn

Điều chế và điều biến tín hiệu:

- Điều chế và điều biến là hai khái niệm được dùng với nghĩa rất gần nhau.

- Điều chế: được hiểu là quá trình tạo một tín hiệu trực tiếp mang tham số thông tin, thể hiệnqua biên độ, tần số hoặc pha, trong đó tham số thông tin có thể lấy một giá trị bất kỳ Mộttrường hợp đặc biệt của điều chế là khi nó được dùng vào mục đích truyền dữ liệu và tham

số thông tin chỉ có thể lấy hai giá trị logic 1 và 0, người ta dùng khái niệm mã hóa bit như đãgiới thiệu ở trên

- Điều biến: chỉ quá trình dùng tín hiệu mang thông tin để điều khiển, biến đổi các tham sốthích hợp của một tín hiệu thứ hai (tín hiệu mang) Mục đích cơ bản của điều biến là sử dụngmột tín hiệu mang có một dải tần khác để thực hiện phương pháp dồn kênh phân chia tần số,hoặc để tránh truyền dẫn ở dải tần cơ sở dễ bị nhiễu

- Đôi khi ranh giới để phân biệt giữa điều chế và điều biến cũng không hoàn toàn rõ ràng

Trong tiếng anh người ta sử dụng một thuật ngữ chung là modulation, tuy nhiên tùy theo ngữ

cảnh mà được hiểu theo hai nghĩa khác nhau

tốc độ truyền hay tốc độ bit Tốc độ truyền hay tốc độ bit được tính bằng số bit dữ liệu đượctruyền đi trong một giây, tính bằng bit/s hoặc bps (bit per second).

Thời gian bit/ chu kỳ bit

- Thời gian bit hay chu kỳ bit được định nghĩa là thời gian trung bình cần thiết để chuyển mộtbit, hay chính bằng giá trị nghịch đảo của tốc độ truyền tải

Tốc độ lan truyền tín hiệu

- Thời gian lan truyền tín hiệu là thời gian cần để một tín hiệu phát ra từ một đầu dây lantruyền tới đầu dây khác, phụ thuộc vào chiều dài dây và cấu tạo dây dẫn Tốc độ lan truyềntín hiệu chính là tốc độ truyền sóng điện từ Tuy nhiên, trong môi trường kim loại hoặc sợiquang học, giá trị này sẽ nhỏ hơn tốc độ truyền sóng điện từ hay tốc độ ánh sáng trong môitrường chân không

1.2.4 Tính năng thời gian thực

Tính năng thời gian thực là một trong những đặc trưng quan trọng nhất đối với các hệthống tự động hóa nói chung và với các hệ thống bus trường nói riêng

Một hệ thống có tính năng thời gian thực không nhất thiết phải có phản ứng thậtnhanh, mà quan trọng hơn là có phản ứng kịp thời đối với các yêu cầu tác đống bên ngoài

Như vậy, một hệ thống truyền thông có tính năng thời gian thực phải có khả năngtruyền tải thông tin một cách tin cậy và kịp thời với yêu cầu của các đối tác truyền thông

Để đảm bảo tính năng thời gian thực, một hệ thống bus phải có những đặc điểm sau:

- Độ nhanh nhạy (tốc độ truyền thông): đáp ứng nhu cầu trao đổi dữ liệu

- Tính tiền định: Dự đoán trước được về thời gian phản ứng tiêu biểu và thời gian phản ứngchậm nhất của từng trạm

- Độ tin cậy, kịp thời: Đảm bảo cho tổng thời gian cần cho việc chuyển dữ liệu một cách tincậy giữa các trạm nằm trong khoảng xác định

- Tính bền vững: Có khả năng xử lý sự cố một cách thích hợp để không gây hại thêm cho hệthống

- Truyền đồng bộ và truyền không đồng bộ.

- Truyền một chiều, hai chiều toàn phần và gián đoạn

- Truyền tải dải cơ sở, truyền tải dải mạng và truyền tải dải rộng

1.3 Giao thức mạng Modbus

1.3.1 Giới thiệu chung

Modbus là giao thức do hãng Modicon phát triển, tập hợp rộng các dịch vụ phục vụtrao đổi dữ liệu quá trình, dữ liệu điều khiển và chẩn đoán Modbus là một giao thức phổ biếnbậc nhất được sử dụng hiện nay cho nhiều mục đích vì nó đơn giản, rẻ, phổ biến và dễ sửdụng Theo mô hình ISO/OSI, Modbus thực chất là một chuẩn giao thức và dịch vụ thuộc lớpứng dụng

