Xây dựng module truyền thông không dây cho PLC theo chuẩn ZigBee

Trong những năm gần đây, sự phát triển vượt bậc của công nghệ vi điện tử, công nghệ chế tạo và công nghệ thông tin & truyền thông đã tạo động lực thúc đẩy mạnh mẽ cho việc phát triển các hệ thống thông minh ở nhiều lĩnh vực của xã hội từ công nghiệp, nông nghiệp, từ quốc phòng dân dụng, và từ quản lý đến giải trí. Đồng thời, với xu thế IoT (Internet of Things) và WoT (Web of Things) đã mở ra rất 2nhiều thuận lợi cho việc nghiên cứu, xây dựng và triển khai sản phẩm ứng dụng hệ thống thông minh trên toàn cầu, trong đó hệ thống cảm biến đóng vài trò quan trọng trong hệ thống thông minh này.Lĩnh vực mạng cảm biến, cũng như mạng cảm biến không dây được cả cộng đồng khoa học và cộng đồng doanh nghiệp, tập đoàn quan tâm đầu tư nghiên cứu và phát triển bởi việc ứng dụng ứng tất yếu và phổ biến trong nhiều xã hội như trong hệ thống điện tử, điện -điện tử dân dụng, hệ thống đảm bảo an toàn vệ sinh thực phẩm, dây truyền công nghiệp, công nghệ ôtô, hệ thống giám sát khí hậu, môi trường thủy sản, nông lâm nghiệp và y tế.Chính vì vậy, việc thực hiện đểtài “Xây dựng module truyền thông không dây cho PLC theo chuẩn ZigBee” là rất cần thiết nhằm góp phần bổsung kiến thức lý thuyếtvà thực hành cho các môn học liên quan của sinh viên ngành Công nghệkỹthuật điện -điện tử, Công nghệkỹthuật điều khiển và tựđộng hóa. Đồng thời là nền tảng đểphát triển các ứng dụng trong đời sống

MỤC LỤC

MỤC LỤC i

DANH MỤC HÌNH ẢNH iii

DANH MỤC BẢNG BIỂU v

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 4

1.1 Tổng quan về truyền thông 4

1.1.1 Giới thiệu về mạng truyền thông công nghiệp 4

1.1.2 Vai trò của mạng truyền thông công nghiệp 5

1.1.3 Chế độ truyền tải của mạng truyền thông công nghiệp 6

1.1.4 Giao thức Modbus 7

1.2 Tổng quan về mạng cảm biến không dây 9

1.2.1 Giới thiệu về mạng cảm biến không dây 9

1.2.2 Cấu trúc mạng cảm biến không dây 10

1.2.3 Đặc điểm cấu trúc mạng cảm biến không dây 11

1.2.4 Kiến trúc mạng cảm biến không dây 13

1.2.5 Ứng dụng mạng cảm biến không dây 15

1.3 Tổng quan công nghệ truyền thông ZigBee 17

1.3.1 Giới thiệu công nghệ truyền thông ZigBee 17

1.3.2 Một số đặc điểm công nghệ ZigBee 18

1.3.3 Cấu trúc giao thức ZigBee 19

1.3.4 Những phần tử cơ bản trong ZigBee 20

1.3.5 Cấu trúc liên kết mạng 21

CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH THIẾT KẾ HỆ THỐNG 23

2.1 Khảo sát hệ thống SCADA dây chuyền lắp ráp sản phẩm ứng dụng công nghệ có dây 23

2.2 Mô hình hệ thống SCADA ứng dụng công nghệ không dây 25

2.3 Phân tích hệ thống 26

2.3.2 Sơ đồ khối Data Collection Node (DCN) 26

2.3.3 Sơ đồ khối Gateway Node (GN) 27

2.3.4 Tính chọn các thiết bị sử dụng trong hệ thống 27

2.4 Thiết kế phần cứng, giao diện HMI/WINCC 39

2.4.1 Thiết kế phần cứng 39

2.4.2 Thiết kế giao diện HMI KTP400 45

2.4.3 Thiết kế giao diện WinCC Flexible 46

2.5 Lưu đồ thuật toán 46

2.6 Cấu hình cho thiết bị 49

2.6.1 Cấu hình cho thiết bị DCN 49

2.6.2 Cấu hình cho thiết bị GN 50

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG 52

3.1 Kết quả các node không dây 52

3.1.1 Hình ảnh hoàn thiện Module truyền thông không dây (WCM) 52

3.1.2 Hình ảnh hoàn thiện thiết bị DCN 52

3.1.3 Hình ảnh hoàn thiện thiết bị GN 52

3.1.4 Vận hành hệ thống 53

3.2 Kết quả giao diện giám sát và điều khiển 53

3.2.1 Giao diện giám sát và điều khiển trên HMI KTP-400 53

3.2.2 Giao diện giám sát và điều khiển trên WinCC Flexible 53

3.3 Đánh giá 54

3.3.1 Đánh giá khoảng cách truyền giữa các nút trong mạng 54

3.3.2 Đánh giá mở rộng tầm hoạt động 55

3.3.3 Đánh giá khả năng định tuyến 56

3.3.4 Đánh giá tỷ lệ truyền/nhận gói tin 56

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 59

TÀI LIỆU THAM KHẢO 60

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1: Nối dây truyền thông (a) và nối mạng công ngiệp (b) 5

