Kết nối mạng PLC bằng giao thức Modbus TCP/IP với S71200 Server và các S71200 Client

 zones in Binh 
Duong province. This paper presents the method of network connection between PLCs 
together. S71200 is the server and the S71200 is the client. These PLCs exchange data 
with each other via Modbus TCP/IP communication network. The network connection 
between the S71200 PLCs is made to use the Modbus TCP/IP communication protocol. 
The methods of transmission according to the Modbus protocol structure include the 
address, the interface, the number of blocks of data transmitted and received via the RJ45 
 41 
 https://doi.org/10.37550/tdmu.VJS/2020.04.056 
network cable. Transmission of reading and writing data blocks between 2 S7 S7 1200s 
with Tia Portal V14 software program, connecting computers to monitor transmission 
parameters. The number of reading from PLC S71200 Server is 10 bytes (5 word read) 
and writing from PLC S71200 Client is 10 bytes (5 word write). This study provides an 
optimal solution in real network industrial communications and applies to training with 
high efficiency. Fast transmission speed and low cost according to Modbus TCP/IP 
standard. Can be applied intranet data transmission device control in enterprises, 
industry. 
1. Đặt vấn đề 
 Trong một nhà máy rộng lớn có nhiều phân xưởng sản xuất. Nhu cầu muốn thu 
thập dữ liệu sản xuất hàng ngày là cần thiết, như số sản phẩm đã sản xuất, số sản phẩm 
lỗi từng xưởng, và xưởng nào đã đạt mục tiêu, xưởng nào cần tăng ca sản xuất cho đủ 
chỉ tiêu theo hợp đồng Muốn làm được điều này một cách tự động hóa thì các thiết bị 
điều khiển phải kết nối mạng với nhau. 
 Hiện nay việc điều khiển tự động hóa thường sử dụng các thiết bị điều khiển PLC. 
Đối với các hệ thống lớn thường sử dụng nhiều PLC, mỗi PLC thường thực hiện một 
nhiệm vụ riêng trong nhiều nhiệm vụ được yêu cầu từ sản xuất. Để hệ thống phối hợp 
làm việc một cách chặt chẽ thì chúng ta phải kết nối các thiết bị này lại và tiến hành trao 
đổi dữ liệu với nhau. Việc nối mạng giữa các PLC có nhiều giao thức khác nhau như 
CCLinks, Profibus, Profinet, Ethernet, DeviceNet, ControlNet. 
 Đã có rất nhiều nghiên cứu về việc truyền thông kết nối mạng PLC, nhưng mỗi 
nghiên cứu đều tồn tại những điểm cần khắc phục như Morris, Vaughn và Dandass, 
(2012) hay Sideng, Zhengming, Yingchao và Shuping (2008) đã nghiên cứu chuẩn 
Modbus RTU có nhược điểm là chi phí cho thiết bị đầu cuối cao và thị trường hiện nay 
ít thiết bị tích hợp module Modbus RTU và tốc độ truyền chậm hơn chuẩn Modbus 
TCP. Jee, Edison, Rao và Cern (2003) đã sử dụng chuẩn giao tiếp Profibus để truyền 
thông giữa các PLC. Nhưng hiện nay chuẩn này ít sử dụng rộng rãi và cũng ít thiết bị hỗ 
trợ chuẩn truyền thông theo giao thức này. Jee, Edison, Rao, Cern (2003) sử dụng chuẩn 
giao tiếp CClink. Đây là chuẩn giao tiếp chưa phổ biến rộng và chỉ hạn chế một số nhà 
sản xuất thiết bị theo chuẩn riêng của mình. Mỗi giao thức có kiểu truyền và nhận dữ 
liệu khác nhau với chi phí cũng chênh lệch khá nhiều. Một giao thức truyền thông đảm 
bảo tốc độ khá cao và chi phí thấp, dễ sử dụng đó là Modbus TCP/IP. Về cơ bản giống 
như Modbus RTU, nhưng khác nhau ở chỗ giao chuẩn giao tiếp đó là Modbus TCP/IP 
sử dụng cáp mạng RJ45 thay vì RS485. 
