Một giải pháp xây dựng thiết bị truyền thông không dây cho PLC sử dụng chuẩn ZigBee

20 
 A SOLUTION TO BUILD WIRELESS COMMUNICATION DEVICE FOR 
 PLC USING ZIGBEE STANDARD 
 Dang Van Ngoc*, Nguyen Duy Minh, Hoang Thi Thuong 
 TNU - University of Information and Communication Technology 
ABSTRACT 
 In today's industrial production plants, conventional wired monitoring and control systems that 
 require trenching to place new wires, repairing or replacing old cables can be extremely costly, 
 due to the possibility of low expansion and high failure rate of connectors. This paper provides a 
 wireless communication device building solution for a programmable logic controller (PLC) 
 using the ZigBee standard. A hardware solution of the equipment was implemented, using a PLC 
 paired with an Ethernet standard converter and XBee S2 wireless communication module. 
 Thereby building a wireless network including three types of devices: Gateway; Router; End 
 device. Network performance has been assessed through the following parameters: Network 
 scalability, reliability, flexibility, network routing, and packet transmission rate of the entire 
 network. The results show that the wireless communication unit for PLC has transmission 
 distance of 55.5m and 26.05m, packet transmission rate is 98.4% and 84.2% respectively in an 
 obstacle-free and obstructive environment. The experimental wireless network model performs 
 self-routing when link failure and flexible network expansion. 
 Keywords: Wireless communication; ZigBee; PLC; Wireless network; Xbee S2; Ethernet 
 Received: 07/8/2020; Revised: 31/8/2020; Published: 31/8/2020 
* Corresponding author. Email: dvngoc@ictu.edu.vn 
134  Email: jst@tnu.edu.vn 
 Đặng Văn Ngọc và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ĐHTN 225(09): 134 - 140 
1. Giới thiệu khoảng cách truyền thông, khả năng mở rộng 
Hiện nay trong các dây truyền sản xuất tại các tầm hoạt động, khả năng định tuyến của mạng, 
nhà máy, xí nghiệp sử dụng mạng truyền tỷ lệ truyền và nhận dữ liệu. 
thống cung cấp nhiều lợi thế nhưng yêu cầu 2. Thiết kế hệ thống 
dây cáp để kết nối các thiết bị. Điều này dẫn 2.1. Giải pháp phần cứng 
đến chi phí lắp đặt và bảo trì cao, do khả năng 
 Trong thiết kế này, phần cứng của hệ thống 
mở rộng thấp và tỷ lệ thất bại cao trong việc 
 sử dụng hai phương thức truyền thông dữ liệu 
kết nối các đầu nối. Một trong những đổi mới 
 như sau: 
hứa hẹn nhất trong các nhà máy sản xuất là sự 
ra đời của công nghệ không dây. Mục đính • Truyền thông dữ liệu không dây 
nhằm thay thế số lượng lớn cáp hiện đang nối • Truyền thông dữ liệu có dây 
dây cho các nhà máy bằng hệ thống không Truyền thông dữ liệu có dây: Bộ xử lý trung 
dây sẽ cho phép giảm chi phí triển khai và tâm sử dụng Kit Arduino UNO [5] kết nối với 
bảo trì. Các hệ thống không dây cũng cho module Ethernet Shield [6] để truyền thông 
phép các ứng dụng mới vì tính di động nâng dữ liệu do PLC (S7-1200) [7] xử lý tín hiệu từ 
cao và mô hình giao tiếp linh hoạt hơn [1]. các cảm biến hoặc tín hiệu điều khiển cơ cấu 
Trong các công nghệ không dây dùng trong chấp hành thông qua chuẩn Ethernet sử dụng 
mạng không dây (Wifi, Bluetooth, ZigBee) xu giao thức Modbus [8]. 
hướng hiện nay sử dụng nhiều công nghệ Truyền thông dữ liệu không dây: Bộ xử lý 
ZigBee [2] và IEEE 802.15.4 [3] do công suất trung tâm ghép nối với module XBee S2 [9] 
tiêu thụ nhỏ, giá thành thấp, dễ mở rộng để truyền/ nhận dữ liệu trong WSN thông qua 
mạng, truyền nhận dữ liệu đáng tin cậy. chuẩn ZigBee. 
