NGHIÊN CỨU MẠNG TRUYỀN THÔNG DEVICENET, KẾT HỢP PLC CP1L ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ 3 PHA

Nghiên cứu mạng truyền thông DeviceNet, kết hợp PLC CP1L điều khiển động
cơ 3 pha.
Vũ Trí Võ
Bộ mơn: Tự động hóa- Khoa Điện

1. Đặt vấn đề.
DeviceNet được giới thiệu vào năm 1994 bởi hãng Allen-Bradley, sau đó

DeviceNet được chuyển giao công nghệ cho ODVA (Open DeviceNet Vendor
Association) là một tổ chức phi lợi nhuận được tạo thành từ hàng trăm cơng ty trên
tồn thế giới để duy trì, thúc đẩy và phổ biến các mạng DeviceNet. Hiện nay ODVA
có trên 300 cơng ty được đăng kí thành viên và hơn 800 nhà cung cấp sản phẩm
DeviceNet trên toàn thế giới.

Ở Việt Nam hiện nay các thành tựu khoa học công nghệ tiên tiến của thế giới đã
và đang được ứng dụng, chuyển giao công nghệ và đưa vào thực tế sản xuất. Trong đó
hệ thống mạng DeviceNet cũng đã được ứng dụng triển khai trong một vài đơn vị sản
xuất sử dụng cơng nghệ tự động hóa cao như: nhà máy Khí điện đạm Cà Mau, Đạm
Phú Mỹ, sữa Vinamilk.

DeviceNet không chỉ đơn thuần là chuẩn giao thức cho lớp ứng dụng của CAN,
mà còn bổ sung một số chi tiết thực hiện lớp vật lý và đưa ra các phương thức giao tiếp
kiểu tay đôi (Peer to Peer) hoặc chủ tớ (Master/Slave). Cấu trúc mạng là đường
trục/đường nhánh. Ba tốc độ truyền quy định là 125 Kbit/s, 250 Kbit/s và 500 Kbit/s
tương ứng với chiều dài tối đa của đường trục là 500 m, 250 m và 100m

Do cấu trúc mạng DeviceNet có thể giao tiếp Peer to Peer hoặc Master/Slave nên
rất linh động và có ứng dụng cao trong thực tế sản xuất.
2. Cơ sở lý thuyết.
2.1 . Đặc điểm cơ bản chuẩn truyền thông công nghiệp DeviceNet

DeviceNet là một mạng mở có thể dễ dàng kết nối một loạt các hệ thống kiểm
soát, các thiết bị như PLC, máy tính cá nhân, cảm biến và thiết bị truyền động. Mạng
DeviceNet làm giảm chi phí lắp đặt và bảo trì bởi vì nó địi hỏi dây dẫn ít hơn, nó cũng
cho phép các thiết bị tương thích DeviceNet từ các nhà sản xuất khác nhau có thể kết
nối. Có rất nhiều lựa chọn DeviceNet tương thích với các thiết bị có sẵn, do đó có thể
xây dựng một hệ thống kinh tế hơn.

DeviceNet có cấu trúc kiểu đường trục/đường nhánh, trong đó đường trục được
coi là cốt lõi của mạng, có chiều dài tối đa là 500m. Trở kháng đầu cuối của mạng là

1

120 Ohm, 0.25w. Các đường nhánh có chiều dài tối đa là 6m, dùng để kết nối các nút
với trục chính của mạng.

DeviceNet cho phép ghép nối 64 trạm. Trong mạng chỉ sử dụng 1 hệ dây cáp,
dây này vừa là dây nguồn đồng thời cũng là dây truyền tải dữ liệu ngoài ra mạng sử
dụng một điện trở đầu cuối để đánh dấu điểm cuối cùng của mạng.

Hình 2.1. Mơ hình kết nối thiết bị qua mạng DeviceNet
- Mỗi thành viên trong một mạng DeviceNet được đặt một địa chỉ trong khoảng từ 0-
63, được gọi là MAC-ID (Medium Access Control Identifier). Việc bổ sung hay bỏ đi
một trạm có thể thực hiện ngay khi mạng cịn đóng nguồn.

Hình 2.2. Cấu trúc của mạng DeviceNet
- Phương pháp mã hóa bit: DeviceNet sử dụng phương pháp mã hóa bit của mạng
CAN, tốc độ truyền 125Kbps, 250Kbps, 500Kbps tương ứng với chiều dài dây là
500m, 250m, 100m.
- Gói dữ liệu: Tối đa 8 byte
- Kỹ thuật bus: Truyền thẳng hoặc rẽ nhánh, nguồn và tín hiệu trên cùng một cáp mạng.

