Xây dựng phương thức truyền thông trực tiếp giữa PC và PLC ứng dụng trong hệ điều khiển – giám sát trạm trộn bê tông

Ngô Như Khoa và cs Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 58(10): 35 - 40 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên XÂY DỰNG PHƯƠNG THỨC TRUYỀN THÔNG TRỰC TIẾP GIỮA PC VÀ PLC ỨNG DỤNG TRONG HỆ ĐIỀU KHIỂN – GIÁM SÁT TRẠM TRỘN BÊ TÔNG Ngô Như Khoa1*, Nguyễn Văn Huy2 1Đại học Thái Nguyên, 2Trường Đại học KTCN - Đại học Thái Nguyên TÓM TẮT Từ những nghiên cứu về các phương thức truyền thông được hỗ trợ trong các thiết bị logic khả trình (PLC) của Siemens, chúng tôi tập trung phát triển phương thức truyền thông trực tiếp giữa máy tính (PC) và PLC nhằm áp dụng trong các hệ thống điều khiển – giám sát trạm trộn bêtông theo chu kỳ dựa trên ngôn ngữ lập trình bậc cao. Các nội dung chính cũng được đề cập đến trong bài báo này là: Kỹ thuật truy nhập trực tiếp bộ nhớ của PLC; cấu trúc gói dữ liệu tương ứng với thông tin truyền và các thuật toán truyền thông. Tính đúng đắn và độ tin cậy của thuật toán được khẳng định thông qua phần mềm điều khiển – giám sát đã được xây dựng và chạy thử nghiệm trên hệ thống thực. Từ khóa:Truyền thông với PLC, điều khiển-giám sát PLC, PLCS7-200, điều khiển trạm trộn bê tông *1. GIỚI THIỆU Các hệ thống trạm trộn bêtông tự động đã được sản xuất và sử dụng ở mức phổ biến trong các lĩnh vực xây dựng công nghiệp và dân dụng ở hầu hết các nước trên thế giới cũng như trong nước. Nguyên lý chung của các hệ thống này là: dùng bộ điều khiển Logic khả trình làm thiết bị điều khiển trung tâm (cân định lượng các thành phần phối liệu, ximăng, nước và chất phụ gia; điều khiển các cửa xả phối liệu, hoạt động vận chuyển phối liệu, nạp phối liệu, trộn và xả bêtông); còn nhiệm vụ giám sát hệ thống và quản lý vật tư, sản phẩm do phần mềm trên máy tính đảm nhiệm. Vấn đề nghiên cứu thiết kế và chế tạo trạm trộn bêtông nói riêng và hệ thống điều khiển tự động nói chung, đã thu hút được nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học trong nước [2, 3] cũng như đã được nhiều công ty hoạt động trong lĩnh vực cơ khí - tự động hóa trong nước nghiên cứu, chế tạo và thương mại hóa [3, 4, 5, 6]. Để xây dựng phần mềm điều khiển – giám sát hệ thống theo thời gian thực khi PLC * Ngô Như Khoa, Tel: +84 963887888 , Email: khoa.ngonhu@gmail.com đang thực thi chương trình, cần phải dựa trên việc truy xuất vào bộ nhớ của PLC từ máy tính. Có 2 phương pháp truy xuất vào bộ nhớ của PLC từ máy tính: Giao tiếp với hệ điều hành của PLC. Phương pháp này sử dụng các công cụ đã được dựng sẵn bởi nhà sản xuất, trong mỗi mã lệnh chỉ rõ thao tác tác động vào một ô nhớ cụ thể trong PLC. Phương pháp này đơn giản về mặt lập trình, vì sử dụng các mã lệnh thân thiện, hoặc thông qua các chương trình chuyên dụng giao tiếp với PLC như WINCC, LABVIEW, OPCServer Người sử dụng chỉ cần chỉ ra vị trí muốn thao tác, công việc còn lại do phần mềm xử lý. Nhược điểm của phương pháp này là chi phí cao để mua bản quyền của các nhà phát triển phần mềm giao tiếp (giá tham khảo [7], phần mềm WinCC V6.0 RC 128K TAGSR Siemens bán giá 2.400$; WinCC V6.2 giá bán tới 12.251 USD, vv). Giao tiếp thông qua truyền thông dữ liệu qua cổng truyền thông. Phương pháp truy xuất này chi phí thấp vì nó sử dụng các lệnh của các ngôn ngữ lập trình thông dụng để thao tác dữ liệu và truyền thông giữa PLC và PC. Tuy nhiên phương pháp này phức tạp trong việc lập trình, vì người dùng phải xây dựng Ngô Như Khoa và