 Hình 2 minh họa sơ đồ khối của bộ truyền 
 thông không dây. 
 Hình 1. Sơ đồ hệ thống mạng không dây 
Hiện nay, một số hãng PLC phổ biến như 
Mitsubishi, Omron, Siemens,... Trong đó, phổ 
biến và thông dụng nhất là hãng Siemens, điển 
hình là các dòng PLC S7-200, S7-300, S7-400, 
S7-1200, S7-1500. Tuy nhiên, trong các ứng 
dụng hiện nay, PLC hầu hết sử dụng các bộ Hình 2. Sơ đồ khối bộ truyền thông không dây – (WCM) 
truyền thông có dây truyền thống [4]. Chính vì Hình 3 minh họa sơ đồ ghép nối của WCM. 
vậy, chúng tôi đưa ra giải pháp xây dựng bộ 
 2.2. Cấu hình phần cứng 
truyền thông không dây (Wireless 
Communication Module-WCM) cho PLC sử • Thiết bị End device/Router 
dụng chuẩn ZigBee. Qua đó xây dựng một Hình 4 minh họa sơ đồ ghép nối của thiết bị 
mạng không dây như hình 1 để thu thập dữ liệu End Device/Router, trong đó thiết bị sử dụng 
thông số nhiệt độ thông qua các thiết bị PLC S7-1200, cảm biến nhiệt độ PT100 và 
Gateway, Router và End device hiển thị giá trị WCM. Cảm biến PT100 truyền tín hiệu nhiệt 
trên giao diện HMI và WinCC. Sau đó đưa ra độ về cho PLC. PLC sẽ xử lý tín hiệu của cảm 
các kịch bản để đánh giá mạng không dây như: biến rồi sau đó truyền giá trị nhiệt độ xuống 
 Email: jst@tnu.edu.vn 135 
 Đặng Văn Ngọc và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ĐHTN 225(09): 134 - 140 
cho bộ WCM để định dạng khung truyền ở dữ liệu và hiển thị nhiệt độ thu được lên màn 
dạng 3 byte dữ liệu “ID_phantach_nhietdo”. hình HMI và giao diện WinCC trên máy tính. 
Sau đó dữ liệu được WCM truyền không dây 
cho nút Gateway. 
 Hình 5. Sơ đồ ghép nối của thiết bị Gateway 
Hình 3. Sơ đồ ghép nối bộ truyền thông không dây 2.3. Giải pháp phần mềm 
 – (WCM) 2.3.1. Thiết kế giao diện cho màn hình HMI 
Để cấu hình phần cứng người dùng sử dụng KTP-400 
phần mềm miễn phí X-ICTU do hãng Digi Giao diện màn hình HMI KTP-400 được thiết 
International cung cấp để nạp firmware cho kế với hai biểu đồ hiển thị giá trị nhiệt độ. Giá 
module Xbee S2 nhằm định dạng bộ truyền trị “NHIET DO 1” biểu diễn với thang đo 
thông của thiết bị là End device/ Router/ 100°C ứng dụng trong đo nhiệt độ môi trường 
Gateway. Ngoài ra, phần mềm Arduino IDE không khí, nước, đất, v.v... Giá trị “NHIET 
và phần mềm Tia Portal V13 sẽ giúp người DO 2” biểu diễn với thang đo 800°C ứng 
dùng lập trình phần cứng cho PLC và WCM dụng trong môi trường có nhiệt độ cao như lò 
một cách dễ dàng. hơi, lò nhiệt, v.v... Hình 6 minh họa thiết kế 
• Thiết bị Gateway (GN) giao diện màn hình HMI KTP-400. 