Hình 1.7 Vị trí mạng Modbus trong mô hình ISO

Có thể được thực hiện trên các cơ chế vận chuyển cấp thấp như TCP/IP, MAP và ngay

cả RS232 Ban đầu nó hoạt động trên RS232 nhưng sau đó nó sử dụng cho cả RS485 để đạttốc độ cao hơn, khoảng cách dài hơn

Hình 1.8 Phân loại mạng Modbus

Một ưu điểm khác của Modbus là nó có thể chạy hầu như trên tất cả các phương tiệntruyền thông, trong đó có cổng kết nối dây xoắn Các cải tiến Modbus gồm Modbus Plus vàModbus TCP, cả hai giao thức này cho phép đóng gói thông tin Modbus vào gói tin củamạng để cho phép giao tiếp đồng mức (peer-to-peer) Modbus Plus truyền dữ liệu qua mộtcặp cáp xoắn đơn và dùng cơ chế chuyền thẻ bài (token pass) để thực hiện các giao tiếp đồngmức Modbus TCP là một chuẩn mở được thiết kế để gửi các thông điệp Modbus qua TCP/IP

và các mạng Ethernet chuẩn

Hình 1.9 Mô hình peer-to-peer

1.3.2 Cơ chế giao tiếp

Phụ thuộc vào hệ thống truyền thông cấp thấp Cụ thể có thể chia ra 2 loại mạng làModbus chuẩn và Modbus trên các mạng khác (TCP/IP, Modbus Plus, MAP)

a Mạng Modbus chuẩn

Sử dụng giao diện RS232/RS485, các bộ điều khiện có thể được nối mạng trực tiếphoặc qua modern Các mạng Modbus giao tiếp với nhau qua cơ chế chủ/tớ, trong đó chỉ cómột thiết bị chủ động gửi yêu cầu, còn lại các thiết bị tớ sẽ đáp ứng dữ liệu trả lại theo đúngyêu cầu

b Modbus trên các mạng khác

Với một số mạng như Modbus Plus và MAP sử dụng Modbus là giao thức cho lớpứng dụng, các thiết bị có thể giao tiếp theo cơ chế riêng của mạng đó Tóm lại, giao thứcModbus vẫn tuân theo nguyên tắc chủ/tớ mặc dù phương pháp giao tiếp mạng cấp thấp có thể

là tay đôi

c Chu trình yêu cầu đáp ứng

Modbus là một hệ thống chủ - tớ, chủ được kết nối với một hay nhiều tớ Chủ thường

là một PLC, PC Tớ thường là các thiết bị hiện trường Khi một chủ muốn có thông tin từ

thiết bị, chủ sẽ gửi một thông điệp về dữ liệu cần, tóm tắt dò lỗi tới địa chỉ thiết bị Mọi thiết

bị khác trên mạng sẽ nhận thông điệp này nhưng chỉ có thiết bị nào được chỉ định mới cóphản ứng Các thiết bị trên mạng Modbus không thể tạo ra kết nối, chúng chỉ có thể phảnứng Nói cách khác, chúng chỉ lên tiếng khi được chủ nói tới

Hình 1.10 Chu trình yêu cầu-đáp ứng

Một thông báo yêu cầu gồm có 4 phần sau:

Hình 1.11 Các thành phần của khung thông báo

- Additional address: địa chỉ trạm nhận yêu cầu (0-247), trong đó 0 là địa chỉ gửi đồng loạtđến tất cả trạm tớ

- Function code: mã chức năng (1-255) xác định hành động mà trạm tớ cần thực hiện khinhận thông báo từ trạm chủ

05 Viết cuộn cảm đơn

07 Đọc trạng thái ngoại lệ

- Data: chứa thông tin chi tiết hành động của trạm tớ cần thưc hiện khi được chủ gọi Trongtrường hợp đọc thanh ghi, dữ liệu này chỉ rõ thanh ghi đầu tiên và số lượng các thanh ghi cầnđọc Nếu xảy ra lỗi, phần dữ liệu chứa mã ngoại lệ, nhờ đó mà ô chủ xác định được hànhđộng tiếp theo cần thục hiện

- Error Check: thông tin kiểm lỗi giúp trạm tớ kiểm tra nội dung thông báo nhận được

