Nghiên cứu xây dựng bàn thí nghiệm mạng truyền thông công nghiệp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI HÀ MINH TUÂN NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG BÀN THÍ NGHIỆM MẠNG TRUYỀN THƠNG CƠNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC ĐO LƯỜNG VÀ CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN THỊ LAN HƯƠNG Hà Nội – Năm 2010     Nghiên cứu xây dựng bàn thí nghiệm mạng truyền thơng cơng nghiệp  MỤC LỤC Trang Trang phụ bìa Lời cam đoan Danh mục hình vẽ MỞ ĐẦU Chương – TỔNG QUAN VỀ MẠNG TRUYỀN THÔNG CÔNG NGHIỆP 1.1 Mạng truyền thơng cơng nghiệp gì? 1.2 Vai trị mạng truyền thơng cơng nghiệp 1.3 Phân loại đặc trưng hệ thống mạng công nghiệp 11 1.4 Cấu trúc mạng – Topology 13 1.4.1 Cấu trúc Bus 15 1.4.2 Cấu trúc mạch vịng (tích cực) 17 1.4.3 Cấu trúc hình 20 1.4.4 Cấu trúc 21 1.5 Kiến trúc giao thức 21 1.5.1 Dịch vụ truyền thông 21 1.5.2 Giao thức 23 1.5.3 Mơ hình lớp 24 1.5.4 Kiến trúc giao thức OSI 26 1.5.5 Kiến trúc giao thức TCP/IP 30 1.5.6 Chuẩn MMS 32 Chương – MODBUS 34 2.1 Giới thiệu tổng quan Modbus 34 Hà Minh Tuân                        khiển  Đo lường hệ thống điều     Nghiên cứu xây dựng bàn thí nghiệm mạng truyền thơng cơng nghiệp  2.2 Cơ chế giao tiếp 36 2.2.1 Mạng Modbus chuẩn 36 2.2.2 Modbus mạng khác 37 2.2.3 Chu trình yêu cầu đáp ứng 37 2.3 Chế độ truyền 38 2.3.1 Chế độ ASCII 40 2.3.2 Chế độ RTU 40 2.4 Chi tiết khung tin Modbus Protocol 41 2.5 Các kiểu liệu Modbus 43 2.6 Chẩn đoán Modbus 45 2.7 Trình tự kiện diễn thứ tự giải Modbus 45 Chương – XÂY DỰNG BÀN THÍ NGHIỆM MẠNG TRUYỀN THƠNG CƠNG NGHIỆP THEO CHUẨN MODBUS 47 3.1 Yêu cầu 47 3.2 Sơ đồ bàn thí nghiệm 47 3.3 Thiết kế phần cứng 48 3.3.1 Sơ đồ khối 48 3.3.2 Sơ đồ nguyên lý 49 3.4 Giới thiệu phần mềm 57 3.4.1 Phần mềm lập trình cho Vi điều khiển Keil µVision 57 3.4.2 Phần mềm nạp chương trình cho Vi điều khiển 58 3.4.3 Phần mềm thiết kế giao diện người sử dụng Visual C# 2008 58 Hà Minh Tuân                        khiển  Đo lường hệ thống điều     Nghiên cứu xây dựng bàn thí nghiệm mạng truyền thơng cơng nghiệp  3.4.4 Phần mềm MT Modbus 59 3.5 Xây dựng bàn thí nghiệm 62 3.5.1 Cơ sở lý thuyết 62 3.5.2 Các thí nghiệm theo chuẩn Modbus 68 3.6 Giới thiệu sản phẩm 79 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 82 PHỤ LỤC 83 TÀI LIỆU THAM KHẢO 84 Hà Minh Tuân                        khiển  Đo lường hệ thống điều     Nghiên cứu xây dựng bàn thí nghiệm mạng truyền thơng cơng nghiệp  LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn kết nghiên cứu riêng tôi, không chép Nội dung luận văn có tham khảo sử dụng tài liệu, thông tin đăng tải tác phẩm, tạp chí trang web theo danh mục tài liệu luận văn Hà Minh Tuân Hà Minh Tuân                        khiển  Đo lường hệ thống điều     Nghiên cứu xây dựng bàn thí nghiệm mạng truyền thơng cơng nghiệp  DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Trang Hình 1.1: Cấu trúc Daisy- chain 16 Hình 1.2: Cấu trúc Trunk – line/Drop-line 16 Hình 1.3: Cấu trúc mạch vịng khơng tích cực 16 Hình 1.4: Cấu trúc mạch vịng