2. Tổng quan về Modbus 
 Lịch sử phát triển: Modbus là một giao thức truyền thông nối tiếp ban đầu được 
Modicon (nay là Schneider Electric ) xuất hiện năm 1979. Dùng để sử dụng với các bộ 
điều khiển logic lập trình (PLC). Modbus đã trở thành một giao thức truyền thông tiêu 
 42 
Tạp chí Khoa học Đại học Thủ Dầu Một Số 4(47)-2020 
chuẩn thực tế và hiện là phương tiện phổ biến để kết nối các thiết bị điện tử công 
nghiệp. Modbus phổ biến trong môi trường công nghiệp vì nó được phổ biến công 
khai và miễn phí bản quyền . Nó được phát triển cho các ứng dụng công nghiệp, tương 
đối dễ triển khai và bảo trì so với các tiêu chuẩn khác. Đơn giản trong việc thiết lập 
kích thước định dạng của dữ liệu được truyền. Modbus sử dụng 2 chuẩn giao tiếp 
RS485 và RJ45. Modbus cho phép giao tiếp giữa nhiều thiết bị được kết nối với cùng 
một mạng. Ví dụ, một hệ thống đo nhiệt độ và độ ẩm được truyền kết quả đến máy 
tính . Modbus thường được sử dụng để kết nối máy tính giám sát với thiết bị đầu cuối 
từ xa (RTU) trong các hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu (SCADA ). Có 
thể lập trình bằng nhiều ngôn ngữ khác nhau như Ladder, SCL, FBD hay GRAPH. Sử 
dụng chương trình này điều khiển rơle (đầu ra vật lý một bit được gọi là cuộn dây) và 
đầu vào vật lý một bit được gọi là đầu vào riêng biệt hoặc tiếp điểm. Việc phát triển 
và cập nhật các giao thức Modbus đã được Tổ chức Modbus quản lý kể từ tháng 4 
năm 2004. Từ khi Schneider Electric chuyển giao quyền cho tổ chức Modbus. Tổ 
chức này là tạo ra một hiệp hội của người dùng và nhà cung cấp các thiết bị tuân thủ 
chuẩn Modbus hổ trợ người dùng và nhà sản xuất sử dụng công nghệ truyền theo 
chuẩn này. 
 Cách thức truyền: Một hệ thống giao tiếp qua MODBUS TCP/IP có thể bao gồm 
các loại thiết bị khác nhau như: (1) Thiết bị máy khách và máy chủ MODBUS TCP/IP 
được kết nối với mạng TCP/IP; (2) Các thiết bị kết nối như cầu nối, bộ định tuyến hoặc 
cổng để kết nối giữa mạng TCP/IP; (3) mạng con nối tiếp cho phép kết nối các thiết bị 
đầu cuối, máy khách và máy chủ nối tiếp qua giao thức MODBUS qua cáp RS 485 hay 
RJ45. 
 Hình 1. Cấu trúc chung của mạng Modbus TCP/IP 
 43 
 https://doi.org/10.37550/tdmu.VJS/2020.04.056 
 Truyền Bit và các thanh ghi 16 bit có địa chỉ như bảng 1. 
 Bảng 1. Địa chỉ thanh ghi/đọc khi truyền theo chuẩn Modbus TCP/IP 
 Loại đối tượng Truy cập Kích thước Không gian địa chỉ 
Ngõ ra số Đọc viết 1 bit 00001 - 09999 
Ngõ vào số Chỉ đọc 1 bit 10001 - 19999 
Thanh ghi đầu vào Chỉ đọc 16 bit 30001 - 39999 
Thanh ghi đọc/ghi Đọc viết 16 bit 40001 - 49999 
 Modbus TCP/IP là biến thể của RTU sử dụng địa chỉ IP. Khung truyền như bảng 2. 
