Bài thí nghiệm mạng công nghiệp

TRƯỜNG ðẠI HỌC BÁCH KHOA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA ðIỆN – ðIỆN TỬ

BÀI THÍ NGHIỆM MẠNG CÔNG NGHIỆP

`
Modbus RTU
Distributed I/O
(11)
PLC (1)
CANopen
module (3)
VSD (9)
3P AC Motor,
0.5Hrs (13)
To PC
Switch 8 ports (15)
Modbus RTU
master
module (8)
CANopen Din
9 terminal (5)
CANopen
splitter (7)
Circuit Breaker 2P (12)
USB progamming cable (2)
Modbus TCP
Distributed I/O (10)
`
CAN cable
1m (6)

Panel, Power supply (14)


I. Mục ñích
Mạng công nghiệp là một vấn ñề truyền thông rất quan trọng trong các hệ thống ñiểu khiển tự
ñộng, ñặc biệt khi hầu hết các hệ thống tự ñộng hóa ngày nay ñều có sự tương tác rất cao giữa
các thiết bị cũng giữa các cấp ñiều khiển: ðó là sự kết nối giữa các thiết bị ở cấp trường như
Sensor, actuator với các bộ ñiểu khiển như PLC hay là kết nối giữa các thiết bị ñiều khiển với
nhau, sự tương tác giữa cấp ñiều khiển và cấp giám sát …vv. Do ñó nghiên cứu, tìm hiểu, và
ứng dụng mạng công nghiệp là yêu cầu tất yếu ñối với các sinh viên nghành tự ñộng hóa. Bài
thí nghiệm này ñược thực hiện với những mục ñích sau:
 Sinh viên nắm rõ các chuẩn truyền thông công nghiệp như RS232, RS485, CAN.
 Sinh viên nắm rõ ñược các giao thức truyền thông phổ biến trong công nghiệp như:
Modbus RTU, Modbus TCP, CANopen.
 Sinh viên biết cách thực hành mạng công nghiệp trên những thiết bị chuẩn công nghiệp
trong thực tế như: PLC, biến tần, Remote I/O
II. Yêu cầu:
• Sinh viên hiểu sơ ñồ ñấu nối của chuẩn truyền RS485, chuẩn CAN và Ethernet.
• Sinh viên hiểu ñược cơ chế giao tiếp của các giao thức truyền thông: Modbus serial
(RTU, ASCII ), Modbus TCP, CANopen.
• Lập trình cho PLC giao tiếp với các thiết bị qua các giao thức trên bao gồm : Giao tiếp
giữa PLC và biến tần Altivar 31 qua mạng CANopen, Giao tiếp PLC va Remote I/O
qua mạng Modbus RTU và Modbus TCP.
III. Chuẩn bị:
ðể hoàn thành tốt bài thí nghiệm sinh viên cần chuẩn bị những kiến thức sau:
1. Tìm hiểu và nắm rõ cấu trúc của một số mạng truyền thông công nghiệp tiêu biểu như:
mạng CAN, CANopen, RS485, Ethernet, Modbus RTU, Modbus TCP. Sinh viên có thể
tìm hiểu thông qua những trang web cũng như tài liệu sau:
 Mạng CAN và CANopen :
• A Comprehensive Guide to Controller Area Network, Wilfried Voss.

• Introduction to Controller Area Network, Texas Instrument.
•
• Controller Area Network, Mercedes Benz.

 Mạng Modbus:
• Introduction to Modbus TCP.
•
2. Tìm hiểu về cách lập trình cho PLC Twido của Schneider Electric.
 Schneider Electric.com

3. Tìm hiêu cách sử dụng biến tần Altivar 312, các thanh ghi Modbus của Ethernet
distributed I/O, Serial distributed I/O. Các thanh ghi CANopen của biến tần Altivar 312

