Hệ thống điều khiển và giám sát năng lượng trạm bơm

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
KHOA TỰ ĐỘNG HÓA

ĐỒ ÁN THIẾT KẾ
ĐỀ TÀI: HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT NĂNG
LƯỢNG TRẠM BƠM

Giảng viên hướng dẫn:

ThS. Đinh Thị Lan Anh

Sinh viên thực hiện:

Nguyễn Minh Tuấn

Mã số sinh viên:

20192146

Lớp:

Tự động hóa 03 - K64

Hà Nội, tháng 9 năm 2023

1


MỤC LỤC
MỤC LỤC...................................................................................................................2

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU.............................................4
1.1. Lý do chọn đề tài...............................................................................................4
1.2. Phạm vi nghiên cứu của đề tài.........................................................................5
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT...........................................................................6
2.1. Cấu trúc truyền thông......................................................................................6
2.2. Các tiêu chuẩn truyền dẫn trong công nghiệp................................................7
2.2.1. Giới thiệu về truyền dẫn qua chuẩn RS-232.............................................7
2.2.2. Chuẩn truyền dẫn RS-485.........................................................................8
2.3. Giao thức truyền thông..................................................................................14
2.3.1. Giao thức truyền thông ngang hàng........................................................15
2.3.2. Giao thức mạng Ethernet.........................................................................15
2.3.3 Giao thức mạng Modbus...........................................................................16
CHƯƠNG 3. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG........................................................22
3.1. Các thành phần và cấu trúc của hệ thống giám sát và quản lý năng lượng
các trạm bơm.........................................................................................................22
3.2. Bài tốn cơng nghệ..........................................................................................23
3.3. Ngun tắc điều khiển của hệ thống..............................................................23
CHƯƠNG 4: TỔNG QUAN VỀ CÁC THIẾT BỊ..................................................25
4.1. PLC Siemens S7 1200 CPU 1214 DC/DC/DC...............................................25
4.1.1. Tổng quan PLC S7-1200..........................................................................25
4.1.2. Cấu tạo PLC S7-1200...............................................................................25
4.1.3. Tính năng của PLC S7-1200....................................................................26
4.2. Biến tần Siemens SINAMICS V20 6SL3210-5BE27-5UV0.........................27
4.2.1. Khái niệm biến tần..................................................................................27
4.2.2. Đặc điểm nổi bật của biến tần Siemens SINAMICS V20 6SL32105BE27-5UV0.......................................................................................................29
4.3. Đồng hồ điện đa năng Selec EM-368C..........................................................29
4.3.1. Giới thiệu về EM-368C.............................................................................29
4.3.2. Đặc tính của EM-368C.............................................................................30
4.3.3. Khả năng kết nối.......................................................................................30
4.3.4. Bảng địa chỉ các tham số chính cho mạng Modbus...............................31

4.3.5. Các kiểu đấu dây......................................................................................31

2


4.4. Switch mạng....................................................................................................33
4.5. Modun mở rộng 6ES7232-4HA30-0XB0.......................................................34
CHƯƠNG 5: SƠ ĐỒ ĐẤU DÂY..........................................................................36
5.1. Mạch nguồn.....................................................................................................36
5.2. Mạch đấu dây PLC.........................................................................................36
5.3. Kết nối biến tần...............................................................................................36
5.4. Kết nối biến tần với bơm................................................................................37
5.5. Danh sách thiết bị phần cứng.........................................................................37
CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN........................................................................................39
6.1. Kết luận...........................................................................................................39
6.2. Hạn chế của đề tài...........................................................................................39
TÀI LIỆU THAM KHẢO.....................................................................................40

3


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU
1.1. Lý do chọn đề tài
Năng lượng vừa là ngành sản xuất vừa là ngành kết cấu cho toàn bộ nền kinh tế xã hội, là động lực của cơng nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước. Chính vì vậy ngành
năng lượng có ý nghĩa quan trọng trong tiến trình phát triển bền vững của kinh tế quốc
dân và đời sống dân sinh. Tuy nhiên đang hiện hữu một thực tế nguồn năng lượng
truyền thống đang cạn kiệt dần tỷ lệ thuận với tốc độ phát triển kinh tế.
Với công nghệ lạc hậu, thiết bị cũ kỹ, ý thức tiết kiệm trong sử dụng năng lượng
của từng đơn vị và cá nhân trong xã hội chưa thành tiềm thức, tự giác là các nguyên
nhân dẫn đến hiệu quả sử dụng năng lượng của nước ta cịn rất thấp.

