Tài liệu Thiết kế hệ thống cân tự động sử dụng trong quá trình đóng gói sản phẩm

Tóm tắt nội dung Luận văn trình bày một cách khái quát bài toán cân đóng bao trong công nghiệp cùng cách giải quyết vấn đề, đồng thời, nghiên cứu một số thiết bị phần cứng cũng như các tiêu chuẩn truyền thông được sử dụng trong công nghiệp. Các nghiên cứu này cho phép thiết kế một hệ thống hoàn chỉnh phục vụ cho bài toán cân đóng bao và một số bài toán liên quan. Từ đó luận văn mô tả một cách chi tiết một hệ thống thực đã được tác giả xây dựng và các kết quả triển khai thực tế của nó trong nhà máy công nghiệp. Phần còn lại trình bày các chương trình điều khiển được viết bằng ngôn ngữ lập trình C sử dụng trong bộ điều khiển. Hi vọng, những kiến thức trong luận văn sẽ mang lại cái nhìn rõ ràng nhất cho người đọc về các hệ thống điều khiển tự động nói chung và hệ thống cân đóng bao nói riêng. i Mục lục Tóm tắt nội dung................................................................................................................. i Mục lục ............................................................................................................................. ii Danh mục hình vẽ............................................................................................................. iii Mở đầu............................................................................................................................... 1 Chương 1: Tổng quan........................................................................................................2 Chương 2: Nghiên cứu cơ sở lý thuyết..............................................................................4 Chương 3: Nghiên cứu tính năng phần cứng ..................................................................21 Chương 4: Thiết kế hệ thống...........................................................................................44 Chương 5: Triển khai phần cứng và các kết quả đạt được..............................................49 Chương 6: Kết luận.........................................................................................................54 Phụ lục............................................................................................................................. 55 Tài liệu tham khảo...........................................................................................................90 ii Danh mục hình vẽ Hình 1: Quá trình cân đóng bao..........................................................................................4 Hình 2: Hệ thống cân đóng bao...........................................................................................6 Hình 3: Sơ đồ quá trình cân đóng bao và xung điều khiển tương ứng................................7 Hình 4: Lưu đồ thuật toán quá trình cân đóng bao..............................................................9 Hình 5: Hệ thống cân phối liệu...........................................................................................9 Hình 6: Mô hình OSI của mạng truyền thông MODBUS.................................................10 Hình 7: Phạm vi định nghĩa của CAN trong mô hình OSI...............................................16 Hình 8: Sơ đồ khối bộ truyền dữ liệu UART....................................................................25 Hình 9: Sơ đồ khối bộ nhận dữ liệu UART.......................................................................25 Hình 10: Sơ đồ khối module CAN của dsPIC 30F6010....................................................27 Hình 11: Bộ định thời của dsPIC 30F6010.......................................................................29 Hình 12: Sơ đồ khối cấu trúc của PSoC CY8C27433.......................................................34 Hình 13: Các khối số của