tích cực 18 Hình 1.5: Xử lý cố mạch vòng đúp 19 Hình 1.6: Sử dụng chuyển mạch by-pass mạch vòng 19 Hình 1.7: Cấu trúc hình 20 Hình 1.8: Cấu trúc 21 Hình 1.9: Dịch vụ có xác nhận dịch vụ khơng xác nhận 23 Hình 1.10: Xử lý giao thức theo mơ hình lớp 25 Hình 1.11: Mơ hình quy chiểu ISO/OSI 27 Hình 1.12: So sánh TCP/IP OSI 31 Hình 2.1: Mạng truyền thông công nghiệp theo chuẩn Modbus 35 Hình 2.2: Modbus tích hợp vào TCP/IP 36 Hình 2.3: Chu trình yêu cầu, đáp ứng Modbus 38 Hình 2.4: Quá trình xử lý liệu Slave 44 Hình 3.1: Bàn thí nghiệm mạng truyền thông công nghệp theo chuẩn Modbus 47 Hình 3.2: Sơ dồ khối bàn thí nghiệm 48 Hình 3.3: Sơ dồ khối Slave 49 Hình 3.4: Sơ dồ chân IC Max232 50 Hình 3.5: Mạch chuyển đổi RS-232 sang RS-485 54 Hinh 3.6: Mạch khối Slave 56 Hình 3.7: Giao diện chương trình Keil µVision 57 Hình 3.8: Giao diện chương trình ISP – Flash Programe 3.0a 58 Hà Minh Tuân                        khiển  Đo lường hệ thống điều     Nghiên cứu xây dựng bàn thí nghiệm mạng truyền thơng cơng nghiệp  Hình 3.9: Giao diện chương trình Visual C# 2008 59 Hình 3.10: Giao diện khởi động chương trình MT Modbus 60 Hình 3.11: Giao thức Modbus ASCII 61 Hình 3.12: Giao thức Modbus RTU 62 Hình 3.13: Hàm Read Coil Status chế độ ASCII 69 Hình 3.14: Hàm Read Input Status chế độ ASCII 71 Hình 3.15: Hàm Force Single Coil chế độ ASCII 73 Hình 3.16: Hàm Force Multiple Coils chế độ ASCII 75 Hình 3.17: Hàm Read Coil Status chế độ RTU 77 Hình 3.18: Hàm Read Input Status chế độ RTU 77 Hình 3.19: Hàm Force Single Coil chế độ RTU 78 Hình 3.20: Hàm Force Multiple Coils chế độ RTU 78 Hình 3.21: Bàn thí nghiệm mạng truyền thơng cơng nghiệp theo chuẩn Modbus 79 Hình 3.22: Khối chuyển đổi RS-232 sang RS-485 80 Hình 3.23: Mạch vi điều khiển Slave 81 Hà Minh Tuân                        khiển  Đo lường hệ thống điều     Nghiên cứu xây dựng bàn thí nghiệm mạng truyền thơng cơng nghiệp  MỞ ĐẦU Trong cơng nghiệp đại ngày nay, quản lý thông tin hệ thống trở nên vơ quan trọng Nó khơng vấn đề trao đổi thông tin thiết bị với mà cịn có ảnh hưởng lớn tới q trình sản xuất chất lượng sản phẩm Chính lẽ mà mạng truyền thơng cơng nghiệp đời khơng ngừng nâng cấp để truyền, nhận thông tin nhanh hơn, xa xác Do xu xã hội hóa ngày cao, đòi hỏi thiết bị khác phải có khả “bắt tay”, giao tiếp với nên thiết bị phải có “ngơn ngữ” chung Từ đó, nhiều chuẩn truyền thông đời Nổi bật chuẩn: RS-232, RS485, Modbus, TCP/IP Đặc biệt lĩnh vực công nghiệp, chuẩn Modbus sử dụng rộng rãi tính hiệu tin cậy Để phục vụ cho hầu hết yêu câu truyền thơng cơng nghiệp, Modbus có tập lệnh (hàm chức năng) rộng đa dạng Các câu lệnh logic, rõ ràng, dễ hiểu thuận tiện cho q trình điều khiển, giám sát truyền thơng Vì thế, việc nghiên cứu, ứng dụng chuẩn ngày quan tâm Nhằm giúp sinh viên làm quen với hệ thống thông tin công nghiệp đại để tăng cường sở vật chất cho phịng thí nghiệm điện trường Đại Học Sao Đỏ, em đăng ký đề tài tốt nghiệp: “Nghiên cứu xây dựng bàn thí nghiệm mạng truyền thơng cơng nghiệp” Cơ sở khoa học thực tiễn đề tài: Mạng truyền thông