Lập trình arduino giao tiếp PLC qua chuẩn RS 485

Lập trình arduino giao tiếp PLC qua chuẩn RS 485 .Trong nền công nghiệp hiện nay, việc ứng dụng mạng công nghiệp để điều khiển và giám sát các thiết bị, các cơ cấp chấp hành ngày càng được sử dụng nhiều trong các nhà máy, xí nghiệp, và các dây chuyền sản xuất . Việc điều khiển một hệ thống bởi một máy tính giúp cho việc lưu giữ các giá trị hiện tại được thuận tiện hơn… Một điều thuận lợi là càng ngày càng có nhiều thiết bị chấp hành hoặc thiết bị điều khiển như PLC, biến tần,…được tích hợp các giao thức mạng như: Profibus, Can, Modbus,…Từ những giao thức mạng tích hợp có sẵn trên các thiết bị trên, nhóm đã thực hiện việc tìm hiểu về mạng truyền thông công nghiệp theo giao thức Modbus, từ đó ứng dụng để xây dựng một mô hình truyền thông giữa PLC và Arduino theo chuẩn RS485. Việc xây dựng nên mô hình, vừa có mục đích tìm hiểu, vừa mang lại môt cái nhìn trực quan về một hệ thống mạng công nghiệp. Việc thực hiện đồ án môn học bằng các kiến thức đã học, một số sách tham khảo và nguồn tài liệu khác nên không tránh khỏi thiếu sót. Vì vậy em rất mong được sự góp ý của thầy cô. Em xin chân thành cảm ơn

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

DANH MỤC HÌNH ẢNH 2

LỜI NÓI ĐẦU 3

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PLC S7 200 VÀ ARDUINO UNO 4

1.1 PLC S7- 1200 4

1.1.1.Giới thiệu chung về PLC 4

1.1.2.PLC S7-200 6

1.1.3.Phân loại. 7

1.1.3.1 Phân loại theo CPU 7

1.1.3.2 Phân loại theo cấp điện áp 8

1.1.4 Cấu trúc bên trong 8

1.1.5 Phương pháp lập trình điều khiển 9

1.2 Arduino Uno 10

1.3 Mạch Chuyển Giao Tiếp UART TTL sang RS485 13

CHƯƠNG 2 : TÌM HIỂU GIAO THỨC MODBUS 15

2.1 Giao thức modbus 15

2.1.1 Khái niệm tổng quát 15

2.1.2 Phân loại 15

2.1.4 Ứng dụng 15

2.1.5 Cách Modbus hoạt động 16

2.1.6 Modbus RTU 16

2.1.7 Hàm khởi tạo MBUS_CTRL 17

2.1.8 Hàm truyền nhận dữ liệu MBUS_MSG 18

CHƯƠNG 3 : XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN 19

3.1 Mục đích 19

3.2 Sơ đồ đấu nối phần cứng 19

3.3 Nguyên lý hoạt động 21

3.4 Thuật toán điều khiển 22

3.5 Chương trình trên PLC 23

3.6 Chương trình trên Arduino 25

3.7 Kết quả thực hiện 26

KẾT LUẬN 28

TÀI LIỆU THAM KHẢO 29

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN 30

DANH MỤC HÌNH ẢN

Hình 1.1 Các dòng PLC của Siemen 6

Hình 1.2 Sơ đồ cấu tạo 6

Hình 1.3 Các thành phần trên CPU S7-200 8

Hình 1.4 Cấu trúc bên trong 10

Hình 1.5 Phương pháp lập trình điều khiển 11

Hình 1.5 Arduino uno R3 11

Hình 1.6 Vi điều khiển Atmega 328 12

Hình 1.7: Mạch Chuyển Giao Tiếp UART TTL sang RS485 14

Hình 2.1: Cấu trúc bản tin Modbus RTU 17

Hình 3.1: Sơ đồ đấu nối phần cứng 20

Hình 3.2: Sơ đồ nối dây giữa RS-485 và PLC 21

Hình 3.2: Sơ đồ nối dây giữa RS-485 và Arduino 21

Hình 3.3 Sơ đồ nối dây giữa Arduino với biến trở 22

Hình 3.4: Lưu đồ thuật toán 23

Hình 3.5: Sơ đồ nguyên lý lập trình Arduino giao tiếp với PLC theo chuẩn RS-485 27