Hình 1.2: truyền bit song song 6

Hình 1.3: truyền bít nối tiếp 7

Hình 1.4: Quá trình truyền thông dữ liệu 7

Hình 1.5: Sơ đồ ghép nối mạng Modbus 8

Hình 1 6: Mô hình mạng cảm biến không dây 10

Hình 1 7: Cấu trúc nút cảm biến 11

Hình 1 8: Kiến trúc mạng đơn bước 14

Hình 1 9: Kiến trúc mạng đa bước 14

Hình 1 10: Kiến trúc mạng hỗn hợp 15

Hình 1 11: Ứng dụng trong nông nghiệp 16

Hình 1 12: Băng tần của chuẩn ZigBee 17

Hình 1 13: Cấu trúc giao thức 19

Hình 1 14: Cấu trúc mạng hình sao 21

Hình 1 15: Cấu trúc mạng hình lưới 22

Hình 1 16: Cấu trúc mạng hình cây 22

Hình 2 1: Mô hình SCADA dây chuyền lắp ráp sản phẩm 23

Hình 2 2: Mô hình mạng lắp SCADA dây chuyền lắp ráp sản phẩm 23

Hình 2 3: Sơ đồ hệ thống mạng truyền thông không dây 25

Hình 2 4: Sơ đồ khối module truyền thông không dây 26

Hình 2 5: Sơ đồ khối DCN 26

Hình 2 6: Sơ đồ khối GN 27

Hình 2 8: Adapter 12VDC - 2A 28

Hình 2 9: Cấu tạo của S7-1200 29

Hình 2 10: Cảm biến nhiệt độ PT100 31

Hình 2 11: Cảm biến DHT11 32

Hình 2 12: Module chuyển đổi tín hiệu dòng áp HW-685 33

Hình 2 13: Module chuyển đổi tín hiệu 4-20Ma 34

Hình 2 15: Arduino Uno R3 35

Hình 2 16: Module Xbee 38

Hình 2 17: Hình ảnh màn hình HMI- KTP400 của siemens 38

Hình 2 18: Sơ đồ nguyên lý thiết bị WCM 39

Hình 2 19: Sơ đồ nguyên lý thiết bị DCN kết nối PLC 41

Hình 2 20: Sơ đồ nguyên lý thiết bị DCN với cảm biến DHT11 42

Hình 2 21: Sơ đồ nguyên lý thiết bị GN 44

Hình 2 22: Giao diện HMI_1 giám sát thu thập dữ liệu 45

Hình 2 23: Giao diện WinCC_1 giám sát dữ liệu 46

Hình 2 24: Lưu đồ truyền thông không dây node mạng WCM-DCN và WCM-GN 47

Hình 2 25: Lưu đồ truyền dữ liệu node DCN 1 và node WCM-DCN 1truyền dữ liệu 47 Hình 2 26: Lưu đồ truyền dữ liệu node WCM-DCN 2 với DHT11 48

Hình 2 27: Lưu đồ truyền nhận dữ liệu node GN và WCM-GN 48

Hình 2 28: Khối lệnh MB_CLIENT của DCN 49

Hình 2 29: Data_block_1 của DCN 50

Hình 2 30: Data_block_2 của DCN 50

Hình 2 31: khối lệnh nhận và truyền dữ liệu MB_CLIENT của GN 50

Hình 2 32: Khối nhận Data_block_2 của GN 51

Hình 3 1: Hình ảnh Module truyền thông không dây (WCM) 52

Hình 3 2: Hình ảnh thiết bị DCN có PLC 52

Hình 3 3: Hình ảnh thiết bị GN 52

Hình 3 4: Hình ảnh tổng quát mô hình hệ thống 53

Hình 3 5: Nhiệt độ hiển thị trên HMI 53

Hình 3 6: Giá trị nhiệt độ trên WinCC 54

Hình 3 7: Khoảng cách truyền/nhận giữa hai nút trong mạng 55

Hình 3 8: Khoảng cách truyền/nhận giữa hai nút 55

Hình 3 9: Mô hình mở rộng hoạt động 55

Hình 3 10: Mô hình mạng phục hồi liên kết 56

Hình 3 11: Tỷ lệ truyền nhận gói tin ở khoảng cách 20 m không có vật cản 57

Hình 3 12: Tỷ lệ truyền nhận gói tin ở khoảng cách 20 m có vật cản 57

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1 1: Băng tần và tốc độ dữ liệu 18

Bảng 1 2: Các kênh truyền và tần số của ZigBee 18

Bảng 2 1: Phân loại I/O PLC S7-1200 theo CPU……… 30

MỞ ĐẦU

1 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU THUỘC LĨNH VỰC CỦA ĐỀ TÀI TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC

1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực của đề tài

Trong bối cảnh ngày nay, với sự phát triển vượt bậc của công nghệ điện tử, công nghệ thông tin và truyền thông, xu thế IoT (Internet of Things) đã tạo động lực thúc đẩy mạnh mẽ cho việc chế tạo nhiều nền tảng phần cứng cho phép phát triển hệ thống mạng cảm biến không dây vào hầu hết các lĩnh vực của xã hội như quốc phòng, công nghiệp, nông nghiệp, lâm nghiệp và thủy sản

Tại Việt Nam, một số nhóm nghiên cứu ở các trường đại học trong nước như: Đại học Bách Khoa Hà Nội, Đại học Công nghệ - Quốc Gia Hà Nội, Đại học Công nghệ Thông Tin và Truyền thông đang tích cực nghiên cứu về lĩnh vực mạng cảm biến không dây, cũng như nghiên cứu triển khai một số sản phẩm ứng dụng mạng cảm biến không dây như hệ thống cảnh báo thiên tai, nhà thông minh, hệ thống an ninh chống trộm và cảnh báo cháy, ứng dụng trong nông nghiệp công nghệ cao, trong giao thông và thành phố thông minh

7.2 Danh mục các công trình đã công bố thuộc lĩnh vực của đề tài

[1] Đặng Văn Ngọc, Nghiên cứu thiết kế nút cảm biến không dây sử dụng

công nghệ Zigbee, Tạp chí Khoa học và Công nghệ - ĐH Thái Nguyên, tập 166, số

6, 2017, trang 53-60

[2] Vu Thanh Vinh, Dang Van Ngoc, Joeri GERRITS, A study onpower

consumption of wireless sensor network in greenhouse environment monitoring, Kỷ yếu hội thảo toàn quốc về điện tử, truyền thông và công nghệ thông tin – REV,

2016, trang 69-73

[3] Đặng văn Ngọc, Nguyễn Duy Minh, Ninh Văn Hoạt, Xây dựng bộ chuyển

đổi tín hiệu đầu vào cho plc sử dụng chuẩn ethernet,Tạp chí Khoa học và Công nghệ - ĐH Thái Nguyên, tập 204, số 11, 2019, trang 173-179

2 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Trong những năm gần đây, sự phát triển vượt bậc của công nghệ vi điện tử, công nghệ chế tạo và công nghệ thông tin & truyền thông đã tạo động lực thúc đẩy mạnh mẽ cho việc phát triển các hệ thống thông minh ở nhiều lĩnh vực của xã hội từ công nghiệp, nông nghiệp, từ quốc phòng dân dụng, và từ quản lý đến giải trí Đồng thời, với xu thế IoT (Internet of Things) và WoT (Web of Things) đã mở ra rất

nhiều thuận lợi cho việc nghiên cứu, xây dựng và triển khai sản phẩm ứng dụng hệ thống thông minh trên toàn cầu, trong đó hệ thống cảm biến đóng vài trò quan trọng trong hệ thống thông minh này

Lĩnh vực mạng cảm biến, cũng như mạng cảm biến không dây được cả cộng đồng khoa học và cộng đồng doanh nghiệp, tập đoàn quan tâm đầu tư nghiên cứu và phát triển bởi việc ứng dụng ứng tất yếu và phổ biến trong nhiều xã hội như trong

hệ thống điện tử, điện - điện tử dân dụng, hệ thống đảm bảo an toàn vệ sinh thực phẩm, dây truyền công nghiệp, công nghệ ôtô, hệ thống giám sát khí hậu, môi trường thủy sản, nông lâm nghiệp và y tế

