Bài giảng Hệ thống đo và điều khiển công nghiệp: Chương 6.1 - Nguyễn Thị Huế

Bài giảng Hệ thống đo và điều khiển công nghiệp: Chương 6.1 Các giao thức công nghiệp tiêu biểu cung cấp cho người học những kiến thức như: Khái niệm chung về giao thức; Quy định một giao thức; Các yêu cầu cho các giao thức công nghiệp; Các giao thức công nghiệp;...Mời các bạn cùng tham khảo!

ĐO VÀ ĐIỀU KHIỂN CÔNG NGHIỆP

BÀI GIẢNG

Nguyễn Thị Huế

Bộ môn Kĩ thuật đo và Tin học công nghiệp

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN

NỘI DUNG MÔN HỌC

1

2

5

Giới thiệu chung và lịch sử phát triển của các hệ thống đo

và điều khiển công nghiệp

Cơ sở kĩ thuật truyền tin công nghiệp

Các thiết bị đo lường và chấp hành trong công nghiệp

3

4

Các bộ điều khiển khả trình Các thiết bị giám sát trong công nghiệp

6 Các giao thức công nghiệp tiêu biểu

 Giáo trình “Màng thông tin công nghiệp” Hoàng Minh Sơn, nhà xuất bản Khoa học và Kĩ thuật

(chủ biên) Nhà xuất bản giáo dục

môn Kĩ thuật đo và Tin học công nghiệp

Tài liệu tham khảo

NỘI DUNG CHƯƠNG 6

6 Các giao thức công nghiệp tiêu biểu

 Trong quá trình trao đổi

thông tin trên mạng, các đối

tác truyền thông cần thiết

phải tuân theo các quy tắc

 Giao thức thiết lập một tiêu chuẩn chung cho việc trao đổi dữ liệu giữa phần thu và phát trên mạng

mạng

Khái niệm chung về giao thức

 Khởi tạo: Phần này khởi tạo các thông số của giao thức và bắt đầu truyền dữ liệu trên đường truyền

 Tạo khung và đồng bộ khung: Phần này định nghĩa thời điểm khởi đầu và thời điểm kết thúc của khung để bên nhận có thể đồng bộ dữ liệu khi nhận

 Điều khiển luồng dữ liệu: để đảm bảo rằng với tốc độ này thì bên thu có thể nhận số liệu mà không bị thiếu

 Điều khiển truy cập đường truyền

 Phát hiện và sửa lỗi

 Điều khiển Time Out: áp dụng với các bộ truyền khi nó không nhận được dữ liệu trong khoảng thời gian định trước và bộ nhận không thể nhận được các bản tin trước đó

Quá trình xử lí giao thức có thể là mã hoá hoặc giải mã, như vậy việc xử lí giao

Quy định một giao thức

 Đơn giản nhất, có thể dễ khắc phục sự cố:

 Công nghiệp đòi hỏi hoạt động liên tục

 Mức độ yêu cầu của các hệ thống truyền thông công nghiệp ở cấp độ phân xưởng là ở cấp thấp

 Chọn các giao thức đơn giản nhất có thể, ví dụ giao thức ASCII

 Tính bảo toàn dữ liệu khi truyền là cao

 Trong môi trường công nghiệp có rất nhiều nhiễu điện từ

 Các thiêt bị công suất lớn tập trung với mật độ cao

 Cần thiết phải truyền số liệu sao cho không có lỗi

 Giao thức được chọn phải có khả năng kiểm soát lỗi hiệu quả

Các yêu cầu cho các giao thức công nghiệp

 Chuẩn hoá các giao thức:

đổi thông tin (PLC, PC ) được sản xuất bởi các hãng khác nhau, cần thiết phải có giao thức truyền thông công nghiệp chung

tiếp nhau là gần như đồng thời

Các yêu cầu cho các giao thức công nghiệp

Các giao thức công nghiệp

 Kiến trúc giao thức

 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

6.1 MODBUS

 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

cho cả RS485 để đạt tốc độ cao hơn, khoảng cách dài hơn và mạng đa điểm (multi-drop)

