Nghiên cứu xây dựng mô hình thực hành mạng truyền thông Profinet cho mục đích giáo dục

ween devices: 
PLC S7-1200 PLC S7-1200 (PLC Server), PLC S7-1200 (PLC Client 1), S7-1200 
Human Machine Interface (PLC Client 2), inverter G120C - HMI KTP700 PN; the second is to 
 perform the problems of controlling the conveyor speed using PID 
Inverter G120C PN controller. The results are evaluated by running the model experiment, 
PID directly observed on the HMI, showing that the system works well 
 with data between PLCs transferred quickly and accurately, the actual 
 speed of the conveyor belt adheres well compared to set speed. 
NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MÔ HÌNH THỰC HÀNH MẠNG TRUYỀN THÔNG 
PROFINET CHO MỤC ĐÍCH GIÁO DỤC 
Trần Ngọc Sơn*, Nguyễn Đức Điển, Phạm Văn Huy 
Trường Đại học Kinh tế - Kỹ thuật Công nghiệp 
 THÔNG TIN BÀI BÁO TÓM TẮT 
 Ngày nhận bài: 16/11/2020 Mạng truyền thông công nghiệp Profinet đã được phần lớn các nhà 
 máy sản xuất sử dụng để quản lý, điều khiển dây chuyền sản xuất. 
 Ngày hoàn thiện: 08/01/2021 Việc xây dựng mô hình thực hành về mạng truyền thông Profinet cho 
 Ngày đăng: 14/01/2021 mục đích giáo dục là vấn đề cần thiết và quan trọng để đáp ứng được 
 theo nhu cầu trong công nghiệp. Bài báo trình bày vấn đề nghiên cứu 
TỪ KHÓA xây dựng, thiết kế, lập trình và chế tạo mô hình thực hành mạng 
 truyền thông Profinet. Mô hình thực hành đáp ứng đầy đủ các bài 
Mạng truyền thông Profinet thực hành từ cơ bản đến nâng cao: Thứ nhất là lập trình kết nối mạng 
PLC S7-1200 truyền thông giữa các thiết bị: PLC S7-1200 (PLC Server), PLC S7 
 1200 (PLC Client 1), S7 1200 (PLC Client 2), biến tần G120C, màn 
HMI 
 hình HMI KTP700 PN; thứ hai là thực hiện các bài toán điều khiển 
Biến tần G120C PN ổn định tốc độ các băng tải theo thuật toán PID. Các kết quả được 
PID khảo sát đánh giá bằng chạy thực nghiệm mô hình, quan sát trực tiếp 
 trên màn hình HMI cho thấy hệ thống hoạt động tốt với dữ liệu giữa 
 các PLC được truyền nhanh chóng và chính xác, tốc độ thực của 
 băng tải bám tốt so với tốc độ đặt. 
* Corresponding author. Email: tnson@uneti.edu.vn 
  9 Email: jst@tnu.edu.vn 
 TNU Journal of Science and Technology 226(02): 9 - 16 
1. Giới thiệu 
 Mạng truyền thông công nghiệp ngày nay đã được hầu hết các nhà máy sản xuất sử dụng để 
quản lý, điều khiển dây chuyền sản xuất. Tùy theo mục đích và nhu cầu sử dụng mà nhà máy sử 
dụng mô hình mạng truyền thông phù hợp. Mạng truyền thông công nghiệp Profinet là chuẩn 
giao thức mở cho Ethernet công nghiệp được phát triển bởi hiệp hội PROFIBUS & PROFINET 
quốc tế, mạng Profinet mang đầy đủ những ưu điểm của mạng Profibus và Ethernet [1]. Hiện nay 
đã có một số công trình nghiên cứu thử nghiệm dùng mạng truyền thông được ứng dụng trong 
giáo dục, mô hình này dùng mạng công nghiệp PROFINET trên cơ sở sử dụng công nghệ mới 
nhất của SIEMENS [2]-[4]; các thành phần chính của mạng đó mới dừng lại là PLC S7-1200 kết 
nối với HMI (Human Machine Interface – Giao diện người và máy) và giữa PLC S7-1200 với 
biến tần, chưa có đối tượng điều khiển cụ thể. Công trình [5] đã đưa ra mô hình mạng truyền 
thông Profinet giữa PLC – Biến tần – HMI, tuy nhiên mô hình thực hành mới thực hiện bài toán 
điều khiển tốc độ vòng hở, chưa có kiểm soát tốc độ. 
