Hệ thống giám sát và điều khiển thời gian thực

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BÁO CÁO HỌC PHẦN
HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN
THỜI GIAN THỰC
Hệ thống giám sát
NGUYỄN HOÀNG LINH

Ngành: Kỹ thuật cơ điện tử

Giảng viên hướng dẫn

:

TS. Vũ Vân Hà

Bộ môn

:

Điều khiển tự động

Hà Nội, 01/2023


Mục lục
DANH MỤC HÌNH ẢNH ................................................................................... 4
LỜI GIỚI THIỆU ............................................................................................... 5
Chương 1. Tổng quan về truyền thông trong công nghiệp ............................. 6
1.1. Mạng truyền thông trong công nghiệp ....................................................... 6

1.2. Vai trị của mạng truyền thơng cơng nghiệp .............................................. 8
1.3. Phân loại các hệ thống mạng công nghiệp ................................................. 9
1.3.1. Bus trường ........................................................................................... 9
1.3.2. Bus hệ thống ...................................................................................... 10
1.3.3. Mạng xí nghiệp.................................................................................. 11
1.3.4. Mạng cơng ty..................................................................................... 11
1.4. Giao thức truyền thông trong công nghiệp thường được sử dụng ........... 12
1.4.1. Giao tiếp nối tiếp ............................................................................... 12
1.4.2. HART ................................................................................................ 13
1.4.3. DeviceNet .......................................................................................... 14
1.4.4. ControlNet ......................................................................................... 14
1.4.5. Modbus .............................................................................................. 15
1.4.6. Profibus ............................................................................................. 15
1.4.7. Foudation Field Bus .......................................................................... 16
Chương 2. Giao thức truyền thông Modbus RTU ......................................... 18
2.1. Phân biệt RS232 và RS485 ...................................................................... 18
2.2. Cấu tạo Modbus RTU .............................................................................. 20
2.3. Cách thức hoạt động của Modbus RTU ................................................... 20
2.4. Phân loại giao tiếp truyền thông Modbus ................................................ 22
2.5. Các ưu nhược điểm của Modbus RTU..................................................... 22
2.6. Ứng dụng của giao thức truyền thông Modbus RTU............................... 23
Chương 3. Phần mềm WinCC ......................................................................... 25
3.1. Tổng quan về WinCC............................................................................... 25
3.2. Đặc trưng cơ bản của WinCC .................................................................. 25
3.3. Ứng dụng của WinCC .............................................................................. 26
Chương 4. Bài toán thực tế ............................................................................... 28
4.1. Yêu cầu bài toán ....................................................................................... 28
Trang | 2

4.2. Kết quả thực hiện ..................................................................................... 31
4.2.1. Hệ thống vận hành ở chế độ tự động ................................................ 31
4.2.2. Hệ thống vận hành ở chế độ thủ công ............................................... 33
Kết luận .............................................................................................................. 34
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................... 35

Trang | 3


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1. Mạng truyền thơng cơng nghiệp .............................................................. 6
Hình 2. Phân loại các hệ tống mạng công nghiệp ................................................. 9
Hình 3. Truyền thông nối tiếp ............................................................................. 12
Hình 4. Giao thức HART .................................................................................... 13
Hình 5. Mạng truyền thông DeviceNet ............................................................... 14
Hình 6. Mạng ControlNet ................................................................................... 14
Hình 7. Mạng truyền thông Modbus ................................................................... 15
Hình 8. Mạng truyền thông Profibus................................................................... 16
Hình 9. Mạng Foudation Field Bus ..................................................................... 17
Hình 10. Kết nối PLC với máy tính dùng cổng RS 232 ..................................... 18
Hình 11. Mơ hình giao tiếp RS485 ..................................................................... 19
Hình 12. Cách chuyển đổi tính hiệu 4-20mA sang RS485 ................................. 20
Hình 13. Thiết kế màn hình giám sát trên WinCC ............................................. 25
Hình 14. Hệ thống điều khiển máy bơm nước vào bồn ...................................... 28
Hình 15. Lựa chọn bộ điều khiển lập trình ......................................................... 28
Hình 16. Kết nối bộ điều khiển PLC S7-1200 và thiết bị SCADA qua giao thức
PROFINET .......................................................................................................... 29
Hình 17. Thiết kế hệ thống giám sát, đồng thời thiết lập chức năng cho các thành
phần tương ứng của hệ thống .............................................................................. 29
Hình 18. Lập danh sách các thẻ sử dụng cho biến điều khiển, nhận dữ liệu đầu

vào, xuất dữ liệu, kiểm soát mực nước ............................................................... 30
Hình 19. Máy bơm 2 hoạt động để bơm nước vào bồn chứa khi mức nước thấp
hơn mức nước cài đặt .......................................................................................... 31
Hình 20. Khi mức nước ở bồn chứa đủ, bơm 2 dừng hoạt động ........................ 31
Hình 21. Khi van xả hoạt động, bơm 2 được bật để bơm nước .......................... 32
Hình 22. Khi phao báo nước bị cạn, bơm 1 tự động được bật để bơm nước vào bể
chứa ..................................................................................................................... 32
Hình 23. Hệ thống vận hành ở chế độ thủ công khi các bơm và van xả đều hoạt
động ..................................................................................................................... 33
Hình 24. Hệ thống vừa bơm nước vào bể, vừa bơm nước vào bồn chứa. .......... 33

Trang | 4


LỜI GIỚI THIỆU
Thời đại 4.0 ngày càng phát triển, các doanh nghiệp ngày càng đầu tư cho hệ
thống dây chuyền sản xuất nhiều hơn. Tự động hoá được ứng dụng cho các hệ
thống robot công nghiệp, máy tự động hay dây chuyền tự động làm các hoạt động
sản xuất , chế tạo. Giám sát sản xuất tự động là hoạt động xuyên suốt quá trình
sản xuất và liên tục điều chỉnh, cập nhật, mang tính chất quyết định đến năng suất,
chất lượng của dây chuyền doanh nghiệp.
Hệ thống giám sát sản xuất là việc kiểm sốt chi tiết từng cơng đoạn trong
q trình sản xuất tự động hố, đây là bước tiến mới và vơ cùng đột phá trong quy
trình sản xuất. Nhờ hệ thống giám sát này, doanh nghiệp khơng cần sử dụng bảng
biểu hoặc các hình thức thơng tin thơ sơ hiện có.
Q trình giám sát thủ cơng đang ngày càng dễ sai sót và trở nên kém hiệu
quả, phức tạp hoá dây chuyền sản xuất và tiêu tốn nhân lực, thì hệ thống giám sát
tự động trong sản xuất ra đời, giúp quá trình sản xuất trở nên hiệu quả hơn, các số
liệu luôn được cập nhật nhanh chóng và chính xác. Từ đó, doanh nghiệp có thể dễ
dàng cập nhật và thay đổi dữ liệu, tiết kiệm chi phí và giảm thiểu được nguồn