 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

MODBUS

 Modbus thực chất là một chuẩn giao thức và dịch vụ thuộc lớp ứng dụng, vì vậy nó được thực hiện trên các cơ chế vận chuyển cấp thấp như: TCP/IP, MAP (Manufacturing Message Protocol)

6.1.1 Kiến trúc giao thức

Kiến trúc giao thức

 Cấu trúc mạng và kĩ thuật truyền dẫn

Cấu trúc mạng

 Modbus nối tiếp

Kĩ thuật truyền dẫn

 Modbus còn đưa ra các phương thức để chuyển đổi cấu hình mạng qua lại giữa các chuẩn RS 485 3 dây và 5 dây

Modbus - Giao diện vật lí

 Chuyển đổi RS 485 3 dây và hệ thống 5 dây

Modbus - Giao diện vật lí

 Modbus serial

Kĩ thuật truyền dẫn

 Chu trình yêu cầu và đáp ứng của modbus chuẩn

Modbus - Cơ chế giao tiếp

 Nguyên lí truy cập trong ModBus nói chung là Master/Slave, giao thức này cho 1 trạm chủ có thể giao tiếp với 247 trạm tớ Phân chia địa chỉ được trình bày trên hình sau :

Modbus - Cơ chế giao tiếp

Địa chỉ gửi đồng

loạt (bản tin quảng bá)

Địa chỉ riêng biệt của các trạm tớ

Dành cho tương

lai

Trong giao thức ModBus chuẩn dữ liệu có thể được truyền ở một trong 2 chế độ sau:

thường

Modbus - Cơ chế giao tiếp

 Chế độ truyền ASCII (American Standard Code for Information Interchange) Cấu trúc khung kí tự gửi đi thể hiện như sau:

 Khi các bộ điều khiển sử dụng chế độ ASCII mỗi byte 8 bit truyền như hai kí tự ASCII

 Ưu điểm chính là thời gian truyền giữa các kí tực lên đến 1s

mà không gây ra lỗi,

 Bít trên kí tự: 1 Start bit; 7 bit data; 1,0 Parity bit; 1, 2 Stop bit

 Kiểm tra lỗi Parity

Modbus - Chế độ truyền ASCII

Start 0 1 2 3 4 5 6 P Stop

 Trong chế độ truyền RTU (Remote Terminal Unit) mỗi byte trong thông báo được gửi thành 1 ký tự 8 bít ưu điểm là hiêu suất truyền cao, nhưng mỗi thông báo phải được truyền thành một dãy liên tục

 Khi gửi các bộ điều khiển hoạt động ở chế độ RTU, mỗi byte -8bit gửi như hai số Haxadecimal – 4bit

 Ưu điểm của phương pháp này là một độ kí tự lớn cho phép truyền tốt hơn chế độ ASCII với cùng tốc độ bit

 Mỗi bản tin cần truyền thành chuỗi liên tục

Modbus - Chế độ truyền RTU

 Một bản tin của Modbus bao gồm nhiều thành phần và có chiều dài khác nhau

 Trong chế độ Modbus chuẩn có hai chế độ truyền (ASCII và RTU), mỗi bản tin sẽ được đóng khung, mỗi khung có nhiều kí

tự có cấu trúc khác nhau tùy theo chế độ truyền

 Trong cả hai chế độ truyền ASCII và RTU thì các bản tin phải đặt trong khung bản tin có điểm đầu và kết thúc

hình sau

ModBus – Cấu trúc khung bản tin

Trường địa

chỉ (Address)

Mã hàm (Function)

Dữ liệu (data)

Kiểm soát lỗi CRC hoặc

LRC (Error check)

Bắt

đầu

(Start)

Kết thúc (Stop)

PDU

Với bản tin gửi từ trạm chủ:

 Địa chỉ trạm nhận: (0-247) trong đó 0 tức là gửi đồng loạt

 Mã hàm: gọi chỉ thị hoạt động trạm tớ cần thực hiện theo yêu cầu

 Dữ liệu: Chứa các thông tin bổ xung mà trạm tớ cần cho việc thực hiện trạm gọi

 Thông tin kiểm tra lỗi: Giúp trạm tớ kiểm tra sự toàn vẹn của nội dung thông báo

Thông báo trả lời từ Slave:

 Địa chỉ: mang thông tin địa chỉ của trạm gửi và trạm nhận là trạm chủ

ModBus – Cấu trúc khung bản tin

 Định dạng bản tin trong chế độ ASCII được trình bày trên hình sau;

kí tực ASCII 0D và 0A

ModBus – Cấu trúc khung bản tin

1 ký tự

:

2 kí tự 2 kí tự N kí tự 2 kí tự 2 kí tự

CR+LF

 Định dạng bản tin trong chế độ RTU được trình bày trên hình sau;

là số nguyên lần thời gian kí tự

1,5 thời gian kí tực thì thiết bị nhật sẽ hủy bổ thông báo

ModBus – Cấu trúc khung bản tin

(- - - -) 8 bit 8 bit nx8 bit 16 bit (- - - -)

ModBus – Cấu trúc khung bản tin

Modbus – các chức năng của Modbus

Các thuộc tính của Modbus/ASCII và Modbus/RTU

Redundancy Check

CRC Cyclic Redundancy

Check

 Modbus cung cấp một loạt các chức năng sau:

Modbus – các chức năng của Modbus

 Trường mã hàm

Modbus – các chức năng của Modbus

 Trường mã hàm

Modbus – các chức năng của Modbus

Modbus – các chức năng của Modbus

 Bên trong một Modbus device 4 kiểu dữ liệu

 Các biến vào ra là 1bit

Modbus – các chức năng của Modbus

 Bảng sau trình bày các dải địa chỉ cho các coil, các input, Inputs registers và các holding register và cách địa chỉ trong Modbus message được tính cho trước địa chỉ thực của item trong slave device

Modbus – các chức năng của Modbus

Device and Modbus address ranges

Modbus – các chức năng của Modbus

Modbus – các chức năng của Modbus

 Bản tin gửi không lỗi và slave trả lời

Modbus – các chức năng của Modbus

 Slave nhận được bản tin đúng nhưng không thực hiện được

Modbus – các chức năng của Modbus

Bản tin lỗi

Exception Codes:

Địa chỉ của coil không tồn tại

trong slave thì Exception Codes

sẽ trả về là 02

Modbus – các chức năng của Modbus

 Ý nghĩa của các Exception Codes được cho trong bảng sau:

Modbus – các chức năng của Modbus

 Ý nghĩa của các Exception Codes được cho trong bảng sau:

Modbus – các chức năng của Modbus

Modbus – các chức năng của Modbus

 Cấu trúc bản tin gửi đi và bản tin trả lời với mã hàm 01-Đọc trạng thái lõi (read coil status)

Modbus – các chức năng của Modbus

Function 01 Query Format Byte Value Description

1 01h-F7h Slave device address

2 01h Function code

3 00h-FFh Start address (high byte)

4 00h-FFh Start address (low byte)

5 00h-FFh Number of coils (high byte)

6 00h-FFh Number of coils (low byte)

Function 01 Response Format Byte Value Description

1 01h-F7h Slave device address

2 01h Function code

3 00h-FFh Number of bytes of data (n)

4 to n+3 00h-FFh Data n+4/

n+4 LRC/

Modbus – các chức năng của Modbus

 Ví dụ mã hàm 01

Modbus – các chức năng của Modbus

 Cấu trúc bản tin gửi đi và bản tin trả lời với mã hàm 02-Đọc trạng thái vào (Read input status)