Chính vì vậy, việc thực hiện để tài “Xây dựng module truyền thông không dây cho PLC theo chuẩn ZigBee” là rất cần thiết nhằm góp phần bổ sung kiến thức

lý thuyết và thực hành cho các môn học liên quan của sinh viên ngành Công nghệ

kỹ thuật điện - điện tử, Công nghệ kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Đồng thời là nền tảng để phát triển các ứng dụng trong đời sống

3 MỤC TIÊU ĐỀ TÀI

Xây dựng được module truyền thông không dây cho PLC theo chuẩn ZigBee

4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU, PHẠM VI NGHIÊN CỨU

4.1 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lý luận: Tổng hợp các tài liệu kỹ thuật, công nghệ, phân tích và đánh giá nội dung liên quan đến đề tài

Phương pháp thực nghiệm: Khảo sát, phân tích, thiết kế và đánh giá nội dung nghiên cứu trong quá trình chế tạo các nút cảm biến và nút định tuyến trong mạng cảm biến không dây

4.2 Phạm vi nghiên cứu

Thiết kế, chế tạo các module truyền thông không dây sử dụng chuẩn ZigBee cho PLC được sử dụng trong nghiên cứu và thực hành cho các môn học liên quan của sinh viên ngành Công nghệ kỹ thuật điện - điện tử, Công nghệ kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Đồng thời là nền tảng để phát triển các ứng dụng trong đời sống

5 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU VÀ TIẾN ĐỘ THỰC HIỆN

5.1 Nội dung nghiên cứu

+ Tìm hiểu về chuẩn ZigBee

+ Phân tích thiết kế module truyền thông không dây cho PLC

+ Xây dựng module truyền thông không dây

Thời gian (bắt đầu-kết thúc)

2 Tìm hiểu về chuẩn

31/03/2020

01/03/2020-Hoàng Thị Thương Đặng Văn Ngọc

3

Phân tích thiết kế

module truyền thông

không dây cho PLC

Sơ đồ mạch nguyên lý, mạch

in, lưu đồ thuật toán

30/06/2020

01/04/2020-Đặng Văn Ngọc Hoàng Thị Thương

31/09/2020

01/07/2020-Đặng Văn Ngọc Hoàng Thị Thương

5

Đánh giá và thử

nghiệm

Báo cáo đánh giá thử nghiệm

30/11/2020

01/10/2020-Đặng Văn Ngọc Hoàng Thị Thương

01/12/2020-Hoàng Thị Thương Đặng Văn Ngọc

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1.1 Tổng quan về truyền thông

1.1.1 Giới thiệu về mạng truyền thông công nghiệp

Mạng truyền thông công nghiệp hay mạng công nghiệp hay mạng công nghiệp

là một khái niệm chung chỉ các hệ thống thông số, truyền bít nối tiếp, được sử dụng

để ghép nối các thiết bị công nghiệp Các hệ thống mạng truyền thông công nghiệp phổ biến hiện nay cho phép liên kết mạng ở nhiều mức khác nhau, từ các cảm biến, thiết bị quan sát, máy tính điều khiển giám sát và các máy tính cấp điều hành xí nghiệp, quản lý công ty

Để thấy rõ đề cập của lĩnh vực truyền thông công nghiệp, ta cần phân biệt với các hệ thống mạng viễn thông và mạng máy tính Về cơ sở kỹ thuật, mạng công nghiệp và các hệ thống mạng viễn thông có rất nhiều điểm tương đồng, tuy nhiên có những điểm khác biệt sau:

+ Mạng viễn thông có phạm vi địa lý và số lượng thành viên tham gia lớn hơn rất nhiều, nên các yêu cầu kỹ thuật ( cấu trúc mạng, tốc độ truyền thông, tính năng thời gian thực …) rất khác, cũng như các phương pháp truyền thông( truyền tải dải rộng) dải cơ sở, điều biến, dồn kênh, chuyển mạch, ) thường phức tạp hơn nhiều so với mạng công nghiệp

+ Đối tượng của mạng viễn thông bao gồm cả con người và thiết bị kỹ thuật, trong đó cong người đóng vai trò chủ yếu Vì vậy các dạng thông tin cần trao đổi bao gồm cả tiếng nói, hình ảnh, văn bản và dư liệu Đối tượng của mạng công nghiệp thuần túy là các thiết bị công nghiệp nên dạng thông tin quan tâm duy nhất

là dữ liệu

Mạng truyền thông công nghiệp thực chất là một dạng đặc biệt của mạng máy tính, có thể so sánh với mạng máy tính thông thường ở các điểm giống nhau và khác nhau như sau:

+ Kỹ thuật truyền thông số hay truyền dữ liệu là đặc trưng chung của 2 lĩnh vực + Trong nhiều trường hợp, mạng máy tính sử dụng trong công nghiệp được coi là một phần (ở các cấp điều khiển giám sát, điều hành sản xuất và quản lý công ty) trong mô hình phân cáp của mạng công nghiệp

+ Yêu cầu về tính năng thời gian thực, độ tin cậy và khả năng tương thích trong môi trường công nghiệp của mạng truyền thông công nghiệp cao hơn so với một mạng máy tính thông thường, trong khi đó mạng máy tính thường yêu cầu cao hơn về độ bảo mật,

+ Mạng máy tính có phạm vi trải rộng rất khác nhau có thể nhỏ như mạng Lan cho một nóm vài máy tính hoặc lớn như mạng Internet Trong nhiều trường hợp mạng máy tính gián tiếp sử dụng dịch vụ truyền dữ liệu của mạng viễn thông Trong khi đó, cho đến nay các hệ thống mạng công nghiệp thường có tính chất độc lập, phạm vi hoạt động tương đối hẹp

Đối với hệ thống truyền thông công nghiệp, đặc biệt là ở các cấp dưới thì các yêu cầu về tính năng thời gian thực, khả năng thực hiện đơn giản, giá thành hạ lại được đặt ra hàng đầu

1.1.2 Vai trò của mạng truyền thông công nghiệp

Ghép nối thiết bị, trao đổi thông tin là một trong những vấn đề cơ bản trong bất cứ một giải pháp tự động hóa nào Một bộ điều khiển cần được kết nối với cảm biến và cơ cấu chấp hành Giữa các hộ điều khiển trong hệ thống điều khiển phân tán cũng cần trao đổi thông tin với nhau để phối hợp thực hiện điều khiển cả quá trình sản xuất Ở một cấp cao hơn, các trạm vận hành trong trung tâm điều khiển cũng cần được ghép nối và giao tiếp với các bộ điều khiển để theo dõi, giám sát toàn bộ quá trình sản xuất và hệ thống điều khiển

Hình 1.1: Nối dây truyền thông (a) và nối mạng công ngiệp (b)

Sử dụng mạng truyền thông công nghiệp, đặc biệt là bus trường để thay thế cách nối điểm-điểm cổ điển giữa các thiết bị công nghiệp mang lại những lợi ích