nhân lực.
Hệ thống sẽ làm việc theo thời gian thực và có thể cảnh báo được những sự
cố xảy ra trong quá trình sản xuất như: thiếu nguyên vật liệu, thiết bị máy móc
gặp sự cố, các thành phẩm sản xuất khơng đạt tiêu chuẩn, công nhân vận hành
máy không đúng kĩ thuật, phát hiện các lỗi trên sản phẩm đã hoàn thành…
Hệ thống giám sát trong q trình sản xuất có rất nhiều lợi ích, giúp doanh
nghiệp có thể hiển thị được các sản lượng thực tế, giúp các mục tiêu trong q
trình sản xuất ln được trực quan và diễn ra theo thời gian thực, đảm bảo các kết
quả ln chính xác. Người quản lý và cơng nhân có thể chủ động hơn trong q
trình hồn thành các mục tiêu nhờ tốc độ giám sát sản phẩm luôn diễn ra liên tục,
đồng thời giúp kế hoạch sản xuất có thể được điều chỉnh linh hoạt và chủ động
hơn.
Bên cạnh đó, hệ thống cịn có thể hiển thị trực quan tại các vị trí quan trọng
với màn hình LED, đèn ANDON… Các thơng tin của q trình sản xuất được lưu
lại trên hệ thống, dễ dàng báo cáo và in ấn. Mức độ bảo mật thông tin cao và thời
gian lưu trữ dài, giúp doanh nghiệp yên tâm trong quá trình sử dụng. Đồng thời
hệ thống sản xuất qua giám sát đang được ứng dụng trong nhiều ngành sản xuất
như: gia công cơ khí, lắp ráp ơ tơ và xe máy, sản xuất hàng loạt, may mặc, dây
chuyền lắp ráp điện tử…

Trang | 5


Chương 1. Tổng quan về truyền thông trong công nghiệp
1.1. Mạng truyền thông trong công nghiệp
Mạng truyền thông công nghiệp là xương sống cho bất kỳ kiến trúc hệ thống
tự động hố nào vì nó cung cấp một phương tiện trao đổi dữ liệu một cách mạnh
mẽ, với khả năng kiểm sốt dữ liệu và tính linh hoạt để kết nối các thiết bị khác
nhau. Với việc sử dụng các mạng truyền thông kỹ thuật số độc quyền trong các
ngành công nghiệp trong thập kỷ qua đã dẫn đến việc cải thiện độ chính xác và

tính tồn vẹn của tín hiệu kỹ thuật số đầu cuối.
Các mạng này, có thể là LAN (mạng cục bộ được sử dụng trong môt khu vực
hạn chế) hoặc WAN (mạng diện rộng được sử dụng làm hệ thống tồn cầu) được
kích hoạt để giao tiếp lượng lớn dữ liệu bằng cách sử dụng một số kênh giới hạn.
Mạng công nghiệp cũng dẫn đến việc triển khai các giao thức truyền thông khác
nhau giữa bộ điều khiển kỹ thuật số, thiết bị hiện trường, công cụ phần mềm liên
quan đến tự động hoá khác nhau và cả với những hệ thống bên ngoài.
Khi các hệ thống tự động hố cơng nghiệp ngày càng phát triển mạnh mẽ,
trở nên phức tạp với số lượng lớn các thiết bị trên các tầng điều khiển, xu hướng
hiện nay hướng tới các chuẩn kết nối hệ thống mở (OSI) cho phép kết nối và giao
tiếp bất kỳ cặp thiết bị tự động hoá nào một cách đáng tin cậy với bất kể nhà sản
xuất.
Với những tiến bộ trong công nghệ kỹ thuật số, công nghệ fieldbus hiện đang
thống trị lĩnh vực tự động hố vì nó cung cấp phương tiện truyền thông đa điểm
mang lại hiệu quả về chi phí và tiết kiệm cáp dẫn.

Hình 1. Mạng truyền thơng công nghiệp

Mạng truyền thông công nghiệp (Industrial Communication Network) hay
mạng công nghiệp là một khái niệm chung chỉ các hệ thống mạng truyền thông
số, truyền bit nối tiếp nhằm mục đích ghép nối các thiết bị cơng nghiệp giúp các
Trang | 6


thiết bị có thể giao tiếp được với nhau và kiến tạo thành một mạng lưới, một hệ
thống đồng nhất có sự phân cấp và được kiểm sốt chặt chẽ. Với các hệ thống
truyền thông công nghiệp hiện nay cho phép liên kết mạng ở nhiều mức, nhiều
cấp độ khác nhau: từ cảm biến, cơ cấu chấp hành cho đến các máy tính điều khiển,
thiết bị quan sát, máy tính điều khiển giám sát và các máy tính cấp điều hành xí
nghiệp, quản lý cơng ty.

Về cơ sở kỹ thuật, mạng công nghiệp và các hệ thống mạng viễn thông có
rất nhiều điểm tương đồng, tuy nhiên cũng có những điểm khác biệt sau:
- Mạng viễn thơng có phạm vi địa lý và số lượng thành viên tham gia lớn
hơn rất nhiều, nên các yêu cầu kỹ thuật (cấu trúc mạng, tốc độ truyền thơng, tính
năng thời gian thực,…) rất khác, cũng như các phương pháp truyền thông (truyền
tải dải rộng/dải cơ sở, điều biến, dồn kênh, chuyển mạch,…) thường phức tạp hơn
nhiều so với mạng công nghiệp.
- Đối tượng của mạng viễn thông bao gồm cả con người và thiết bị kỹ thuật,
trong đó con người đóng vai trị chủ yếu. Vì vậy các dạng thơng tin cần trao đổi
bao gồm cả tiếng nói, hình ảnh, văn bản và dữ liệu. Đối tượng của mạng công
nghiệp thuần túy là các thiết bị công nghiệp, nên dạng thông tin được quan tâm
duy nhất là dữ liệu.
- Các kỹ thuật và công nghệ được dùng trong mạng viễn thông rất phong
phú, trong khi kỹ thuật truyền dữ liệu theo chế độ bit nối tiếp là đặc trưng của
mạng công nghiệp.
Mạng truyền thông công nghiệp thực chất là một dạng đặc biệt của mạng
máy tính, có thể so sánh với mạng máy tính thơng thường ở những điểm giống
nhau và khác nhau như sau:
- Kỹ thuật truyền thông số hay truyền dữ liệu là đặc trưng chung của cả hai
lĩnh vực.
- Trong nhiều trường hợp, mạng máy tính sử dụng trong cơng nghiệp được
coi là một phần (ở các cấp điều khiển giám sát, điều hành sản xuất và quản lý
công ty) trong mơ hình phân cấp của mạng cơng nghiệp.
- u cầu về tính năng thời gian thực, độ tin cậy và khả năng tương thích
trong mơi trường cơng nghiệp của mạng truyền thông công nghiệp cao hơn so với
mạng máy tính thơng thường, trong khi đó mạng máy tính thường địi hỏi cao hơn
về độ bảo mật.
- Mạng máy tính có phạm vi trải rộng rất khác nhau, ví dụ có thể nhỏ như
mạng LAN cho một nhóm vài máy tính, hoặc rất lớn như mạng Internet. Trong
nhiều trường hợp, mạng máy tính gián tiếp sử dụng dịch vụ truyền dữ liệu của

