Mo hinh tram PLC S7-300 dieu khien bien tan

Đề tài: Mô hình trạm PLC S7-300 điều khiển biến tần Tác giả: Vũ Văn Phương
www.bientan.hnsv.com

1











Đề tài:
MÔ HÌNH TRẠM PLC S7-300 ĐIỀU KHIỂN BIẾN TẦN

Đề tài: Mô hình trạm PLC S7-300 điều khiển biến tần Tác giả: Vũ Văn Phương
www.bientan.hnsv.com

2
LỜI NÓI ĐẦU
Trong quá trình công nghiệp hoá hiện đại đất nước lĩnh vực khoa học kỹ thuật
đóng vai trò hết sức quan trọng. Trong đó lĩnh vực Điện -Điện Tử đã góp phần rất
đáng kể từ những thiết bị dân dụng đến các dây chuyền công nghệ tự động hóa
nhằm nâng cao năng suất giảm bớt lao động chân tay, vốn đã lạc hậu khi đất nước
ta đã là thành viên của tổ chức thương mại thế giới.
Lĩnh vực tự động hóa đã đi vào hầu hết các nhà máy xí nghiệp thay thế dần
những cổ máy móc lạc hậu, thay thế con người làm việc trong những lĩnh vực nguy
hiểm. Đặc biệt hơn nữa với sự phát triển của công nghệ thông tin đã mang đến
nhiều lợi ích to lớn và thiết thực hơn. Kết hợp với tự động hóa giúp con người điều
khiển và giám sát được các quá trình công nghệ tham gia trực tiếp điều khiển đối
tượng. không những trong phạm vi thu nhỏ mà trên cả diện rộng. Góp phần làm
giảm chi phí sản suất, quản lý sản xuất dễ dàng, theo dõi quá trình đơn giản nâng
cao năng suất lao động, hiệu quả sản xuất .
Với những ứng dụng thiết thực như vậy nên em đã chọn đề tài “Xây dựng mô hình
điều khiển giám sát trạm PLC điều khiển biến tần”. Đề tài này là cơ hội áp dụng
những kiến thức cơ sở từ trong nhà trường vào mô hình thực tế thu nhỏ.








Tác giả :

Vũ Văn Phương
Đề tài: Mô hình trạm PLC S7-300 điều khiển biến tần Tác giả: Vũ Văn Phương
www.bientan.hnsv.com

3
Chương 1 Tổng quan về mạng truyền thông PLC 300
1.1 Một số mạng truyền thông trong công nghiệp dùng cho S7-300
1.1.1 Modbus
Modbus là giao thức do hãng Modicon phát triển. Theo mô 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
(Manufactoring Message Protocol), và ngay cả qua đường truyền nối tiếp RS-232.
Modbus định nghĩa một tập hợp rộng các dịch vụ phục vụ trao đổi dữ liệu quá
trình, dữ liệu điều khiển và chẩn đoán. Tất cả các bộ điều khiển của Modicon đều
sử dụng Modbus là ngôn ngữ chung. Modbus mô tả quá trình giao tiếp giữa một bộ
điều khiển với các thiết bị khác thông qua cơ chế yêu 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. Cụ thể , trong mỗi PLC người ta cũng có thể tìm thấy một tập hợp con các
dịch vụ đã được đưa ra trong Modbus. Đặc biệt trong các hệ thống thu thập dữ liệu
và điều khiển giám sát, Modbus hay được sử dụng trên các đường truyền RS-232
ghép nối giữa các thiết bị dữ liệu đầu cuối (PLC, PC,...) với thiết bị truyền dữ liệu
(Modem).
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 mạng là Modbus chuẩn và Modbus trên các mạng khác
(ví dụ TCP/IP, Modbus Plus, MAP)
a.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 diện nối tiếp RS-232. Các bộ điều khiển có thể được
nối mạng trực tiếp hoặc qua modem. Các trạm Modbus giao tiếp với nhau qua cơ

chế chủ/ tớ (Master/Slave), trong đó chỉ một thiết bị có thể chủ động gửi yêu cầu,
Đề tài: Mô hình trạm PLC S7-300 điều khiển biến tần Tác giả: Vũ Văn Phương
www.bientan.hnsv.com

4
còn lại 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 gửi thông báo yêu 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.
b. Modbus trên các mạng khác
Với 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, mỗi bộ điều
khiển có thể đóng vai trò là chủ hoặc tớ trong các lần giao dịch khác nhau.
Nhìn nhận ở mức giao tiếp thông báo, giao thức Modbus vẫn tuân theo nguyên tắc
chủ/ tớ mặc dù phương pháp giao tiếp mạng cấp thấp có thể là tay đôi. Khi một bộ
điều khiển gửi một yêu cầu thông báo thì nó đóng vai trò là chủ và chờ đợi đáp ứng
từ thiết bị tớ. Ngược lại, một bộ điều khiển sẽ đóng vai trò là tớ nếu nó nhận thông
báo yêu cầu từ một trạm khác và phải gửi trả lại đáp ứng.
c. 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, như minh họa trên hình vẽ.
Một thông báo yêu cầu 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. Ví dụ,
mã hàm 03 yêu cầu trạm tớ đọc nội dung các thanh ghi lưu giữ và trả lại
kết quả.

