Đồ án: Điều khiển biến tần GD20-INVT dùng Modbus RTU qua điện thoại di động

Khám phá đồ án điều khiển biến tần INVT từ xa qua điện thoại bằng Modbus RTU. Tài liệu cung cấp đầy đủ sơ đồ mạch, code và hướng dẫn cài đặt.

• Tác giả: Nguyễn Hoàng Nhật Minh
• Người hướng dẫn: Phạm Công Duy
• Trường học: Trường Đại Học Công Nghiệp Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Điện
• Đề tài: Áp Dụng Chuẩn Truyền Thông Modbus RTU Để Điều Khiển Biến Tần Qua Điện Thoại Di Động
• Loại tài liệu: Báo Cáo Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Điều khiển Biến tần INVT bằng Modbus RTU

Điều khiển biến tần INVT qua Modbus RTU là một giải pháp hiện đại trong lĩnh vực tự động hóa công nghiệp. Biến tần INVT (GD20INVT-OR7G-S2) được tích hợp với giao thức truyền thông Modbus RTU để cho phép điều khiển từ xa thông qua các thiết bị di động như điện thoại thông minh. Công nghệ này kết hợp module ESP8266 như bộ xử lý trung gian, giúp chuyển đổi tín hiệu UART TTL sang RS485 Modbus. Hệ thống được thiết kế nhằm cải thiện hiệu suất điều khiển, giảm chi phí vận hành và nâng cao tính linh hoạt trong quản lý các thiết bị công nghiệp. Đây là ứng dụng thực tiễn của chuẩn giao tiếp Modbus RTU trong tự động hóa hiện đại, mở ra nhiều khả năng mới cho điều khiển tốc độ động cơ ba pha từ xa.

1.1. Khái niệm Modbus RTU và tầm quan trọng

Modbus RTU là giao thức truyền thông công nghiệp được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống tự động hóa. RTU (Remote Terminal Unit) cho phép truyền tải dữ liệu nhị phân nén, tăng tốc độ truyền và độ tin cậy. Chuẩn Modbus hỗ trợ kiến trúc Master-Slave, trong đó biến tần INVT hoạt động như Slave nhận lệnh từ thiết bị điều khiển. Tầm quan trọng nằm ở khả năng kết nối linh hoạt, chi phí thấp và độ tương thích cao với các thiết bị khác nhau trong hệ thống.

1.2. Ứng dụng điểm tế hệ thống trong công nghiệp

Ứng dụng Modbus RTU cho phép điều khiển biến tần qua điện thoại, nâng cao hiệu quả quản lý sản xuất. Hệ thống có thể giám sát tốc độ động cơ, điều chỉnh công suất, phát hiện lỗi từ xa. Điều này đặc biệt hữu ích trong các nhà máy, hệ thống bơm nước, conveyor tự động và các ứng dụng công nghiệp khác đòi hỏi điều khiển linh hoạt.

II. Cấu trúc Phần Cứng Hệ Thống Điều Khiển

Hệ thống điều khiển biến tần INVT bằng Modbus RTU được xây dựng từ nhiều thành phần phần cứng chính. Module ESP8266 đóng vai trò bộ xử lý trung tâm, kết nối với mạng WiFi và xử lý lệnh từ ứng dụng điện thoại. Module chuyển đổi UART TTL sang RS485 là cầu nối quan trọng giữa ESP8266 và biến tần, đảm bảo tương thích giao thức. Biến tần INVT (GD20INVT-OR7G-S2) điều khiển động cơ ba pha với khả năng tinh chỉnh tốc độ từ 0-100%. Ngoài ra, hệ thống còn bao gồm module relay 5V để điều khiển các thiết bị phụ trợ, mạch nguồn 5V-2A, module RTC theo dõi thời gian, và các cáp truyền dẫn chuyên dụng. Tất cả các linh kiện được lựa chọn để đảm bảo độ ổn định, an toàn và hiệu suất cao.

2.1. Module ESP8266 và chức năng trong hệ thống

Module NodeMCU ESP8266 là vi điều khiển mạnh mẽ có tích hợp WiFi, cho phép kết nối Internet của Vạt (IoT). Chip ESP12E bên trong ESP8266 xử lý các lệnh từ ứng dụng điện thoại, quản lý giao tiếp Modbus RTU và điều khiển các tín hiệu đầu ra. Module này hỗ trợ lập trình Arduino IDE, dễ sử dụng và có cộng đồng phát triển rộng lớn.

