3.8.1. Giới thiệu về Modbus RTU
3.8.1.1 Khái niệm
Modbus được hiểu đơn giản là một giao thức truyền thông nối tiếp ban đầu được Modicon (nay là Schneider Electric) xuất bản năm 1979 để sử dụng với các bộ điều khiển logic lập trình (PLC). Modbus đã trở thành một giao thức truyền thông tiêu chuẩn thực tế và hiện là phương tiện phổ biến để kết nối các thiết bị điện tử công nghiệp. Modbus được sử dụng khá phổ biến trong môi trường công nghiệp vì nó được xuất bản công khai và miễn phí bản quyền. Nó được phát triển cho các ứng dụng công nghiệp, tương đối dễ triển khai và bảo trì so với các tiêu chuẩn khác và đặt ra một vài hạn chế ngoài kích thước trên định dạng của dữ liệu được truyền. Giao thức Modbus RTU là một giao thức mở, sử dụng đường truyền vật lý RS-232 hoặc RS-485 và mô hình dạng Master-Slave.
Hình 3.10: Modbus RTU trong công nghiệp
Việc phát triển và cập nhật các giao thức Modbus đã được Tổ chức Modbus quản lý kể từ tháng 4 năm 2004, khi Schneider Electric chuyển giao quyền cho tổ
chức đó. Tổ chức Modbus là một hiệp hội của người dùng và nhà cung cấp các thiết bị tuân thủ Modbus ủng hộ việc tiếp tục sử dụng công nghệ.
Với giao thức Modbus sẽ cho phép liên lạc giữa nhiều thiết bị được kết nối với cùng một mạng, ví dụ như một hệ thống cảm biến đo nhiệt độ, cảm biến đo độ ẩm, cảm biến mực nước và sau đó sẽ truyền tín hiệu kết quả đến máy tính. Modbus thường được sử dụng để kết nối một máy tính giám sát với một thiết bị đầu cuối từ xa (RTU) trong các hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu (SCADA). Nhiều loại dữ liệu được đặt tên từ việc sử dụng logic Ladder trong ngành và sử dụng nó trong rơle lái xe: đầu ra vật lý một bit được gọi là cuộn dây và đầu vào vật lý một bit được gọi là đầu vào riêng biệt hoặc tiếp điểm.
3.8.1.2 Phân biệt giữa RS-232 và RS-485
- Với RS-232:
RS-232 hay còn được gọi với cái tên khác là cổng COM thường được sử dụng trong các máy tính để bàn và tất cả chúng đều sử dụng cổng truyền thông theo tiêu chuẩn RS-232 để kết nối với các thiết bị như máy in hay các loại máy fax,… RS-232 sẽ sử dụng 3 dây bao gồm: Tx (truyền tín hiệu), Rx (nhận tín hiệu) và GND (đất). Chúng sẽ hoạt động dựa trên thị chênh lệch áp giữa TX, RX và GND.
Hình 3.11: Kết nối RS-232
Đặc điểm:
Tốc độ truyền là 20Kbps
Có hỗ trợ kết nối điểm – điểm trên một mạng
Nhược điểm:
Không thể truyền đi xa do mất mát tín hiệu và không có khả năng phục hồi lại
Việc kết nối các thiết bị theo chuẩn RS-232 chỉ được thực hiện trong phạm vi 2 thiết bị mà thôi nên rất hạn chế nếu ta dùng đến nhiều thiết bị
- Với RS-485:
So với chuẩn RS-232 thì chuẩn RS-485 sẽ sử truyền trên 2 dây A và B mà thôi. Cách thức hoạt động cũng sẽ là so sánh chênh áp giữa A và B theo logic 0 và 1 và không hề so sánh với đất. Việc này rất thích hợp cho các ứng dụng cần truyền tín hiệu đi xa vì giá trị của chúng chỉ là 0 với 1.
Giả sử khi giá trị của A và B lần lượt là A = 1, B = 0 thì dữ liệu nhận biết data = 1. Ngược lại nếu A = 0 và B = 1 thì data = 0. Chính vì hoạt động theo cách trên mà khi truyền đi xa dù có sụt áp thì cũng không ảnh hưởng đến quá trình truyền dữ liệu.
