Xây dựng module truyền thông không dây cho PLC theo chuẩn ZigBee

Trong những năm gần đây, sự phát triển vượt bậc của công nghệ vi điện tử, công nghệ chế tạo và công nghệ thông tin & truyền thông đã tạo động lực thúc đẩy mạnh mẽ cho việc phát triển các hệ thống thông minh ở nhiều lĩnh vực của xã hội từ công nghiệp, nông nghiệp, từ quốc phòng dân dụng, và từ quản lý đến giải trí. Đồng thời, với xu thế IoT (Internet of Things) và WoT (Web of Things) đã mở ra rất 2nhiều thuận lợi cho việc nghiên cứu, xây dựng và triển khai sản phẩm ứng dụng hệ thống thông minh trên toàn cầu, trong đó hệ thống cảm biến đóng vài trò quan trọng trong hệ thống thông minh này.Lĩnh vực mạng cảm biến, cũng như mạng cảm biến không dây được cả cộng đồng khoa học và cộng đồng doanh nghiệp, tập đoàn quan tâm đầu tư nghiên cứu và phát triển bởi việc ứng dụng ứng tất yếu và phổ biến trong nhiều xã hội như trong hệ thống điện tử, điện -điện tử dân dụng, hệ thống đảm bảo an toàn vệ sinh thực phẩm, dây truyền công nghiệp, công nghệ ôtô, hệ thống giám sát khí hậu, môi trường thủy sản, nông lâm nghiệp và y tế.Chính vì vậy, việc thực hiện đểtài “Xây dựng module truyền thông không dây cho PLC theo chuẩn ZigBee” là rất cần thiết nhằm góp phần bổsung kiến thức lý thuyếtvà thực hành cho các môn học liên quan của sinh viên ngành Công nghệkỹthuật điện -điện tử, Công nghệkỹthuật điều khiển và tựđộng hóa. Đồng thời là nền tảng đểphát triển các ứng dụng trong đời sống

MỤC LỤC MỤC LỤC i DANH MỤC HÌNH ẢNH iii DANH MỤC BẢNG BIỂU v MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Tổng quan truyền thông 1.1.1 Giới thiệu mạng truyền thông công nghiệp .4 1.1.2 Vai trò mạng truyền thông công nghiệp 1.1.3 Chế độ truyền tải mạng truyền thông công nghiệp 1.1.4 Giao thức Modbus 1.2 Tổng quan mạng cảm biến không dây 1.2.1 Giới thiệu mạng cảm biến không dây 1.2.2 Cấu trúc mạng cảm biến không dây .10 1.2.3 Đặc điểm cấu trúc mạng cảm biến không dây 11 1.2.4 Kiến trúc mạng cảm biến không dây 13 1.2.5 Ứng dụng mạng cảm biến không dây 15 1.3 Tổng quan công nghệ truyền thông ZigBee 17 1.3.1 Giới thiệu công nghệ truyền thông ZigBee 17 1.3.2 Một số đặc điểm công nghệ ZigBee .18 1.3.3 Cấu trúc giao thức ZigBee 19 1.3.4 Những phần tử ZigBee 20 1.3.5 Cấu trúc liên kết mạng 21 CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH THIẾT KẾ HỆ THỐNG 23 2.1 Khảo sát hệ thống SCADA dây chuyền lắp ráp sản phẩm ứng dụng cơng nghệ có dây 23 2.2 Mơ hình hệ thống SCADA ứng dụng cơng nghệ không dây 25 2.3 Phân tích hệ thống 26 2.3.1 Sơ đồ khối module truyền thông không dây (WCM) 26 i 2.3.2 Sơ đồ khối Data Collection Node (DCN) 26 2.3.3 Sơ đồ khối Gateway Node (GN) 27 2.3.4 Tính chọn thiết bị sử dụng hệ thống .27 2.4 Thiết kế phần cứng, giao diện HMI/WINCC 39 2.4.1 Thiết kế phần cứng .39 2.4.2 Thiết kế giao diện HMI KTP400 45 2.4.3 Thiết kế giao diện WinCC Flexible 46 2.5 Lưu đồ thuật toán .46 2.6 Cấu hình cho thiết bị 49 2.6.1 Cấu hình cho thiết bị DCN 49 2.6.2 Cấu hình cho