Modbus Gateway Advantech là thiết bị nối hai thế giới đang cùng tồn tại trong mọi nhà máy: nhóm thiết bị cũ nói Modbus RTU hoặc Modbus ASCII trên tuyến nối tiếp, và nhóm phần mềm mới chỉ nói Modbus TCP trên mạng Ethernet. Cổng Modbus không phải là bộ chuyển đổi cổng thông thường. Nó hiểu giao thức, dịch yêu cầu giữa hai bên, nên phần mềm giám sát không cần biết phía dưới là đồng hồ đo điện đời cũ hay biến tần mới lắp. Bài viết nêu các mã trong dòng EKI, các giới hạn phải tính khi thiết kế và cách đặt cấu hình.
1. Cổng Modbus giải bài toán gì
Trong một tủ điện đang chạy thường có sẵn nhiều thiết bị nói Modbus trên tuyến nối tiếp: đồng hồ đo điện đa năng, biến tần, bộ điều khiển nhiệt độ, cân điện tử, bộ nạp ắc quy. Chúng vẫn làm việc tốt và không có lý do gì để thay. Cái thiếu chỉ là đường lên mạng.
Có ba cách nối chúng lên hệ thống giám sát. Cách thứ nhất là cắm một cổng COM vào máy tính đặt ngay tại tủ, nhưng cách này buộc phải có máy tính tại chỗ và chỉ một phần mềm dùng được tuyến. Cách thứ hai là dùng bộ chuyển đổi cổng nối tiếp sang Ethernet, tạo cổng COM ảo trên máy tính ở xa; cách này bỏ được máy tính tại tủ nhưng phần mềm phía trên vẫn phải nói Modbus RTU và vẫn phải cài trình điều khiển cổng ảo. Cách thứ ba là dùng cổng Modbus: thiết bị tự dịch giữa Modbus TCP và Modbus RTU hoặc ASCII, nên bất kỳ phần mềm nào nói được Modbus TCP đều đọc thẳng số liệu.
Khác biệt thấy rõ nhất khi có nhiều bên cùng cần số liệu. Với cổng COM ảo, hai phần mềm tranh nhau một cổng là hỏng cả hai. Với cổng Modbus, mỗi phần mềm mở một kết nối riêng và thiết bị xếp hàng các yêu cầu.
2. Modbus RTU, Modbus ASCII và Modbus TCP
| Biến thể | Chạy trên | Cách mã hoá | Thường gặp ở đâu |
|---|---|---|---|
| Modbus RTU | Tuyến nối tiếp RS-232, RS-422, RS-485 | Nhị phân, gọn, kiểm lỗi bằng mã vòng | Đồng hồ đo điện, biến tần, bộ điều khiển trong tủ |
| Modbus ASCII | Tuyến nối tiếp | Chuỗi ký tự, dài gấp đôi, dễ đọc khi dò lỗi | Thiết bị đời cũ và một số thiết bị của hãng nhỏ |
| Modbus TCP | Mạng Ethernet | Bọc bản tin Modbus trong gói TCP | Phần mềm giám sát, bộ điều khiển mới, mô-đun mạng |
Điểm chung của cả ba là mô hình dữ liệu: mọi giá trị nằm trong bốn vùng gồm cuộn, ngõ vào rời rạc, thanh ghi vào và thanh ghi giữ. Cổng Modbus giữ nguyên mô hình đó, chỉ đổi lớp vận chuyển. Vì vậy bảng thanh ghi của thiết bị không đổi khi đi qua cổng, và tài liệu cũ của thiết bị vẫn dùng được.
Điểm khác quan trọng nằm ở thời gian. Tuyến nối tiếp làm việc theo lượt hỏi đáp và có khoảng lặng giữa các bản tin, còn mạng Ethernet nhanh hơn nhiều bậc. Cổng Modbus đứng giữa hai nhịp đó, nên phần mềm phía trên phải đặt thời gian chờ đủ dài, tính theo tốc độ của tuyến nối tiếp chứ không theo tốc độ mạng.