cs Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 58(10): 35 - 40 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên một giao thức truyền thông, kiểm soát lỗi truyền thông. Phải trực tiếp kiểm soát các lệnh truyền thông từ PLC lên PC và ngược lại. Để truyền thông từ PC xuống PLC ta có thể dùng bất kỳ ngôn ngữ lập trình nào hỗ trợ truy xuất RS-232 như Visual Basic, Delphi, C++, Hiện tại, các phần mềm điều khiển – giám sát trạm trộn trong nước đều sử dụng phương pháp thứ nhất, tức là được viết trên nền của phần mềm bản quyền của hãng SIEMENS, chủ yếu là phần mềm WINCC. Do vậy, việc xây dựng được phương thức truyền thông với PLC bằng các ngôn ngữ lập trình thông dụng, phục vụ cho việc phát triển các phần mềm giám sát và quản lý hệ thống trạm trộn bêtông là mục tiêu chính được đặt ra trong nghiên cứu này và có thể khẳng định rằng đây là vấn đề có ý nghĩa khoa học và thực tiễn. 2. KỸ THUẬT LẬP TRÌNH TRUY XUẤT BỘ NHỚ PLC S7-200 2.1. Xây dựng cấu trúc gói dữ liệu điều khiển và thông tin giám sát: Các thông tin cần thiết được truyền thông giữa PC và PLC trong quá trình điều khiển – giám sát trạm trộn bao gồm: (i) PC phải gửi thông tin về phối liệu bêtông của mẻ trộn cho PLC; (ii) PC gửi các số thông tin điều khiển hệ thống cho PLC; (iii) PLC gửi thông tin cập nhật về trạng thái toàn hệ thống cho PC phục vụ công tác giám sát. Như vậy, sẽ cần xây dựng 3 cấu trúc gói dữ liệu. Cụ thể như sau: a. Cấu trúc gói tin tham số hoạt động cho PLC (Frame1). Frame1 chứa thông tin phối liệu của mác bêtông. Khi bắt đầu mỗi mẻ trộn, PC tính toán phối liệu dựa trên mác bêtông yêu cầu và toàn bộ thông tin về phối liệu bêtông, số lần trộn được đóng gói vào Frame1 để gửi xuống PLC. Frame1 được thiết kế có kích thước 20 byte, trong đó 2 Byte đầu có giá trị 65535, mỗi từ kế tiếp có một ý nghĩa nhất định (Bảng 1). Bảng 1. Cấu trúc của Frame1 - dữ liệu phối liệu truyền từ PC đến PLC Trường Start Số khối Nước Xi măng Phụ gia TP1 TP2 TP3 TP4 Mã mẻ Kích thước 2B 2B 2B 2B 2B 2B 2B 2B 2B 2B Giá trị 65535 x x x x x x x x X Địa chỉ VW0 VW2 VW4 VW6 VW8 VW10 VW12 VW14 VW16 Bảng 2. Cấu trúc của Frame2 - thông tin điều khiển truyển từ PC đến PLC Trường Start Dự trữ Run Kích thước 2 byte Bit 7 Bit 6 Bit 5 Bit 4 Bit 3 Bit 2 Bit 1 Bit 0 Giá trị 65534 0 x x x x x 1 1 Địa chỉ VB26 b. Cấu trúc gói tin điều khiển trạng thái hoạt động của PLC (Frame2). Frame2 chứa thông tin điều khiển từ PC cho PLC. Frame2 được thiết kế có kích thước 30 byte, trong đó 2 Byte đầu có giá trị 65534, mỗi bit của byte thứ 3 có một ý nghĩa nhất định (Bảng 2). Khi người dùng điều khiển hệ thống (chạy/dừng) thông qua phần mềm, thì Frame 2 sẽ được cập nhập và truyền xuống PLC. c. Cấu trúc gói tin phục vụ cho mục đích giám sát của PC (Frame3). Để thực hiện việc giám sát hệ thống, cần có 2 nhóm thông tin cần được giám sát: Một là: Dữ liệu cân, chính là thông tin về giá trị cân hiện thời của hệ thống, mục đích là phần mềm có thể kiểm soát được quá trình cân liệu tại từng mẻ trộn. Hai là: Dữ liệu logic, bao gồm các đầu vào/ra logic của hệ thống (bật/tắt động cơ, công tắc hành trình, trạng thái hoạt động của các động cơ, ). Ngô Như Khoa và cs Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 58(10): 35 - 40 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Cả 2 loại thông tin này sẽ được đóng gói vào Frame3 truyền từ PLC đến PC một các thường xuyên theo thời gian thực. Frame3 được thiết kế có kích thước 23 byte, mỗi từ trong 9 từ kế tiếp nhau có một ý nghĩa nhất định