Đề tài: Mô hình trạm PLC S7-300 điều khiển biến tần Tác giả: Vũ Văn Phương
www.bientan.hnsv.com

5
 Dữ liệu chứa các thông tin bổ sung mà trạm tớ cần cho việc thực hiện hàm
được gọi. Trong trường hợp đọc thanh ghi, dữ liệu này chỉ rõ thanh ghi đầu
tiên và số lượng các thanh ghi cần đọc.
 Thông tin kiểm lỗi giúp trạm tớ kiểm tra nội dung thông báo nhận được.
Thông báo đáp ứng cũng bao gồm các thành phần giống như thông báo yêu cầu.
Địa chỉ ở đây là địa chỉ 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, còn dữ liệu mô tả chi tiết lỗi đã xảy ra. Phần kiểm lỗi giúp trạm chủ
xác định độ chính xác của nôi dung thông báo nhận được.
Chế độ truyền
 Chế độ ASCI
Khi các thiết bị trong một mạng Modbus chuẩn giao tiếp với chế độ ASCII, 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 một ký
tự khung gửi đi được thể hiện như sau :
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 kí 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

Đề tài: Mô hình trạm PLC S7-300 điều khiển biến tần Tác giả: Vũ Văn Phương
www.bientan.hnsv.com

6
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
chính 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 kí tự khung
gửi đi được thể hiện như sau
Mỗi ký tự khung bao gồm :
 1 bit khởi đầu (Start bit)
 8 bit của byte thông báo cần gửi, 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
1.1.2 Mạng Ethernet công nghiệp
IE (Industrial Ethernet) mạng Ethernet công nghiệp là mạng phục vụ cho cấp quản
lý và cấp phân xưởng để thực hiện truyền thông giữa máy tính và các hệ thống tự
động hoá. Nó phục vụ cho việc trao đổi một lượng thông tin lớn, truyền thông trên
một phạm vi rộng. Các bộ xử lý truyền thông dùng trong mạng luôn kiểm tra xem
đường dẫn có bị chiếm dụng không. Nếu không thì một trạm nào đó trong mạng có
thể gửi điện tín đi, khi xảy ra xung đột trên mạng vì có hai trạm gửi thì ngừng ngay
lại và quá trình gửi điện tín được thực hiện lại sau một thời gian nhất định, thời
gian này được xác định theo luật toán học ngẫu nhiên.
Mạng Ethernet công nghiệp có những tính chất đặc trưng sau:
 Mạng Ethernet công nghiệp sử dụng thủ tục truyền thông ISO và
TCP/IP (Transmission Control Protocol / Internet Protocol).
 Theo phương pháp thâm nhập đường dẫn đã chọn (CSMA/CD –
Carrier Sense Multiple Access with Collision Detecion) thì các thành
viên trong mạng Ethernet công nghiệp đều bình đẳng với nhau.

Đề tài: Mô hình trạm PLC S7-300 điều khiển biến tần Tác giả: Vũ Văn Phương
www.bientan.hnsv.com

7
 Theo tiêu chuẩn truyền thông ISO và ISO on TCP thì các trạm không
phải của SIEMENS cũng có khả năng tích hợp vào mạng, nói một
cách khác Ethernet công nghiệp là mạng truyền thông mở.
Các thông số của mạng Ethernet công nghiệp:
 Chuẩn truyền thông : IEEE 802.3
 Số lượng trạm : Max 1024 trạm
 Phương pháp thâm nhập đường dẫn : CSMA /CD (Carrier Sense
Multiple Access with Collision Detection)
Môi trường truyền thông :
Dây dẫn :
+ Cáp đồng trục
+ Cáp đôi dây xoắn
- Cáp quang : Cáp thuỷ tinh hoặc chất dẻo
- Kiểu nối : Đường thẳng, cây, hình sao và vòng tròn
- Dịch vụ truyền thông : S7-FunctionISO-TransportISO-on-TCP

Hình 1.1 mô hình mạng ETHERNET
Đề tài: Mô hình trạm PLC S7-300 điều khiển biến tần Tác giả: Vũ Văn Phương
www.bientan.hnsv.com

8
1.1.3 Mạng AS-i
AS-i (Actuator Sensor Interface) giao diện cảm biến cơ cấu chấp hành, mạng chỉ
có một chủ duy nhất. Phương pháp thâm nhập đường dẫn là phương pháp Master –
Slave, một phương pháp hoàn toàn tối ưu cho những mạng chỉ có duy nhất một
thiết bị là chủ. AS-i sẽ có cấu trúc thật là đơn giản nếu như các cơ cấu chấp hành và