2

- Địa chỉ bus: Peer to Peer, MultiMaster hoặc Master/Slave.

Hình 2.3. Mơ hình kiến trúc giữ mạng CAN và DeviceNet.
DeviceNet phát triển dựa trên CAN, vì vậy nó có nhiều điểm tương đồng với
mạng CAN, nó chuẩn hóa lớp 1,2 và 7 theo chuẩn tham chiếu OSI (Open Systems
Interconnection Reference Model, viết ngắn là OSI Model hoặc OSI Reference Model)
- tạm dịch là Mơ hình tham chiếu kết nối các hệ thống mở - là một thiết kế dựa vào
nguyên lý tầng cấp, lý giải một cách trừu tượng kỹ thuật kết nối truyền thông giữa các
máy vi tính và thiết kế giao thức mạng giữa chúng. Mơ hình này được phát triển thành
một phần trong kế hoạch kết nối các hệ thống mở (Open Systems Interconnection)
Mô hình OSI phân chia chức năng của một giao thức ra thành một chuỗi các
tầng cấp. Mỗi một tầng cấp có một đặc tính là nó chỉ sử dụng chức năng của tầng dưới
nó, đồng thời chỉ cho phép tầng trên sử dụng các chức năng của mình. Một hệ thống
cài đặt các giao thức bao gồm một chuỗi các tầng nói trên được gọi là "chồng giao
thức" (protocol stack). Chồng giao thức có thể được cài đặt trên phần cứng, hoặc phần
mềm, hoặc là tổ hợp của cả hai. Thơng thường thì chỉ có những tầng thấp hơn là được
cài đặt trong phần cứng, còn những tầng khác được cài đặt trong phần mềm.

3

Application layer
(Tầng ứng dụng)

Presentation
layer

(Tầng trình bày)

Session layer
(Tầng phiên)

Transport Layer
(Tầng vận chuyển)

Network Layer
(Tầng mạng)

Data-Link Layer
(Tầng liên kết dữ liệu)

Physical Layer
(Tầng vật lý)

Hình 2.4. Mơ hình OSI
Bên cạnh đó DeviceNet cịn là một cơng nghệ mở và mạng lưới tiêu chuẩn hóa.
Có lớp ứng dụng sử dụng các CIP (Common Application Layer), cùng với ControlNet
và Ethernet/IP, đây là 3 cấu trúc tương đối phổ biến, có thể kết hợp để tạo ra một nền
tảng kết nối tổng quát giữa các thành phần trong một hệ thống tự động hóa tới cấp
Internet.
2.2 Truyền thông trong mạng Devicenet
Truyền thông qua Devicenet dựa vào sự thay đổi tin nhắn (message). Một tin
nhắn mang dữ liệu có chiều dài trong khoảng từ 0 đến 8 byte. Hai loại tin nhắn được
sử dụng để truyền thông qua Devicenet là Explicit Message và I/O message
Trước khi truyền dữ liệu I/O với thiết bị Slave DeviceNet, thiết bị Master phải
kết nối với các thiết bị Slaver bằng kết nối thông báo rõ ràng để xác định đối tượng kết
nối. Hình dưới đây mơ tả một kết nối thông báo rõ ràng và các kết nối I/O

4

Hình 2.5. Mơ hình truyền thơng trong mạng DeviceNet
2.2.1 Explicit Message.

Explicit Message: kiểu truyền thông mang một thông điệp rõ ràng mà không yêu
cầu cập nhật liên tục. Với kiểu truyền này một thơng báo mang địa chỉ đầy đủ thuộc
tính của dịch vụ cần truy cập.

5

Hình 2.6. Định dạng tin nhắn Explicit Message

1. Loại tin nhắn

2. Loại dịch vụ/mã dịch vụ

3. Lớp

4. Cá thể/đối tượng

5. Thuộc tính

6. Nơi đến

7. Nguyên tố nguồn

8. Độ dài nguồn

9. Sự vận hành

Cấu trúc câu lệnh của Explicit Message

Destination node Service Class ID Instance Attribute Data

address code ID ID

- Destination node Address: Địa chỉ của thiết bị thực hiện lệnh Explicit Message. Địa

chỉ được xác định trong tầm 1 byte hexadecimal.

- Service code, Class ID, Instance ID, Attribute ID: Được sử dụng để xác định câu

lệnh, đối tượng xử lý và nội dung xử lý.

Số byte được chỉ định cho Class ID, ID thể hiện và ID thuộc tính phụ thuộc vào Đơn

vị chủ. Khi được gửi từ một Master DeviceNet của OMRON, ID Lớp và ID thể hiện là

2 byte (4 chữ số) và ID thuộc tính là 1 byte (2 chữ số).