công nghiệp tồn nhiều chuẩn khác cho ngành công nghiệp khác Chuẩn Modbus chuẩn dùng nhiều công nghiệp đặc biệt ngành Điện (lực) Việc nghiên cứu thiết kế bàn thí nghiệm nghiên cứu chuẩn có nghĩa thưc tiễn cao Lịch sử nghiên cứu : Có nhiều nghiên cứu, ứng dụng chuẩn Modbus vào lĩnh vực truyền thông Hà Minh Tuân                        khiển  Đo lường hệ thống điều     Nghiên cứu xây dựng bàn thí nghiệm mạng truyền thơng cơng nghiệp  Tuy nhiên, Việt Nam, việc nghiên cứu chuẩn cịn ít, trung tâm đào tạo trường đại học Mục đích đề tài (các kết cần đạt được): Nghiên cứu loại chuẩn công nghiệp xây dựng bàn thí nghiệm thực chuẩn Modbus phục vụ cho trường Đại học Sao Đỏ Nội dung đề tài, vấn đề cần giải quyết: Chương 1: Tổng quan mạng truyền thông công nghiệp: Nghiên cứu tổng quan chuẩn truyền thông công nghiệp Chương 2: Modbus: Nghiên cứu chuẩn truyền thông ModBus Chương 3: Xây dựng bàn thí nghiệm mạng truyền thơng cơng nghiệp : Nghiên cứu xây dựng bàn thí nghiệm thực việc truyền thông chuẩn Modbus vi điều khiển Phương pháp nghiên cứu : Chủ yếu dựa vào đọc tài liệu, phân tích mục đích đề tài Kết hợp với phương pháp thử nghiệm thực tiễn Kết đạt : Nghiên cứu, hiểu chuẩn truyền thơng cơng nghiệp Xây dựng bàn thí nghiệm mạng truyền thơng cơng nghiệp theo chuẩn Modbus cho phịng thí nghiệm điện trường Đại học Sao Đỏ Trong thời gian làm đề tài tốt nghiệp, em nhận nhiều giúp đỡ thầy, cô trung tâm đào tạo sau đại học môn Kỹ thuật đo tin học công nghiệp trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Em xin chân thành cảm ơn! Đặc biệt, em gửi lời cảm ơn sâu sắc tới TS Nguyễn Thị Lan Hương trực tiếp hướng dẫn em hồn thành đề tài Em mong nhận bảo, góp ý thầy, cô bạn đông nghiệp Em xin chân thành cảm ơn! Hà Minh Tuân                        khiển  Đo lường hệ thống điều     Nghiên cứu xây dựng bàn thí nghiệm mạng truyền thơng cơng nghiệp  Hà Nội, ngày 12 tháng 10 năm 2010 Học viên Hà Minh Tuân Hà Minh Tuân                        khiển  Đo lường hệ thống điều     Nghiên cứu xây dựng bàn thí nghiệm mạng truyền thơng cơng nghiệp  Hình 3.15: Hàm Force Single Coil chế độ ASCII Query: Slave address Function Coil address Coil address Force data Force data Hi Low Hi Low Response: Slave address Function Coil address Coil address Force Force Hi Low data Hi data Low Hà Minh Tuân                        84 khiển  LRC Đo lường hệ thống điều     Nghiên cứu xây dựng bàn thí nghiệm mạng truyền thơng cơng nghiệp  Phân tích: * Yêu cầu: Tắt (set OFF) Coil Slave Query: Slave address Function Coil address Coil address Force data Force data Hi Low Hi Low Response: Slave address Function Coil address Coil address Force Force Hi Low data Hi data Low LRC Phân tích: d Bài thí nghiệm 4: Áp đặt nhiều coil – Force Multiple Coils * Yêu cầu: Bật (set ON) Coil 2, Coil 3, Coil Slave Hà Minh Tuân                        85 khiển  Đo lường hệ thống điều     Nghiên cứu xây dựng bàn thí nghiệm mạng truyền thơng cơng nghiệp  Hình 3.16: Hàm Force Multiple Coils chế độ ASCII Query: Slave address Function Coil Coil Quantity