Đối với nguồn năng lượng hóa thạch của nước ta đang suy giảm dần do trữ lượng có
hạn mà nhu cầu sử dụng ngày càng lớn, kèm theo đó là việc tiêu thụ năng lượng này
đang gây ra ơi nhiễm mơi trường nghiêm trọng. Vì vậy việc kiểm soát và sử dụng hiệu
quả là vấn đề cấp thiết.
Đối với nguồn năng lượng điện hiện nay công tác kiểm tra mức tiêu thụ điện
năng của khách hàng vẫn sử dụng phương pháp thủ công. Phương pháp này bộc lộ khá
nhiều nhược điểm như: mất nhiều thời gian, trong một thời điểm khơng thể kiểm sốt
được mức tiêu thụ điện năng,….
Vì vậy, để đáp ứng nhu cầu mang tính thực tiễn cao này nên em đã chọn đề tài
“ Hệ thống giám sát và quản lý năng lượng các trạm bơm”.
Các trạm bơm thủy lợi đóng vai trị rất quan trọng trong việc điều tiết lưu lượng
nước phục vụ cho sản xuất nông nghiệp. Nhiệm vụ của các trạm bơm là bơm thoát
nước từ các kênh tiêu hở, từ các hố móng của vùng ngập nước để chống ngập úng.
Vấn đề này đặc biệt cấp thiết trong mùa mưa, lũ do mực nước sông lên cao hơn mặt
ruộng trong đồng, nước thừa trong đồng không tiêu tự chảy ra sông. Các trạm bơm
cũng thực hiện việc bơm nước từ các sơng, ngịi, hồ vào các kênh tưới tiêu để kịp thời
cấp nước cho các khu vực canh tác. Theo đánh giá hiện trạng hệ thống cơng trình thủy
lợi nói chung trong đó hiện có nhiều trạm bơm tiêu khơng cịn đáp ứng được cho việc

4


tiêu úng do đã bị hỏng hóc, thiết bị đã cũ, lạc hậu, khơng cịn vận hành hoặc vận hành
khơng hiệu quả, cần nhiều nhân lực vận hành và tiêu tốn điện năng rất lớn. Điều này
đã gây ra thiệt hại đáng kể cho ngành nông nghiệp của Việt Nam. Xác định đây là một
trong những vấn đề quan trọng và cấp bách, thời gian gần đây sở NN&PTNN các tỉnh,
thành phố đã đầu tư rất nhiều cho việc sửa chữa, nâng cấp và xây mới các cơng trình
tiêu úng. Trạm bơm ln là trái tim của các cơng trình thủy lợi ở đó phải đảm các yêu
cầu vận hành một cách hiệu quả, tiết kiệm điện năng, giảm thiểu ô nhiễm môi trường
và hạn chế sự tác động của con người. Để đạt được các mục tiêu này thì việc ứng dụng

hệ thống điều khiển tự động và giám sát năng lượng tiêu thụ cho các trạm là sự lựa
chọn tất yếu.
1.2. Phạm vi nghiên cứu của đề tài
Đối với các hệ trạm bơm thược tế thường sử dụng máy cơm công suất lớn, biến
tần công suất lớn để bơm cấp nước. Để thực hiện được tốt đề tài, em đã:
Hệ thống bao gồm: thiết bị đo điện năng, mạng truyền thông, phần mềm quản
lý và thu thập dữ liệu, trung tâm lưu trữ dữ liệu.
-

Nghiên cứu hệ thống bơm cấp nước trong thực tế.

-

Nghiên cứu các chuẩn truyền dẫn phổ biến RS-232/RS-485

-

Nghiên cứu các chuẩn truyền thông phổ biến, có sẵn trên các thiết bị đo lường, đồng
hồ năng lượng hiện nay sử dụng kiểu truyền thông Modbus RTU, Modbus TCP trên
thiết bị PLC S7-120 do Semen sản xuất.

-

Tìm hiểu về PLC S7-1200.

-

Tìm hiểu cách sử dụng biến tần.

5

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Cấu trúc truyền thông
Cấu trúc truyền thông là những quy định trong việc truyền thông tin giữa các
thiết bị trong một hệ thống công nghiệp có mối liên hệ với nhau. Các thiết bị cơ cấu
chấp hành như motor, cảm biến…nằm ở cấp thứ nhất (được gọi là cấp trường), chịu
sự điều khiển của các thiết bị cấp trên - cấp điều khiển. Các thiết bị cấp điều khiển
như: PLC, PC… chịu sự điều khiển và giám sát ở cấp cao hơn…Một hệ thống trong
cơng nghiệp thơng thường có 5 cấp.
Việc liên lạc và truyền tín hiệu giữa các thiết bị được thực hiện nhờ các đường
dây bus tín hiệu (bao gồm 4 loại bus: bus trường, bus hệ thống, mạng xí nghiệp và
mạng cơng ty). Để tín hiệu trùn được trên các bus thì thường có những tiêu ch̉n
để trùn, được gọi là giao thức truyền thông.
Ứng với mỗi đường dây bus cho việc kết nối giữa 2 cấp thì có một giao thức
truyền thông riêng đối với bus trường thông thường người ta sử dụng các giao thức:
profibus, modbus…
Tuy các giao thức truyền thông giữa các lớp là khác nhau nhưng chúng đều có
chung một đặc điểm là tn theo một mơ hình giao thức nhất định. Đó là mơ hình OSI
( Open System Interconnect).
Mơ hình OSI quy định trình tự để trùn một đoạn tin giữa 2 thiết bị.