Hình 3.6: Sơ đồ mạch in lập trình Arduino giao tiếp với PLC theo chuẩn RS-485 27

Hình 3.7: Sơ đồ mạch mô phỏng 3D lập trình Arduino giao tiếp với PLC theo chuẩn RS-485 28

Hình 3.8: Sơ đồ nối dây hoàn chỉnh lập trình Arduino giao tiếp với PLC theo chuẩn RS-485 28

LỜI NÓI ĐẦU

Trong nền công nghiệp hiện nay, việc ứng dụng mạng công nghiệp để điều khiển và giám sát các thiết bị, các cơ cấp chấp hành ngày càng được sử dụng nhiều trong các nhà máy, xí nghiệp, và các dây chuyền sản xuất Việc điều khiển một hệ thống bởi một máy tính giúp cho việc lưu giữ các giá trị hiện tại được thuận tiện hơn…

Một điều thuận lợi là càng ngày càng có nhiều thiết bị chấp hành hoặc thiết bị điều khiển như PLC, biến tần,…được tích hợp các giao thức mạng như: Profibus, Can, Modbus,…Từ những giao thức mạng tích hợp có sẵn trên các thiết bị trên, nhóm đã thực hiện việc tìm hiểu về mạng truyền thông công nghiệp theo giao thức Modbus, từ

đó ứng dụng để xây dựng một mô hình truyền thông giữa PLC và Arduino theo chuẩnRS485 Việc xây dựng nên mô hình, vừa có mục đích tìm hiểu, vừa mang lại môt cáinhìn trực quan về một hệ thống mạng công nghiệp.

Việc thực hiện đồ án môn học bằng các kiến thức đã học, một số sách thamkhảo và nguồn tài liệu khác nên không tránh khỏi thiếu sót Vì vậy em rất mong được

sự góp ý của thầy cô

Em xin chân thành cảm ơn!

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PLC S7 200 VÀ ARDUINO UNO

1.1 PLC S7- 1200

1.1.1 Giới thiệu chung về PLC

PLC viết tắt của Programmable Logic Controller, là thiết bị điều khiển lập trìnhđược cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển logic thông qua một ngônngữ lập trình Người sử dụng có thể lập trình để thực hiện một loạt trình tự các sự kiện.Các sự kiện này đươc kích hoạt bởi tác nhân kích thích (ngõ vào) tác động vào PLChoặc qua các hoạt động có trễ như thời gian định thì hay các sự kiện được đếm Mộtkhi sự kiện được kích hoạt thật sự, nó bật ON hay OFF thiết bị điều khiển bên ngoàiđược gọi là thiết bị vật lý Một bộ điều khiển lập trình sẽ liên tục "lặp" trong chươngtrình do "người sử dụng lập ra" chờ tín hiệu ở ngõ vào và xuất tín hiệu ở ngõ ra tại cácthời điểm đã lập trình

Để khắc phục những nhược điểm của bộ điều khiển dùng dây nối người ta đãchế tạo ra bộ PLC nhằm thỏa mãn các yêu cầu sau:

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

+ Gọn nhẹ, dễ dàng 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 mô Modul mở rộng

Các thiết kế đầu tiên là nhằm thay thế cho các phần cứng Relay dây nối và cácLogic thời gian.Tuy nhiên,bên cạnh đó việc đòi hỏi tăng cường dung lượng nhớ và tính

dễ dàng cho PLC mà vẫn bảo đảm tốc độ xử lý cũng như giá cả …

Chính điều này đã gây ra sự quan tâm sâu sắc đến việc sử dụng PLC trong côngnghiệp Các tập lệnh nhanh chóng đi từ các lệnh logic đơn giản đến các lệnh đếm, địnhthời, thanh ghi dịch … sau đó là các chức năng làm toán trên các máy lớn