 Bảng 2. Cấu trúc định dạng kiểu truyền dữ liệu Modbus TCP/IP 
 Độ dài 
 Tên Chức năng 
 (byte) 
Mã định danh giao thức 2 Để đồng bộ giữa dữ liệu của máy chủ và máy khách 
Xác định giao thức 2 Số 11 cho Modbus/TCP 
Trường chiều dài 2 Số byte còn lại trong khung truyền 
Địa chỉ Client 1 Địa chỉ Client (0 đến 255 ) 
 Mã chức năng dùng để phân biệt nhiều đường truyền 
Mã chức năng 1 
 khác nhau 
Byte dữ liệu n Dữ liệu dưới dạng phản hồi hoặc lệnh 
 Mã định danh giao thức: Nó được sử dụng để ghép nối các thiết bị máy chủ 
 MODBUS và máy tớ trong việc lấy dữ liệu và phản hồi trên đường truyền theo 
 yêu cầu. 
 Xác định giao thức : Nó được sử dụng để ghép kênh trong hệ thống. Giao thức 
 MODBUS được xác định bởi giá trị 11. 
 Trường chiều dài: Trường độ dài là số byte của các khối dữ liệu cần truyền, bao 
 gồm Mã nhận dạng đơn vị và trường dữ liệu. 
 Địa chỉ Client: Sử dụng để khai báo các máy tớ (Client) trên đường truyền có 
 nhiều thiết bị 
 Mã chức năng hay định danh đơn vị: Trường này được sử dụng cho mục đích 
 định tuyến trong hệ thống. Nó thường được sử dụng để liên lạc với MODBUS 
 Server và Client nối tiếp trong mạng MODBUS thông qua các cổng mạng 
 Ethernet TCP-IP hoặc đường nối tiếp MODBUS RTU. Trường này được thiết lập 
 bởi máy khách MODBUS trong yêu cầu đọc và ghi các giá trị trong với sự phản 
 hồi của máy chủ. 
 44 
Tạp chí Khoa học Đại học Thủ Dầu Một Số 4(47)-2020 
 Dưới đây là ví dụ về yêu cầu đọc và ghi dữ liệu theo chuẩn Modbus TCP cho nội 
dung các thanh ghi giữ liệu đầu ra tương tự từ # 40108 đến # 40110 từ thiết bị Client có 
địa chỉ 17. 
 00 01 00 00 00 15 15 00 00 6B 00 03 
 0001 : Mã định danh giao thức 
 0000 : Xác định giao thức 
 0006 : Độ dài tin nhắn (6 byte để theo dõi) 
 15 : Mã định danh đơn vị (17 = 0x15) 
 03 : Mã chức năng (đọc các thanh ghi giữ đầu ra tương tự) 
 006B : Địa chỉ dữ liệu của thanh ghi đầu tiên được yêu cầu (40108 - 40001 offset 
= 107 = 0x6B) 
3. Kết nối phần cứng giữa các PLC S71200 Server và Salve 
 3.1. Giới thiệu cấu trúc hệ thống 
 Hình 2. Tổng quan phần cứng kết nối PLC S7 1200 
 Hệ thống sẽ truyền dữ liệu qua cáp RJ45 theo chuẩn MODBUS TCP/IP với chức 
năng ghi và đọc qua lại các thông số giữa PLC thông qua thiết bị kết nối mạng CSM 
1277. 
 45 
 https://doi.org/10.37550/tdmu.VJS/2020.04.056 
 Bảng 3. Cài đặt địa chỉ truyền Master, Slave 
 Parameter S7-1200 (Client) S7-1200 (Server) 
 Instruction MB_CLIENT MB_SERVER 
 Modbus function 16 (Write holding register) 
 Connection number (ID) 1 
 Connection type 0x0B (hex) = 11 (dec): TCP connection 
 Connection setup Active Passive 
 Own IP address 192.168.0.3 192.168.0.2 
 IP address of the remote 192.168.0.2 192.168.0.3 
 partner (remote IP address) 
 Local port 0: any port 502 
 Remote port 502 0: The "MB_SERVER" 
 instruction is to accept connection requests 
 from any remote connection partner. 