Modbus – các chức năng của Modbus

 Lưu đồ

Modbus – các chức năng của Modbus

 Ví dụ mã hàm 02

Modbus – các chức năng của Modbus

 Ví dụ mã hàm 03: đọc trạng thái thanh ghi giữ

Modbus – các chức năng của Modbus

 Lưu đồ

Modbus – các chức năng của Modbus

 Ví dụ mã hàm 03: đọc trạng thái thanh ghi giữ

Modbus – các chức năng của Modbus

 Ví dụ mã hàm 04: đọc trạng thái thanh ghi đầu vào

Modbus – các chức năng của Modbus

 Ví dụ mã hàm 04: đọc trạng thái thanh ghi đầu vào

Modbus – các chức năng của Modbus

Mã hàm 05 : Force Single Coil

 Khi đặt trạng thái ON/OFF cho coil Giá trị FF00 hex đặt cho choil ON Giá trị 0000h đặt cho OFF Mọi giá trị khác không được chấp nhận

Modbus – các chức năng của Modbus

Modbus – các chức năng của Modbus

 Mã hàm 05 : Force Single Coil

Modbus – các chức năng của Modbus

 Function 15 (0x0F) Write Multiple Coils

Modbus – các chức năng của Modbus

 Function 15 (0x0F) Write Multiple Coils

Modbus – các chức năng của Modbus

 FC 06: (0x06) Write Single Register

Modbus – các chức năng của Modbus

Modbus – các chức năng của Modbus

 Ghi dữ liệu lên thanh ghi 40002 giá trị 00 03h

Modbus – các chức năng của Modbus

 FC 16: (0x10) Write Multiple registers

Modbus – các chức năng của Modbus

 Ghi dữ liệu lên hai thanh ghi bắt đầu từ thanh ghi 40002 giá trị

00 0Ah và 01 02h

Modbus – các chức năng của Modbus

 FC 17: (0x11) Report Slave ID (Serial Line only)

Modbus – các chức năng của Modbus

Kiểm soát LRC (Longitudinal Redundancy Chek)

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

tính toán

cách cộng đại số toàn bộ các byte của dãy bít nguồn (không quan tâm đến tròn), sau đó lấy phần bù 2 của kết quả

Modbus – Kiểm tra lỗi

- Kiểm soát CRC (Cyclic Redundancy Check)

khung thông báo, byte thấp của mã CRC được gửi đi trước

Modbus – Kiểm tra lỗi

Modbus - Giao diện vật lí

ModBus TCP/IP

 Modbus đẽ dàng cấu hình với mọi cấu trúc mạng

ModBus TCP/IP

ModBus TCP/IP

ModBus TCP/IP

 Mọi thiết bị PLC, HMI, Control Panel, Driver, Motion control, I/O Device… có thể kết nối trong mạng

ModBus TCP/IP

ModBus TCP/IP

 Cấu trúc khung bản tin

ModBus TCP/IP

 Một khung bản tin trong Modbus TCP bao gồm hai phần chính

là MBAP Header (Modbus Application Header) và PDU

TCP chỉ giữ lại thông tin mã hàm và dữ liệu cần truyền đi, còn phần địa chỉ của Slave và kiểm tra lỗi CRC được lược bỏ

là Server, đã được xác định qua địa chỉ IP cũng như port, vì thế thông tin này là không cần thiết

kiểm tra toàn bộ khung TCP/IP là FCS nằm trong gói TCP/IP

ModBus TCP/IP

MBAP Header gồm 7 bytes MBAP được thêm vào đằng trước mã hàm Các trường dữ liệu trong MBAP bao gồm:

duy nhất từng yêu cầu Các byte này được Server lặp lại vì các phản hồi từ Server có thể không được nhận theo thứ tự như các yêu cầu

(hexa)

từ Unit ID đến cuối bản tin

ModBus TCP/IP

 Là một hệ thống bus dựa trên modbus nhưng giá thành thấp,

 Cấu trúc khung bản tin

ModBus plus

ModBus plus

ModBus plus

 AS-i (Actuator Sensor Interface) là

kết quả phát triển hợp tác của 11

hãng sản xuất các thiết bị cảm biến

và cơ cấu chấp hành có tên tuổi

trong công nghiệp, trong đó có

Siemens AG, Festor KG, Pepperl &

Fuchs AS-i dùng để kết nối các

thiết bị cảm biến, cơ cấu chấp hành

với cấp điều khiển

 AS-I là giao diện kết nối các cảm

biến và cơ cấu chấp hành ở tầng

6.2 AS-I (Actuator Sensor Interface )

 Thế mạnh của AS-i là sự

đơn giản trong thiết kế, lắp

đặt và bảo dưỡng cũng như

AS-I (Actuator Sensor Interface )

