Truyền thông Modbus trong biến tần

Tag: Truyền thông, modbus, giao thức truyền thông, CANopen, Modbus, Profibus- DP, Device Net, TCP, Ethenet/IP, lập trình truyền thông, điều khiển biến tần bằng truyền thông

Sử dụng MODBUS cho điều khiển và tự động hóa quá trình

Trong khi điều khiển hiện đại tiếp tục theo đuổi khái niệm tiên tiến như fieldbus và mạng mắt lưới, tính đơn giản của MODBUS và thuận tiện ứng dụng thông qua nhiều phương tiện truyền thông vẫn đảm bảo nó là một protocol công nghiệp được sử dụng rộng rãi nhất trên thế giới.
Truyền thông Modbus trong biến tần

Truyền thông Modbus trong biến tần

Kết nối các thiết bị MODBUS

Một trong những cách đơn giản nhất để đưa thiết bị hiện trường vào một hệ thống điều khiển quá trình, PLC hay máy tính công nghiệp là kết nối I/O analog số thành hệ thống I/O phân tán mang tính năng truyền thông MODBUS. Thí dụ, NCS (hệ thống kết nối mạng) của Moore Industries cho phép người sử dụng kết nối các tín hiệu analog và số từ xa (sau đó được kết nối với chủ MODBUS bằng cáp đôi xoắn). Đa hệ thống NCS có thể được lắp đặt trong nhiều vị trí toàn nhà máy, tất cả được kết nối bằng MODBUS (hình 4).
Giải pháp này hoạt động trên cả máy thế hệ mới và hiện nay. Trong nhiều nhà máy hiện nay, các công cụ đo hiện trường đều kết nối với DCS hay PLC qua “home run wiring”, tại đây, mỗi thiết bị được kết nối với từng cặp dây xoắn mang tín hiệu analog. Với NCS, một trong những cặp dây xoắn có thể được sử dụng cho tín hiệu MODBUS. Điều này thật sự hữu ích nếu nhà máy muốn bổ sung thêm công cụ hiện trường nhưng không muốn nối thêm dây (chi phí lắp đặt 100 đôla cho mỗi foot). Một hệ thống I/O phân tán có thể cung cấp tất cả các I/O hiện có., hoặc nó có thể được sử dụng chỉ để gửi dữ liệu từ tất cả các dụng cụ hiện trường thế hệ mới.
Trong một số trường hợp, hệ thống điều khiển không có khả năng xử lí một tín hiệu MODBUS. Có thể là do hệ thống điều khiển thừa kế quen với việc xử lí I/O analog 4-20mA và I/O số nối trực tiếp, lập trình hệ thống thế hệ cũ để cung cấp dữ liệu MODBUS sẽ trở nên khó khăn. Thông thường, người sử dụng mong muốn bổ sung tín hiệu từ xa mới vào hệ thống của họ mà không phải nối dây hay mua card giao diện MODBUS đắt đỏ đòi hỏi tái lập trình sâu hơn. Trong trường hợp đó, giải pháp peer – to – peer là hoàn hảo nhất. Thí dụ, CCS (hệ thống tập trung cáp) và NCS của Moore Industries đều có tính năng truyền thông peer – to – peer.
NCS và CCS đều tương tự một module I/O, nhưng có một bộ phận thu thập thông tin bên trong và có thể được thiết lập trong cấu hình peer-to-peer và peer-to-host.
Với hệ thống NCS peer-to-peer (hình 5), hai bộ tập trung được sử dụng: một trong hiện trường và một trong phòng điều khiển. Công cụ hiện trường kết nối với NCS – thiết bị kết nối với phòng điều khiển NCS bằng một kết nối cặp dây xoắn đơn. Đầu ra từ phòng điều khiển NCS được nối với panel I/O analog hiện có của hệ thống điều khiển. Bằng cách này, tín hiệu analog từ bộ truyền hiện trường thế hệ mới có thể được quan sát theo trạng thái analog gốc thông qua card I/O analog hiện tại của nhà máy. Điều này làm cho việc lập trình và đưa tín hiệu mới vào hoạt động trở nên bớt khó khăn hơn việc lập trình card giao diện số mới. Giải pháp peer-to-peer có thể cung cấp truyền thông hai chiều trong dó cả hai chiều của hệ thống có thể có cả đầu vào và đầu ra.