Sự phát triển các máy tính dẫn đến các bộ PLC có dung lượng lớn, số lượng I/Onhiều hơn

Trong PLC, phần cứng CPU và chương trình là đơn vị cơ bản cho quá trìnhđiều khiển hoặc xử lý hệ thống Chức năng mà bộ điều khiển cần thực hiện sẽ đượcxác định bởi một chương trình Chương trình này 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 của quy trình công nghệ, ta chỉ cần thay đổi chương trìnhbên trong bộ nhớ của PLC Việc thay đổi hay mở rộng chức năng sẽ được thực hiệnmột cách dễ dàng mà không cần một sự can thiệp vật lý nào so với sử dụng các bộ dâynối hay Relay.

Hình 1.1 Các dòng PLC của Siemen

1.1.2 PLC S7-200

PLC S7-200 là thiết bị điều khiển logic lập trình loại nhỏ của hãng Siemens, cócấu trúc theo kiểu module và có các module mở rộng Các module này được sử dụngcho nhiều ứng dụng lập trình khác nhau

S7-200 thuộc nhóm PLC loại nhỏ, quản lý một số lượng đầu vào/ra tương đối ít

Có từ 6 đầu vào/ 4 đầu ra số (CPU221) đến 24 đầu vào/ 16 đầu ra số (CPU226)

Có thể mở rộng các đầu vào/ra số bằng các module mở rộng

Kiểu đầu vào IEC 1131-2 hoặc SIMATIC Đầu vào sử dụng mức điện áp24VDC, thích hợp với các cảm biến

Có 2 kiểu ngõ ra là Relay và Transitor cấp dòng

Tích hợp sẵn cổng Profibus hay sử dụng một module mở rộng, cho phép thamgia vào mạng Profibus như một Slave thông minh

Có cổng truyền thông nối tiếp RS485 vơi đầu nối 9 chân Tốc độ truyền chomáy lập trình kiểu PPI là 9600 bauds, theo kiểu tự do là 300 – 38.400 bauds

Tập lệnh có đủ lệnh bit logic, so sánh, bộ đếm, dịch/quay thanh ghi, timer chophép lập trình điều khiển Logic dễ dàng

Hình 1.3 Các thành phần trên CPU S7-200

1.1.3 Phân loại.

1.1.3.1 Phân loại theo CPU

S7-200 có các dòng CPU 221, CPU 222, CPU 224, CPU 226… Bảng dưới trìnhbày một số đặc tính của một số CPU

Bảng 1.1 Các dòng PLC S7-200 của Siemen

1.1.3.2 Phân loại theo cấp điện áp

Loại PLC S7-200 cấp điện áp 220VAC :

ra la 0VDC, Trong trường hợp này buộc ta phải thông qua 1 rơ le 24Vdc đệm

1.1.4 Cấu trúc bên trong

Cũng giống như các PLC cùng họ khác, PLC S7-200 gồm 4 bộ phận cơ bản: bộ

xử lý, bộ nhớ, bộ nguồn, giao tiếp xuất/nhập

Bộ xử lý còn được gọi là bộ xử lý trung tâm (CPU), chứa bộ vi xử lý, biên dịchcác tín hiệu nhập và thực hiện các hoạt động điều khiển theo chương trình được lưutrong bộ nhớ của PLC Truyền các quyết định dưới dạng tín hiệu hoạt động đến cácthiết bị xuất

Bộ nguồn có nhiệm vụ chuyển đổi điện áp AC thành điện áp DC (24V) cần thiếtcho bộ xử lý và các mạch điện trong các module giao tiếp nhập và xuất

Bộ nhớ là nơi lưu trữ chương trình được sử dụng cho các hoạt động điều khiểndưới sự kiểm soát của bộ vi xử lý

Các thành phần nhập và xuất (Input/Output) là nơi bộ nhớ nhận thông tin từ cácthiết bị ngoại vi và truyền thông tin đến các thiết bị điều khiển Tín hiệu nhập có thể từcác công tắc, các bộ cảm biến,… Các thiết bị xuất có thể là các cuộn dây của bộ khởiđộng động cơ, các van solenoid,…

Chương trình điều khiển được nạp vào bộ nhớ nhờ sự trợ giúp của bộ lập trìnhhay bằng máy vi tính.