PSOC.......................................................................................35 Hình 14: Sơ đồ khối bộ đếm của PSoC CY8C27433........................................................37 Hình 15: Sơ đồ nguyên lý module UART của PSOC........................................................38 Hình 16: Thiết bị cân Mettler Toledo IND130..................................................................39 Hình 17: Các cổng vào ra trên Mettler Toledo IND130....................................................40 Hình 18: Vị trí chốt của RS-232 và RS-485......................................................................41 Hình 19: Sơ đồ khối hệ thống cân đóng bao.....................................................................45 Hình 20: Khối giao tiếp người-máy.................................................................................46 Hình 21: Khối điều khiển.................................................................................................47 Hình 22: Sơ đồ nguyên lý khối giao tiếp người-máy.......................................................49 Hình 23: Sơ đồ nguyên lý khối điều khiển.......................................................................50 Hình 24: Ảnh tủ điều khiển ..............................................................................................51 Hình 25: Ảnh mạch nguồn................................................................................................52 Hình 26: Ảnh khối giao tiếp người máy............................................................................52 Hình 27: Ảnh tủ van khí nén.............................................................................................53 Hình 28: Ảnh khối cân Mettler Toledo IND130...............................................................53 iii Mở đầu Theo định hướng phát triển kinh tế - xã hội của nước ta, Việt Nam phấn đấu đến năm 2020 sẽ trở thành một nước công nghiệp hiện đại. Để hướng tới mục tiêu này, chúng ta đang xây dựng một hệ thống nhà máy, xí nghiệp lớn, hiện đại với các dây chuyền sản xuất, lắp ráp, đóng gói... tương xứng. Trong đó, hệ thống cân đóng bao là một thành phần không thể thay thế trong các nhà máy chế biến, tinh luyện, các khu chế xuất. Các hệ thống này có tính tự động cao, dễ vận hành nhờ được điều khiển bằng máy tính hoặc các bộ vi xử lý. Chúng dễ dàng được cài đặt, quản lý để thực hiện thao tác một cách chính xác với khối lượng nguyên liệu cần đóng gói được đặt trước bởi người vận hành. Việc xây dựng những hệ thống tự động trong công nghiệp nói chung và hệ thống cân đóng bao nói riêng là một hướng đi khả thi và hứa hẹn đem lại hiệu quả kinh tế, ứng dụng cao. Trong điều kiện Việt Nam hiện nay, khi xây dựng các hệ thống điều khiển tự động, nền tảng truyền thông trong hệ thống đều dựa vào các thiết bị đắt tiền của nước ngoài. Luận văn hướng đến việc xây dựng một hệ thống cân đóng bao tự động dựa trên các linh kiện thông dụng, giao tiếp dựa trên các chuẩn truyền thông công nghiệp. Do các yêu cầu về tính khả thi cũng như tính kinh tế, cần lựa chọn một vi điều khiển cùng thuật toán điều khiển hợp lý để khi kết hợp với chuẩn truyền thông sẽ mang lại hiệu quả cao nhất cho hệ thống. Hệ thống sẽ được đưa vào phục vụ sản xuất trong dây chuyền đóng bao của Nhà máy Phân Lân Ninh Bình. Em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến Th.S. Đặng Anh Việt, người đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ em rất nhiều trong suốt quá trình làm luận văn. Em cũng xin gửi lời cảm ơn tới TS. Trần Quang Vinh và các cán bộ phòng Robotic cùng toàn thể các thầy cô giáo trong Khoa Điện tử - Viễn thông đã tạo điều kiện tốt nhất để em hoàn thành đề tài này. Hà Nội, 5/2008 Đỗ Anh Tú 1 Chương 1: Tổng quan 1.1 Đặt vấn đề Trong quá trình công nghiệp hóa – hiện đại hóa ở nước ta hiện nay, việc tự nghiên cứu chế tạo các hệ thống sản