IV. Tóm tắt cơ Sở lý thuyết
Mạng công nghiệp là một vấn ñề tương ñối rộng trong lĩnh vực tự ñộng hóa và ñiều khiển. Có
nhiều chuẩn truyền thông khác nhau cũng như nhiều giao thức khác nhau có thể kể ra ñó là:
Modbus, CAN, CANopen, DeviceNet, ControlNet, Profibus, Interbus, Foundation Fieldbus, AS-
I…vv. Chính vì sự phổ biến của Modbus và sự phát triển ngày càng lớn mạnh của CANopen mà
bài thí nghiệm này sẻ tập trung vào tìm hiểu, phân tích và giới thiệu ñến sinh viên ứng dụng hai
mạng này.
Modbus
Modbus là một trong những giao thức phổ biến nhất trong hệ thống mạng công nghiệp vì tính
ñơn giản và ñộ tin cậy của nó. Modbus thực chất là giao thức nằm ở lớp ứng dụng của mô
hình OSI, do ñó Frame truyền của Modbus có thể ñược truyền trên các chuẩn truyền thông
khác nhau như: RS232, RS485, RS442 và Ethernet. Trên những chuẩn truyền khác nhau mà
ta có các loại:
• Modbus Serial: Bao gồm Modbus RTU và Modbus ASCII ñược truyền trên các chuẩn
truyền thông như: RS232, RS485, RS422.
• Modbus TCP: Truyền trên nền Ethernet.
Modbus quy ñịnh cấu trúc của Frame truyền như sau:










Error checking thường ñược xử lý tại lớp Datalink layer do ñó ñối với người sử dụng chỉ cần

quan tâm ñến việc khai báo ñến phần Address, Function Code và Data của Frame truyền
Address Function Code Data Error Checking
0-255
Modbus. Khi thiết bị Slave trong mạng Modbus nhận ñược Request Frame từ Modbus
Master, thiết bị Slave cũng trả về Frame tương tự trong ñó bao gồm Data trả về tùy thuộc vào
Function code Modbus Master gửi ñi.
Ví dụ sau ñây về cách khai báo Frame truyền của Modbus Master:
PLC ñọc 1 word từ thanh ghi 3021(thanh ghi lưu tốc ñộ của motor) từ biến tần có ñịa chỉ
Slave là 3 thông qua mạng Modbus cần khai báo Frame truyền như sau:







CANopen

PLC

(Modbus
Master)
Address

3
Function Code

03
First
word

3021
Number of word to read

1
Inverter

(Modbus slave)
Address :3
3201: 1000rpm
CRC


Request Frame

Address

3
Function Code

03

No of byte read

2
Value of word read

1000
CRC


Respone Frame

V. Thí nghiệm
Thí nghiệm 1: Khảo sát cách ñấu nối dây cho các chuẩn truyền thông và cài ñặt
các thông số truyền thông cho các thiết bị mạng.
Chuẩn truyền RS485.
Yêu cầu:
• Sinh viên quan sát và vẽ lại cấu trúc mạng RS485 thực tế trong bài thí nghiệm.
• Cài ñặt ñịa chỉ slave của Serial Distributed I/O là 2 trong mạng RS-485 như hình vẽ.
• Cài ñạt tốc ñộ truyền Baudrate 19200 bit/s cho Serial Distributed I/O như hình vẽ.

Hướng dẫn:
• Sinh viên chỉ cần dùng tut vít dẹt xoay các nút ñể thay ñổi ñịa chỉ slave cũng như

baudrate của Serial Distributed I/O.
Chuẩn truyền CAN
Yêu cầu:
• Sinh viên quan sát và vẽ lại cấu trúc mạng CAN thực tế trong bài thí nghiệm.
• Cài ñặt cho biến tần với tín hiệu vào tham chiếu ñiều khiển tốc ñộ thông qua mạng
CAN.
• Cài ñặt ñịa chỉ trong mạng CAN cho biến tần là: 4.
• Cài ñặt tốc ñộ baudrate trong mạng CAN cho biến tần là:500Kbps.
Hướng dẫn:
TT Nội dung
Bước 1 Cài ñặt cho biến tần với tín hiệu vào tham chiếu ñiều khiển tốc ñộ thông qua mạng
CAN.(Mỗi lần chọn xong sinh viên bấm nút ENTER).
- Sinh viên vào Menu CtL -> nhấn ENTER
 Chọn LAC (Level Access) -> Chọn L3.
 Chọn Fr1 (Frequency Reference): nEt