 Hình 6. Giao diện trên màn hình KTP-400 
 Hình 4. Sơ đồ ghép nối của thiết bị 
 End device/Router 
Hình 5 minh họa sơ đồ ghép nối của thiết bị 
Gateway, trong đó sử dụng PLC S7-1200 ghép 
nối với bộ WCM, màn hình HMI KTP-400 và 
máy tính thông qua Switch, sau đó cấu hình sao 
cho địa chỉ IP phải trùng Network ID nhưng 
khác nhau Host ID. Giá trị nhiệt độ được 
truyền không dây từ các thiết bị End 
device/Router về cho Gateway xử lý bóc tách Hình 7. Giao diện trên WinCC 
136  Email: jst@tnu.edu.vn 
 Đặng Văn Ngọc và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ĐHTN 225(09): 134 - 140 
2.3.2. Thiết kế giao diện WinCC Flexible (DATA[2]) được gán vào MB_DATA_PTR để 
Tương tự như thiết kế trên màn hình HMI, truyền dữ liệu như hình 10. 
giao diện WinCC trên máy tính cũng được 
thiết kế với hai biểu đồ giá trị nhiệt độ là: 
“NHIET DO 1” và “NHIET DO 2” như miêu 
tả trong hình 7. 
2.3.3. Cấu hình phần mềm 
 Hình 10. Cấu hình khối truyền dữ liệu 
• Thiết bị End device/Router 
 • Thiết bị Gateway 
Cấu hình địa chỉ IP cho PLC của End device địa 
chỉ 192.168.0.4, Router 192.168.0.5 và địa chỉ Cấu hình địa chỉ IP cho PLC của Gateway địa 
Subnet mask 255.255.255.0. Khối lập trình chỉ 192.168.0.11. Khối lệnh MB_CLIENT 
Main (OB1) được cấu hình để truyền dữ liệu trong khối Main OB1 được thiết lập để nhận 
cho WCM thông qua chuẩn Modbus TCP/IP. dữ liệu nhiệt độ từ thiết bị Router và End 
Hình 8 miêu tả cấu hình khối lệnh MB_Client device thông qua chân MB_MODE được thiết 
trong OB1. lập bằng 0. Cấu hình địa chỉ IP: 192.168.0.21 
 của WCM trên PLC được miêu tả như hình 11. 
 Hình 8. Cấu hình khối lệnh MB_Client Hình 11. Cấu hình khối lệnh MB_Client nhận dữ 
Hình 9 minh họa bảng cấu hình khối truyền liệu của thiết bị Gateway 
thông Data_block_1 để PLC giao tiếp với Hình 12 miêu tả khối Data_block_1 với địa chỉ 
WCM qua địa chỉ IP 192.168.0.20. ô nhớ từ 40001 đến 40006 để lưu dữ liệu từ 
 thiết bị Router và End deive gửi về. 
 Hình 12. Cấu hình khối nhận dữ liệu 
 2.3.4. Lưu đồ thuật toán 
 Hình 9. Cấu hình của khối truyền thông 
 Hình 13 minh họa lưu đồ thuật toán phần 
Khối Data_block_2 được cấu hình kiểu mảng mềm nhúng cho bộ WCM của thiết bị 
số nguyên (int) với 3 giá trị được truyền đi là ID Gateway. Hình 14 minh họa thuật toán phần 
(DATA[0]), giá trị phân tách (DATA[1]), nhiệt mềm nhúng cho bộ WCM trên thiết bị 
độ đo được từ cảm biến nhiệt PT100 Router/End device. 
 Email: jst@tnu.edu.vn 137 
 Đặng Văn Ngọc và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ĐHTN 225(09): 134 - 140 
 3. Kết quả và đánh giá 
 Hình 15 miêu tả mô hình phần cứng thực tế 
 của bộ WCM. Hình 16, 17 miêu tả ghép nối 
 thiết bị Router/End và Gateway trong thực tế. 
 Giá trị nhiệt độ của PT100 thu thập từ nút 
 End device đo ở môi trường không khí và nút 
 Router đo ở môi trường lò hơi hiển thị trên 
 giao diện HMI và WinCC được miêu tả trong 
 hình 18, 19. 
