Cân và đóng bao trong công nghiệp

Tóm tắt nội dung

Luận văn trình bày một cách khái qt bài tốn cân đóng bao trong cơng nghiệp
cùng cách giải quyết vấn đề, đồng thời, nghiên cứu một số thiết bị phần cứng cũng như
các tiêu chuẩn truyền thông được sử dụng trong công nghiệp. Các nghiên cứu này cho
phép thiết kế một hệ thống hoàn chỉnh phục vụ cho bài tốn cân đóng bao và một số bài
tốn liên quan. Từ đó luận văn mơ tả một cách chi tiết một hệ thống thực đã được tác giả
xây dựng và các kết quả triển khai thực tế của nó trong nhà máy cơng nghiệp. Phần cịn
lại trình bày các chương trình điều khiển được viết bằng ngơn ngữ lập trình C sử dụng
trong bộ điều khiển. Hi vọng, những kiến thức trong luận văn sẽ mang lại cái nhìn rõ ràng
nhất cho người đọc về các hệ thống điều khiển tự động nói chung và hệ thống cân đóng
bao nói riêng.

i


Mục lục
Tóm tắt nội dung..................................................................................................................i
Mục lục............................................................................................................................... ii
Danh mục hình vẽ............................................................................................................... ii
Mở đầu................................................................................................................................ 2
Chương 1: Tổng quan.....................................................................................................2
1.1 Đặt vấn đề............................................................................................................2
1.2 Bài tốn cân đóng bao trong thực tế.....................................................................2
1.3 Nội dung của luận văn..........................................................................................2
Chương 2: Nghiên cứu cơ sở lý thuyết...........................................................................2
2.1 Các khái niệm.......................................................................................................2
2.1.1
Các trạng thái của q trình đóng bao...........................................................2
2.1.2
Các biến q trình.........................................................................................2

2.2 Q trình cân đóng bao:.......................................................................................2
2.2.1
Xung đầu ra...................................................................................................2
2.2.2
Lưu đồ thuật tốn..........................................................................................2
2.2.3
Q trình cân phối liệu..................................................................................2
2.3 Mạng truyền thơng cơng nghiệp...........................................................................2
2.3.1
MODBUS.....................................................................................................2
2.3.2
CAN.............................................................................................................. 2
Chương 3: Nghiên cứu tính năng phần cứng..................................................................2
3.1 Vi điều khiển xử lý tín hiệu số 16 bit DSPIC 30F6010........................................2
3.1.1
Các tính năng chính......................................................................................2
3.1.2
Module truyền thơng khơng đồng bộ UART................................................2
3.1.3
Bộ điều khiển truyền thông CAN của dsPIC 30F6010..................................2
3.1.4
Bộ định thời TIMER.....................................................................................2
3.1.5
Bộ chuyển đổi tương tự - số ADC.................................................................2
3.2 Vi điều khiển PSOC.............................................................................................2
3.2.1
Các dòng vi điều khiển PSOC.......................................................................2
3.2.2
Vi điều khiển CY8C27443............................................................................2
3.2.3

Các khối số...................................................................................................2
3.2.4
Bộ đếm COUNTER......................................................................................2

ii


3.2.5
Config các khối UART................................................................................2
3.3 Thiết bị cân........................................................................................................... 2
3.3.1
Chức năng.....................................................................................................2
3.3.2
Cổng nối tiếp.................................................................................................2
Chương 4: Thiết kế hệ thống..........................................................................................2
4.1 Cấu trúc hệ thống.................................................................................................2
4.1.1
Sơ đồ khối hệ thống......................................................................................2
4.1.2
Khối giao tiếp người – máy...........................................................................2
4.1.3
Khối điều khiển.............................................................................................2
4.1.4
Khối cân........................................................................................................2
4.1.5
Truyền thông trong hệ thống.........................................................................2
4.2 Phần mềm giám sát hệ thống................................................................................2
Chương 5: Triển khai phần cứng và các kết quả đạt được..............................................2
5.1 Giao diện người – máy.........................................................................................2
5.1.1

Sơ đồ nguyên lý............................................................................................2
5.1.2
Phương thức hoạt động.................................................................................2
5.2 Bộ điều khiển.......................................................................................................2
5.2.1
Sơ đồ.............................................................................................................2
5.2.2
Phương thức hoạt động.................................................................................2
5.3 Triển khai ứng dụng hệ thống tại nhà máy Phân lân Ninh Bình...........................2
Chương 6: Kết luận.........................................................................................................2
Phụ lục................................................................................................................................ 2
Tài liệu tham khảo..............................................................................................................2

iii


Danh mục hình vẽ
Hình 1:
Hình 2:
Hình 3:
Hình 4:
Hình 5:
Hình 6:
Hình 7:
Hình 8:
Hình 9:
Hình 10:
Hình 11:
Hình 12:
Hình 13:

Hình 14:
Hình 15:
Hình 16:
Hình 17:
Hình 18:
Hình 19:
Hình 20:
Hình 21:
Hình 22:
Hình 23:
Hình 24:
Hình 25:
Hình 26:
Hình 27:
Hình 28:

Q trình cân đóng bao.....................................................................................4
Hệ thống cân đóng bao.....................................................................................6
Sơ đồ q trình cân đóng bao và xung điều khiển tương ứng...........................7
Lưu đồ thuật tốn q trình cân đóng bao.........................................................9
Hệ thống cân phối liệu......................................................................................9
Mơ hình OSI của mạng truyền thơng MODBUS............................................10
Phạm vi định nghĩa của CAN trong mơ hình OSI..........................................16
Sơ đồ khối bộ truyền dữ liệu UART...............................................................25
Sơ đồ khối bộ nhận dữ liệu UART.................................................................25
Sơ đồ khối module CAN của dsPIC 30F6010................................................27
Bộ định thời của dsPIC 30F6010....................................................................29
Sơ đồ khối cấu trúc của PSoC CY8C27433....................................................34
Các khối số của PSOC....................................................................................35
Sơ đồ khối bộ đếm của PSoC CY8C27433.....................................................37

Sơ đồ nguyên lý module UART của PSOC....................................................38
Thiết bị cân Mettler Toledo IND130..............................................................39
Các cổng vào ra trên Mettler Toledo IND130.................................................40
Vị trí chốt của RS-232 và RS-485..................................................................41
Sơ đồ khối hệ thống cân đóng bao..................................................................45
Khối giao tiếp người-máy...............................................................................46
Khối điều khiển..............................................................................................47
Sơ đồ nguyên lý khối giao tiếp người-máy.....................................................49
Sơ đồ nguyên lý khối điều khiển....................................................................50
Ảnh tủ điều khiển...........................................................................................51
Ảnh mạch nguồn.............................................................................................52
Ảnh khối giao tiếp người máy........................................................................52
Ảnh tủ van khí nén..........................................................................................53
Ảnh khối cân Mettler Toledo IND130............................................................53

iv


Mở đầu
Theo định hướng phát triển kinh tế - xã hội của nước ta, Việt Nam phấn đấu đến
năm 2020 sẽ trở thành một nước công nghiệp hiện đại. Để hướng tới mục tiêu này, chúng
ta đang xây dựng một hệ thống nhà máy, xí nghiệp lớn, hiện đại với các dây chuyền sản
xuất, lắp ráp, đóng gói... tương xứng. Trong đó, hệ thống cân đóng bao là một thành phần
không thể thay thế trong các nhà máy chế biến, tinh luyện, các khu chế xuất. Các hệ thống
này có tính tự động cao, dễ vận hành nhờ được điều khiển bằng máy tính hoặc các bộ vi
xử lý. Chúng dễ dàng được cài đặt, quản lý để thực hiện thao tác một cách chính xác với
khối lượng nguyên liệu cần đóng gói được đặt trước bởi người vận hành. Việc xây dựng
những hệ thống tự động trong công nghiệp nói chung và hệ thống cân đóng bao nói riêng
là một hướng đi khả thi và hứa hẹn đem lại hiệu quả kinh tế, ứng dụng cao.
Trong điều kiện Việt Nam hiện nay, khi xây dựng các hệ thống điều khiển tự động,

nền tảng truyền thông trong hệ thống đều dựa vào các thiết bị đắt tiền của nước ngoài.
Luận văn hướng đến việc xây dựng một hệ thống cân đóng bao tự động dựa trên các linh
kiện thơng dụng, giao tiếp dựa trên các chuẩn truyền thông công nghiệp. Do các yêu cầu
về tính khả thi cũng như tính kinh tế, cần lựa chọn một vi điều khiển cùng thuật toán điều
khiển hợp lý để khi kết hợp với chuẩn truyền thông sẽ mang lại hiệu quả cao nhất cho hệ
thống. Hệ thống sẽ được đưa vào phục vụ sản xuất trong dây chuyền đóng bao của Nhà
máy Phân Lân Ninh Bình.
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến Th.S. Đặng Anh Việt, người đã tận tình
hướng dẫn và giúp đỡ em rất nhiều trong suốt quá trình làm luận văn. Em cũng xin gửi lời
cảm ơn tới TS. Trần Quang Vinh và các cán bộ phòng Robotic cùng tồn thể các thầy cơ
giáo trong Khoa Điện tử - Viễn thông đã tạo điều kiện tốt nhất để em hoàn thành đề tài
này.