thiết bị GN 50 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG 52 3.1 Kết node không dây 52 3.1.1 Hình ảnh hồn thiện Module truyền thông không dây (WCM) 52 3.1.2 Hình ảnh hồn thiện thiết bị DCN 52 3.1.3 Hình ảnh hoàn thiện thiết bị GN 52 3.1.4 Vận hành hệ thống 53 3.2 Kết giao diện giám sát điều khiển 53 3.2.1 Giao diện giám sát điều khiển HMI KTP-400 53 3.2.2 Giao diện giám sát điều khiển WinCC Flexible .53 3.3 Đánh giá 54 3.3.1 Đánh giá khoảng cách truyền nút mạng .54 3.3.2 Đánh giá mở rộng tầm hoạt động 55 3.3.3 Đánh giá khả định tuyến 56 3.3.4 Đánh giá tỷ lệ truyền/nhận gói tin 56 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 59 TÀI LIỆU THAM KHẢO 60 ii DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Nối dây truyền thơng (a) nối mạng cơng ngiệp (b) Hình 1.2: truyền bit song song Hình 1.3: truyền bít nối tiếp Hình 1.4: Quá trình truyền thông liệu Hình 1.5: Sơ đồ ghép nối mạng Modbus Hình 6: Mơ hình mạng cảm biến khơng dây 10 Hình 7: Cấu trúc nút cảm biến 11 Hình 8: Kiến trúc mạng đơn bước 14 Hình 9: Kiến trúc mạng đa bước 14 Hình 10: Kiến trúc mạng hỗn hợp 15 Hình 11: Ứng dụng nơng nghiệp 16 Hình 12: Băng tần chuẩn ZigBee 17 Hình 13: Cấu trúc giao thức 19 Hình 14: Cấu trúc mạng hình 21 Hình 15: Cấu trúc mạng hình lưới 22 Hình 16: Cấu trúc mạng hình 22 Hình 1: Mơ hình SCADA dây chuyền lắp ráp sản phẩm 23 Hình 2: Mơ hình mạng lắp SCADA dây chuyền lắp ráp sản phẩm 23 Hình 3: Sơ đồ hệ thống mạng truyền thông không dây 25 Hình 4: Sơ đồ khối module truyền thông không dây 26 Hình 5: Sơ đồ khối DCN 26 Hình 6: Sơ đồ khối GN 27 Hình 8: Adapter 12VDC - 2A 28 Hình 9: Cấu tạo S7-1200 29 Hình 10: Cảm biến nhiệt độ PT100 31 Hình 11: Cảm biến DHT11 32 Hình 12: Module chuyển đổi tín hiệu dịng áp HW-685 33 Hình 13: Module chuyển đổi tín hiệu 4-20Ma 34 Hình 14: Module Ethernet Shield 35 iii Hình 15: Arduino Uno R3 35 Hình 16: Module Xbee 38 Hình 17: Hình ảnh màn hình HMI- KTP400 siemens 38 Hình 18: Sơ đồ nguyên lý thiết bị WCM 39 Hình 19: Sơ đồ nguyên lý thiết bị DCN kết nối PLC 41 Hình 20: Sơ đồ nguyên lý thiết bị DCN với cảm biến DHT11 42 Hình 21: Sơ đồ nguyên lý thiết bị GN 44 Hình 22: Giao diện HMI_1 giám sát thu thập liệu 45 Hình 23: Giao diện WinCC_1 giám sát liệu 46 Hình 24: Lưu đồ truyền thông không dây node mạng WCM-DCN WCM-GN 47 Hình 25: Lưu đồ truyền liệu node DCN node WCM-DCN 1truyền liệu 47 Hình 26: Lưu đồ truyền liệu node WCM-DCN với DHT11 48 Hình 27: Lưu đồ truyền nhận liệu node GN WCM-GN 48 Hình 28: Khối lệnh MB_CLIENT DCN 49 Hình 29: Data_block_1 DCN 50 Hình 30: Data_block_2 DCN 50 Hình 31: khối lệnh nhận truyền liệu MB_CLIENT GN 50 Hình 32: Khối nhận Data_block_2 GN 51 Hình 1: Hình ảnh Module truyền thông không dây (WCM) 52 Hình 2: Hình ảnh thiết bị DCN có PLC 52 Hình 3: Hình ảnh thiết bị GN 52 Hình 4: Hình ảnh tổng qt mơ hình hệ thống 53 Hình 5: Nhiệt độ hiển thị HMI 53 Hình 6: Giá trị nhiệt độ WinCC 54 Hình 7: Khoảng cách truyền/nhận hai nút mạng 55 Hình 8: Khoảng cách truyền/nhận