các cảm biến đều là các thiết bị kiểu số (Digital Input/Digital Output – DI/DO), khi
thiết bị kiểu analog phải sử dụng các bộ chuyển đổi tín hiệu chuẩn của SIEMENS.
Trong mạng chỉ có trạm chủ có quyền điều khiển quá trình trao đổi thông tin. Trạm
chủ (Master) gọi tuần tự từng trạm tớ (Slave) tới một và đòi hỏi các trạm này gửi
dữ liệu lên trên trạm chủ hoặc nhận dữ liệu từ trạm chủ.
Những tính chất đặc trưng của AS-i:
- AS-i là mạng tối ưu cho các thiết bị chấp hành và cảm biến số. Quá trình trao
đổi dữ liệu được thực hiện thông qua đường dẫn từ cơ cấu chấp hành/cảm
biến với trạm chủ, đường dẫn này đồng thời là đường cung cấp nguồn cho
các cảm biến.
- AS-i có thể ghép nối với các cơ cấu chấp hành có kích thước 1 bit đến 8 bit
theo tiêu chuẩn IP 65 và liên kết trực tiếp với quá trình. - Hoạt động của AS-i
không cần thiết lập cấu hình trước.
- Các thông số kỹ thuật của AS-i:
- Chuẩn : AS-i theo chuẩn IEC TG 178 Số lượng trạm cho phép: 1 Master và
max 31 Slave
- Phương pháp thâm nhập đường dẫn : Master – Slave
- Tốc độ truyền: 167 Kbit/s
- Môi trường truyền thông: Dây dẫn thẳng không bọc
- Khoảng cách giữa các thiết bị trong mạng : 300 m với Repeater
- Kiểu nối : Đường thẳng, cây, sao
- Dịch vụ truyền thông : AS-i Function
Đề tài: Mô hình trạm PLC S7-300 điều khiển biến tần Tác giả: Vũ Văn Phương
www.bientan.hnsv.com

9

Hình 1.2 Mạng AS-I
1.2 Giới thiệu mạng PROFIBUS
ProfiBus là một hệ thống Bus trường chuẩn mở rộng dùng để nối các thiết bị

trường với các thiết bị điều khiển và giám sát. ProfiBus là một thiết bị nhiều chủ,
nó cho phép các thiết bị điều khiển tự động, các trạm kỹ thuật và hiển thị quá trình
cũng như các phụ kiện phân tán cùng làm việc trên một đường truyền chung là Bus.
ProfiBus thực hiện chức năng ứng dụng hoạt động theo chu kỳ, có độ tin cậy cao và
có khả năng đáp ứng cao về tính năng thời gian thực.
Mạng PROFIBUS được cung cấp theo ba chủng loại tương thích nhau.
 PROFIBUS – DP (Distributed Peripheral) phục vụ cho việc trao đổi
thông tin nhỏ nhưng đòi hỏi tốc độ truyền nhanh. PROFIBUS – DP
được xây dựng tối ưu cho việc kết nối các thiết bị trường với máy tính
điều khiển. PROFIBUS – DP phát triển nhằm đáp ứng yêu cầu cao về
tính năng thời gian trong trao đổi dữ liệu, giữa cấp điều khiển cũng
như các bộ PLC hoặc các máy tính công nghiệp với các ngoại vi phân
tán ở cấp trường như các thiết bị đo, truyền động và van. Việc trao đổi
chủ yếu được thực hiện tuần hoàn theo cơ chế Master/Slave. Với số
trạm tối đa trong một mạng là 126, PROFIBUS – DP cho phép sử
dụng cấu hình một trạm chủ (Mono Master) hoặc nhiều trạm chủ
Đề tài: Mô hình trạm PLC S7-300 điều khiển biến tần Tác giả: Vũ Văn Phương
www.bientan.hnsv.com

10
(Multi Master). Một đặc trưng nữa của PROFIBUS – DP là tốc độ
truyền cao, có thể lên tới 12 Mbit/s.
 PROFIBUS – FMS (Fieldbus Message Specification) trao đổi lượng
thông tin trung bình giữa các thành viên bình đẳng với nhau trong
mạng. PROFIBUS – FMS được dùng chủ yếu cho việc nối mạng các
máy tính điều khiển và giám sát. Mạng này chỉ thực hiện ở các lớp 1,
2, 7 theo mô hình quy chiếu OSI. Do đặc điểm của các ứng dụng trên
cấp điều khiển và điều khiển giám sát, dữ liệu chủ yếu được trao đổi
với tính chất không định kỳ.
 PROFIBUS – PA (Process Automation) được thiết kế riêng cho những

khu vực nguy hiểm. PROFIBUS – PA là sự mở rộng của PROFIBUS
– DP về phương pháp truyền dẫn an toàn trong môi trường dễ cháy nổ
theo chuẩn IEC 61158-2. PROFIBUS – PA là loại bus trường thích
hợp cho các hệ thống điều khiển phân tán trong các ngành công nghiệp
hoá chất và hoá dầu. Thiết bị chuyển đổi (DP/PA-Link) được sử dụng
để tích hợp đường mạng PA với mạng PROFIBUS DP. Điều này đảm
bảo cho toàn bộ thông tin có thể được truyền liên tục trên hệ thống
mạng PROFIBUS bao gồm cả DP và PA

Hình 1.3 mạng Profibus
Đề tài: Mô hình trạm PLC S7-300 điều khiển biến tần Tác giả: Vũ Văn Phương
www.bientan.hnsv.com