Trang | 7


mạng viễn thơng. Trong khi đó, cho đến nay các hệ thống mạng cơng nghiệp
thường có tính chất độc lập, phạm vi hoạt động tương đối hẹp.
Sự khác nhau trong phạm vi và mục đích sử dụng giữa các hệ thống mạng
truyền thông công nghiệp với các hệ thống mạng viễn thơng và mạng máy tính
dẫn đến sự khác nhau trong các yêu cầu về mặt kỹ thuật cũng như tính kinh tế. Ví
dụ: do yêu cầu kết nối nhiều nền máy tính khác nhau và cho nhiều phạm vi ứng
dụng khác nhau, kiến trúc giao thức của các mạng máy tính phổ thơng thường
phức tạp hơn so với kiến trúc giao thức các mạng công nghiệp. Đối với các hệ
thống truyền thông công nghiệp, đặc biệt là ở các cấp dưới thì các u cầu về tính
năng thời gian thực, khả năng thực hiện đơn giản, giá thành hạ lại ln được đặt
ra hàng đầu.
1.2. Vai trị của mạng truyền thông công nghiệp
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 hàng loạt
những lợi ích như sau:
- Đơn giản hóa cấu trúc liên kết giữa các thiết bị công nghiệp: Một số lượng
lớn các thiết bị thuộc các chủng loại khác nhau được ghép nối với nhau thông qua
một đường truyền duy nhất.
- Tiết kiệm dây nối và công thiết kế, lắp đặt hệ thống: Nhờ cấu trúc đơn giản,
việc thiết kế hệ thống trở nên dễ dàng hơn nhiều. Một số lượng lớn cáp truyền
được thay thế bằng một đường duy nhất, giảm chi phí đáng kể cho nguyên vật liệu
và công lắp đặt.
- Nâng cao độ tin cậy và độ chính xác của thơng tin: Khi dùng phương pháp
truyền tín hiệu tương tự cổ điển, tác động của nhiễu dễ làm thay đổi nội dung
thông tin mà các thiết bị khơng có cách nào nhận biết.
- Nhờ kỹ thuật truyền thơng số, khơng những thơng tin truyền đi khó bị sai

lệch hơn, mà các thiết bị nối mạng còn có thêm khả năng tự phát hiện lỗi và chẩn
đốn lỗi nếu có. Hơn thế nữa, việc bỏ qua nhiều lần chuyển đổi qua lại tương tựsố và số-tương tự nâng cao độ chính xác của thơng tin.
- Nâng cao độ linh hoạt, tính năng mở của hệ thống: Một hệ thống mạng
chuẩn hóa quốc tế tạo điều kiện cho việc sử dụng các thiết bị của nhiều hãng khác
nhau. Việc thay thế thiết bị, nâng cấp và mở rộng phạm vi chức năng của hệ thống
cũng dễ dàng hơn nhiều. Khả năng tương tác giữa các thành phần (phần cứng và
phần mềm) được nâng cao nhờ các giao diện chuẩn.
- Đơn giản hóa/tiện lợi hóa việc tham số hóa, chẩn đoán, định vị lỗi, sự cố
của các thiết bị : Với một đường truyền duy nhất, không những các thiết bị có thể
trao đổi dữ liệu q trình, mà cịn có thể gửi cho nhau các dữ liệu tham số, dữ liệu
Trang | 8


trạng thái, dữ liệu cảnh báo và dữ liệu chẩn đốn. Các thiết bị có thể tích hợp khả
năng tự chẩn đốn, các trạm trong mạng cũng có thể có khả năng cảnh giới lẫn
nhau.
- Việc cấu hình hệ thống, lập trình, tham số hóa, chỉnh định thiết bị và đưa
vào vận hành có thể thực hiện từ xa qua một trạm kỹ thuật trung tâm.Mở ra nhiều
chức năng và khả năng ứng dụng mới của hệ thống.
- Sử dụng mạng truyền thông công nghiệp cho phép áp dụng các kiến trúc
điều khiển mới như điều khiển phân tán, điều khiển phân tán với các thiết bị
trường, điều khiển giám sát hoặc chẩn đốn lỗi từ xa qua Internet, tích hợp thông
tin của hệ thống điều khiển và giám sát với thông tin điều hành sản xuất và quản
lý công ty.
1.3. Phân loại các hệ thống mạng công nghiệp
Để sắp xếp, phân loại và phân tích đặc trưng các hệ thống mạng truyền thơng
cơng nghiệp, ta dựa vào mơ hình phân cấp quen thuộc cho các cơng ty, xí nghiệp
sản xuất. Tương ứng với năm cấp chức năng là bốn cấp của hệ thống truyền thông.
Từ cấp điều khiển giám sát trở xuống thuật ngữ “bus” thường được dùng thay cho
“mạng”, với lý do phần lớn các hệ thống mạng phía dưới đều có cấu trúc vật lý

hoặc logic kiểu bus.

Hình 2. Phân loại các hệ tống mạng công nghiệp

1.3.1. Bus trường
Bus trường (fieldbus) là một khái niệm chung được dùng trong các ngành
công nghiệp chế biến 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 chức năng chính của cấp chấp
hành là đo lường, truyền động và chuyển đổi tín hiệu trong trường hợp cần thiết.

Trang | 9


Các thiết bị có khả năng nối mạng là các vào/ra phân tán (distributed I/O),
các thiết bị đo lường (sensor, transducer, transmitter) hoặc cơ cấu chấp hành
(actuator, valve) có tích hợp khả năng xử lý truyền thông.
Một số kiểu bus trường chỉ thích hợp nối mạng các thiết bị cảm biến và cơ
cấu chấp hành với các bộ điều khiển, cũng được gọi là bus chấp hành/cảm biến.
Trong công nghiệp chế tạo (tự động hóa dây chuyền sản xuất, gia công, lắp ráp)
hoặc ở một số lĩnh vực ứng dụng khác như tự động hóa tịa nhà, sản xuất xe hơi,
khái niệm bus thiết bị lại được sử dụng phổ biến.
Có thể nói, bus thiết bị và bus trường có chức năng tương đương, nhưng do
những đặc trưng riêng biệt của hai ngành cơng nghiệp, nên một số tính năng cũng
khác nhau. Tuy nhiên, sự khác nhau này ngày càng trở nên không rõ rệt, khi mà
phạm vi ứng dụng của cả hai loại đều được mở rộng và đan chéo sang nhau.
Trong thực tế, người ta cũng dùng chung một khái niệm là bus trường. Do
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 vậy u cầu về
tính năng thời gian thực được đặt lên hàng đầu. Thời gian phản ứng tiêu biểu nằm