Chênh áp giữa A và B trong khoảng -6 ÷ -1,6V thì dữ liệu nhận giá trị là 1 Chênh áp giữa A và B trong khoảng +1,5 ÷ +6V thì dữ liệu nhận giá trị là 0
Hình 3.12: Nguyên lý truyền RS-485
3.8.1.3 Ưu và nhược điểm:
- Ưu điểm:
Có thể dùng cho nhiều loại thiết bị có chung cổng Modbus RTU
Giảm số lượng dây kết nối về cho PLC, tối ưu hóa không gian nhà xưởng hay nơi làm việc.
Tiết kiệm một số lượng lớn module mở rộng PLC. Ổn định và ít bị nhiễu hơn so với tín hiệu analog 4-20ma
Các dạng tín hiệu 2 dây RS-485 đều có khả năng truyền đi xa lên đến 1200m mà không sợ mất tín hiệu hay dữ liệu.
Tín hiệu sẽ chậm hơn việc sử dụng trực tiếp như tín hiệu analog hay digital
Chỉ phù hợp cho các điều khiển có thời gian từ 1s trở xuống
Cần trang bị một PLC hay Scada có cấu hình mạnh để đọc hết các thanh ghi của nhiều modbus
3.8.2. Module truyền thông CB 1241
Module truyền thông CB 1241 là module mở rộng truyền thông cho PLC S7- 1200, hỗ trợ truyền thông Modbus RTU RS-485. Module được kết nối trực tiếp với PLC S7 1200. Có chức năng nhận tín hiệu RS-485 từ đồng hồ đo gửi về, sau đó xử lý và gửi dữ liệu về PLC.
Hình 3.13: Module truyền thông CB 1241
- SIMATIC S7-1200 CB 1241 Hãng sản xuất: SIEMENS Cổng: RS485
Giao thức: Modbus RTU
Kích thước (RxCxS): 38x62x21 mm
3.9. Chọn đồng hồ đo điện đa năng- Vai trò của đồng hồ đo đối với hệ thống: - Vai trò của đồng hồ đo đối với hệ thống:
Đo điện áp, dòng điện, công suất, tần số, cosφ của hệ thống điện Gửi dữ liệu đo được về PLC thông qua module truyền thông Hiển thị các thông số của hệ thống điện ra màn hình
Chọn đồng hồ đo điện đa năng Selec MFM383A-C phù hợp với yêu cầu của hệ thống như đo được nhiều thông số điện năng, tích hợp truyền thông Modbus cũng như giá thành hợp lý.
Thông tin mô tả:
Đồng hồ đo: V, A. Hz, Pf, kW, kVA, kVAr và đo kWh, KVAh, KVArh Hiển thị 3 hàng, 4 số, dạng LCD
Hàng thứ 4: 8 số (dành cho điện năng) Cài đặt hệ số CT: 1A / 5A – 10.000A
Mạng kết nối: 3 pha – 4 dây, 3 pha – 3 dây, 2 pha – 3dây & 1 pha – 2 dây Ngõ ra: xung áp 24VDC / dòng 100mA
Độ chính xác: cấp 1 (dành cho điện năng) Cài đặt hệ số PT Sơ cấp: 100V – 10 KV
Cài đặt hệ số PT Thứ cấp: 100 – 500V AC (L-L) Có password bảo vệ
Nguồn cấp: 85 – 270V AC Truyền thông MODBUS RS-485
Hình 3.14a: Selec MFM383A-C
Đồng hồ đo các thông số điện của nguồn lưới khi cấp cho tải sử dụng, nên các giá trị đo cấp vào đồng hồ được lấy từ đầu ra của MCB của nguồn lưới.