+ Đơn giản hóa cấu trúc liên kết giữa các thiết bị công nghiệp

+ Tiết kiệm dây nối và công thiết kế, lắp đặt hệ thống trở nên dế dàng hơn + Nâng cao độ tin cậy và độ chính xác của thông tin

+ Nâng cao độ linh hoạt, tính năng mở của hệ thống

+ Đơn giản hóa, tiện lợi hóa việc tham số hóa chuẩn đoán, định vị lỗi, sự

cố của các thiết bị

+ Mở ra nhiều chức năng và khả năng ứng dụng mới của hệ thống: Điều khiển phân tán, điều khiển phân tán với các thiết bị trường, điều khiển giám sát hoặc chuẩn đoán lỗi từ xa qua Internet, tích hợp thông tin của hệ thống điều khiển giám sát với thông tin điều hành sản xuất và quản lý công ty

1.1.3 Chế độ truyền tải của mạng truyền thông công nghiệp

 Chế độ truyền tải song song

Phương pháp truyền bít song song được dùng phổ biến trong các bus nội bộ của máy tính như bus địa chỉ, bus dữ liệu và bus điều khiển Tốc độ truyền tải phụ thuộc vào số kênh dẫn, hay cũng chính là độ rộng của bus song song, ví dụ 8 bit, 6 bit, 32 bit hay 64 bit Chính vì nhiều bus được truyền đi đồng thời, vấn đề đồng bộ hóa và nơi nhận tín hiệu phải được giải quyết Điều này gây trở ngại lớn khi khoảng cách giữa các đối tượng truyền thông tăng lên Ngoài ra giá thành cho các bus song song cũng là một yếu tố dẫn đến phạm vi ứng dụng của các phương pháp này chỉ hạn chế ở khoảng cách nhỏ, có yêu cầu rất cao về tốc độ truyền

Hình 1.2: truyền bit song song

 Truyền bit nối tiếp

Với phương pháp truyền bit nối tiếp, từng bước được chuyển đi một cách tuần

Hình 1.3: truyền bít nối tiếp

Tuy tốc độ bít vì thế bị hạn chế, nhưng cách thực hiện lại đơn giản, độ tin cậy của dữ liệu cao Tất cả các mạng truyền thông công nghiệp đều sử dụng phương pháp tryền này

Một mạng tryền thông công nghiệp có nhiệm vụ kết nối các thiết bị kỹ thuật

có khả năng xử lý thông tin hay nói cách khác là xử lý dữ liệu Những thiết bị đó dù tồn tại dưới dạng này hay dạng khác cũng đều là những máy tính, có bộ vi xử lý và

hệ thống bus nội bộ song song Vì vậy, để có thể dùng phương pháp truyền nối tiếp,

ta cần trọn các bộ chuyển đổi giữa bus song song và nối tiếp

Hình 1.4: Quá trình truyền thông dữ liệu

1.1.4 Giao thức Modbus

ModBus do Modicon (hiện nay thuộc Schneider Electric) phát triển năm

1979, là một phương tiện truyền thông với nhiều thiết bị thông qua một cặp dây xoắn đơn Ban đầu, nó hoạt động trên RS232, nhưng sau đó nó sử dụng cho cả RS485 để đạt tốc độ cao hơn, khoảng cách dài hơn, và mạng đa điểm (multi-drop)

Modbus đã nhanh chóng trở thành tiêu chuẩn thông dụng trong ngành tự động hóa,

và Modicon đã cho ra mắt công chúng như một protocol miễn phí

Modbus là một hệ thống “chủ - tớ”, “chủ” được kết nối với một hay nhiều

“tớ” “Chủ” thường là một PLC, PC, DCS, hay RTU “Tớ” Modbus RTU thường là các thiết bị hiện trường, tất cả được kết nối với mạng trong cấu hình multi-drop Khi một chủ Modbus RTU muốn có thông tin từ thiết bị, chủ sẽ gửi một thông điệp về

dữ liệu cần, tóm tắt dò lỗi tới địa chỉ thiết bị Mọi thiết bị khác trên mạng sẽ nhận thông điệp này nhưng chỉ có thiết bị nào được chỉ định mới có phản ứng

Các thiết bị trên mạng Modbus không thể tạo ra kết nối; chúng chỉ có thể phản ứng Nói cách khác, chúng “lên tiếng” chỉ khi được “nói tới” Một số nhà sản xuất đang phát triển các thiết bị lai ghép hoạt động như các tớ Modbus, tuy nhiên chúng cũng có “khả năng viết”, do đó làm cho chúng trở thành các thiết bị chủ ảo

Hình 1.5: Sơ đồ ghép nối mạng Modbus

Hiện nay, có 03 chuẩn Modbus đang được sử dụng phổ biến trong công nghiệp - tự động hóa là: Modbus RTU, Modbus ASCII, Modbus TCP

Tất cả thông điệp được gửi dưới cùng một format Sự khác nhau duy nhất giữa

3 loại Modbus là cách thức thông điệp được mã hóa Cụ thể:

Mọi thông điệp được mã hóa bằng hexadeci-mal, sử dụng đặc tính ASCII 4 bit Đối với mỗi một byte thông tin, cần có 2 byte truyền thông, gấp đôi so với

Modbus RTU hay Modbus/TCP Tuy nhiên, Modbus ASC II chậm nhất trong số 3 loại protocol, nhưng lại thích hợp khi modem điện thoại hay kết nối sử dụng sóng radio do ASC II sử dụng các tính năng phân định thông điệp Do tính năng phân định này, mọi rắc rối trong phương tiện truyền dẫn sẽ không làm thiết bị nhận dịch sai thông tin Điều này quan trọng khi đề cập đến các modem chậm, điện thoại di động, kết nối ồn hay các phương tiện truyền thông khó tính khác.

 Modbus RTU: Dữ liệu được mã hóa theo hệ nhị phân, và chỉ cần một byte truyền thông cho một byte dữ liệu Đây là thiết bị lí tưởng đối với RS 232 hay mạng RS485 đa điểm, tốc độ từ 1200 đến 115 baud Tốc độ phổ biến nhất là 9600 đến 19200 baud Modbus RTU là protocol công nghiệp được sử dụng rộng rãi nhất, do đó hầu như trong bài viết này chỉ tập trung đề cập đến

cơ sở và ứng dụng của nó

 Modbus TCP: Modbus/TCP đơn giản là Modbus qua Ethernet Thay vì sử dụng thiết bị này cho việc kết nối với các thiết bị tớ, do đó các địa chỉ IP được sử dụng Với Modbus/TCP, dữ liệu Modbus được tóm lược đơn giản trong một gói TCP/IP Do đó, bất cứ mạng Ethernet hỗ trợ Modbus/ IP sẽ ngay lập tức hỗ trợ Modbus/TCP

Modbus gateway là một thiết bị cho phép chuyển đổi qua lại giữa giao thức Modbus RTU và Modbus TCP Thông thường thiết bị sẽ có 01 cổng serial (RS232/RS485) và 01 cổng Ethernet

