Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong các hệ thống tự động hóa công nghiệp hiện đại, việc kết nối và trao đổi dữ liệu liên tục giữa các bộ điều khiển lập trình (PLC), thiết bị giám sát giao diện người - máy (HMI) và các cơ cấu chấp hành như biến tần đóng vai trò quyết định đến hiệu suất vận hành. Dòng PLC S7-1200 được hãng Siemens giới thiệu vào năm 2009 nhằm thay thế dòng PLC S7-200 trước đó. Với cấu trúc dạng mô-đun nhỏ gọn, tốc độ xử lý nhanh, độ chính xác cao và tích hợp sẵn giao diện truyền thông công nghiệp mạnh mẽ, S7-1200 đã khắc phục các hạn chế của thế hệ S7-200, trở thành giải pháp điều khiển tiêu chuẩn trong nhiều ứng dụng sản xuất.

Để khai thác tối đa năng lực truyền thông của thiết bị, đồ án tập trung giải quyết các bài toán thiết lập liên kết dữ liệu giữa các bộ điều khiển và thiết bị hiện trường thông qua hai giao thức mạng công nghiệp phổ biến là PROFINET và MODBUS.

Nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài được phân định thành hai nội dung kỹ thuật trọng tâm:

  1. Nhiệm vụ 1: Thiết lập mạng truyền thông PROFINET kết nối 2 bộ điều khiển PLC Siemens S7-1200 sử dụng cặp khối lệnh truyền thông PUT và GET trong phần mềm TIA Portal, kết hợp giao diện giám sát và điều khiển HMI.
  2. Nhiệm vụ 2: Lập trình cấu hình truyền thông MODBUS giữa PLC Siemens S7-1200 với biến tần, xây dựng chương trình điều khiển và giao diện giám sát HMI tương ứng.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án bao gồm bộ điều khiển lập trình PLC Siemens S7-1200 (các dòng CPU 1214C DC/DC/DC và CPU 1212C DC/DC/DC), biến tần công nghiệp, màn hình giao diện HMI, chuẩn truyền thông PROFINET và giao thức truyền thông MODBUS (RTU, TCP, ASCII). Phạm vi nghiên cứu giới hạn trong việc cấu hình phần cứng, cài đặt tham số truyền thông, lập trình khối hàm xử lý dữ liệu và thực hiện kiểm thử mô phỏng trên nền tảng phần mềm Totally Integrated Automation Portal (TIA Portal).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án được xây dựng dựa trên nền tảng lý thuyết về kiến trúc phần cứng điều khiển và các chuẩn truyền thông mạng công nghiệp:

  • Bộ điều khiển khả trình PLC S7-1200: Là dòng thiết bị tự động hóa dạng mô-đun linh hoạt của Siemens, ra đời năm 2009 để thay thế S7-200. Thiết bị có độ chính xác cao, tốc độ xử lý nhanh, tích hợp sẵn các cổng truyền thông đáp ứng tiêu chuẩn công nghiệp và các tính năng công nghệ phục vụ bài toán điều khiển toàn diện.
  • Chuẩn truyền thông PROFINET: Là chuẩn mở của hệ thống tự động hóa dựa trên nền tảng Ethernet công nghiệp, hiện được tích hợp trong tiêu chuẩn quốc tế IEC 61158. PROFINET cho phép phân phối tự động, tích hợp các thiết bị sẵn có (như hệ thống PROFIBUS) mà không làm thay đổi các thiết bị khác trong hệ thống, đảm bảo tối ưu hóa chi phí đầu tư. Giao thức này sở hữu 4 ưu điểm chính:
    • Hiệu năng: Đáp ứng yêu cầu tự động hóa trong thời gian thực (bao gồm điều khiển chuyển động).
    • An toàn: Đảm bảo tính toàn vẹn và độ tin cậy của dữ liệu truyền thông.
    • Phân tích: Cho phép vận hành nhanh chóng và hỗ trợ xử lý sự cố hiệu quả.
    • Đầu tư hiệu quả: Khả năng tích hợp liền mạch các hệ thống fieldbus sẵn có.
  • Giao thức truyền thông MODBUS: Là phương tiện truyền thông công nghiệp giao tiếp với nhiều thiết bị thông qua một cặp dây xoắn đơn. Ban đầu MODBUS hoạt động trên chuẩn giao tiếp nối tiếp RS232, sau đó được mở rộng sang chuẩn RS485 nhằm đạt tốc độ cao hơn, cự ly truyền xa hơn và hỗ trợ cấu hình mạng đa điểm (multi-drop). MODBUS vận hành theo mô hình Chủ - Tớ (Master - Slave), trong đó thiết bị Chủ (PLC, PC, DCS, RTU) gửi yêu cầu dữ liệu và kiểm tra lỗi tới địa chỉ thiết bị Tớ (các thiết bị hiện trường). Thiết bị Tớ không thể tự tạo kết nối mà chỉ phản hồi khi được thiết bị Chủ gửi tín hiệu truy vấn. Ba chuẩn MODBUS phổ biến trong công nghiệp gồm MODBUS RTU, MODBUS TCP và MODBUS ASCII. Đây là chuẩn giao thức mở, không yêu cầu phí bản quyền, thường dùng để truyền tín hiệu đo lường, nhiệt độ, độ ẩm về bộ điều khiển trung tâm hoặc tích hợp vào hệ thống SCADA.

