CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN MẠNG TRUYỀN THÔNG CÔNG NGHIỆP VÀ MODBUS TRÊN TIA PORTAL.1 Mạng truyền thông công nghiệp là gì? Mạng truyền thông công nghiệp hay mạng công nghiệp là một khái niệm chung chỉ các mạng truyền thông số, truyền bit nối tiếp, được sử dụng để ghép nối các thiết bị công nghiệp. Các hệ thống truyền thông công nghiệp phổ biến hiện nay cho phép liên kết mạng ở nhiều mức khác nhau, từ các bộ cảm biến, cơ cấu chấp hành dưới cấp trường cho đến các máy tính điều khiển, thiết bị quan sát, máy tính điều khiển giám sát và các máy tính cấp trên điều hành xí nghiệp quản lý công ty. Trong lĩnh vực đo lường, điều khiển và tự động hóa, việc sử dụng mạng truyền thông công nghiệp (đặc biệt là bus trường) để thay thế cách nối điểm – điểm cổ điển giữa các thiết bị công nghiệp, mang lại những lợi ích sau: Đơn giản hóa cấu trúc liên kết giữa các thiết bị công nghiệp. Giám đáng kể giá thành dây nối và công lắp đặt hệ thống.
Nâng cao độ linh hoạt, tính năng mở của hệ thống. Tính năng thời gian thực, độ tin cậy và khả năng tương thích trong môi trường công nghiệp cao. Đơn giản hóa, tiện lợi hóa việc chẩn đoán, định vị lỗi, sự cố của các thiết bị. Nâng cao khả năng tương tác giữa các thành phần (phần cứng và phần mềm) nhờ các giao diện chuẩn.
Mở ra nhiều chức năng và khả năng ứng dụng mới của hệ thống. Ví dụ, các ứng dụng điều khiển phân tán, điều khiển giám sát hoặc chẩn đoán lỗi từ xa qua Internet. Các hệ thống bus trường cũng đã dần thay thế các mạch dòng tương tự 4 – 20mA. Ưu thế của giải pháp dùng mạng công nghiệp không những nằm ở phương diện kỹ thuật mà còn ở khía cạnh hiệu quả kinh tế.
Chính vì vậy, ứng dụng của nó rộng rãi trong hầu hết các lĩnh vực công nghiệp như điều khiển quá trình, tự động hóa xí nghiệp, điều khiển giao thông… 1.2 Mô hình phân cấp chức năng của hệ thống mạng truyền thông công nghiệp. Để sắp xếp, phân loại và phân tích đặc trưng các hệ thống mạng truyền thông công nghiệp, ta dựa vào mô hình phân cấp quen thuộc cho công ty, xí nghiệp 15 Downloaded by mon hon (monmon1@gmail.com) lOMoARcPSD|39211872 sản xuất. với loại mô hình này, các chức năng được phân thành nhiều cấp khác nhau.1 Mô hình phân cấp chức năng của hệ thống mạng truyền thông công nghiệp Tương ứng với 5 cấp chức năng của mô hình công ty, xí nghiệp là 4 cấp của hệ thống truyền thông. Từ cấp điều khiển giám sát trở xuống, thuật ngữ “bus” thường được dùng thay cho “mạng” với lí do phần lớn các hệ thống mạng phía dưới đều có cấu trúc vật lý hoặc logic kiểu bus.1 Bus trường, bus thiết bị.
Bus trường (fieldbus) là một khái niệm chung được dùng trong các nghành công nghiệp để chỉ các hệ thống bus nối tiếp, sử dụng kỹ thuật truyền tin số để kết nối các thiết bị thuộc cấp điều khiển (PC, PLC) với nhau và với các thiết bị ở cấp chấp hành, hay các thiết bị trường. Các thiết bị có khả năng nối mạng là các bộ vào/ra phân tán, các thiết bị cảm biến hoặc cơ cấu chấp hành có tích hợp khả năng xử lý truyền thông. Bus thiết bị và bus trường có chức năng tương đương, nhưng do ứng dụng trong những ngành công nghiệp khác nhau nên một số tính năng cũng khác nhau. Tuy nhiên, sự khác nhau này ngày càng không rõ rệt.
