Phương pháp truy nhập bus được sử dụng mạng truyền thông công nghiệp Modbus tiêu chuẩn

MỤC LỤCDANH MỤC BẢNG....................................................................................................3DANH MỤC HÌNH.....................................................................................................4LỜI NÓI ĐẦU.............................................................................................................. 5LỜI CẢM ƠN..............................................................................................................7CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG TRUYỀN THÔNG CÔNG NGHIỆP......81.1 KHÁI QUÁT CHUNG..........................................................................................81.1.1 Khái niệm mạng truyền thông công nghiệp.................................................81.1.2 Vai trò của mạng truyền thông công nghiệp.................................................81.1.3 Mô hình phân cấp trong mạng truyền thông công nghiệp.............................81.2 ..........CƠ SỞ KỸ THUẬT THỰC HIỆN MẠNG TRUYỀN THÔNG TRONGCÔNG NGHIỆP.........................................................................................................101.2.1 Các khái niệm cơ bản.................................................................................101.2.2 Chế độ truyền tải........................................................................................111.2.3 Truyền đồng bộ và không đồng bộ.............................................................121.2.4 Truyền một chiều và truyền hai chiều........................................................121.3 CẤU TRÚC MẠNG – TOPOLOGY..................................................................131.3.1 Cấu trúc bus................................................................................................131.3.2 Kiến trúc giao thức.....................................................................................151.3.3 Truy nhập bus.............................................................................................151.3.4 Bảo toàn dữ liệu.........................................................................................171.3.5 Kỹ thuật truyền dẫn....................................................................................191.4 CÁC HỆ THỐNG BUS TIÊU BIỂU..................................................................201.4.1 PROFIBUS.................................................................................................201.4.2 CAN...........................................................................................................211.4.3 DEVICENET.............................................................................................211.4.4 MODBUS...................................................................................................211.4.5 INTERBUS................................................................................................211.4.6 AS-I............................................................................................................211.4.7 ETHERNET...............................................................................................221CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG BÀI TOÁN MẠNG TRUYỀN THÔNGCÔNG NGHIỆP.........................................................................................................232.1 ĐẶT BÀI TOÁN..................................................................................................232.2. MẠNG TRUYỀN THÔNG MODBUS..............................................................232.2.1 Cơ chế giao tiếp..........................................................................................232.2.2 Chế độ truyền.............................................................................................242.3 CÁC GIAO THỨC VÀ CHUẨN TRUYỀN THÔNG TRONG MẠNG..........252.3.1 Chuẩn truyền thông RS-232.......................................................................252.3.2 Giao thức USS và các lệnh trong giao thức (USS Protocol).......................282.3.3 Chuẩn truyền thông RS-485.......................................................................322.4 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ PLC S7-200 VÀ BIẾN TẦN MICROMASTER420 CỦA HÃNG SIEMENS......................................................................................332.4.1 PLC S7-200................................................................................................332.4.2 Biến tần MicroMaster 420..........................................................................412.5 KHÁI QUÁT VỀ PHẦN MỀM WINCC, SỬ DỤNG PC ACCESS VÀ GIAOTHỨC OPC ĐỂ KẾT NỐI S7-200 VỚI WINCC....................................................432.5.1 Phần mềm WinCC (Windows Control Center)...........................................432.5.2 Kết nối S7-200 với WinCC........................................................................44CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ THỰC HIỆN.....................................................................483.1 LẮP ĐẶT THIẾT BỊ VÀ ĐẤU NỐI DÂY DẪN CHO MÔ HÌNH..................483.1.1 Danh mục các thiết bị sử dụng trên mô hình..............................................483.1.2 Lắp đặt thiết bị............................................................................................493.2 CÁC BƯỚC CÀI ĐẶT THAM SỐ BIẾN TẦN.................................................50PHỤ LỤC 1 CÁC BẢN VẼ.......................................................................................51PHỤ LỤC 2 CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN, GIAO