Hà Nội, 5/2008

Đỗ Anh Tú

1


Chương 1: Tổng quan
1.1 Đặt vấn đề
Trong q trình cơng nghiệp hóa – hiện đại hóa ở nước ta hiện nay, việc tự nghiên
cứu chế tạo các hệ thống sản xuất, đóng gói tự động trong các nhà máy cơng nghiệp là
một vấn đề cấp thiết. Tuy nhiên, có một thực tế là hầu hết các dây chuyền công nghiệp
như vậy đều được nhập từ nước ngồi với chi phí rất cao. Các hệ thống này tuy hoạt động
chính xác và quản lý dễ dàng nhưng trong quá trình vận hành có thể gặp trục trặc do điều
kiện thời tiết khí hậu nóng ẩm ở nước ta. Khi những sự cố như vậy xảy ra, rất khó để
chúng ta tự khắc phục vì mỗi nhà cung cấp thường chọn cho mình những tiêu chuẩn cũng
như cơng cụ phát triển riêng. Do đó, khơng cịn cách nào khác là phải mời các chuyên gia

nước ngoài về giải quyết sự cố với chi phí khơng hề rẻ. Điều đó chắc chắn có ảnh hưởng
rất lớn đến khía cạnh kinh tế của nhà sản xuất cũng như của cả nền kinh tế nước ta. Bên
cạnh đó, việc giải quyết các bài tốn tự động hóa mà cụ thể ở đây là bài tốn cân đóng bao
là khơng q phức tạp và hồn tồn khả thi, phù hợp với những kiến thức thu được trên
giảng đường đại học về điều khiển học, kỹ thuật điện tử, thiết kế mạch hay mạng truyền
dữ liệu…
Chính vì những lý do đó, tơi muốn hướng đến việc nghiên cứu một hệ thống cân tự
động sử dụng trong quá trình đóng gói sản phẩm và giải quyết một số bài toán thực tiễn
của hệ thống. Hệ thống này cần được phát triển dựa trên các chuẩn quốc tế để có thể kết
nối với các thiết bị khác trong dây chuyền sản xuất. Việc xây dựng thành công một hệ
thống như vậy chắc chắn sẽ mang lại hiệu quả kinh tế lớn cũng như phần nào đóng góp
vào sự nghiệp cơng nghiệp hóa – hiện đại hóa đất nước.

1.2 Bài tốn cân đóng bao trong thực tế
Cân đóng bao là một bài toán được ứng dụng rất phổ biến ở các nhà máy chế biến
thực phẩm, sản xuất xi măng, lọc hóa dầu.v.v…Nguyên liệu sau khi đi qua một số q
trình trở thành thành phẩm sẽ được đóng gói để vận chuyển và đưa ra thị trường tiêu thụ.
Vấn đề đặt ra là làm sao để đóng gói nhanh và đồng đều một lượng chính xác nguyên liệu
định trước (gọi là lượng đặt).

2


Bên cạnh bài tốn cân đóng bao, một bài tốn khác cũng thường gặp khơng kém là
bài tốn cân phối liệu. Trong bài toán này, người ta phải đổ vào máy trộn một số loại
nguyên liệu nào đó với một tỷ lệ nhất định. Thực chất, việc giải bài toán cân phối liệu
hoàn toàn dựa trên lời giải của bài tốn cân đóng bao, nhưng được áp dụng cho nhiều
ngun liệu một lúc.
Sau khi xem xét những bài toán trên có thể nhận thấy việc xây dựng một hệ thống
cân tự động như vậy cần được dựa trên những thành phần cơ bản sau:

 Thiết bị cân chính xác, có độ tin cậy cao.
 Vi xử lý phù hợp điều khiển toàn bộ hệ thống.
 Hệ thống board mạch chủ, mạch nguồn, mạch điều khiển.
 Hệ thống mạng truyền thông (hay cịn gọi là bus) đảm bảo kết nối tín hiệu giữa các
thành phần với nhau.
 Một giao diện thân thiện, linh hoạt dễ sử dụng cho người vận hành, chủ yếu là các
cơng nhân trình độ thấp.

1.3 Nội dung của luận văn
Luận văn chia làm 2 phần:
 phần một gồm các chương 2, 3 nghiên cứu các cơ sở lý thuyết và tính năng các linh
kiện chính phục vụ xây dựng các module trong hệ thống. Trong đó, chương 2 trình
bày chi tiết q trình cân đóng bao cũng như lý thuyết về các mạng truyền thông sử
dụng trong cơng nghiệp, chương 3 tập trung nghiên cứu các tính năng của phần cứng
(các vi điều khiển và thiết bị cân sử dụng trong hệ thống).
 phần hai gồm các chương tiếp theo trình bày triển khai cụ thể hệ thống, chương 4 mô
tả một hệ thống thực được hướng đến, chương 5 là những kết quả đã đạt được và triển
khai ứng dụng trong thực tế.

3


Chương 2: Nghiên cứu cơ sở lý thuyết
2.1 Các khái niệm
2.1.1 Các trạng thái của q trình đóng bao

Hình 1:

Q trình cân đóng bao

 Trạng thái sẵn sàng : hệ thống sẵn sàng làm việc, đợi tín hiệu báo có bao.
 Trạng thái trễ vào bao : hệ thống chờ một khoảng thời gian T TA từ khi có tín hiệu vào
bao cho đến khi bắt đầu ra lệnh mở các van xả.
 Trạng thái xả thô (coarse speed) : cả van xả thô và van xả tinh được mở, dòng liệu
chảy với tốc độ lớn.
 Trạng thái xả tinh (fine speed) : van xả thơ đóng, chỉ cịn van xả tinh hoặc cửa xả đóng
nhỏ lại với hệ thống chỉ có 1 cửa xả, dịng liệu chảy với tốc độ nhỏ.
 Trạng thái trễ ra bao : hệ thống chờ một khoảng thời gian TE từ khi đóng hết các van
(bao đầy) cho đến khi bắt đầu ra lệnh đẩy bao ra.
 Trạng thái ra bao : hệ thống ra lệnh đẩy bao ra, trong khoảng thời gian T EM, sau đó tự
động trở về trạng thái sẵn sàng, chuẩn bị xuất bao tiếp theo.