1.2 Tổng quan về mạng cảm biến không dây

1.2.1 Giới thiệu về mạng cảm biến không dây

Mạng cảm biến không dây (WSN) có thể hiểu đơn giản là mạng liên kết các node với nhau bằng kết nối sóng vô tuyến (RF connection) trong đó các node mạng thường là các thiết bị đơn giản, nhỏ gọn, giá thành thấp… và có số lượng lớn, được phân bố một cách không có hệ thống (non-topology) trên một diện tích rộng (phạm

vi hoạt động rộng), sử dụng nguồn năng lượng hạn chế (pin), có thời gian hoạt động lâu dài( vài tháng đến vài năm) và có thể hoạt động trong môi trường khắc nghiệt (chất độc, ô nhiễm, nhiệt độ…)

Hình 1 1: Mô hình mạng cảm biến không dây

1.2.2 Cấu trúc mạng cảm biến không dây

Mạng cảm biến không dây được hình thành từ một số lượng lớn nút cảm biến riêng lẻ phân bố bao phủ trong một vùng địa lý Trên mỗi nút là các bộ vi xử lý rất nhỏ, bộ nhớ giới hạn, bộ phận cảm biến, bộ thu phát không dây, nguồn nuôi Các nút có khả năng liên lạc vô tuyến với nút lân cận để truyền dữ liệu về trung tâm Mỗi nút cảm biến được cấu thành bởi 4 thành phần cơ bản [6]:

 Đơn vị cảm biến (sensing unit)

 Đơn vị xử lý (processing unit)

 Đơn vị truyền dẫn (transceiver unit)

 Bộ nguồn (power unit)

Ngoài ra có thể có thêm những thành phần khác tùy thuộc vào từng ứng dụng như là hệ thống định vị (location finding system), bộ phát nguồn (power generator)

và bộ phận di động (mobilizer)

Các đơn vị cảm biến (sensing units) bao gồm cảm biến và bộ chuyển đổi tương tự-số Dựa trên những hiện tượng quan sát được, tín hiệu tương tự tạo ra bởi nút cảm biến được chuyển sang tín hiệu số bằng bộ ADC, sau đó được đưa vào bộ

xử lý

Hình 1 2: Cấu trúc nút cảm biến

Đơn vị xử lý thường được kết hợp với bộ lưu trữ nhỏ (storage units), quyết định các thủ tục làm cho các nút kết hợp với nhau để thực hiện các nhiệm vụ định sẵn Phần thu phát vô tuyến kết nối các nút vào mạng

Một trong các phần quan trọng nhất của một nút mạng cảm biến là bộ nguồn

Bộ nguồn có thể là một số loại pin Để các nút có thời gian sống lâu thì bộ nguồn rất quan trọng, nó phải có khả năng nạp điện từ môi trường như năng lượng mặt trời Ngoài ra cũng có những thành phần phụ khác phụ thuộc vào từng ứng dụng Hầu hết các kỹ thuật định tuyến và các nhiệm vụ cảm biến của mạng đều yêu cầu có

độ chính xác cao về vị trí Các bộ phận di động đôi lúc cần phải dịch chuyển các nút cảm biến khi cần thiết để thực hiện các nhiệm vụ đã ấn định Tất cả những thành phần này cần phải phù hợp với kích cỡ từng module

Ngoài kích cỡ, các nút cảm biến còn một số ràng buộc nghiêm ngặt khác, như

là phải tiêu thụ rất ít năng lượng, hoạt động ở mật độ cao, có giá thành thấp, có thể

tự hoạt động, và thích nghi với sự biến đổi của môi trường

1.2.3 Đặc điểm cấu trúc mạng cảm biến không dây

Đặc điểm của mạng cảm biến là bao gồm một số lượng lớn các nút cảm biến, các nút cảm biến có giới hạn và ràng buộc về tài nguyên đặc biệt là năng lượng rất khắt khe Do đó, cấu trúc mạng mới có đặc điểm rất khác với mạng truyền thống:

Chi phí sản xuất (production costs): Vì các mạng cảm biến bao gồm một số lượng lớn các nút cảm biến nên chi phí của mỗi nút rất quan trọng trong việc điều chỉnh chi phí của toàn mạng Nếu chi phí của toàn mạng đắt hơn chi phí triển khai nút cảm biến theo kiểu truyền thống, như vậy mạng không có giá thành hợp lý Do vậy, chi phí của mỗi nút cảm biến phải giữ ở mức thấp

Những ràng buộc về phần cứng (hardware constraints): Vì trong mạng có một

số lượng lớn các nút cảm biến nên chúng phải có sự ràng buộc với nhau về phần cứng: kích thước phải nhỏ, tiêu thụ ít năng lượng, có khả năng hoạt động ở những nơi có mật độ cao, hoạt động không cần có người kiểm soát, thích nghi với môi trường…

Dễ triển khai (Deployment): Là một ưu điểm quan trọng của mạng cảm biến không dây Người sử dụng không cần phải hiểu về mạng cũng như cơ chế truyền thông khi làm việc với WSN.Bởi để triển khai hệ thống thành công, WSN cần phải

tự cấu hình.Thêm vào đó, sự truyền thông giữa hai nút có thể bị ảnh hưởng trong suốt thời gian sống do sự thay đổi vị trí hay các đối tượng lớn.Lúc này, mạng cần có khả năng tự cấu hình lại để khắc phục những điều này

Cấu hình mạng cảm biến (Network topology): Trong mạng cảm biến, hàng trăm đến hàng nghìn nút được triển khai trên trường cảm biến Chúng được triển khai trong vòng hàng chục feet của mỗi nút (1 feet = 30.48 cm) Mật độ các nút lên tới 20 nút/m3 Do số lượng các nút cảm biến rất lớn nên cần phải thiết lập một cấu hình ổn định

Sự tiêu thụ năng lượng (power consumption): Các nút cảm biến không dây, có

thể coi là một thiết bị vi điện tử chỉ có thể được trang bị nguồn năng lượng giới hạn Trong một số ứng dụng, việc bổ sung nguồn năng lượng không thể thực hiện được

Vì thế khoảng thời gian sống của các nút cảm biến phụ thuộc mạnh vào thời gian sống của pin Ở mạng cảm biến truyền thông đa chặng Ad hoc, mỗi một nút đóng vai trò kép vừa khởi tạo vừa định tuyến dữ liệu.Sự trục trặc của một vài nút cảm biến có thể gây ra những thay đổi đáng kể trong cấu hình và yêu cầu định tuyến tại các gói và tổ chức lại mạng.Vì vậy, việc duy trì và quản lý nguồn năng lượng đóng một vai trò quan trọng

Bảo mật (security): Các thông tin về nhiệt độ đối với ứng dụng giám sát môi trường dường như vô hại nhưng việc giữ bí mật thông tin là rất quan trọng Các hoạt động của một tòa nhà có thể thu thập được dễ dàng bằng cách lấy thông tin về nhiệt