Phương pháp nghiên cứu được áp dụng trong đề tài là phương pháp thiết kế kỹ thuật kết hợp thực nghiệm mô phỏng. Tác giả tiến hành cấu hình phần cứng ảo, khai báo thông số mạng, lập trình các khối hàm giao tiếp dữ liệu trong môi trường TIA Portal, xây dựng bảng tag dữ liệu và thực hiện nạp dữ liệu mô phỏng để kiểm tra tính chính xác của việc truyền nhận tín hiệu.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống được thiết kế và cấu hình hoàn toàn trên môi trường phần mềm TIA Portal của Siemens, phân chia theo hai cấu trúc kết nối cụ thể:

[HMI] <--- (Mạng công nghiệp) ---> [PLC MASTER: CPU 1214C] <--- (PROFINET / PUT-GET) ---> [PLC SLAVE: CPU 1214C]
[PLC: CPU 1212C] <--- (MODBUS / RS485) ---> [Biến tần]

1. Triển khai kết nối PROFINET giữa 2 PLC S7-1200 bằng lệnh PUT-GET

  • Cấu hình phần cứng:
    • Khởi tạo dự án mới trên TIA Portal, thêm thiết bị PLC thứ nhất từ thư viện phần cứng với mã CPU 1214C DC/DC/DC và đặt tên là MASTER.
    • Thiết lập thuộc tính trạm Master: Tại mục Properties > General > Connection mechanisms, đánh dấu kích hoạt tùy chọn cho phép truy cập giao tiếp PUT/GET (Permit access with PUT/GET communication).
    • Kích hoạt xung hệ thống: Tại mục Properties > System and clock memory, tích chọn sử dụng byte nhớ xung đồng hồ (Enable the use of clock memory byte).
    • Thêm thiết bị PLC thứ hai cùng loại CPU 1214C DC/DC/DC, đặt tên là SLAVE và thực hiện cài đặt thuộc tính tương tự như trạm Master.
    • Thêm thiết bị giao diện giám sát HMI từ thư viện, sau đó trong khung nhìn Devices & networks, thực hiện kéo liên kết kết nối mạng (Connections) giữa HMI với trạm Master và trạm Slave.
  • Lập trình truyền thông trên trạm Master (OB1):
    • Mở khối chương trình chính Main [OB1], truy cập thư mục Communication > S7 communication, kéo khối lệnh PUT vào Network 1.
    • Cấu hình khối PUT: Mở giao diện Start Configuration, tại mục Connection Parameter chọn đối tác liên kết là CPU SLAVE. Tại mục Block Parameter, cấu hình xung kích hoạt, chỉ định vùng nhớ nguồn tại trạm Master cần ghi dữ liệu sang vùng nhớ đích tại trạm Slave.
    • Sử dụng lệnh MOVE kết hợp khai báo bảng biến (Define tag) để nạp dữ liệu vào thanh ghi của Master.
    • Tại Network 2, kéo khối lệnh GET từ thư viện S7 communication. Trong mục Connection Parameter, chọn đối tác liên kết là SLAVE; trong mục Block Parameter, cấu hình các chân đọc dữ liệu từ Slave về vùng nhớ của Master. Sử dụng lệnh MOVE để xuất dữ liệu đọc được ra giao diện HMI.
  • Lập trình trên trạm Slave (OB1):
    • Tại khối Main [OB1] của trạm Slave, sử dụng lệnh MOVE ở Network 1 để tiếp nhận dữ liệu nhập từ HMI và chuyển trả về cho trạm Master.
    • Mở bảng biến PLC tags > Show all tags, thiết lập bảng tag mặc định (Default tag table > OUT HMI) để định vị vùng nhớ tiếp nhận dữ liệu được đẩy sang từ lệnh PUT của Master.
  • Thiết kế giao diện HMI và mô phỏng:
    • Mở màn hình chính Root screen trong mục Screens của HMI.
    • Thiết kế các ô hiển thị, khung viền, căn lề và gán liên kết biến tag:
      • Nhập dữ liệu tại PLC Master $\rightarrow$ Lệnh PUT chuyển dữ liệu sang PLC Slave $\rightarrow$ Xuất ra bảng tag OUT HMI.
      • Nhập dữ liệu tại PLC Slave $\rightarrow$ Lệnh GET đọc dữ liệu gửi về PLC Master $\rightarrow$ Hiển thị lên HMI.
    • Tiến hành biên dịch, nạp dữ liệu chương trình và kích hoạt chế độ mô phỏng hệ thống.