Hình 1.4 Cấu trúc bên trong

Giải thích sơ đồ : tín hiệu của sensor, công tắc, các bộ cảm biến,… đi vào đầuvào (input) của PLC rồi được đưa đến CPU để xử lý và đưa vào bộ nhớ CPU nhận tínhiệu và tiến hành điều khiển các thiết bị ở đầu ra có thể là các cuộn dây của bộ khởiđộng động cơ, các van solenoid,…

1.1.5 Phương pháp lập trình điều khiển

Khác với phương pháp điều khiển cứng, trong hệ thống điều khiển có lập trình,cấu trúc bộ điều khiển và cách đấu dây độc lập với chương trình Chương trình địnhnghĩa hoạt động điều khiển được viết nhờ sự giúp đỡ của một máy vi tính

Để thay đổi tiến trình điều khiển, chỉ cần một thay đổi nội dung bộ nhớ điềukhiển, chứ không cần thay đổi cách nối dây bên ngoài Qua đó, ta thấy được ưu điểmcủa phương pháp điều khiển lập trình được so với phương pháp điều khiển cứng Do

đó, phương pháp này được sử dụng rất rộng rãi trong lĩnh vực điều khiển

Phương pháp điều khiển lập trình được thực hiện theo các bước sau :

Hình 1.5 Phương pháp lập trình điều khiển

1.2 Arduino Uno

Arduino Uno R3 là dòng cơ bản, linh hoạt, thường được sử dụng cho người mớibắt đầu Ta có thể sử dụng các dòng Arduino khác như: Arduino Mega, Arduino Nano,Arduino Micro… Nhưng với những ứng dụng cơ bản thì mạch Arduino Uno là lựachọn phù hợp nhất

Hình 1.5 Arduino uno R3

Một vài thông số của Arduino UNO R3

Điện áp hoạt động 5V DC (chỉ được cấp qua cổng USB)

Điện áp vào giới hạn 6-20V DC

Số chân Digital I/O 14 (6 chân hardware PWM)

Hình 1.6 Vi điều khiển Atmega 328

Arduino UNO có thể sử dụng 3 vi điều khiển họ 8bit AVR là ATmega8,ATmega168, ATmega328 Bộ não này có thể xử lí những tác vụ đơn giản như điềukhiển đèn LED nhấp nháy, xử lí tín hiệu cho xe điều khiển từ xa, làm một trạm đonhiệt độ - độ ẩm và hiển thị lên màn hình LCD,… hay những ứng dụng khác

Năng lượng: Arduino UNO có thể được cấp nguồn 5V thông qua cổng USBhoặc cấp nguồn ngoài với điện áp khuyên dùng là 7-12V DC và giới hạn là 6-20V Nếucấp nguồn vượt quá ngưỡng giới hạn trên, sẽ làm hỏng Arduino UNO

Các chân năng lượng:

- GND (Ground): Cực âm của nguồn điện cấp cho Arduino UNO Khi dùng các

thiết bị sử dụng những nguồn điện riêng biệt thì những chân này phải được nối vớinhau

- 5V: Cấp điện áp 5V đầu ra Dòng tối đa cho phép ở chân này là 500mA.

- 3.3V: Cấp điện áp 3.3V đầu ra Dòng tối đa cho phép ở chân này là 50mA.