xuất, đóng gói tự động trong các nhà máy công nghiệp là một vấn đề cấp thiết. Tuy nhiên, có một thực tế là hầu hết các dây chuyền công nghiệp như vậy đều được nhập từ nước ngoài với chi phí rất cao. Các hệ thống này tuy hoạt động chính xác và quản lý dễ dàng nhưng trong quá trình vận hành có thể gặp trục trặc do điều kiện thời tiết khí hậu nóng ẩm ở nước ta. Khi những sự cố như vậy xảy ra, rất khó để chúng ta tự khắc phục vì mỗi nhà cung cấp thường chọn cho mình những tiêu chuẩn cũng như công cụ phát triển riêng. Do đó, không còn cách nào khác là phải mời các chuyên gia nước ngoài về giải quyết sự cố với chi phí không hề rẻ. Điều đó chắc chắn có ảnh hưởng rất lớn đến khía cạnh kinh tế của nhà sản xuất cũng như của cả nền kinh tế nước ta. Bên cạnh đó, việc giải quyết các bài toán tự động hóa mà cụ thể ở đây là bài toán cân đóng bao là không quá phức tạp và hoàn toàn khả thi, phù hợp với những kiến thức thu được trên giảng đường đại học về điều khiển học, kỹ thuật điện tử, thiết kế mạch hay mạng truyền dữ liệu… Chính vì những lý do đó, tôi muốn hướng đến việc nghiên cứu một hệ thống cân tự động sử dụng trong quá trình đóng gói sản phẩm và giải quyết một số bài toán thực tiễn của hệ thống. Hệ thống này cần được phát triển dựa trên các chuẩn quốc tế để có thể kết nối với các thiết bị khác trong dây chuyền sản xuất. Việc xây dựng thành công một hệ thống như vậy chắc chắn sẽ mang lại hiệu quả kinh tế lớn cũng như phần nào đóng góp vào sự nghiệp công nghiệp hóa – hiện đại hóa đất nước. 1.2 Bài toán cân đóng bao trong thực tế Cân đóng bao là một bài toán được ứng dụng rất phổ biến ở các nhà máy chế biến thực phẩm, sản xuất xi măng, lọc hóa dầu.v.v…Nguyên liệu sau khi đi qua một số quá trình trở thành thành phẩm sẽ được đóng gói để vận chuyển và đưa ra thị trường tiêu thụ. Vấn đề đặt ra là làm sao để đóng gói nhanh và đồng đều một lượng chính xác nguyên liệu định trước (gọi là lượng đặt). 2 Bên cạnh bài toán cân đóng bao, một bài toán khác cũng thường gặp không kém là bài toán cân phối liệu. Trong bài toán này, người ta phải đổ vào máy trộn một số loại nguyên liệu nào đó với một tỷ lệ nhất định. Thực chất, việc giải bài toán cân phối liệu hoàn toàn dựa trên lời giải của bài toán cân đóng bao, nhưng được áp dụng cho nhiều nguyên liệu một lúc. Sau khi xem xét những bài toán trên có thể nhận thấy việc xây dựng một hệ thống cân tự động như vậy cần được dựa trên những thành phần cơ bản sau: • Thiết bị cân chính xác, có độ tin cậy cao. • Vi xử lý phù hợp điều khiển toàn bộ hệ thống. • Hệ thống board mạch chủ, mạch nguồn, mạch điều khiển. • Hệ thống mạng truyền thông (hay còn gọi là bus) đảm bảo kết nối tín hiệu giữa các thành phần với nhau. • Một giao diện thân thiện, linh hoạt dễ sử dụng cho người vận hành, chủ yếu là các công nhân trình độ thấp. 1.3 Nội dung của luận văn Luận văn chia làm 2 phần: • phần một gồm các chương 2, 3 nghiên cứu các cơ sở lý thuyết và tính năng các linh kiện chính phục vụ xây dựng các module trong hệ thống. Trong đó, chương 2 trình bày chi tiết quá trình cân đóng bao cũng như lý thuyết về các mạng truyền thông sử dụng trong công nghiệp, chương 3 tập trung nghiên cứu các tính năng của phần cứng (các vi điều khiển và thiết bị cân sử dụng trong hệ thống). • phần hai gồm các chương tiếp theo trình bày triển khai cụ thể hệ thống, chương 4 mô tả một hệ thống thực được hướng đến, chương 5 là những kết quả đã đạt được và triển khai ứng dụng trong thực tế. 3 Chương 2: Nghiên cứu cơ sở lý thuyết 2.1 Các khái niệm 2.1.1 Các trạng thái của quá trình đóng bao Hình 1: Quá trình cân đóng bao • Trạng thái sẵn sàng : hệ thống sẵn sàng làm việc, đợi tín hiệu báo có bao. • Trạng thái trễ vào bao : hệ thống chờ một khoảng thời gian T TA từ khi có tín hiệu vào bao cho đến khi bắt đầu ra lệnh mở các van xả. • Trạng thái xả thô (coarse speed) : cả