3. Các mã cổng Modbus của Advantech
| Mã | Số cổng nối tiếp | Cổng mạng | Đặc điểm theo thông số công bố |
|---|---|---|---|
| EKI-1221 | 1 cổng, chọn RS-232, RS-422 hoặc RS-485 bằng phần mềm | 2 cổng 10/100 Mbps cho dự phòng đường mạng | Ghép mạng Modbus TCP với Modbus RTU và ASCII, tốc độ tới 921,6 kbps, hỗ trợ 16 kết nối và 32 yêu cầu đồng thời, 31 trạm phụ mỗi cổng nối tiếp, bảo vệ tĩnh điện 15 kV trên mọi chân tín hiệu, tự điều khiển hướng truyền RS-485, gá thanh DIN, bắt tường hoặc bắt bảng |
| EKI-1224 | 4 cổng, chọn kiểu bằng phần mềm | 2 cổng 10/100 Mbps cho dự phòng đường mạng | Cùng bộ tính năng với bản một cổng, dùng khi tủ có nhiều tuyến nối tiếp tách biệt |
| EKI-1221D và EKI-1222D | Theo tài liệu hãng | Có sẵn chức năng switch Ethernet bên trong | Nối tiếp nhiều thiết bị thành chuỗi, tự bỏ qua thiết bị mất nguồn để chuỗi không đứt, cấu hình bằng trình duyệt, đạt chứng nhận cho khu vực nguy hiểm loại một phân nhóm hai |
Hai nhóm này phục vụ hai cách đi dây khác nhau. Bản không có switch bên trong đi theo kiểu hình sao: mỗi thiết bị một sợi cáp về switch trung tâm, hỏng một sợi chỉ mất một thiết bị. Bản có switch bên trong đi theo kiểu chuỗi: cáp chạy từ tủ này sang tủ kế tiếp, tiết kiệm rõ rệt chiều dài cáp và số cổng switch, đổi lại phải dựa vào chức năng tự bỏ qua khi một thiết bị mất nguồn.
Bảo vệ tĩnh điện 15 kV trên chân tín hiệu là hạng mục đáng chú ý với tủ ngoài trời và trạm ở xa, nơi tuyến nối tiếp đi ra khỏi phòng kín. Đây cũng là điểm phân biệt thiết bị công nghiệp với bộ chuyển đổi văn phòng giá thấp.
4. Ba giới hạn phải tính trước khi thiết kế
- Số trạm trên một cổng. Mỗi cổng nối tiếp hỗ trợ 31 trạm phụ. Nhưng giới hạn thật của một hệ không phải là con số này mà là chu kỳ quét: mỗi trạm thêm vào là một lượt hỏi đáp thêm, và tổng thời gian một vòng quét tăng theo. Nếu phần mềm cần số liệu mỗi giây mà một vòng quét mất ba giây thì phải chia tuyến, không phải tăng tốc độ truyền.
- Số kết nối và số yêu cầu đồng thời. Thiết bị hỗ trợ 16 kết nối và 32 yêu cầu đồng thời. Đủ cho phần lớn hệ, nhưng nên đếm trước: phần mềm giám sát, phần mềm báo cáo, bảng hiển thị tại xưởng và công cụ chẩn đoán của người bảo trì đều là những kết nối riêng.
- Tốc độ truyền và chiều dài tuyến. Thiết bị nhận tốc độ tới 921,6 kbps, nhưng tốc độ dùng được phụ thuộc thiết bị chậm nhất trên tuyến và chiều dài cáp. Tuyến dài nên hạ tốc độ; muốn vừa nhanh vừa dài thì phải chia thành nhiều tuyến ngắn, mỗi tuyến một cổng.
Ba giới hạn này gợi ý một nguyên tắc thiết kế đơn giản: chia theo nhóm thiết bị có cùng tốc độ và cùng yêu cầu về độ tươi của số liệu. Nhóm đồng hồ đo điện đọc mỗi phút không nên nằm chung tuyến với nhóm biến tần cần đọc mỗi giây.
5. Đặt cấu hình và dò địa chỉ trạm
Phần cấu hình chia làm ba bước và nên làm theo đúng thứ tự này. Bước một là đặt tham số tuyến nối tiếp: kiểu tín hiệu, tốc độ truyền, số bit dữ liệu, kiểu kiểm chẵn lẻ và số bit dừng. Bốn tham số sau phải giống hệt trên mọi thiết bị của tuyến, và đây là chỗ sai thường gặp nhất khi thêm thiết bị mới của hãng khác.
Bước hai là dò địa chỉ trạm phụ. Phần mềm cấu hình đi kèm có chức năng tự dò, rất có ích khi hồ sơ tủ thất lạc hoặc khi tiếp nhận một hệ thống do đơn vị khác lắp. Kết quả dò nên ghi ngay vào hồ sơ tủ kèm tên thiết bị, vì lần sau người khác sẽ cần.
Bước ba là đặt phần mạng: địa chỉ IP, cổng dịch vụ và cách ánh xạ giữa địa chỉ trạm phụ với yêu cầu đến từ mạng. Với bản có hai cổng mạng, cần quyết định rõ dùng cho dự phòng đường lên hay dùng để nối chuỗi, vì hai cách đấu này khác nhau về cách cấu hình switch phía trên. Phần switch trong tủ được bàn kỹ ở bài switch công nghiệp Advantech.
6. Cổng Modbus dùng ở đâu
- Trạm dầu khí và khu vực nguy hiểm. Bản đạt chứng nhận cho khu vực nguy hiểm loại một phân nhóm hai đặt được trong vùng có nguy cơ cháy nổ. Chức năng tự bỏ qua thiết bị mất nguồn giữ cho chuỗi không đứt khi bảo trì một tủ.