- Data: Dữ liệu được ghi đến thiết bị

6

2.2.2 I/O message
Là loại dữ liệu I/O xác định theo thời gian(Time critical), được chia làm các loại:

Polled I/O Message, Strobe Message, Cyclicye Message và Chage Of State Message.
* Polled I/O Message: Hỏi tuần tự
* Strobe Message: Quét đồng loạt

* Cyclicye Message: Tuần hoàn
* Chage Of State Message: Thay đổi trạng thái

Hình 2.7. Cấu hình các loại I/O Message trong mạng DeviceNet
Trong cơ chế giao tiếp kiểu chủ/tớ của DeviceNet, khái niệm “Predefined
Master/Slave Connection Set” được dùng để chỉ một tập hợp các mối quan hệ chủ/tớ
được định nghĩa trước với các dịch vụ tương ứng.
3. Nội dung chính.
3.1 Phân tích yêu cầu công nghệ.

Nghiên cứu mạng truyền thông DeviceNet, kết hợp PLC CP1L điều khiển động
cơ 3 pha.

Sơ đồ khối điều khiển hệ thống như sau:

Hình 3.1. Sơ đồ khối điều khiển hệ thống
- PLC chủ: Chứa chương trình điều khiển được nhập vào từ máy tính. Thu nhận thông
tin từ khối truyền thông DeviceNet Master.

7

- Master: Nhận dữ liệu từ PLC chủ đưa tới, truyền thông tin đến module slave và nhận
thông tin từ module slave để đưa về PLC chủ thông qua dây cáp 5 sợi.
- Slave: Nhận dữ liệu từ module vào/ra truyền về module Master và nhận lệnh từ
module Master để điều khiển module vào/ra.
- GT I/O: Nhận dữ liệu từ module slave để điều khiển thiết ra. Truyền thông tin đầu
vào/ra về module Master.
- Biến tần: Nhận lệnh điều khiển từ module I/O.
- Động cơ: Tải xoay chiều 3 pha.
3.2. Trình tự thực hiện

Dựa trên yêu cầu công nghệ như trên ta lựa chọn thiết bị như sau: Sử dụng PLC
CJ2M-CPU32, module DeviceNet Master DRM21, Slave module Multiple IO DRT1-
COM, 16 đầu vào NPN GT1-ID16 và 16 đầu ra relay GT1-ROS16, biến tần 3G3JV-
A2007 điều khiển đảo chiều quay động cơ điện xoay chiều 3 pha sử dụng 4 nút bấm
quay thuận, quay ngược, nút start, nút Stop.
3.2.1. Đấu nối và cấu hình riêng cho các Moduler
Bước 1: Kết nối PLC chủ CJ2M-CPU32 với Master DRM21
Bước 2: Kết nối Master DRM21 với Slave DRT1-Com.
- Đấu nối cáp truyền thông

Hình 3.2. Quy ước màu các chân trên đầu kết nối
- Hai đầu CAN H và CAN L nối với điện trở đầu cuối 121.
- Cấp nguồn 24V vào chân: V+ và V-
- Nối dây cho module slave:

Hình 3.3. Nối dây cho modul slave

8

Bước 3: Cài đặt cho Master DRM21 và Slave DRT1-COM
a. Master CJ1W-DRM21

Đèn Led hiển thị các chỉ số
Chuyển mạch chọn số Unit, tính dưới dạng mã Hexa

Chuyển mạch chọn địa chỉ Node, tính dưới dạng mã
thập phân, gồm 2 chữ số
Chuyển mạch cài đặt chế độ làm việc:
Chân 1 và 2 : Tốc độ Baud

Chân 3 : Run/Stop quá trình liên lạc để báo các lỗi
Pin 4 : Giữ/xóa các I/O trong quá trình hệ thống lỗi

Cáp truyền thông.

Hình 3.4. Sơ đồ chức năng các chi tiết DRM21

Bảng 3.1. Phân bổ trong vùng nhớ CIO

Unit Vùng nhớ Unit Vùng nhớ
CIO 1700 đến CIO 1724
0 CIO 1500 đến CIO 1524 8 CIO 1725 đến o CIO 1749
CIO 1750 đến CIO 1774
1 CIO 1525 đến CIO 1549 9 CIO 1775 đến CIO 1799
CIO 1800 đến CIO 1824
2 CIO 1550 đến CIO 1574 10 CIO 1825 đến CIO 1849
CIO 1850 đến CIO 1874
3 CIO 1575 đến CIO 1599 11 CIO 1875 đến CIO 1899