 Hình 15. Bộ WCM trong thực tế 
 Hình 16. Thiết bị Router/End device 
 Hình 13. Lưu đồ thuật toán WCM của thiết bị Gateway 
 Hình 17. Thiết bị Gateway 
 Hình 18. Giá trị nhiệt độ hiển thị trên HMI 
 Hình 14. Lưu đồ thuật toán phần mềm nhúng cho 
 WCM của thiết bị Router/End device Hình 19. Giá trị nhiệt độ hiển thị trên giao diện WinCC 
138  Email: jst@tnu.edu.vn 
 Đặng Văn Ngọc và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ĐHTN 225(09): 134 - 140 
3.1. Đánh giá khoảng cách truyền giữa các 3.3. Đánh giá khả năng định tuyến 
nút trong mạng Sau khi hình thành mạng không dây dữ liệu 
Thí nghiệm được thực hiện nhằm đánh giá sẽ được chuyển từ thiết bị này sang thiết bị 
khoảng cách truyền/nhận dữ liệu giữa các bộ khác sử dụng đường truyền tối ưu nhất. Tuy 
WCM của thiết bị Gateway/Router/End nhiên, trong quá trình truyền dữ liệu các nút 
device trong môi trường không có vật cản và trung chuyển dữ liệu (Router) có thể bị hư 
có vật cản. Mô hình của thí nghiệm được hỏng hoặc mất nguồn dẫn tới đường truyền bị 
miêu tả trong hình 20. gián đoạn. Vì thế, các nút trong mạng phải tự 
 khôi phục mạng thông qua định tuyến mạng 
 lưới để khôi phục liên kết dữ liệu. Mô hình thí 
 nghiệm được miêu tả trong hình 23. 
Hình 20. Khoảng cách truyền/nhận giữa hai nút 
 trong mạng 
Hình 21 miêu tả kết quả khoảng cách 
truyền/nhận dữ liệu của hai nút trong mạng 
được thực hiện trong 15 phép đo. Thu được Hình 23. Mô hình mạng phục hồi liên kết 
khoảng cách trung bình trong môi trường 
 Tiến hành thí nghiệm ta thấy, dữ liệu của nút 
không có vật cản là 55,5 m, còn trong môi 
trường có vật cản khoảng cách là 26,05 m. End device gửi cho nút Gateway thông qua 
 Router1. Sau một khoảng thời gian làm việc, 
 Router 1 được tắt đi để cho nút End device 
 phải tìm một con đường khác để chuyển gói 
 tin đến nút Gateway. Khi nút Router 1 tắt thì 
 đường liên kết dữ liệu của End device được 
 chuyển sang nút Router 2 để đến nút 
 Gateway. Vậy kết luận mạng có khả năng 
 định tuyến. 
 3.4. Đánh giá tỷ lệ truyền/nhận gói tin 
 + Môi trường không có vật cản 
 Hình 21. Khoảng cách truyền/nhận giữa hai nút 
 Nút Gateway được đặt cách nút End device 
3.2. Đánh giá mở rộng tầm hoạt động với khoảng cách 20 m. Chúng tôi sử dụng 
Khoảng cách truyền/nhận dữ liệu của các nút phần mềm X-CTU với tính năng Range test 
bị hạn chế (55,5 m hoặc 26,05 m), do đó để để thiết lập thử nghiệm gửi 500 gói tin với 
giải quyết bài toán này ta sử dụng các nút thời gian truyền 1s/1gói tin. 
Router đóng vai trò trung chuyển dữ liệu 
nhằm tăng khoảng cách. Mô hình thí nghiệm 
được thể hiện trong hình 22. 
 Hình 22. Mô hình mở rộng hoạt động 
Thực hiện thí nghiệm với khoảng cách 100 m 
từ nút Gateway đến nút End device. Kết quả 
cho thấy nút Gateway vẫn nhận được gói tin 
từ nút End device, chứng tỏ nút Router đã Hình 24. Tỷ lệ truyền nhận gói tin ở khoảng cách 
hoạt động như mô hình đưa ra. 20 m không có vật cản 
 Email: jst@tnu.edu.vn 139 
 Đặng Văn Ngọc và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ĐHTN 225(09): 134 - 140 
Hình 24 miêu tả kết quả thử nghiệm thu được cứu mở rộng đi sâu vào việc xây dựng một hệ 
với 500 gói tin gửi đi từ nút End device thì có SCADA không dây ứng dụng cho bài toán cụ thể. 