DIỆN GIÁM SÁT HMI. 52PHỤ LỤC 3 QUY TRÌNH VẬN HÀNH MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN - GIÁM SÁTHỆ THỐNG MẠNG TRUYỀN THÔNG CÔNG NGHIỆP...................................71KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ............................................................................73TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................742DANH MỤC BẢNGBảng 2.1 Chế độ ASCII...............................................................................................25Bảng 2.2 Chế độ RTU...............................................................................................25Bảng 2.3 Các thông số quan trọng của RS-232...........................................................26Bảng 2.4 Mã hóa bit NRZ............................................................................................32Bảng 2.5: Danh mục thiết bị........................................................................................483DANH MỤC HÌNHHình 1.1 Mô hình phân cấp các hệ thống mạng trong công nghiệp..............................9Hình 1.2 Truyền bít song song....................................................................................11Hình 1.3 Truyền bit nối tiếp........................................................................................11Hình 1.4 Truyền một chiều và chuyền hai ciều...........................................................12Hình 1.5 Cấu trúc mạch vòng.....................................................................................14Hình 1.6 Cấu trúc hình sao.........................................................................................14Hình 1.7 Cấu trúc hình cây.........................................................................................15Hình 1.8 Master/Slave.................................................................................................16Hình 1.9 Token Passing..............................................................................................16Hình 2.1 Chu trình yêu cầu đáp ứng...........................................................................24Hình 2.2 Truyền thông RS 232....................................................................................26Hình 2.3 Sơ đồ giắc cắm loại 9 chân.........................................................................27Hình 2.4 Cáp truyền thông giữa PLC với biến tần theo chuẩn RS-485.......................28Hình 2.5 Sơ đồ khối PLC............................................................................................33Hình 2.6 Chọn cổng giao tiếp máy tính và PLC..........................................................37Hình 2.7 Chọn Properties của PC/PPI cable (PPI)....................................................38Hình 2.8 Chọn cổng COM...........................................................................................38Hinh 2.9 Chọn địa chỉ PLC.........................................................................................39Hình 2.10 Dowload, upload........................................................................................39Hình 2.11 Đọc PLC.....................................................................................................39Hình 2.5 Biến tần gián tiếp.........................................................................................42Hình 2.6 Biến tần trực tiếp..........................................................................................42Hình 2.12 Tạo file mới................................................................................................46Hình 2.13 Tạo nút nhấn và thay đổi miền nhớ............................................................47Hình 3.1 Sơ đồ bố trí thiết bị (Phụ lục 1 – Các bản vẽ )..............................................49Hình 3.2 Sơ đồ nối dây (Phụ lục 1 – Các bản vẽ ).......................................................49Hình 3.3 Mô hình hoàn thành.....................................................................................494LỜI NÓI ĐẦUĐất nước ta đang trên đà phát triển thành một nước công nghiệp, từ đó nhữngứng dụng khoa học công nghệ cũng được áp dụng một cách rộng rãi hơn để thay thếdần sức lao động của con người nhằm nâng cao năng suất lao động, đồng thời cũng cắtgiảm được số lượng lao động. Đối với nền giáo dục Việt Nam nói chung và các trườngdạy nghề nói riêng, việc áp dụng các trang thiết bị, máy móc hiện đại vào các trườnghọc cũng là một vấn đề hết sức cần thiết nhằm mục đích giúp sinh viên tiếp thu kiếnthức một cách tốt hơn, được tiếp cận với các trang thiết bị sớm hơn, không còn bỡ ngỡ,đồng thời hoàn thiện các kĩ năng và trở thành các kĩ sư, công nhân kĩ thuật cao sau khira trường.Tuy nhiên, trong các trường học, các cơ sở dạy nghề, việc sử dụng các trang thiếtbị hiện đại để hỗ trợ công tác giảng dạy vẫn còn chưa phổ biến vì nhiều lí do. Chính vìthế mà nhiều sinh viên ra trường không đủ kỹ năng, kiến thức thực tế để làm việc hoặcvẫn chưa có thể hòa nhập được ngay với môi trường làm việc.Trong công nghiệp hiện nay, việc ứng dụng mạng truyền thông để kết nối việcđiều khiển và giám sát các thiết bị, các cơ cấu chấp hành ngày càng được sử dụngnhiều trong các nhà máy, xí nghiệp, các dây chuyền sản xuất. Việc điều khiển cả hệthống bằng máy tính giúp việc giám sát cũng như lưu giữ các giá trị được thuận tiệnhơn. Một thuận lợi là càng ngày càng có nhiều các thiết bị, cơ cấu chấp hành hoặc thiếtbị điều khiển như PLC, biến tần được sử dụng kết nối và giao tiếp trong các chuẩntruyền thông như: Profibus, Modbus, Uss Protocol… Từ những nhu cầu và thực trạngđã trình bày ở trên, nhóm đã thực hiện việc tìm hiểu về mạng truyền thông côngnghiệp theo giao thức truyền thông Modbus và Uss Protocol, từ đó ứng dụng để xâydựng mô hình điều khiển và giám sát truyền thông giữa máy tính, PLC và các biến tầnvới các động cơ làm các cơ cấu chấp hành: “Mô hình điều khiển-giám sát hệ thốngmạng truyền thông trong công nghiệp”. Việc xây dựng nên mô hình vừa có mục đíchtìm hiểu, vừa mang lại cái nhìn trực quan về một hệ thống mạng công nghiệp. Ngoàira, mô hình còn được ứng dụng trong việc giảng dạy trong các trường học, trung tâmdạy nghề.