Kết nối peer to peer

Kết nối peer to peer

Trong một số trường hợp, hệ thống điều khiển không thể xử lí tín hiệu MODBUS, giải pháp peer-to-peer với hai hệ thống NCS sẽ thay thế tất cả nối dây home run với 1 cáp MODBUS đơn. Đầu ra analog từ phòng điều khiển NCS được nối trực tiếp với card I/O của hệ thống host.

HART và MODBUS

Một bài toán đối với các nhà máy thừa kế là tìm ra một giải pháp rẻ và có tiện lợi để giành được ưu thế của thiết bị thông minh HART được lắp đặt. HART là từ viết tắt của Highway Addressable Remote Transducer (bộ chuyển đổi từ xa có địa chỉ tốc độ cao). HART là một protocol số được thiết kế cho phép bộ truyền truyền dữ liệu số đồng thời và một tín hiệu analog qua nhà máy truyền thống với cặp dây xoắn bằng đồng. Điều này cũng cho phép người sử dụng cấu hình, truy vấn và chẩn đoán bộ truyền tại chỗ hay từ xa với bất cứ điểm nào trên cặp dây xoắn. Thiết bị tớ HART có thể được nối dây trong cấu hình point-to-point hay cấu hình multi-drop. Đối với cấu hình point-to-point, bộ truyền HART chuyển đổi dòng điện trên vòng lặp analog để biểu diễn biến thiên quá trình đòi hỏi. Trong khi dữ liệu HART số có thể được giám sát thì đối với cấu hình point-to-point, điều này hiếm khi xẩy ra. Khi bộ truyền điều khiển dòng điện, nó cũng có khả năng gửi nhiều thông tin qua dòng dữ liệu HART. Cả dữ liệu biến thiên quá trình và số đều có thể được truyền bởi thiết bị tớ HART hay qua bộ truyền riêng. Dữ liệu có thể được sử dụng để giám sát tình trạng công cụ hay có thể được sử dụng bởi hệ thống điều khiển quá trình hay hệ thống quản lí thiết bị để giám sát quá trình, hỗ trợ cung cấp điều khiển chặt chẽ hơn, chống trục trặc không mong muốn. Trong một số trường hợp, các nhà máy có thể sử dụng hàng trăm công cụ có HART. Nhưng thật đáng tiếc là nhiều nhà máy đã không khai thác hết tính năng của HART.
Trong công tác quản lí thiết bị ngày nay, chẩn đoán từ xa và điều khiển tiên tiến, nhiều nhà máy muốn lọc thông tin số đó, nhưng hệ thống điều khiển và kết nối dây hiện nay không thể cung cấp chức năng này. Hệ thống điều khiển có thể không được thiết lập hay có khả năng lọc dữ liệu từ vòng lặp analog. Một công cu HART có thể gửi tới 4 sự biến thiên quá trình thông qua tín hiệu HART: PV (biến thiên cơ sở), SV (biến thiên thứ cấp), TV (biến thiên thứ 3), FV (biến thiên thứ 4). Ngoài ra, có nhiều bit và byte dữ liệu trạng thái có thể được chuyển đổi. Tuy nhiên, nếu hệ thống điều khiển không thể đọc dữ liệu biến thiên quá trình bổ sung hay bất kỳ chẩn đoán và thông tin về trạng thái khác từ tín hiệu HART số, dữ liệu sẽ trở thành “thứ bỏ đi”.

