Với 2 phương án đưa ra ở trên. Tác giả đề tài thấy phương án 2 là khả thi nhất, sản phẩm giải quyết được các vấn đề đặt ra:
- Về mặt công nghệ: Sản phẩm áp dụng được 2 công nghệ trạm giảm áp là trạm PRU Enric, trạm PRU PLC.
- Khi module kết nối trạm PRU, sản phẩm có các đầu vào tương tự như cảm biến áp suất, cảm biến nhiệt độ. Đầu ra là các rơ le như còi báo động, đèn báo, bật tắt các thiết bị trong trạm. Các trạng thái của rơ le hoạt động được lập trình nạp vào vi điều khiển theo quy trình công nghệ trạm giảm áp CNG.
- Với trạm PRU Enric là trạm có các thiết bị phần lớn là các thiết bị cơ khí. Vì vậy trạm phải trang bị các tín hiệu cảm biến áp suất, cảm biến nhiệt độ, làm cơ sở đầu vào bộ xử lý của Module. Đồng thời module GSM phải thể hiện được các trạng thái của bài toán công nghệ trạm giảm áp CNG như đã trình bày.
- Với trạm PRU PLC, bài toán công nghệ được thể hiện trong chương trình PLC. Sản phẩm kết nối bộ điều khiển logic khả trình PLC S7-200, thông qua giao thức modbus, đường truyền RS-485. Với 10 cảm biến đầu vào, 8 trạng thái thiết bị đầu ra, tất cả thông số trạng thái các biến trong PLC đều được mã hóa bằng bản tin modbus, đóng gói, gửi dữ liệu xuống module GSM.
Module GSM có trách nhiệm giải mã bản tin modbus, thực hiện quá trình gửi dữ liệu thông số khi người quản lý soạn tin nhắn yêu cầu, cảnh báo bằng tin nhắn, thực hiện cuộc gọi khẩn cấp đến người quản lý khi có sự cố xảy ra.
- Giá thành: rẻ, chi phí đầu tư bằng một nửa. Không giới hạn số lượng cảm biến .
- Độ tin cậy: hệ thống kiểm tra tình trạng thiết bị liên tục, thông báo cho người quản lý bằng tin nhắn.
KẾT LUẬN CHƯƠNG 1
Trong chương 1, tác giả đã giới thiệu công nghệ khí nén thiên nhiên CNG cũng như công nghệ trạm giảm áp PRU. Từ đó, tác giả trình bày 02 loại công nghệ trạm giảm áp PRU Enric và PRU PLC, và nêu lên những khó khăn, bất cập trong công tác quản lý thiết bị, xử lý sự cố từ xa đối với hai trạm này. Để khắc phục những vấn đề bất cập trên, Tác giả đã đưa ra 02 giải pháp. Qua đó, tác giả đã so sánh, đánh giá khả thi giữa các phương án. Và cuối cùng, tác giả lựa chọn ý tưởng thiết kế hệ thống giám sát và cảnh báo từ xa cho các trạm giảm áp CNG sử dụng module GSM.
CHƯƠNG 2 - CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1. Các chuẩn truyền trong công nghiệp
Có 2 tiêu chuẩn phổ biến trong việc truyền dữ liệu nối tiếp: đó là chuẩn RS232
và chuẩn RS485. Chuẩn RS232:
Việc truyền dữ liệu được thực hiện nhờ 3 dây TxD, RxD và mass. Tín hiệu được truyền đi bằng cách: tín hiệu được so sánh với mass để phát hiện sự sai lệch. Điều này khiến cho dữ liệu khó có thể khôi phục lại ở trạm phát. Một điều nữa là chuẩn truyền RS232 chỉ được sử dụng để truyền tín hiệu giữa 2 trạm được kết nối trực tiếp, việc mở rộng số lượng trạm sử dụng chuẩn truyền RS232 là không khả thi.
Một số đặc điểm của chuẩn truyền RS232 là khoảng cách truyền tối đa là 15m, tốc độ truyền là 20Kbps, hỗ trợ kết nối điểm – điểm trên một mạng.
Nhược điểm của chuẩn truyền RS232 là tín hiệu không thể truyền đi xa, do việc mất mát tín hiệu không thể phục hồi được, và việc kết nối theo chuẩn RS232 chỉ được thực hiện giao tiếp giữa 2 thiết bị (point - to - point) nên hạn chế số lượng thiết bị có trong mạng .
Chuẩn RS485:
Việc truyền dữ liệu được thực hiện trên 2 dây A,B. Chuẩn này truyền tín hiệu theo phương pháp lấy vi sai cân bằng. Có nghĩa là tín hiệu truyền đi nhờ cả 2 dây. Và dữ liệu nhận được được căn cứ theo sự sai lệch giữa 2 tín hiệu này .