4


2.1.2 Các biến quá trình
 Lượng đặt (target weight): khối lượng nguyên liệu cần đổ vào bao để đóng gói và
được người điều khiển nhập vào trước khi bắt đầu quá trình.
 Lượng thực (real weight): khối lượng nguyên liệu thực tế trong bao sau khi kết thúc
quá trình.
 Điểm cắt thô (coarse weight): bộ điều khiển sẽ ra lệnh đóng van xả thơ khi khối lượng
ngun liệu trong bao đạt tới giá trị này.
 Điểm cắt tinh (fine weight): bộ điều khiển sẽ ra lệnh đóng van xả tinh khi khối lượng
nguyên liệu trong bao đạt tới giá trị này.
 Preact: khoảng thời gian chờ để ổn định hệ thống khi kết thúc quá trình.
 Lượng dư (preact weight): khối lượng nguyên liệu trong các đường ống sẽ tiếp tục đổ
xuống bao sau khi đã đóng các van.
 Sai số = lượng thực – lượng đặt. Sai số này cần nhỏ hơn dung sai cho phép (tolerance).
 Trạng thái bao bì: có hay khơng có bao bì.
 Trạng thái các cửa xả: các cửa xả đóng hay mở.

 Trạng thái van kẹp bao: van kẹp bao đóng hay mở.

2.2 Q trình cân đóng bao:
Giải quyết bài tốn cân đóng bao là tìm cách điều hịa một cách hợp lý nhất 2 yêu
cầu đặt ra: độ chính xác và thời gian, sao cho sai số giữa lượng thực và lượng đặt càng
nhỏ càng tốt và thời gian hoàn thành càng ngắn càng tốt.. Để giải quyết bài toán này,
người ta lắp đặt cho hệ thống 2 van xả nguyên liệu: van thô và van tinh. Điểm khác nhau
giữa 2 kiểu van này là đường kính miệng van (van thơ lớn hơn van tinh, đồng nghĩa với
lưu lượng nguyên liệu được xả bởi van thô sẽ lớn hơn so với van tinh). Nhiệm vụ của 2
van này do vậy cũng khác nhau. Van thơ được sử dụng với mục đích đổ đầy phần lớn
lượng nguyên liệu cần đóng gói nhưng do tốc độ chảy nhanh nên không thể điều chỉnh
một cách chính xác lượng ngun liệu mong muốn. Vì thế, người ta cần một van tinh với
tốc độ chảy chậm để dễ dàng bù thêm phần nguyên liệu còn thiếu. Các van này được đóng
mở bằng xi lanh khí nén.

5


DISCHARGE

COARSE

FINE

VĐK

Giao diện

CÂN

Hình 2:

Hệ thống cân đóng bao

Q trình cân đóng bao có thể tóm tắt như sau. Đầu tiên, khi nhận được tín hiệu bắt
đầu, hệ thống kiểm tra sự có mặt của của bao bì bằng một sensor quang hoặc một cơng tắc
hành trình. Nếu có bao bì, sensor sẽ gửi tín hiệu về vi điều khiển để quá trình có thể được
bắt đầu; nếu khơng, hệ thống tiếp tục chờ đến khi có bao bì được đặt vào đúng vị trí. Lúc
này, lệnh mở các cửa xả nguyên liệu được phát đi, đồng thời cân điện tử bắt đầu làm việc,
liên tục gửi số liệu đo được về vi điều khiển. Vi điều khiển so sánh số liệu này với điểm
cắt thô định trước và sẽ phát lệnh đóng van thơ khi khối lượng bao đạt đến mốc này. Khi
đó, van tinh vẫn mở, nhưng dịng liệu chảy vào bao với tốc độ thấp hơn. Vi điều khiển
tiếp tục so sánh số liệu thu về từ cân điện tử đến khi khối lượng bao đạt đến điểm cắt tinh
để phát lệnh đóng van tinh. Cần lưu ý là điểm cắt tinh luôn nhỏ hơn lượng đặt một chút
bởi sau khi đóng van tinh, vẫn cịn một lượng nhỏ nguyên liệu tiếp tục đổ xuống bao
(cũng vì lý do này mà ta cần một thời gian trễ để ổn định hệ thống và để số liệu từ cân
điện tử đưa về vi xử lý được chính xác). Chính lượng nguyên liệu này là nguyên nhân chủ
yếu dẫn đến sai số mà ta cần giải quyết. Để giảm sai số trong những lần đóng gói tiếp
theo, ta điều chỉnh lại điểm cắt tinh bằng cách gán:
Điểm cắt tinh = Điểm cắt tinh cũ – Sai số x 50%.