4 CIO 1600 đến CIO 1624 12

5 CIO 1625 đến CIO 1649 13

6 CIO 1650 đến CIO 1674 14

7 CIO 1675 đến CIO 1699 15

Bảng 3.2. Phân bổ trong vùng nhớ DM

Unit Vùng nhớ Unit Vùng nhớ

0 D30000 to D30099 8 D30800 to D30899

1 D30100 to D30199 9 D30900 to D30999

2 D30200 to D30299 10 D31000 to D31099

3 D30300 to D30399 11 D31100 to D31199

4 D30400 to D30499 12 D31200 to D31299

5 D30500 to D30599 13 D31300 to D31399

6 D30600 to D30699 14 D31400 to D31499

7 D30700 to D30799 15 D31500 to D31599

- Cài đặt Unit number để xác định vùng nhớ trao đổi dữ liệu trên CPU

9

- Cài đặt địa chỉ node

Hình 3.5. Chuyển mạch chọn địa chỉ Unit và Node của Master CJ1W-DRM21

Lưu ý: Cài đặt Unit No và Node Adr để xác định vùng nhớ trao đổi dữ liệu với
CPU. Vùng nhớ này phụ thuộc vào Unit Number và Node Adr.

Tính địa chỉ vùng nhớ trao đổi dữ liệu với CPU:

n=(1500+m*25) trong đó m là Unit Number

Cài đặt DIP Switch

Hình 3.6. DIP Swich của Master CJ1W-DRM21

Bảng 3.3. Chức năng các chân DIP Swich của Master CJ1W-DRM21

Chân Chức năng Cài đặt
1 Tốc độ Baud Quan sát bảng dưới
2

3 Tiếp tục / Stop quá trình liên lạc để báo OFF: Tiếp tục
các lỗi ( khi sử dụng như một Master) ON: Stop

4 Giữ / xóa các I / O cho lỗi trong q trình OFF: Xóa
liên lạc ( khi sử dụng như một slaver) ON: Giữ

10

Chân 1 Chân 2 Tốc độ Baud
OFF OFF 125kbps
ON OFF 250kbps
OFF ON 500kbps
ON ON
Không cho phép

- Cài đặt Unit number để xác định vùng nhớ trao đổi dữ liệu trên CPU bằng “0”
- Cài đặt địa chỉ node bằng “1”
- Cài đặt DIP Switch:

Chân Cách cài đặt
1 Chân 1 bằng “OFF”, Chân 2 bằng “ON” để lựa chọn tốc độ
2 truyền thông là 500kbps
3 ON: để dừng khi báo lỗi.
4
OFF: Để dừng các đầu ra khi hệ thống lỗi

b. Slaver DRT1-COM

Hình 3.7. DIP Swich của Slaver DRT1-COM

11

Bảng 3.4. DIP Swich của Slaver DRT1-COM

Chân Chức năng Cài đặt

1 đến 6 Node number

7 và 8 Tốc độ Baud

9 Dành cho hệ thống sử Luôn luôn OFF
dụng.

Giữ / xóa đầu ra cho các OFF: Xóa tất cả dữ liệu đầu ra sẽ bị xóa về 0

lỗi truyền thông khi một lỗi truyền thông xảy ra.
10 ON: Giữ Tất cả các dữ liệu đầu ra sẽ được giữ

lại khi một lỗi truyền thông xảy ra.

Ghi chú: Địa chỉ Node khác nhau tùy theo các thiết lập của các chân 1-6, như thể
hiện trong bảng sau. Địa chỉ Node có thể được thiết lập bất kỳ giá trị nào trong
phạm vi, miễn là họ không trùng với các Node khác (Master, Slave) hoặc số Node
trong cùng một mạng.

Bảng 3.5. Thiết lập địa chỉ Node của Slaver DRT1-COM

Chân Node

6 5 4 3 2 1 Number

OFF OFF OFF OFF OFF OFF 0 (Mặc
định)

OFF OFF OFF OFF OFF ON 1

OFF OFF OFF OFF ON OFF 2

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

ON ON ON ON OFF ON 61

ON ON ON ON ON OFF 62

ON ON ON ON ON ON 63

- Cài đặt tốc độ Baud : Tốc độ truyền có thể được thiết lập bằng chân 7 và 8, theo bảng

dưới đây.