trong phạm vi từ 0,1 tới vài miligiây.
Trong khi đó, u cầu về lượng thơng tin trong một bức điện thường chỉ hạn
chế trong khoảng một vài byte, vì vậy tốc độ truyền thơng thường chỉ cần ở phạm
vi Mbit/s hoặc thấp hơn. Việc trao đổi thơng tin về các biến q trình chủ yếu
mang tính chất định kỳ, tuần hồn, bên cạnh các thơng tin tham số hóa hoặc cảnh
báo có tính chất bất thường.
Các hệ thống bus trường được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay là PROFIBUS,
ControlNet, INTERBUS, CAN, WorldFIP, P-NET, Modbus và gần đây phải kể
tới Foundation Fieldbus. DeviceNet, AS-i, EIB và Bitbus là một vài hệ thống bus
cảm biến/chấp hành tiêu biểu có thể nêu ra ở đây.
1.3.2. Bus hệ thống
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). Khái niệm sau thường chỉ
được dùng trong lĩnh vực điều khiển q trình.
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 (có thể gián tiếp
thơng qua hệ thống quản lý cơ sở dữ liệu trên các trạm chủ) cũng như nhận mệnh
lệnh, tham số điều khiển từ các trạm phía trên. Thơng tin khơng những được trao
đổi theo chiều dọc, mà còn theo chiều ngang.
Trang | 10


Các trạm kỹ thuật, trạm vận hành và các trạm chủ cũng trao đổi dữ liệu qua
bus hệ thống. Ngoài ra các máy in báo cáo và lưu trữ dữ liệu cũng có thể được kết
nối qua mạng này.
Đối với bus hệ thống, tùy theo lĩnh vực ứng dụng mà địi 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 miligiây, 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.
Khi bus hệ thống được sử dụng chỉ để ghép nối theo chiều ngang giữa các
máy tính điều khiển, người ta thường dùng khái niệm bus điều khiển. Vai trò của
bus điều khiển là phục vụ trao đổi dữ liệu thời gian thực giữa các trạm điều khiển
trong một hệ thống có cấu trúc phân tán. Bus điều khiển thơng thường có tốc độ
truyền khơng cao, nhưng yêu cầu về tính năng thời gian thực thường rất khắt khe.
Do các yêu cầu về tốc độ truyền thông và khả năng kết nối dễ dàng nhiều loại máy
tính, hầu hết các kiểu bus hệ thống thông dụng đều dựa trên nền Ethernet, ví dụ
Industrial Ethernet, Fieldbus Foundation’s High Speed Ethernet (HSE),
Ethernet/IP.
1.3.3. Mạng xí nghiệp
Mạng xí nghiệp thực ra là một mạng LAN bình thường, có chức năng kết nối
các máy tính văn phịng thuộc cấp điều hành sản xuất 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
tốn, thống kê về diễn biến quá trình sản xuất và chất lượng sản phẩm thông số
thiết kế, công thức điều khiển và mệnh lệnh điều hành.
Ngồi ra, thơng tin cũng được trao đổi mạnh theo chiều ngang giữa các máy
tính thuộc cấp điều hành sản xuất, ví dụ hỗ trợ kiểu làm việc theo nhóm, cộng tác
trong dự án, sử dụng chung các tài nguyên nối mạng (máy in, máy chủ,…).
Khác với các hệ thống bus cấp dưới, mạng xí nghiệp khơng u 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 Mbyte. 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.
1.3.4. Mạng công ty
Mạng công ty nằm trên cùng trong mơ hình phân cấp hệ thống truyền thông
của một công ty sản xuất công nghiệp. Đặc trưng của mạng công ty gần với một
mạng viễn thông hoặc một mạng máy tính diện rộng nhiều hơn trên các phương
Trang | 11

diện phạm vi và hình thức dịch vụ, phương pháp truyền thông và các yêu cầu về
kỹ thuật.
Chức năng của mạng cơng ty là kết nối các máy tính văn phịng của các xí
nghiệp, cung cấp các dịch vụ trao đổi thông tin nội bộ và với các khách hàng như
thư viện điện tử, thư điện tử, hội thảo từ xa qua điện thoại, hình ảnh, cung cấp
dịch vụ truy cập Internet và thương mại điện tử, …
Hình thức tổ chức ghép nối mạng, cũng như các công nghệ được áp dụng rất
đa dạng, tùy thuộc vào đầu tư của công ty. Trong nhiều trường hợp, mạng công
ty và mạng xí nghiệp được thực hiện bằng một hệ thống mạng duy nhất về mặt
vật lý, nhưng chia thành nhiều phạm vi và nhóm mạng làm việc riêng biệt. Mạng
cơng ty có vai trị như một đường cao tốc trong hệ thống hạ tầng cơ sở truyền
thông của một công ty, vì vậy địi hỏi về tốc độ truyền thơng và độ an toàn, tin
cậy đặc biệt cao. Fast Ethernet, FDDI, ATM là một vài ví dụ cơng nghệ tiên tiến
được áp dụng ở đây trong hiện tại và tương lai.
1.4. Giao thức truyền thông trong công nghiệp thường được sử dụng
Có nhiều mạng truyền thơng khác nhau được thiết kế để kết nối các thiết bị
công nghiệp và các mô-đun I/O khác nhau. Chúng được mô tả dựa trên các giao
thức nhất định. Giao thức là một tập hợp các quy tắc được sử dụng trong giao tiếp
giữa hai hoặc nhiều thiết bị. Dựa trên các giao thức này, mạng truyền thông được
phân thành nhiều loại. Một số tiêu chuẩn truyền thông công nghiệp phổ biến và
thông dụng được giới thiệu sau đây.
1.4.1. Giao tiếp nối tiếp

Hình 3. Truyền thông nối tiếp

Giao tiếp nối tiếp là hệ thống truyền thông giao tiếp cơ bản được cung cấp
cho hầu hết các bộ điều khiển như PLC. Giao tiếp này được thực hiện bằng cách
sử dụng các tiêu chuẩn giao thức như RS232, RS422 và RS485. Từ viết tắt RS là

Trang | 12


viết tắt của “Recommended Standard” chỉ định các đặc tính truyền thơng nối tiếp
về các tính năng điện, cơ và chức năng.
Các giao diện giao tiếp nối tiếp được tích hợp sẵn trong CPU hoặc có thể là
một mơ-đun giao tiếp riêng biệt. Các giao diện RS này chủ yếu được sử dụng để
truyền dữ liệu với tốc độ cao giữa PLC và thiết bị từ xa. Ví dụ như: đầu đọc mã
vạch, thiết bị đầu cuối, vision.
Giao tiếp nối tiếp RS-232 được thiết kế để hỗ trợ một máy phát và một máy
thu và do đó nó cung cấp giao tiếp giữa một bộ điều khiển và một máy tính. Chiều
dài cáp tối đa phải lên đến 50 feet. Chuẩn giao tiếp nối tiếp RS 422 (1Tx, 10 Rx)
và RS485 (32Tx, 32 Rx) được thiết kế để giao tiếp giữa một máy tính và nhiều bộ
điều khiển. Các tiêu chuẩn này được giới hạn ở độ dài 1650 feet (đối với RS422)
và 650 feet (đối với RS485).
1.4.2. HART
HART là từ viết tắt của “Highway Addressable Remote Transducer”. Nó là
một giao thức mạng điều khiển q trình mở, chồng tín hiệu truyền thơng kỹ thuật
số lên đầu các tín hiệu 4-20mA bằng cách sử dụng kỹ thuật Bell 202 Frequency
Shift Keying (FSK).