van xả thô và van xả tinh được mở, dòng liệu chảy với tốc độ lớn. • Trạng thái xả tinh (fine speed) : van xả thô đóng, chỉ còn van xả tinh hoặc cửa xả đóng nhỏ lại với hệ thống chỉ có 1 cửa xả, dòng liệu chảy với tốc độ nhỏ. • Trạng thái trễ ra bao : hệ thống chờ một khoảng thời gian TE từ khi đóng hết các van (bao đầy) cho đến khi bắt đầu ra lệnh đẩy bao ra. • Trạng thái ra bao : hệ thống ra lệnh đẩy bao ra, trong khoảng thời gian T EM, sau đó tự động trở về trạng thái sẵn sàng, chuẩn bị xuất bao tiếp theo. 4 2.1.2 Các biến quá trình • Lượng đặt (target weight): khối lượng nguyên liệu cần đổ vào bao để đóng gói và được người điều khiển nhập vào trước khi bắt đầu quá trình. • Lượng thực (real weight): khối lượng nguyên liệu thực tế trong bao sau khi kết thúc quá trình. • Điểm cắt thô (coarse weight): bộ điều khiển sẽ ra lệnh đóng van xả thô khi khối lượng nguyên liệu trong bao đạt tới giá trị này. • Điểm cắt tinh (fine weight): bộ điều khiển sẽ ra lệnh đóng van xả tinh khi khối lượng nguyên liệu trong bao đạt tới giá trị này. • Preact: khoảng thời gian chờ để ổn định hệ thống khi kết thúc quá trình. • Lượng dư (preact weight): khối lượng nguyên liệu trong các đường ống sẽ tiếp tục đổ xuống bao sau khi đã đóng các van. • Sai số = lượng thực – lượng đặt. Sai số này cần nhỏ hơn dung sai cho phép (tolerance). • Trạng thái bao bì: có hay không có bao bì. • Trạng thái các cửa xả: các cửa xả đóng hay mở. • Trạng thái van kẹp bao: van kẹp bao đóng hay mở. 2.2 Quá trình cân đóng bao: Giải quyết bài toán cân đóng bao là tìm cách điều hòa một cách hợp lý nhất 2 yêu cầu đặt ra: độ chính xác và thời gian, sao cho sai số giữa lượng thực và lượng đặt càng nhỏ càng tốt và thời gian hoàn thành càng ngắn càng tốt.. Để giải quyết bài toán này, người ta lắp đặt cho hệ thống 2 van xả nguyên liệu: van thô và van tinh. Điểm khác nhau giữa 2 kiểu van này là đường kính miệng van (van thô lớn hơn van tinh, đồng nghĩa với lưu lượng nguyên liệu được xả bởi van thô sẽ lớn hơn so với van tinh). Nhiệm vụ của 2 van này do vậy cũng khác nhau. Van thô được sử dụng với mục đích đổ đầy phần lớn lượng nguyên liệu cần đóng gói nhưng do tốc độ chảy nhanh nên không thể điều chỉnh một cách chính xác lượng nguyên liệu mong muốn. Vì thế, người ta cần một van tinh với tốc độ chảy chậm để dễ dàng bù thêm phần nguyên liệu còn thiếu. Các van này được đóng mở bằng xi lanh khí nén. 5 DISCHARGE COARSE FINE VĐK Giao diện CÂN Hình 2: Hệ thống cân đóng bao Quá trình cân đóng bao có thể tóm tắt như sau. Đầu tiên, khi nhận được tín hiệu bắt đầu, hệ thống kiểm tra sự có mặt của của bao bì bằng một sensor quang hoặc một công tắc hành trình. Nếu có bao bì, sensor sẽ gửi tín hiệu về vi điều khiển để quá trình có thể được bắt đầu; nếu không, hệ thống tiếp tục chờ đến khi có bao bì được đặt vào đúng vị trí. Lúc này, lệnh mở các cửa xả nguyên liệu được phát đi, đồng thời cân điện tử bắt đầu làm việc, liên tục gửi số liệu đo được về vi điều khiển. Vi điều khiển so sánh số liệu này với điểm cắt thô định trước và sẽ phát lệnh đóng van thô khi khối lượng bao đạt đến mốc này. Khi đó, van tinh vẫn mở, nhưng dòng liệu chảy vào bao với tốc độ thấp hơn. Vi điều khiển tiếp tục so sánh số liệu thu về từ cân điện tử đến khi khối lượng bao đạt đến điểm cắt tinh để phát lệnh đóng van tinh. Cần lưu ý là điểm cắt tinh luôn nhỏ hơn lượng đặt một chút bởi sau khi đóng van tinh, vẫn còn một lượng nhỏ nguyên liệu tiếp tục đổ xuống bao (cũng vì lý do này mà ta cần một thời gian trễ để ổn định hệ thống và để số liệu từ cân điện tử đưa về vi xử lý được chính xác). Chính lượng nguyên liệu này là nguyên nhân chủ yếu dẫn đến sai số mà ta cần giải quyết. Để giảm sai số trong những lần đóng gói tiếp theo, ta điều chỉnh lại điểm cắt tinh bằng cách gán: Điểm cắt tinh = Điểm cắt tinh cũ – Sai số x 50%. 