mạng truyền thông công nghiệp - gvhd nguyễn mạnh hà

Các trạm Modbus giao tiếp với nhau qua cơ chế Master/Slaver, trong đó chỉ có 1 thiết bị chủ có thể chủ động gởi yêu cầu, các thiết bị tớ sẽ đáp ứng bằng dữ liệu trả lại hoặc thực hiện mộ

Contents 1

A.GIỚI THIỆU CHUNG 2

B.Phân tích các giải pháp công nghệ để thực hiện các yêu cầu kỹ thuật của mạng công nghiệp trong hệ thống Modbus 2

1.Giao thức modbus: 3

2 Cơ chế giao tiếp 5

3 Chế độ truyền tải: 7

a.Chế độ ASCII: 7

b Chế độ RTU 7

4.Tổ chức vùng nhớ: 8

5.Cấu trúc bức điện 9

a Khung ASCII: 9

b Khung RTU 11

6 Bảo toàn dữ liệu: 11

a.Kiểm soát LRC: 12

b.Kiểm soát CRC: 12

C Phiên bản của modbus: 16

A GIỚI THIỆU CHUNG

Tôi cũng chỉ biết qua qua do không chuyên về thứ này lắm, nhưng có va chạm

khi làm về các thiết bị tự động trên tàu (loading computer, tank level gauging,

engine alarm & monitoring systems, etc)

Cơ bản thì MODBUS là một protocol phổ biến bậc nhất được sử dụng hiện nay cho

nhiều mục đích MODBUS đơn giản, rẻ, phổ biến và dễ sử dụng Được phát minh từ

thế kỉ trước (gần 30 năm trước), các nhà cung cấp thiết bị đo và thiết bị tự động hóa

trong công nghiệp tiếp tục hỗ trợ MODBUS trong các sản phẩm thế hệ mới Mặc dù

các bộ phân tích, lưu lượng kế, hay PLC đời mới có giao diện kết nối không dây,

Ethernet hay fieldbus, MODBUS vẫn là protocol mà các nhà cung cấp lựa chọn cho

các thiết bị thế hệ cũ và mới

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, không dây, sợi quang,

Ethernet, modem điện thoại, điện thoại di động và vi sóng Có nghĩa là, kết nối

MODBUS có thể được thiết lập trong nhà máy thế hệ mới hay hiện tại khá dễ dàng

Thực ra, nâng cao ứng dụng cho MODBUS là cung cấp truyền thông số trong nhà

máy đời cũ, sử dụng kết nối dây xoắn hiện nay

MODBUS do Modicon (hiện nay thuộc Schneider Electric) phát triển năm

1979, là một phương tiện truyền thông với nhiều thiết bị thông qua một cặp dây

xoắn đơn 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, và mạng đa điểm (multi-drop)

MODBUS đã nhanh chóng trở thành tiêu chuẩn thông dụng trong ngành tự động

hóa, và Modicon đã cho ra mắt công chúng như một protocol miễn phí

Ngày nay, MODBUS-IDA, tổ chức sử dụng và cung cấp MODBUS lớn nhất

tiếp tục hỗ trợ protocol MODBUS trên toàn cầu

MODBUS là một hệ thống “chủ - tớ”, “chủ” được kết nối với một hay nhiều

“tớ” “Chủ” thường là một PLC, PC, DCS, hay RTU “Tớ” MODBUS RTU thường

là các thiết bị hiện trường, tất cả được kết nối với mạng trong cấu hình multi-drop

(hình1) Khi một chủ MODBUS RTU muốn có thông ty 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

B Phân tích các giải pháp công nghệ để thực hiện các yêu cầu kỹ thuật của mạng công nghiệp trong hệ thống Modbus

.Giao thức modbus :

Modbus là giao thức do hãng Modicon phát triển Theo mô hình OSI/ISO thì Modbus thực chất là một chuẩn giao thức và dịch vụ thuộc lớp ứng dụng, vì

vậy có thể được thực hiện trên các cơ chế vận chuyển cấp thấp như TCP/IP, MAP

(Manufactoring Message Protocol), và ngay cả qua đường truyền nối tiếp

RS-232

2 Cơ chế giao tiếp

Mạng Modbus chuẩn sử dụng giao diện nối tiếp RS-232C Các trạm Modbus giao tiếp với nhau qua cơ chế Master/Slaver, trong đó chỉ có 1 thiết

bị chủ có thể chủ động gởi yêu cầu, các thiết bị tớ sẽ đáp ứng bằng dữ liệu trả lại hoặc thực hiện một hành động nhất định theo như yêu cầu