Trong thực tế, người ta dùng chung một khái niệm là bus trường. Nhiệm vụ của bus trường là chuyển dữ liệu quá trình lên cấp điều khiển để xử lý và chuyển quyết định điều khiển xuống các cơ cấu chấp hành. Vì 16 Downloaded by mon hon (monmon1@gmail.com) lOMoARcPSD|39211872 vậy, yêu cầu về tính năng thời gian thực được đặt lên hàng đầu. Thời gian phản ứng tiêu biểu nằm trong phạm vi từ 0,1ms tới vài ms.
Trong khi đó, yêu cầu về lượng thông tin trong một bức điện thường chỉ cần ở phạm vi Mbit/s hoặc thấp hơn. Việc trao đổi thông tin về các biến quá trình chủ yếu mang tính chất định kỳ, tuần hoàn, bên cạnh các thông tin cảnh báo có tính chất bất thường. Các hệ thống bus trường được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay là PROFIBUS, ControlNet, Internus-S, CAN, WorldFIP, P-NET, Modbus và gần đây có Foundation Fieldbus, DeviceNet, AS-i, EIB và Bitbus là một vài hệ thống bus cảm biến/chấp hành tiêu biểu.2 Bus hệ thống, bus quá trình. Các hệ thống mạng công nghiệp được dùng để kết nối các máy tính điều khiển và các máy tính trên cấp điều khiển giám sát với nhau được gọi là bus hệ thống (System Bus) hay bus quá trình (Process Bus).
Qua bus hệ thống mà các máy tính điều khiển có thể phối hợp hoạt động, cung cấp dữ liệu quá trình cho các trạm kỹ thuật và trạm quan sát cũng như chấp nhận mệnh lệnh, tham số điều khiển từ các trạm phía trên. Đối với bus hệ thống, tùy theo lĩnh vực ứng dụng mà đòi hỏi về tính năng thời gian thực có được đặt ra một cách ngặt nghèo hay không. Thời gian phản ứng tiêu biểu nằm trong khoảng một vài trăm ms, trong khi lưu lượng thông tin cần trao đổi lớn hơn nhiều so với bus trường. Tốc độ truyền thông tiêu biểu của bus hệ thống nằm trong phạm vi từ vài trăm Kbit/s đến vài Mbit/s.
Do các yêu cầu về tốc độ truyền thông và khả năng kết nối dễ dàng nhiều loại máy tính kiểu bus hệ thống thông dụng nhất là Ethernet cũng như Industrial Ethernet. Ngoài ra còn sử dụng PROFIBUS-FMS, Modbus Plus và Fieldbus Foundation’s High Speed Ethernet. Mạng xí nghiệp thực ra là một mạng LAN bình thường, có chức năng kết nối các máy tính văn phòng thuộc cấp điều hành với cấp điều khiển giám sát. Thông tin được đưa lên trên bao gồm trạng thái làm việc của các quá trình kỹ thuật, các giàn máy cũng như của hệ thống điều khiển tự động, các số liệu tính toán, thống kê về diễn biến quá trình sản xuất và chất lượng sản phẩm.
Thông tin theo chiều ngược lại là các thông số thiết kế, công thức điều khiển và mệnh lệnh điều hành. 17 Downloaded by mon hon (monmon1@gmail.com) lOMoARcPSD|39211872 Khác với các hệ thống bus cấp dưới, mạng xí nghiệp không yêu cầu nghiêm ngặt về tính năng thời gian thực. Việc trao đổi dữ liệu thường diễn ra không định kỳ, nhưng có khi với số lượng lớn tới hàng Mbytes. Hai loại mạng được dùng phổ biến cho mục đích này là Ethernet và Token-Ring, trên cơ sở các giao thức chuẩn như TCP/IP và IPX/SPX.4 Mạng công ty.
Mạng công ty nằm trên cùng trong mô hình phân cấp hệ thống mạng truyền thông. Đặc trưng của mạng công ty gần với một mạng viễn thông hoặc một mạng máy tính diện rộng nhiều hơn trên các phương diện phạm vi và hình thức dịch vụ, phương pháp truyền thông và các yêu cầu về kỹ thuật. Chức năng của mạng công ty là kết nối các máy tính văn phòng của các xí nghiệp, cung cấp các dịch vụ trao đổi thông tin nội bộ và với khách hàng như thư viện điện tử E-Library, thư điện tử Email, hội thảo từ xa qua điện thoại, hình ảnh, cung cấp các dịch vụ truy cập Internet và thương mại điện tử E-Commerce… Mạng công ty đòi hỏi về tốc độ truyền thông và độ an toàn, tin cậy đặc biệt cao. Một số công nghệ tiên tiến được áp dụng ở cấp mạng này trong hiện tại và tương lai như là Fast Ethernet, FDDI, ATM.3 Mạng truyền thông Modbus.1 Tổng quan về truyền thông Modbus.