6 Kết thúc quá trình, vi điều khiển phát lệnh kẹp bao và sau đó đẩy bao ra ngoài. Chu trình đóng bao vừa rồi được lặp đi lặp lại. Như vậy, rõ ràng sai số sẽ giảm và lượng thực sẽ ngày càng tiến gần về lượng đặt qua từng lần đóng bao tiếp theo. 2.2.1 Xung đầu ra Preact weight Coarse Target weight Fine Tolerance Coarse Fine TOL detect M1.4 Hình 3: Sơ đồ quá trình cân đóng bao và xung điều khiển tương ứng. 2.2.2 Lưu đồ thuật toán 7 Bắt đầu. Sai Kiểm tra bao bì. Đúng Mở các cửa xả (thô, tinh). Sai Cân ≥ điểm cắt thô. Đúng Đóng van thô. Sai Cân ≥ điểm cắt tinh. Đúng Đóng các van. Đợi delay – Thời gian ổn định. Cân. Tính sai số E = lượng thực – lượng đặt. Mở van kẹp bao, ra lệnh đẩy bao. Xác định lại điểm cắt tinh. Cắt tinh = cắt tinh – E x 50% 8 Hình 4: Lưu đồ thuật toán quá trình cân đóng bao 2.2.3 Quá trình cân phối liệu Như đã đề cập ở phần trên, việc giải quyết bài toán cân phối liệu không khác so với bài toán cân đóng bao. Giả sử chúng ta cần trộn 3 loại nguyên liệu A, B và C. Khi đó, 3 loại nguyên liệu sẽ được dẫn qua 3 hệ thống van thô và van tinh riêng biệt. Lần lượt các nguyên liệu này được đổ vào máy trộn theo lượng đặt sao cho phù hợp với tỷ lệ đã biết. Một điểm cần lưu ý là do chỉ sử dụng một chiếc cân duy nhất để đo khối lượng nên lượng đặt cho nguyên liệu B được tính bằng tổng lượng thực của nguyên liệu A đã có trong bao với khối lượng nguyên liệu B cần đổ. Tương tự, lượng đặt cho nguyên liệu C được tính bằng tổng lượng thực của nguyên liệu A và B đã có trong bao với khối lượng nguyên liệu C cần đổ. Việc tính sai số cũng được tính toán như quá trình cân đóng bao. Nếu quá trinh lặp lại nhiều lần, dễ thấy rằng sai số sẽ nhỏ dần theo từng lần đổ nguyên liệu. 3 rơ-le VĐK CÂN Hình 5: Hệ thống cân phối liệu 9 2.3 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. Hệ thống cân đóng bao được xây dựng với một số khối chức năng riêng biệt, được ghép nối với nhau qua một chuẩn truyền thông công nghiệp. Ngoài ra, hệ thống còn phải ghép nối được với máy tính trung tâm phục vụ yêu cầu quản lý sản phẩm. Phần này nghiên cứu một số chuẩn truyền thông được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp là Modbus và CAN. Hai chuẩn truyền thông này được rất nhiều hãng sản xuất thiết bị hỗ trợ. Bên cạnh đó, linh kiện phục vụ xây dựng hệ thống cũng thông dụng, giá thành không cao. 2.3.1 MODBUS Modbus là một giao thức do hãng Modicon (thuộc AEG và Schneider Automation) nghiên cứu phát triển. Theo mô hình ISO/OSI thì Modbus thực chất là một chuẩn giao thức và dịch vụ thuộc lớp ứng dụng, vì vậy có thể được thực hiện trên các cơ chế vận chuyển cấp thấp như TCP/IP, MAP (Manufacturing Message Protocol), Modbus Plus và ngay cả qua đường truyền nối tiếp RS-232. Hình 6: Mô hình OSI của mạng truyền thông MODBUS Modbus định nghĩa một tập hợp rộng các dịch vụ phục vụ trao đổi dữ liệu quá trình, dữ liệu điều khiển và dữ liệu chuẩn đoán. Tất cả các bộ điều khiển của Modbus đều sử dụng Modbus là ngôn ngữ chung. Modbus mô tả quá trình giao tiếp giữa một bộ điều 10 khiển với các thiết bị khác thông qua cơ chế yêu cầu/đáp ứng. Vì lý do đơn giản nên Modbus có ảnh hưởng tương đối mạnh đối với các hệ PLC của các nhà sản xuất khác. Cụ thể, trong mỗi PLC người ta đều có thể tìm thấy một tập hợp con các dịch vụ đã đưa ra trong Modbus. Đặc biệt trong các hệ thống thu thập dữ liệu và điều khiển giám sát (SCADA), Modbus thường được sử dụng trên các đường truyền RS-232 ghép nối giữa các thiết bị dữ liệu đầu cuối (PLC, PC, RTU) với thiết bị truyền dữ liệu (Modem). 