Hình 4. Giao thức HART

Đây là mạng truyền thông duy nhất tạo điều kiện cho cả truyền dẫn tín hiệu
số & tương tự và hai chiều cùng một lúc bằng cùng một hệ thống dây dẫn, và do
đó các mạng này cịn được gọi là mạng lai. Tín hiệu số này được gọi là tín hiệu
HART mang thơng tin chẩn đốn, cấu hình thiết bị, hiệu chuẩn và các phép đo
quy trình bổ sung khác. Mạng HART hoạt động ở chế độ điểm-điểm hoặc đa
điểm. Trong chế độ điểm-điểm, tín hiệu dịng điện 4-20 mA được sử dụng để điều
khiển q trình trong khi tín hiệu HART vẫn khơng bị ảnh hưởng. Mạng

Trang | 13


Multidrop HART được sử dụng khi các thiết bị có khoảng cách rộng rãi. Các thiết
bị trường thông minh đa biến tương thích với HART được sử dụng rộng rãi trong
nhiều ngành công nghiệp. Mạng truyền thông HART được sử dụng chủ yếu trong
các ứng dụng SCADA.
1.4.3. DeviceNet

Hình 5. Mạng truyền thông DeviceNet

DeviceNet là một mạng cấp thiết bị mở dựa trên cơng nghệ CAN. Nó được
thiết kế để giao tiếp các thiết bị cấp trường (như cảm biến, công tắc, đầu đọc mã
vạch, màn hình, ...) với bộ điều khiển cấp cao hơn (như PLC) với việc áp dụng
duy nhất giao thức CAN cơ bản. Nó có thể hỗ trợ lên đến 64 nút và hỗ trợ tổng
cộng 2048 thiết bị.
DeviceNet làm giảm chi phí mạng bằng cách tích hợp tất cả các thiết bị trên
một cáp bốn dây mang cả dây dẫn dữ liệu và nguồn. Nguồn điện trên mạng cho
phép các thiết bị được cấp nguồn trực tiếp từ mạng và do đó nó làm giảm các điểm
kết nối vật lý. Mạng này được sử dụng phổ biến trong các ngành công nghiệp ô
tô và bán dẫn.
1.4.4. ControlNet

Hình 6. Mạng ControlNet

Trang | 14


ControlNet là một mạng điều khiển mở, sử dụng Giao thức Công nghiệp
Chung (CIP) để kết hợp chức năng của mạng peer-to-peer và mạng I/O và cung

cấp hiệu suất tốc độ cao. Mạng này là sự kết hợp của Data Highway Plus (DH +)
và Remote I/O. Nó được sử dụng để truyền dữ liệu thời gian thực của dữ liệu quan
trọng về thời gian cũng như không quan trọng về thời gian giữa các I/O hoặc bộ
xử lý trên cùng một mạng.
Nó có thể giao tiếp lên đến tối đa 99 nút với tốc độ truyền dữ liệu là năm
triệu bit mỗi giây. Nó được thiết kế để sử dụng trên cả cấp độ thiết bị và cấp trường
của hệ thống tự động hóa cơng nghiệp. Nó cung cấp phương tiện và phương tiện
truyền thơng dự phịng ở tất cả các nút của mạng.
1.4.5. Modbus
Modbus là một giao thức hệ thống mở có thể chạy trên nhiều lớp vật lý khác
nhau. Nó là giao thức được sử dụng rộng rãi nhất trong các ứng dụng điều khiển
cơng nghiệp. Nó là một kỹ thuật giao tiếp nối tiếp cung cấp mối quan hệ
master/slave để giao tiếp giữa các thiết bị được kết nối trên mạng. Nó có thể được
thực hiện trên bất kỳ phương tiện truyền dẫn nào, nhưng được sử dụng phổ biến
nhất với RS232 và RS485.

Hình 7. Mạng truyền thông Modbus

Modbus nối tiếp với RS232 hoặc RS485 (như các lớp vật lý) tạo điều kiện
kết nối các thiết bị Modbus với bộ điều khiển (như PLC) trong một cấu trúc bus.
Nó có thể giao tiếp giữa một master và một số slave lên đến 247 với tốc độ truyền
dữ liệu 19,2 kbits/s. Phiên bản Modbus TCP/IP mới hơn sử dụng Ethernet làm lớp
vật lý tạo điều kiện trao đổi dữ liệu giữa các PLC trong các mạng khác nhau.
Không phân biệt loại mạng vật lý, nó tạo điều kiện thuận lợi cho một phương pháp
truy cập và điều khiển thiết bị này bởi thiết bị khác.
1.4.6. Profibus
Profibus là một trong những mạng trường mở nổi tiếng và được triển khai
rộng rãi. Các mạng này chủ yếu được sử dụng trong các lĩnh vực tự động hóa quy
trình và tự động hóa nhà máy. Nó phù hợp nhất cho các tác vụ giao tiếp phức tạp
Trang | 15

và các ứng dụng quan trọng về thời gian. Có ba phiên bản khác nhau của Profibus
là Profibus-DP (Decentralized Periphery), Profibus-PA (Process Automation) và
Profibus-FMS (Fieldbus Message Specification).

Hình 8. Mạng truyền thông Profibus

Profibus-DP là một tiêu chuẩn giao tiếp fieldbus mở sử dụng giao tiếp
master/slave giữa các thiết bị mạng. Nó sử dụng công nghệ truyền dẫn RS485
hoặc cáp quang làm phương tiện truyền thơng lớp vật lý. Nó chủ yếu được sử
dụng để cung cấp giao tiếp giữa các bộ điều khiển và I/O phân tán ở cấp thiết bị.
Profibus-PA được thiết kế đặc biệt để tự động hóa quy trình. Mạng ProfibusPA được khuyến nghị sử dụng trong các khu vực an toàn. Các mạng này cho phép
các cảm biến, bộ truyền động và bộ điều khiển kết nối với một bus chung duy
nhất, cung cấp truyền thông dữ liệu và cấp nguồn qua bus. Các mạng này sử dụng
lớp vật lý Manchester Bus Powered (MBP) dựa trên tiêu chuẩn quốc tế IEC
61158-2.
Profibus-FMS là một định dạng nhắn tin multimaster hoặc peer-to-peer cho
phép các đơn vị chính giao tiếp với nhau. Đây là một giải pháp có mục đích chung
thực hiện các tác vụ giao tiếp ở cấp độ điều khiển, đặc biệt là ở cấp độ phân chia
lại thành phần để tạo điều kiện giao tiếp giữa các PC chính.
Thơng thường, FMS và DP được sử dụng đồng thời ở chế độ COMBI trong
các trường hợp PLC đang được sử dụng cùng với PC. Trong trường hợp này, thiết
bị chính giao tiếp với thiết bị chính thơng qua FMS trong khi DP truyền dữ liệu
điều khiển trên cùng một mạng tới các thiết bị I/O.
1.4.7. Foudation Field Bus