Các thiết bị chủ thông thường là máy tính điều khiển trung tâm và các thiết bị lập

trình

Các thiết bị tớ có thể la PLC hoặc các bộ điều khiển số chuyên dụng khác

Một trạm chủ có thể gởi thông báo yêu cầu tói riêng một trạm tớ nhất định,

hoặc gởi

thông báo đồng loạt (broadcast) tới tất cả các trạm tớ.Chỉ trong trường hợp nhận

được

yêu cầu riêng, các trạm tớ mới gởi thông báo trả lại trạm chủ Nếu thông báo yêu

cầu

có chứa địa chỉ trạm nhận, mã hàm dịch vụ bên nhận cần thực hiện, dữ liệu đi

kèm và

thông tin kiểm lỗi

*Chu trình yêu cầu đáp ứng :

Khuôn dạng của thông báo yêu cầu cũng như của thông báo đáp ứng như sau :

Một thông báo yêu cầu bao gồm các phần sau :

• Địa chỉ trạm nhận yêu cầu (0-247), trong đó 0 là địa chỉ gởi đồng loạt

• Mã hàm gọi chỉ thị hành động trạm tớ cần yêu cầu

• Dữ liệu chứa các thông tin bổ sung mà trạm tớ cần cho việc thực hiện hàm được

gọi Khi đọc thanh ghi, dữ liệu này chỉ rõ thanh ghi đầu tiên và số lượng các thanh ghi

được đọc

• Thông tin kiểm lỗi giúp trạm tớ kiểm tra độ vẹn toàn của nội dung thông báo

nhận được

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

cầu Địa

chỉ ở đây là của chính trạm tớ đã thực hiện yêu cầu và gởi lại đáp ứng Trong

trường

hợp bình thường, mã hàm được giữ nguyên như trong thông báo yêu cầu và dữ

liệu

chứa kết quả thực hiện hành động, ví dụ nội dung và trạng thái hoạt động thanh

ghi

Nếu xảy ra lỗi, mã hàm quay lại được sửa để chỉ thị dấp ứng là một thông báo

lỗi, còn

dữ liệu mô tả chi tiết lỗi xảy ra Phần kiểm lỗi giúp trạm chủ xác định độ chính

xác

của nội dung thông báo nhận được

3 Chế độ truyền tải:

Đối với các thiết bị ghép nối qua mạng Modbus chuẩn, có thể sử dụng một trong 2 chế

độ truyền tải là ASCII hoặc RTU Người sử dụng lựa chọn chế độ theo ý muốn,

cùng với

các tham số truyền thông qua cổng nối tiếp như tốc độ truyền, parity chẵn/lẻ,…

Chế độ truyền cũng như các tham số phải giống nhau đối với tất cả các thành viên

của một mạng Modbus

a Chế độ ASCII:

American Standard Code for Information Interchange

Mỗi byte thông báo được gởi thành hai ký tự ASCII 7bit, trong đó mỗi ký tự

biểu diễn một chữ số hex

Cấu trúc một ký tự khung gởi đi được thể hiện như sau :

Mỗi ký tự khung bao gồm :

• 1 bit khởi đầu (startbit)

• 7 bit biễu diễn 1 chữ số hex của byte cần gởi dưới dạng ký tự ASCII (0-9

và A-F), trong đó bit thấp nhất được gởi đi trước

• 1 bit parity chẵn/lẽ, nếu sử dụng parity

• 1 bit kết thúc (stopbit) nếu sử dụng parity hoặc 2 bit kết thúc nếu không sử dụng

parity

b Chế độ RTU

Remote Terminal Unit

Mỗi byte thông báo được gởi thành một ký tự 8 bit

Cấu trúc của một ký tự khung được gởi đi được thể hiện như sau :

Mỗi ký tự khung bao gồm :

• 1 bit khởi đầu (startbit)