6


Kết thúc quá trình, vi điều khiển phát lệnh kẹp bao và sau đó đẩy bao ra ngồi.
Chu trình đóng bao vừa rồi được lặp đi lặp lại. Như vậy, rõ ràng sai số sẽ giảm và
lượng thực sẽ ngày càng tiến gần về lượng đặt qua từng lần đóng bao tiếp theo.
2.2.1 Xung đầu ra

Fine

Tolerance

Coarse

Target weight

Preact weight

Coarse
Fine
TOL detect
M1.4

Hình 3:

Sơ đồ q trình cân đóng bao và xung điều khiển tương ứng.

2.2.2 Lưu đồ thuật toán

7


Bắt đầu.
Sai
Kiểm tra bao bì.
Đúng
Mở các cửa xả (thơ, tinh).
Sai
Cân ≥ điểm cắt thơ.

Đúng
Đóng van thơ.
Sai
Cân ≥ điểm cắt tinh.
Đúng
Đóng các van.
Đợi delay – Thời gian ổn
định.
Cân. Tính sai số
E = lượng thực – lượng đặt.
Mở van kẹp bao, ra lệnh đẩy
bao.
Xác định lại điểm cắt tinh.
Cắt tinh = cắt tinh – E x 50%
8


Hình 4:

Lưu đồ thuật tốn q trình cân đóng bao

2.2.3 Quá trình cân phối liệu
Như đã đề cập ở phần trên, việc giải quyết bài tốn cân phối liệu khơng khác so với
bài tốn cân đóng bao. Giả sử chúng ta cần trộn 3 loại nguyên liệu A, B và C. Khi đó, 3
loại nguyên liệu sẽ được dẫn qua 3 hệ thống van thô và van tinh riêng biệt. Lần lượt các
nguyên liệu này được đổ vào máy trộn theo lượng đặt sao cho phù hợp với tỷ lệ đã biết.
Một điểm cần lưu ý là do chỉ sử dụng một chiếc cân duy nhất để đo khối lượng nên lượng
đặt cho nguyên liệu B được tính bằng tổng lượng thực của nguyên liệu A đã có trong bao
với khối lượng nguyên liệu B cần đổ. Tương tự, lượng đặt cho nguyên liệu C được tính
bằng tổng lượng thực của nguyên liệu A và B đã có trong bao với khối lượng nguyên liệu

C cần đổ. Việc tính sai số cũng được tính tốn như q trình cân đóng bao. Nếu quá trinh
lặp lại nhiều lần, dễ thấy rằng sai số sẽ nhỏ dần theo từng lần đổ nguyên liệu.

3 rơ-le
VĐK

CÂN

Hình 5:

Hệ thống cân phối liệu

9


2.3 Mạng truyền thông công nghiệp
Ghép nối thiết bị, trao đổi thông tin là một trong những vấn đề cơ bản trong bất cứ
một giải pháp tự động hóa nào. Hệ thống cân đóng bao được xây dựng với một số khối
chức năng riêng biệt, được ghép nối với nhau qua một chuẩn truyền thơng cơng nghiệp.
Ngồi ra, hệ thống cịn phải ghép nối được với máy tính trung tâm phục vụ yêu cầu quản
lý sản phẩm. Phần này nghiên cứu một số chuẩn truyền thông được sử dụng rộng rãi trong
công nghiệp là Modbus và CAN. Hai chuẩn truyền thông này được rất nhiều hãng sản
xuất thiết bị hỗ trợ. Bên cạnh đó, linh kiện phục vụ xây dựng hệ thống cũng thông dụng,
giá thành không cao.
2.3.1 MODBUS
Modbus là một giao thức do hãng Modicon (thuộc AEG và Schneider Automation)
nghiên cứu phát triển. Theo mơ hình ISO/OSI thì Modbus thực chất là một chuẩn giao
thức và dịch vụ thuộc lớp ứng dụng, vì vậy có thể được thực hiện trên các cơ chế vận
chuyển cấp thấp như TCP/IP, MAP (Manufacturing Message Protocol), Modbus Plus và
ngay cả qua đường truyền nối tiếp RS-232.