Hình 2.1 trình bày rõ hơn về cách truyền dữ liệu theo chuẩn truyền RS485
2.2. Mạng truyền thông MODBUS
2.2.1. Khái niệm tổng quát về mạng truyền thông Modbus: Khái niệm tổng quát: Khái niệm tổng quát:
Modbus là một giao thức mạng truyền dữ liệu theo kiểu nối tiếp. Nó hỗ trợ cả 2 chuẩn truyền RS232 và RS485. Việc truyền dữ liệu được thực hiện theo cơ chế 1 Master, nhiều Slave. (tham khảo mục [1])
Sơ đồ hình 2.2 trình bày sự tham chiếu giao thức modbus lên mô hình chuẩn OSI. Theo đó thì giao thức modbus nằm ở lớp thứ 7, thứ 2, và thứ 1 của mô hình OSI. Lớp thứ 7 này (lớp ứng dụng) giúp hỗ trợ phương thức truyền thông server/client giữa các thiết bị kết nối trên bus hoặc trên mạng không dây. Lớp thứ 2 và lớp thứ 1 quy định hình thức truyền dữ liệu theo kiểu nối tiếp và chuẩn truyền vật lý là EIA/TIA
– Hình 2.2: Giao thức Modbus trong mô hình chuẩn OSI.
Giao thức modbus được sử dụng rộng rãi nhờ tính đơn giản, linh hoạt và đáng tin cậy của nó. Nó có thể truyền dữ liệu rời rạc hoặc tương tự. Thế nhưng giao thức modbus bị giới hạn bởi cách thức giao tiếp theo chuẩn RS485. Tốc độ truyền của chuẩn này trong khoảng 0.010Mbps đến 0.115Mbps. Trong khi ngày nay, các mạng hỗ trợ tốc độ truyền trong khoảng từ 5Mbps đến 16Mbps, thậm chí đối với các mạng Ethernet nó còn cung cấp tốc độ truyền lên đến 100Mbps, 1Gbps và 10Gbps.
Phân loại: căn cứ vào cách thức truyền dữ liệu trong mạng, thì mạng Modbus được chia làm 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 truyền thông 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 người dùng 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 một khu vực rộng. Dữ liệu được định dạng theo mã hexadecimal.
Ứng dụng của giao thức modbus:
Modbus là một giao thức truyền thông mở, nó là phương pháp truyền thông phổ biến nhật được sử dụng để kết nối các thiết bị điện tử công nghiệp.
Modbus thường được dùng để truyền các tín hiệu từ các thiết bị đo, thiết bị điều khiển trở về bộ điều khiển chính hay hệ thống thu thập dữ liệu.
Mosbus thường dùng để kết nối máy tính giám sát với một thiết bị điều khiển (RTU: remote terminal unit) trong hệ thống Scada (hệ thống điều khiển và thu thập dữ liệu).
Modbus RTU làm việc:
Modbus truyền tin thông qua dây nối tiếp giữa các thiết bị. Cách cài đặt đơn giản nhất là dùng 1 cáp nối tiếp kết nối giữa 2 port nối tiếp của 2 thiết bị master – slave. Dữ liệu được truyền đi dưới dạng bit. Mỗi bit được thể hiện dưới dạng điện áp. Mức 0 ứng với điện áp dương và bit 1 ứng với điện áp âm. Các bit này được gửi với tốc độ rất nhanh. Tốc độ truyền thông thường là 9600 baud.
Cấu trúc đoạn tin trong giao thức mạng Modbus thể hiển qua hình 2.3
Byte 1: address field
Có độ dài 1 byte. Byte này cung cấp địa chỉ của slave mà master sẽ tác động đến. Trong cả đoạn tin yêu cầu gửi từ master và đoạn tin đáp ứng nhận từ slave thì byte này có giá trị giống nhau. Mỗi một slave trong mạng có một địa chỉ modbus riêng (địa chỉ được chọn trong khoảng từ 1 đến 247). Bằng cách này, sau 1 byte đầu tiên mỗi một slave sẽ biết được nó có nhận đoạn tin hay không.
Byte 2: function field
Byte thứ 2 mà master gửi đi là function code (mã nhiệm vụ). Mã này giúp slave biết được nhiệm vụ mà master muốn slave phải làm. Điểm đặc biệt của modbus là nó cung cấp một bảng 2.1 mã hàm chung cho tất cả các thiết bị.
Bảng 2.1: Bảng mã hàm giao thức Modbus
Byte 3: Data field
Chức năng của khối dữ liệu: khối này thông thường chứa địa chỉ của các vùng trên thiết bị slave mà master muốn tác động đến.