Đồ án “Mô hình điều khiển - giám sát hệ thống mạng truyền thông trong côngnghiệp” của nhóm em gồm những nội dung và các phụ lục sau:Chương 1: Tổng quan về mạng truyền thông trong công nghiệp.Chương 2: Thiết kế và xây dựng bài toán mạng truyền thông trong công nghiệp.Chương 3: Kết quả thực nghiệm.Phụ lục 1: Các sơ đồ, bản vẽ thiết kế.5Phụ lục 2: Chương trình điều khiển, giao diện giám sát.Phụ lục 3: Các thao tác vận hành giám sát mạng truyền thông công nghiệp, kếtluận và khuyến nghị, tài liệu tham khảo.Trong quá trình thực hiện, các thành viên đã tích cực nghiên cứu, tìm hiểu để môhình hoàn thiện nhất. Nhưng do thời gian hạn hẹp và kiến thức vẫn còn hạn chế vàchưa có kinh nghiệm nhiều nên không thể tránh khỏi những sai sót, rất mong sự đónggóp ý kiến bổ sung của các thầy cô và các bạn để đồ án của nhóm em được hoàn thiệnhơn.Chúng em xin chân thành cảm ơn!Nhóm sinh viên thực hiện !6LỜI CẢM ƠNChúng em xin bày tỏ lòng biết ơn đến các thầy cô trong khoa Điện – Điện Tửtrường Cao Đẳng Nghề Công Nghệ Cao Hà Nội đặc biệt là các thầy cô trong bộ mônĐiện Công Nghiệp đã truyền thụ cho chúng em những kiến thức quý báu trong thờigian qua.Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy ĐINH VĂN VƯƠNG giảng viên TrườngCao Đẳng Nghề Công Nghệ Cao Hà Nội đã tận tâm hướng dẫn và cung cấp tài liệu vàtạo mọi điều kiện thuận lợi để nhóm có thể hoàn thành đồ án này.7CHƯƠNG 1TỔNG QUAN VỀỀ MẠNG TRUYỀỀN THÔNG CÔNG NGHIỆP1.1KHÁI QUÁT CHUNG1.1.1 Khái niệm mạng truyềền thông công nghiệpMạng truyền thông công nghiệp hay mạng công nghiệp là một khái niệm chungchỉ các hệ thống mạng truyền thông số, truyền bít nối tiếp, được sử dụng để ghép nốicác thiết bị công nghiệp.1.1.2 Vai trò của mạng truyềền thông công nghiệpGhép nối thiết bị, trao đổi thông tin là một trong những vấn đề quan trọng trongbất cứ một giải pháp tự động hóa nào. Một bộ điều khiển cần được ghép nối với cáccảm biến và cơ cấu chấp hành.Mạng truyền thông công nghiệp đã làm thay đổi hẳn tư duy về thiết kế và tíchhợp hệ thống. Ưu điểm của giải pháp dùng mạng truyền thông công nghiệp khôngnhững nằm ở phương diện kỹ thuật, mà còn nằm ở khía cạnh hiệu quả về kinh tế. Vìvậy, nó được ứng dụng rộng rãi hầu hết trong lĩnh vực công nghiệp, như điều khiểnquá trình, tự động hóa xí nghiệp, điều khiển giao thông… Ưu điểm của sử dụng mạng truyền thông trong công nghiệp: Thay thế được hoàn toàn các hệ thống truyền cũ như : 0 – 20mA, 0-10V… Cho phép làm việc với các sản phẩm của nhiều nhà sản xuất khác nhau. Là hệ thống mở, đồng thời cho phép hiệu chỉnh điều khiển từ phòng điềukhiển trung tâm. Hệ thống hoạt động với độ tin cậy cao hơn. Độ mềm dẻo gần như không có giới hạn. Giá thành thấp. Lượng thông tin truyền tải lớn.1.1.3 Mô hình phân câấp trong mạng truyềền thông công nghiệpĐể sắp xếp, phân loại và phân tích đặc trưng các hệ thống mạng truyền thôngcông nghiệp. Với loại mô hình này, các chức năng được phân thành nhiều cấp khácnhau, được minh họa theo hình sau:8Hình 1.1 Mô hình phân cấp các hệ thống mạng trong công nghiệp Cấp hiện trường:Đây là cấp nằm tại hiện trường và tất nhiên cấp này nằm sát với dây chuyền sảnxuất nhất. các thiết bị chính trong cấp này là Sensor và cơ cấu chấp hành, chúng có thểđược nối mạng trực tiếp hoặc thông qua đường Bus để nối với cấp trên(cấp điềukhiển).Điển hình của Bus trường là: Profibus-DF, Profibus-PA, can, fieldbus, DeviceNet… Cấp điều khiển:Cấp này bao gồm các trạm điều khiển hiện trường (FCS), các bộ điều khiển logiclập trình (PLC), các thiết bị quan sát… Chức năng thu thập các tín hiệu từ hiện trường,thực hiện điều khiển cơ sở, điều khiển logic, tổng hợp dữ liệu…Điển hình của bus hệ thống là: Profibus-FMS, controlNet, Industrial Etherner. Cấp điều khiển giám sát:Các thiết bị trong cấp này bao gồm các trạm giao tiếp người máy HIS, các trạmthiết kế kỹ thuật EWS, và các thiết bị phụ trợ khác. Chức năng của cấp này là thựchiện điều khiển quá trình (Process Control), thực hiện các thuật toán điều khiển tốiưu… Cấp quản lý kỹ thuật và quản ký kinh tế:Thực chất các cấp này rất quan trọng đối với các hoạt động của công ty, tuynhiên yêu cầu về tốc độ trao đổi thông tin cũng như đòi hỏi về thời gian thực là khôngcao, chức năng của các cấp này là quản lý tình trạng hoạt động của các thiết bị trongtoàn hệ thống cũng như hoạch định chiến lược phát triển sản xuất dựa trên tình trạngcủa thiết bị.Một số giao thức dùng trong hệ thống này là Fast Ethernet, TCP/IP.91.2 CƠ SỞ KỸ THUẬT THỰC HIỆN MẠNG TRUYỀN THÔNG TRONGCÔNG NGHIỆP1.2.1 Các khái niệm cơ bản Thông tin.Thông tin là một trong những khái niệm cơ sở nhất trong khoa học kỹ thuật, cũnggiống như vật chất và năng lượng . Các đầu vào cũng như đầu ra của một hệ thống kỹthuật chỉ có thể là vật chất, năng lượng hoặc thông tin. Thông tin là cơ sở cho sự giaotiếp. Thông qua việc giao tiếp mà các đối tác có thêm hiểu biết lẫn nhau hoặc về cùngmột vấn đề, một sự kiện hoặc một hệ thống. Dữ liệu.Dữ liệu là phần thông tin được biểu diễn bằng các dãy bit. Thông tin là một đạilượng khá trừu tượng, vì vậy cần được biểu diễn dưới một hình thức. Khả năng biểudiễn thông tin rất đa dạng có thể qua hình ảnh, chữ viết hoặc cử chỉ…, Dạng biểu diễnthông tin