Cần phải sử dụng đồng hồ kèm theo biến dòng để đo dòng điện của hệ thống. Chọn biến dòng dựa theo dòng điện của hệ thống và hệ số CT của đồng hồ đo. Dòng điện tối đa của hệ thống là:
Chọn tỉ số biến dòng :
Cần 3 biến dòng để đo dòng điện 3 pha của hệ thống. Chọn biến dòng RCT-90() đế sử dụng cho hệ thống.
Hình 3.14b: Sơ đồ đấu nối Selec MFM383A-C
3.10. Chọn Rơ le bảo vệ
3.10.1.Giới thiệu về Rơ le bảo vệ - Khái niệm:
Rơ le bảo vệ (Protective Relays, Protection Relays) là một loại thiết bị điện từ, nó dựa trên hoạt động của cuộn dây điện từ tác động lên các bộ phận truyền động để phát hiện các điều kiện hoạt động bất thường như quá dòng, quá áp, dòng công suất ngược, tần số quá cao hoặc thấp.
- Nguyên lý hoạt động của Rơ le bảo vệ :
Dòng điện sẽ chạy qua cuộn dây bên trong và tạo ra một từ trường hút trong relay bảo vệ. Từ trường hút tác động lên một đòn bẩy bên trong và làm đóng hoặc mở các tiếp điểm điện, việc này làm thay đổi trạng thái của relay. Trong đó, số tiếp điểm điện bị thay đổi có thể là 1 hoặc nhiều, tùy vào thiết kế.
Hình 3.16: Một số rơ le bảo vệ trong thực tế
3.10.2.Chọn rơ le bảo vệ cho hệ thống ATS.
- Vai trò của Rơ le bảo vệ trong hệ thống : Đối với nguồn máy phát: Kiểm tra nguồn của máy phát trước khi cấp cho tải
- Trong hệ thống ATS được thiết kế, cần sử dụng 1 Rơ le bảo vệ điện áp để kiểm tra nguồn điện của máy phát để cấp cho tải
- Cần chọn loại Rơ le bảo vệ có các yêu cầu sau: Tích hợp nhiều chức năng bảo vệ khác nhau. Dễ dàng lắp đặt và cài đặt
Thời gian tác động nhanh
Có màn hình hiển thị để tiện cho việc giám sát Đồ bền cao, giá thành tốt.
Qua những yêu cầu trên, lựa chọn Rơ le bảo vệ điện áp CHINT XJ3-D là thỏa mãn tất cả các yêu cầu trên.
Thông tin Rơ le bảo vệ điện áp CHINT XJ3-D :
Thông số kỹ thuật Rơle bảo vệ điện áp CHINT XJ3-D Nguồn: 3 Pha (50Hz) 380VAC
Bảo vệ quá áp: 380~460VAC, thời gian trễ: 1,5~4s (có thể điều chỉnh) Bảo vệ thấp áp: 300~380VAC, thời gian trễ: 2~9s (có thể điều chỉnh) Độ chính xác với điện áp: ±5%
Lỗi pha: Điện áp nguồn cấp < 60%Ue và Bảo vệ thứ tự pha ≤ 2s Công suất tiếp điểm: AC380V 3A
Công suất tiêu thụ: ≤ 1W
Độ bền điện: 10⁵ ( không lớn hơn tải định mức) Dải Nhiệt độ hoạt động: -5°C~+40°C
- Đấu nối Rơ le bảo vệ điện áp CHINT XJ3-D : 3 pha đầu ra của máy phát đấu vào 3 tiếp điểm L1, L2, L3 của Rơ le. Cài đặt điện áp và dòng điện yêu cầu để khi điện áp và dòng điện của máy phát đạt yêu cầu thì ngay lập tức tiếp điểm thường mở của Rơ le tác động.
Tiếp điểm NO/NC của các Rơ le bảo vệ: 1 đầu được đấu với nguồn 24V, đầu còn lại đấu với chân Input của PLC.
Hình 3.18: Cách đấu nối Rơ le bảo vệ CHINT XJ3-D
- Sử dụng chân của Rơ le trong hệ thống: Chân Ta – Tc là chân Thường mở (NO), khi cấp nguồn điện đủ yêu cầu cài đặt ban đầu thì tiếp điểm đóng lại. Dùng cho chân Input của PLC báo có nguồn điện (RL kiểm tra máy phát). Khi xảy ra sự cố mất pha, đảo pha, quá áp thì tiếp điểm mở ra.
