Giao thức mạng Modbus

2.3.3.1 Khái niệm tổng quát

Giao thức Modbus là một cấu trúc thư tín được phát triển bởi Modicon năm 1979, được xây dựng để truyền thông giữa master-slave/client-server giữa các thiết bị thông minh. Nó hỗ trợ cả 2 chế độ truyền RS232 và RS485.

Sơ đồ bên dưới trình bày sự tham chiếu giao thức modbus nằm ở lớp thứ 7, thứ 2 và thứ 1 của mô hình OSI. Lớp thứ 7 (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 thứ 1 quy định hình thức truyền dữ liệu theo kiểu nối tiếp và chuẩn vật lý EIA/TIA-485.

Hình 2.11: Giao thức Modbus tương ứng với lớp 7 của mô hình 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. Nhưng giao thức Modbus bị giới hạn bởi cách thức giao tiếp theo chuẩn RS-485. Tốc độ truyền của chuẩn này trong khoảng 0.01Mbps đến 0.115Mbps. Trong khi ngày nay các mạng hỗ trợ tốc độ truyền trong khoảng từ 5Mbps đến 16Mbps, thậm trí đối với mạng Ethernet nó còn cung cấp tốc độ truyền lên đến 100Mbps, 1Gbps và 10Gbps.

2.3.3.2 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 lệu được truyền trên mã hexadecimal. Modbus RTU thường được sử dụng trong truyền thông đo lường.

- Modbus ASCII: dữ liệu được truyền trên bus nối tiếp, dịnh dạng dưới dạng mã ASCII. Ưu điểm là có thể dễ dàng để người dùng hiểu được dữ liệu đang truyền. Thông thường giao thức modbus ASCII được sử dụng trong việc kiểm tra giới thiệu cho giao thức modbus.

- Modbus TCP/IP: dữ liệu có thể truyền trên mạng LAN hoặc mạng ở trong khu vục rộng. Dữ liệu được định dạng theo mã hexadecimal.

truyền thông, trong đó có cổng kết nối dây xoắn, không dây, sợi quang, Ethernet, modem điện thoại, điện thoại di động và vi sóng. Có nghĩa là kết nối Modbus có thể được thiết lập trong nhà máy thế hệ mới hay hiện tại khá dễ dàng. Thực ra nâng cao ứng dụng cho Modbus là cung cấp truyền thông số trong nhà máy đời cũ sử dụng kết nối dây xoắn hiện nay.

2.3.3.3. Nguyên tắc hoạt động của Modbus RTU

Để kết nối với thiết bị tớ, chủ sẽ gửi một thông điệp có: - Địa chỉ thiết bị

- Mã chức năng - Dữ liệu

- Kiểm tra lỗi

Địa chỉ thiết bị là một con số từ 0 đến 247. Thông điệp được gửi tới địa chỉ 0 (truyền thông điệp) có thể được tất cả các tớ chấp nhận, nhưng các con số từ 1-247 là các địa chỉ của các thiết bị cụ thể. Với ngoại lệ của việc truyền thông điệp, một thiết bị tớ luôn phản ứng với một thông điệp Modbus do đó chủ sẽ biết rằng thông điệp đã được nhận.

Bảng 3. Các mã chức năng

Yêu cầu Mã chức năng 01 Đọc cuộn cảm 02 Đọc đầu ra rời rạc 03 Đọc bộ ghi phần 04 Đọc bô ghi đầu vào 05 Viết cuộn cảm đơn 06 Viết bộ ghi đơn

07 Đọc trạng thái ngoại lệ

08 Chuẩn đoán

...

Mã chức năng xác định yêu cầu thiết bị tớ thực hiện hoạt động như đọc dữ liệu, chấp nhận dữ liệu, thông báo trạng thái vv.

Mã chức năng là từ 1 .. 255. Một số mã chức năng còn có các mã chức năng phụ.

Dữ liệu xác định địa chỉ trong bộ nhớ thiết bị hay chứa các giá trị dữ liệu được viết trong bộ nhớ thiết bị, hay chứa các thông tin cần thiết khác mang chức năng như yêu cầu.

Kiểm tra lỗi là một giá trị bằng số 16 bit biểu diễn kiểm tra dự phòng tuần hoàn (CRC). CRC được thiết bị chủ tạo ra và thiết bị tiếp nhận kiểm tra. Nếu giá trị CRC không thỏa mãn, thiết bị đòi hỏi truyền lại thông điệp này.

Khi thiết bị tớ thực hiện các chức năng theo yêu cầu, nó sẽ gửi thông điệp cho chủ. Thông điệp chứa địa chỉ của tớ và mã chức năng, dữ liệu theo yêu cầu, và một giá trị kiểm tra lỗi.