Slave Slave

Slave Slave Slave Slave Slave Slave

Vị trí của AS-I

 AS-I làm giảm đáng kể sự phức tạp của dây nối, vì thế hệ thống dây song song thông thường của mỗi cảm biến hoặc thiết bị chấp hành đến bộ điều khiển sẽ không còn cần thiết Điều này tiết kiệm cho người sử dụng rất nhiều đầu nối, hộp chia tách, cards vào/ra và dây điện

AS-I

Nối dây truyền thống

Nối dây trong hệ AS-I

 Phiên bản đầu tiên ra đời vào khoảng những năm 1994 (V2.0)

 Phiên bản mở rộng được sản xuất năm 2002 (V2.1)

 Phiên bản 3.0 được ra đời tháng 9 năm 2004

Sự phát triển của AS-I

controller controller

Customer Benefits of AS-Interface

Sơ đồ kết nối ASI

 AS-I là mạng Single Master/Multi Slaver Trong mạng AS-I chỉ

có một master trao đổi dữ liệu với các Slaver trong mạng thông qua cơ chế polling các Slaver liên tiếp và chờ đợi trả lời

Đặc điểm của mạng AS-I

 Kỹ thuật mã hóa chọn dải tần số truyền, tự đồng bộ hóa theo

cơ chế APM (Alternate Pulsse Modulation) bản chất là kết hợp Manchester và AFP cho phép loại nhiễu, có độ tin cậy cao

Đặc điểm của mạng AS-I

 Bên truyền:

 Một dãy bit trước khi được gửi đi phải được mã hóa Manchester với mục đích tạo thông tin đồng bộ nhịp và trung hòa sự xuất hiện của các bít 0 và 1

 Dòng điện tương ứng từ bộ phát nhờ tác dụng của các cuộn cảm trong mạch cách ly dữ liệu sẽ tạo ra mức tín hiệu điện áp mong muốn trên đường truyền

 Mỗi 1 sườn lên của dòng tạo 1 điện áp âm và ngược lại mỗi 1 sườn xuống của dòng tạo 1 điện áp dương

 Bên nhận

 Các xung âm và xung dương của tín hiệu điện áp sẽ được phát hiện

Đặc điểm của mạng AS-I

 Ưu điểm của phương pháp mã hóa APM

nên dải tần của tín hiệu rất hẹp và tần số tín hiệu tương đương tần sỗ nhịp bus nên tác động bức xạ nhiễu được giảm

mặt có thể giúp bên nhận tái tọa tín hiệu ngoài ra còn có thể phát hiện lỗi trong 1 số trường hợp

 Sự thay đổi tuần tự giữa xung âm và xung dương sẽ làm triệt tiêu dòng 1 chiều ngoài mong muốn tạo khả năng xếp

Đặc điểm của mạng AS-I

 Sử dụng cáp 2 dây (2x1.5mm2) vừa cấp nguồn, vừa truyền dữ liệu với nguồn lên đến 8A

Đặc điểm của mạng AS-I

 Thành phần mút mạng: Mỗi nút mạng có thể kết nối với các Sensor/Actuator có tích hợp AS-I connector hoặc thông qua các AS-I module

HEÄ THOÁNG AS-I

 Địa chỉ điện tử: Mỗi slaver có một địa chỉ riêng

Đặc điểm của mạng AS-I

 Chu kì quét của mạng AS-i

Đặc điểm của mạng AS-I

 Chế độ địa chỉ thông thường (V2.0), 1 Master có thể quản lý 31 Slaver (4I/4O), cho phép kết nối với 124 Sensor/124 Actuator

Đặc điểm của mạng AS-I

D0 = sensor 1 D1 = sensor 2

D2 = actuator 1 D3 = actuator 2 P0

up to 4

Interface Slave IC

AS-1 module enclosure

one connection

Watchdog