2.3.1.1 Cơ chế giao tiếp Cơ chế giao tiếp ở Modbus phụ thuộc vào hệ thống truyền thông cấp thấp. Cụ thể, 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 chuẩn : Các cổng Modbus chuẩn trên các bộ điều khiển của Modicon cũng như một số nhà sản xuất khác sử dụng giao tiếp nối tiếp RS-232C. Các bộ điều khiển này có thể được nối mạng trực tiếp qua modem. Các trạm Modbus giao tiếp với nhau qua cơ chế chủ/tớ (Master/Slave), trong đó chỉ một thiết bị chủ có thể chủ động gửi yêu cầu, còn các thiết bị tớ sẽ đáp ứng bằng dữ liệu trả lại hoặc thực hiện một hành động nhất định theo như yêu cầu. Các thiết bị chủ thông thường là các máy tính điều khiển trung tâm và các thiết bị lập trình, trong khi các thiết bị tớ có thể là PLC hoặc các bộ điều khiển số chuyên dụng khác. Một trạm chủ có thể thông báo yêu cầu tới riêng một trạm tớ nhất định, hoặc gửi thông báo đồng loạt tới tất cả các trạm tớ. Chỉ trong trường hợp nhận được yêu cầu riêng, các trạm tớ mới gửi thông báo đáp ứng trả lại trạm chủ. Trong một thông 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. • Modbus trên các mạng khác Trong một số mạng như Modbus Plus và MAP sử dụng Modbus là giao thức cho lớp ứng dụng , các thiết bị có thể giao tiếp theo cơ chế riêng của mạng đó. Ví dụ trong giao tiếp tay đôi (Peer-to-peer), mỗi bộ điều khiển có thể đóng vai trò là chủ hoặc là tớ trong các lần giao dịch (một chu kỳ yêu cầu-đáp ứng) khác nhau. Một trạm có thể cùng lúc có quan hệ logic với nhiều đối tác, vì vậy nó có thể đồng thời đóng vai trò là chủ và tớ trong các giao dịch khác nhau. 11 Nhìn nhận ở mức giao tiếp thông báo, giao thức Modbus vẫn tuân theo nguyên tắc chủ/tớ mặc dù phương pháp giao tiếp mạng cấp thấp có thể là tay đôi. Khi một bộ điều khiển gửi một yêu cầu thông báo thì nó đóng vai trò là chủ và chờ đợi đáp ứng từ một thiết bị tớ. Ngược lại, một bộ điều khiển sẽ đóng vai trò là tớ nếu nó nhận được thông báo yêu cầu từ một trạm khác và phải gửi trả lại đáp ứng. • Chu trình yêu cầu - đáp ứng Giao thức Modbus định nghĩa khuôn dạng của thông báo yêu cầu cũng như của thông báo đáp ứng. Một 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.  Dữ liệu chứa các thông tin bổ sung mà trạm tớ cần cho việc thực hiện hàm được gọi.  Thông tin kiểm tra lỗi giúp trạm tớ kiểm tra độ vẹn toàn của nội dung thông báo nhận được. Thông báo đáp ứng cũng bao gồm các thành phần giống như thông báo yêu cầu. Địa chỉ ở đây của chính trạm tớ đã thực hiện yêu cầu và gửi lại đáp ứng. Trong trường hợp bình thường, mã hàm được giữ nguyên như trong thông báo yêu cầu và dữ liệu chứa kết quả thực hiện hành động, ví dụ nội dung hoặc trạng thái các thanh ghi. Nếu xảy ra lỗi, mã hàm quay lại được sửa để chỉ thị đáp ứng là một thông báo lỗi, còn dữ liệu mô tả chi tiết lỗi đã xảy ra. Phần kiểm lỗi giúp trạm chủ xác định độ chính xác của nội dung thông báo nhận được. 2.3.1.2 Chế độ truyền Khi thực hiện Modbus trên các mạng khác như Modbus Plus hay MAP, các thông báo Modbus được đưa vào các khung theo giao thức vận chuyển/liên kết dữ liệu cụ thể. Ví dụ, một lệnh được yêu cầu đọc nội dung các thanh ghi có thể được thực hiện giữa hai bộ điều khiển ghép nỗi qua Modbus Plus. Đối với các thiết bị ghép nối qua mạng Modbus chuẩn, có thể sử dụng một trong hai chế độ truyền là ASCII hoặc RTU. Người sử dụng lựa chọn chế độ theo ý muốn, cùng với 12 các tham số truyền thông qua cổng nối tiếp như tốc độ truyền, parity chẵn/lẻ ... Chế độ truyền cũng như các tham số phải giống nhau đối với tất cả các thành viên của một mạng Modbus. • Chế độ ASCII Khi các thiết bị trong một mạng Modbus chuẩn giao tiếp với chế độ ASCII (American Standard Code for Information Interchange), mỗi byte trong thông báo được gửi thành hai ký tự ASCII 7 bit, trong đó mỗi ký tự biểu diễn một chữ số hex. Ưu điểm của chế độ truyền này là nó cho phép một khoảng thời gian trống tối đa một giây giữa hai ký tự mà không gây ra lỗi. Cấu trúc của một ký tự khung gửi đi được thể hiện như sau: Start 0 1 2 3 4 5 6 P Stop 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 và A – F), 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 sử dụng parity. • Chế độ RTU Khi các thiết bị trong một mạng Modbus chuẩn được đặt chế độ RTU (Remote Terminal Unit), mỗi byte trong thông báo được gửi thành một ký tự 8 bit. Ưu điểm lớn nhất của chế độ truyền này so với chế độ ASCII là hiệu suất cao hơn. Tuy nhiên, mỗi thông báo phải được truyền thành một dòng liên tục. Cấu trúc một ký tự khung gửi đi được thể hiện như sau: Start 0 1 2 3 4 5 6 7 P Stop 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. 