8 gói tin truyền đi bị lỗi. Tỷ lệ truyền nhận Lời cám ơn 
gói tin thành công là 98.40%. Nghiên cứu này là sản phẩm của đề tài cấp cơ 
+ Môi trường có vật cản sở có mã số T2020-07-02, được tài trợ bởi 
 kinh phí của Trường Đại học Công nghệ 
Tương tự như thí nghiệm trong môi trường 
 Thông tin và Truyền thông. 
không có vật cản, nút Gateway được đặt cách 
nút End device với khoảng cách 20 m và thiết 
 TÀI LIỆU THAM KHẢO/ REFERENCES 
lập thử nghiệm với 500 gói tin. 
 [1]. V. A. Rani, S. A. James, J. A. Sneha, and B. 
 Joe S, “PLC based process control automation 
 using gsm and SCADA technology,” 
 International Journal of Pharmacy & 
 Technology, vol. 7, no. 2, pp. 9243-9251, 2015. 
 [2]. S. Safaric, and K. Malaric “ZigBee wireless 
 Standard,” 48th International Symposium 
 ELMAR-2006, Croatia, June 07-09, 2006, pp. 
 259-262. 
 [3]. N. Salman, I. Rasool, and A. H. Kemp, 
 “Overview of the IEEE 802.15.4 standards 
 family for Low Rate Wireless Personal Area 
 Hình 25. Tỷ lệ truyền nhận gói tin ở khoảng cách Networks,” IEEE 7th International 
 20 m có vật cản Symposium on Wireless Communication 
 Systems, United Kingdom, September 19-22, 
Hình 25 miêu tả kết quả thử nghiệm thu được 2010, pp. 701-705. 
với 500 gói tin gửi đi từ nút End device thì có 1 [4]. Siemens, Industrial Communication network, 
gói tin truyền đi bị lỗi, 78 gói tin nhận bị mất. Siemens AG, 1998. 
Tỷ lệ truyền nhận gói tin thành công là 84.20%. [5]. N. B. Le, and Q. H. Pham, Scada PLC 
 Programming Industrial Communication 
4. Kết luận Network, Hanoi University of Science and 
Trong bài báo này chúng tôi đã xây dựng Technology, 2016. 
 [6]. Q. H. Pham, and T. H. Nguyen, 
thành công bộ truyền thông không dây Microcontroller And Arduino Application For 
(WCM) cho PLC sử dụng chuẩn ZigBee. Từ Self-Learners, Hanoi University of Science 
đó ghép nối thành công các thiết bị Gateway, and Technology, 2019. 
Router và End device. Dựa trên các thiết bị đã [7]. S. Monk, Programming Arduino Getting 
thiết kế, chúng tôi đã xây dựng được một Started with Sketches, McGraw-Hill 
 Education, 2016. 
mạng không dây cho PLC, đồng thời thiết lập [8]. V. N. Dang, D. M. Nguyen, and V. H. Ninh, 
một số thử nghiệm để đánh giá khoảng cách “Construction of the input signal transducer of 
truyền thông, khả năng mở rộng mạng, tỷ lệ the plc using ethernet,” TNU - Journal of 
truyền nhận gói tin, khả năng định tuyến cấu Science and Technology, vol. 204, no. 11, pp. 
hình mạng của các thiết bị trong môi trường 173-179, 2019. 
 [9]. V. N. Dang, “An implementation of wireless 
có vật cản và không có vật cản. sensor nodes using zigbee technology,” TNU 
Đối với công việc trong tương lai, chúng tôi - Journal of Science and Technology, vol. 
sẽ sử dụng kết quả của bài báo này để nghiên 166, no. 4, pp. 53-60, 2017. 
140  Email: jst@tnu.edu.vn