Trong giao thức mạng Modbus, thì có một tiêu chuẩn địa chỉ chung cho tất cả các thiết bị có hỗ trợ giao thức Modbus. Có nghĩa là: chuẩn modbus quy định từng
vùng địa chỉ rõ ràng cho khối cuộn dây ngõ ra, khối ngõ vào rời rạc, khối thanh ghi đầu vào và khối thanh ghi Holding.
Byte 4 Khối CRC (Cyclic Redundancy Check):
Chức năng: giúp Slave kiểm tra được có lỗi xuất hiện trong khung dữ liệu khi master truyền xuống hay không. Mạng Modbus thực hiện việc kiểm tra lỗi theo 2 hình thức:
- Kiểm tra số lượng bit1, bit0 trong mỗi khung truyền, nhờ mã kiểm tra chẵn lẻ (Parity bit).
- Kiểm tra nội dung của toàn bộ khung truyền xem có chính xác hay không. Khi Master gửi khối dữ liệu xuống, nó sẽ dựa vào khung dữ liệu để tính mã CRC, sau đó Master gửi khung dữ liệu đó xuống, kèm theo cả mã CRC vừa tính được. Khi Slave nhận được khối tin truyền, nó cũng sẽ dựa vào khối dữ liệu nhận được, tính toán độc lập lại mã CRC, sau đó nó kiểm tra CRC vừa tính được với CRC mà Master gửi xuống. Nếu 2 mã CRC giống nhau, thì không có lỗi xảy ra . Nếu 2 mã CRC khác nhau, tức là dữ liệu nhận được là không đúng, thì Salve sẽ báo lỗi lên cho Master . 2.2.2. Giới thiệu Modbus RTU trong PLC S7-200
Như ta đã biết PLC S7-200 là bộ điều khiển lôgic khả trình khá mạnh ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực tự động hóa quá trình sản xuất.
Với phần mềm lập trình cho PLC S7-200 là Step7 – Microwin, mạng truyền thông modbus được hỗ trợ trong thư viện đi kèm, để phục vụ cho các thiết bị làm việc qua giao thức modbus. (tham khảo mục [2])
Cấu trúc Modbus Master Protocol được thể hiện trên PLC S7-200 như sau:
Khi cổng kết nối trên PLC được sử dụng phục vụ cho truyền thông Modbus Master thì cổng đó chỉ được sử dụng cho truyền thông Modbus.
Tất cả PLC S7-200 version phải từ 2.0 trở lên hoặc cao hơn mới hỗ trợ thư viện cho truyền thông Modbus Master.
Cấu trúc Modbus Master bao gồm 3 chương trình con và 1 chương trình ngắt. Địa chỉ Modbus Master bao gồm địa chỉ và mã lệnh gửi xuống thiết bị Slave thể hiện qua bảng 2.2.
00001-09999 là các ngõ ra riêng biệt 10001-19999 là các ngõ vào riệng biệt 30001-39999 là các thanh ghi ngõ vào 40001-49999 là các thanh ghi holding
Bảng 2.2: Bảng địa chỉ modbus trong PLC Siemen S7-200
Để sử dụng truyền thông Modbus Master, ta thực hiện theo cấu trúc như sau: Cấu hình thông số địa chỉ Modbus Master như hình 2.4 và các hàm lệnh sẽ làm việc với thiết bị Slave qua hàm MBUS_CTRL. MBUS_CTRL thực hiện sau mỗi vòng quét, sử dụng MBUS_CTRL để bắt đầu hay thay đỗi thông số truyền nhận.
Hình 2.4: Lệnh khởi tạo cấu hình Modbus PLC Siemen S7-200. - Mode =1 đăng ký cổng giao tiếp trên PLC với giao thức Modbus.
- Thông số Parity: lựa chọn kiểu mã hóa đường truyền. - Baud: Tốc độ đường truyền.
Cấu hình của một khung truyền Modbus qua cấu trúc MBUS_MSG như hình 2.5:
Hình 2.5: Lệnh cấu hình khung truyền bản tin Modbus PLC Siemen S7-200. - Slave: Là địa chỉ của thiết bị Modbus Slave.
- RW: cấu hình của khung truyền tin xuống Slave nếu đọc là 0 hoặc ghi là 1. - Addr: là địa chỉ bắt đầu truy cập dựa trên Modbus Address (Slave).
- Count: là số bit dữ liệu hoặc số word dữ liệu cần truy cập theo tính năng ghi hoặc đọc đối với thiết bị.
- DataPtr: địa chỉ dữ liệu trên Modbus Master để truyền xuống Slave.