- Bản đồ bộ nhớ Modbus

Mỗi thiết bị Modbus có bộ nhớ chứa dữ liệu quá trình. Thông số kỹ thuật của Modbus chỉ ra cách dữ liệu được gọi ra như thế nào, loại dữ liệu nào có thể được gọi ra. Tuy nhiên, không đặt ra giới hạn về cách thức và vị trí mà nhà cung cấp đặt dữ liệu trong bộ nhớ. Dưới đây là ví dụ về cách thức mà nhà cung cấp đặt các loại dữ liệu biến thiên quá trình hợp lí.

Các đầu vào và cuộn cảm rời rạc có giá trị 1 bit, mỗi một thiết bị lại có một địa chỉ cụ thể. Các đầu vào analog (bộ ghi đầu vào) được lưu trong bộ ghi 16 bit. Bằng cách sử dụng 2 bộ ghi này, Modbus có thể hỗ trợ format điểm floating (nổi) IEEE 32 bit. Bộ ghi Holding cũng sử dụng các bộ ghi bên trong 16 bit hỗ trợ điểm floating.

Bảng 4: Địa chỉ thanh ghi theo chuẩn Modbus (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});

Địa chỉ Loại Tên

1 - 9999 Đọc hoặc viết Cuộn cảm 10001 - 19999 Chỉ đọc Đầu vào rời rạc 30001 - 39999 Chỉ đọc Bộ ghi đầu vào 40001 - 49999 Đọc hoặc viết Bộ ghi Holding

Dữ liệu trong bộ nhớ được xác định trong thông số kỹ thuật Modbus. Giả sử rằng nhà cung cấp tuân theo tiêu chuẩn kỹ thuật Modbus (không phải tất cả), mọi dữ liệu có thể được truy cập dễ dàng bởi chủ, thiết bị tuân theo các thông số kỹ thuật. trong nhiều trường hợp, nhà cung cấp thiết bị công bố vị trí của bộ nhớ, tạo điều kiện cho nhân viên lập trình dễ dàng để kết nối với thiết bị tớ.

- Đọc và viết dữ liệu

Modbus có tới 255 mã chức năng, nhưng 1 (cuộn cảm đọc), 2 (đầu vào rời rạc đọc), 3 (bộ ghi Holding đọc), và 4 (bộ ghi đầu vào đọc) là các chức năng đọc được sử dụng phổ biến nhất để thu thập dữ liệu từ các thiết bị tớ. Thí dụ, để đọc 3 từ 16 bit dữ liệu analog từ bản đồ bộ nhớ của thiết bị 5, chủ sẽ gửi một yêu cầu như sau: 5 04 2 3 CRC

Trong đó, 5 là địa chỉ thiết bị, 4 đọc bộ ghi đầu vào, 2 là địa chỉ khởi đầu (địa chỉ 30,002). 3 có nghĩa là để đọc 3 giá trị dữ liệu kề nhau xuất phát từ đại chỉ 30,002, và CRC là giá trị kiểm tra lỗi thông điệp này. Thiết bị tớ, ngoài việc nhận dữ liệu này, sẽ gửi lại một trả lời như sau:

Hình 2.12: Kết nối dây home run so với Modbus

Trong hầu hết các nhà máy, các thiết bị đo hiện trường kết nối với hệ thống điều khiển với từng cặp dây xoắn home run (dưới). Khi các công cụ đo được kết nối dây với hệ thống I/O phân tán như NCS của Moore Industries (giữa), có nhiều thiết bị sẽ được bổ sung, nhưng chỉ có một cặp dây xoắn đơn cần để truyền tất cả dữ liệu.

2.3.3.4. Nguyên tắc hoạt động của Modbus TCP/IP

Modbus TCP/IP thường được coi là một " Modbus qua Ethernet” (Modbus over Ethernet: Modbus có sự hỗ trợ của Ethernet).

Modbus TCP/IP đơn giản chỉ là các gói Modbus được gói gọn trong các gói TCP/IP tiêu chuẩn. Điều này làm cho các thiết bị Modbus kết nối, truyền thông nhanh chóng và dễ dàng qua Ethernet và mạng quang học. Modbus TCP/IP cũng chấp nhận nhiều địa chỉ hơn RS-485, thiết bị sử dụng nhiều chủ, tốc độ hàng gigabit. Trong khi đó, Modbus TCP/IP có một giới hạn 247 nốt trong mỗi mạng,

mạng Modbus TCP/IP có nhiều tớ như lớp vật lí có thể sử dụng. Thông thường, con số này khoảng 1024. Sự tiếp nhận nhanh chóng của Ethernet trong ngành điều khiển và tự động hóa quá trình làm cho Modbus TCP/IP trở nên được sử dụng rộng rãi nhất, tăng trưởng nhanh nhất, và được hỗ trợ protocol công nghiệp thông qua Ethernet.