độ và ánh sáng của tòa nhà đó Những thông tin này có thể được sử dụng để sắp xếp một kế hoạch tấn công vào một công ty Do đó, WSN cần có khả năng giữ bí mật các thông tin thu thập được Trong các ứng dụng an ninh, dữ bảo mật trở nên rất quan trọng Không chỉ duy trì tính bí mật, nó còn phải có khả năng xác thực dữ liệu truyền.Sự kết hợp tính bí mật và xác thực là yêu cầu cần thiết của cả ba dạng ứng dụng Việc sử dụng mã hóa và giải mã sẽ làm tăng chi phí về năng lượng và băng thông Dữ liệu mã hóa và giải mã cần được truyền cùng với mỗi gói tin Điều đó ảnh hưởng tới hiệu suất ứng dụng do giảm số lượng dữ liệu lấy từ mạng và thời gian sống mong đợi

1.2.4 Kiến trúc mạng cảm biến không dây

Mạng cảm biến không dây bao gồm các nút cảm biến, kết nối với nhau bằng sóng vô tuyến Việc kết nối được quản lý và điều khiển theo những kiến trúc mạng nhất định Căn cứ vào quá trình truyền nhận thông tin trong WSN, có thể nhận thấy các thiết bị tham gia trao đổi thông tin trong mạng luôn hoạt động ở một trong hai vai trò:

Các nút cảm biến trong WSN có thể hoạt động với vai trò là thiết bị Sources hoặc thiết bị Sink tùy vào từng kiến trúc của mạng Ngoài ra, thiết bị sink còn có thể

là những thiết bị không tham gia trong WSN mà chỉ có chức năng liên kết mạng WSN này với mạng WSN khác như: các máy tính cầm tay PDA, các thiết bị có chức năng như bộ lặp tín hiệu hay chuyển tiếp tín hiệu như gateway để truyền tin về phòng trung tâm

Có hai loại kiến trúc mạng cơ bản trong WSN: kiến trúc mạng đơn bước single-hop và kiến trúc mạng đa bước (multi-hop) Một WSN có thể sử dụng một trong hai kiểu cấu trúc hoặc sử dụng kết hợp cả hai

1.2.4.1 Kiến trúc đơn bước (single-hop)

Kiến trúc mạng đơn bước (single-hop) là kiến trúc mạng bao gồm các liên kết

mà trong mỗi liên kết đó chỉ có hai nút cảm biến, một nút cảm biến đóng vai trò thiết bị nguồn, nút cảm biến còn lại đóng vai trò thiết bị đích Thiết bị đích và thiết

bị nguồn luôn trao đổi trực tiếp toàn bộ thông tin với nhau

Hình 1 3: Kiến trúc mạng đơn bước 1.2.4.2 Kiến trúc mạng đa bước (Multi-hop)

Kiến trúc mạng đa bước (Multi-hop) là kiến trúc mạng bao gồm các liên kết

mà trong mỗi liên kết đó có nhiều hơn 2 nút cảm biến, một nút cảm biến đóng vai trò thiết bị nguồn, một nút cảm biến đóng vai trò thiết bị đích, ngoài ra còn có một hay nhiều nút cảm biến khác hoạt động với vai trò như một trạm trung gian, chuyển tiếp toàn bộ thông tin đảm bảo cho việc giao tiếp thông tin giữa thiết bị nguồn, thiết

bị đích với nhau một cách đầy đủ và chính xác

Hình 1 4: Kiến trúc mạng đa bước

1.2.5 Ứng dụng mạng cảm biến không dây

1.2.5.1 Ứng dụng trong công nghiệp

Giám sát trạng thái hoạt động của hệ thống, như trạng thái các van, trạng thái thiết bị, nhiệt độ và áp suất

Giám sát hệ thống nồi hơi, thông hơi và điều hòa không khí của các toà nhà

Hệ thống giao thông thông minh

1.2.5.4 Ứng dụng trong quân sự

Theo dõi, giám sát và định vị: sự xác định vị trí của địch để tăng độ chính xác khi ném bom, hay tấn công, định vị và theo dõi sự dịch chuyển của quân địch Cảm biến môi trường: sự phát hiện mìn, chất độc

Điều khiển: sự kích hoạt thiết bị, vũ khí quân sự

1.2.5.5 Ứng dụng trong nông nghiệp, lâm nghiệp

Mạng cảm ứng có thể được triển khai trên các khu vực rừng, đồng ruộng rộng lớn để đưa ra các cảnh báo kịp thời

Trong nông nghiệp, các nút cảm biến có thể được gắn vào các hạt giống để kiểm tra độ ẩm trong đất, sự tăng trưởng của cây

Hình 1 6: Ứng dụng trong nông nghiệp

Trong lâm nghiệp, các nút cảm biến được triển khai trên các cánh rừng để cảnh báo cháy rừng

Các nút cảm biến cũng có thể được gắn vào cơ thể động vật để có thể giám sát

sự di chuyển cũng như thân nhiệt hay hành vi của chúng

1.3 Tổng quan công nghệ truyền thông ZigBee

1.3.1 Giới thiệu công nghệ truyền thông ZigBee

Tên gọi ZigBee được xuất phát từ cách mà các con ong mật truyền những thông tin quan trọng với các thành viên khác trong tổ ong Đó là kiểu liên lạc

“Zig-Zag” của loài ong “honey Bee” Tên của công nghệ này được hình thành từ việc ghép hai chữ cái đầu với nhau Công nghệ này ra đời chính là sự giải quyết cho vấn đề các thiết bị tách rời có thể làm việc cùng nhau để giải quyết một vấn đề nào đó

Công nghệ ZigBee là công nghệ truyền tin sử dụng sóng vô tuyến ở dải tần không đăng ký ISM (Industrial, scientific and medical) dành riêng cho các ứng dụng công nghiệp, khoa học và y tế Tần số 2.4GHz hầu hết các quốc gia trên thế giới, tần số 915MHz ở Mỹ và Nhật, tần số 868MHz ở châu Âu [9] Tốc độ dữ liệu đạt 250Kbps ở 2.4GHz, 40kbps ở 915MHz và 20kbps ở 868MHz