liên quan đến thông số trộn, 5 byte cuối phục vụ các thông tin về trạng thái hệ thống (Bảng 3). Bảng 3. Cấu trúc của Frame3 - dữ liệu giám sát gửi từ PLC đến PC Trường Mã mẻ Số mẻ còn lại Nước Xi măng Phụ gia TP1 TP2 TP3 TP4 Dự trữ Thông tin đầu ra Thông tin đầu vào Kích thước 2B 2B 2B 2B 2B 2B 2B 2B 2B 1B 1B 1B 1B 1B Giá trị x x x x x x x x x x x x X Địa chỉ S QB1 QB0 IB1 IB0 2.2. Cấu hình và lập trình truyền thông giữa PLC và PC. Cổng truyền thông trên PLC-S7 200 theo chuẩn RS-485 cho phép nhiều thiết bị có thể cùng kết nối trên nó tạo thành một mạng truyền thông. PLC cũng được kết nối tới máy tính bằng giao tiếp này. Tuy nhiên trên PC cổng truyền thông sử dụng là chuẩn RS-232, vì thế để kết nối được với PLC (RS-485) cần có một cable chuyển đổi là PC/PPI calbe. Mỗi một cổng RS-485 trên CPU 200 thông thường hỗ trợ 3 giao thức truyền thông [1]: (i) Multiple-master PPI protocol; (ii) Single- master PPI protocol và (iii) Freeport. Trong nghiên cứu này, chúng tôi sử dụng giao thức Freeport để thực hiện truyền thông giữa module giao diện được xây dựng trên Visual Basic với PLC CPU 226. Đây là giao thức duy nhất cho phép người sử dụng tự cấu hình giao thức truyền (ví dụ như tốc độ truyền thông, định dạng Frame dữ liệu cần truyền, định dạng byte truyền, ). a. Khởi tạo cho PLC trong mode freeport để giao tiếp với PC [1] Thiết lập chế độ làm việc cho cổng giao tiếp: Có thể sử dụng 2 cổng Port 0 và Port 1 trên CPU226 phục vụ cho truyền thông giữa PLC và PC. Thiết lập chế độ làm cho 2 cổng này qua 2 byte cấu hình SMB30 và SMB130 tương ứng với mỗi cổng. Mỗi một bit trong Byte cấu hình cài đặt một chức năng hoạt động cho cổng. Chi tiết các bít được cho tại bảng 4. Bảng 4. Thanh ghi điều khiển chế độ freeport Symbol Name SM address Bit format Bit format Port 0 Port 1 MSB LSB P0_Config SMB30 7 0 P1_Config SMB130 p p d b b b m m SMB30.6- SMB30.7 SMB130.6- SMB130.7 pp: 0 0 No parity 0 1 Even parity 1 0 No parity 1 1 Odd parity SMB30.5 SMB130.5 d: 0 8 data bits per character 1 7 data bits per character SMB30.4- SMB130.4- bbb: 0 0 0 38,400 bps Ngô Như Khoa và cs Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 58(10): 35 - 40 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên SMB30.2 SMB130.2 0 0 1 19,200 bps 0 1 0 9,600 bps 0 1 1 4,800 bps 1 0 0 2,400 bps 1 0 1 1,200 bps 1 1 0 115,200 bps 1 1 1 57,600 bps P0_Config_0 SMB30.0 SMB30.1 mm: 0 0 PPI/slave mode P1_Config_0 SMB130.0 SMB130.1 0 1 Freeport mode 1 0 PPI/master mode 1 1 Reserved Thanh ghi xác nhận trạng thái truyền thông: Điều khiển truyền nhận dữ liệu và giám sát các trạng thái trong khi truyền thông Byte trạng thái SMB86/SMB186 tương ứng với mỗi cổng như Bảng 5. a. Lập trình truyền thông trên PLC PLC cần thường xuyên truyền gói tin Frame3 có cấu trúc như đã mô tả trong phần trên, lên PC theo yêu cầu giám sát quá trình của trạm trộn. - Cách thức truyền: Sử dụng lệnh XMT - Cách thức nhận: Mã lệnh nhận dữ liệu từ cổng truyền thông khi có dữ liệu là RCV. Tuy nhiên không thể dụng được lệnh này, vì khi enable RCV thì lệnh này sẽ chiếm dụng đường truyền cho tới khi nó nhận đủ xâu truyền. Do đó sẽ không chủ động được thời điểm truyền dữ liệu từ PC xuống PLC. Trong nghiên cứu này, chúng tôi đề xuất sử dụng một Byte đặc biệt trên PLC, cứ mỗi khi cổng truyền thông nhận được một ký tự thì nó sẽ chuyển vào byte này và sinh ra một ngắt. Ta sẽ sử dụng ngắt ngắt này để nhận dữ liệu từ PC gửi xuống mà không hề chiếm dụng đường truyền. Vị trí byte là: SMB2 cho port_0 