phụ thuộc vào mục đích, tính chất của ứng dụng. Đặc biệt thông tin có thểđược mô tả, hay nói cách khác là được “số lượng hóa” bằng dữ liệu đẻ có thể xử lý vàlưu trữ trong máy tính. Tín hiệu.Việc trao đổi thông tin (giữa người và người, giữa người và máy) hay dữ liệu(giữa máy và máy) chỉ có thể thực hiện được là nhờ tín hiệu. Vì vậy, tín hiệu là diễnbiến của một đại lượng vật lý chứa đựng tham số thông tin/dữ liệu và có thể truyền dẫnđược. Trong lĩnh vực kỹ thuật, các dạng tín diệu thường được dùng là điện, quang, khínén, thủy lực, âm thanh.Các tham số như: Biên độ (điện áp, dòng…), tần số, nhịp xung, độ rộng củaxung, sườn xung, pha, vị trí xung thường được dùng trực tiếp, gián tiếp, hay kết hợp đểbiểu thị nội dung thông tin.Tín hiệu thường được phân thành các dạng sau: Tương tự,liên tục, gián đoạn, rời rạc. Tính năng thời gian thực.Tính năng thời gian thực là một trong những đặc trưng quan trọng nhất đối vớicác hệ thống tự động hóa nói chung và các hệ thống bus trường nói riêng. Sự hoạtđộng bình thường của một hệ thống kỹ thuật làm việc trong thời gian thực không chỉphuc thuộc vào độ chính xác, đúng đắn cúa các kết quả đầu ra, mà còn phụ thuộc vàothời điểm đưa ra kết quả. Để đảm bảo tính năng thời gian thực, một hệ thống bus phảicó những đặc điểm sau đây: Độ nhanh nhạy: Tốc độ truyền thông hữu ích phải đủ nhanh để đáp ứng nhucầu trao đổi dữ liệu trong một giải pháp cụ thể.10 Tính tiền định: Dự đoán trước được về thời gian phản ứng tiêu biểu và thờigian phản ứng chậm nhất với yêu cầu của từng trạm. Độ tin cậy, kịp thời: Đảm bảo tổng thời gian cần cho việc vận chuyển dữ liệumột cách tin cậy giữa các trạm nằm trong một khoảng xác định. Tính bền vững: Có khả năng xử lý sự cố một cách thích hợp để không gây hạithêm cho toàn bộ hệ thống.1.2.2 Chềấ độ truyềền tảiChế độ truyền tải được hiều là phương thức các bit dữ liệu được chuyển giữa cácđối tác truyền thông. Nhìn nhận từ các góc độ khác nhau ta có thể phân biệt các chế độtruyền tải như sau:- Truyền bít song song hoặc truyền bit nối tiếp.- Truyền đồng bộ hoặc không đồng bộ.- Truyền một chiều hay đơn công (simplex), hai chiều toàn phần, hai chiều đồngthời hay song công (duplex, full-duplex) hoặc hai chiều gián đoạn hay bán song công(half-duplex).- Truyền tải dải cơ sở, truyền tải dải mang và tuyền tải dải rộng. Truyền bit song song và truyền bit nối tiếp Truyền bit song songPhương pháp truyền bit song song được dùng phổ biến trong các bus nội bộ củamáy tính như bus địa chỉ, bus dữ liệu và bus điều khiển. Tốc độ truyền tải phụ thuộcvào số các kênh dẫn, hay cũng chính là độ rộng của một bus song song, ví dụ 8 bit, 16bit, 32 bit hay 64 bit. Chính vì nhiều bit được truyền đi đồng thời, vấn đề đồng bộ hóatại nơi phát và nơi nhận tín hiệu phải được giải quyết. Điều này gây trở ngại lớn khikhoảng cách giữa các đối tác truyền thông tăng lên.Hình 1.2 Truyền bít song song Truyền bit nối tiếpVới phương pháp truyền bit nối tiếp, từng bit được chuyển đi một cách tuần tựqua một đường truyền duy nhất. Tuy tốc độ bit có thể bị hạn chế, nhưng cách thực hiệnlại đơn giản, độ tin cậy của dữ liệu cao. Tất cả mạng truyền thông công nghiệp đều sửdụng phương pháp truyền này.Hình 1.3 Truyền bit nối tiếp111.2.3 Truyềền đôềng bộ và không đôềng bộTrong chế độ truyền đồng bộ, các đối tác truyền thông làm việc theo cùng mộtnhịp, tức với cùng tần số và độ lệch pha cố định. Có thể qui định một trạm có vai tròtạo nhịp và dung một đường dây riêng mang nhịp đồng bộ cho các trạm khác.Với chế độ truyền không đồng bộ, bên gửi và bên nhận thông tin không làm việctheo một nhịp chung. Dữ liệu trao đổi thường được chia thành từng nhóm 7 hoặc 8 bit,gọi là ký tự. Các ký tự được chuyển đi vào những thời điểm không đồng đều, vì vậycần thêm hai bit để đánh dấu khởi đầu và kết thúc cho mỗi ký tự. Việc đồng bộ hóađược thực hiện với từng ký tự. Ví dụ, các mạch UART (Universal AsynchornousReceiver/Transmiter) thông dụng dùng bức điện 11 bit, bao gồm 8 bit ký tự, 2 bit khởiđầu cũng như kết thúc và 1 bit kiểm tra lỗi chẵn lẻ.1.2.4 Truyềền một chiềều và truyềền hai chiềềuTrong chế độ truyền một chiều, thông tin chỉ được chuyển đi theo một chiều, mộttrạm chỉ có thể đóng vai trò hoặc bên phát (transmitter) hoặc bên nhận thông tin(receiver) trong suốt quá trình giao tiếp. Có thể nêu một vài ví dụ trong kỹ thuật máytính sử dụng chế độ truyền này như giao diện giữa bàn phím, chuột hoặc màn hình vớimáy tính. Các hệ thống phát thanh và truyền hình cũng là những ví dụ tiêu biểu. Hiểnnhiên, chế độ truyền một chiều hầu như không có vai trò đối với mạng công nghiệp.Chế độ truyền hai chiều gián đoạn cho phép mỗi trạm có thể tham gia gửi hoặcnhận thông tin, nhưng không cùng một lúc. Nhờ vậy thông tin được trao đổi theo cảhai chiều luân phiên trên cùng một đường truyền vật lý. Một ưu điểm của chế độ nàylà không đòi hỏi cấu hình hệ thống phức tạp lắm, trong khi có thể đạt được tốc độtruyền tương đối cao.Với chế độ truyền hai chiều toàn phần mỗi trạm đều có thể gửi và nhận thông tincùng một lúc. Thực chất, chế độ này chỉ khác với chế độ hai chiều gián đoạn ở chỗphải sử dụng hai đường truyền riêng biệt cho thu và phát, tức là khác ở cấu hình hệthống truyền thông. Dễ dàng nhận thấy, chế độ truyền hai chiều toàn phần chỉ thíchhợp với kiểu liên kết điểm-điểm, hay nói cách khác là phù hợp với cấu trúc mạch vòngvà cấu trúc hình sao.Hình 1.4 Truyền một chiều và chuyền hai chiều121.3 CẤẤU TRÚC MẠNG – TOPOLOGYCấu trúc mạng liên quan tới tổ chức và phương thức phối hợp hoạt động giữa cácthành phần trong một hệ thống mạng. Cấu trúc mạng ảnh hưởng tới nhiều tính năng kỹthuật, trong đó có độ tin cậy của hệ thống. Trước khi tìm hiểu về các cấu trúc thôngdụng trong mạng truyền