13  1 bit kết thúc (stop bit) nếu sử dụng parity hoặc 2 bit kết thúc nếu không sử dụng parity). 2.3.1.3 Cấu trúc bức điện Trong mạng Modbus chuẩn, khi một trong hai chế độ truyền được chon, một thông báo sẽ được đóng khung. Mỗi khung bao gồm nhiều ký tự khung như trên. Các ký tự này sẽ được truyền đi liên tục trong chế độ RTU và gián đoạn trong chế độ ASCII. • Khung ASCII Trong chế độ ASCII, một thông báo bắt đầu với dấu hai chấm (:), tức ký tự ASCII 3A, và kết thúc bằng hai dấu quay lại – xuống dòng (CRLF), tức hai ký tự ASCII 0D và 0A. Mỗi byte trong thông báo được truyền đi bằng hai ký tự ASCII, vì vậy các ký tự được phép xuất hiện trong các phần còn lại của khung là 0-9 và A-F. Khởi đầu Địa chỉ Mã hàm Dữ liệu Mã CRC Kết thúc 1 ký tự : 2 ký tự 2 ký tự N ký tự 2 ký tự 2 ký tự CR+LF Mỗi thiết bị tham gia mạng có trách nhiệm liên tục theo dõi đường truyền và phát hiện sự xuất hiện của dấu hai chấm. Khi dấu hai chấm nhận được thì hai ký tự tiếp theo sẽ mang địa chỉ của thiết bị được yêu cầu nhận thông báo hoặc thiết bị đã gửi thông báo đáp ứng. Khoảng cách thời gian tối đa cho phép giữa hai ký tự trong một thông báo là một giây. Nếu vượt quá trị này, bên nhận sẽ coi là lỗi. Khung ASCII sử dụng phương pháp LRC (Longitudinal Redudancy Check) để kiểm lỗi. • Khung RTU Trong chế độ RTU, một thông báo bắt đầu với một khoảng trống yên lặng tối thiểu là 3,5 thời gian ký tự. Ô đầu tiên được truyền sẽ là 8 bit địa chỉ, sau đó đến 8 bit mã hàm, một số byte tùy ý dữ liệu và cuối cùng là thông tin kiểm tra lỗi CRC. Sau khi truyền ký tự cuối cùng, khung thông báo cũng phải được kết thúc bằng một khoảng yên lặng tối thiểu là 3,5 thời gian ký tự trước khi bắt đầu một thông báo mới. Khởi đầu Địa chỉ Mã hàm Dữ liệu Mã CRC Kết thúc (----) 8 bit 8 bit N x 8 bit 16 bit (----) 14 Khác với chế độ ASCII, toàn bộ khung thông báo RTU phải được truyền thành một dòng liên tục. Nếu một khoảng trông yên lặng lớn hơn 1,5 thời gian ký tự xuất hiện trước khi truyền xong toàn bộ khung, thiết bị nhận sẽ hủy bỏ thông báo chua đầy đủ đó và cho rằng byte tiếp theo sẽ là địa chỉ của một thông báo mới. 2.3.1.4 Bảo toàn dữ liệu Mạng Modbus chuẩn sử dụng hai biện pháp bảo toàn dữ liệu ở hai mức: kiểm soát khung thông báo và kiểm soát ký tự khung. Đối với hai chế độ truyền ASCII hay RTU. Hơn thế nữa, cả khung thông báo lại được kiểm soát một lần nữa bằng mã LRC (với ASCII) và mã CRC (với RTU). • Kiểm soát LRC Trong chế độ ASCII, phần thông tin kiểm lỗi của khung thông báo dựa trên phương pháp LRC (Longitudinal Redundancy Check). Dãy bit nguồn được áp dụng để tính mã LRC bao gồm phần địa chỉ, mã hàm và phần dữ liệu. Các ô khởi đầu cũng như kết thúc khung không tham gia vào tính toán. Mã LRC ở đây dài 8 bit được tính bằng các cộng đại số toàn bộ các byte của dãy bit nguồn (không để ý đến tràn), sau đó lấy phần bù hai của kết quả. • Kiểm soát CRC Mã CRC được áp dụng trong chế độ RTU dài 16 bit. Đa thức phát được sử dụng G = 1010 0000 0000 0001. Khi đưa vào khung thông báo, byte thấp của mã CRC được gửi đi trước, tiếp theo là byte cao. 2.3.2 CAN CAN (Controller Area Network) là một chuẩn truyền thông công nghiệp được sử dụng rất rộng rãi. Xuất phát là một phát triển chung của hai hãng Bosch và Intel, CAN được dùng để phục vụ việc nối mạng trong các phương tiện giao thông cơ giới để thay thế cách nối điểm - điểm cổ điển, sau được chuẩn hoá quốc tế trong ISO-11898. Trong một số chủng loại