và SMB3 cho port_1 ; số hiệu ngắt : 8. Bảng 5. Thanh ghi trạng thái Ký hiệu Địa chỉ vật lý bit format Byte trạng thái quá trình nhận dữ liệu Port 0 Port 1 P0_stat_Rcv SMB86 7 0 P1_stat_Rcv SMB186 n r e 0 0 t c P P0_stat_Rcv_ 7 SMB86.7 n: 1 Cho phép nhận dữ liệu, kết thúc nhận bởi lệnh Disable P1_stat_Rcv_ 7 SMB186.7 P0_stat_Rcv_ 6 SMB86.6 r: 1 Dừng quá trình nhận dữ liệu; Có lỗi trong byte truyền hoặc thiếu Ngô Như Khoa và cs Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 58(10): 35 - 40 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên P1_stat_Rcv_ 6 SMB186.6 Start/End P0_stat_Rcv_ 5 SMB86.5 e: 1 Báo nhận ký tự kết thúc P1_stat_Rcv_ 5 SMB186.5 P0_stat_Rcv_ 2 SMB86.2 t: 1 Kết thúc nhận dữ liệu do Timeout P1_stat_Rcv_ 2 SMB186.2 P0_stat_Rcv_ 1 SMB86.1 c: 1 Kết thúc nhận do đã nhận đủ P1_stat_Rcv_ 1 SMB186.1 P0_stat_Rcv_ 0 SMB86.0 P: 1 Kết thúc nhận do có lỗi Parity P1_stat_Rcv_ 0 SMB186.0 3. THUẬT TOÁN TRUYỀN THÔNG GIỮA PLC VÀ PC Thuật toán nhận dữ liệu cho PLC từ PC được mô tả như Hình 1 4. KẾT LUẬN Với mục đích xây dựng phương thức truyền thông giữa PC và PLC bằng ngôn ngữ lập trình thông dụng áp dụng cho vấn đề lập trình điều khiển, giám sát trạm trộn bêtông, chúng tôi đã trình bày cách thiết lập cấu hình, đề xuất phương thức lập trình truyền thông giữa PC và PLC họ S7-200, đồng thời cũng đã xây dựng cấu trúc các gói dữ liệu và thuật toán truyền thông tương ứng. Từ các kết quả này, nhóm nghiên cứu đã hoàn thành việc xây dựng phần mềm điều khiển – giám sát trạm trộn bêtông bằng ngôn ngữ Visual Basic, phương thức truyền thông cũng như phần mềm được phát triển trong nghiên cứu này đã khắc phục những hạn chế về mặt bản quyền như đã đề cập trong phần đầu của báo cáo. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. SIEMENS. S7-200 Programmable Controller, 1998. [2]. Hoàng Việt Hồng. Ứng dụng cơ điện tử trong nghiên cứu, chế tạo trạm trộn bêtông tự động và bơm bêtông của Viện Máy và Dụng cụ công nghiệp IMI. nt&view=article&id=1489:mechatronics- apply&catid=64:magazine&Itemid=287 [3]. nally/200603272714844594/ tmnews_view [4]. w.aspx?ID=1454 [5]. http:// www.hoangthinh.com.vn [6]. VNCDTTHTDH/200503231481876848.http:// plccenter.com/buy/SIEMENS Ngô Như Khoa và cs Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 58(10): 35 - 40 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Ngô Như Khoa và cs Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 58(10): 35 - 40 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 7 SUMMARY BUILDING MODE OF DIRECT COMMUNICATION BETWEEN PC AND PLC TO APPLY IN CONTROLLER AND MONITOR SYSTEM OF CONCRETE BATCH PLAN Ngo Nhu Khoa1*, Nguyen Van Huy2 1 Thai Nguyen University, 2 University of Technology, Thai Nguyen University Based on the study in modes of communication are supported by SIEMENS’s Programmable Logic Controller (PLC), we focused to develop a mode of direct communication between PC and PLC to apply in controller and monitor systems of concrete batch mixer by using well-known programming language. In this paper, PLC’s memory direct access technology, construct of data packets and communication algorithms are major contents was present. In addition, the truth of the communication algorithm are tested by control -monitor software on real system, which was developed based on this algorithm. Keywords: Communication with PLC, PLC control-monitor, PLC S7-200, Concrete plan control. * Ngô Như Khoa, Tel: +84 963887888 ,Email: khoa.ngonhu@gmail.com