MODBUS là gì? MODBUS là một chuẩn giao thức truyền thông công nghiệp được phát hành và phát triển bởi MODICON vào năm 1979, và chính thức thuộc về Schneider Electrics vào năm 1996. MODBUS đã nhanh chóng trở thành trở thành tiêu chuẩn truyền thông trong các ngành công nghiệp tự động hóa bởi tính ổn định, dễ dàng, thuận tiện và đặc biệt hơn nữa là MIỄN PHÍ và hiện được duy trì bởi tổ chức “modbus. Modbus là giao thức truyền thông phát triển trên nền tảng truyền thông nối tiếp với RS 232 và RS-485/422 dành cho các thiết bị cấp trường. Modbus là một trong những giao thức truyền thông đầu tiên trong ngành tự động hóa và phổ biến nhất bởi vì đơn gian trong việc sử dụng, dễ dàng lắp đặt và là một giao thức mở dành cho những nhà sản xuất thiết bị.
Với việc phát triển Ethernet thì Modbus cùng phát triển Modbus RTU thành Modbus TCP nhằm đáp ứng các yêu cầu mới của tự động hóa. Ưu điểm của Modbus trong môi trường công nghiệp - Giao thức truyền thông mở miễn phí bản quyền. 18 Downloaded by mon hon (monmon1@gmail.com) lOMoARcPSD|39211872 - Dễ dàng phát triển và bảo trì hệ thống. - Đơn giản lắp đặt, cấu hình và cho phép trao đổi dữ liệu cả tín hiệu rời rạc và tương tự.2 Các phiên bản truyền thông Modbus Hiện nay, có 03 chuẩn modbus đang được sử dụng phổ biến trong công nghiệp - tự động hóa là: Modbus RTU, Modbus ASCII, Modbus TCP.
Vậy, 03 chuẩn này có gì giống và khác nhau? Tất cả thông điệp được gửi dưới cùng một format. Sự khác nhau duy nhất giữa 3 loại MODBUS là cách thức thông điệp được mã hóa. Cụ thể: Modbus ASCII: Mọi thông điệp được mã hóa bằng hexadeci-mal, sử dụng đặc tính ASCII 4 bit. Đối với mỗi một byte thông tin, cần có 2 byte truyền thông, gấp đôi so với MODBUS RTU hay MODBUS/TCP.
Tuy nhiên, MODBUS ASC II chậm nhất trong số 3 loại protocol, nhưng lại thích hợp khi modem điện thoại hay kết nối sử dụng sóng radio do ASC II sử dụng các tính năng phân định thông điệp. Do tính năng phân định này, mọi rắc rối trong phương tiện truyền dẫn sẽ không làm thiết bị nhận dịch sai thông tin. Điều này quan trọng khi đề cập đến các modem chậm, điện thoại di động, kết nối ồn hay các phương tiện truyền thông khó tính khác. Modbus RTU: 19 Downloaded by mon hon (monmon1@gmail.com) lOMoARcPSD|39211872 Dữ liệu được mã hóa theo hệ nhị phân, và chỉ cần một byte truyền thông cho một byte dữ liệu.
Đây là thiết bị lí tưởng đối với RS 232 hay mạng RS485 đa điểm Modbus TCP: MODBUS/TCP đơn giản là MODBUS qua Ethernet. Thay vì sử dụng thiết bị này cho việc kết nối với các thiết bị tớ, do đó các địa chỉ IP được sử dụng. Với MODBUS/TCP, dữ liệu MODBUS được tóm lược đơn giản trong một gói TCP/IP. Do đó, bất cứ mạng Ethernet hỗ trợ MODBUS/ IP sẽ ngay lập tức hỗ trợ MODBUS/TCP.3 Cấu trúc giao thức của Modbus Modbus master gửi gói tin để đọc hoặc ghi dữ liệu tới Slave và ngược lại.