hai nút 55 Hình 9: Mơ hình mở rộng hoạt động 55 Hình 10: Mơ hình mạng phục hồi liên kết 56 Hình 11: Tỷ lệ truyền nhận gói tin khoảng cách 20 m khơng có vật cản 57 Hình 12: Tỷ lệ truyền nhận gói tin khoảng cách 20 m có vật cản 57 iv DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1: Băng tần tốc độ liệu 18 Bảng 2: Các kênh truyền tần số ZigBee 18 Bảng 1: Phân loại I/O PLC S7-1200 theo CPU……………………………………… 30 v MỞ ĐẦU TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU THUỘC LĨNH VỰC CỦA ĐỀ TÀI TRONG VÀ NGỒI NƯỚC 1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài Trong bối cảnh ngày nay, với phát triển vượt bậc công nghệ điện tử, công nghệ thông tin truyền thông, xu IoT (Internet of Things) tạo động lực thúc đẩy mạnh mẽ cho việc chế tạo nhiều tảng phần cứng cho phép phát triển hệ thống mạng cảm biến không dây vào hầu hết lĩnh vực xã hội quốc phịng, cơng nghiệp, nơng nghiệp, lâm nghiệp thủy sản Tại Việt Nam, số nhóm nghiên cứu trường đại học nước như: Đại học Bách Khoa Hà Nội, Đại học Công nghệ - Quốc Gia Hà Nội, Đại học Công nghệ Thơng Tin Truyền thơng tích cực nghiên cứu lĩnh vực mạng cảm biến không dây, nghiên cứu triển khai số sản phẩm ứng dụng mạng cảm biến không dây hệ thống cảnh báo thiên tai, nhà thông minh, hệ thống an ninh chống trộm cảnh báo cháy, ứng dụng nông nghiệp công nghệ cao, giao thông thành phố thơng minh 7.2 Danh mục cơng trình cơng bố thuộc lĩnh vực đề tài [1] Đặng Văn Ngọc, Nghiên cứu thiết kế nút cảm biến không dây sử dụng cơng nghệ Zigbee, Tạp chí Khoa học và Công nghệ - ĐH Thái Nguyên, tập 166, số 6, 2017, trang 53-60 [2] Vu Thanh Vinh, Dang Van Ngoc, Joeri GERRITS, A study onpower consumption of wireless sensor network in greenhouse environment monitoring, Kỷ yếu hội thảo toàn quốc điện tử, truyền thông và công nghệ thông tin – REV, 2016, trang 69-73 [3] Đặng văn Ngọc, Nguyễn Duy Minh, Ninh Văn Hoạt, Xây dựng chuyển đổi tín hiệu đầu vào cho plc sử dụng chuẩn ethernet,Tạp chí Khoa học và Cơng nghệ - ĐH Thái Ngun, tập 204, số 11, 2019, trang 173-179 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Trong năm gần đây, phát triển vượt bậc công nghệ vi điện tử, công nghệ chế tạo công nghệ thông tin & truyền thông tạo động lực thúc đẩy mạnh mẽ cho việc phát triển hệ thống thông minh nhiều lĩnh vực xã hội từ công nghiệp, nông nghiệp, từ quốc phòng dân dụng, từ quản lý đến giải trí Đồng thời, với xu IoT (Internet of Things) WoT (Web of Things) mở nhiều thuận lợi cho việc nghiên cứu, xây dựng triển khai sản phẩm ứng dụng hệ thống thơng minh tồn cầu, hệ thống cảm biến đóng vài trị quan trọng hệ thống thơng minh Lĩnh vực mạng cảm biến, mạng cảm biến không dây cộng đồng khoa học cộng đồng doanh nghiệp, tập đoàn quan tâm đầu tư nghiên cứu phát triển việc ứng dụng ứng tất yếu phổ biến nhiều xã hội hệ thống điện tử, điện - điện tử dân dụng, hệ thống đảm bảo an toàn vệ sinh thực phẩm, dây truyền công nghiệp, công nghệ ôtô, hệ thống giám sát khí hậu, mơi trường thủy sản, nơng