• 8 bit của byte thông báo được gởi, trong đó bit thấp nhất được gởi đi trước

• 1 bit parity chẵn/lẽ, nếu sử dụng parity

• 1 bit kết thúc (stopbit) nếu sử dụng parity hoặc 2 bit kết thúc nếu không sử dụng

parity

*** So sánh 2 chế độ truyền :

Hiệu suất : RTU cao hơn ASCII

Thời gian chờ : ASCII cho phép một khoảng thời gian trống tối đa một giây giữa 2 ký tự mà không gây ra lỗi Còn RTU thì mỗi thông báo phải

được truyền thành dòng liên tục

4.Tổ chức vùng nhớ:

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 Dưới đây là ví dụ về cách thức mà nhà cung cấp đặt các loại dữ liệu biến

thiên quá trình hợp lí

Các đầu vào và cuộn cảm rời rạc có giá trị 1 bit, mỗi một thiết bị lại có một địa chỉ cụ

thể Các đầu vào analog (bộ ghi đầu vào) được lưu trong bộ ghi 16 bit Bằng cách sử

dụng 2 bộ ghi này, MODBUS có thể hỗ trợ format điểm floating (nổi) IEEE 32 bit Bộ

ghi Holding cũng sử dụng các bộ ghi bên trong 16 bit hỗ trợ điểm floating

40001 – 49999 Đọc hoặc viết Bộ ghi Holding

Hình 1: Hướng dẫn xử dụng của hầu hết các thiết bị tương thích MODBUS như

bộ truyền nhiệt TMZ của Moore Industries, công bố địa chỉ của các chỉ số biến thiên

quan trọng trong bộ nhớ MODBUS Địa chỉ TMZ tuân theo các thông số kỹ thuật của

MODBUS

- Dữ liệu trong bộ nhớ được xác định trong thông số kỹ thuật MODBUS Giả sử rằng nhà

cung cấp tuân theo tiêu chuẩn kỹ thuật MODBUS (không phải tất cả), mọi dữ liệu có thể

được truy cập dễ dàng bởi chủ, thiết bị tuân theo các thông số kỹ thuật trong nhiều

trường hợp, nhà cung cấp thiết bị công bố vị trí của bộ nhớ, tao điều kiện cho nhân viên

lập trình dễ dàng để kết nối với thiết bị tớ

5.

Cấu trúc bức điện

Một thông báo Modbus bao gồm nhiều thành phần và có chiều dài khác nhau

Nếu 1 trong 2 chế độ truyền được chọn, một thông báo sẽ được đóng khung

Mỗi khung bao gồm nhiều ký tự khung có cấu trúc như được mô tả ở mục trên hai chế độ truyền ASCII và RTU không những chỉ khác nhau ở cách mã hóa

thông

tin gởi đi và cấu trúc ký tự khung, mà còn khác nhau ở cấu trúc một bức điện gởi

đi – hay nói cách khác là cấu trúc khung thông báo, cũng như biện pháp kiểm lỗi

a Khung ASCII:

Khở

i

đầu

Khở

i đầu

Mã hà m

Dữ liệ u

Mã LC R

Kết thúc

1 ký

tự

:

2 ký

tự

n

ký tự

2 ký

tự 2 ký tựCR+L

F

Một thông báo bắt đầu với dấu ‘:’, tức là ký tự 3A, và kết thúc bằng hai dấu qua

lại – xuống dòng ‘CRLF’, tức là 2 ký tự ASCII 0D và 0A Mỗi byte trong thông

báo được truyền đi bằng 2 ký tự ASCII, vì vậy các ký tự được phép xuất hiện

trong các phần còn lại của khung là 0-9 và A-F

Mỗi thiết bị tham gia mạng có trách nhiệm liên tục theo dõi đường truyền

và sự xuất hiện của dấu ‘:’.Khi dấu ‘:’ xuất hiện thì 2 ký tự tiếp theo sẽ mang địa

chỉ của thiết bị được yêu cầu nhận thông báo hoặc thiết bị đã gởi thông báo đáp

ứng Khoảng cách tối đa cho phép giữa 2 ký tự trong một thông báo là 1 giây

Vượt quá giá trị này xem như bị lỗi

Địa chỉ gồm 2 ký tự ASCII Các giá trị hợp lệ nằm trong khoảng 0-247, trong

đó địa chỉ 0 dành riêng cho các thông báo gửi đồng loạt tới các trạm tớ

Một thiết bị chủ sử dụng ô địa chỉ để chỉ định thiết bị tớ nhận yêu cầu Sau khi thực hiện yêu cầu, thiết bị tớ đưa địa chỉ của mình vào khung thông báo đáp