2. Triển khai kết nối MODBUS giữa PLC S7-1200 và biến tần

  • Cấu hình phần cứng: Khởi tạo dự án mới trên TIA Portal, bổ sung thiết bị điều khiển CPU 1212C DC/DC/DC, bổ sung và cấu hình mô-đun truyền thông nối tiếp phù hợp cho mạng Modbus.
  • Lập trình điều khiển:
    • Khởi tạo hàm truyền thông và thiết lập chu kỳ quét của chương trình.
    • Khởi tạo các khối hàm truyền thông Modbus chuyên dụng để thiết lập giao tiếp Master-Slave với biến tần.
    • Xây dựng giao diện vận hành HMI cho phép giám sát thông số và điều khiển biến tần qua mạng truyền thông.

Nội dung chính theo từng phần nghiên cứu

Báo cáo đồ án được phân chia thành hai nội dung thực hành kỹ thuật rõ ràng tương ứng với hai bài toán truyền thông công nghiệp:

Phần I: Bài 1 - Kết nối PROFINET 2 PLC S7-1200 bằng lệnh PUT-GET

Nội dung phần này trình bày cơ chế trao đổi dữ liệu trực tiếp giữa hai bộ điều khiển thông qua mạng PROFINET mà không cần cấu hình liên kết phần cứng phức tạp. Cơ chế PUT/GET hoạt động theo nguyên lý một trạm đóng vai trò chủ động (Master) thực hiện ghi dữ liệu trực tiếp vào bộ nhớ của trạm đối tác (Slave) thông qua lệnh PUT và đọc dữ liệu từ bộ nhớ của trạm đối tác về bộ nhớ của mình thông qua lệnh GET.

Hạng mục cấu hình Chi tiết tham số và thao tác trong TIA Portal Chức năng kỹ thuật
Phần cứng Master CPU 1214C DC/DC/DC (Tên: MASTER) Trạm chủ động điều phối truyền thông
Phần cứng Slave CPU 1214C DC/DC/DC (Tên: SLAVE) Trạm thụ động tiếp nhận và cung cấp dữ liệu
Bảo mật kết nối Connection mechanisms > Permit access with PUT/GET Cho phép trạm đối tác truy cập vùng nhớ qua PUT/GET
Xung hệ thống System and clock memory > Enable clock memory byte Cung cấp xung nhịp kích hoạt chu kỳ truyền nhận
Khối lệnh PUT S7 Communication, kết nối đối tác CPU SLAVE Ghi dữ liệu từ vùng nhớ Master sang vùng nhớ Slave
Khối lệnh GET S7 Communication, kết nối đối tác CPU SLAVE Đọc dữ liệu từ vùng nhớ Slave trả về vùng nhớ Master
Khối lệnh MOVE Chuyển dữ liệu giữa các thanh ghi và bảng tag Trung chuyển dữ liệu vào/ra màn hình HMI
Giao diện HMI Screens > Root screen, liên kết tag I/O Giám sát và nhập xuất giá trị điều khiển 2 chiều

Phần II: Bài 2 - Lập trình kết nối MODBUS PLC S7-1200 với biến tần

Phần thứ hai tập trung vào việc áp dụng chuẩn MODBUS để tích hợp biến tần vào hệ thống điều khiển của PLC S7-1200. Tác giả phân tích cấu trúc mạng truyền thông công nghiệp nhiều điểm và nguyên lý hoạt động của các biến thể Modbus.