Mặc dù các nhà cung cấp PLC mọi kích cỡ đã tiếp nhận các protocol độc quyền qua Ethernet của họ, hầu hết cung cấp Modbus TCP/IP. Và đối với các nhà cung cấp hiện không cung cấp Modbus TCP/IP, có nhiều công ty như Prosoft Technologies và SST cung cấp các phiên bản kiểu khung trong card truyền thông Modbus TCP/IP và các cổng đơn.

Không giống Modbus RTU và Modbus ASCII, Modbus TCP/IP sẽ cho phép nhiều chủ thu được thiết bị. Điều này có thể xảy ra, thông qua Ethernet sử dụng TCP/IP, nhiều thông điệp có thể được gửi đi, đệm, truyền, đây thường là trong trường hợp có nhiều protocol RS-485 và RS-422.

2.3.3.5 Ứng dụng của giao thức Modbus.

- Modbus là một giao thức truyền thông mở, là phương thức truyền thông phổ biến nhất được sử dụng để kết nối các thiết bị điện tử công nghiệp.

- 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.

Hình 2.13: Cấu trúc kết nối

Chương 3.

CÁC THÀNH PHẦN TRONG HỆ THỐNG MẠNG CỦA MÔ HÌNH

3.1 Các thành phần và cấu trúc của hệ thống giám sát và quản lý năng lượng từ xa. lượng từ xa.

Hình 3.1: Quy trình hoạt động của hệ thống.

Vấn đề kiểm soát và thống kê chỉ số năng lượng tiêu thụ (điện năng, khí đốt, nhiệt lượng....) đặc biệt là năng lượng điện từ xa đang được các giới chức ngành điện đặc biệt quan tâm. Với sự trợ giúp của máy tính, các thiết bị đo lường ngày càng phát triển thì việc thu thập và xử lý dữ liệu cho phép thực hiện công việc này đạt được hiệu quả cao nhất và tiết kiệm chi phí. Luận văn nghiên cứu cấu trúc của hệ thống quản lý và giám sát năng lượng (điện năng, khí đốt, nhiệt lượng....) từ xa và xây dựng phần mềm phục vụ cho công tác kiểm soát và thống kê chỉ số tiêu thụ năng lượng điện, lượng tiêu thụ nhiên liệu hóa thạch từ xa.

3.1.1 Cấu trúc hệ thống giám sát và quản lý năng lượng từ xa

Về cơ bản hệ thống quản lý và giám sát năng lượng có mô hình như hình 3.2a

a: Sơ đồ khối hệ thống

b: Sơ đồ kết nối phần cứng

Hình 3.2: Cấu trúc hệ thống quản lý và giám sát năng lượng.

Nguồn cung cấp

Tải tiêu thụ (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});

Môi trường

truyền thông Quản lý và giám sát Thiết bị đo lường

Hệ thống được thiết kế với mục đích thu thập các tín hiệu đo lường từ các thiết bị đo đếm điện năng, khí đốt, dầu, nhiệt lượng… về phòng giám sát trung tâm để theo dõi, tổng hợp, phân tích đánh giá và lưu trữ các thông số này theo thời gian thực.

Với mục tiêu này, các đồng hồ giám sát điện năng, nhiên liệu tiêu thụ có khả năng truyền thông sẽ được lắp đặt tại các phân xưởng sản xuất, các thiết bị sử dụng điện. Các thiết bị theo dõi, đo đếm điện năng tại các trạm biến áp ngoài mặt bằng ở vị trí xa phòng giám sát trung tâm được gắn các bộ truyền dữ liệu sử dụng mạng Modbus về trung tâm.

Để giải thích rõ hơn về vấn đề này. Một mô hình được xây dựng mô tả quá trình hoạt động của một nhà máy. Bao gồm các thiết bị sử dụng năng lượng điện, nhiên liệu dầu cho lò sấy.

Các thông số cần giám sát và quản lý sát bao gồm:

- Giám sát và quản lý năng lượng điện của toàn nhà máy, lò sấy. - Giám sát và quản lý lượng nhiên liệu cung cấp cho lò sấy.

3.1.2 Nguyên tắc hoạt động của hệ thống

Nguyên tắc hoạt động của hệ thống giám sát và quản lý năng lượng từ xa được dựa chủ yếu trên nguyên tắc hoạt động của 2 thành phần:

- Thiết bị đo lường (điện năng, khí đốt, nhiệt lượng…) đặt tại nơi sử dụng điện ( hộ tiêu thụ, nhóm máy, phân xưởng…) có nhiệm vụ đo đạc và lưu trữ giá trị điện năng tiêu thụ của khách hàng.