ứng, nhờ vậy

thiết bị chủ có thể biết thiết bị tớ nào đã trả lời

Trong một mạng Modbus chuẩn chỉ có 1 trạm chủ duy nhất, vì thế ô địa

chỉ không

cần thiết chứa cả địa chỉ trạm gởi và trạm nhận

Phần mã hàm trong một khung thông báo gồm 2 ký tự ASCII, các giá trị

hợp lệ trong khoảng 1-255, trong đó mã hàm yêu cầu chỉ được phép từ 1-127

Khi một thông báo gởi từ thiết bị chủ đến thiết bị tớ, mã hàm chỉ định

hành động mà thiết bị tớ cần thực hiện

Khi thiết bị tớ thực hiện nó cũng dùng chính mã hàm đó trong thông báo

đáp

ứng bình thường Nếu xảy ra lỗi mã hàm sẽ mã hàm trong yêu cầu với bit cao

nhất được đặt bằng 1 và phần dữ liệu sẽ chứa thông tin chi tiết về lỗi đã xảy ra

Trong một thông báo yêu cầu, nội dung phần dữ liệu nói lên chi tiết hành động

mà

bên nhận cần thực hiện Trong trường hợp bình thường, phần dữ liệu trong thông

báo

đáp ứng sẽ chứa kết quả của hành động thực hiện Nếu xảy ra lỗi, phần dữ liệu

chứa

mã ngoại lệ, nhờ đó mà thiết bị chủ xác định hành động đã thực hiện Lưu ý rằng

một số hàm không đòi

hỏi tham số, vì vậy phần dữ liệu có thể trống

Ví dụ : Trong một yêu cầu đọc các thanh ghi thì phần dữ liệu chứa thông tin về

địa

chỉ thanh ghi đầu tiên, số lượng các thanh ghi cần đọc và chiều dài thực tế của

chính

phần dữ liệu Trong thông báo đáp ứng chứa nội dung các thanh ghi đã đọc

Khung ASCII sử dụng phương pháo kiểm lỗi LRC gồm 2 ký tự

b Khung RTU

Khở

i

đầu

Khở

i đầu

Mã hà m

Dữ liệ u

Mã LC R

Kết thú c

( )

8 bit

n*8 bit

8 bit

16 bit

( )

Một thông báo bắt đầu với 1 khoảng trống yên lặng tối thiểu là 3.5 thời gian ký

tự,

thường biểu thị bằng dãy ( ) Ô đầu tiên sẽ truyền 8 bit địa chỉ, sau đó dén 8 bit

mã

hàm, một số byte tùy ý dữ liệu và cuối cùng là thông tin kiểm lỗi CRC Thông

báo kết

thúc cũng bằng 1 khoảng trống yên lặng tối thiểu là 3.5 thời gian ký tự Thực tế

khoảng

trống kết thúc 1 thông báo cũng chính la khoảng trống bắt đầu bắt buộc của 1

thông

báo tiếp theo

Toàn bộ khung thông báo RTU phải được truyền thành dòng liên tục Nếu 1

khoảng

trống yên lặng >1.5 thời gian ký tự xuất hiện trước khi truyền xong toàn bộ

khung,

thiết bị nhận được sẽ hủy bỏ thông báo chưa đầy đủ đó và cho rằng byte tiếp theo

sẽ là

địa chỉ của một thông báo mới

Phần địa chỉ giống như trong chế độ ASCII, nhưng bao gồm 8 bit

Phần mã hàm giống như chế độ ASCII, nhưng bao gồm 8 bit

Phần dữ liệu giống như chế độ ASCII, nhưng bao gồm n*8 bit

Khung RTU sử dụng phương pháp kiểm lỗi CRC gồm 16 bit

6

Bảo toàn dữ liệu:

Mạng Modbus chuẩn sử dụng 2 biện pháp bảo toàn dữ liệu ở 2 mức:

• Kiểm soát khung thông báo

• Kiểm soát ký tự khung

Có thể lựa chọn kiểm tra bit chẵn/lẻ cho từng ký tự khung

Cả khung thông báo lại được kiểm soát 1 lân nữa bằng mã LRC với chế đọ

truyền

ASCII hoặc mã CRC với chế độ RTU

a.Kiểm soát LRC:

LRC : Longitudinal Redundancy Check

Dùng trong chế độ truyền ASCII

Dãy nguồn bit được áp dụng để tính mã LRC bao gồm phần địa chỉ, mã hàm và

phần

dữ liệu Các ô khởi đầu, kết thúc khung không tham gia vào tính toán

Dài 8 bit (truyền 2 ký tự ASCII), được tính bằng cách cộng đại số toàn cục các

byte

của dãy nguồn bit nguồn (không tính tới tràn), sau đó lấy phần bù 2 của kết quả

Khi đặt cấu hình cho một thiết bị chủ, có thể chọn một khoảng thời gian timeout

mà

nó có thể chờ đợi đáp ứng từ trạm tớ Timeout phải đủ lớn để bất cứ thiết bị tớ

nào

cũng có thể trả lời trong điều kiện bình thường Nếu thiết bị tớ phát hiện lỗi ở

thông

báo yêu cầu, nó sẽ không trả lời Vì vậy thiết bị chủ sẽ tự nhận biết lỗi và sẽ thực

hiện

các hành động cần thiết Một thông báo gởi tới địa chỉ một trạm không tồn tại

cũng gây

ra timeout

b.Kiểm soát CRC:

CRC :

Dùng trong chế độ truyền RTU

Dài 16 bit

Đa thức phát được sử dụng G=1001 0000 0000 0001

Khi đưa vào khung thông báo, byte thấp của mã CRC gởi trước, tiếp theo là các

byte

II Modbus trên các mạng khác:

Với một số mạng khác như Modbus Plus, TCP/IP và MAP ( Manufacturing

Message

Protocol),… sử dụng Modbus là giao thức cho lớp ứng dụng

Ở đây ta xét mạng Modbus Plus

Modbus Plus là một hệ thống bus dựa trên giao thức Modbus, phục vụ nối mạng

ở

cấp trường cũng như ở cấp điều khiển

Ưu điểm của Modbus Plus

• Giá rẻ

• Dễ lắp đặt

• Dễ vận hành

Một số đặt tính kỹ thuật của Modbus plus :

• Modbus Plus sử dụng đôi dây xoắn là môi trường truyền

• Chiều dài cáp dẫn tối đala 500m không cần bộ lặp

• Kỹ thuật truyền dẫn RS-485

• Tốc đọ truyền có thể lên đến 1Mbit/s

• Kỹ thuật truy nhập môi trường là Token-Pasing

1.Cơ chế giao tiếp :

Sử dụng Modbus là giao thức cho lớp ứng dụng, các thiết bị có thể giao tiếp

theo cơ

chế riêng của mạng đó

Ví dụ trong giao tiếp tay đôi (Pear-to-Pear), mỗi bộ điều khiển có thể đóng vai

trò là

chủ hoặc tớ trong các lần giao dịch (một chu kỳ yêu cầu-đáp ứng) khác nhau Một

trạm

có thể cùng một lúc có quan hệ logic với nhiều đối tác, vì vậy nó có thể đồng thời

đóng

vai trò là chủ hoặc tớ trong các lần giao dịch khác nhau

2.Khung Modbus trên mạng Modbus Plus:

Khi thực hiện Modbus trên các mạng khác như Modbus Plus các thông báo

Modbus

được đưa vào khung theo giao thức vận chuyền/liên kết dữ liệu cụ thể

Ví dụ : Một lệnh yêu cầu đọc nội dung các thanh ghi có thể được thực hiện giữa

2 bộ

điều khiển ghép nối qua Modbus Plus

Khác với mạng Modbus chuẩn, các thông báo Modbus được gởi trên mạng

Modbus

Plus được đóng thành các khung LLC (Logical Link Control) Mỗi khung LLC

lại được

lớp MAC (Medium Access Control) bổ sung các thông tin như các địa chỉ trạm

gởi và

trạm nhận cũng như số lượng byte được truyền Trước khi mã hóa bit, một khung

MAC

lại được đóng gói thành một bức điện HDLC (High-level Data Link Control)

Output Patch (1 byte) : đường dẫn đầu ra, chỉ thị 1 kênh logic cảu trạm chủ, có vai trò trong việc dồn kênh/phân kênh.