Trang | 16

Hình 9. Mạng Foudation Field Bus

Nó là một tiêu chuẩn fieldbus mở được thiết kế đặc biệt để đáp ứng các u
cầu quan trọng trong mơi trường an tồn. Nó là một loại mạng LAN cho các thiết
bị và bộ điều khiển tương thích fieldbus nền tảng được sử dụng trong các ngành
sản xuất và chế biến. Nó là một tiêu chuẩn giao thức kỹ thuật số, hai chiều được
xác định bởi lớp vật lý IEC 61158-2 an toàn (đối với FF H1) và tương thích với
thiết bị Ethernet (đối với FF HSE). Ba loại mạng FF bao gồm H1 tốc độ thấp, H2
tốc độ cao và HSE Ethernet tốc độ cao. Mạng H1 hỗ trợ tốc độ 31,25 kbps. Mạng
H2 hỗ trợ hai tốc độ là 1,0 Mbps và 2,5 Mbps. Mạng HSE hỗ trợ tốc độ 10 hoặc
100 Mbps vì nó sử dụng giao thức Ethernet.

Trang | 17


Chương 2. Giao thức truyền thông Modbus RTU
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 cơng 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.org”.
Modbus trở thành một chuẩn truyền thơng cơng nghiệp tiêu chuẩn bởi nó :
ổn định – đơn giản – dể sử dụng & miễn phí. Điều này có nghĩa rằng các nhà sản
xuất có thể tự tích hợp chuẩn Modbus vào sản phẩm của họ mà không cần trả tiền
bản quyền. Chỉ cẩn các thiết bị cùng chung một chuẩn với nhau thì có thể giao
tiếp với nhau mà khơng cần quan tâm nó là thiết bị gì của hãng nào sản xuất. Đây
chính là ưu điểm vượt trội so với các chuẩn truyền thông khác như : Profibus ,
Canopen , Manchester. Modbus được sử dụng để kết nối với máy tính với các
thiết bị đầu cuối ( RTU ) hay hệ thống SCADA ). Có nhiều loại Modbus : Modbus

RTU , Modbus ASCII , Modbus TCP/IP
2.1. Phân biệt RS232 và RS485
RS232

Hình 10. Kết nối PLC với máy tính dùng cổng RS 232

RS232 còn được gọi là cổng COM thường được thấy trong các máy tính bàn
& tất cả đều có cơng truyền thông theo chuẩn RS232 để giao tiếp các thiết bị khác
như máy in , máy fax …. RS232 sử dụng 3 dây Tx (truyền ), Rx(nhận tín hiệu ) và
GND (đất ). RS232 hoạt động dựa trên sự chênh lệch áp giữa Tx , Rx và GND.
- Nhược điểm của chuẩn truyền RS232 là tín hiệu khơng thể truyền đi xa, do
việc mất mát tín hiệu khơng 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.
Trang | 18


- 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.
RS485
Chuẩn RS485 chỉ truyền trên 2 dây và B sử dụng sự chênh lệch áp giữa A và
B theo logic 0 hoặc 1 chứ không hề so sánh với đất. Điều này đảm bảo tín hiệu
truyền đi xa bởi khi nếu có trường hợp sụt áp thì đồng thời hai dây đều sụt áp nên
tín hiệu vẫn đảm bảo logic 1 hoặc 0.

Hình 11. Mơ hình giao tiếp RS485

Giả sử A = 1, B= 0 thì thì dữ liệu nhận biết data = 1 và khi A=0 , B=1 thì dữ
liệu nhận biết là data = 0. Do cách so sánh trên thì khi bị suy giảm thì sữ chênh
lệch điện áp vẫn khơng đổi chính vì thế mà tín hiệu truyền trên RS485 đi rất xa

mà vẩn đảm bảo chính xác.
- Khi sự chênh lệch điện áp giữa A và B nằm trong khoảng -1,6V đến -6V
thì dữ liệu được nhận tương ứng với mức 1 .
- Khi sự chênh lệch điện áp giữa A và B nằm trong khoảng +1,5 đến +6V thì
dữ liệu được nhận tương ứng với mức 0 .
Ưu điểm lớn nhất của chuẩn RS485 chính là truyền đi xa tới 1200m và có
thể kết nối nhiều thiết bị trên cùng một mạng chuẩn RS485 và kết nối tối đa 32
thiết bị cùng lúc.
Sự khác biệt giữa RS232 và RS485
RS232 chỉ cho phép truyền theo phương thức điểm – điểm trong khi RS485
truyền theo phương thức đa điểm. Tức là có thể truyền nhiều tín hiệu khác nhau
trong cùng một mạng (max 32 thiết bị).
Trang | 19


Tốc độ truyền của RS232 (20 Kbits/s) nhanh nhưng khoảng cách truyền ngắn
(max 15m). Ngược lại, RS485 (10Mbit/s) có thể truyền đi xa (max 1200m) nhưng
với tốc độ chậm hơn RS232.
2.2. Cấu tạo Modbus RTU
Thơng thường thì một frame truyền Modbus RTU bao gồm: 1 byte địa chỉ –
1 byte mã hàm – n byte dữ liệu – 2 byte CRC được mô tả như hình ở dưới:
- Byte địa chỉ: dùng để xác định thiết bị mạng địa chỉ được nhận dữ liệu (đối
với Slave) hoặc dữ liệu nhận được từ địa chỉ nào (đối với Master). Địa chỉ này
được quy định từ 0 – 254.
- Byte mã hàm: được quy định từ Master, xác định yêu cầu dữ liệu từ thiết
bị Slave. Ví dụ mã 01: đọc dữ liệu lưu trữ dạng Bit, 03: đọc dữ liệu tức thời dạng
Byte, 05: ghi dữ liệu 1 bit vào Slave, 15: ghi dữ liệu nhiều bit vào Slave …
- Byte dữ liệu: xác định dữ liệu trao đổi giữa Master và Slave.
+ Đọc dữ liệu:
• Master: 2 byte địa chỉ dữ liệu – 2 byte độ dài dữ liệu

• Slave: 2 byte địa chỉ dữ liệu – 2 byte độ dài dữ liệu – n byte dữ liệu đọc
được
+ Ghi dữ liệu:
• Master: 2 byte địa chỉ dữ liệu – 2 byte độ dài dữ liệu – n byte dữ liệu cần
ghi
• Slave: 2 byte địa chỉ dữ liệu – 2 byte độ dài dữ liệu
- Byte CRC: 2 byte kiểm tra lỗi của hàm truyền và cách tính giá trị của
Byte CRC 16 Bit.
2.3. Cách thức hoạt động của Modbus RTU