2.2. Biến tần INVT và đặc tính kỹ thuật

Biến tần INVT (GD20INVT-OR7G-S2) là thiết bị điều khiển tốc độ động cơ ba pha tiên tiến. Nó hỗ trợ giao thức Modbus RTU tích hợp sẵn, cho phép truyền thông qua chuẩn RS485. Các lợi ích bao gồm tiết kiệm năng lượng, khả năng điều chỉnh tốc độ mịn, bảo vệ động cơ từ quá tải, và tính năng giám sát chi tiết.

III. Giải Pháp Phần Mềm và Lập Trình

Phần mềm hệ thống điều khiển biến tần INVT qua Modbus RTU được phát triển trên nền tảng Arduino IDE. Mã lập trình viết bằng C++ xử lý giao tiếp WiFi, quản lý gói dữ liệu Modbus RTU và điều khiển các chân GPIO của ESP8266. Phần mềm Modbus Poll được sử dụng để kiểm thử giao tiếp truyền thông, mô phỏng yêu cầu từ Master. Modbus Slave cho phép mô phỏng biến tần trên máy tính phục vụ phát triển và gỡ lỗi. Ứng dụng điện thoại được phát triển cho phép người dùng gửi lệnh điều khiển, theo dõi trạng thái hoạt động, giám sát thông số kỹ thuật như tốc độ, công suất tiêu thụ và nhiệt độ. Ngoài ra, hệ thống được thiết kế để hỗ trợ điều khiển bằng nút nhấn cơ học để đảm bảo an toàn khi hệ thống WiFi gặp sự cố.

3.1. Arduino IDE và quy trình lập trình

Arduino IDE cung cấp môi trường phát triển tích hợp hoàn chỉnh cho lập trình ESP8266. Quá trình bao gồm viết code xử lý Modbus RTU, quản lý kết nối WiFi, và điều khiển các tín hiệu nhập xuất. Thư viện ModbusRTU được sử dụng để đơn giản hóa việc xây dựng khung Modbus, gửi yêu cầu và xử lý phản hồi từ biến tần.

3.2. Ứng dụng điện thoại và giao diện người dùng

Ứng dụng điện thoại được phát triển cho phép điều khiển biến tần từ xa. Giao diện thân thiện hiển thị thông tin thực tế như tốc độ hiện tại, tần số, công suất. Người dùng có thể bật/tắt motor, điều chỉnh tốc độ, đặt các tham số bảo vệ. Ứng dụng gửi lệnh Modbus RTU qua ESP8266 tới biến tần một cách nhanh chóng và đáng tin cậy.

IV. Quy Trình Cài Đặt và Điều Khiển Hệ Thống

Cài đặt hệ thống điều khiển biến tần INVT bằng Modbus RTU tuân theo các bước chuẩn trong tự động hóa công nghiệp. Đầu tiên, cấu hình giao thức Modbus trên biến tần INVT, thiết lập địa chỉ Slave, tốc độ baud 9600, định dạu 8N1. Tiếp theo, lập trình ESP8266 để khởi tạo giao tiếp Modbus, gửi lệnh điều khiển và nhận dữ liệu phàn hồi. Kết nối module chuyển đổi UART RS485 theo sơ đồ mạch, đảm bảo cấp điện ổn định. Cài đặt nút nhấn cơ và biến trở cung cấp giao diện điều khiển vật lý dự phòng. Kiểm thử toàn bộ hệ thống bằng Modbus Poll, đảm bảo tất cả lệnh được thực thi chính xác. Sau cùng, triển khai ứng dụng điện thoại, thiết lập kết nối WiFi, và thực hiện các bài kiểm tra chức năng trên toàn bộ hệ thống.

4.1. Cấu hình Modbus và các thông số kỹ thuật

Cấu hình Modbus RTU yêu cầu thiết lập địa chỉ Slave (mặc định 1), tốc độ baud 9600 bps, bit parity even, stop bit 1. Các tham số này phải khớp giữa biến tần INVT và module chuyển đổi RS485. Thiết lập các hàm Modbus như Read Holding Registers (03), Write Single Coil (05), Write Multiple Registers (16) để điều khiển tốc độ và giám sát trạng thái động cơ.