Hình 1 7: Băng tần của chuẩn ZigBee

Bảng 1 1: Băng tần và tốc độ dữ liệu

Bảng 1 2: Các kênh truyền và tần số của ZigBee

Tần số trung tâm (MHz) Số lượng kênh (N) Kênh

1.3.2 Một số đặc điểm công nghệ ZigBee

Đặc điểm của công nghệ ZigBee là tốc độ truyền tin thấp, tiêu hao ít năng lượng, chi phí thấp, và là giao thức mạng không dây hướng tới các ứng dụng điều khiển từ xa và tự động hóa Mục tiêu của công nghệ ZigBee là nhắm tới việc truyền tin với mức tiêu hao năng lượng nhỏ và công suất thấp cho những thiết bị chỉ có thời gian sống từ vài tháng đến vài năm mà không yêu cầu cao về tốc độ truyền tin Một điều nổi bật là ZigBee có thể dùng được trong các mạng mắt lưới (mesh network) Các thiết bị không dây sử dụng công nghệ ZigBee có thể dễ dàng truyền tin trong khoảng cách 10-75m tùy thuộc và môi trường truyền và mức công suất

phát được yêu cầu với mỗi ứng dụng Về khả năng tiêu thụ điện, các module sử dụng chuẩn ZigBee sẽ có tuổi thọ từ 6 tháng đến 2 năm nếu sử dụng đôi pin AA ZigBee có khả năng kết nối với hơn 65000 nút

1.3.3 Cấu trúc giao thức ZigBee

IEEE 802.15.4 và liên minh ZigBee đã liên kết chặt chẽ để xác định một bộ giao thức stack IEEE 802.15.4 tập trung vào các đặc điểm kỹ thuật của hai lớp thấp hơn (lớp vật lý và lớp dữ liệu) dành cho các ứng dụng WPAN tốc độ thấp IEEE 802.15.4 sẽ đi sâu phần chi tiết về đặc điểm kỹ thuật của lớp PHY và MAC bằng cách xây dựng các kiến trúc khối cho các loại mô hình mạng khác nhau như sao, cây và hình lưới Các kỹ thuật định tuyến trong mạng được thiết kế sao cho phải đảm bảo duy trì được nguồn năng lượng lâu dài, độ trễ thấp [10]

Hình 1 8: Cấu trúc giao thức

Ngăn xếp ZigBee bao gồm nhiều lớp gồm PHY, MAC, Mạng, lớp phụ ứng dụng mạng (APS), và lớp đối tượng thiết bị ZigBee (ZDO)

Về mặt kỹ thuật, một lớp khung làm việc ứng dụng cũng tồn tại, nhưng sẽ được nhóm vào lớp APS Lớp ZigBee thì được thể hiện trong bản bên dưới

PHY Định nghĩa hoạt động lớp vật lý của thiết bị ZigBee bao

gồm cả nhận độ nhạy, từ chối kênh, công suất đầu ra, số kênh, điều chế chip, và thông số tốc độ truyền Hầu hết các ứng dụng ZigBee hoạt động trên băng tần ISM 2.4 GHz, với tốc độ dữ liệu 250kbps

MAC Quản lý truyền dữ liệu RF giữa những thiết bị hàng

xóm (point to point) MAC bao gồm các dịch vụ như thử lại truyền dẫn, quản lý xác nhận và kỹ thuật tránh va chạm (CSMA-CA)

Network Cộng thêm khả năng định tuyến cái này cho phép gói

tin dữ liệu RF đi qua nhiều thiết bị (nhiều bước nhảy) để tuyến đường dữ liệu từ nguồn tới đích (peer to peer)

APS Lớp ứng dụng này định nghĩa đối tượng định địa chỉ

khác nhau bao gồm: cá nhân, cụm, và điểm cuối ZDO Lớp ứng dụng này cung cấp thiết bị và chức năng tìm ra

dịch vụ và khả năng quản lý mạng nâng cao

1.3.4 Những phần tử cơ bản trong ZigBee

Mạng ZigBee gồm có 3 loại thiết bị:

 ZigBee Coordinator (ZC): Mạng ZigBee luôn luôn chỉ có duy nhất một thiết bị Coordinator Nó lựa chọn một kênh và PAN ID (cả 64 bit và 16 bit) để bắt đầu mạng, có thể cho phép những router và device để tham gia vào mạng, hỗ trợ trong việc định tuyến dữ liệu Không ngủ nên là sử dụng nguồn chính

 ZigBee Router (ZR): Router là một nút ZigBee có đầy đủ tính năng, gửi thông tin, nhận thông tin, định tuyến thông tin, cho phép các thiết bị khác gia vào mạng, hỗ trợ trong việc định tuyến dữ liệu Router phải luôn luôn hoạt động, vì vậy

nó phải được cấp nguồn chính Một mạng có thể có nhiều router

 ZigBee End Device (ZED): Nó phải tham gia một ZigBee PAN trước khi

nó có thể truyền hoặc nhận dữ liệu, không thể cho phép các thiết bị tham gia vào mạng ZED phải luôn luôn truyền và nhận dữ liệu RF qua phụ huynh của nó Không thể định tuyến dữ liệu ZED có kết cấu đơn giản và thường ở trạng thái ngủ (sleep mode) để tiết kiệm năng lượng Chúng chỉ được "đánh thức" khi cần nhận hoặc gửi một thông điệp nào đó và có thể cấp nguồn pin

1.3.5 Cấu trúc liên kết mạng

Trong truyền thông dùng giao thức ZigBee thường hỗ trợ 3 mô hình mạng chính: mạng hình sao, mạng hình cây và mạng hình lưới

1.3.5.1 Mạng hình sao (Star Network)

Bố trí mạng này được thể hiện như trong hình 1.2 Một Coordinator thì nằm ở trung tâm của mô hình mạng và kết nối với một vòng tròn những end device Mọi liên lạc trong hệ thống phải đi qua coordinator Những end device thì không được giao tiếp với nhau, ví dụ 2 nốt mạng muốn trao đổi với nhau thì phải thông qua coordinator

Hình 1 9: Cấu trúc mạng hình sao 1.3.5.2 Mạng hình lưới (Mesh Network)

Cấu hình mạng hình lưới là thêm những router ngoài những end device và coordinator, nó đóng vai trò định tuyến dữ liệu, mở rộng mạng và khả năng điều khiển, thu thập số liệu như một nút bình thường Ngược lại với mô hình mạng sao, bất kỳ thiết bị nào cũng có thể giao tiếp với bất kỳ thiết bị khác miễn là các thiết bị

đó nằm trong phạm vi của chúng Mạng hình lưới có ưu điểm cho phép truyền thông liên tục và có khả năng tự xác định lại cấu hình xung quanh đường đi bị che chắn bằng cách nhảy từ nút này sang nút khác cho đến khi thiết lập được kết nối Mỗi nút trong mạng lưới đều có khả năng kết nối và định tuyến với các nút lân cận

Cũng chính khả năng chuyển tiếp và định tuyến gói tin đã làm cho khoảng cách truyền giữa hai điểm không còn là trở ngại

Hình 1 10: Cấu trúc mạng hình lưới 1.3.5.3 Mạng hình cây (Cluster Tree Topology)