Mơ hình gồm N = 7 tầng. OSI là hệ thống mở, phải có khả năng kết nối với các
hệ thống khác nhau, tương thích với các ch̉n OSI.



Q trình xử lý các ứng dụng được thực hiện trong các hệ thống mở, trong khi
vẫn duy trì được các hoạt động kết nối giữa các hệ thống.



Thiết lập kênh logic nhằm mục đích thực hiện việc trao đổi thông tin giữa các
thực thể.

6


Hình 2.1: Mơ hình OSI cho giao thức trùn thơng.
Để liên lạc giữa cấp trường và cấp điều khiển các nhà máy thường sử dụng giao
thức mạng truyền thông Profibus hoặc Modbus.
Modbus là một protocol phổ biến bậc nhất được sử dụng hiện nay cho nhiều
mục đích. Modbus đơn giản, rẻ, phổ biến và dễ sử dụng. Được phát minh từ thế kỉ
trước (gần 30 năm trước), các nhà cung cấp thiết bị đo và thiết bị tự động hóa trong
công nghiệp tiếp tục hỗ trợ Modbus trong các sản phẩm thế hệ mới. Mặc dù các bộ
phân tích, lưu lượng kế, hay PLC đời mới có giao diện kết nối không dây, Ethernet
hay fieldbus, Modbus vẫn là protocol mà các nhà cung cấp lựa chọn cho các thiết bị
thế hệ cũ và mới.
Một ưu điểm khác của Modbus là nó có thể chạy hầu như trên tất cả các
phương tiện trùn thơng, trong đó có cởng kết nối dây xoắn, không dây, sợi quang,
Ethernet, modem điện thoại, điện thoại di động và vi sóng. Có nghĩa là, kết nối
Modbus có thể được thiết lập trong nhà máy thế hệ mới hay hiện tại khá dễ dàng.
Modbus/TCP được phát triển, cho phép giao thức Modbus có thể truyền dẫn qua các
hệ thống mạng nền TCP/IP.
2.2. Các tiêu chuẩn truyền dẫn trong công nghiệp.

7

2.2.1. Giới thiệu về truyền dẫn qua chuẩn RS-232
RS-232 lúc đầu được xây dựng phục vụ chủ yếu trong việc ghép nối điểmđiểm giữa hai thiết bị đầu cuối (DTE, Data Terminal Equipment), như giữa hai máy
tính PC, PLC ... giữa máy tính và máy in hoặc giữa một thiết bị đầu cuối và một thiết
bị truyền dữ liệu (DCE, Data Communication Equipment). Việc truyền dữ liệu thực
hiện nhờ 3 dây TxD, RxD và mass. Tín hiệu được so sánh với mass để phát hiện sự sai
lệch. Điều này khiến cho dữ liệu khó có thể khơi phục lại ở trạm phát.
Chế độ làm việc: chế độ làm việc của hệ thống RS-232 là hai chiều toàn phần
(full-duplex), tức là hai thiết bị tham gia cùng có thể thu và phát tín hiệu cùng một lúc.
Như vậy, việc thực hiện truyền thông cần tối thiểu 3 dây dẫn - trong đó hai dây tín
hiệu nối chéo các đầu thu phát của hai trạm và một dây đất. Với cấu hình tối thiểu này,
việc đảm bảo độ an toàn truyền dẫn tín hiệu thuộc về trách nhiệm của phần mềm.
Ta cịn có thể ghép nối trực tiếp giữa hai thiết bị thực hiện chế độ bắt tay
(handshake mode) không thông qua modem. Qua việc sử dụng các dây dẫn DTR và
DSR, độ an toàn giao tiếp sẽ được đảm bảo. Trong trường hợp này các chân RTS và
CTS được nối ngắn mạch.

Hình 2.2: Ghép nối trực tiếp
Nhược điểm của chuẩn RS-232 là tín hiệu khơng thể trùn đi xa do việc mất
mát tín hiệu khơng thể phục hồi và việc kết nối theo chuẩn RS-232 chỉ thực hiện giao
tiếp giữa hai thiết bị nên hạn chế số lượng thiết bị có trong mạng.
Một số đặc điểm của chuẩn truyền RS-232 là khoảng cách truyền tối đa là 15m,
tốc độ truyền là 20Kbps, hỗ trợ kết nối điểm – điểm trong mạng.