lâm nghiệp y tế Chính vậy, việc thực để tài “Xây dựng module truyền thông không dây cho PLC theo chuẩn ZigBee” cần thiết nhằm góp phần bổ sung kiến thức lý thuyết thực hành cho môn học liên quan sinh viên ngành Công nghệ kỹ thuật điện - điện tử, Công nghệ kỹ thuật điều khiển tự động hóa Đồng thời tảng để phát triển ứng dụng đời sống MỤC TIÊU ĐỀ TÀI Xây dựng module truyền thông không dây cho PLC theo chuẩn ZigBee PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU, PHẠM VI NGHIÊN CỨU 4.1 Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý luận: Tổng hợp tài liệu kỹ thuật, cơng nghệ, phân tích đánh giá nội dung liên quan đến đề tài Phương pháp thực nghiệm: Khảo sát, phân tích, thiết kế đánh giá nội dung nghiên cứu trình chế tạo nút cảm biến nút định tuyến mạng cảm biến không dây 4.2 Phạm vi nghiên cứu Thiết kế, chế tạo module truyền thông không dây sử dụng chuẩn ZigBee cho PLC sử dụng nghiên cứu thực hành cho môn học liên quan sinh viên ngành Công nghệ kỹ thuật điện - điện tử, Công nghệ kỹ thuật điều khiển tự động hóa Đồng thời tảng để phát triển ứng dụng đời sống NỘI DUNG NGHIÊN CỨU VÀ TIẾN ĐỘ THỰC HIỆN 5.1 Nội dung nghiên cứu + Nghiên cứu phương pháp truyền thơng PLC hãng Siemems + Tìm hiểu chuẩn ZigBee + Phân tích thiết kế module truyền thông không dây cho PLC + Xây dựng module truyền thông không dây + Đánh giá thử nghiệm 5.2 Tiến độ thực STT Các nội dung, công việc thực chủ yếu Sản phẩm phải đạt Thời gian (bắt đầu-kết Người thực thúc) Nghiên cứu phương pháp truyền thông PLC hãng Siemems Tìm hiểu chuẩn ZigBee Báo cáo Báo cáo 01/01/2020- Hoàng Thị Thương 28/02/2020 Đặng Văn Ngọc 01/03/2020- Hoàng Thị Thương 31/03/2020 Đặng Văn Ngọc Phân tích thiết kế module truyền thông không dây cho PLC Sơ đồ mạch nguyên lý, mạch in, lưu đồ thuật toán 01/04/202030/06/2020 Đặng Văn Ngọc Hoàng Thị Thương Xây dựng module truyền thơng khơng dây Phần cứng chương trình 01/07/202031/09/2020 Đặng Văn Ngọc Hoàng Thị Thương Báo cáo đánh giá thử nghiệm 01/10/202030/11/2020 Đặng Văn Ngọc Hoàng Thị Thương Quyển báo cáo đề tài 01/12/202031/12/2020 Hoàng Thị Thương Đặng Văn Ngọc Đánh giá thử nghiệm Hoàn thiện báo cáo tổng kết CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Tổng quan truyền thông 1.1.1 Giới thiệu mạng truyền thông công nghiệp Mạng truyền thông công nghiệp hay mạng công nghiệp hay mạng công nghiệp khái niệm chung hệ thống thông số, truyền bít nối tiếp, sử dụng để ghép nối thiết bị công nghiệp Các hệ thống mạng truyền thông công nghiệp phổ biến cho phép liên kết mạng nhiều mức khác nhau, từ cảm biến, thiết bị quan sát, máy tính điều khiển giám sát máy tính cấp điều hành xí nghiệp, quản lý công ty Để thấy rõ đề cập lĩnh vực truyền thông công nghiệp, ta cần phân biệt với hệ thống mạng viễn thơng mạng máy tính Về sở kỹ thuật, mạng công nghiệp hệ thống mạng viễn thơng có nhiều điểm tương đồng, nhiên có điểm khác biệt sau: + Mạng viễn thơng có phạm vi địa lý số lượng thành viên tham gia lớn nhiều, nên yêu cầu