- Thiết bị thu thập dữ liệu đặt tại trạm trung tâm (máy tính có cài đặt phần mềm thu thập và xử lý dữ liệu). Thiết bị thu thập dữ liệu giữ nhiệm vụ cập nhật các thông số cần lưu trữ về máy tính để lưu trữ, xử lý và in hóa đơn tiền điện tương ứng, lượng nhiên liệu đã sử dụng. Mọi hoạt động của thiết bị này được điều khiển bằng phần mềm từ máy vi tính nên có tính linh động cao. Sau mỗi chu kỳ định trước thiết bị thu thập dữ liệu trung tâm sẽ phát tín hiệu tới thiết bị đầu cuối. Tại đây, thiết bị lưu trữ nhận được tín hiệu thì thiết bị đo

sẽ phát các thông tin phản hồi về việc sử dụng điện năng của khách hàng về cho trung tâm.

3.2. Hệ thống mạng Master-Slave

Đối với giao thức mạng Modbus như đã nói ở trên, giao thức này hỗ trợ các thiết bị giao tiếp với nhau theo phương thức 1 Master – nhiều Slave.

Một hệ thống mạng Master - Slave tuân theo quy tắc: Master gửi yêu cầu xuống cho các slave. Các slave kiểm định địa chỉ mà master yêu cầu. Nếu đúng địa chỉ mà master muốn tác động thì Slave sẽ kiểm tra tiếp mã hàm, sau đó thực hiện yêu cầu mã hàm của Master.

Ở đây trong hệ thống mạng Modbus ta sử dụng Master là máy tính với phần mềm điều khiển và giám sát DAQFactory, slave là các đồng hồ số giám sát năng lượng và PLC với cảm biến đo lưu lượng.

3.3. Master - DAQFactory

3.3.1 Giới thiệu về DAQFactory.

DAQFactory là phần mềm SCADA với chức năng giám sát và kết nối với các hệ thống truyền thông tự động. Tương tự như phần mềm WinCC. Wonderware intouch, GT Designer.. nhưng nó có đặc điểm dung lượng cài đặt nhẹ, cho dù thư viện công cụ vẫn đầy đủ như các phần mềm thiết kế giao diện khác, thao tác dễ dàng hơn cho người sử dụng, chuyên thu thập giám sát dữ liệu từ các cảm biến và chấp hành qua các chuẩn mạng như Enthernet, Profibus, Can, Modbus, ….

3.3.2 Các chức năng chính của DAQFactory

Thu thập dữ liệu linh hoạt: Kết nối với nhiều thiết bị thiết bị bao gồm OPC, DDE, RS-232/422/485, Modbus, và PLC từ Allen Bradley, Mitsubishi, và những hãng khác, các thiết bị DAQ từ Sealevel, LabJack, Acces I/O, hệ thống Diamond , và nhiều hãng khác.

- Tạo dữ liệu lưu trữ: Tạo dữ liệu lưu trữ những kết quả thu thập được từ thực tế. Xuất kết quả ra file Excel hay tạo ra một cơ sở dữ liệu ODBC/SQL. Tích lũy dữ liệu và tính toán kết quả sau khi thu thập từ thực tế.

- Điều khiển vòng lặp PID: Thay thế bộ điều khiển PID phần cứng bằng vòng lặp PID có sẵn trong DAQFactory, chạy nhiều vòng cùng một lúc, dò và xác định các thông số của vòng lặp tốt nhất.

- Báo động bằng hình ảnh, Email hoặc giọng nói. - Tự động hoàn chỉnh báo cáo năng lượng động cơ. - Tính năng phân tích dữ liệu.

Hình 3.3 : Mô phỏng các chức năng chính của DAQFactory.

3.4 Đồng hồ điện đa năng Selec EM-368C. 3.4.1 Giới thiệu về EM-368C 3.4.1 Giới thiệu về EM-368C

Đồng hồ điện đa năng selec EM-368C do hãng Selec sản xuất với những tính năng ưu việt cho giám sát năng lượng từ xa. Giá thành của đồng hồ rẻ hơn so với các loại tương đương của hãng khác. Nên nó rất được ưa chuộng cho giải pháp giám sát năng lượng.

Khi lắp ráp tủ điện hầu hết khách hàng cần trang bị những loại đồng hồ đo công suất của 3 pha, hiện nay do vấn đề rất cần thiết là tiết kiệm điện năng thì việc kiểm soát điện năng tiêu thụ, công suất phản kháng Q, hệ số công suất, công suất

hữu công P để kiểm chứng các biện pháp tiết kiệm điện, phân bố tải tùy theo thời gian, điều chỉnh độ lệch pha của tải... cao hơn là việc khoán số điện theo từng ca sản