8


2.2.2. Chuẩn truyền dẫn RS-485
Đặc tính điện học: sử dụng tín hiệu điện áp chênh lệch đối xứng giữa hai dây
dẫn A và B. Nhờ vậy giảm được nhiễu và cho phép tăng chiều dài dây dẫn (có thể lên
đến 1200m). Điện áp chênh lệch dương tương ứng với trạng thái logic 0 và âm tương

ứng với trạng thái logic 1. Điện áp chênh lệch ở đầu vào dây nhận có thể xuống tới
200mV.
Bảng 1: Các thơng số quan trọng của RS-485
Thông số
Điện áp đầu ra hở mạch
Điện áp đầu ra khi có tải
Dịng ra ngắn mạch
Thời gian q độ đầu ra

Điều kiện
Rload =54Ω

Min
± 1,5V
± 1,5V

Max
± 6V
± 5V
± 250mA
30%Ta

-1V

3V
± 200mV
12V

Rload =54Ω Cload
=54pF

Rload =54Ω
-7V< VCM < 12V

Điện áp chế độ chung đầu ra VOC
Độ nhạy cảm đầu vào
Điện áp chế độ chung VCM
Trở kháng đầu vào

-7V
12kΩ

RS-485 có khả năng ghép nối nhiều điểm. Có thể ghép nối 32 trạm, được định
địa chỉ và giao tiếp đồng thời qua một đoạn RS-485 mà không cần lắp bộ lặp. Để đạt
được điều này trong một thời điểm chỉ một trạm được phép kiểm sốt đường dẫn và
phát tín hiệu. Vì thế một bộ kích thích đều phải đưa về chế độ trở kháng cao mỗi khi
rỗi, tạo điều kiện cho các bộ kích thích ở các trạm khác tham gia. Chế độ này gọi là
chế độ tri-state. Một số vi mạch RS-485 tự động xử lý tình huống này trong nhiều
trường hợp khác việc đó thuộc về trách nhiệm của phần mềm điều khiển trùn thơng.
Trong mạch của bộ kích thích RS-485 có một tín hiệu vào 'enable' được dùng cho mục
đích chuyển bộ kích thích về trạng thái phát tín hiệu hoặc tri- state.

RS-485 Drive

RS-485 Receiver

9


Hình 2.3: Sơ đồ bộ kích thích (driver) và bộ thu (receiver) RS-485
Mặc dù phạm vi làm việc tối đa là -6V đến 6V (trong trường hợp hở mạch),

trạng thái logic của tín hiệu chỉ được định nghĩa trong khoảng từ ±1,5V đến ±5V đối
với đầu ra (bên phát) và từ ±0,2V đến ±5V đối đầu vào (bên nhận).
Số trạm tham gia: RS-485 cho phép nối mạng 32 tải đơn vị (unit load, UL),
ứng với 32 bộ thu phát hoặc nhiều hơn, tuỳ theo cách chọn tải cho mỗi thiết bị thành
viên. Thông thường mỗi bộ thu phát được thiết kế tương đương với một tải đơn vị.
Gần đây cũng có những cố gắng giảm tải xuống 1/2UL hoặc 1/4UL, tức là tăng trở
kháng đầu vào lên hai hoặc bốn lần với mục đích tăng số lượng trạm lên 64 hoặc
128. Tuy nhiên tăng số trạm theo cách này sẽ gắn với việc phải giảm tốc độ trùn
thơng vì các trạm trở kháng lớn sẽ hoạt động chậm hơn.

Hình 2.4: Quy định trạng thái logic của tín hiệu RS-485.
Giới hạn 32 tải đơn vị xuất phát từ đặc tính kỹ thuật của hệ thống truyền thông
nhiều điểm. Các tải được mắc song song vì thế việc tăng tải sẽ làm suy giảm tín hiệu
vượt quá mức cho phép. Theo qui định chuẩn một bộ kích thích tín hiệu phải đảm bảo
dịng tởng cộng 60mA vừa đủ để cung cấp cho:
- Hai trở đầu cuối mắc song song tương ứng tải 60Q (120Q tại mỗi
đầu) với điện áp tối thiểu 1,5V tạo dòng tương đương 25mA.
- 32 tải đơn vị mắc song song với dòng 1mA qua mỗi tải (trường hợp
xấu nhất), tạo dòng tương đương 32mA.

10


Tốc độ truyền tải và chiều dài dây dẫn: RS-485 cho phép truyền khoảng cách
tối đa giữa trạm đầu và trạm cuối trong một đoạn mạng là 1200m, không phụ thuộc
vào số trạm tham gia. Tốc độ truyền dẫn tối đa có thể lên đến 10Mbit/s, một số hệ
thống gần đây có khả năng làm việc với tốc độ 12Mbit/s. Tuy nhiên có sự ràng buộc
giữa tốc độ truyền dẫn tối đa và độ dài dây dẫn cho phép, tức là một mạng dài 1200m
không thể làm việc với tốc độ 10MBd. Quan hệ giữa chúng phụ thuộc vào chất lượng
cáp dẫn và phụ thuộc vào việc đánh giá chất lượng tín hiệu.