Đặc tính so sánh Chuẩn MODBUS RTU Chuẩn MODBUS TCP Chuẩn MODBUS ASCII
Môi trường truyền dẫn Nối tiếp (RS232 / RS485 cặp dây xoắn) Mạng Ethernet công nghiệp Nối tiếp (RS232 / RS485)
Cấu trúc mạng Đa điểm (Multi-drop) khi dùng RS485 Cấu trúc mạng hình sao / bus Ethernet Đa điểm (Multi-drop) khi dùng RS485
Định dạng dữ liệu Dữ liệu nhị phân (Binary) Đóng gói trong khung TCP/IP Ký tự mã hóa ASCII
Cơ chế hoạt động Chủ - Tớ (Master - Slave) Client - Server Chủ - Tớ (Master - Slave)
Ứng dụng tiêu biểu Kết nối biến tần, cảm biến hiện trường, RTU Hệ thống SCADA, máy tính điều khiển trung tâm Hệ thống truyền thông nối tiếp cũ
Bản quyền & Chi phí Giao thức mở, hoàn toàn miễn phí Giao thức mở, hoàn toàn miễn phí Giao thức mở, hoàn toàn miễn phí

Quy trình kỹ thuật của bài 2 bao gồm việc thiết lập cấu hình trạm CPU 1212C DC/DC/DC, cài đặt mô-đun truyền thông nối tiếp, cấu hình chu kỳ quét cho CPU, khởi tạo các hàm truyền thông Modbus tương ứng để điều khiển biến tần và thiết kế màn hình HMI giám sát trạng thái hoạt động.

Kết quả và đóng góp

1. Kết quả kỹ thuật đạt được

  • Cấu hình thành công mạng truyền thông PROFINET giữa 2 bộ điều khiển PLC S7-1200 (CPU 1214C DC/DC/DC) trên phần mềm TIA Portal.
  • Thực hiện truyền nhận dữ liệu hai chiều ổn định thông qua việc lập trình các khối hàm PUT (truyền dữ liệu từ Master sang Slave) và GET (đọc dữ liệu từ Slave về Master) tại khối chương trình Main [OB1].
  • Thiết kế hoàn chỉnh giao diện giám sát Root screen trên HMI, liên kết thành công các bảng biến tag (Default tag table, OUT HMI), cho phép hiển thị và thay đổi giá trị của cả hai trạm PLC theo thời gian thực.
  • Xây dựng quy trình khởi tạo phần cứng cho CPU 1212C DC/DC/DC, cài đặt mô-đun truyền thông, thiết lập chu kỳ quét và cấu hình hàm truyền thông MODBUS để giao tiếp với biến tần.

2. Đóng góp của đề tài

  • Hệ thống hóa chi tiết các bước thiết lập và cấu hình thông số kỹ thuật cho các giao thức mạng công nghiệp tiêu chuẩn (PROFINET theo IEC 61158 và MODBUS RTU/TCP/ASCII) trên dòng PLC S7-1200 của Siemens.
  • Cung cấp giải pháp kết nối phân tán giữa nhiều CPU PLC S7-1200 thông qua cơ chế PUT/GET không đòi hỏi phần cứng trung gian phức tạp, giúp tối ưu hóa cấu trúc điều khiển trong nhà máy.
  • Hướng dẫn cụ thể phương pháp ánh xạ biến số và tích hợp giao diện vận hành HMI trực quan phục vụ công tác giám sát hệ thống tự động hóa.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Nội dung đề tài chủ yếu dừng lại ở mức độ thiết kế giải thuật, cấu hình tham số phần cứng và kiểm thử mô phỏng trên nền tảng phần mềm TIA Portal. Tài liệu chưa cung cấp các số liệu đo kiểm thực nghiệm về thời gian trễ truyền thông, độ ổn định đường truyền khi có nhiễu công nghiệp, hoặc các kết quả chạy tải thực tế trên phần cứng biến tần và động cơ bên ngoài.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    • Đấu nối và kiểm nghiệm giải thuật trên hệ thống phần cứng thực tế bao gồm 2 PLC S7-1200, biến tần và động cơ không đồng bộ ba pha.
    • Mở rộng mạng truyền thông MODBUS kết nối đồng thời nhiều biến tần và thiết bị đo lường hiện trường (cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, thiết bị đo công suất) về PLC trung tâm theo mô hình mạng đa điểm (multi-drop).
    • Tích hợp hệ thống vào mạng máy tính điều khiển và thu thập dữ liệu giám sát SCADA thông qua giao thức MODBUS TCP hoặc PROFINET.

Giá trị tham khảo

Báo cáo đồ án là tài liệu tham khảo kỹ thuật phù hợp cho sinh viên, học viên và kỹ sư thuộc các chuyên ngành Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Điện - Điện tử, Cơ điện tử và Kỹ thuật Công nghiệp.