thông công nghiệp, một số định nghĩa cơ bản được đưa radưới đây. Liên kết.Liên kết (link) là mối quan hệ vật lý hoặc logic giữa hai chiều hoặc nhiều đối táctruyền thông. Đối với liên kết vật lý, các đối tác chính là các trạm truyền thông đượcliên kết với nhau qua một môi trường vật lý. Ví dụ các thẻ nối mạng trong máy tínhđiều khiển, các bộ xử lý truyền thông của PLC hoặc các bộ lặp đều là các đối tác vậtlý. Trong trường hợp này, tương ứng với một nút mạng chỉ có một đối tác duy nhất. Có thể phân biệt các kiểu liên kết sau đây: Liên kết điểm-điểm(point to point): Một liên kết chỉ có hai đối tác tham gia.Nếu xét về mặt vật lý thì với một đường truyền chỉ nối hai trạm với nhau. Để xây dựngmột mạng truyền thông trên cơ sở này sẽ cần nhiều đường truyền riêng biệt. Liên kết điểm-nhiều điểm (multi drop): Trong một mối liên kết có nhiều đối táctham gia, tuy nhiên chỉ một đối tác cố định duy nhất (trạm chủ) có khả năng phát trongkhi nhiều đối tác còn lại (các trạm tớ) thu nhận thông tin cùng một lúc. Việc giao tiếptheo chiều ngược lại từ trạm tớ tới trạm chủ chỉ được thực hiện theo kiểu điểm-điểm.Xét về mặt vật lý, nhiều đối tác có thể được nối với nhau qua một cáp chung duy nhất. Liên kết nhiều điểm (multipoint): Trong một mối liên kết có nhiều đối tác thamgia và có thể trao đổi thông tin qua lại tự do theo bất kỳ hướng nào. Bất cứ một đối tácnào cũng có quyền phát và bất cứ trạm nào cũng nghe được. Cũng như kiểu liên kếtđiểm - điểm, có thể sử dụng một cáp dẫn duy nhất để nối mạng giữa các đối tác. Topology.Topology là cấu trúc liên kết của một mạng, hay nói cách khác chính là tổng hợpcủa 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 định nghĩa về tổ chứclogic các mối liên kết giữa các nút mạng.1.3.1 Câấu trúc busTrong cấu trúc đơn giản này, tất cả các thành viên của mạng đều được nối trựctiếp với một đường dẫn chung. Đặc điểm cơ bản của cấu trúc bus là việc sử dụngchung một đường dẫn duy nhất cho tất cả các trạm, vì thế tiệt kiệm được cáp dẫn vàcông lắp đặt.13Có thể phân biệt ba kiểu cấu hình trong cấu trúc bus: daisy-chain và trunkline/drop-line và mạch vòng không tích cực. Hai cấu hình đầu cũng được sắp xếp vàokiểu cấu trúc đường thẳng, bởi hai đầu đường truyền không khép kín. Cấu trúc mạch vòng (tích cực):Cấu trúc mạch vòng được thiết kế sao cho các thành viên trong mạng được nối từđiểm này đến điểm kia một cách tuần tự trong một mạch vòng khép kín. Mỗi thànhviên đều tham gia tích cực vào việc kiểm soát dòng tín hiệu. Khác với cấu trúc đườngthẳng, ở đây tín hiệu được truyền đi theo một chiều qui định Mỗi trạm nhận được dữliệu từ trạm đứng trước và chuyển tiếp sang trạm lân cận đứng sau. Quá trình này đượclặp lại tới khi dữ liệu quay trở về trạm đã gửi, nó sẽ được hủy bỏ.Hình 1.5 Cấu trúc mạch vòng Cấu trúc hình sao:Cấu trúc hình sao là một cấu trúc mạng có một trạm trung tâm quan trọng hơn tấtcả các nút khác, nút này sẽ điều khiển hoạt động truyền thông của toàn mạng. Cácthành viên khác được kết nối gián tiếp với nhau qua mạng trung tâm. Tương tự nhưcấu trúc mạch vòng, có thể nhận thấy ở đây kiểu liên kết về mặt vật lý là điểm-điểm.Tuy nhiên, liên kết về mặt logic vẫn có thể là nhiều điểm. Nếu trạm trung tâm đóng vaitrò tích cực, nó có thể đảm đương nhiệm vụ kiểm soát toàn bộ việc truyền thông mạng,còn nếu không sẽ chỉ như một bộ chuyển mạch.Hình 1.6 Cấu trúc hình sao Cấu trúc cây:Cấu trúc cây thực chất không phải là một cấu trúc cơ bản. Một mạng có cấu trúccây chính là sự liên kết của nhiều mạng con có cấu trúc đường thẳng, mạch vòng hoặchình sao. Đặc trưng của cấu trúc cây là sự phân cấp đường dẫn. Để chia từ đường trụcra các đường nhánh, có thể dùng các bộ nối tích cực (active coupler), hoặc nếu muốntăng số trạm cũng như phạm vi của một mạng đồng nhất có thể dùng các bộ lặp14(repeater). Trong trường hợp các mạng con này hoàn toàn khác loại thì phải dùng tớicác bộ liên kết khác như bridge, router và gateway.Hình 1.7 Cấu trúc hình cây1.3.2 Kiềấn trúc giao thức Kiến trúc giao thức OSI:Trên thực tế, khó có thể xây dựng được một mô hình chi tiết thống nhất về chuẩngiao thức và dịch vụ cho tất cả các hệ thống truyền thông, nhất là khi hệ thống rất đadạng và tồn tại độc lập. Chình vì vậy, năm 1983 tổ chức chuẩn hóa quốc tế ISO đã đưara chuẩn ISO 7498 với mô hình qui chiếu OSI (Open System Interconnection –Reference Model), nhằm hỗ trợ xây dựng các hệ thống truyền thông có khả năngtương tác. Kiến trúc giao thức TCP/IP:TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol) là kết quả nghiên cứuvà phát triển giao thức trong mạng chuyển mạch gói thử nghiệm mang tên Arpanet doARPA (Advanced Research Projects Agency) thuộc Bộ quốc phòng Hoa kỳ tài trợ.Khái niệm TCP/IP dùng để chỉ cả một tập giao thức và dịch vụ truyền thông đượccông nhận thành chuẩn cho Internet. Cho đến nay TCP/IP đã xâm nhập tới rất nhiềuphạm vi ứng dụng khác nhau, trong đó có các mạng máy tính cục bộ và mạng truyềnthông công nghiệp.1.3.3 Truy nhập bus Đặt vấn đề:Trong hệ thống mạng truyền thông công nghiệp thì các hệ thống có cấu trúc dạngbus, hay các hệ thống bus đóng vai trò quan trọng nhất vì những lý do sau:Chi phí ít cho dây dẫn.Dễ thực hiện lắp đặt.Linh hoạt.Thích hợp cho việc truyền dẫn trong phạm vi khoảng cách vừa và nhỏ.15Phương pháp truy nhập bus là một trong những vấn đề cơ bản đối với các hệthống bus, bởi mỗi phương pháp có những ảnh hưởng khác nhau tới các tính năng kỹthuật của hệ thống. Chủ / tớ (Master / Slave):Trong phương pháp chủ/tớ, một trạm chủ (master) có trách nhiệm chủ động phânchia quyền truy cập bus cho các trạm tớ (slave). Các trạm tớ đóng vai trò bị động, chỉcó quyền truy cập bus và gửi tín hiệu đi khi có yêu cầu. Trạm chủ có thể dùng