Quantity Byte Force Force address address of Coils of Coils Count data data Hi Low Hi Low Hi Low Quantity Quantity LRC of Coils of Coils Hi Low Response: Slave address Function Coil address Coil address Hi Low Hà Minh Tuân                        86 khiển  Đo lường hệ thống điều     Nghiên cứu xây dựng bàn thí nghiệm mạng truyền thơng cơng nghiệp  Phân tích: * Yêu cầu: Bật (set ON) Coil 1, Coil 3, Coil 5, Coil 7, tất (set OFF) Coil 2, Coil 4, Coil 6, Coil Slave Query: Slave address Function Coil Coil Quantity Quantity Byte Force Force address address of Coils of Coils Count data data Hi Low Hi Low Hi Low Quantity Quantity LRC of Coils of Coils Hi Low Response: Slave address Function Coil address Coil address Hi Low Phân tích: Làm lại thí nghiệm theo Modbus RTU rút nhận xét Giao diện sau: Hà Minh Tuân                        87 khiển  Đo lường hệ thống điều     Nghiên cứu xây dựng bàn thí nghiệm mạng truyền thơng cơng nghiệp  Hình 3.17: Hàm Read Coil Status chế độ RTU Hà Minh Tuân                        88 khiển  Đo lường hệ thống điều     Nghiên cứu xây dựng bàn thí nghiệm mạng truyền thơng cơng nghiệp  Hình 3.18: Hàm Read Input Status chế độ RTU Hà Minh Tuân                        89 khiển  Đo lường hệ thống điều     Nghiên cứu xây dựng bàn thí nghiệm mạng truyền thơng cơng nghiệp  Hình 3.19: Hàm Force Single Coil chế độ RTU Hà Minh Tuân                        90 khiển  Đo lường hệ thống điều     Nghiên cứu xây dựng bàn thí nghiệm mạng truyền thơng cơng nghiệp  Hình 3.20: Hàm Force Multiple Coils chế độ RTU 3.6 Giới thiệu sản phẩm Toàn sản phẩm đặt bảng hình 3.21: Hà Minh Tuân                        91 khiển  Đo lường hệ thống điều     Nghiên cứu xây dựng bàn thí nghiệm mạng truyền thơng cơng nghiệp  Hình 3.21: Bàn thí nghiệm mạng truyền thông công nghiệp theo chuẩn Modbus Hà Minh Tuân                        92 khiển  Đo lường hệ thống điều     Nghiên cứu xây dựng bàn thí nghiệm mạng truyền thơng cơng nghiệp  Hình 3.22: Khối chuyển đổi RS-232 sang RS-485 Hà Minh Tuân                        93 khiển  Đo lường hệ thống điều     Nghiên cứu xây dựng bàn thí nghiệm mạng truyền thơng cơng nghiệp  Hình 3.23: Mạch vi điều khiển Slave Hà Minh Tuân                        94 khiển  Đo lường hệ thống điều     Nghiên cứu xây dựng bàn thí nghiệm mạng truyền thơng cơng nghiệp  KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Kết luận Sau 10 tháng nghiên cứu, tìm hiểu, sản phẩm bàn thí nghiệm mạng truyền thơng cơng nghiệp theo chuẩn Modbus hoàn thành Về bản, sản phẩm đạt mục tiêu sau: + Mô xác q trình truyền, nhận liệu kiểm sốt lỗi mạng truyền thơng cơng nghiệp + Thực truyền nhận thông tin theo chuẩn Modbus cho bàn thí nghiệm sinh viên Đại học Sao Đỏ + Nghiên cứu ứng dụng thành công phần mềm Keil µVision 3, Visual C# Visual Basic vào lĩnh vực điều khiển, giám sát hệ thống Tuy nhiên kinh nghiệm thiết kế, chế tạo mạch điện tử thiếu thời gian chế tạo không dài, nên sản phẩm cịn có số hạn chế sau: + Chưa mô đầy đủ lệnh theo chuẩn Modbus hãng Modicon sáng lập + Màn hình giao diện người máy