Hình 2.5: Quan hệ giữa tốc độ trùn và chiều dài dây dẫn
Quan hệ giữa tốc độ truyền và chiều dài dây dẫn tối đa trong RS-485 sử dụng
đôi dây xoắn AWG24.
Tốc độ truyền tối đa phụ thuộc vào chất lượng cáp mạng, cụ thể là đôi dây xoắn
kiểu STP có khả năng chống nhiễu tốt hơn loại UPT và vì thế có thể trùn với tốc độ
cao hơn. Có thể sử dụng các bộ lặp để tăng số trạm trong một mạng, cũng như chiều
dài dây dẫn lên nhiều lần, đồng thời đảm bảo được chất lượng tín hiệu.
Cấu hình mạng: RS-485 là ch̉n duy nhất do EIA đưa ra mà có khả năng
trùn thơng đa điểm thực sự chỉ sử dụng một đường dẫn chung duy nhất, được gọi là
bus. Chính vì vậy mà nó được làm chuẩn cho lớp vật lý ở đa số các hệ thống bus hiện
thời.
Cấu hình phở biến nhất là sử dụng hai dây dẫn cho việc truyền tín hiệu. Trong
trường hợp này hệ thống chỉ có thể làm việc với chế độ hai chiều gián đoạn (halfduplex) và các trạm có thể nhận qùn bình đẳng trong việc truy nhập đường dẫn. Chú
ý đường dẫn được kết thúc bằng hai trở tại hai đầu chứ không được phép ở giữa

11


đường dây. Trên hình trên khơng vẽ dây nối đất song trên thực tế việc nối đất là rất
quan trọng.

Hình 2.6: Cấu hình mạng RS-485
Cáp nối: RS-485 khơng phải là một chuẩn trọn vẹn mà chỉ là một chuẩn về đặc
tính điện học, vì vậy khơng đưa ra các qui định cho cáp nối cũng như các bộ nối. Có
thể dùng dây xoắn đôi, cáp trơn hoặc các loại cáp khác. Tuy nhiên dây xoắn đôi vẫn là
loại cáp được sử dụng phở biến nhất nhờ đặc tính chống tạp nhiễu và xun âm.

Hình 2.7: Dây xoắn đơi
Trở đầu cuối: Do tốc độ truyền thông và chiều dài dây dẫn có thể khác nhau rất

nhiều trong các ứng dụng nên hầu hết các bus RS-485 đều yêu cầu sử dụng trở đầu
cuối tại hai đầu dây. Sử dụng trở đầu cuối có tác dụng chống các hiệu ứng phụ trong
truyền dẫn tín hiệu như sự phản xạ tín hiệu.Trở đầu cuối dùng cho RS-485 có thể từ
100Ω đến 120Ω.

12


Hình 2.8: Cấu hình mạng RS-485 sử dụng 4 dây
Trong trường hợp cáp truyền ngắn và tốc độ truyền thấp, ta có thể khơng cần
dùng trở đầu cuối. Tín hiệu phản xạ sẽ suy giảm và triệt tiêu sau vài lần qua lại. Tốc
độ truyền dẫn thấp có nghĩa là chu kỳ nhịp bus dài. Nếu tín hiệu phản xạ triệt tiêu
hồn tồn trước thời điểm trích mẫu ở nhịp tiếp theo (thường vào giữa chu kỳ) thì tín
hiệu mang thơng tin sẽ khơng bị ảnh hưởng.
Có nhiều phương pháp chặn đầu cuối một đường dẫn RS-485. Phương pháp
được dùng phổ biến nhất là chỉ dùng một điện trở thuần nhất nối giữa hai dây A và B
tại mỗi đầu. Phương pháp này gọi là chặn song song. Điện trở được chọn có giá trị
tương đương với trở kháng đặc trưng (trở kháng sóng) của cáp nối. Như vậy sẽ khơng
có tín hiệu phản xạ và chất lượng tín hiệu mang thông tin sẽ được đảm bảo.
Nhược điểm của phương pháp này là sự tổn hao nguồn tại hai điện trở.

13


Hình 2.9: Các phương pháp chặn đầu cuối RS-485
Bảng 2: Thơng số của các phương pháp
Phương pháp