phươngpháp hỏi tuần tự (polling) theo chu kỳ để kiểm soát toàn bộ hoạt động giao tiếp của cảhệ thống. Nhờ vậy, các trạm tớ có thể gửi các dữ liệu thu thập từ quá trình kỹ thuật tớitrạm chủ (có thể là một PLC, một PC, v.v…) cũng như nhận các thông tin điều khiểntừ trạm chủ.Hình 1.8 Master/Slave TDMA:Trong phương pháp kiểm soát truy nhập phân chia thời gian TDMA (TimeDivision Multiple Access), mỗi trạm được phân một thời gian truy nhập bus nhất định.Các trạm có thể lần lượt thay nhau gửi thông tin trong khoảng thời gian cho phép – gọilà khe thời gian hay lát thời gian (time slot, time slice) – theo một tuần tự qui định sẵn. Token Passing:Token là một bức điện ngắn không mang dữ liệu, có cấu trúc đặc biệt để phânbiệt với các bức điện mang thông tin nguồn, được dùng tương tự như một chìa khóa.Một trạm được quyền truy nhập bus và gửi thông tin đi chỉ trong thời gian nó được giữtoken. Sau khi không có nhu cầu gửi thông tin, trạm đang có token sẽ phải gửi tiếp tớimột trạm khác theo một trình tự nhất định.Hình 1.9 Token Passing16 CSMA/CDCSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) là mộtphương pháp nổi tiếng cùng với mạng Ethernet (IEEE 802.3). Nguyên tắc làm việcTheo phương pháp CSMA/CD, mỗi trạm đều có quyền truy nhập bus mà khôngcần một sự kiểm soát nào. Phương pháp được tiến hành như sau:- Mỗi trạm phải tự nghe đường dẫn (carrier sense), nếu đường dẫn rỗi (không cótín hiệu) thì mới được phát.- Do việc lan truyền tín hiệu cần một thời gian nào đó, nên vẫn có khả năng haitrạm cùng phát tín hiệu lên đường dẫn. Chính vì vậy, trong khi phát thì mỗi trạm vẫnphải nghe đường dẫn để so sánh tín hiệu phát đi với tín hiệu nhận được xem có xảy raxung đột hay không (collision detection)- Trong trường hợp xảy ra xung đột, mỗi trạm đều phải hủy bỏ bức điện củamình, chờ một thời gian ngẫu nhiên và thử gửi lại.1.3.4 Bảo toàn dữ liệu Đặt vấn đề:Trong truyền thông công ngiệp, mặc dù đã sử dụng kỹ thuật truyền tín hiệu sốnhưng do tác động của nhiễu và do chất lượng môi trường truyền dẫn mà thông tinđược truyền tải cũng không tránh khỏi bị sai lệch. Vấn đề đặt ra là làm thế nào để hạnchế lỗi cũng như khi đã xảy ra lỗi thì phải có biện pháp khắc phục. Có thể phân loại lỗinhư sau: Lỗi phát hiện được, không sửa được Lỗi phát hiện được nhưng sửa được. Lỗi không phát hiện được.Bảo toàn dữ liệu chính là phương pháp sử dụng xử lý giao thức để phát hiện vàkhắc phục lỗi, trong đó phát hiện lỗi đóng vai trò hang đầu. Khi đã phát hiện được lỗi,có thể có cách khôi phục dữ liệu, hay biện pháp đơn giản hơn là yêu cầu gửi lại dữliệu. Các phương pháp bảo toàn dữ liệu thông dụng là: Parity bit 1 chiều và 2 chiều CRC (Cyclic Redundancy Check) Nhồi bit (Bit stuffing). Mã hóa bit:Mã hóa bit là quá trình chuyển đổi dãy bit (1.0) sang một tín hiệu thích hợp để cóthể truyền dẫn trong môi trường vật lý. Việc chuyển đổi này chính là sử dụng mộttham số thông tin thích hợp để mã hóa dãy bit cần truyền tải. Các tham số thông tin có17thể được chứa đựng trong biên độ, tần số, pha hoặc sườn xung, v.v… Sự thích hợp ởđây phải được đánh giá dựa theo các yêu cầu kỹ thuật như khả năng chống nhiễu cũngnhư gây nhiễu, khả năng đồng bộ hóa và triệt tiêu dòng một chiều. Các tiêu chuẩn trong mã hóa bít bao gồm: Tần số của tín hiệu. Thông tin đồng bộ hóa có trong tín hiệu. Triệt tiêu dòng một chiều. Tính bền vững với nhiễu và khả năng phối hợp nhận biết lỗi. NRZ, RZ.NRZ (Non-Return To Zero) là một trong những phương pháp được sử dụng phổbiến nhất trong các hệ thống bus trường. Thực chất, cả NRZ và RZ đều là các phươngpháp điều chế biên độ xung.Phương pháp RZ (Return to Zero) cũng mã hóa bit 0 và bit 1 với hai mức tín hiệukhác nhau giống như ở NRZ. Tuy nhiên, như cái tên của nó hàm ý, mức tin hiệu caochỉ tồn tại trong nửa đầu của chu ký bit T, sau đó quay trở lại 0. Tần số cao nhất củatín hiệu chính bằng tần số nhịp bus. Giống như NRZ, tín hiệu của RZ không mangthông tin đồng bộ hóa, không có khả năng đồng tải nguồn. Mã Manchester:Mã Manchester và các dạng dẫn xuất của nó không những được sử dụng rất rộngrãi trong truyền thông công nghiệp, mà còn phổ biến trong các hệ thống truyền dữ liệukhác. Thực chất, đây là một trong các phương pháp điều chế pha xung, tham số thôngtin được thể hiện qua các sườn xung. Bit 1 được mã hóa bằng sườn lên, bit 0 bằngsườn xuống của xung ở giữa chu kỳ bit T, hoặc ngược lại (Manchester-II). AFP:Với phương pháp xung sườn xoay chiều AFP (Alternate Flanked Pulse, xungsườn xoay chiều), mỗi sự thay đổi trạng thái logic được đánh dấu bằng một xung cócực thay đổi luân phiên (xung xoay chiều). Có thể sắp xếp AFP thuộc nhóm cácphương pháp điều chế vị trí xung. Ví dụ, thay đổi từ bit 0 sang 1 được mã hóa bằngmột xung sườn lên, từ 1 sang 0 bằng một xung sườn xuống (hoặc có thể ngược lại). FSK:Trong phương pháp điều chế dịch tần số FSK (Frequency Shift Keying), hai tầnsố khác nhau được dùng để mã hóa các trạng thái logic 0 và 1.181.3.5 Kyỹ thuật truyềền dâỹn Các chuẩn truyền dẫn TIA/EIA:EIA (Electronic Industry Association) và TIA (Telecommunication IndustryAssociation) là các hiệp hội đã xây dựng và phát triển một số chuẩn giao diện chotruyền thông công nghiệp, trong đó có các chuẩn truyền dẫn nối tiếp. Theo nghĩatruyền thống, một chuẩn truyền dẫn nối tiếp trước hết được hiểu là quy định đượcthống nhất về giao diện vật lý giữa các thiết bị truyền dữ liệu (Data CommunicationEquipment, DCE) và thiết bị cuối xử lý dữ liệu (Data Terminal Equipment, DTE). Mộtví dụ tiêu biểu của giao diện DTE/DEC là chuẩn RS-232 giữa máy tính và Modem.Các chuẩn truyền thông công nghiệp được sử dụng rộng rãi nhất là EIA/TIA-232,EIA/TIA-422 và đặc biệt là EIA/TIA-485. RS-232:RS-232 lúc đầu được xây