Cấu trúc này là một dạng đặc biệt của cấu trúc mạng lưới, trong đó đa số thiết

bị là FFD và những RFD có thể kết nối vào mạng hình cây như một nút rời rạc ở điểm cuối của nhánh cây Bất kỳ một FFD nào cũng có thể hoạt động như là một coordinator và cung cấp tín hiệu đồng bộ cho các thiết bị và các coordinator khác

vì thế mà cấu trúc mạng kiểu này có quy mô phủ sóng và khả năng mở rộng cao.Trong loại cấu hình này mặc dù có thể có nhiều coordinator nhưng chỉ có duy nhất PAN coordinator

Hình 1 11: Cấu trúc mạng hình cây

CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH THIẾT KẾ HỆ THỐNG

2.1 Khảo sát hệ thống SCADA dây chuyền lắp ráp sản phẩm ứng dụng công nghệ có dây

Khảo sát hệ thống dây chuyền lắp ráp sản phẩm tại C6 phòng thực hành C6.507 trường đại học Công Nghệ Thông Tin Và Truyền Thông Thái Nguyên

Mô hình hệ thống dây truyền như sau:

Hình 2 1: Mô hình SCADA dây chuyền lắp ráp sản phẩm

Mô hình bao gồm 5 trạm Slave và 1 Trạm Master Mọi quá trình giám sát và điều khiển được trạm Master giám sát được mô tả theo mô hình phân cấp mạng như sau:

Trạm 1 (Master): trạm điều khiển hay còn gọi trạm trung tâm Chức năng điều phối hoạt động dây chuyền sản xuất và hiển thị lên màn hình

Trạm 2 (Slave 1): trạm cung cấp và kiểm tra Chức năng đưa nguyên liệu gia công sản phẩm vào dây chuyền đồng thời kiểm tra chất liệu của nó qua các cảm biến

Trạm 3 (Slave 2): trạm gia công sản phẩm Chức năng gia công nguyên liệu thô của trạm 1 qua các tay máy

Trạm 4 (Slave 3): trạm tìm và lắp ráp sản phẩm Chức năng tìm con linh kiện như ốc vít, đai ốc gắn vào những vị trí vừa được gia công ở trạm 2

Trạm 5 (Slave 4): trạm tay máy Chức năng dò tìm lắp ráp thêm những phần còn thiếu của sản phẩm trạm 4 bằng cánh tay máy gắn cố định trên bàn máy

Trạm 6 (Slave 5): trạm phân loại sản phẩm Chức năng phân loại các sản phẩm trên dây truyền thành từng loại riêng biệt và đưa xuống công đoạn kiểm tra Như vậy dây chuyền lắp ráp sản phẩm hoạt động theo từng bước qua các trạm từ trạm 2 đến tạm 6 và được điều khiển từ trạm 1 Hoạt động của trạm trước là cầu nối nối tiếp các hoạt động của trạm sau và được truyền thông theo chuẩn Profinet qua các cổng mạng Ethernet Việc kết nối các thiết bị qua mạng dây khiến cho dây chuyền lắp ráp được cố định mất đi tính di động phạm vi truyền thông ngắn đồng thời kết nối có dây khó khăn khi đi dây và phải sử dụng các cổng mở rộng như Switch để kết nối nhiều thiết bị lại với nhau, cồng kềnh mất đi mỹ quan của hệ thống

Dựa trên thực tiễn đó, xây dựng một hệ thống SCADA không dây ứng dụng

công nghệ ZigBee Hệ thống thu thập dữ liệu từ các nút cảm biến Dữ liệu thông tin

từ các nút cảm biến đo được từ môi trường truyền lên các trạm trung tâm qua mạng

không dây Trạm chủ tiếp nhận thông tin xử lý ra đưa ra tín hiệu điều khiển cho các trạm chấp hành qua mạng không dây Các trạm chấp hành tiếp nhận thông tin điều khiển của trạm chủ, đưa ra tín hiệu điều khiển thiết bị theo yêu cầu của trạm chủ

2.2 Mô hình hệ thống SCADA ứng dụng công nghệ không dây

1 DCN: Data Collection Node

2 GN: Gateway Node

Hình 2 3: Sơ đồ hệ thống mạng truyền thông không dây

Xây dựng hệ thống SCADA không dây bao gồm 3 thiết bị chính sau:

 Data Collection Node (DCN - nút thu thập dữ liệu): kết nối với các thiết bị cảm biến ngoại vi Chức năng: thu thập dữ liệu từ các cảm biến, tính toán các giá trị cần thiết theo yêu cầu của từng bài toán Xử lý, lưu trữ dữ liệu và gửi dữ liệu đó cho nút Gateway

 Gateway Node (GN - nút điều khiển, giám sát): thu thập dữ liệu từ các Router rồi đưa ra tín hiệu điều khiển cho các thiết bị, giám sát hoạt động của chúng Gửi các tín hiệu điều khiển cho các Control Devices

Các DCN, GN, đều kết nối với module chuyển đổi để có thể thực hiện truyền

và nhận thông tin qua mạng không dây ZigBee

Khối nguồn

Khối xử lý trung tâm

Hình 2 4: Sơ đồ khối module truyền thông không dây

 Module truyền thông không dây tên tiếng anh Wireless Communication Module viết tắt là WCM

 Chức năng của từng khối là:

+ Khối nguồn: Có chức năng cung cấp nguồn cho toàn bộ hệ thống

+ Module thu phát tín hiệu ZigBee: Thu và phát

+ Khối xử lý trung tâm: Có chức năng tiếp nhận, xử lý tín hiệu và truyền tín hiệu

+ Module Shield Ethernet: Có chức năng truyền và nhận dữ liệu qua Ethernet

2.3.2 Sơ đồ khối Data Collection Node (DCN)

Module truyền

Khối nguồn

Khối xử lý trung tâm

Hình 2 5: Sơ đồ khối DCN

 Chức năng của từng khối là:

+ Khối cảm biến: Có chức năng đo đạc các thông số từ môi trường và gửi về cho khối xử lý trung tâm

+ Khối xử lý trung tâm: Có chức năng tiếp nhận, xử lý tín hiệu và truyền dữ liệu cho Module truyền thông không dây

+ Module truyền thông không dây: Có chức năng nhận dữ liệu từ khối xử lý trung tâm và truyền dữ liệu đi cho các Coordinator

2.3.3 Sơ đồ khối Gateway Node (GN)

Module truyền

thông không dây

Module mở rộng AO

Khối nguồn

Khối xử lý trung tâm

Hình 2 6: Sơ đồ khối GN

 Chức năng của từng khối là:

+ Khối nguồn: Có chức năng cung cấp nguồn cho toàn bộ hệ thống

+ Khối xử lý trung tâm: Có chức năng tiếp nhận, xử lý tín hiệu và điều khiển

2.3.4.1 Khối nguồn (220_AC- 24V_DC - 5A)

 Sử dụng nguồn inverter chuyển đổi từ điện xoay chiều 220VAC xuống 24 VDC dòng điện 5A để cấp đủ điện áp và dòng điện cho toàn bộ hệ thống[11]