kỹ thuật ( cấu trúc mạng, tốc độ truyền thơng, tính thời gian thực …) khác, phương pháp truyền thông( truyền tải dải rộng) dải sở, điều biến, dồn kênh, chuyển mạch, ) thường phức tạp nhiều so với mạng công nghiệp + Đối tượng mạng viễn thông bao gồm người thiết bị kỹ thuật, cong người đóng vai trị chủ yếu Vì dạng thông tin cần trao đổi bao gồm tiếng nói, hình ảnh, văn dư liệu Đối tượng mạng công nghiệp túy thiết bị công nghiệp nên dạng thông tin quan tâm liệu Mạng truyền thông công nghiệp thực chất dạng đặc biệt mạng máy tính, so sánh với mạng máy tính thơng thường điểm giống khác sau: + Kỹ thuật truyền thông số hay truyền liệu đặc trưng chung lĩnh vực + Trong nhiều trường hợp, mạng máy tính sử dụng cơng nghiệp coi phần (ở cấp điều khiển giám sát, điều hành sản xuất quản lý cơng ty) mơ hình phân cáp mạng cơng nghiệp + Yêu cầu tính thời gian thực, độ tin cậy khả tương thích môi trường công nghiệp mạng truyền thông công nghiệp cao so với mạng máy tính thơng thường, mạng máy tính thường u cầu cao độ bảo mật, + Mạng máy tính có phạm vi trải rộng khác nhỏ mạng Lan cho nóm vài máy tính lớn mạng Internet Trong nhiều trường hợp mạng máy tính gián tiếp sử dụng dịch vụ truyền liệu mạng viễn thơng Trong đó, hệ thống mạng cơng nghiệp thường có tính chất độc lập, phạm vi hoạt động tương đối hẹp Đối với hệ thống truyền thông công nghiệp, đặc biệt cấp u cầu tính thời gian thực, khả thực đơn giản, giá thành hạ lại đặt hàng đầu 1.1.2 Vai trị mạng truyền thơng cơng nghiệp Ghép nối thiết bị, trao đổi thông tin vấn đề giải pháp tự động hóa Một điều khiển cần kết nối với cảm biến cấu chấp hành Giữa hộ điều khiển hệ thống điều khiển phân tán cần trao đổi thông tin với để phối hợp thực điều khiển trình sản xuất Ở cấp cao hơn, trạm vận hành trung tâm điều khiển cần ghép nối giao tiếp với điều khiển để theo dõi, giám sát tồn q trình sản xuất hệ thống điều khiển Hình 1.1: Nối dây truyền thông (a) nối mạng công ngiệp (b) Sử dụng mạng truyền thông công nghiệp, đặc biệt bus trường để thay cách nối điểm-điểm cổ điển thiết bị cơng nghiệp mang lại lợi ích sau:  Màn hình giám sát liệu sử dụng hai biểu đồ để thể giá trị nhiệt độ, độ ẩm đo từ thiết bị DCN Giá trị “NHIET DO 1”, giá trị nhiệt độ môi trường thể biểu đồ với thang đo 100°C với nhiệt độ Còn giá trị “NHIET DO 2” thể giá trị nhiệt độ tức thời với thang đo biểu đồ 800°C 2.4.3 Thiết kế giao diện WinCC Flexible Tương tự hình HMI KTP400, giao diện WinCC Flexible sử dụng hình để giám sát thông tin nhận từ khối DCN Hình 23: Giao diện WinCC_1 giám sát liệu  Tương tự hình thu thập liệu HMI_1, hình WinCC_1 thực chức thu thập liệu trạm DCN_1, DCN_2  Quá trình thu thập liệu trạm DCN_1 bao gồm “Nhiệt Độ DNC_1”, trạm DCN_2 “Nhiệt Độ DCN_2” thể biểu đồ với thang đo nhiệt độ trạm DCN_1 100°C Thang đo nhiệt độ trạm DCN_2 800°C 2.5 Lưu đồ thuật tốn  Lưu đồ mạng truyền thơng node: 46 (a): Node mạng WCM-DCN (b): Node mạng WCM-GN Hình 24: Lưu đồ truyền thơng khơng dây node mạng WCM-DCN WCM-GN  Lưu