3.11. Chọn nút nhấn, công tắc xoay và đèn báo- Vai trò trong hệ thống ATS: - Vai trò trong hệ thống ATS:
Nút nhấn: Sử dụng để nhấn tác động cho đầu vào của PLC
Công tắc xoay 3 vị trí: Chuyển đổi chế độ bằng tay/tự động bằng cách thay đổi vị trí công tắc.
Đèn báo: Báo trạng thái cấp nguồn của hệ thống, báo lỗi.
- Chọn thiết bị:
Nút nhấn: Chọn nút nhấn nhả có điện áp 24V, có đèn báo. Đối với nút Stop chọn nút nhấn có màu đỏ.
Công tắc xoay 3 vị trí : Chọn công tắc tự giữ. 2 tiếp điểm NO sử dụng cho 2 chế độ tự động và bằng tay.
Đèn báo: Chọn loại đèn báo 24VDC. Đối với đèn báo lỗi chọn loại màu đỏ.
3.12. Bảng tổng kết thiết bị của hệ thốngBảng 3.4: Tổng kết thiết bị Bảng 3.4: Tổng kết thiết bị
Tên thiết bị Hãng sản xuất Loại Số lượng
Máy phát điện Denyo 450 kVA 1
PLC S7-1200 Siemens CPU 1214C
DC/DC/RLY 1
Bộ nguồn 24V China 10A 1
Bộ lưu điện UPS Santak 60Ah 1
Rơ le trung gian Omron 24VDC 4
Contactor LS 800A 1
Contactor LS 700A 1
CB LS 800A 1
CB LS 700A 1
Đồng hồ đa năng Selec MFM383A-C 1
Module truyền
thông Siemens CB 1241 1
Biến dòng CNC-WIZ RCT-90 3
Rơ le bảo vệ CHINT XJ3-D 1
Nút nhấn IDEC 24VDC 3
Công tắc xoay IDEC 3 vị trí 1
Đèn báo IDEC 24VDC 4
Sơ đồ đấu nối thiết bị thiết kế trên Autocad Electrical:
CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ CHƯƠNG TRÌNH ĐIỂU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT HỆ THỐNG
4.1. Thiết kế chương trình điều khiển cho hệ thống.4.1.1. Lưu đồ thuật toán. 4.1.1. Lưu đồ thuật toán.
4.1.1.1 Chế độ bằng tay.
Hình 4.1: Lưu đồ thuật toán chế độ bằng tay
Bắt đầu S Nhấn cấp lưới S Nhấn cấp MP Đ Tắt K2 Tắt Máy phát Đóng contactor lưới Sáng đèn báo 1 Đ Đề máy phát Đề < 3 S Kiểm tra
Nguồn cấp Rơ le kiểm tra
S Đ S Đ Đ Delay 10s+ Tắt K1 Đóng K2, tắt đề MP Báo đèn 2 Ngừng đề Báo lỗi MP Báo ra màn hình S KT nguồn Đ Báo lỗi Báo lỗi Báo ra màn hình
4.1.1.2 Chế độ tự động
Hình 4.2: Lưu đồ thuật toán chế độ tự động
Bắt đầu S KT nguồn lưới Đ Tắt K2 Tắt máy phát Tắt đề MP Đóng K cấp lưới Đề MP Báo lỗi xảy ra KT Đồng hồ S Đ Kiểm tra Máy phát Đ Đề < 3 S Báo đèn 1 Xuất ra màn hình S Đ Delay 30 s Đóng K2 Bật đèn 2 Tắt đề máy phát Ngừng đề. Báo lỗi MP
4.1.2. Lập trình cho hệ thống ATS
4.1.2.1 Phân công vào ra cho hệ thống
Bảng 4.1: Đầu vào – ra của PLC
BẰNG TAY Default tag table Bool %I0.0 TỰ ĐỘNG Default tag table Bool %I0.1 NHẤN CẤP LƯỚI Default tag table Bool %I0.2
NHẤN CẤP MÁY