11
ProfiBus là một chuẩn truyền thông trong công nghiệp được sử dụng rất rộng rãi,
có hai loại thiết bị thường gặp trong mạng truyền thông ProfiBus được phân biệt là
thiết bị chủ (Master) và thiết bị tớ (Slave).
 Thiết bị chủ (Master) có khả năng kiểm soát truyền thông trên Bus, một trạm
chủ có thể gửi thông tin khi nó giữ quyền truy nhập Bus. Trạm chủ còn được
gọi là trạm tích cực.
 Thiết bị tớ (Slave) là các thiết bị trường vào ra phân tán, cảm biến và cơ cấu
chấp hành. Chúng không được quyền truy nhập Bus mà chỉ được phép xác
nhận hoặc trả lời thông tin nhận được từ trạm chủ khi được yêu cầu. Một
trạm tớ còn được gọi là trạm thụ động.
Một trạm tớ thực hiện ít dịch vụ hơn, tức là xử lý giao thức đơn giản hơn so
với trạm chủ.

1.2.1 Đặc Tính Cơ Bản
Truyền dữ liệu tốc độ cao không phải là điều kiện đủ cho sử dụng thành công
một hệ thống Bus. Để thỏa mãn các yêu cầu của người dùng thì các chức năng như

điều khiển đơn giản, khả năng chuẩn đoán tốt và kỹ thuật truyền chống nhiễu cần
được đáp ứng.
Các chức năng chuẩn đoán mở rộng của DP cho phép tìm ra vị trí lỗi nhanh chóng,
các thông số chuẩn đoán được truyền trên Bus và tập trung tại Master, các thông số
này được chia làm 3 cấp:
 Chuẩn đoán các trạm liên quan.
 Chuẩn đoán các modul liên quan.
 Chuẩn đoán các kênh liên quan.


Đề tài: Mô hình trạm PLC S7-300 điều khiển biến tần Tác giả: Vũ Văn Phương
www.bientan.hnsv.com

12
1.2.2 Cấu Hình Hệ Thống Và Dạng Thiết Bị
DP cho phép sử dụng cấu hình một trạm chủ (Monomaster) hoặc nhiều trạm chủ
(Multimaster) với số trạm tối đa trong một đoạn mạng là 126 trạm. Trong cấu hình
nhiều chủ, tất cả các trạm chủ đều có thể đọc dữ liệu đầu vào/ra của các trạm tớ
nhưng chỉ duy nhất một trạm chủ được quyền ghi dữ liệu đầu ra.
Các quy định cho cấu hình hệ thống bao gồm số lượng trạm, gán địa chỉ cho các
I/O phân tán, đồng nhất dữ liệu I/O, dạng thông báo chuẩn đoán và thông số Bus sử
dụng.
Tùy theo phạm vi chức năng, kiểu dịch vụ thực hiện người ta phân biệt các dạng
dịch vụ sau:
 DP-Master cấp 1 (DPM1), đây là một bộ điều khiển trung tâm trao đổi thông
tin với các trạm phân tán (DP-Slave) theo một chu kỳ thông báo xác định.
Các thiết bị điển hình dạng này là các bộ PLC, máy CNC hoặc điều khiển
Robot.
 DP-Master cấp 2 (DPM2), các thiết bị thuộc dạng này là các thiết bị lập
trình, thiết bị cấu hình hoặc thiết bị chuẩn đoán. Các thiết bị này được sử

dụng trong quá trình khởi động để tạo ra cấu hình cho hệ thống DP.
 DP-Slave, một DP-Slave là một thiết bị I/O (Sensor-Actuator) đọc vào các
thông tin từ Input hoặc đưa ra thông tin ngõ ra tới quá trình xử lý. Lượng
thông tin ngõ vào hoặc ngõ ra phụ thuộc vào thiết bị.
Hệ thống Mono-Master, cấu hình hệ thống này chỉ có duy nhất một Master và là
hệ thống có thời gian chu kỳ ngắn nhất.
Đề tài: Mô hình trạm PLC S7-300 điều khiển biến tần Tác giả: Vũ Văn Phương
www.bientan.hnsv.com

13

Hình 1.4 Cấu hình mạng ProfiBus-DP Mono-Master.
Hệ thống Multi-Master
hệ thống này có nhiều Master, chẳng hạn như các thiết bị cấu hình, các thiết bị
chuẩn đoán hoặc một số hệ thống con (subsystem) phụ thuộc lẫn nhau trên một
Bus.

Hình 1.5 Cấu hình mạng ProfiBus-DP Multi-Master.
Việc đặt cấu hình hệ thống được thực hiện bằng phần mềm, thông thường một
công cụ cấu hình cho phép người sử dụng bổ sung và tham số hóa nhiều loại thiết
bị của cùng một nhà sản xuất một cách tương đối đơn giản bởi các thông tin tính
năng cần thiết của các thiết bị này đã được đưa vào cơ sở dữ liệu của công cụ cấu
hình.
Đề tài: Mô hình trạm PLC S7-300 điều khiển biến tần Tác giả: Vũ Văn Phương
www.bientan.hnsv.com