- Nhà máy xử lý nước và nước thải. Các bể và trạm bơm nằm rải trên diện rộng, thiết bị đo tại chỗ phần lớn nói Modbus RTU. Cổng Modbus đưa toàn bộ số liệu về phòng điều khiển qua một đường mạng duy nhất.
- Tủ đo điện và hệ quản lý năng lượng. Đồng hồ đo điện đa năng gần như luôn có cổng RS-485 nói Modbus RTU. Đây là ứng dụng phổ biến nhất và cũng dễ triển khai nhất.
- Nâng cấp dây chuyền cũ. Khi cần đưa số liệu của máy đời cũ lên hệ thống quản lý sản xuất mà không được phép dừng máy để thay bộ điều khiển, cổng Modbus là đường đi ít rủi ro nhất.
7. Mua cổng Modbus Advantech ở đâu
Trên site này, cổng Modbus và các thiết bị truyền thông cùng nhóm nằm ở chuyên mục switch công nghiệp. Trang sản phẩm của bản một cổng là Modbus Gateway EKI-1221; khi chỉ cần đưa cổng nối tiếp lên mạng mà không cần dịch giao thức thì dùng bộ chuyển đổi như EKI-1524. Nếu số liệu cần lấy đến từ cảm biến chứ không từ thiết bị có sẵn cổng Modbus, phần mô-đun thu thập nằm ở bài ADAM-4000 Series cho tuyến nối tiếp và ADAM-6000 Series cho mạng Ethernet, còn cách đấu cảm biến vào mô-đun nằm ở bài đấu cảm biến vào mô-đun Remote I/O.
Khi hỏi hàng nên gửi bốn thông tin: danh sách thiết bị trên tuyến kèm giao thức và tốc độ của từng thiết bị, số tuyến nối tiếp tách biệt cần dùng, cách đi dây mạng theo hình sao hay theo chuỗi, và điều kiện môi trường tại vị trí lắp. Bốn thông tin này quyết định số cổng và bản mã. Phần máy tính chạy phần mềm giám sát ở đầu hệ thống liệt kê tại danh mục máy tính công nghiệp Advantech trên IPC247. Khi cấu hình máy chưa chốt, dùng công cụ chọn máy theo yêu cầu.
Câu hỏi thường gặp về Modbus Gateway Advantech
Cổng Modbus khác bộ chuyển đổi cổng nối tiếp sang Ethernet ở chỗ nào?
Bộ chuyển đổi cổng nối tiếp chỉ đóng gói dữ liệu thô của cổng COM rồi gửi qua mạng, phần mềm phía trên vẫn phải nói Modbus RTU và vẫn phải mở cổng COM ảo. Cổng Modbus hiểu giao thức: nó nhận yêu cầu Modbus TCP từ mạng, dịch sang Modbus RTU hoặc ASCII trên tuyến nối tiếp rồi trả kết quả ngược lại. Nhờ vậy phần mềm giám sát chỉ cần nói Modbus TCP.
Một cổng nối tiếp đấu được bao nhiêu trạm Modbus?
Theo thông số công bố của EKI-1221, mỗi cổng nối tiếp hỗ trợ 31 trạm phụ. Con số này khớp với giới hạn của một đoạn bus RS-485 thông thường. Trong thực tế nên đặt số trạm thấp hơn giới hạn, vì mỗi trạm thêm vào đều làm dài thêm chu kỳ quét của cả tuyến.
Cổng Modbus chịu được bao nhiêu kết nối cùng lúc?
Theo thông số công bố, thiết bị hỗ trợ tới 16 kết nối và 32 yêu cầu đồng thời. Đây là hai con số phải tính khi có nhiều phần mềm cùng đọc một tuyến: phần mềm giám sát, phần mềm báo cáo và công cụ chẩn đoán của người bảo trì đều chiếm kết nối riêng.
Vì sao cổng Modbus có hai cổng mạng?
Hai cổng 10/100 Mbps dùng cho dự phòng đường mạng. Cách dùng thứ nhất là đấu hai đường lên hai switch khác nhau để mất một đường thì vẫn còn đường kia. Cách dùng thứ hai, trên các bản có sẵn switch bên trong, là nối tiếp nhiều thiết bị thành một chuỗi và tiết kiệm cổng switch cùng chiều dài cáp.
Dò địa chỉ trạm Modbus bằng cách nào khi hồ sơ cũ thất lạc?
Phần mềm cấu hình đi kèm có chức năng tự dò địa chỉ trạm phụ trên tuyến nối tiếp. Cần lưu ý dò với đúng tốc độ truyền và đúng kiểu kiểm chẵn lẻ của tuyến, vì tham số sai thì không thiết bị nào trả lời. Sau khi dò xong nên ghi lại bảng địa chỉ vào hồ sơ tủ.
Đọc thêm về thiết bị: toàn bộ máy tính công nghiệp Advantech cùng các hãng khác trên ipc247.com.