ôtô cỡ lớn, chiều dài dây dẫn tổng hợp trong cách nối điểm-điểm có thể lên tới vài kilômét, tính riêng khối lượng dây dẫn lên tới hàng trăm kilôgam. Chỉ cần quan tâm đến các yếu tố này cũng có thể thấy hiệu quả của việc sử dụng một hệ thống bus trường 15 như CAN. Nhờ tốc độ truyền dẫn tương đối cao ở khoảng cách ngắn cũng như ưu thế ở một số đặc tính khác mà công nghệ này cũng đã thâm nhập được vào nhiều lĩnh vực tự động hoá quá trình công nghiệp 2.3.2.1 Kiến trúc giao thức Đối chiếu với mô hình ISO/OSI, CAN định nghĩa lớp liên kết dữ liệu gồm 2 lớp con (LLC và MAC) cũng như phần chính của lớp vật lý . Lớp vật lý đề cập tới việc truyền tín hiệu, vì thế định nghĩa cụ thể phương thức định thời, tạo nhịp bít (bit timing), phương pháp mã hoá bít và đồng bộ hoá. Tuy nhiên, chuẩn CAN không quy định các đặc tính của các bộ thu phát, với mục đích cho phép lựa chọn một trường truyền cũng như mức tín hiệu thích hợp cho từng, lĩnh vực ứng dụng. Lớp điều khiển truy cập môi trường (MAC) là phần cốt lõi trong kiến trúc giao thức CAN. Lớp MAC có trách nhiệm tạo khung thông báo, điều khiển truy cập môi trường, xác nhận thông báo và kiểm soát lỗi. Lớp điều khiển liên kết lôgic (LLC) đề cập tới các dịch vụ gửi dữ liệu và yêu cầu giữ liệu từ xa, thanh lọc thông báo, báo cáo tình trạng quá tải và phục hồi trạng thái. CAL, DeviceNet, SDS Lớp 3 –6 (Không thể hiện) LLC - Điều khiển liên kết kogic MAC - Điều khiên truy nhập môi trường Mã hoá bít, Tạo nhịp/đồng bộ nhịp (Bộ thu phát) Hình 7: Phạm vi định nghĩa của CAN trong mô hình OSI 16 Trong phiên bản CAN2.OB, đặc tả CAN chỉ định nghĩa lớp MAC và một phần lớp LLC. Trong các phiên bản trước đó, hai lớp con của lớp liên kết dữ liệu được gọi là đối tượng (Object Layer) và lớp truyền (Transfer layer). Trong các hệ thống bus tiêu biểu xây dựng trên cơ sở CAN như CANOpen (CAN in Automation), Device.Net (Allen-Bradley) và SDS (Honeywell), giao thức và các dịch vụ của lớp ứng dụng được định nghĩa cụ thể. Cũng như nhiều chuẩn bus trường khác, các lớp từ 3 đến 6 không thể hiện ở CAN. Hầu hết các hệ thống mạng công nghiệp dựa trên cơ sở của CAN thực hiện lớp vật lý theo chuẩn ISO-11898. 2.3.2.2 Các cấu trúc mạng và kỹ thuật truyền dẫn CAN thực chất chỉ là chuẩn giao thức từ phần trên của lớp vật lý cho tới hết lớp liên kết dữ liệu, vì vậy không quy định cụ thể về chuẩn truyền dẫn cũng như môi trường truyền thông. Trên thực tế, cáp đôi dây xoắn kết hợp với chuẩn RS-485 cũng như cáp quang được sử dụng rộng rãi. Đối với cáp đôi dây xoắn, cấu trúc mạng thích hợp nhất là cấu trúc đường thẳng, mắc theo kiểu đường trục/đường nhánh (trunkline/dropline). Trong đó chiều dài đường nhánh hạn chế dưới 0.3m. Tốc độ truyền có thể lựa chọn ở nhiều mức khác nhau, tuy nhiên phải thống nhất và cố định trong toàn bộ mạng. Do có sự ràng buộc giữa tốc độ truyền và chiều dài dây dẫn trong phương pháp truy nhập bus CSMA/CA, tốc độ trưyền tối đa là 1Mbps ở khoảng cách 40 m và 50 Kbps ở khoảng cách 1000m. Số trạm phụ thuộc nhiều vào cấu trúc mạng, cáp truyền và đặc tính điện học của các bộ phận thu phát, thông thường hạn chế ở con số 64 đối với cấu trúc đường thẳng sử dụng đôi dây xoắn. CAN phân biệt hai trạng thái lôgic của tín hiệu là mức trội (dominant) và mức lặn (recessive), tuy nhiên không quy định giá trị bit nào ứng với mức tín hiệu nào, Trong trường hợp cả bít trội và bít lặn được phát đồng thời thì bit trội sẽ lấn át tín hiệu trên bus có mức trội. Trong thực tế, nếu sử dụng mạch AND thì mức trội phải tương ứng với bít 0 và mức lặn tương ứng với bít 1. Trạng thái vật lý (VD điện áp, ánh sáng) thể hiện mức lôgic không được định nghĩa trong chuẩn. 2.3.2.3 Cơ chế giao tiếp Đặc trưng của CAN là phương pháp giao tiếp hướng đối tượng, trong khi hầu hết các hệ thống bus trường khác đều giao tiếp dựa vào địa chỉ các trạm. Mỗi thông tin trao 17