 Để truyền thông 2 PLC ta cài đặt các thông số như sau: 
 PLC S71200 Server ta dùng khối MB_SERVER với khai báo đọc thanh ghi (Mã 
16), Loại kết nối là 11 (TCP/IP), đường truyền ID là 1. Kết nối Passive, địa chỉ là 
192.168.0.2, kết nối với Client có IP là 192.168.0.3, Local port là 502, Remote port là 0. 
 PLC S71200 Client ta dùng khối MB_CLIENT với khai báo đọc thanh ghi (Mã 16), 
Loại kết nối là 11 (TCP/IP), đường truyền ID là 1, Kết nối active, địa chỉ là 192.168.0.3, kết 
nối với Server có IP là 192.168.0.2, Local port là 0, Remote port là 502. 
 3.2. Kết nối phần cứng 
 Hình 3. Kết nối phần cứng truyền thông PLC thực tế 
 46 
Tạp chí Khoa học Đại học Thủ Dầu Một Số 4(47)-2020 
 Hệ thống gồm Máy tính có cài đặt chương trình Tia Portal V14, 2 PLC S2 1200 
CPU 1214 C DC/DC/DC và PLC S71200 1212C DC/DC/DC. Được kết nối mạng 
Modbus TCP/IP qua bộ chia mạng CSM 1277 của Siemens. 
 3.3. Chương trình phần mềm 
 Trong chương trình phần mềm lập trình Tia portal V14 của 2 CPU S7-1200, ta sử 
dụng các lệnh "MB_CLIENT" và "MB_SERVER". Sử dụng một kết nối Modbus/TCP 
với một ID duy nhất . Các lệnh "MB_CLIENT" và "MB_SERVER" được gọi mỗi lần 
với xung nhịp khác nhau để truyền và gửi dữ liệu. Các xung nhịp này phải lệch pha 
nhau để tránh xung đột trên đường truyền. 
 Bảng 4. Kết nối dữ liệu hai khối MB_Server và MB_Client 
 S7 1200 Server S7 1200 Client 
 Lưu đồ truyền nhận dữ liệu: 
 Hình 4. Sơ đồ truyền theo chuẩn Modbus TCP/IP 
 47 
 https://doi.org/10.37550/tdmu.VJS/2020.04.056 
 Dạng dữ liệu của Server và client 
 Client Server 
 Hình 5. Thông số cài đặt các khối dữ liệu các PLC S7 1200. 
 Sau khi biên dịch (Compile) thì tiến hành download từng CPU. Để tránh bị lỗi 
chúng ta phải định dạng đúng dạng dữ liệu (Data Type) của từng vùng nhớ bit, byte, 
word, Dword. Để kết nối, chúng ta tạo các khối dữ liệu (DB) và định dạng thành mảng 
(Array) gồm nhiều word. Trong đó chúng ta chi thành các word chỉ đọc và các word chỉ 
ghi. Khi đọc và ghi thanh ghi word, chúng ta chỉ cần trỏ vào thanh ghi đầu tiên (Data 
pointer). Ví dụ đọc và ghi các thanh ghi 16 bit bắt đầu từ 40001 thì ta chia ra như sau: 
 10 word đầu để đọc ta trỏ và thanh ghi word có địa chỉ từ 40001 đến 40010. 
 10 word còn lại để ghi ta trỏ vào thanh ghi word bắt đầu từ 4011 đến 4020. 