Khách hàng chắc chắn sẽ có nhiều sự lựa chọn để thu thập dữ liệu này, thậm chí trong các nhà máy thừa kế và “trưởng thành’. Một số công ty DCS đưa ra card I/O analog nâng cấp mới có khả năng làm mất dữ liệu HART này. Tuy nhiên, những card này thường đắt gấp 3 đến 5 lần so với các card analog truyền thống. Thêm nữa, có thiết bị đa hợp được lắp trên vòng lặp analog mang các đầu ra RS422 và RS485 giám sát hệ thống quản lí hay DCSes. Lại nữa, thiết bị đa hợp này có thể có giá quá cao. Một cách khác, sử dụng một bộ chuyển đổi HART giống như HIM của Moore Industries, là một cách hiệu quả và cho phép giám sát linh hoạt một số hay nhiều vòng lặp với chi phí hợp lí.

Module giao diện HART (HIM) lọc dữ liệu từ tín hiệu HART và lưu trữ trong bộ nhớ MODBUS, do đó bất kỹ thiết bị chủ nào cũng có thể đọc dữ liệu. Tín hiệu 4-20mA gốc vẫn được nối dây với hệ thống điều khiển như trước đây.

Module giao diện HART (HIM) lọc dữ liệu từ tín hiệu HART và lưu trữ trong bộ nhớ MODBUS, do đó bất kỹ thiết bị chủ nào cũng có thể đọc dữ liệu. Tín hiệu 4-20mA gốc vẫn được nối dây với hệ thống điều khiển như trước đây.

Với một module giao diện HART hỗ trợ truyền thông MODBUS RTU, mọi dữ liệu HART có thể được chuyển tới hệ thống điều khiển đơn giản mà hiệu quả (hình6). HIM là thiết bị thông minh hoạt động như thiết bị chủ HART trên ở mặt trước và như một thiết bị tớ HART ở mặt sau. HIM lọc tất cả các dữ liệu HART số từ tín hiệu 4-20mA, sau đó cung cấp một hiển thị, 3 tín hiệu 4-20mA, 2 rơle và một đầu ra RTU MODBUS kép lựa chọn. Khi MODBUS được sử dụng, dữ liệu HART được biểu diễn dạng số cho bộ nhớ MODBUS của HIM tại vị trí nó được thu thập bởi PLC hay DCS hoạt động như một thiết bị chủ RTU MODBUS.

MODBUS không dây

Mạng MODBUS không dây có thể được lắp đặt khá dễ dàng để hoạt động qua mạng không dây (hình 7). Mọi hoạt động không dây là thay thế cáp đôi xoắn với một bộ truyền/nhận tại mỗi đầu cuối của mạng. Rất nhiều nhà sản xuất radio không dây hỗ trợ protocol MODBUS. Tuy nhiên, do một số radio và modem có mã và đặc tính trễ thời gian khác nhau, nên để triển khai giải pháp không dây sẽ cần đến sự tư vấn của nhà cung cấp không dây.

Rõ ràng, ưu điểm lớn nhất của MODBUS không dây là tiết kiệm chi phí. Tuy nhiên, tín hiệu được yêu cầu từ hiện trường, và các điểm từ xa khác nữa không được giám sát và điều khiển.

May thay, MODBUS qua không dây rõ ràng đối với hệ thống điều khiển hay chủ và tớ. Giống như hệ thống mô tả trước đối với nhà máy, hệ thống chủ thậm chí không biết rằng một mạng MODBUS không dây tồn tại. Khi một chủ MODBUS đưa ra yêu cầu cho tớ và các gói này sẽ đến sóng radio truyền, radio sẽ sắp xếp lại các gói và viết lại mật mã trước khi truyền. Khi các gói RF (tần số sóng radio) được nhận bởi radio “tớ”, nó sẽ phá mật mã và đặt lại vị trí để thay thế gói MODBUS có hiệu lực.

Giao diện không dây như Module kết nối không dây của Moore Industries, thay thế cặp dây xoắn với một kết nối RF

Giao diện không dây như Module kết nối không dây của Moore Industries, thay thế cặp dây xoắn với một kết nối RF

Giả sử rằng, gói này không bị phá hủy hay thay đổi, sẽ được gửi tới thiết bị tớ riêng. Thiết bị tớ sẽ phản hồi chủ và cứ như thế, quá trình lại bắt đầu.