Tài liệu đặc biệt hữu ích ở các nội dung thực hành:

  • Hướng dẫn từng bước thao tác kích hoạt cơ chế bảo mật truyền thông PUT/GET và cấu hình xung clock hệ thống trên TIA Portal.
  • Phương pháp cấu hình tham số kết nối (Connection Parameter) và tham số khối dữ liệu (Block Parameter) cho các hàm giao tiếp mạng S7 Communication.
  • Cách tổ chức bảng tag dữ liệu trung gian và liên kết đồ họa trên màn hình HMI cho các hệ thống điều khiển phân tán đa trạm PLC.

Câu hỏi thường gặp

1. Dòng PLC Siemens S7-1200 ra đời vào thời gian nào và được thiết kế nhằm thay thế cho dòng sản phẩm nào?
Dòng PLC S7-1200 được hãng Siemens giới thiệu vào năm 2009 nhằm thay thế cho dòng PLC S7-200, khắc phục các nhược điểm của thế hệ trước với thiết kế mô-đun nhỏ gọn, tốc độ xử lý nhanh và độ chính xác cao.

2. Để thực hiện được giao tiếp PUT/GET giữa 2 PLC S7-1200 trên phần mềm TIA Portal, người lập trình bắt buộc phải cấu hình những tùy chọn nào trong phần thuộc tính phần cứng?
Tại mục thuộc tính phần cứng (Properties) của PLC, người lập trình phải thực hiện hai thao tác bắt buộc:

  • Tại mục General > Connection mechanisms: Tích chọn cho phép truy cập giao tiếp PUT/GET (Permit access with PUT/GET communication).
  • Tại mục System and clock memory: Tích chọn cho phép sử dụng byte nhớ xung đồng hồ (Enable the use of clock memory byte).

3. Chuẩn truyền thông PROFINET được tích hợp trong tiêu chuẩn quốc tế nào và có những ưu điểm cốt lõi gì?
PROFINET được tích hợp trong tiêu chuẩn quốc tế IEC 61158. Các ưu điểm chính bao gồm: hiệu năng tự động hóa thời gian thực, truyền thông an toàn, khả năng phân tích và xử lý sự cố nhanh chóng, cùng hiệu quả đầu tư nhờ khả năng tích hợp liền mạch với các hệ thống fieldbus sẵn có như PROFIBUS.

4. Mô hình truyền thông MODBUS RTU hoạt động theo nguyên lý nào và các thiết bị Tớ (Slave) có thể tự khởi tạo kết nối không?
MODBUS RTU hoạt động theo mô hình Chủ - Tớ (Master - Slave) trên đường truyền mạng đa điểm (multi-drop). Thiết bị Chủ gửi thông điệp yêu cầu dữ liệu đến một địa chỉ cụ thể; tất cả thiết bị trên mạng đều nhận được nhưng chỉ thiết bị được chỉ định mới phản hồi. Các thiết bị Tớ không thể tự khởi tạo kết nối mà chỉ có thể phản ứng khi được thiết bị Chủ gửi tín hiệu truy vấn.

5. Nhóm tác giả đã sử dụng những mã hiệu phần cứng CPU PLC S7-1200 nào trong hai bài toán của đồ án?
Trong Bài 1 (kết nối PROFINET qua PUT-GET), nhóm tác giả sử dụng 2 bộ điều khiển mã hiệu CPU 1214C DC/DC/DC (cho cả trạm Master và Slave). Trong Bài 2 (kết nối MODBUS với biến tần), nhóm tác giả sử dụng bộ điều khiển mã hiệu CPU 1212C DC/DC/DC.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của nhóm tác giả đã trình bày chi tiết phương pháp cấu hình và lập trình hai chuẩn truyền thông công nghiệp quan trọng là PROFINET và MODBUS trên dòng điều khiển PLC Siemens S7-1200. Bằng việc sử dụng phần mềm TIA Portal, đề tài đã hiện thực hóa thành công mô hình trao đổi dữ liệu hai chiều giữa hai trạm CPU 1214C DC/DC/DC thông qua cặp lệnh PUT-GET và liên kết điều khiển trên giao diện HMI. Đồng thời, đồ án đã thiết lập quy trình khởi tạo truyền thông MODBUS cho CPU 1212C DC/DC/DC kết nối với biến tần, cung cấp tài liệu kỹ thuật có tính ứng dụng cao cho việc thiết kế và vận hành các hệ thống tự động hóa phân tán.