đồ truyền liệu node DCN đọc liệu từ cảm biến PT100: Bắt đầu Bắt đầu Đọc nhiệt độ từ PT100 Đọc liệu từ PLC Gửi giá trị nhiệt độ cho WCM1 Gửi ID, liệu mạng không dây N I0.0 == Y Gửi giá trị logic cho WCM1 N I0.0 == Time 1.2s Y Gửi giá trị logic cho WCM1 Hình 25: Lưu đồ truyền liệu node DCN node WCM-DCN truyền liệu 47  Lưu đồ truyền liệu node WCM-DCN với cảm biến DHT11: Bắt đầu Kiểm tra liệu từ DHT11 Có liệu Y Đọc nhiệt độ, độ ẩm từ DHT11 Gửi ID, nhiệt độ, độ ẩm mạng khơng dây Hình 26: Lưu đồ truyền liệu node WCM-DCN với DHT11  Lưu đồ truyền liệu node GN WCM-GN: Hình 27: Lưu đồ truyền nhận liệu node GN WCM-GN 48 2.6 Cấu hình cho thiết bị 2.6.1 Cấu hình cho thiết bị DCN Bước 1: cấu hình địa IP cho PLC có địa sau 192.168.0.4 địa Subnet mask 255.255.255.0 Bước 2: file Program blocks sử dụng khối Mani [OB1] viết chương trình kết nối mạng ethernet để truyền liệu Để truyền liệu mạng ethernet sử dụng Modbus TCP/IP khối lệnh MB_CLIENT Hình 28: Khối lệnh MB_CLIENT DCN  Chức chân: + Chân EN: chân cho phép hoạt động khối MB_CLIENT + Chân REQ: chân cho phép kết nối mạng ethernet + Chân DISCONNECT: chân thực ngắt kết nối mạng ethernet + Chân MB_MODE: chân cho phép thực chế độ truyền liệu (MB_MODE = 1), thực chế độ nhận liệu (MB_MODE = 0) + Chân MB_DATA ADDR: thực chức đánh địa ô gi liệu, lưu liệu đo từ cảm biến truyền mạng ethernet + Chân MB_DATA_LEN: chân địng nghĩa độ dài cho khối data + Chân MB_DATA_PTR: chân data liệu truyền mạng ethernet + Chân CONNECT: chân định dạng địa kết nối mạng ethernet  Tạo khối Data_block_1 gán vào CONNECT để thực chức kết nối với module WCM qua cổng mạng ethernet qua địa IP 192.168.0.20 49 Hình 29: Data_block_1 DCN  Tạo khối Data_block_2 liệu định nghĩa kiểu số nguyên (int) theo kiểu mảng với giá trị truyền ID (DATA[0]), giá trị logic (DATA[1]), nhiệt độ (DATA[2]) đo từ cảm biến nhiệt PT100 gán vào MB_DATA_PTR để truyền liệu Hình 30: Data_block_2 DCN 2.6.2 Cấu hình cho thiết bị GN Bước 1: cấu hình địa IP cho PLC có địa sau 192.168.0.11 địa Subnet mask 255.255.255.0 Bước 2: file Program blocks sử dụng khối Mani [OB1] viết chương trình kết nối mạng ethernet để truyền nhận liệu Để truyền nhận liệu mạng ethernet sử dụng Modbus TCP/IP hai khối lệnh MB_CLIENT, khối lệnh MB_CLIENT thu thập liệu từ hai thiết bị DCN khối lệnh MB_CLIENT điều khiển hai thiết bị DCN Hình 211: khối lệnh nhận truyền liệu MB_CLIENT GN 50  Đặt địa module WCM với địa IP 192.168.0.21 Tạo khối liệu Data_block_2 với địa ô nhớ từ 40001 đến 40006 để lưu ba giá trị thiết bị DCN (ID (DATA_NHAN[0]), giá trị logic (DATA_NHAN[1]), nhiệt độ (DATA_NHAN[2]) từ PT100), ba giá trị thiết bị DCN hai (ID (DATA_NHAN[3]), nhiệt độ (DATA_NHAN[4]), độ ẩm (DATA_NHAN[5]) từ DHT11) Hình 222: Khối nhận Data_block_2 GN 51 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG 3.1 Kết node không dây 3.1.1 Hình ảnh hồn thiện Module truyền thơng khơng dây (WCM) Hình 1: Hình ảnh Module truyền thơng khơng dây (WCM) 3.1.2 Hình ảnh hồn thiện thiết bị