Bảng 3.6. Tốc độ Baud của Slaver DRT1-COM

Chân Tốc độ Baud

7 8 125kbps (Mặc định)
250kbps
OFF OFF 500kbps

ON OFF Không thể thiết lập

OFF ON

ON ON

12

Lưu ý . Hãy chắc chắn tắt nguồn điện của Slaver khi thực hiện cài đặt.
Thiết lập tốc độ truyền tương tự cho tất cả các Node (Master, Slave) trên mạng để
đồng bộ tốc độ truyền.
Không đặt tốc độ Baud khác nhau ở trong mạng vì như vậy sẽ khơng thể truyền
thơng giữa Master và Slaver mà cịn gây ra lỗi truyền thông.
Nối dây cho driver và kết nối tới module MD211.
Quy ước màu và các chân trên các đầu kết nối

Hình 3.8. Quy ước màu dây trên MD21
Các điểm đầu cuối cần được nối trở 120 Ohm giữa hai đầu CAN H và CAN L. Kiểm
tra điện trở đầu cuối bằng đồng hồ, trong khoảng từ 50 đến 70 ôm là chấp nhận được

Hình 3.8. Trở đầu cuối MD21
Sử dụng nguồn 24 VDC để cấp nguồn nuôi cho đường dây:

13

Hình 3.8. Sơ đồ cấp nguồn cho cáp
Nối dây cho module slave:

Hình 3.9. Sơ đồ nối dây cho module Slave
Sơ đồ cấp nguồn cho từng module

Hình 3.10. Sơ đồ cấp nguồn cho cáp

14

Bước 4: Đấu nối nút bấm với module Slave, đầu ra module Slave với biến tần

Hình3.11. Sơ đồ kết nối đầu vào Slave với nút bấm, đầu ra slave với đầu vào đa chức
năng của biến tần

Bước 5: Đấu nối biến tần với động cơ điện xoay chiều 3 pha.

Hình 3.12. Sơ đồ kết nối biến tần với động cơ điện xoay chiều 3 pha

Nút dừng (NC) Quay thuận (NO) 3G3JV- FR
Quay nghịch (NO) A2007

VR
FS

FC

Hình 3.13. Mạch điều chỉnh tốc độ động cơ sử dụng biến trở

15

Trong mạch điện sử dụng biến trở VR có giá trị 2K-1/4W để điều chỉnh tốc độ
động cơ.Thực chất thay đổi giá trị của biến trở là thay đổi điện áp đưa vào chân FS của
biến tần. Điện áp này có giá trị nằm trong khoảng từ 0V÷10V được cấp bởi chân FR
và FC (trong đề tài lựa chọn phương thức thay đổi tốc độ động cơ bằng phương pháp
thay đổi điện áp cấp vào chân FS của biến tần).
Bước 6: Cài đặt thông số cho biến tần
- Cài đặt chế độ từ xa

LO/RE LO/RE

- Cài đặt chế độ hoạt động (thông số n02): Cài đặt thông số n02 mang giá trị 1: Đầu
vào đa chức năng làm việc ở chế độ logic 2 hoặc 3 dây.

FREF PRGM n01 n02

- Cài đặt phương thức dừng/khởi động biến tần (thông số n03):Cài đặt thông số n03
mang giá trị 2: Cho phép đầu vào điều khiển tần số chuẩn bằng điện áp từ 0-10V.

FREF PRGM n01 n03

- Cài đặt dịng định mức (thơng số n32):Dòng định mức cho motor 1.5A

FREF PRGM n01 n32

- Cài đặt tần số MAX (thông số n09): Tần số FMAX được đặt ở 150Hz

FREF PRGM n01 n09

- Cài đặt điện áp MAX (thông số n10): Tần số UMAX được đặt ở mức 120V

FREF PRGM n01 n10

- Cài đặt chế độ logic 3 dây (thông số n37)
Chuyển thông n37 từ giá trị 0 lên giá trị 2 để khởi tạo đầu vào đa chức năng làm việc ở
chế độ logic 3 dây.

FREF PRGM n01 n37

16

3.2.2. Cài đặt cấu hình cho hệ thống
Bước 1:
Khởi động chương trình CX-Programmer sau khi đã được cài đặt trên máy tính

Từ menu File, chọn để tạo mới Project

Một bảng tin hiện ra:

17

Đặt tên cho PLC, chọn kiểu PLC là CJ2M, nhấn vào Setting… , chọn kiểu CPU32.

Kiểu kết nối máy tính với CPU này để mặc định là kết nối USB.
Giao diện sau khi tạo dự án:

18

Bước 2.
Tạo IO table and Unit setup

Nhấn đúp vào mục IO table and Unit setup sẽ hiện ra bảng sau:

Thực hiện việc khai báo các module phần cứng vào trong phần mềm. Tại từng vị trí
trên rack, nhấn đúp vào Empty Slot để thêm một module cần khai báo:

19

Kết quả cuối cùng:

20