14
1.2.3 Cấu trúc mạng (TOPOLOGY)
Topology là cấu trúc liên kết của một mạng hay nói cách khác chính là tổng hợp
của các liên kết. Topology có thể hiểu là cách sắp xếp, tổ chức về mặt vật lý của

mạng nhưng cũng có thể là cách sắp xếp logic của các nút mạng, cách tổ chức logic
các mối liên kết giữa các nút mạng.
Có thể phân biệt các dạng cấu trúc cơ bản là Bus, mạch vòng tích cực và hình
sao. Một số cấu trúc phức tạp hơn như cấu trúc cây đều có thể xây dựng trên cơ sở
phối hợp ba cấu trúc cơ sở này.
Trong công nghiệp người ta phân cấu trúc mạng Profibus ra làm nhiều dạng cấu
trúc theo cách sắp xếp các thiết bị trên một Bus, gồm các cấu trúc như sau:
 Cấu trúc Bus.
 Cấu trúc mạch vòng tích cực.
 Cấu trúc hình sao.
 Cấu trúc cây.
a, Cấu Trúc Bus
Trong cấu trúc này, tất cả các thành viên trong mạng đều được nối trực tiếp với
một đường dẫn chung. Đặc điểm cơ bản của cấu trúc Bus là việc sử dụng chung
một đường dẫn làm cho tiết kiệm được giá thành và công lắp đặt. Có ba loại cấu
hình kiểu Bus là Daisy-chain, Trunk-line/Drop-line và mạch vòng không tích cực.
Với cấu hình dạng Daisy-chain, mỗi trạm được nối trực tiếp với nhau tại giao điểm
của hai đoạn dây dẫn, không qua một đoạn nối phụ nào:

Hình 1.6 Kiểu Daisy-chain.
Đề tài: Mô hình trạm PLC S7-300 điều khiển biến tần Tác giả: Vũ Văn Phương
www.bientan.hnsv.com

15
Còn trong cấu hình Trunk-line/Drop-line mỗi trạm được nối với nhau qua một
đường nhánh (drop-line) để qua đường trục (Trunk-line):

Hình 1.7 Kiểu Trunk-line/Drop-line.
Và mạch vòng không tích cực là một cấu hình mà đường truyền liên kết giữa các
thiết bị trong mạch được khép kín:

Hình 1.8 Kiểu mạch vòng không tích cực.
Ưu điểm của loại cấu trúc Bus là tiết kiệm được dây dẫn, lắp đặt thi công đơn
giản, dễ thực hiện,…. Vì vậy, cấu trúc Bus được sử dụng rộng rãi trong mạng công
nghiệp.
Nguyên tắc truyền thông là tại một thời điểm nhất định chỉ có một thành viên trong
mạng được gửi tín hiệu, còn các thành viên khác chỉ có quyền nhận.
Bên cạnh những ưu điểm trên cấu trúc Bus có những nhược điểm khi sử dụng
chung đường truyền là:
 Phải phân chia thời gian sử dụng Bus hợp lý.
Đề tài: Mô hình trạm PLC S7-300 điều khiển biến tần Tác giả: Vũ Văn Phương
www.bientan.hnsv.com

16
 Một tín hiệu gửi đi có thể đến nhiều trạm khác nhau không kiểm soát được
nên cần phải gán địa chỉ cho từng trạm cụ thể.
 Số trạm trong một đoạn mạng bị hạn chế, muốn mở rộng mạng phải dùng
thêm các bộ lặp.
 Việc sử dụng hai trở đầu cuối thường làm cho tải của hệ thống tăng lên.
 Trong trường hợp đường dẫn bị đứt hoặc do ngắn mạch trong phần kết nối
Bus của một trạm bị hỏng đều dẫn đến ngừng hoạt động của cả hệ thống.
Việc định vị lỗi gặp nhiều khó khăn.
b, Cấu Trúc Mạch Vòng Tích Cực
Cấu trúc mạch vòng tích cực là cấu trúc mà các trạm trong cùng một mạng được
nối tuần tự từ điểm này đến điểm kia tạo thành một mạch vòng khép kín giữa các
trạm.
Điều đó làm cho mỗi thành viên trong mạng đều tham gia tích cực việc kiểm soát
dòng tín hiệu trên đường truyền. Trong cấu trúc này, mỗi trạm được nhận tín hiệu
truyền từ trạm trước nó và chuyển sang một trạm kế sau nó. Quá trình truyền tín
hiệu theo một chiều cứ tiếp tục cho đến khi tín hiệu được truyền quay về trạm gửi

ban đầu, khi đó tín hiệu sẽ bị hủy bỏ. Cấu trúc mạch vòng tích cực được chia làm
hai dạng:
 Dạng mạch vòng có điều khiển trung tâm, một trạm chủ sẽ kiểm soát việc
truy nhập đường dẫn của mạng :

Hình 1.9 Mạch vòng tích cực có điều khiển trung tâm.
Đề tài: Mô hình trạm PLC S7-300 điều khiển biến tần Tác giả: Vũ Văn Phương
www.bientan.hnsv.com

17
 Dạng mạch vòng không có điều khiển trung tâm, các trạm đều bình đẳng như
nhau trong việc gửi và nhận dữ liệu. Việc kiểm soát đường dẫn do các trạm
tự đảm nhận và phân chia:

Hình 1.10 Mạch vòng tích cực không có điều khiển trung tâm.
Ưu điểm của cấu trúc này là mỗi một nút mạng là một bộ khuếch đại, nên khi
thiết kế mạng theo kiểu cấu trúc vòng có thể thực hiện với khoảng cách và số trạm
lớn. Mỗi trạm có thể vừa nhận và phát tín hiệu cùng một lúc. Việc liên kết điểm-
điểm đáp ứng được yêu cầu sử dụng các phương tiện truyền tin hiện đại như cáp
quang, tia hồng ngoại,… để truyền dữ liệu. Các kiểu liên kết mạch vòng tích cực
thì việc gán địa chỉ cho các thành viên trong mạng có thể được thực hiện bởi một
máy chủ một cách tự động, căn cứ vào thứ tự sắp xếp vật lý của các trạm trong
mạch vòng.
Một ưu điểm khác của cấu trúc mạch vòng là khả năng xác định vị trí xảy ra sự cố
và cô lập vị trí đó để các trạm khác vẫn làm việc bình thường bằng một dây dự
phòng trong mạng.
Giả sử, một dây chính liên kết giữa các trạm bị đứt thì các trạm lân cận với điểm
xảy ra sự cố sẽ tự phát hiện lỗi đường dây rồi tự động chuyển qua đường dây phụ
và tín hiệu được đi vòng qua đường dây phụ:
Đề tài: Mô hình trạm PLC S7-300 điều khiển biến tần Tác giả: Vũ Văn Phương

www.bientan.hnsv.com

18

Hình 1.11 Sự cố đứt dây giữa hai trạm.
Trong trường hợp khác, khi một trạm bị hỏng thì hai trạm lân cận sẽ bị nối tắt:

Hình 1.12 Nối tắt hai trạm lân cận của trạm bị sự cố.
Khả năng xử lý lỗi như trên là nhờ vào một thiết bị gọi là thiết bị chuyển mạch
(by-pass) tự động, khi bị sự cố thì bộ chuyển mạch tự động phát hiện và ngắn mạch
bỏ qua thiết bị được nối qua nó:

Hình 1.13 Sử dụng bộ chuyển mạch khi thiết bị làm việc
bình thường và lúc sự cố
c, Cấu Trúc Hình Sao
Đề tài: Mô hình trạm PLC S7-300 điều khiển biến tần Tác giả: Vũ Văn Phương
www.bientan.hnsv.com

19
Cấu trúc hình sao là sử dụng một trạm trung tâm làm nhiệm vụ truyền thông cho
cả mạng, các trạm khác được nối gián tiếp với nhau qua trạm trung tâm. Vì vậy,
trạm trung tâm có thể là một trạm chủ tích cực nếu nó kiểm soát toàn bộ truyền
thông của mạng hoặc chỉ là một bộ chuyển mạch thông thường.
Sử dụng cấu trúc hình sao có nhược điểm lớn, đó là khi trạm trung tâm bị sự cố
thì các thiết bị được nối với nó sẽ không hoạt động truyền thông được. Chính vì thế
mà khi sử dụng cấu trúc hình sao thì trạm trung tâm phải có độ tin cậy rất cao.

Hình 1.14 Cấu trúc hình sao

Một nhược điểm nữa của cấu trúc hình sao là tốn dây dẫn nếu khoảng cách các

trạm trong mạng nhỏ hơn khoảng cách từ chúng tới trạm trung tâm. Tuy nhiên, vấn
đề này có thể được khắc phục bằng phương pháp áp dụng kỹ thuật chuyển mạch
trong mạng. Trong nhiều trường hợp một mạng cấu trúc hình sao về mặt vật lý lại
có cấu trúc logic như một hệ Bus bởi các trạm có thể tự do liên lạc như không có sự
tồn tại của trạm trung tâm.
d, Cấu Trúc Cây
Cấu trúc cây không phải là cấu trúc cơ bản mà thực chất là sự liên kết của các
mạng con có cấu trúc Bus, hình sao, mạch vòng,…. Cấu trúc cây là quá trình phân
chia đường trục ra các đường nhánh bằng cách sử dụng các bộ nối tích cực hoặc có
thể tăng số trạm cũng như phạm vi của mạng đồng nhất bằng các bộ lặp. Trường
Đề tài: Mô hình trạm PLC S7-300 điều khiển biến tần Tác giả: Vũ Văn Phương
www.bientan.hnsv.com

20
hợp các mạng con khác loại thì phải dùng các bộ liên kết khác như: Bridge, Router,
Gateway,…:

Hình 1.15 Mô hình cấu trúc cây
Vì thế cấu trúc hình cây là sự phân cấp đường dẫn.
1.2.4 Truy nhập BUS
Trong một mạng có cấu trúc, các thành viên phải chia nhau sử dụng đường
truyền. Để tránh sự xung đột về tín hiệu gây ra sai lệch về thông tin, ở mỗi thời
điểm trên một đường dẫn chỉ duy nhất một tín hiệu được phép truyền đi. Vì vậy,
mạch phải điều khiển sao cho tại một thời điểm nhất định thì chỉ có một thành viên
trong mạng được gửi thông tin, còn số lượng thành viên nhận thông tin trong mạng
thì không hạn chế. Một trong những vấn đề quan trọng hàng đầu ảnh hưởng đến
chất lượng của mỗi hệ thống Bus là phương pháp phân chia thời gian gửi thông tin
trên đường dẫn hay còn gọi là phương pháp truy nhập Bus.
Trong mạng truyền thông công nghiệp, các hệ thống có cấu trúc dạng Bus hay
các hệ thống Bus có vai trò quan trọng nhất do đảm bảo được những lý do:

 Lắp đặt dễ dàng.
 Chi phí dây dẫn thấp.
 Làm việc linh hoạt.
 Khoảng cách truyền vừa và nhỏ.
Đề tài: Mô hình trạm PLC S7-300 điều khiển biến tần Tác giả: Vũ Văn Phương
www.bientan.hnsv.com

21
Đối với một số cấu trúc khác dạng Bus, xung đột tín hiệu vẫn có thể xảy ra, tuy
không hiển nhiên như ở hệ thống Bus. Như với cấu trúc mạch vòng, mỗi trạm
không phải bao giờ cũng có khả năng khống chế hoàn toàn tín hiệu đi qua nó. Hay
ở cấu trúc hình sao có thể trạm trung tâm không có vai trò chủ động mà chỉ là một
bộ phận chia tín hiệu nên khả năng xung đột tín hiệu là không thể tránh khỏi. Vì
thế, trong các hệ thống này ta vẫn cần một biện pháp phân chia quyền truy nhập,
tuy có thể đơn giản hơn so với cấu trúc Bus.
Phương pháp truy nhập Bus là một trong những vấn đề cơ bản đối với các hệ
thống Bus, bởi mỗi phương pháp có những ảnh hưởng khác nhau tới các tính năng
kỹ thuật của hệ thống. Những yêu cầu cụ thể đối với một phương pháp truy nhập
Bus là độ tin cậy, tính năng thời gian thực và hiệu suất sử dụng đường truyền.
Đa số các hệ thống Bus được sử dụng trong lĩnh vực tự động hóa làm việc theo
chu kỳ. Chỉ có một số hoạt động xảy ra bất thường như thông tin cảnh báo, dữ liệu
tham số,…, còn phần lớn các dữ liệu được trao đổi định kỳ theo chu kỳ tuần hoàn
của Bus. Với chu kỳ Bus là khoảng thời gian tối thiểu mà sau đó các hoạt động
truyền thông chính lặp lại như cũ. Trong điều khiển tự động, chu kỳ quét là cơ sở
cho việc chọn chu kỳ lấy mẫu tín hiệu đo hoặc chu kỳ vòng quét cho các PLC đóng
vai trò trạm chủ.
Các yêu cầu về điều khiển truy cập Bus, có hai yêu cầu quan trọng cần chú ý
đến là đối với truyền thông giữa các bộ PLC có cùng trạng thái (Master) phải đảm
bảo rằng mỗi một trạm phải có đủ thời gian để thực hiện xong nhiệm vụ truyền
thông và đối với sự truyền thông trao đổi dữ liệu theo chu kỳ giữa Master và Slave

có càng ít yêu cầu càng tốt.
Có thể phân loại cách truy nhập Bus theo các cấp sau:
Đề tài: Mô hình trạm PLC S7-300 điều khiển biến tần Tác giả: Vũ Văn Phương
www.bientan.hnsv.com

22

Hình 1.16 Phân loại các phương pháp truy nhập Bus
a, Phương Pháp Tiền Định
Với phương pháp này, trình tự truy nhập Bus được quy định rõ ràng. Quá trình
truy nhập Bus được kiểm soát theo cách tập trung ở trạm chủ (phương pháp
Master/Slave), theo quy định trước về thời gian (phương pháp TDMA) hoặc phân
tán bởi các thành viên (Phương pháp Token Passing). Nếu mỗi hoạt động truyền
thông được hạn chế bởi một khoảng thời gian hoặc độ dài dữ liệu nhất định thì thời
gian đáp ứng tối đa cũng như chu kỳ Bus có thể tính toán được. Các hệ thống này
vì thế được gọi là có khả năng thời gian thực.
b, Phương Pháp Ngẫu Nhiên
Ngược lại, trong các phương pháp ngẫu nhiên trình tự truy nhập Bus không
được quy định chặt chẽ trước mà để xảy ra hoàn toàn theo nhu cầu của các trạm.
Mỗi thành viên trong mạng đều có thể thử truy nhập Bus để gửi thông tin đi bất kỳ
lúc nào.
Để loại trừ tác hại của việc xung đột dữ liệu gây nên ta có thể sử dụng các phương
pháp phổ biến nhận biết xung đột (CSMA/CD) hoặc tránh xung đột (CSMA/CA).
Nguyên tắc hoạt động của các phương pháp này là khi có xung đột tín hiệu xảy
ra thì ít nhất một trạm phải ngưng gửi và chờ một khoảng thời gian nào đó trước
khi thử lại, mặc dù khả năng thành công kể cả lúc này cũng không được đảm bảo.
Đề tài: Mô hình trạm PLC S7-300 điều khiển biến tần Tác giả: Vũ Văn Phương
www.bientan.hnsv.com