DCN Hình 2: Hình ảnh thiết bị DCN có PLC 3.1.3 Hình ảnh hồn thiện thiết bị GN Hình 3: Hình ảnh thiết bị GN 52 3.1.4 Vận hành hệ thống Hai nút thu thập liệu DCN_1 (kết nối cảm biến thông thường), DCN_2 (kết nối cảm biến công nghiệp) thu thập nhiệt độ 1, nhiệt độ gửi node Gateway Node Gateway đọc liệu, xử lý liệu, gửi liệu lên hình HMI, WinCC Căn vào liệu nhận nút Gateway: DCN1 & CDN1 & CDN2 GN DCN2 Hình 4: Hình ảnh tổng qt mơ hình hệ thống 3.2 Kết giao diện giám sát điều khiển 3.2.1 Giao diện giám sát điều khiển HMI KTP-400 Bước 1: cấp nguồn 24VDC cho hệ thống Bước 2: thực kết nối mạng Ethernet PLC HMI KTP-400 Khi hoạt động, giá trị nhiệt độ, độ ẩm hiển thị lên biểu đồ, hoạt động thiết bị thể đèn báo Mọi thông tin liệu nhận được, hoạt động thiết bị giám sát qua hình giám sát Hình 5: Nhiệt độ hiển thị HMI 3.2.2 Giao diện giám sát điều khiển WinCC Flexible Bước 1: khởi động phần mềm WinCC Flexible 53 Bước 2: phần giao diện phần mềm click chuột vào “connections”, xuất hộp thoại “parameters” điền địa IP máy tính 192.168.0.12 địa IP PLC 192.168.0.11 Bước 3: sau điền địa IP, click chuột “start runtime system” cho phép thực kết nối với PLC Thực giám sát liệu node, liệu tương tự nhiệt độ thể biểu đồ Hoạt động thiết bị node thể đèn báo Hình 6: Giá trị nhiệt độ WinCC 3.3 Đánh giá 3.3.1 Đánh giá khoảng cách truyền nút mạng Thí nghiệm thực nhằm đánh giá khoảng cách truyền/nhận liệu WCM thiết bị Gateway/Router/End device môi trường vật cản có vật cản Mơ hình thí nghiệm miêu tả hình 3.7 54 Hình 7: Khoảng cách truyền/nhận hai nút mạng Hình 3.8 miêu tả kết khoảng cách truyền/nhận liệu hai nút mạng thực 15 phép đo Thu khoảng cách trung bình mơi trường khơng có vật cản 55,5 m, cịn mơi trường có vật cản khoảng cách 26,05 m Hình 8: Khoảng cách truyền/nhận hai nút 3.3.2 Đánh giá mở rộng tầm hoạt động Khoảng cách truyền/nhận liệu nút bị hạn chế (55,5 m 26,05 m), để giải tốn ta sử dụng nút Router đóng vai trị trung chuyển liệu nhằm tăng khoảng cách Mơ hình thí nghiệm thể hình 3.9 Hình 9: Mơ hình mở rộng hoạt động 55 Thực thí nghiệm với khoảng cách 100 m từ nút Gateway đến nút End device Kết cho thấy nút Gateway nhận gói tin từ nút End device, chứng tỏ nút Router hoạt động mơ hình đưa 3.3.3 Đánh giá khả định tuyến Sau hình thành mạng khơng dây liệu chuyển từ thiết bị sang thiết bị khác sử dụng đường truyền tối ưu Tuy nhiên, trình truyền liệu nút trung chuyển liệu (Router) bị hư hỏng nguồn dẫn tới đường truyền bị gián đoạn Vì thế, nút mạng phải tự khôi phục mạng thông qua định tuyến mạng lưới để khôi phục liên kết liệu Mơ hình thí nghiệm miêu tả hình 3.10 Hình 10: Mơ hình mạng phục hồi liên kết Tiến hành thí nghiệm ta thấy, liệu nút End device gửi cho nút Gateway thông qua Router1 Sau khoảng thời gian làm việc, Router tắt nút End device phải tìm đường khác để chuyển gói tin đến nút Gateway Khi nút Router tắt đường liên kết liệu End device chuyển sang nút Router để đến nút Gateway Vậy kết luận mạng có khả định tuyến 3.3.4 Đánh