Hình 12. Cách chuyển đổi tính hiệu 4-20mA sang RS485

Modbus RTU hoạt động dựa trên nguyên tắc Master – Slave tức là một bên
nhận (Master) và một bên truyền tín hiệu (Slave) thơng qua địa chỉ thanh ghi.
Trang | 20


Phương thức truyền của Modbus RTU bằng đường truyền vật lý RS232 hoặc
RS485, Modbus TCP/IP thì truyền trên địa chỉ IT thông qua Internet.
- Mỗi thiết bị trong mạng modbus sẽ được cung cấp một địa chỉ duy nhất.
Trong mạng modbus chỉ có 1 node được gán là Master (ta gọi là Master, các node
còn lại gọi là Node) mới có thể khởi tạo lệnh. Trong frame truyền có chứa địa chỉ
của thiết bị slave (1 đến 247), chỉ thiết bị có ID tương ứng mới đáp ứng, mặc dù
các thiết bị khác có thể nhận được nó (một ngoại lệ là các lệnh có thể phát được
cụ thể được gửi đến nút 0, được thực hiện nhưng không được xác nhận). Tất cả
các lệnh Modbus chứa thông tin tổng kiểm tra (check sum CRC) để cho phép
người nhận phát hiện lỗi truyền. Master sẽ đọc và ghi các dữ liệu vào thanh ghi
của thiết bị slave.
- Cách đấu nối như sau:
⎯⎯

→ AA- (Master) ⎯
(Slave)
⎯
+

(Master)

⎯⎯
→
⎯
⎯

B+

(Slave)

⎯⎯
→ GND (Slave)
GND (Master) ⎯
⎯

- Dây GND cần nối trong trường hợp khu vực đấu nối ở vùng nhiều sấm sét,
máy móc hoạt động dịng lớn, nhiễu phức tạp…để tránh bị phá hỏng thiết bị hoặc
tín hiệu thu được bị sai. Điện thế chênh lệch giữa GND hai bên tối đa là 7V. Nếu
thiết bị cần đọc là một đồng hồ điện (ví dụ Select MFM383A) thì mạch arduino
của chúng ta sẽ làm master để truy xuất vào đọc thanh ghi của nó. Các thơng số
baud rate, data bit, bit stop, parity chúng ta phải cài đặt đồng bộ giữa mastter và
slave. Thông thường với các slave là đồng hồ điện, đồng hồ nước, cảm biến..chúng
ta sẽ xem chúng ở màn hình cài đặt hay ở manual, datasheet của thiết bị. Ở phần
code arduino chúng ta sẽ chỉnh sửa các thơng tin đó cho giống trên thiết bị hoặc

với các thiết bị có LCD đa số chúng ta đều set được các thơng số đó cho salve.
Nếu cần đọc các thanh ghi chứa dữ liệu của slave chúng ta sẽ dùng các function
code 01, 02, 03, 04.
- FC01: đọc trạng thái coil, một coil là một giá trị output. Số coil numbers
kéo dài từ 0 00001 đến 0 65536 ,
- FC02: đọc trạng thái input, số discrete input kéo dài từ 1 00001 đến 1
65536,
- FC04: đọc các input register, số input register trải dài từ 3 00001 đến 3
65536,
- FC03: đọc các holding register, số holding register trải dài từ 4 00001 đến
4 65536.
Chúng ta sẽ thấy địa chỉ 30002 chứa giá trị điện áp V2N, vậy ta sẽ hiểu địa
chỉ ở đây là 0x02, Function code là 04, kiểu dữ liệu là float, độ dài thanh ghi là 2.
Trang | 21


Để tránh nhầm lẫn giữa function code và địa chỉ thanh ghi người ta quy định độ
dài FC+ADDRESS là 6, ta thấy độ dài của 30002 là 5 ta sẽ hiểu rằng 030002, vậy
FC là 03, addr là 2. Mỗi thanh ghi sẽ là 2 byte, ở đây theo ví dụ trên thì dữ liệu
có độ dài 2 thanh ghi nghĩa là 4 byte. Gọi 4 byte đó là A,B,C,D vậy có thể dữ liệu
được lưu trong thanh ghi sẽ là ABCD với AB lưu ở thanh ghi địa chỉ thấp, CD
lưu ở thanh ghi địa chỉ cao. Hoặc cũng có thể là CDAB… Vì vậy chỉ biết kiểu dữ
liệu thôi là chưa đủ, chúng ta cần phải biết dữ liệu đang được lưu dạng nào.
Một chú ý khi chúng ta làm việc với các device hỗ trợ truyền thông modbus
là ở các device dữ liệu sẽ nằm trong các thanh ghi có địa chỉ tờ 1 tới 10000, nhưng
ở trong frame truyền (Modbus message) các điịa chỉ được dùng giữa 0 tới 9999
vì vậy ở đây chúng ta sẽ phải ofset nếu muốn đọc/ghi tới chính xác địa chỉ cần
làm việc. Ví dụ các bạn muốn đọc thanh ghi 30069 (FC04, địa chỉ 69 DEC) thì
trong frame truyền chúng ta sẽ chỉ định giá trị là 68. .
2.4. Phân loại giao tiếp truyền thơng Modbus

Ngồi Modbus RTU thì chúng ta cịn có nhiều loại Modbus khác như
Modbus TCP, Modbus ASCII, Modbus UDP, Modbus Plus, Pemex Modbus,
Enron Modbus. Và đặc điểm của từng loại như sau:
- Modbus Plus – (Modbus +, MB + hoặc MBP) – Modbus Plus: là độc quyền
của Schneider Electric và không giống như các biến thể khác, nó hỗ trợ liên lạc
ngang hàng giữa nhiều chủ. Nó địi hỏi một bộ đồng xử lý chun dụng để xử lý
xoay vịng mã thơng báo giống như HDLC nhanh . Nó sử dụng cặp xoắn với tốc
độ 1 Mbit/s và bao gồm cách ly máy biến áp ở mỗi nút, làm cho nó chuyển đổi và
kích hoạt cạnh thay vì kích hoạt điện áp – cấp độ.
- Enron Modbus: là một phần mở rộng khác của Modbus tiêu chuẩn được
phát triển bởi Enron Corporation.
- Modbus TCP: sự khác nhau cơ bản giữa Modbus RTU và MODBUS TCP
(hay còn được gọi là modbus IP, Modbus Ethernet hay Modbus TCP/IP) là
Modbus TCP chạy ở cổng vật lý Ethernet trong khi đó Modbus RTU thì chạy ở
cổng vật lý serial nối tiếp (RS232 hoặc RS485).
- Modbus ASCII: cho phép người đọc có thể đọc trực tiếp tin nhắn trong bản
tin. Modbus ASCII không thể giao tiếp với modbus RTU và ngược lại.
- Modbus UDP: đã có một số người đã thử nghiệm sử dụng Modbus qua
UDP trên mạng IP, loại bỏ các thủ tục cần thiết cho TCP.
- Pemex Modbus: là một phần mở rộng của Modbus tiêu chuẩn, nó được
thiết kế cho cơng ty dầu khí Pemex để sử dụng trong kiểm sốt q trình và khơng
bao giờ được áp dụng rộng rãi.
2.5. Các ưu nhược điểm của Modbus RTU
Trang | 22


Việc sử dụng các loại thiết bị, máy móc bao giờ cũng có những điểm tốt và
điểm chưa tốt đúng khơng nào. Và trong giao thức truyền tín hiệu cũng khơng
ngoại lệ, mình sẽ liệt kê một số ưu và nhược điểm của cách thức truyền tín hiệu
này để các bạn có thể hiểu thêm nhé.