Khơng

Song

RC

Tin cậy

Tốc độ

chặn
Thấp

song
Cao

Trung

Cao

bình
Chất lượng
Kém
Tốt
Hạn chế
Tốt
Tổn hao nguồn Thấp
Cao
Thấp
Cao
Phương pháp thứ hai được gọi là chặn RC, sử dụng kết hợp một tụ C mắc nối
tiếp với điện trở R. Mạch RC này cho phép khắc phục nhược điểm của cách sử dụng

một điện trở thuần nêu trên. Trong lúc tín hiệu ở giai đoạn quá độ, tụ C có tác dụng
ngắn mạch và trở R có tác dụng chặn đầu cuối. Khi tụ C đảo chiều sẽ cản trở dịng
một chiều và vì thế có tác dụng giảm tải. Tuy nhiên, hiệu ứng sẽ cản trở thông thấp
(lowpass) của mạch RC không cho phép hệ thống làm việc với tốc độ cao.
Một biến thể của phương pháp chặn song song cũng được sử dụng rộng rãi là
chặn tin cậy, bởi nó có tác dụng khác nữa là tạo điên áp tin cậy (fail-safe biasing) đảm
bảo một dòng tối thiểu cho trường hợp bus rỗi hoặc có sự cố.
Nối đất: Mặc dù mức tín hiệu được xác định bằng điện áp chênh lệch giữa hai
dây dẫn A và B không liên quan tới đất, hệ thống RS-485 vẫn cần một đường dây nối
đất để tạo một đường thoát cho nhiễu chế độ chung và các dịng khác, ví dụ dịng đầu
vào bộ thu. Một sai lầm thường gặp là chỉ dùng hai dây để nối hai trạm. Trong trường
hợp này dòng chế độ chung sẽ tìm cách quay ngược trở lại nguồn phát, bức xạ nhiễu
ra mơi trường xung quanh ảnh hưởng tới tính tương thích điện từ của hệ thống. Nối
đất sẽ có tác dụng tạo một đường thoát trở kháng nhỏ tại một vị trí xác định, nhờ vậy
giảm thiểu tác hại gây nhiễu. Hơn thế nữa với cấu hình trở đầu cuối tin cậy, việc nối
đất tạo thiên áp sẽ giữ một mức điện áp tối thiểu giữa hai dây A và B trong trường hợp
kể cả bus rỗi hoăc có sự cố.
2.3. Giao thức truyền thông
Giao thức truyền thông là một yếu tố quan trọng trong cấu hình của mạng PLC
vì nó ảnh hưởng trực tiếp đến dữ liệu được truyền từ điểm này đến điểm khác và bởi
vì các bộ điều khiển phân tán có thể phải lấy dữ liệu của nhau.

14


2.3.1. Giao thức truyền thơng ngang hàng
Lợi ích của giao thức truyền thông ngang hàng
-

Việc truyền thông không phụ thuộc vào một thiết bị đơn lẻ nào - trạm chủ.

-

Việc truyền thông được thực hiện trực tiếp giữa các thiết bị trong mạng mà không cần
phải thông qua một trạm trung gian nào.

-

Các thông điệp hệ thống được truyền trực tiếp đến tất cả các trạm trên mạng.
2.3.2. Giao thức mạng Ethernet
Ethernet hay còn biết đến dưới tên gọi IEEE 802.3 là một giao thức mạng
ch̉n hóa việc trùn thơng tin gói trong mạng cục bộ. Giao thức Ethernet được xếp
vào lớp thứ hai trong mơ hình OSI tức tầng data link. Phương thức truyền gói tin của
Ethernet là Carrier-Sense Multiple Access/ Collision Detect (CSMA/CD).
Đây là phương thức truyền tin thơng dụng, tuy nhiên để đảm bảo tính bảo mật
và an tồn hệ thống thì nên sử dụng các đường truyền Ethernet nội bộ từ mạng LAN
(Local Area Network), WAN (Wide Area Network), có đầy đủ giải pháp bảo mật
thơng tin.
Ethernet có các đặc điểm mang lại nhiều lợi ích cho người sử dụng:
- Khởi động nhanh nhờ phương pháp kết nối đơn giản.
-

Độ linh hoạt cao khi mạng hiện thời có thể được mở rộng mà khơng

có bất kỳ ảnh hưởng bất lợi nào.
- Cơ sở cho nối mạng hệ thống mạng diện rộng (tích hợp theo chiều sâu).
- Cơ sở cho các dịch vụ Internet.
- Độ sẵn sàng cao do cấu trúc mạng có dự phịng.
-

Thực hiện trùn thơng gần như là khơng giới hạn do có thể áp dụng

công nghệ chuyển mạch.
-

Kết nối mạng của nhiều khu vực khác nhau, ví dụ như mạng văn

phịng và mạng khu vực sản xuất.
- Truyền thông diện rộng thông qua kết nối mạng diện rộng (WAN).
- Dễ dàng kết nối các trạm di động vào mạng WLAN.
- An toàn đầu tư nhờ tính đảm bảo tương thích liên tục trong quá trình phát triển.
- Giám sát các thiết bị mạng liên tục với khái niệm tín hiệu đơn giản và hiệu quả.