giá tỷ lệ truyền/nhận gói tin + Mơi trường khơng có vật cản Nút Gateway đặt cách nút End device với khoảng cách 20 m Chúng tơi sử dụng phần mềm X-CTU với tính Range test để thiết lập thử nghiệm gửi 500 gói tin với thời gian truyền 1s/1gói tin 56 Hình 11: Tỷ lệ truyền nhận gói tin khoảng cách 20 m khơng có vật cản Hình 3.11 miêu tả kết thử nghiệm thu với 500 gói tin gửi từ nút End device có gói tin truyền bị lỗi Tỷ lệ truyền nhận gói tin thành cơng 98.40% + Mơi trường có vật cản Tương tự thí nghiệm mơi trường khơng có vật cản, nút Gateway đặt cách nút End device với khoảng cách 20 m thiết lập thử nghiệm với 500 gói tin Hình 12: Tỷ lệ truyền nhận gói tin khoảng cách 20 m có vật cản 57 Hình 3.12 miêu tả kết thử nghiệm thu với 500 gói tin gửi từ nút End device có gói tin truyền bị lỗi, 78 gói tin nhận bị Tỷ lệ truyền nhận gói tin thành cơng 84.20% 58 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Kết luận - Xây dựng thành công truyền thông không dây (WCM) cho PLC sử dụng chuẩn ZigBee Từ ghép nối thành công thiết bị Gateway, Router End device - Xây dựng mạng không dây cho PLC, đồng thời thiết lập số thử nghiệm để đánh giá khoảng cách truyền thông, khả mở rộng mạng, tỷ lệ truyền nhận gói tin, khả định tuyến cấu hình mạng thiết bị mơi trường có vật cản khơng có vật cản Hướng phát triển đề tài  Tích hợp chức truyền liệu ứng dụng công nghệ không dây truyền tải liệu lên internet điều khiển giám sát hệ thống  Ứng dụng công nghệ truyền thông không dây sử dụng rộng rãi công nghiệp  Xây dựng, thiết kế trang web hỗ trợ khách hàng 59 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] V A Rani, S A James, J A Sneha, and B Joe S, “PLC based process control automation using gsm and SCADA technology,” International Journal of Pharmacy & Technology, vol 7, no 2, pp 9243-9251, 2015 [2] S Safaric, and K Malaric “ZigBee wireless Standard,” 48th International Symposium ELMAR-2006, Croatia, June 07-09, 2006, pp 259-262 [3] N Salman, I Rasool, and A H Kemp, “Overview of the IEEE 802.15.4 standards family for Low Rate Wireless Personal Area Networks,” IEEE 7th International Symposium on Wireless Communication Systems, United Kingdom, September 19-22, 2010, pp 701-705 [4] Siemens, Industrial Communication network, Siemens AG, 1998 [5] N B Le, and Q H Pham, Scada PLC Programming Industrial Communication Network, Hanoi University of Science and Technology, 2016 [6] Q H Pham, and T H Nguyen, Microcontroller And Arduino Application For Self-Learners, Hanoi University of Science and Technology, 2019 [7] S Monk, Programming Arduino Getting Started with Sketches, McGrawHill Education, 2016 [8] V N Dang, D M Nguyen, and V H Ninh, “Construction of the input signal transducer of the plc using ethernet,” TNU - Journal of Science and Technology, vol 204, no 11, pp 173-179, 2019 [9] V N Dang, “An implementation of wireless sensor nodes using zigbee technology,” TNU - Journal of Science and Technology, vol 166, no 4, pp 53-60, 2017 60