thể trình truyền nhận liệu, chưa thực đẹp Hướng phát triển + Sản phẩm có cổng giắc cắm hỗ trợ để thực truyền thông theo chuẩn RS-232 RS-485 Vì xây dựng bàn thí nghiệm tổng hợp mạng truyền thơng + Sản phẩm ứng dụng vào cơng nghiệp phục vụ cho hệ thống điều khiển truyền thông, đo lường, giám sát trạng thái thiết bị, hệ thống nhỏ hệ thống lớn cấp xí nghiệp, cơng ty Hà Minh Tuân                        95 khiển  Đo lường hệ thống điều     Nghiên cứu xây dựng bàn thí nghiệm mạng truyền thơng cơng nghiệp  PHỤ LỤC Trình tự thí nghiệm - Kết nối mạng RS-485 cho Slave - Nạp File lập trình cho vi điều khiển AT89S52 - Cấp nguồn (Master dùng nguồn từ cổng USB) - Thực hàm theo giao thức Modbus chế độ ASCII phần mềm MT Modbus - Báo cáo kết thí nghiệm gồm phần sau: + Ghi lại tin truyền + Ghi lại tin nhận + So sánh tin truyền nhận, sau rút nhận xét - Thực hàm theo giao thức Modbus chế độ RTU, ghi lại kết so sánh với giao thức Modbus chế độ ASCII Hà Minh Tuân                        96 khiển  Đo lường hệ thống điều     Nghiên cứu xây dựng bàn thí nghiệm mạng truyền thơng cơng nghiệp  TÀI LIỆU THAM KHẢO Hoàng Văn Đặng (2000), Orcad 9.2 Phần mềm thiết kế mạch in, Nhà xuất Trẻ, Tp Hồ Chí Minh Hồng Minh Sơn (2007), Mạng truyền thơng cơng nghiệp, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật, Hà Nội Ngô Diên Tập (2006), Vi điều khiển với lập trình C, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật, Hà Nội Nguyễn Đình Tê (2004), Tự học lập trình sở liệu với Visual Basic 21 ngày, Nhà xuất lao động – xã hội, Hà Nội PGS TS Phạm Thượng Hàn, Bùi Đăng Thành, Đào Đức Thịnh, Nguyễn Anh Tuấn (2008), Hệ thống thông tin công nghiệp, Nhà xuất giáo dục, Hà Nội Phạm Minh Hà (2008), Kỹ thuật mạch điện tử, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật, Hà Nội Qch Tuấn Ngọc (2002), Ngơn ngữ lập trình C, Nhà xuất thống kê, Hà Nội Tống Văn On, Hoàng Đức Hải (2008), Họ vi điều khiển 8051, Nhà xuất lao động – xã hội, Hà Nội TS Đặng Quế Vinh (2005), Lập trình Visual Basic 6.0 bản, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật, Hà Nội 10 www.Modbustools.com (1996), Modicon Modbus Preference Guide, MODICON, Inc., Industrial Automation Systems Hà Minh Tuân                        97 khiển  Đo lường hệ thống điều     Nghiên cứu xây dựng bàn thí nghiệm mạng truyền thơng cơng nghiệp  Hà Minh Tn                        98 khiển  Đo lường hệ thống điều ... công nghiệp: Nghiên cứu tổng quan chuẩn truyền thông công nghiệp Chương 2: Modbus: Nghiên cứu chuẩn truyền thông ModBus Chương 3: Xây dựng bàn thí nghiệm mạng truyền thơng cơng nghiệp : Nghiên cứu. .. điều     Nghiên? ?cứu? ?xây? ?dựng? ?bàn? ?thí? ?nghiệm? ?mạng? ?truyền? ?thơng cơng? ?nghiệp? ? CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG TRUYỀN THƠNG CƠNG NGHIỆP 1.1 Mạng truyền thơng cơng nghiệp gì? Mạng truyền thơng cơng nghiệp. .. tài tốt nghiệp: ? ?Nghiên cứu xây dựng bàn thí nghiệm mạng truyền thơng cơng nghiệp? ?? Cơ sở khoa học thực tiễn đề tài: Mạng truyền thông công nghiệp tồn nhiều chuẩn khác cho ngành công nghiệp khác