15


- Trong mạng Ethernet cơng nghiệp có thể thực hiện việc đồng bộ hố thời gian cho
tồn bộ nhà máy. Điều này có nghĩa là các sự kiện được sắp xếp một cách chính xác
theo đúng trình tự xảy ra trong tồn bộ nhà máy.
Cùng với các tính năng mạnh mẽ của Ethernet. Cổng Ethernet 502 được gán
cho giao thức Modbus TCP/IP. Modbus TCP/IP kết hợp mạng vật lý đa dụng, có khả
năng mở rộng với một chuẩn nối mạng phổ biến (TCP/IP) và dữ liệu độc lập với nhà
cung cấp.
2.3.3 Giao thức mạng Modbus
a) Khái niệm tổng quát
Giao thức Modbus là một cấu trúc thư tín được phát triển bởi Modicon năm
1979, được xây dựng để truyền thông giữa master-slave/client-server giữa các thiết bị
thơng minh. Nó hỗ trợ cả 2 chế độ truyền RS232 và RS485.
Sơ đồ bên dưới trình bày sự tham chiếu giao thức modbus nằm ở lớp thứ 7, thứ
2 và thứ 1 của mơ hình OSI. Lớp thứ 7 (lớp ứng dụng) giúp hỗ trợ phương thức truyền

thông server/client giữa các thiết bị kết nối trên bus hoặc trên mạng không dây.
Lớp thứ 2 và thứ 1 quy định hình thức truyền dữ liệu theo kiểu nối tiếp và
chuẩn vật lý EIA/TIA-485.

Hình 2.10: Giao thức Modbus tương ứng với lớp 7 của mơ hình OSI.
Giao thức Modbus được sử dụng rộng rãi nhờ tính đơn giản, linh hoạt và đáng
tin cậy của nó. Nó có thể truyền dữ liệu rời rạc hoặc tương tự. Nhưng giao thức
Modbus bị giới hạn bởi cách thức giao tiếp theo chuẩn RS-485. Tốc độ truyền của

16


chuẩn này trong khoảng 0.01Mbps đến 0.115Mbps. Trong khi ngày nay các mạng hỗ
trợ tốc độ truyền trong khoảng từ 5Mbps đến 16Mbps, thậm trí đối với mạng Ethernet
nó cịn cung cấp tốc độ truyền lên đến 100Mbps, 1Gbps và 10Gbps.
b) Phân loại:
Căn cứ vào cách thức truyền dữ liệu trong mạng thì mạng Modbus được chia
làm 3 loại: Modbus RTU, Modbus ASCII và Modbus TCP/IP.
-

Modbus RTU: dữ liệu được truyền trên bus nối tiếp. Dữ lệu được truyền trên mã
hexadecimal. Modbus RTU thường được sử dụng trong truyền thông đo lường.

-

Modbus ASCII: dữ liệu được truyền trên bus nối tiếp, dịnh dạng dưới dạng mã ASCII.
Ưu điểm là có thể dễ dàng để người dùng hiểu được dữ liệu đang truyền. Thông
thường giao thức modbus ASCII được sử dụng trong việc kiểm tra giới thiệu cho giao
thức modbus.

-

Modbus TCP/IP: dữ liệu có thể truyền trên mạng LAN hoặc mạng ở trong khu vục
rộng. Dữ liệu được định dạng theo mã hexadecimal.
Ưu điểm của Modbus là nó có thể chạy hầu như trên tất cả các phương tiện
truyền thông, trong đó có cởng kết nối dây xoắn, khơng dây, sợi quang, Ethernet,
modem điện thoại, điện thoại di động và vi sóng. Có nghĩa là kết nối Modbus có thể
được thiết lập trong nhà máy thế hệ mới hay hiện tại khá dễ dàng. Thực ra nâng cao
ứng dụng cho Modbus là cung cấp truyền thông số trong nhà máy đời cũ sử dụng kết
nối dây xoắn hiện nay.
c) Nguyên tắc hoạt động của Modbus RTU
Để kết nối với thiết bị tớ, chủ sẽ gửi một thơng điệp có:

-

Địa chỉ thiết bị

-

Mã chức năng

-

Dữ liệu

-

Kiểm tra lỗi
Địa chỉ thiết bị là một con số từ 0 đến 247. Thông điệp được gửi tới địa chỉ 0
(trùn thơng điệp) có thể được tất cả các tớ chấp nhận, nhưng các con số từ 1-247 là

các địa chỉ của các thiết bị cụ thể. Với ngoại lệ của việc truyền thông điệp, một thiết bị

17


tớ luôn phản ứng với một thông điệp Modbus do đó chủ sẽ biết rằng thơng điệp đã
được nhận.
Bảng 3. Các mã chức năng
Yêu cầu
01
02
03
04
05
06
07
08
...
xx

Mã chức năng
Đọc cuộn cảm
Đọc đầu ra rời rạc
Đọc bộ ghi phần
Đọc bô ghi đầu vào
Viết cuộn cảm đơn
Viết bộ ghi đơn
Đọc trạng thái ngoại lệ
Chuẩn đoán
255 mã chức năng, phụ thuộc vào thiết bị