Hình 6:

Mơ hình OSI của mạng truyền thơng MODBUS

Modbus định nghĩa một tập hợp rộng các dịch vụ phục vụ trao đổi dữ liệu quá trình,
dữ liệu điều khiển và dữ liệu chuẩn đoán. Tất cả các bộ điều khiển của Modbus đều sử
dụng Modbus là ngôn ngữ chung. Modbus mơ tả q trình giao tiếp giữa một bộ điều

10


khiển với các thiết bị khác thông qua cơ chế u cầu/đáp ứng. Vì lý do đơn giản nên
Modbus có ảnh hưởng tương đối mạnh đối với các hệ PLC của các nhà sản xuất khác. Cụ
thể, trong mỗi PLC người ta đều có thể tìm thấy một tập hợp con các dịch vụ đã đưa ra
trong Modbus. Đặc biệt trong các hệ thống thu thập dữ liệu và điều khiển giám sát
(SCADA), Modbus thường được sử dụng trên các đường truyền RS-232 ghép nối giữa
các thiết bị dữ liệu đầu cuối (PLC, PC, RTU) với thiết bị truyền dữ liệu (Modem).
2.3.1.1 Cơ chế giao tiếp
Cơ chế giao tiếp ở Modbus phụ thuộc vào hệ thống truyền thông cấp thấp. Cụ thể,
có thể phân chia ra hai loại là mạng Modbus chuẩn và Modbus trên các mạng khác (ví dụ
TCP/IP, Modbus Plus, MAP).
 Mạng Modbus chuẩn :
Các cổng Modbus chuẩn trên các bộ điều khiển của Modicon cũng như một số nhà
sản xuất khác sử dụng giao tiếp nối tiếp RS-232C. Các bộ điều khiển này có thể được nối
mạng trực tiếp qua modem. Các trạm Modbus giao tiếp với nhau qua cơ chế chủ/tớ
(Master/Slave), trong đó chỉ một thiết bị chủ có thể chủ động gửi u cầu, cịn các thiết bị
tớ sẽ đáp ứng bằng dữ liệu trả lại hoặc thực hiện một hành động nhất định theo như yêu
cầu. Các thiết bị chủ thông thường là các máy tính điều khiển trung tâm và các thiết bị lập
trình, trong khi các thiết bị tớ có thể là PLC hoặc các bộ điều khiển số chuyên dụng khác.

Một trạm chủ có thể thơng báo u cầu tới riêng một trạm tớ nhất định, hoặc gửi thông
báo đồng loạt tới tất cả các trạm tớ. Chỉ trong trường hợp nhận được yêu cầu riêng, các
trạm tớ mới gửi thông báo đáp ứng trả lại trạm chủ. Trong một thông báo yêu cầu có chứa
địa chỉ trạm nhận, mã hàm dịch vụ bên nhận cần thực hiện, dữ liệu đi kèm và thông tin
kiểm lỗi.
 Modbus trên các mạng khác
Trong một số mạng như Modbus Plus và MAP sử dụng Modbus là giao thức cho lớp
ứng dụng , các thiết bị có thể giao tiếp theo cơ chế riêng của mạng đó. Ví dụ trong giao
tiếp tay đơi (Peer-to-peer), mỗi bộ điều khiển có thể đóng vai trị là chủ hoặc là tớ trong
các lần giao dịch (một chu kỳ yêu cầu-đáp ứng) khác nhau. Một trạm có thể cùng lúc có
quan hệ logic với nhiều đối tác, vì vậy nó có thể đồng thời đóng vai trị là chủ và tớ trong
các giao dịch khác nhau.

11


Nhìn nhận ở mức giao tiếp thơng báo, giao thức Modbus vẫn tuân theo nguyên tắc
chủ/tớ mặc dù phương pháp giao tiếp mạng cấp thấp có thể là tay đơi. Khi một bộ điều
khiển gửi một yêu cầu thông báo thì nó đóng vai trị là chủ và chờ đợi đáp ứng từ một
thiết bị tớ. Ngược lại, một bộ điều khiển sẽ đóng vai trị là tớ nếu nó nhận được thông báo
yêu cầu từ một trạm khác và phải gửi trả lại đáp ứng.
 Chu trình yêu cầu - đáp ứng
Giao thức Modbus định nghĩa khuôn dạng của thông báo yêu cầu cũng như của
thông báo đáp ứng.
Một thông báo yêu cầu bao gồm các phần sau:
 Địa chỉ trạm nhận yêu cầu (0-247), trong đó 0 là địa chỉ gửi đồng loạt.
 Mã hàm gọi chỉ thị hành động trạm tớ cần thực hiện theo yêu cầu.
 Dữ liệu chứa các thông tin bổ sung mà trạm tớ cần cho việc thực hiện hàm được
gọi.
 Thông tin kiểm tra lỗi giúp trạm tớ kiểm tra độ vẹn tồn của nội dung thơng báo

nhận được.
Thơng báo đáp ứng cũng bao gồm các thành phần giống như thông báo yêu cầu. Địa
chỉ ở đây của chính trạm tớ đã thực hiện yêu cầu và gửi lại đáp ứng. Trong trường hợp
bình thường, mã hàm được giữ nguyên như trong thông báo yêu cầu và dữ liệu chứa kết
quả thực hiện hành động, ví dụ nội dung hoặc trạng thái các thanh ghi. Nếu xảy ra lỗi, mã
hàm quay lại được sửa để chỉ thị đáp ứng là một thông báo lỗi, cịn dữ liệu mơ tả chi tiết
lỗi đã xảy ra. Phần kiểm lỗi giúp trạm chủ xác định độ chính xác của nội dung thơng báo
nhận được.
2.3.1.2 Chế độ truyền
Khi thực hiện Modbus trên các mạng khác như Modbus Plus hay MAP, các thông
báo Modbus được đưa vào các khung theo giao thức vận chuyển/liên kết dữ liệu cụ thể.
Ví dụ, một lệnh được yêu cầu đọc nội dung các thanh ghi có thể được thực hiện giữa hai
bộ điều khiển ghép nỗi qua Modbus Plus.
Đối với các thiết bị ghép nối qua mạng Modbus chuẩn, có thể sử dụng một trong hai
chế độ truyền là ASCII hoặc RTU. Người sử dụng lựa chọn chế độ theo ý muốn, cùng với