dựng phục vụ chủ yếu trong việc ghép nối điểm - điểmgiữa hai thiết bị đầu cuối (DTE), ví dụ giữa hai máy tính (PC,PLC,v.v…), giữa máytính và máy in, giữa máy tính và Modem.Mặc dù tính năng hạn chế, RS-232 là một trong các chuẩn tín hiệu có từ lâu nhất,vì thế được sử dụng rất rộng rãi. Ngày nay, mỗi máy tính cá nhân đều có một vài cổngRS-232 (cổng COM), có thể sử dụng tự do với các thiết bị ngoại vi hoặc với máy tínhkhác. Nhiều thiết bị công nghiệp cũng tích hợp cổng RS-232 phục vụ lập trình hoặctham số hóa. RS-422:Khác với RS-232, RS-422 sử dụng tín hiệu điện áp chênh lệch đối xứng giữa haidây dẫn A và B, nhờ vậy giảm được nhiễu và cho phép tăng chiều dài dây dẫn mộtcách đáng kể. RS-422 thích hợp cho phạm vi truyền dẫn tới 1200 mét mà không cầnbộ lặp. Điện áp chênh lệch dương ứng với trạng thái logic 0 và âm ứng với trạng tháilogic 1. Điện áp chênh lệch ở đầu vào bên nhận có thể xuống tới 200mV.Trong cấu hình ghép nối tối thiểu cho RS-422 cần một dây đôi dùng truyền dẫntín hiệu. Trong cấu hình này chỉ có thể dùng phương pháp truyền một chiều (simplex)hoặc hai chiều gián đoạn (half-duplex), tức trong một thời điểm chỉ có một tín hiệuduy nhất được truyền đi. Để thực hiện truyền hai chiều toàn phần (full-duplex) ta cầnhai đôi dây. RS-485 Đặc tính điện học:Về đặc tính điện học, RS-485 và RS-422 giống nhau về cơ bản. TS-485 cũng sửdụng tín hiệu điện áp chênh lệch đối xứng giữa hai dây dẫn A và B. Ngưỡng giới hạn19qui định cho VCM đối với RS-485 được nới rộng ra khoảng -7V đến 12V, cũng nhưtrở kháng đầu vào cho phép lớn gấp ba lần so với RS-422.Đặc tính khác nhau cơ bản của RS-485 so với RS-422 là khả năng ghép nối nhiềuđiểm, vì thế được dùng phổ biến trong hệ thống bus trường. Cụ thể 32 trạm có thểtham gia ghép nối, được định địa chỉ và giao tiếp đồng thời trong một đoạn RS-485 màkhông cần bộ lặp. Tốc độ truyền tải và chiều dài dây dẫn:Cũng như RS-422, RS-485 cho phép khoảng cách tối đa giữa trạm đầu và trạmcuối trong một đoạn mạng là 1200 mét, không phụ thuộc vào số trạm tham gia. Tốc độtruyền dẫn tối đa có thể lên tới 10Mbit/s, một số hệ thống gần đây có khả năng làmviệc với tốc độ 12Mbit/s. Tuy nhiên có sự ràng buộc giữa tốc độ truyền dẫn tối đa vàđộ dài dây dẫn cho phép, tức là một mạng dài 1200m không thể làm việc với tốc độ10MBd. Quan hệ giữa chúng phụ thuộc nhiều vào chất lượng cáp dẫn được dùng cũngnhư phụ thuộc vào việc đánh giá chất lượng tín hiệu. Cấu hình mạng:RS-485 là chuẩn duy nhất do EIA đưa ra mà có khả năng truyền thông đa điểmthực sự chỉ dùng một đường dẫn chung duy nhất, được gọi là bus. Chính vì vậy mà nóđược dùng làm chuẩn cho lớp vật lý ở đa số các hệ thống bus hiện thời. Cáp nối:RS-485 không phải là một chuẩn trọn vẹn mà chỉ là một chuẩn về đặc tính điệnhọc, vì vậy không đưa ra các quy định cho cáp nối cũng như các bộ nối. Có thể dùngđôi dây xoắn, cáp trơn hoặc các loại cáp khác, tuy nhiên đôi dây xoắn vẫn là loại cápđược sử dụng phổ biến nhất nhờ đặc trưng chống tạp nhiễu và xuyên âm.1.4 CÁC HỆ THÔẤNG BUS TIỀU BIỂU1.4.1 PROFIBUSProfibus (Process Field Bus) là một hệ thống bus trường được phát triển tại Đứctừ năm 1987, do 21 công ty và cơ quan nghiên cứu hợp tác. Sau khi được chuẩn hóaquốc gia với DIN 19245, PROFIBUS đã trở thành chuẩn châu Âu EN 50 170 trongnăm 1996 và chuẩn quốc tế IEC 61158 vào cuối năm 1999. Bên cạnh đó, PROFIBUScòn được đưa vào trong chuẩn IEC 61784 – một chuẩn mở rộng trên cơ sở IEC 61158cho các hệ thống sản xuất công nghiệp. Với sự ra đời của các chuẩn mới IEC 61158 vàIEC 61784 gần đây, PROFIBUS không chỉ dừng lại là một hệ thống truyền thông, màcòn được coi là một công nghệ tự động hóa.PROFIBUS định nghĩa ba loại giao thức là PROFIBUS-FMS, PROFIBUS-DP,PROFIBUS-PA.201.4.2 CANCAN (Controller Area Network) xuất phát là một phát triển chung của hai hãngBosch và Intel phục vụ việc nối mạng trong các phương tiện giao thông cơ giới để thaythế cách nối điểm-điểm cổ điển, sau được chuẩn hóa quốc tế trong ISO 11898.1.4.3 DEVICENETDiviceNet là một thệ thống bus được hãng Allen-Bradley phát triển dựa trên cơsở của CAN, dùng nối mạng cho các thiết bị đơn giản ở cấp chấp hành. Sau này, chuẩnDeviceNet đã được chuyển sang dạng mở dưới sự quản lý của hiệp hội ODVA (OpenDeviceNet Vendor Association) và được dự thảo chuẩn hóa IEC 62026-3.1.4.4 MODBUSModbus là một giao thức do hãng Modicon (sau này thuộc AEG và SchneiderAutomation) phát triển. Theo mô hình ISO/OSI thì Modbus thực chất là một chuẩngiao thức và dịch vụ thuộc lớp ứng dụng, vì vậy có thể được thực hiện trên các cơ chếvận chuyển cấp thấp như TCP/IP, MAP (Manufacturing Message Protocol), ModbusPlus và ngay cả qua đường truyền nối tiếp RS-232.Các chế độ truyền dẫn của Modbus gồm có ASCII, RTU.1.4.5 INTERBUSInterbus là một phát triển của hãng Phoenix Contact, nhưng đã nhanh chóngthành công trên cả phương tiện ứng dụng và chuẩn hóa. Ưu thế đặc biệt củaINTERBUS là khả năng kết mạng nhiều chủng loại thiết bị khác nhau và giá thành vừaphải, trong khi các đặc tích thời gian không thua kém các hệ thống khác. INTERBUScó thể dùng xuyên suốt cho một hệ thống phân tán phức tạp, không phụ thuộc vào môhình phân cấp. Tuy nhiên, trọng tâm ứng dụng của INTERBUS nằm ở cấp chấp hànhtrong các hệ thống tự động hóa xí nghiệp, vì vậy được xếp vào phạm trù bus cảmbiến/chấp hành. Đặc biệt, kết hợp với xu hướng điều khiển dùng máy tính cá nhân,INTERBUS là một giải pháp rất đáng quan tâm.1.4.6 AS-IAS-I (Actuator Sensor Interface) là kết quả phát triển hợp tác của 11 hãng sảnxuất các thiết bị cảm biến và cơ cấu chấp hành có tên tuổi trong công nghiệp, trong đócó Siemens AG, Festo KG, Pepperl & Fuchs GmbH. Như tên gọi của nó phần nào diễntả, mục đích sử dụng duy nhất của AS-I