Đôi khi, chú ý đến một thông số truyền thông MODBUS “thời gian chết” là quan trọng. Thời gian chết là thời gian chủ MODBUS đợi một phản hồi từ tớ trước khi thực hiện truyền lại.

Tùy thuộc vào việc radio kết nối như thế nào, các gói có thể bị hoãn, gây ra tình trạng phải thử lại và truyền lại. Với radio FHSS (truyền phổ tần theo kiểu nhảy cóc) ngày nay, hầu hết các thông số này có thể được gửi đi để truyền hiệu quả các gói MODBUS. Tuy nhiên, các nghiên cứu về radio thích hợp liên quan đến độ dài tín hiệu, phân tích tiếng ồn phổ tần thường có thể tránh được nhiều trục trặc truyền thông.

MODBUS/TCP thường được coi là một “MODBUS qua Ethernet” (MODBUS over Ethernet: MODBUS có sự hỗ trợ của Ethernet). Đối với hầu hết bộ phận, MODBUS/TCP đơn giản chỉ là các gói MODBUS được gói gọn trong các gói TCP/IP tiêu chuẩn. Điều này làm cho các thiết bị MODBUS kết nối, truyền thông nhanh chóng và dễ dàng qua Ethernet và mạng quang học. MODBUS/TCP cũng chấp nhận nhiều địa chỉ hơn RS485, thiết bị sử dụng nhiều chủ, tốc độ hàng gigabit. Trong khi đó, MODBUS/TCP có một giới hạn 247 nốt trong mỗi mạng, mạng MODBUS/TCP có nhiều tớ như lớp vật lí có thể sử dụng. Thông thường, con số này khoảng 1024. Sự tiếp nhận nhanh chóng của Ethernet trong ngành điều khiển và tự động hóa quá trình làm cho MODBUS/TCP trở nên được sử dụng rộng rãi nhất, tăng trưởng nhanh nhất, và được hỗ trợ protocol công nghiệp thông qua Ethernet.

Mặc dù các nhà cung cấp PLC mọi kích cỡ đã tiếp nhận các protocol độc quyền qua Ethernet của họ, hầu hết cung cấp MODBUS/TCP. Và đối với các nhà cung cấp hiện không cung cấp MODBUS/TCP, có nhiều công ty như Prosoft Technologies và SST cung cấp các phiên bản kiểu khung trong card truyền thông MODBUS/TCP và các cổng đơn.

Không giống MDBUS RTU và MODBUS ASCII, MDBUS/TCP sẽ cho phép nhiều chủ thu được thiết bị tớ tương tự bằng cách mô phỏng. Điều này có thể xảy ra, thông qua Ethernet sử dụng TCP/IP, nhiều thông điệp có thể được gửi đi, đệm, truyền, đây thường là trong trường hợp có nhiều protocol RS485 và RS422.

Đưa điều khiển vào hiện trường với MODBUS

Cho đến nay, chúng tôi mới chỉ xử lí các hệ thống thu thập dữ liệu MODBUS đơn giản. Chúng ta cũng có thể lắp đặt các thiết bị điều khiển trong hiện trường, các thiết bị này sẽ kết nối với hệ thống điều khiển trung tâm thông qua MODBUS. NCS, được đề cập ở trên như một bộ tập trung, cũng có một CPU mạnh mẽ và phần cốt lõi điều khiển thời gian thực được lập trình thực hiện chức năng điều khiển như PID, điều khiển on/off, báo động tại chỗ, chẩn đoán các phương trình toán học phức tạp và giám sát báo động.