Ưu điểm:
- Có thể dùng cho nhiều loại thiết bị có chung cổng Modbus RTU
- Giảm số lượng dây kết nối về cho PLC, tối ưu hóa khơng gian nhà xưởng
hay nơi làm việc.
- Tiết kiệm một số lượng lớn module mở rộng PLC.
- Ổn định và ít bị nhiễu hơn so với tín hiệu analog 4-20ma
- Các dạng tín hiệu 2 dây RS-485 đều có khả năng truyền đi xa lên đến
1200m mà khơng sợ mất tín hiệu hay dữ liệu.
- Các module hoạt động độc lập nên sẽ dễ dàng quản lý
Nhược điểm:
- Tín hiệu sẽ chậm hơn việc sử dụng trực tiếp như tín hiệu analog hay digital
- Chỉ phù hợp cho các điều khiển có thời gian từ 1s trở xuống
- Cần trang bị một PLC hay Scada có cấu hình mạnh để đọc hết các thanh
ghi của nhiều modbus
2.6. Ứng dụng của giao thức truyền thông Modbus RTU
Ở cộng đồng arduino chúng ta thì việc sử dụng modbus rtu chưa nhiều nhưng
ở mảng điện công nghiệp chúng ta sẽ rất dễ bắt gặp các thiết bị như cảm biến
nhiệt, áp suất, PLC, đồng hộ điện, đồng hồ nước….sử dụng modbus RTU. Cuộc
cách mạng 4.0 đã được khởi xướng, cộng đồng IoT, IIoT ngày càng lớn mạnh nên
chúng ta sẽ ngày càng thấy nhiều thiết bị điện tử của các anh em chúng ta dần lấn
sân sang điện công nghiệp vốn từ lâu chỉ là sân chơi của các thiết bị của các hãng
tên tuổi như Mitsu, ABB, Simen, Sneighder, Omron, IFM…. Một vài ứng dụng
thường gặp như:
Giả sử để có thể điều khiển hệ thống mạng lưới các quạt làm mát trong trang
trại hay các phân xưởng sản xuất. Nếu đấu dây theo các truyền thống chúng ta sẽ
kéo từng cặp dây nguồn từ tủ điện trung tâm tới quạt. Các bạn có thể tưởng tượng
số lượng quạt lên tới 30 cái thì chúng ta phải kéo 30 dây nguồn tới 30 cái quạt
mới có thể điều khiển độc lập và bật/tắt từng cái. Hoặc nếu chỉ kéo một dây nguồn
nhưng lại sử dụng 30 công tắc để cấp nguồn cho từng quạt thì mỗi khi muốn bật/tắt
quạt nào chúng ta phải tới vị trí từng quạt đó rất mất thời gian.

Vậy giải pháp tối ưu nhất là ta chỉ cần kéo dây 4 lõi với 2 dây A,B của truyền
thơng modbus rtu và 2 dây nguồn là đã có thể đáp ứng đủ yêu cầu bật tắt từng mà
Trang | 23


không cần kéo từng dây nguồn từ tủ điện tới từng quạt. Tại mỗi quạt ta có một
node slave, với 30 quat ta sẽ có 30 slave id từ 1 tới 30. Vì vậy sẽ tiết kiệm được
thời gian triển khai dự án, đỡ nguy hai khi kéo một lưới điện âm sàn, âm tường,
hay treo như một mạng nhện trên đầu, tiềm ẩn nguy cơ chập cháy. Ngoài tiết kiệm
thời gian, cơng sức thi cơng chúng ta cịn tiết kiệm được một lượng lớn dây điện
đủ để bù vào chi phí tạo ra các node modbus rtu. Mở rộng ra với ứng dụng vào
các device như hệ thống van nước trong vườn, đồng hồ điện năng tiêu thụ từng
phòng, từng nhà trong building….

Trang | 24


Chương 3. Phần mềm WinCC
3.1. Tổng quan về WinCC
WinCC là 1 trong các chương trình ứng dụng Scada (HMI-Human Machine
Interface) trong lĩnh vực dân dụng cũng như công nghiệp. WinCC được dùng để
điều hành các màn hình hiển thị và hệ thống điều khiển trong tự động hoá sản xuất
và quá trình. WinCC viết tắt của Window Control Center, là một phần mềm của
hãng Siemens dùng để giám sát, điều khiển và thu thập dữ liệu trong quá trình sản
xuất.

Hình 13. Thiết kế màn hình giám sát trên WinCC

Theo nghĩa hẹp WinCC là chương trình hỗ trợ cho người lập trình thiết kế
các giao diện Người và Máy (HMI) trong hệ thống SCADA (Supervisory Control

And Data Acquisition), với chức năng chính là thu thập số liệu, giám sát và điều
khiển q trình sản xuất. Những thành phần có trong WinCC dễ sử dụng, giúp
người dùng tích hợp những ứng dụng mới hoặc có sẵn mà khơng gặp bất kì trở
ngại nào. WinCC cung cấp các module chức năng thường dùng trong cơng nghiệp
như: Hiển thị hình ảnh, tạo thơng điệp, lưu trữ và báo cáo. Giao diện điều khiển
mạnh, việc truy cập ảnh nhanh chóng và chức năng lưu trữ an tồn ( bảo mật) của
nó đảm bảo tính hữu dụng cao. Với WinCC người dùng có thể trao đổi dữ liệu
trực tiếp với nhiều PLC của các hãng khác nhau như Misubishi, Allen Braddly,
Siemens… thông qua cổng COM với chuẩn RS-232 của máy tính với chuẩn
RS485 của PLC.
3.2. Đặc trưng cơ bản của WinCC
WinCC 6.0 chạy trên hệ điều hành Window. Do đó tính chất mở và thường
xun được cập nhật, phát triển nên WinCC tương thích với nhiều phần mềm
chuẩn tạo nên giao diện người và máy đáp ứng nhu cầu sản xuất. Có thể ứng dụng
WinCC để phát triển ứng dụng của mình qua giao diện mở của WinCC. Chương
trình tích hợp được nhiều ứng dụng, tận dụng dịch vụ của hệ điều hành làm cơ sở
Trang | 25