4. Thử nghiệm và kết quả 
 Sau khi tải chương trình ta tiến hành chạy và cho truyền dữ liệu ta có kết quả như sau: 
 Hình 6. Kết quả khi truyền dữ liệu giữa các PLC S7 1200 
 48 
Tạp chí Khoa học Đại học Thủ Dầu Một Số 4(47)-2020 
 PLC Client đọc về 3 word đầu tiên dataread (0), dataread (1), dataread (2) của 
PLC Server datserver (0), datserver (1), datserver (2) có giá trị lần lượt là 100, 200, 
300 và sau đó ghi về 4 word datawrite (0), datawrite (1), datawrite (2), datawrite (3) 
có giá trị lần lượt là 500, 600, 550, 650 và 4 word dataserver (3), dataserver (4), 
dataserver (5), dataserver (6), 
5. Kết luận 
 Sau khi nghiên cứu phần cứng và phần mềm nhóm tác giả đã tiến hành lắp 
đặt kết nối và lập trình để truyền thông giữa các PLC với nhau qua mạng truyền 
thông Modbus TCP/IP. Kết quả là các PLC đã giao tiếp được với nhau, cụ thể là 
đã đọc và ghi dữ liệu qua lại giữa PLC Server S71200 CPU 1214C DC/DC/DC 
và PLC Client S7 1200C DC/DC/DC. So với các nghiên cứu trước đó thì bài báo 
này đã đưa ra phương pháp kết nối dữ liệu giữa các PLC với nhau theo chuẩn 
phổ biến nhất và chi phí thấp nhất. Chuẩn này được hỗ trợ bởi hầu hết các nhà 
sản xuất thiết bị, thuận lợi trong việc kết nối, cài đặt và lập trình, đường truyền 
ổn định và có thể truyền với khoản cách xa. Đây là ứng dụng rất cần thiết trong 
công nghiệp tự động hóa quá trình và đào tạo mạng truyền thông công nghiệp. 
 TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1] Trần Văn Hiếu (2019). Thiết kế hệ thống mạng truyền thông công nghiệp với Tia Portal. 
 NXB Khoa học Kỹ thuật. 
[2] Trần Văn Hiếu (2019). Lập trình S71200 với Tia Portal. NXB Khoa học Kỹ thuật. 
[3] D. T. Robinson (2017). Modbus Monitoring for Networked Control Systems of Cyber-
 Defensive Architecture. Howard University. 
[4] W. You and H. Ge (2019). Design and Implementation of Modbus Protocol for Intelligent 
 Building Security. IEEE 19th International Conference on Communication Technology 
 (ICCT), 2019, pp. 420-423: IEEE. 
[5] G. Pavlou, K. McCarthy, S. Bhatti, and G. Knight (1995). "The OSIMIS Platform: Making 
 OSI Management Simple". Integrated Network Management IV: Proceedings of the fourth 
 international symposium on integrated network management, 1995, A. S. Sethi, Y. 
 Raynaud, and F. Faure-Vincent, Eds. Boston, MA: Springer US, 1995, pp. 480-493. 
[6] Z. Luo, F. Zuo, Y. Jiang, J. Gao, X. Jiao, and J. Sun (2019). "Polar: Function Code Aware 
 Fuzz Testing of ICS Protocol". ACM Transactions on Embedded Computing Systems 
 (TECS), vol. 18, no. 5s, pp. 1-22. 
[7] L. G. Z. Xinjian (2005). "How to Improve RS485 Communication Reliability in Measure 
 and Control System". Chinese Journal of Scientific Instrument, p. S1. 
[8] V. A. Kumar (1995). "Overcoming data corruption in RS485 communication". International 
 Conference on Electromagnetic Interference and Compatibility (INCEMIC), 1995, pp. 9-12: 
 IEEE. 
 49 
 https://doi.org/10.37550/tdmu.VJS/2020.04.056 
[9] K. Chen, Z. Jin, and H. Chen (2016). "Effect of common-mode interference on 
 communication performance of a motor drive system". IEEE Vehicle Power and Propulsion 
 Conference (VPPC), 2016, pp. 1-6: IEEE. 
[10] Jee, G., Edison, C., Rao, R. D., & Cern, Y. (2003). Demonstration of the technical viability 
 of PLC systems on medium-and low-voltage lines in the United States. IEEE 
 Communications Magazine, 41(5), 108-112. 
[11] Morris, T., Vaughn, R., & Dandass, Y. (2012). A retrofit network intrusion detection system 
 for MODBUS RTU and ASCII industrial control systems. Paper presented at the 2012 45th 
 Hawaii International Conference on System Sciences. 
[12] Sideng, H., Zhengming, Z., Yingchao, Z., & Shuping, W. (2008). A novel Modbus RTU-
 based communication system for adjustable speed drives. Paper presented at the 2008 IEEE 
 Vehicle Power and Propulsion Conference. 
 50