Thông báo đáp ứng cũng bao gồm các thành phần như thông báo yêu cầu

Tổ chức vùng nhớ

Hình 1.12 Tổ chức vùng nhớ của Modbus

Mỗi thiết bị Modbus có bộ nhớ chứa dữ liệu quá trình Thông số kỹ thuật của Modbuschỉ ra cách dữ liệu được gọi ra như thế nào, loại dữ liệu nào có thể được gọi ra Tuy nhiên,không đặt ra giới hạn về cách thức và vị trí mà nhà cung cấp đặt dữ liệu trong bộ nhớ

1.3.3 Chế độ truyền

a Chế độ ASCII

Khi các thiết bị trong mạng Modbus chuẩn giao tiếp với nhau thì mỗi byte trong thôngbáo được gửi thành hai ký tự ASCII 7 bit, trong đó mỗi ký tự biểu diễn một chữ số Hex Ưuđiểm là cho phép một khoảng thời gian trống tối đa 1s giữa hai ký tự mà không xảy ra lỗi.

Hình 1.13 Khung truyền ASCII

Mỗi ký tự khung bao gồm:

- 1 bit khởi đầu (Start Bit)

- 7 bit biễu diễn 1 chữ số Hex của byte cần gửi dưới dạng ký tự ASCII (0-9 và A-F), trong đóbit thấp nhất được gửi đi trước

- 1 bit parity chẵn/lẻ nếu sử dụng Parity

- 1 bit kết thúc (Stop Bit) nếu sử dụng parity hoăc 2 bit kết thúc nếu không sử dụng Parity

b Chế độ RTU

Ngược lại với ASCII thì ở chế độ RTU, mỗi byte thông báo được gửi thành ký tự 8 bit

Ưu điểm là hiệu suất cao hơn

Hình 1.14 Khung truyền RTU

Mỗi ký tự khung bao gồm:

- 1 bit khởi đầu (Start Bit)

- 8 bit của byte thông báo cần gửi, bit thấp nhất được gửi đi trước

- 1 bit Parity chẵn/lẻ nếu sử dụng Parity

- 1 bit kết thúc (Stop Bit) nếu sử dụng parity hoặc 2 bit kết thúc nếu không sử dụng parity

1.3.4 Chuẩn truyền thông RS-485 modbus

Năm 1983, Hiệp hội công nghiệp điện tử (EIA) đã phê duyệt một tiêu chuẩn truyềncân bằng mới gọi là RS-485 Đã được chấp nhận rộng rãi và sử dụng trong công nghiệp, y tế,

và dân dụng Có thể coi chuẩn RS485 là một phát triển của RS232 trong việc truyền dữ liệunối tiếp Những bộ chuyển đổi RS232/RS485 cho phép người dùng giao tiếp với bất kỳ thiết

bị mà sử dụng liên kết nối tiếp RS232 thông qua RS485 Liên kết RS485 được hình thànhcho việc thu nhận dữ liệu ở khoảng cách xa và điều khiển cho những ứng dụng Những đặc

điểm nổi trội của RS485 là nó có thể hỗ trợ một mạng lên tới 32 trạm thu phát trên cùng mộtđường truyền, tốc độ baud có thể lên tới 115.200 cho một khoảng cách là 4000feet (1200m).

Chuẩn truyền thông RS485 là một dạng tín hiệu giao tiếp móc nối hay còn gọi là thiết

bị trung gian hỗ trợ trong việc truyền tải dữ liệu về máy tính hoặc kết hợp với một truyềnthông khác đưa dưa liệu về một địa chỉ IP trên mạng internet giúp truy xuất ra file Excel lưutrữ

Hình 1.15 Truyền thông RS485 trong dây chuyền tự động hóa

Có thể hiểu đơn giản là dòng RS485 chính là dòng nâng cấp từ RS232 Ngày xưa sinh

ra thằng RS232 chỉ sử dụng trong việc kết nối gần và 1 dòng RS232 chỉ kết nối được 1 thiết

bị và người ta cải tiến truyền thông RS232 lên RS485 nhằm mục đích giúp thiết bị như plc,máy tính… được kết nối xa hơn và 1 RS485 có thể kết nối nhiều phương tiện hơn

CHƯƠNG 2: PHẦN MỀM LẬP TRÌNH PLC 2.1 Tổng quan về PLC S7-1200 và module CM1241

2.1.1 PLC S7-1200

Hình 2.1 PLC S7-1200

PLC viết tắt của Programmable Logic Controller là thiết bị điều khiển lập trình đượccho phép thực hiện linh hoạt các thực toán điều khiển logic thong qua một ngôn ngữ lậptrình Người sử dụng có thể lập trình để thực hiện môt loạt trình tự các sự kiện Các sự kiệnnày được kích hoạt bởi tác nhân kích thích tác động vào PLC hoặc qua các hoạt động có trễnhư thời gian định kì hay thời gian được đếm Một khi sự kiện được kích hoạt thật sự, nó bật