12


các tham số truyền thông qua cổng nối tiếp như tốc độ truyền, parity chẵn/lẻ ... Chế độ
truyền cũng như các tham số phải giống nhau đối với tất cả các thành viên của một mạng
Modbus.
 Chế độ ASCII
Khi các thiết bị trong một mạng Modbus chuẩn giao tiếp với chế độ ASCII
(American Standard Code for Information Interchange), mỗi byte trong thông báo được
gửi thành hai ký tự ASCII 7 bit, trong đó mỗi ký tự biểu diễn một chữ số hex. Ưu điểm
của chế độ truyền này là nó cho phép một khoảng thời gian trống tối đa một giây giữa hai
ký tự mà không gây ra lỗi. Cấu trúc của một ký tự khung gửi đi được thể hiện như sau:
Start

0

1

2

3

4

5

6

P

Stop

Mỗi ký tự khung bao gồm:
 1 bit khởi đầu (start bit).
 7 bit biểu diễn một chữ số hex của byte cần gửi dưới dạng ký tự ASCII (0 -9 và A
– F), trong đó bit thấp nhất được gửi đi trước.
 1 bit parity chẵn/lẻ, nếu sử dụng parity.
 1 bit kết thúc (stop bit) nếu sử dụng parity hoặc 2 bit kết thúc nếu không sử dụng
parity.
 Chế độ RTU
Khi các thiết bị trong một mạng Modbus chuẩn được đặt chế độ RTU
(Remote Terminal Unit), mỗi byte trong thông báo được gửi thành một ký tự 8 bit. Ưu
điểm lớn nhất của chế độ truyền này so với chế độ ASCII là hiệu suất cao hơn. Tuy nhiên,
mỗi thông báo phải được truyền thành một dòng liên tục. Cấu trúc một ký tự khung gửi đi

được thể hiện như sau:
Start

0

1

2

3

4

5

6

7

P

Stop

Mỗi ký tự khung bao gồm:
 1 bit khởi đầu (start bit).
 8 bit của byte thơng báo cần gửi, trong đó bit thấp nhất được gửi đi trước.
 1 bit parity chẵn/lẻ nếu sử dụng parity.

13

 1 bit kết thúc (stop bit) nếu sử dụng parity hoặc 2 bit kết thúc nếu không sử
dụng parity).
2.3.1.3 Cấu trúc bức điện
Trong mạng Modbus chuẩn, khi một trong hai chế độ truyền được chon, một thông
báo sẽ được đóng khung. Mỗi khung bao gồm nhiều ký tự khung như trên. Các ký tự này
sẽ được truyền đi liên tục trong chế độ RTU và gián đoạn trong chế độ ASCII.
 Khung ASCII
Trong chế độ ASCII, một thông báo bắt đầu với dấu hai chấm (:), tức ký tự ASCII
3A, và kết thúc bằng hai dấu quay lại – xuống dòng (CRLF), tức hai ký tự ASCII 0D và
0A. Mỗi byte trong thông báo được truyền đi bằng hai ký tự ASCII, vì vậy các ký tự được
phép xuất hiện trong các phần còn lại của khung là 0-9 và A-F.
Khởi đầu

Địa chỉ

Mã hàm

Dữ liệu

Mã CRC

Kết thúc

1 ký tự :

2 ký tự

2 ký tự

N ký tự

2 ký tự

2 ký tự CR+LF

Mỗi thiết bị tham gia mạng có trách nhiệm liên tục theo dõi đường truyền và phát
hiện sự xuất hiện của dấu hai chấm. Khi dấu hai chấm nhận được thì hai ký tự tiếp theo sẽ
mang địa chỉ của thiết bị được yêu cầu nhận thông báo hoặc thiết bị đã gửi thông báo đáp
ứng. Khoảng cách thời gian tối đa cho phép giữa hai ký tự trong một thông báo là một
giây. Nếu vượt quá trị này, bên nhận sẽ coi là lỗi.
Khung ASCII sử dụng phương pháp LRC (Longitudinal Redudancy Check) để kiểm
lỗi.
 Khung RTU
Trong chế độ RTU, một thông báo bắt đầu với một khoảng trống yên lặng tối thiểu
là 3,5 thời gian ký tự. Ô đầu tiên được truyền sẽ là 8 bit địa chỉ, sau đó đến 8 bit mã hàm,
một số byte tùy ý dữ liệu và cuối cùng là thông tin kiểm tra lỗi CRC. Sau khi truyền ký tự
cuối cùng, khung thông báo cũng phải được kết thúc bằng một khoảng yên lặng tối thiểu
là 3,5 thời gian ký tự trước khi bắt đầu một thông báo mới.
Khởi đầu