4.2. Điều khiển thông qua điện thoại và nút nhấn cơ học

Điều khiển qua điện thoại thông qua ứng dụng gửi lệnh WiFi tới ESP8266, sau đó ESP8266 truyền Modbus RTU tới biến tần. Điều khiển nút nhấn cơ là cách dự phòng, kết nối trực tiếp với chân GPIO của ESP8266, đảm bảo hệ thống hoạt động an toàn khi gặp sự cố kết nối WiFi hoặc ứng dụng điện thoại.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: LÍ DO CHỌN ĐỀ TÀI 1.1 Lí do chủ quan Một số thiết bị điều khiển từ xa như remote dùng sóng RF thì còn nhiều bất cập do chúng hạn chế về khoảng cách truyền. Thông qua quá trình tìm hiểu và định hướng phát triển của giảng viên cho sinh viên thực hiện là phát triển một thiết bị điều khiển được các thiết bị từ xa dùng một tín hiệu hiện đại hơn là việc dùng sóng RF đó là sóng WiFi. Mặt khác đề tài còn xuất phát từ thói quen sử dụng điện thoại của người dùng hằng ngày và nhu cầu điều khiển mọi thứ bằng điện thoại thông minh thông qua Internet ngày càng được tin dùng. 1 Mạch điều khiển bằng sóng RF 1.2 Lí do khách quan Hệ thống truyền thông cũng như tốc độ truyền ngày càng cải thiện, các Modem, Router phát sóng WiFi như TP-LINK, D-LINK,… Được các nhà cung cấp dịch vụ cung cấp càng ngày càng mạnh mẽ tích hợp nhiều chức năng hơn.

Tuy nhiên ở cấp độ nghiên cứu và phát triển đề chúng em không đề cập quá nhiều về chức năng cụ thể từng loại. Bên cạnh đó Chip ESP12 hay board ESP8266 do EspressIf System sản xuất được tích hợp mã nguồn mở, thuận lợi cho học tập và nghiên cứu. 9 Khóa Luận Tốt Nghiệp Nguyễn Hoàng Nhật Minh CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN HỆ THỐNG 2.1 Sơ đồ khối hệ thống 2. 1 Sơ đồ khối chung của hệ thốn Khối “Người Điều Khiển” Người sử dụng trực tiếp điều khiển toàn bộ hệ thống, đưa ra yêu cầu thay đổi giá trị tần số và trạng thái quay của động cơ hoặc nhấn trực tiếp nút nhấn tại tủ điều khiển Can thiệp trực tiếp vào các sự cố có thể xảy ra đối với các mạch điều khiển cũng như ngắt thiết bị điều khiển kịp thời khi có vấn đề xảy ra với hệ thống.

Khối “Smart Phone” Còn được gọi là HMI (Human Machine Interface) của hệ thống, nó là giao điện điều khiển, quan sát trạng thái của các nút nhấn và giá trị tần số thay đổi thông qua ứng dụng “Blynk” được lập trình bằng phần mềm Arduino IDE. Khối “Sever” Là trung tâm điều hành xử lý các sự kiện trên ứng dụng Blynk và gửi tín hiệu về ESP12. Khối “ESP12” Chíp Wifi giúp thụ nhận tín hiệu Wifi từ các Router cấp phát cho và là nơi xuất tiến hiệu điều khiển ra các chân để đưa tới các thiết bị chấp hành. 10 Khóa Luận Tốt Nghiệp Nguyễn Hoàng Nhật Minh Là thiết bị quan trong nhất trong hệ thống để làm cầu nối từ ứng dụng Blynk qua VFD.

Khối “VFD” Viết tắt của biến tân là “Variable Frequency Drive” thiết bị thay đổi tần số, nhận lệnh điều hành của các thiết bị cấp trên là ESP12. Xuất mức điện áp quy đổi sang tần số để chạy tải. Khối “Đối Tượng” Là động cơ có thể là đồng bộ hay không đồng bộ, nơi nhận tín hiệu từ biến tần để chạy các thiệt bị tùy thuộc vào mục đích của người điều khiển. Khối “Nút Nhấn” Nút Nhấn ở đây là nút nhấn trực tiếp tại tủ điều khiển, có chức năng tương tự như nút nhấn trên ứng dụng Blynk.

11 Khóa Luận Tốt Nghiệp Nguyễn Hoàng Nhật Minh 2.2 Lưu đồ giải thuật Hình 2. 2 Lưu đồ giải thuật điều khiển biến tần bằng ESP12E qua Blynk 12 Khóa Luận Tốt Nghiệp Nguyễn Hoàng Nhật Minh Hình 2. 3 Lưu đồ giải thuật điều khiển biến tần bằng nút nhấn cơ 13 Khóa Luận Tốt Nghiệp Nguyễn Hoàng Nhật Minh Hình 2. 4 Lưu đồ giải thuật điều khiển biến tần và hẹn thời gian bằng timer 14 Khóa Luận Tốt Nghiệp Nguyễn Hoàng Nhật Minh Ta sẽ chia ra làm hai phần Phần 1: Điều khiển qua app blynk :khi bắt đầu chương trình ta đảm bảo smartphone và ESP8266 phải kết nối cùng 1 wifi sau đó bật app blynk trên smartphone , app sẽ đưa ta tới bảng điều khiển nút ảo mà ta đã tạo trước đó.