Bước 2 Cài ñặt ñịa chỉ biến tần trong mạng CAN là 4.
- Sinh viên vào menu CON- nhấn ENTER
 AdC0 - > 4
Bước 3 Cài ñặt tốc ñộ baudrate cho biến tần trong mạng CAN
- Sinh viên vào menu CON- nhấn ENTER
 bdC0 - > 500
Chuẩn truyền Ethernet
Yêu cầu:
• Sinh viên quan sát và vẽ lại cấu trúc mạng Ethernet thực tế trong bài thí nghiệm.
• Sinh viên kiểm tra ñịa chỉ IP của Remote I/O ñang là 192.168.1.22.
• Sinh viên kiểm tra ñịa chỉ IP của PLC ñang là 192.168.1.12
Hướng dẫn:

Bước 1

Khai báo ñịa chỉ IP cho máy tính là 192.168.1.10.
Cắm dây mạng và dùng câu lệnh Ping ñể test ñịa chỉ IP của Ethernet
Distributed I/O và PLC Twido.











Thí nghiệm 2: Khảo sát giao thức Mobus RTU trên nền chuẩn truyền RS485.
Yêu cầu:
• Dùng phần mềm Twidosuite ñể lập trình cho PLC Twido giao tiếp với Serial
Distributed I/O thông qua chuẩn truyền RS45 và giao thức Modbus RTU.

Hướng dẫn:
Twido PLC hỗ trợ giao tiếp với thiết bị khác thông qua giao thức modbus RTU trên chuẩn
truyền RS485. Module ñể giao tiếp gắn trên PLC Twido ñó là Serial adapter
TWDNAC485T. Thí nghiệm này sinh viên sẽ khai báo và viết chương trình cho PLC
Twido nhằm mục ñích PLC Twido sẽ biết ñược trạng thái cảm biến gắn vào các ngõ vào
Input của Remote I/O cũng như PLC Twido có thể dùng tín hiệu ñiều khiển ñể xuất ra ngõ
ra Output của Remote I/O thông qua mạng RS485.

TT Nội dung
Bước 1 Dùng chuột nhấp vào module TWDNAC485T ở phía bên phải của màn hình
rồi kéo ra ñặt vào vị trí của như hình dưới.

Bước 2 Khai báo vai trò của Twido PLC là master trong mạng Modbus bằng cách nhấp
chuột phải vào Card TWDNAC485T và khai báo như hình phía dưới.


Bước 3 Kiểm tra xem ñịa chỉ của OTB Remote I/O, nếu không ñúng ñịa chỉ bằng
2 thì xoay hai nút chỉnh ñịa chỉ của Modbus RTU Distributed I/O ñể ñưa
ñịa chỉ của Modbus RTU Distributed I/O về bằng 2.


Bước 4 Viết chương trình phía dưới nhằm mục ñích PLC Twido ñọc ngõ vào của
Modbus RTU Distributed I/O ( ñịa chỉ của Distributed I/O : 2).


Bước 5 Data ( giá trị Input gắn vào Remote I/O) ñọc về ñược lưu vào word %MW7,
sinh viên có thể dùng Manage Animation tables -> tạo mới một table và ghi
giá trị %MW7 vào table vừa tạo ra ñể xem kết quả khi thay ñổi ngõ vào từ
Remote I/O
Bước 6 Viết ñoạn chương trình nhằm mục ñích PLC Twido ñồng thời vừa ñọc tín hiệu
từ Input của Distributed IO vừa xuất tính hiệu ñiều khiển chứa tại thanh ghi
%MW7 ra ngõ ra Output của Remote I/O.
Lưu ý: ñối với yêu cầu này, sinh viên cần phải nắm rõ cơ chế truyền thông:
Trong cùng một thời ñiểm chỉ có thể ñọc về hoặc xuất tín hiệu từ PLC Twido ra
Distributed IO do ñó cần phải có phương pháp phân chia thời gian cho việc ñọc
hoặc việc xuất tín hiệu ñiều khiển ra Distributed I/O. Cách ñơn giản là có thể
dùng timer ñể phân chia thời gian, tuy nhiên nếu ứng dụng cần truyền thông

nhiều Distributed I/O thì việc phân chia thời gian bằng timer phức tạp và hạn
chế. Do ñó ứng dụng ở ñây là dùng hàm MSG2 dùng ñể quản lý truyền thông(
xem thêm phụ lục).