- Vin (Voltage Input): Để cấp nguồn ngoài cho Arduino UNO, nối cực dương

của nguồn với chân này và cực âm của nguồn với chân GND

- IOREF: Điện áp hoạt động của vi điều khiển trên Arduino UNO có thể được

đo ở chân này là 5V Nhưng không được lấy nguồn 5V từ chân này để sử dụng bởichức năng của nó không phải là cấp nguồn

- RESET: Việc nhấn nút Reset trên board để reset vi điều khiển tương đương

với việc chân RESET được nối với GND qua 1 điện trở 10KΩ

Bộ nhớ sử dụng

Vi điều khiển Atmega328 tiêu chuẩn sử dụng trên Arduino Uno r3 có:

- 32KB bộ nhớ Flash: những đoạn lệnh lập trình sẽ được lưu trữ trong bộ nhớ

Flash của vi điều khiển Thường thì sẽ có khoảng vài KB trong số này sẽ được dùngcho bootloader và hiếm khi nào cần quá 20KB bộ nhớ

- 2KB cho SRAM (Static Random Access Memory): giá trị các biến khai báo

khi lập trình sẽ lưu ở đây Khai báo càng nhiều biến thì càng cần nhiều bộ nhớ RAM.Khi mất điện, dữ liệu trên SRAM sẽ bị mất

- 1KB cho EEPROM(Electrically Eraseble Programmable Read Only

Memmory): đây giống như một chiếc ổ cứng mini – nơi có thể đọc và ghi dữ liệu vàođây mà không phải lo bị mất khi mất điện giống như dữ liệu trên SRAM

Các cổng vào/ra trên Arduino Board

Mạch Arduino UNO có 14 chân digital dùng để đọc hoặc xuất tín hiệu Chúngchỉ có 2 mức điện áp là 0V và 5V với dòng vào/ra tối đa trên mỗi chân là 40mA Ởmỗi chân đều có các điện trở pull-up từ được cài đặt ngay trong vi điều khiểnATmega328 (mặc định thì các điện trở này không được kết nối)

Một số chân digital có các chức năng đặc biệt như sau:

- 2 chân Serial: 0 (RX) và 1 (TX): dùng để gửi (transmit – TX) và nhận (receive

– RX) dữ liệu TTL Serial Arduino Uno có thể giao tiếp với thiết bị khác thông qua 2

chân này Kết nối bluetooth thường thấy chính là kết nối Serial không dây Nếu khôngcần giao tiếp Serial, ta không nên sử dụng 2 chân này nếu không cần thiết

- Chân PWM (~): 3, 5, 6, 9, 10, và 11: cho phép xuất ra xung PWM với độ phân

giải 8bit (giá trị từ 0 → 28-1 tương ứng với 0V → 5V) bằng hàm analogWrite() Nóimột cách đơn giản, có thể điều chỉnh được điện áp ra ở chân này từ mức 0V đến 5Vthay vì chỉ cố định ở mức 0V và 5V như những chân khác

- Chân giao tiếp SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK) Ngoài các

chức năng thông thường, 4 chân này còn dùng để truyền phát dữ liệu bằng giao thứcSPI với các thiết bị khác

- LED 13: trên Arduino UNO có 1 đèn led màu cam (kí hiệu chữ L) Khi bấm

nút Reset, sẽ thấy đèn này nhấp nháy để báo hiệu Nó được nối với chân số 13 Khichân này được người dùng sử dụng, LED sẽ sáng

Arduino UNO Broad có 6 chân analog (A0 → A5) cung cấp độ phân giải tín

hiệu 10bit (0 → 210-1) để đọc giá trị điện áp trong khoảng 0V → 5V Vớichân AREF trên board, có thể để đưa vào điện áp tham chiếu khi sử dụng các chânanalog Tức là nếu cấp điện áp 2.5V vào chân này thì có thể dùng các chân analog để

đo điện áp trong khoảng từ 0V → 2.5V với độ phân giải vẫn là 10bit

Đặc biệt, Arduino UNO có 2 chân A4 (SDA) và A5 (SCL) hỗ trợ giao tiếpI2C/TWI với các thiết bị khác

1.3 Mạch Chuyển Giao Tiếp UART TTL sang RS485

Hình 1.7: Mạch Chuyển Giao Tiếp UART TTL sang RS485

Mạch chuyển giao tiếp UART TTL-RS485 được thiết kế để có thể giúp chuyểngiao tiếp từ chuẩn giao tiếp UART TTL (Vi điều khiển, máy tính nhúng, ) sang chuẩngiao tiếp RS485 và ngược lại

Mạch chuyển giao tiếp UART TTL-RS485 được thiết kế với khả năng chốngnhiễu cao, tích hợp các bộ đệm, cầu chì tự phục hồi, diod chống nhiễu giúp hệ thốngchạy ổn định, an toàn hơn và không làm cháy board điều khiển trung tâm.