là kết nối các thiết bị cảm biến và chấp hànhsố với cấp điều khiển. Từ một thực tế là hơn 80% cảm biến và cơ cấu chấp hành trongmột hệ thống máy móc làm việc với các biến logic, cho nên việc nối mạng chúng trướcphải đáp ứng được yêu cầu về giá thành thấp cũng như lắp đặt, vận hành và bảo dưỡngđơn giản.211.4.7 ETHERNETEthernet là kiểu mạng cục bộ (LAN) được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay. Thựcchất Ethernet chỉ là mạng cấp dưới (lớp vật lý và một phần lớp liên kết dữ liệu), vì vậycó thể sử dụng các giao thức khác nhau ở phía trên, trong đó TCP/IP là tập giao thứcđược sử dụng phổ biến nhất. Tuy vậy, mỗi nhà cung cấp sản phẩm có thể thực hiệngiao thức riêng hoặc theo một chuẩn quốc tế cho giải pháp của mình trên cơ sởEthernet. Các hệ thống bus tiêu biểu khác:Foundation FieldbusHigh Speed EthernetIndustrial Ethernet22CHƯƠNG 2THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG BÀI TOÁN MẠNG TRUYỀN THÔNG CÔNGNGHIỆP2.1 ĐẶT BÀI TOÁNThiết kế hệ thống điều khiển – giám sát mạng truyền thông công nghiệp sử dụngPLC S7-200 và biến tần MicroMaster 420 của SIEMENS:- PLC Master: khởi động, dừng hệ thống. Điều khiển giám sát PLC Slave1, PLCSlave2 thông qua chuẩn truyền thông Modbus và USS.- PLC Slave1: Được điều khiển bởi PLC Slave2 và PLC Master thông qua chuẩntruyền thông Modbus, hoạt động với 2 chế độ auto và manual. Điều khiển biến tần 1và biến tần 2, điều khiển động cơ hoạt động với các cấp tốc độ khác nhau theo chuẩntruyền thông USS.- PLC Slave2: Được điều khiển bởi PLC Slave1 và PLC Master thông qua chuẩntruyền thông Modbus, hoạt động với 2 chế độ auto và manual. Điều khiển biến tần 3và biến tần 4, điều khiển động cơ hoạt động tuần tự thông qua chuẩn truyền thôngUSS.2.2. MẠNG TRUYỀỀN THÔNG MODBUS2.2.1 Cơ chềấ giao tiềấpCơ chế giao tiếp ở Modbus phụ thuộc vào hệ thống truyền thông cấp thấp. Cụthể, 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 chuẩnCác cổng modbus chuẩn trên các bộ điều khiển của Modicon cũng như một sốnhà sản xuất khác sử dụng giao diện nối tiếp RS-232. Các bộ phận điều khiển này cóthể được nối mạng trực tiếp hoặc qua Modem. Các trạm Modbus giao tiếp với nhauqua cơ chế chủ/tớ (Master/Slave), trong đó chỉ một thiết bị chủ có thể chủ động gửiyêu cầu, còn các thiết bị tớ sẽ đáp ứng bằng dữ liệu trả lại hoặc thực hiện một hànhđộng nhất định theo như yêu cầu. Các thiết bị chủ thông thường là các máy tính điềukhiển trung tâm và các thiết bị lập trình, trong khi các thiết bị tớ có thể là PLC hoặccác bộ điều khiển số chuyên dụng khác.Một trạm chủ có thể gửi thông báo yêu cầu tới riêng một trạm tớ nhất định, hoặcgửi thông báo đồng loạt (broadcast) tới tất cả các trạm tớ. Chỉ trong trường hợp nhậnđược yêu cầu riêng, các trạm tớ mới gửi thông báo đáp ứng trả lại trạm chủ. Trong mộtthông 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.23 Modbus trên các mạng khácVới một số mạng như Modbus Plus và MAP sử dụng Modbus là giao thức cholớp ứng dụng, các thiết bị có thể giao tiếp theo cơ chế riêng của mạng đó. Ví dụ giaotiếp tay đôi (Peer to peer), mỗi bộ điều khiển có thể đóng vai trò là chủ hoặc tớ trongcác lần giao dịch (một chu kỳ yêu cầu - đáp ứng) khác nhau. Một trạm có thể cùng mộtlúc có quan hệ logic với nhiều đối tác, vì vậy nó có thể đồng thời đóng vai trò là chủvà tớ trong các giao dịch khác nhau.Nhìn nhận ở mức giao tiếp thông báo, giao thức Modbus vẫn tuân theo nguyêntắc chủ/tớ mặc dù phương pháp giao tiếp mạng cấp thấp có thể là tay đôi. Khi một bộđiều khiển gửi một yêu cầu thông báo thì nó sẽ đóng vai trò là chủ và đợi đáp ứng từmột thiết bị tớ. Ngược lại, một bộ điều khiển sẽ đóng vai trò là tớ nếu nó nhận đượcthông báo yêu cầu từ một trạm khác và phải gửi trả lại đáp ứng. Chu trình yêu cầu - đáp ứngMột 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. Ví dụ mãhàm 03 yêu cầu trạm tớ đọc nội dung các thanh ghi lưu trữ và trả lại kết quả.- Dữ liệu chứa các thông tin bổ sung mà trạm tớ cần cho việc thực hiện hàm đượcgọi. Trong trường hợp đọc thanh ghi, dữ liệu này chỉ rõ thanh ghi đầu tiên và số lượngcác thanh ghi cần đọc.- Thông tin kiểm lỗi giúp trạm tớ kiểm tra độ vẹn toàn của nội dung thông báonhận được.Hình 2.1 Chu trình yêu cầu đáp ứng2.2.2 Chềấ độ truyềền Chế độ ASCIIKhi các thiết bị trong một mạng Modbus chuẩn giao tiếp với chế độ ASCII(American Standard Code for Information Interchange), mỗi byte trong thông báođược gửi thành hai ký tự ASCII 7 bit, trong đó mỗi ký tự biểu diễn một chữ số hex. Ưuđiểm của chế độ truyền này là nó cho phép một khoảng thời gian trống tối đa một giây24giữa hai ký tự mà không gây ra lỗi. Cấu trúc một ký tự khung gửi đi được thể hiện nhưsau:Bảng 2.1 Chế độ ASCII 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 vàA-F), trong đó bit cấp thấp nhất được gửi đi trước.- 1 bit parity chẵn/lẻ, nếu sử dụng parity- 1 bit kết thúc (Stopbit) nếu sử dụng parity hoặc 2 bit kết thúc nếu không sửdụng parity Chế độ RTUKhi các thiết bị trong một mạng Modbus chuẩn được đặt chế độ RTU (RemoteTerminal Unit), mỗi byte trong thông báo được gửi thành một ký tự 8 bit. Ưu điểmchính của chế độ truyền này so với chế độ ASCII là hiệu suất cao hơn. Tuy nhiên, mỗithông báo phải được truyền thành một dòng liên tục. Cấu trúc một ký tự khung gửi điđược thể hiện như sau:Bảng 2.2 Chế độ RTU 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 sửdụng parity.2.3 CÁC GIAO THỨC VÀ CHUẨN TRUYỀỀN THÔNG TRONG MẠNG2.3.1 Chuẩn truyềền thông RS-232Như đã nói ở trên RS-232 (tương ứng với chuẩn châu Âu là CCITT V.24) làchuẩn truyền thông kết nối theo dạng point to point (điểm - điểm) và sử dụng phươngthức truyền hai chiều toàn phần.Khoảng cách truyền không quá 15m và tốc độ truyền dưới 20Kb/s.25