Thí ghiệm 3: Khảo sát giao thức Mobus TCP trên nền chuẩn truyền Ethernet
Yêu cầu:
• Dùng phần mềm Twidosuite ñể lập trình cho PLC Twido giao tiếp với Ethernet
Distributed I/O thông qua chuẩn truyền Ethernet và giao thức Modbus TCP.
Hướng dẫn:
Tương tự như thí nghiệm 2, thí nghiệm 3 dùng phần mềm Twidosuite ñể lập trình cho PLC
Twido ñọc dữ liệu từ Ethernet Distributed I/O bằng lệnh EXCH3. ðối với PLC Twido sử
dụng trong bài thí nghiệm này ñã tích hợp sẵn Ethernet do ñó không cần phải khai báo thêm
module Ethernet. Cách khai báo Modbus Frame như thí nghiệm 2. Sự khác biệt ở chổ là ñịa
chỉ Ethernet bây giờ ñược ánh xạ qua ñịa chỉ của mạng RS485.
Ethernet
Master
Slave
Address
192.168.1.22
Input
Output 100

0
I/O
Modbus
Register
Modbus
TCP
Address
192.168.1.12

TT Nội dung
Bước 1 Khai báo vai trò Slave của Ethernet Distributed I/O trong mạng.

Như vậy ñịa chỉ Slave trong mạng Modbus bây giờ là 1 ( tương ứng với
index: 1) khi khai báo như trên.

Bước 2 Viết chương trình giống như ñã viết ở thí nghiệm 2 chỉ có ñiều thay ñổi lại ñịa
chỉ slave bây giờ là 1 và lệnh EXCH2 bây giờ thay bằng EXCH3.




Thí ghiệm 4: Khảo sát giao thức truyền thông CANopen qua dịch vụ PDO.
CANOpen
cable (4)

Thí nghiệm 4 giúp sinh viên cấu hình và viết chương trình ñể PLC ñiều khiển biến tần
qua mạng CANopen. Trong thí nghiệm này chúng ta sẽ dùng 2 phương pháp cơ bản ñó là
PDO theo cơ chế Producer-Consumer và SDO theo cơ chế Client-Server.
Yêu cầu: Khảo sát truyền thông giữa PLC Twido và biến tần Altivar 312 dùng PDO
Service.

Hướng dẫn:
Trong phương pháp này, việc trao ñổi dữ liệu truyền thông giữa biến tần và PLC Twido
ñược thực hiện một cách real time bởi dịch vụ PDO có nghĩa là:
• PLC Twido truyền các Frame truyền PDO TX6 chứa giá trị hai thanh ghi
Command Word dùng ñể ñiều khiển biến tần và thanh ghi Target Velocity chứa
tốc ñộ ñặt cho biến tần theo chu kỳ xuống biến tần.
• Biến tần truyền các Frame truyền PDO TX6 chứa giá trị bốn thanh ghi: Trạng
Thái Biến Tần, Tốc ðộ Motor biến tần ước lượng, thanh ghi chứa Mã Lỗi của
biến tần và Dòng ðiện tiêu thụ của motor.
ðể hiểu rõ và làm tốt phần này sinh viên phải hiểu rõ phương pháp ñiều khiển biến tần
theo IEC 61800-7 status chart.
TT Nội dung
Bước1 Thêm module CANopen master lắp vào bên hông PLC Twido


Bước 2 Khai báo biến tần Ativar 312 trong mạng CANopen bằng cách kéo catalog
Ativar 31 Basic vào cửa sổ khai báo phần cứng ( Altivar 312 và Altivar 31
cùng dùng chung một cấu hình EDS file).