Địa chỉ

Mã hàm

Dữ liệu

Mã CRC

Kết thúc

(----)

8 bit

8 bit

N x 8 bit

16 bit

(----)

14


Khác với chế độ ASCII, tồn bộ khung thơng báo RTU phải được truyền thành một
dòng liên tục. Nếu một khoảng trông yên lặng lớn hơn 1,5 thời gian ký tự xuất hiện trước
khi truyền xong toàn bộ khung, thiết bị nhận sẽ hủy bỏ thông báo chua đầy đủ đó và cho
rằng byte tiếp theo sẽ là địa chỉ của một thơng báo mới.
2.3.1.4 Bảo tồn dữ liệu
Mạng Modbus chuẩn sử dụng hai biện pháp bảo toàn dữ liệu ở hai mức: kiểm sốt
khung thơng báo và kiểm sốt ký tự khung. Đối với hai chế độ truyền ASCII hay RTU.
Hơn thế nữa, cả khung thông báo lại được kiểm soát một lần nữa bằng mã LRC (với
ASCII) và mã CRC (với RTU).
 Kiểm soát LRC
Trong chế độ ASCII, phần thông tin kiểm lỗi của khung thông báo dựa trên phương
pháp LRC (Longitudinal Redundancy Check). Dãy bit nguồn được áp dụng để tính mã
LRC bao gồm phần địa chỉ, mã hàm và phần dữ liệu. Các ô khởi đầu cũng như kết thúc
khung khơng tham gia vào tính tốn. Mã LRC ở đây dài 8 bit được tính bằng các cộng đại

số toàn bộ các byte của dãy bit nguồn (khơng để ý đến tràn), sau đó lấy phần bù hai của
kết quả.
 Kiểm soát CRC
Mã CRC được áp dụng trong chế độ RTU dài 16 bit. Đa thức phát được sử dụng G =
1010 0000 0000 0001. Khi đưa vào khung thông báo, byte thấp của mã CRC được gửi đi
trước, tiếp theo là byte cao.

2.3.2 CAN
CAN (Controller Area Network) là một chuẩn truyền thông công nghiệp được sử
dụng rất rộng rãi. Xuất phát là một phát triển chung của hai hãng Bosch và Intel, CAN
được dùng để phục vụ việc nối mạng trong các phương tiện giao thông cơ giới để thay thế
cách nối điểm - điểm cổ điển, sau được chuẩn hoá quốc tế trong ISO-11898. Trong một số
chủng loại ôtô cỡ lớn, chiều dài dây dẫn tổng hợp trong cách nối điểm-điểm có thể lên tới
vài kilơmét, tính riêng khối lượng dây dẫn lên tới hàng trăm kilôgam. Chỉ cần quan tâm
đến các yếu tố này cũng có thể thấy hiệu quả của việc sử dụng một hệ thống bus trường

15


như CAN. Nhờ tốc độ truyền dẫn tương đối cao ở khoảng cách ngắn cũng như ưu thế ở
một số đặc tính khác mà cơng nghệ này cũng đã thâm nhập được vào nhiều lĩnh vực tự
động hố q trình cơng nghiệp
2.3.2.1 Kiến trúc giao thức
Đối chiếu với mơ hình ISO/OSI, CAN định nghĩa lớp liên kết dữ liệu gồm 2 lớp con
(LLC và MAC) cũng như phần chính của lớp vật lý .
Lớp vật lý đề cập tới việc truyền tín hiệu, vì thế định nghĩa cụ thể phương thức định
thời, tạo nhịp bít (bit timing), phương pháp mã hố bít và đồng bộ hố. Tuy nhiên, chuẩn
CAN khơng quy định các đặc tính của các bộ thu phát, với mục đích cho phép lựa chọn
một trường truyền cũng như mức tín hiệu thích hợp cho từng, lĩnh vực ứng dụng.
Lớp điều khiển truy cập môi trường (MAC) là phần cốt lõi trong kiến trúc giao thức

CAN. Lớp MAC có trách nhiệm tạo khung thơng báo, điều khiển truy cập mơi trường,
xác nhận thơng báo và kiểm sốt lỗi.
Lớp điều khiển liên kết lôgic (LLC) đề cập tới các dịch vụ gửi dữ liệu và yêu cầu
giữ liệu từ xa, thanh lọc thơng báo, báo cáo tình trạng q tải và phục hồi trạng thái.
CAL, DeviceNet, SDS
Lớp 3 –6
(Không thể hiện)
LLC - Điều khiển
liên kết kogic
MAC - Điều khiên truy
nhập mơi trường
Mã hố bít,
Tạo nhịp/đồng bộ nhịp
(Bộ thu phát)
Hình 7:

Phạm vi định nghĩa của CAN trong mơ hình OSI

16