Bài thí nghiệm mạng công nghiệp

Sinh viên nắm rõ ựược các giao thức truyền thông phổ biến trong công nghiệp như: Modbus RTU, Modbus TCP, CANopen.. Ớ Lập trình cho PLC giao tiếp với các thiết bị qua các giao thức trên b

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

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 ựắch

Mạng công nghiệp là một vấn ựề truyền thông rất quan trọng trong các hệ thống ựiểu khiển tự ựộng, ựặc biệt khi hầu hết các hệ thống tự ựộng hóa ngày nay ựều có sự tương tác rất cao giữa các thiết bị cũng giữa các cấp ựiều khiển: đó là sự kết nối giữa các thiết bị ở cấp trường như Sensor, actuator với các bộ ựiểu khiển như PLC hay là kết nối giữa các thiết bị ựiều khiển với nhau, sự tương tác giữa cấp ựiều khiển và cấp giám sát Ầvv Do ựó nghiên cứu, tìm hiểu, và ứng dụng mạng công nghiệp là yêu cầu tất yếu ựối với các sinh viên nghành tự ựộng hóa Bài thắ nghiệm này ựược thực hiện với những mục ựắch sau:

Sinh viên nắm rõ các chuẩn truyền thông công nghiệp như RS232, RS485, CAN

Sinh viên nắm rõ ựược 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:

Ớ Sinh viên hiểu sơ ựồ ựấu nối của chuẩn truyền RS485, chuẩn CAN và Ethernet

Ớ Sinh viên hiểu ựược cơ chế giao tiếp của các giao thức truyền thông: Modbus serial (RTU, ASCII ), Modbus TCP, CANopen

Ớ 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:

để hoàn thành tốt bài thắ 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 :

Ớ A Comprehensive Guide to Controller Area Network, Wilfried Voss.

Ớ Introduction to Controller Area Network, Texas Instrument

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:

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:

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

• 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:

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

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

chỉ Ethernet bây giờ ñược ánh xạ qua ñịa chỉ của mạng RS485

EthernetMaster

SlaveAddress192.168.1.22

Input Output 100

0

Register

Modbus TCP

Address192.168.1.12

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

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

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:

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:

Index

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)

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 Viết chương trình dùng câu lệnh CAN_CMD n %MW x : l:

Lưu ý: Trong phần này, do mỗi lần thực hiện câu lệnh truyền nhận CAN_CMD là mỗi lần thực hiện một giao dịch (Transaction) do ñó chúng ta cần phải phân chia thời gian cho việc ñọc cũng như ghi giá trị từ PLC ra biến tần bằng cách dùng system word %SW81 và các bit nội %M3, %M4, %M5 Sinh viên nên tham khảo thêm cách dùng câu lệnh CAN_CMD và thanh ghi quản lý truyền thông CAN

%SW81

Sinh viên viết chương trình dùng ñể ñọc Moment của Motor:

Bước 6 Sinh viên viết chương trình dùng ñể ñọc công suất tiêu thụ của Motor:

Bước 7 Sinh viên viết chương trình ghi ra giá trị tại word %MW50 nhằm thay ñổi giá trị của

thời gian tăng tốc (ACC time)

Bước 8 Sinh viên viết chương trình ghi ra giá trị tại word %MW52 nhằm thay ñổi giá trị của

thời gian tăng tốc (DEC time)