Bước 3 Khai báo ñịa chỉ biến tần Altivar: bằng cách Nhấp chuột phải vào biểu tượng
biên tần Altivar 31, chọn Address: 4

Bước 4 Khai báo tốc ñộ Baudrate cho bus truyền bằng cách nhấp ñôi chuột vào biểu
tượng Bus truyên.
Baudrate: 500 Kbps


Bước 5 Ánh xạ (maping) Process data objects vào PDO TX và PDO RX. Ở ñây mặc
ñịnh những Object cần thiết cho việc ñiều khiển biến tần ở bên Available

Objects ñã ñược map qua Maped Object do ñó sinh viên chỉ xem ñể biết những
Object nào sẽ là dữ liệu trong quá trình truyền thông:


PDO TX6 chứa 4 Objects bao gồm:
Drive Status Register: Thanh ghi chứa trạng thái biến tần
Control Effort: Thanh ghi chứa tốc ñộ biến tần
Error Code: Thanh ghi chứa lỗi biến tần
Motor Current: Thanh ghi chứa dòng ñiện tiêu thụ của motor
PDO RX6 chứa 2 Objects bao gồm:
Drive Command Register Thanh ghi ñiều khiển biến tần
Target Velocity Thanh ghi chứa tốc ñộ ñặt cho biến tần

Bước 6 Link PDO Objects ở Slave ñến PDO Object ở master.

Bước 7
ðịnh nghĩa tên biến cho các object ñã ñược maped trong phần trước:Ở tab
Program->Program-> Define Symbol hiện ra bẳng symbol như sau:
Used Address Symbol Comment
No

%QWC1.0.0

D_COMMAND_SLAVE_0


No

%IWC1.0.1

D_CONTROL_SLAVE_0


No

%IWC1.0.2

D_IERROR_SLAVE_0


No

%IWC1.0.3

D_MCURRENT_SLAVE_0


No

%IWC1.0.0

D_STATUS_SLAVE_0


No

%QWC1.0.1

D_TARGET_SLAVE_0

Bước 8 Viết chương trình ñể ñiều khiển biến tần theo IEC 61800-7 status chart .
ðoạn chương trình sau dùng ñể ñưa biến tần về trạng thái Ready.



Bước 9 Sau khi biến tần ñã về trạng thái Ready, sinh viên có thể vào Animation Table
xem giá trị của %MW0 bây giờ là 35 (Decimal) hay 23( Hexcimal). Khi biến
tần ñã ñạt ñến trạng thái Ready, sinh viên có thể tiếp tục viết câu lệnh ñể ñiều
khiển biến tần hoạt ñộng theo mong muốn như chạy theo chiều thuận, chiều
ngược, dừng …vv. Sinh viên có thể thay ñổi tốc ñộ của biến tần bằng cách
thay ñổi giá trị của thanh ghi %QWC1.0.1 (Target_Slave_0).
ðoạn chương trình dưới ñây là một ví dụ:

Thí ghiệm 5: Khảo sát giao thức truyền thông CANopen qua giao dịch vụ SDO.
Yêu cầu: Khảo sát truyền thông giữa PLC Twido và biến tần Altivar 312 dùng SDO
service.
Hướng dẫn:
Trong phương pháp này, việc trao ñổi dữ liệu truyền thông giữa biến tần và PLC Twido
trên cơ chế Client-Server. Có nghĩa là PLC sẽ ñóng vai trò Client gửi câu lệnh ñể truy
xuất dữ liệu từ biến tần thông qua mạng CAN. Do ñó việc trao ñổi truyền thông bây giờ
ñược quản lý bởi người lập trình.
ðể làm tốt phần này sinh viên phải tham khảo bảng ñịa chỉ CANopen ñi kèm theo file
Communication Variable.
Lưu ý Sinh viên không nên xóa ñoạn chương trình ñã viết cho dịch vụ PDO mà vẫn giữ
nguyên và viết tiếp ñoạn chương trình trong thí nghiệm này cho dịch vụ SDO.
Trong phần thí nghiệm này sinh viên viết chương trình dùng ñể:
Nội dung Index

Sub
Index
ðọc công suất tiêu thụ của Motor (1%) 2002 C
ðọc về Moment của Motor (1%) 2002 6
Ghi ra thanh ghi ACC tăng giảm thời gian tăng tốc của Motor (0.1s) 203C 2
Ghi ra thanh ghi DEC tăng giảm thời gian giảm tốc của Motor (0.1s) 203C 3


TT Nội dung
Bước 1 Thêm module CANopen master lắp vào bên hông PLC Twido

Bước 2 Khai báo biến tần Ativar 312 trong mạng CANopen bằng cách kéo catalog Ativar 31
Basic vào cửa sổ khai báo phần cứng ( Altivar 312 và Altivar 31 cùng dùng chung một
cấu hình EDS file).