PHÁT Default tag table Bool %I0.3 RL KT MÁY PHÁT Default tag table Bool %I0.4 RESET Default tag table Bool %I0.5 K CẤP LƯỚI Default tag table Bool %Q0.0 K CẤP MÁY PHÁT Default tag table Bool %Q0.1 RL ĐỀ MÁY PHÁT Default tag table Bool %Q0.2 RL TẮT MÁY PHÁT Default tag table Bool %Q0.3 ĐÈN 1 Default tag table Bool %Q0.4 ĐÈN 2 Default tag table Bool %Q0.5 ĐÈN BÁO LỖI Default tag table Bool %Q0.6 ĐÈN BÁO LƯỚI Default tag table Bool %Q0.7
4.1.2.2 Sử dụng các biến phụ:
Bảng 4.2: Các vùng nhớ trong chương trình
Name Path Data Type Logical Address
System_Byte Default tag table Byte %MB1 FirstScan Default tag table Bool %M1.0 DiagStatusUpdat
e Default tag table Bool %M1.1
AlwaysTRUE Default tag table Bool %M1.2 AlwaysFALSE Default tag table Bool %M1.3
STATUS Default tag table Word %MW10
Clock_Byte Default tag table Byte %MB0 Clock_10Hz Default tag table Bool %M0.0 Clock_5Hz Default tag table Bool %M0.1 Clock_2.5Hz Default tag table Bool %M0.2 Clock_2Hz Default tag table Bool %M0.3 Clock_1.25Hz Default tag table Bool %M0.4 Clock_1Hz Default tag table Bool %M0.5 Clock_0.625Hz Default tag table Bool %M0.6 Clock_0.5Hz Default tag table Bool %M0.7
STATUS MODBUS
MASTER
ĐỀ LẠI Default tag table Bool %M2.0 CẤP LƯỚI
BẰNG TAY Default tag table Bool %M2.1 Tag_1 Default tag table Bool %M2.2 Tag_2 Default tag table Bool %M2.3 Tag_3 Default tag table Bool %M2.4 Tag_4 Default tag table Bool %M2.5 Tag_5 Default tag table Bool %M2.6 Tag_6 Default tag table Bool %M2.7 Tag_7 Default tag table Bool %M3.0 Tag_8 Default tag table Bool %M3.1 Tag_9 Default tag table Bool %M3.2 CÓ LƯỚI Default tag table Bool %M3.3 MẤT LƯỚI Default tag table Bool %M3.4 ĐỀ MP AUTO Default tag table Bool %M3.5 CẤP LƯỚI TỰ
ĐỘNG Default tag table Bool %M3.6
CẤP LƯỚI
AUTO Default tag table Bool %M3.7
TIMER 1 Default tag table Time %MD100 SỐ LẦN ĐỀ Default tag table DWord %MD101 TG ON DINH
MP Default tag table DInt %MD1000
Tag_10 Default tag table Bool %M1.4 LỖI LƯỚI Default tag table Bool %M1.5 Tag_11 Default tag table Bool %M1.6 Tag_12 Default tag table Bool %M1.7 DÒNG TỔNG Default tag table Real %MD102
QUÁ TẢI Default tag table Bool %M4.0 Tag_14 Default tag table Bool %M4.1 TẮT MP Default tag table Bool %M4.2
4.2. Lập trình Modbus RTU
Với truyền thông Modbus RTU với S7-1200 thì trong TIA Portal đã hỗ trợ sẵn cho ta 3 hàm chính dùng để truyền thông đó là:
MB_COMM_LOAD: Dùng để cấu hình cho cổng kết nối vì vậy nó sẽ được khởi động đầu tiên và chỉ chạy 1 lần trong cả quá trình truyền thông. Cái này bắt buộc phải có.
MB_MASTER: Đây là hàm dùng để điều khiển quá trình truyền nhận trên thiết bị Master.