Bảng điều khiển ta gồm có : 1 nút quay thuận , 1 nút quay nghịch , 1 khung nhập tốc độ tần số (0 – 50 Hz) và 1 đèn báo kết nối wifi. Nhấn 1 nút bất kì thì khi đó ESP8266 sẽ nhận tín hiệu qua wifi điều khiển đến biến tần và làm cho động cơ chạy. Nếu động cơ chưa chạy thì ESP8266 sẽ gửi tín hiệu mà ta đã thực hiện cho tới khi làm động cơ chạy. Khi động cơ đã chạy lúc này biến tần sẽ gửi tín hiệu về cho ESP8266 biết và hiển thị trạng thái hoạt động của biến tần của ta trên bảng điều khiển ảo của blynk.

Mặc khác , ta có thể điều khiển theo yêu cầu khác nếu muốn. Phần 2: Điều khiển thông qua nút nhấn : trên bảng điều khiển ta gồm có 1 nút quay thuận , 1 nút quay nghịch và 1 nút xoay ( điều chỉnh tốc độ ) được kết nối trực tiếp qua biến tần và động cơ. Ta nhấn nút hoặc vặn nút điều chỉnh , lúc này biến tần nhận tín hiệu điện từ thao tác ta thực hiện và truyền tín hiệu điện đến động cơ , làm nó họat động và đồng thời biến tần hiển thị trạng thái hoạt động của động cơ trên màn hình của biến tần. Mặt khác ta có thể điều khiển theo yêu cầu mà ta muốn.

Phần 3: Đầu tiên , ta thiết lập thứ trong tuần và giờ/phút theo yêu cầu mong muốn , sau khi thiết lập dữ liệu sẽ được truyền đến I2C để lưu thứ , giờ , phút vào eeprom của nó. Sau khi lưu thời gian ta thiết lập ,dữ liệu sẽ hiển thị trên thiết bị xuất ( laptop,HMI,…) , lúc này DS3231 sẽ xét thời gian thực RTC mà nó đã nạp xét với thời gian ta thiết lập. Lúc này xảy ra 2 trường hợp: Nếu “thứ” thiết lập khác “thứ” ngoài thực tế thì không có tín hiệu truyền đến ESP để điều khiển động cơ. Nếu “thứ “ thiết lập đúng “thứ” ngoài thực tế nhưng khác giờ phút hiện tại thì tín hiệu sẽ quay lại việc truyền dữ liệu vào I2C lại đến khi nó đúng giờ phút thực tế.

Khi đúng giờ phút hoạt động thì tín hiệu sẽ được gửi đến ESP để điều khiển động cơ theo thời gian ta đã đặt. 15 Khóa Luận Tốt Nghiệp Nguyễn Hoàng Nhật Minh PHẦN 2: PHÂN TÍCH PHẦN CỨNG, PHẦN MỀM VÀ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG CHƯƠNG 3: PHẦN CỨNG 3.1 Giới thiệu về ESP8266 Kit RF thu phát Wifi ESP8266 NodeMCU Lua V3 CH340 là phiên bản NodeMCU sử dụng IC nạp giá rẻ CH340 từ Lolin với bộ xử lý trung tâm là module Wifi SoC ESP8266, kit có thiết kế dễ sử dụng và đặc biệt là có thể sử dụng trực tiếp trình biên dịch của Arduino để lập trình và nạp code, điều này khiến việc sử dụng và lập trình các ứng dụng trên ESP8266 trở nên rất đơn giản. Kit RF thu phát Wifi ESP8266 NodeMCU Lua V3 CH340 được dùng cho các ứng dụng cần kết nối, thu thập dữ liệu và điều khiển qua sóng Wifi, đặc biệt là các ứng dụng liên quan đến IoT. Sơ lượt về dòng ESP8266 Một số module ESP8266 và tính năng nổi bật  ESP8266 NodeMCU CH340 Hình 3.

1 ESP8266 NodeMCU CH340  Tình năng: Tích hợp 2 nút nhấn IC chính: ESP8266 Wifi SoC.0, SPI, UART Phiên bản firmware: NodeMCU Lua 16 Khóa Luận Tốt Nghiệp Nguyễn Hoàng Nhật Minh Chip nạp và giao tiếp UART: CH340 GPIO tương thích hoàn toàn với firmware Node MCU. Cấp nguồn: 5VDC MicroUSB hoặc Vin. GIPO giao tiếp mức 3.3VDC Tích hợp Led báo trạng thái, nút Reset, Flash. Tương thích hoàn toàn với trình biên dịch Arduino.