Bởi có chức năng logic kiểu PLC, điều khiển kiểu PID, các tính năng tính toán tiên tiến, NCS có thể loại bỏ yêu cầu cần đến PLC, máy tính công nghiệp, hay một hệ thống điều khiển phân tán nhỏ, giúp giảm một phần giá cả. Trong khi đó, protocol MODBUS không có các tính năng của các protocol khác như FOUDATION Fieldbus và CIP (Protocol công nghiệp phổ biến), nó thường phù hợp với yêu cầu cho nhiều ứng dụng nơi điều khiển tại chỗ được thỏa mãn.

Một thiết bị MODBUS thông minh và điều khiển khác là MDS Equation Station của Moor Industries, là một bộ điều khiển đa năng có thể thực hiện nhiều chức năng điều khiển và tính toán. Thiết bị này có khả năng loại bỏ đòi hỏi một PLC hay một điều khiển lớn hơn để thực hiện nhiều nhiệm vụ điều khiển như giám sát và điều khiển mức nghiền trong một bộ máy tiêu thụ, thực hiện các phép tính lưu lượng khối sử dụng các đầu vào từ bộ truyền lưu lượng, nhiệt độ, áp suất. Có tới 127 modul được lắp trong một mạng MODBUS để điều khiển và thu thập tín hiệu từ nhà máy.

PID (tỉ lệ, đầy dủ, phái sinh) là bộ điều khiển không truyền thông gốc. Khi PLC và PAC trở nên thông minh hơn, điều khiển sẽ thông minh hơn. Ngày nay, nhiều người sử dụng cuối vẫn muốn số lượng đưa ra và đơn giản hơn là kiểu lập trình của điều khiển vòng lặp. Protocol truyền thông số như MODBUS có thể nâng cao tuổi thọ cho các công cụ riêng rẽ. Với điều khiển đa điểm, giờ đây bạn có thể tạo ra cho mình một hệ thống điều khiển phân tán nhỏ nhắn

Các thiết bị MODBUS như điều khiển PID vòng lặp đôi ¼ DIN 545 có thể đưa chức năng điều khiển vào hiện trường. Quản lí đa điểm đầu ra MODBUS và gửi tới gói SCADA Window based tạo ra một hệ thống điều khiển phân tán nhỏ.

Các thiết bị MODBUS như điều khiển PID vòng lặp đôi ¼ DIN 545 có thể đưa chức năng điều khiển vào hiện trường. Quản lí đa điểm đầu ra MODBUS và gửi tới gói SCADA Window based tạo ra một hệ thống điều khiển phân tán nhỏ.


MODBUS: Giao diện đa năng

Trong khi điều khiển hiện đại tiếp tục theo đuổi khái niệm tiên tiến như fieldbus và mạng mắt lưới, tính đơn giản của MODBUS và thuận tiện ứng dụng thông qua nhiều phương tiện truyền thông vẫn đảm bảo nó là một protocol công nghiệp được sử dụng rộng rãi nhất trên thế giới. Khi người sử dụng các hệ thống điều khiển thế hệ cũ hiện nay phát hiện ra nhu cầu mở rộng công cụ hiện trường hay bổ sung điều khiển từ xa, họ thường tìm đến MODBUS như là một giải pháp đơn giản cho các vấn đề phức tạp. Hơn thế, khi có yêu cầu kết nối một thiết bị ngoại lai vào một hệ thống điều khiển, sử dụng giao diện MODBUS của thiết bị là phương pháp dễ dàng nhất. Mặc dù MODBUS là một trong những phương pháp truyền thông cổ nhất, nó vẫn là một phương pháp phổ biến nhất với nhiều lí do chính đáng nhất. Sử dụng MODBUS dễ dàng, tin cậy, không đắt đỏ, và kết nối với tất cả các thiết bị cảm ứng và điều khiển trong ngành điều khiển.

Gửi phản hồi

Mời bạn điền thông tin vào ô dưới đây hoặc kích vào một biểu tượng để đăng nhập:

WordPress.com Logo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản WordPress.com Log Out / Thay đổi )

Twitter picture

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Twitter Log Out / Thay đổi )

Facebook photo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Facebook Log Out / Thay đổi )

Google+ photo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Google+ Log Out / Thay đổi )

Connecting to %s