Để lập trình cấu hình cho các thông số trên phải định dạng dữ liệu các tham số quy định trong bảng 2.3:
Bảng 2.3: Bảng kiểu dữ liệu cho thông số Modbus PLC Siemen S7-200
2.3. Tìm hiểu mạng GSM
SMS là từ viết tắt của Short Message Service. Đó là một công nghệ cho phép gửi và nhận các tin nhắn giữa các điện thoại với nhau. SMS xuất hiện đầu tiên ở Châu Âu vào năm 1992. Ở thời điểm đó, nó bao gồm cả các chuẩn về GSM (Global System for Mobile Communication). Một thời gian sau đó, nó phát triển sang công nghệ wireless như CDMA và TDMA. Các chuẩn GSM và SMS có nguồn gốc phát triển bởi ETSI (European Telecommunication Standards Institute). Ngày nay 3GPP (Third Generation Partnership Project) đang giữ vai trò kiểm soát về sự phát triển và duy trì các chuẩn GSM và SMS.
Như chính tên đầy đủ của SMS là Short Message Service, dữ liệu có thể được lưu giữ bởi một SMS là rất giới hạn. Một SMS có thể chứa tối đa là 140 byte (1120 bit) dữ liệu. Vì vậy, một SMS có thể chứa:
160 ký tự nếu mã hóa ký tự 7 bit được sử dụng (phù hợp với mã hóa các ký tự latin như alphatet của tiếng Anh)
70 ký tự nếu như mã hóa ký tự 16 bit Unicode UCS2 được sử dụng (dùng cho các ký tự không phải mã latin như chữ Trung Quốc…)
SMS dạng text hỗ trợ nhiều ngôn ngữ khác nhau. Nó có thể hoạt động tốt với nhiều ngôn ngữ mà có hỗ trợ mã Unicode, bao gồm Arabic, Trung Quốc, Nhật Bản, Hàn Quốc…
Nội dung của 1 tin nhắn SMS khi được gửi đi chia làm 5 phần như hình 2.6:
Hình 2.6: Cấu trúc của 1 tin nhắn SMS.
Instructions to air interface: chỉ thị dữ liệu kết nối với air interface (giao diện không khí).
Instructions to SMSC: chỉ thị dữ liệu kết nối với trung tâm tin nhắn SMSC. Instructions to handset: chỉ thị dữ liệu kết nối bắt tay
Instructions to SIM (optional): chỉ thị dữ liệu kết nối, nhận biết SIM. Ưu điểm của SMS
- Tin nhắn có thể được gửi và đọc tại bất kỳ thời điểm nào.
- Tin nhắn SMS có thể được gửi tới các điện thoại dù chúng đang bị tắt nguồn. - Ít gây phiền phức trong khi bạn vẫn có thể giữ liên lạc với người khác. - Được sử dụng trên các điện thoại di động khác nhau và có thể gửi cùng mạng hoặc khác mạng đều được.
- Phù hợp với các ứng dụng wireless sử dụng cùng với nó như: chức năng SMS được hỗ trợ 100% bởi các điện thoại sử dụng công nghệ GSM; có thể gửi nhạc chuông, hình ảnh…; hỗ trợ chi trả các dịch vụ trực tuyến download nhạc chuông. 2.4. Module SIM300CZ
Là module dùng để nhận và phát sóng GSM với thiết bị đầu cuối là máy tính hoặc vi điều khiển thông qua cổng truyền USART (tham khảo mục [3]).
Hình 2.7: Hình ảnh module SIM300CZ. 2.4.1. Các đặc điểm chính của module SIM300CZ
Truyền phát sóng GSM Tự động đặt tốc độ Baud Tự động tắt khi quá nhiệt
Chức năng nhận thẻ SIM tự động
Có chế độ ngủ (Sleep) tiết kiệm năng lượng
Yêu cầu cấp nguồn cho Module là 3.4 – 4.5V, dòng điện cực đại là 2A. 2.4.2. Tập lệnh AT của module Sim 300CZ
a. Các thuật ngữ
<CR>: Carriage return (Mã ASCII 0x0D). <LF>: Line Feed (Mã ASCII 0x0A). MT: Mobile Terminal - Thiết bị đầu cuối mạng (trong trường hợp này là modem). TE: Terminal Equipment - Thiết bị đầu cuối (máy tinh, hệ vi điều khiển).
b. Cú pháp lệnh AT
Khởi đầu lệnh: Tiền tố “AT” hoặc “at” Kết thúc lệnh: ký tự <CR>
Lệnh AT thường có một đáp ứng theo sau nó, đáp ứng có cấu trúc: “<CR><LF><Response><CR><LF>”.
Các bước khởi tạo trong hình 2.9 được trình bày chi tiết từng bước như sau: (1) ATZ<CR>
Reset modem, kiểm tra modem dã hoạt động bình thường chưa. Gửi nhiều lần cho đến khi nhận được chuỗi ATZ<CR><CR><LF>OK<CR><LF>.
(2) ATE0<CR>
Tắt chế độ echo lệnh. Chuỗi trả về có dạng