Kích thước: 59 x 32mm  ESP8266 NodeMCU Lua CP2102 Hình 3. 2 ESP8266 NodeMCU Lua CP2102  Tính năng: Tích hợp 2 nút nhấn Tích hợp chip chuyển USB-UART: CP2102 SDIO 2.0, SPI, UART Tích hợp TCP/IP protocol stack Hỗ trợ: Wi-Fi Direct (P2P), soft-AP Tương thích các chuẩn wifi : 802.1 Tổng quan về chip ESP12E Chip ESP12E được phát triển bởi Expressif để cung cấp giải pháp giao tiếp bằng WiFi cho các thiết bị IoT. Đặc biệt hơn chip còn tích hợp các mạch RF, anten switches, TX power amplifier và RX filter bên trong chip với kích thước rất nhỏ chỉ 5x5mm nên các board sử dụng ESP12 không cần kích thước qua lớn cũng đủ cho việc điều khiển cũng như nhiều linh kiện hổ trợ khác xung quanh. 17 Khóa Luận Tốt Nghiệp Nguyễn Hoàng Nhật Minh Hình 3.2 Thông số kỹ thuật và sơ đồ nguyên lý Thông số kỹ thuật.

Tương thích với chuẩn WiFi: 802.11 b/g/n với tần số 2.4GHz và hổ trợ bảo mật WPA/WPA2 Hỗ trợ: Wi-Fi Direct (P2P), soft-AP Tích hợp TCP/IP protocol stack, Tích hợp TR switch, balun, LNA, power amplifier and matching network Tích hợp bộ nhân tần số, ổn áp, DCXO và các thiết bị quản lí dòng áp. Dòng rò < 10uA SDIO 1.0, SPI, UART, I2C STBC, 1x1 MIMO, 2x1 MIMO A-MPDU & A-MSDU aggregation & 0.4ms guard interval Dòng tiêu thụ ở chế độ Standby < 1.0mW (DTIM3) Các chuẩn giao tiếp và các thông số khác SDIO 2.0, SPI, UART, I2C 32-pin QFN package Tích hợp RF switch, balun, 24dBm PA, DCXO, và PMU Tích hợp bộ xử lí RISC, bộ nhớ on-chip và giao diện bộ nhớ ngoài Tích hợp bộ xữ lí MAC/ baseband On-chip low-dropout linear regulators for alt internal supplies Tích hợp WEP, TKIP, AES, và kỹ thuật WAPI 18 Khóa Luận Tốt Nghiệp Nguyễn Hoàng Nhật Minh 3.3 Chức năng của chip ESP12E trong mạch chính Là bộ kết nối với router internet của hộ gia đình để giao tiếp với điện thoại thông qua chuẩn WiFi tích hợp. Là cầu nối giữa mạch điều khiển với sever thông qua đó có thể dễ dàng điều khiển thiết bị như động cơ, đèn, quạt bằng điện thoại thông minh.2 Module chuyển đổi UART TTL sang Modbus 485 3.1 Sơ lược về module Được thiết kế để thực hiện chức năng chuyển đổi hai giao tiếp UART và Modbus thông qua cổng TX và RX. Nhằm mục đích giao tiếp các thiết bị có ngõ vào là truyền thông Modbus.

Giao tiếp được với nhiều dòng vi điều khiển có giao tiêp UART như Arduino, ESP8266,… Hình 3. 4 Module chip Max485 Đặc tính IC MAX485 tích hợp trên board, thực hiện nhiệm vụ như một bộ chuyễn đổi tín hiệu, xử lý bằng các cổng logarit. INPUT: gồm 4 chân DE, RE, DI, RO OUTPUT: gồm 4 chân A, B, VCC, GND Kích thước: 44 x 14mm Điện áp hoạt động: 3 - 5VDC. Điện áp giao tiếp TTL: 3 - 5VDC.

Khoảng cách truyền RS485 khoảng 800m khi sử dụng dây bus chuyên dụng cho RS485 Chuẩn chân cắm TTL 2. 19 Khóa Luận Tốt Nghiệp Nguyễn Hoàng Nhật Minh Có đèn led thông báo trạng thái truyền nhận RX và TX. Hoạt động ở nhiệt độ từ -40 độ đến +80 độ Module giao tiếp tốt với các driver khác nhau như USB 485, ESP12E Hình 3.2 Kết nối phần cứng 3.