23

Người ta thường xem các hệ thống sử dụng phương pháp này không có khả năng
thời gian
thực. Tuy nhiên, tùy theo lĩnh vực ứng dụng cụ thể mà tính năng thời gian thực của
một hệ
thống được đánh giá khác nhau.
c, Phương Pháp Master/Slave
Theo phương pháp này một trạm chủ (Master) có trách nhiệm chủ động phân
chia quyền truy nhập Bus cho các trạm tớ (Slave), các trạm tớ đóng vai trò thụ
động, chỉ có quyền truy nhập Bus và gửi thông tin đi khi có yêu cầu. Trạm chủ có
thể dùng phương pháp hỏi tuần tự theo chu kỳ để kiểm soát toàn bộ hoạt động giao
tiếp của cả hệ thống. Nhờ vậy các trạm tớ có thể gửi các dữ liệu thu thập từ quá
trình kỹ thuật tới trạm chủ, cũng như nhận các thông tin điều khiển từ trạm chủ.
Trong một số hệ thống, thậm chí các trạm tớ không có quyền giao tiếp với nhau,
mà bất cứ dữ liệu cần trao đổi nào cũng phải qua trạm chủ. Nếu hoạt động giao tiếp
diễn ra theo chu kỳ, trạm chủ sẽ có trách nhiệm yêu cầu dữ liệu từ trạm tớ cần gửi
và chuyển tới trạm tớ cần nhận. Trường hợp một trạm tớ cần trao đổi dữ liệu bất
thường với một trạm khác thì phải thông báo yêu cầu của mình khi được trạm chủ
hỏi đến và sau đó chờ được đáp ứng.

Hình 1.17 Phương pháp truy nhập Master/Slave
Trình tự được hỏi của các trạm tớ có thể do người sử dụng quy định trước bằng
các công cụ tạo lập cấu hình. Trong trường hợp chỉ có một trạm duy nhất, thời gian
Đề tài: Mô hình trạm PLC S7-300 điều khiển biến tần Tác giả: Vũ Văn Phương
www.bientan.hnsv.com

24
để trạm chủ kết thúc việc hỏi tuần tự một vòng cũng chính là thời gian tối thiểu của
chu kỳ Bus, mà chu kỳ Bus ta có thể tính toán được một cách chính xác. Đây là
một yếu tố thể hiện tính thời gian thực của hệ thống.
Ưu điểm của phương pháp Master/Slave là việc kết nối các trạm tớ đơn giản, đỡ

tốn kém, toàn bộ các chức năng xử lý đều tập trung ở trạm chủ. Ta cũng có thể tích
hợp thêm một số chức năng xử lý khác cho mạng, mà không mấy khó khăn do thiết
bị chủ thường là một thiết bị điều khiển.
Nhược điểm của phương pháp này là hiệu suất trao đổi thông tin giữa các trạm
tớ không cao do phải đi qua khâu trung gian là trạm chủ nên hiệu suất sử dụng
đường truyền cũng giảm theo. Để cải thiện nhược điểm này là cho phép các trạm tớ
trao đổi dữ liệu trực tiếp trong một khả năng kiểm soát được.
Ví dụ, trạm tớ hai muốn chuyển dữ liệu về trạm tớ một trong khi trạm tớ hai lại
được trạm chủ hỏi sau trạm tớ một. Sau khi trạm chủ yêu cầu trạm tớ một nhận dữ
liệu và trạm tớ hai gửi dữ liệu thì trạm tớ hai gửi trực tiếp đến trạm tớ một. Sau khi
trạm tớ một nhận được thông báo kết thúc từ trạm tớ hai thì trạm tớ một gửi thông
báo đã nhận xong dữ liệu ngược về trạm chủ:

Hình 1.18 Trao đổi dữ liệu trực tiếp giữa hai Slave
Đề tài: Mô hình trạm PLC S7-300 điều khiển biến tần Tác giả: Vũ Văn Phương
www.bientan.hnsv.com

25
Một nhược điểm nữa của phương pháp này là độ tin cậy của hệ thống truyền
thông phụ thuộc vào một trạm chủ duy nhất, nên khi có sự cố xảy ra trên trạm chủ
thì hệ thống truyền thông bị tê liệt, cách khắc phục là sử dụng một trạm tớ có vai
trò giám sát trạm chủ và có khả năng thay thế trạm chủ khi cần thiết.
d, Phương Pháp Token Passing
Phương pháp Token Passing đảm bảo quyền chuyển giao quyền truy cập. Token
Passing là một bức điện có cấu trúc đặc biệt để chuyển giao quyền gửi thông tin từ
một Master này đến một Master tiếp theo. Một trạm được quyền truy cập Bus và
gửi thông tin đi chỉ trong thời gian nó giữ Token. Phương pháp Token Passing chỉ
sử dụng ở ProfiBus giữa các Master với nhau. Sau khi không có nhu cầu gửi thông
tin, trạm đang có Token sẽ chuyển quyền Token đến một trạm khác theo một trình
tự nhất định. Nếu trình tự này đúng với trình tự sắp xếp vật lý trong một mạch vòng

thì ta dùng khái niệm Token Ring, còn nếu trình tự quy định chỉ có tính chất logic
như ở cấu trúc Bus thì có Token Bus. Trong mỗi trường hợp đều hình thành một
mạch vòng logic.


a,Token Bus