Mã chức năng xác định yêu cầu thiết bị tớ thực hiện hoạt động như đọc dữ liệu,
chấp nhận dữ liệu, thông báo trạng thái,…
Mã chức năng là từ 1 .. 255. Một số mã chức năng cịn có các mã chức năng
phụ.
Dữ liệu xác định địa chỉ trong bộ nhớ thiết bị hay chứa các giá trị dữ liệu được
viết trong bộ nhớ thiết bị, hay chứa các thông tin cần thiết khác mang chức năng như
yêu cầu.
Kiểm tra lỗi là một giá trị bằng số 16 bit biểu diễn kiểm tra dự phịng tuần hồn
(CRC). CRC được thiết bị chủ tạo ra và thiết bị tiếp nhận kiểm tra. Nếu giá trị CRC
khơng thỏa mãn, thiết bị địi hỏi trùn lại thông điệp này.
Khi thiết bị tớ thực hiện các chức năng theo u cầu, nó sẽ gửi thơng điệp cho
chủ. Thông điệp chứa địa chỉ của tớ và mã chức năng, dữ liệu theo yêu cầu, và một giá
trị kiểm tra lỗi.
-

Bản đồ bộ nhớ Modbus
Mỗi thiết bị Modbus có bộ nhớ chứa dữ liệu q trình. Thơng số kỹ thuật của
Modbus chỉ ra cách dữ liệu được gọi ra như thế nào, loại dữ liệu nào có thể được gọi
ra. Tuy nhiên, không đặt ra giới hạn về cách thức và vị trí mà nhà cung cấp đặt dữ liệu
trong bộ nhớ. Dưới đây là ví dụ về cách thức mà nhà cung cấp đặt các loại dữ liệu
biến thiên q trình hợp lí.

18


Các đầu vào và cuộn cảm rời rạc có giá trị 1 bit, mỗi một thiết bị lại có một địa
chỉ cụ thể. Các đầu vào analog (bộ ghi đầu vào) được lưu trong bộ ghi 16 bit. Bằng
cách sử dụng 2 bộ ghi này, Modbus có thể hỗ trợ format điểm floating (nổi) IEEE 32
bit. Bộ ghi Holding cũng sử dụng các bộ ghi bên trong 16 bit hỗ trợ điểm floating.

Bảng 4: Địa chỉ thanh ghi theo chuẩn Modbus
Địa chỉ
1 - 9999
10001 - 19999
30001 - 39999
40001 - 49999

Loại
Đọc hoặc viết
Chỉ đọc
Chỉ đọc
Đọc hoặc viết

Tên
Cuộn cảm
Đầu vào rời rạc
Bộ ghi đầu vào
Bộ ghi Holding

Dữ liệu trong bộ nhớ được xác định trong thông số kỹ thuật Modbus. Giả sử
rằng nhà cung cấp tuân theo tiêu chuẩn kỹ thuật Modbus (khơng phải tất cả), mọi dữ
liệu có thể được truy cập dễ dàng bởi chủ, thiết bị tuân theo các thông số kỹ thuật.
trong nhiều trường hợp, nhà cung cấp thiết bị cơng bố vị trí của bộ nhớ, tạo điều kiện
cho nhân viên lập trình dễ dàng để kết nối với thiết bị tớ.
-

Đọc và viết dữ liệu
Modbus có tới 255 mã chức năng, nhưng 1 (cuộn cảm đọc), 2 (đầu vào rời rạc
đọc), 3 (bộ ghi Holding đọc), và 4 (bộ ghi đầu vào đọc) là các chức năng đọc được sử
dụng phổ biến nhất để thu thập dữ liệu từ các thiết bị tới.

19


Hình 2.11: Kết nối dây home run so với Modbus
Trong hầu hết các nhà máy, các thiết bị đo hiện trường kết nối với hệ thống
điều khiển với từng cặp dây xoắn home run (dưới). Khi các công cụ đo được kết nối
dây với hệ thống I/O phân tán như NCS của Moore Industries (giữa), có nhiều thiết bị
sẽ được bở sung, nhưng chỉ có một cặp dây xoắn đơn cần để truyền tất cả dữ liệu.
d) Nguyên tắc hoạt động của Modbus TCP/IP
Modbus TCP/IP thường được coi là một " Modbus qua Ethernet” (Modbus
over Ethernet: Modbus có sự hỗ trợ của Ethernet).
Modbus TCP/IP đơn giản chỉ là các gói Modbus được gói gọn trong các gói
TCP/IP tiêu chuẩn. Điều này làm cho các thiết bị Modbus kết nối, truyền thơng nhanh
chóng và dễ dàng qua Ethernet và mạng quang học. Modbus TCP/IP cũng chấp nhận
nhiều địa chỉ hơn RS-485, thiết bị sử dụng nhiều chủ, tốc độ hàng gigabit. Trong khi
đó, Modbus TCP/IP có một giới hạn 247 nốt trong mỗi mạng, mạng Modbus

20