ON hay OFF các thiết bị điều khiển bên ngoài được gọi là thiết bị vật lý Một bộ điều khiểnlập trình sẽ liên tục lặp trong chương trình do người sử dụng lập ra chờ tín hiệu ở ngõ vào vàxuất tín hiệu ở ngõ ra tại các thời điểm đã lập trình

Để khắc phục những nhược điểm của bộ điều khiển dùng dây nối, người ta đã chế tao

bộ điều khiển PLC nhằm thoả mãn các yêu cẩu sau:

+ Lập trình dễ dàng, ngôn ngữ lập trình dễ học

+ Gọn nhẹ, dễ bảo quản, sửa chữa

+ Dung lượng bộ nhớ lớn để có thể chứa được những chương trình phức tạp

+ Hoàn toàn tin cậy trong môi trường công nghiệp

+ Giao tiếp được với các thiết bị thông minh khác như máy tính, nối mạng, các module mởrộng.

Các thiết kế đầu tiên là nhằm thay cho các phần cứng Relay dây nối và các logic thờigian Tuy nhiên bên canh đó việc đòi hỏi tăng cường dung lượng nhớ và tính dễ dàng choPLC mà vẫn đảm bảo tốc độ xử lí cũng như giá cả…

Chính điều này đã tạo ra sự quan tâm sâu sắc đến việc sử dụng PLC trong côngnghiệp, các tập lệnh nhanh chống đi từ các lệnh logic đơn giản đến các lệnh đếm, định thời,thanh ghi dịch…Sự phát triển các máy tính dẫn đến các bộ PLC có dung lượng lớn, số lượngI/O nhiều hơn

Trong PLC phần cứng CPU và chương trình là đơn vị cơ bản cho quá trình điều khiển

và sử lí hệ thống, chức năng mà bộ điều khiển cần thực hiện sẽ được xác định bằng mộtchương trình Chương trình này sẽ được nạp sẵn vào bộ nhớ của PLC, PLC sẽ thực hiện việcđiều khiển dựa vào chương trình này Như vậy nếu muốn thay đổi hay mở rộng chức năngcửa quy trình công nghệ Ta chỉ cần thay đổi chương trình bên trong bộ nhớ PLC Việc thayđổi hay mở rộng chức năng sẽ được thực hiện một cách dễ dàng mà không cần một sự canthiệp vật lí nào so với các bộ dây nối hay Relay

Hình 2.2 Cấu trúc của PLC

Thiết bị điều khiển logic lập trình PLC là thiết bị điều khiển đặc biệt dựa trên bộ vi xử

lý, sử dụng bộ nhớ lập trình được để lưu trữ các lệnh và thực hiện các chức năng: phép logic,lập chuỗi, định giờ, đếm, thuật toán để điều khiển máy và các quá trình

PLC được thiết kế cho phép những người không yêu cầu kiến thức cao về máy tính vàngôn ngữ máy tính có thể vận hành được Khi cần điều khiển một bài toán ta chỉ cần viếtchương trình theo ngôn ngữ PLC và nhập vào bộ nhớ PLC Thiết bị điều khiển sẽ giám sátcác tín hiệu vào /ra theo các chương trình này và thực hiện các quy tắc điều khiển đã lậptrình

PLC có 5 thành phần cơ bản: Đơn vị xử lý trung tâm, bộ nhớ, bộ nguồn nuôi, khối tínhiệu vào/ra và thiết bị lập trình

Hình 2.3 Cấu tạo của PLC

Ta thấy cấu trúc cơ bản của PLC bao gồm một bộ vi xử lý trung tâm CPU, bộ nhơ(ROM, RAM), khối vào ra, khối phát xung nhịp, pin và hệ thống các BUS

Toàn bộ hoạt động của PLC được điều khiển bởi CPU, nó được cung cấp bởi khốiphát xung nhịp, do đó tốc độ của CPU sẽ phụ thuộc vào khối phát xung nhịp( thông thườngkhối phát xung nhịp có tần số vào khoảng 1-8 MHz ), xung nhịp này sẽ cung cấp cho tất cảcác khối trong PLC để đồng bộ hóa quá trình hoạt động của khối này với CPU