Thông số kỹ thuật:

- Điện áp hoạt động: 3 - 5VDC.

- Điện áp giao tiếp TTL: 3 - 5VDC.

-Khoảng cách truyền RS485 có thể lên đến 1km (khuyến nghị sử dụng dưới

800m và dây bus chuyên dụng cho RS485)

- Chuẩn chân cắm TTL 2.54mm.

- Có đèn led thông báo trạng thái truyền nhận RX và TX.

Sơ đồ chân MAX485:

Hình 1.8: Sơ đồ chân Max485Chức năng MAX485:

-Max485 là bộ truyền nhận dữ liệu năng lượng thấp dùng cho chuẩn RS485

-với B-A>200mV sẽ tạo mức logic 0.

Ứng dụng thực tế:

Hình 1.9: Sơ đồ giao tiếp giữa 2 thiết bị

- Giao tiếp giữa hai thiết bị Có thể giao tiếp tối đa 32 MAX485 với nhau trên cùng một BUS

- Để giao tiếp các MAX485 với nhau chúng ta cần kết nối các chân với nhau A nối với A B nối với B

Truyền giữ liệu MAX458

Để Truyền dữ liệu với Max485 cần thực hiện các bước sau

-Kết nối chân A với A, B với B giữa 2 IC

-Cấu hình truyền trên IC1, cho chân DE mức 1

-Cấu hình nhận trên IC2, cho chân RE mức 0

-Gửi dữ liệu vào tại chân DI của IC1

-Đọc Dữ liệu Ra tại chân DO của IC2

CHƯƠNG 2 : TÌM HIỂU GIAO THỨC MODBUS 2.1 Giao thức modbus

2.1.1 Khái niệm tổng quát

Giao thức modbus là một protocol phổ biến bậc nhất được sử dụng hiện naycho nhiều mục đích Modbus do Modicon (hiện nay thuộc Schneider Electric) pháttriển năm 1979, là một phương tiện truyền thông với nhiều thiết bị thông qua một cặpdây xoắn đơn Ban đầu, nó hoạt động trên RS-232, nhưng sau đó nó sử dụng cho cảRS485 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

Giao thức modbus là một giao thức mạng truyền dữ liệu theo kiểu nối tiếp Nó

hỗ trợ cả 2 chuẩn truyền RS-232 và RS-485 Việc truyền dữ liệu được thực hiện theo

cơ chế 1 Master/ nhiều Slave

2.1.2 Phân loại

Căn cứ vào cách thức truyền dữ liệu trong mạng, thì mạng Modbus được chialàm 3 loại : Modbus RTU, Modbus ASCII và Modbus TCP/IP

- Modbus RTU : dữ liệu được truyền trên bus nối tiếp Dữ liệu được truyền theo

định dạng mã hexadecimal Modbus RTU thường được sử dụng trong việc truyềnthông thông thường

- Modbus ASCII : dữ liệu được truyền trên bus nối tiếp Dữ liệu truyền được

định dạng dưới dạng mã ASCII Modbus ASCII có ưu điểm là có thể dễ dàng để ngườidùng hiểu được dữ liệu đang truyền Thông thường thì giao thức Modbus ASCII được

sử dụng trong việc kiểm tra và giới thiệu cho giao thức mạng Modbus.+ Modbus TCP/IP : Dữ liệu có thể được truyền trên mạng LAN hoặc mạng ở trên mộtkhu vực rộng Dữ liệu được định dạng theo mã hexadecimal