 Vì vậy, nội dung chính của bài báo là trình bày quy trình xây dựng, thiết kế, lập trình, điều 
khiển và giám sát với mô hình thực hành dùng mạng truyền thông Profinet được sử dụng trong 
quá trình học tập cho sinh viên ngành Công nghệ kỹ thuật Điều khiển và tự động hóa. Mô hình 
thực hành này là mô tả một minh họa về việc tạo ra mạng truyền công nghiệp, bao gồm ba PLC, 
một HMI, hai biến tần và hai băng tải được điều khiển bởi động cơ ba pha không đồng bộ. Bài 
toán tổng quát mô hình thực hiện được là thực hiện truyền thông mạng Profinet các thiết bị với 
nhau, điều khiển ổn định tốc độ băng tải sử dụng thuật toán PID. Qua bài toán tổng quát, ta có thể 
thấy được, việc lập trình không những đảm bảo về tốc độ truyền thông mà còn đảm bảo đồng bộ 
tín hiệu truyền thông với thời gian xử lý ngắt trong lập trình thuật toán PID. 
2. Xây dựng mô hình thực hành mạng truyền thông công nghiệp PROFINET cho giáo dục 
 Các thiết bị chính của mô hình được sử dụng cụ thể là 03 PLC S7-1200, 02 biến tần G120C 
PN, màn hình HMI KTP 700 Basic PN, 02 động cơ không đồng bộ 3 pha truyền động cho 02 
băng tải, 02 enconder và phần mềm TIA Portal V14 SP1. Cấu trúc kết nối các thiết bị trên theo 
mạng truyền thông Profinet minh họa như hình 1. Trong đó, 01 PLC S7-1200 là Server, 02 PLC 
S7-1200 là PLC Client 1 và PLC Client 2, 02 biến tần được kết nối lần lượt với các PLC Client. 
 Hình 1. Cấu trúc kết nối mạng Profinet giữa các thiết bị 
2.1. Lựa chọn và thiết kế mô hình thực hành 
2.1.1. PLC S7-1200 
 Mô hình mạng truyền thông công nghiệp Profinet sử dụng 03 PLC SIEMENS Simatic S7-
1200 với 01 CPU 1214C AC/DC/RLY là PLC Server và 02 CPU 1214C DC/DC/DC là PLC 
 10 Email: jst@tnu.edu.vn 
 TNU Journal of Science and Technology 226(02): 9 - 16 
Client 1, PLC Client 2 (Hình 2). CPU1214 có 14 đầu vào số, 10 đầu ra số, hai đầu vào tương tự 
có phạm vi 0-10VDC. Kích thước bộ nhớ cho chương trình và dữ liệu là 100 kB. PLC này có một 
card mạng với đầu nối RJ-45 cho PROFINET. 
 a) PLC Server b) PLC Client 1 c) PLC Client 2 
 Hình 2. Mô hình PLC: (a) PLC Server, (b) PLC Clinet 1 và (c) PLC Client 2 
2.1.2. HMI KTP 700 Basic PN 
 HMI là màn hình điều khiển cho các tương tác giữa người và máy. Mô hình sử dụng màn hình 
HMI SIEMENS KTP700 Basic PN (Hình 3). Nó là màn hình rộng 7 inch cảm ứng với màn hình 
hỗ trợ 65536 màu và tám phím chức năng. 
 Hình 3. Màn hình HMI KTP 700 Basic PN Hình 4. Mô hình biến tần G120C PN 
2.1.3. Biến tần G120C PN 
 Mô hình sử dụng biến tần G120C PN của hãng Siemen, có tính hợp sẵn cổng truyền thông 
Profinet, công suất của biến tần là: 0.55 KW, các chế độ điều khiển của biến tần: V/F, Vector 
control without encoder. Mô hình biến tần được xây dựng như hình 4. 
2.1.4. Động cơ không đồng bộ và băng tải 
 Trong mô hình thực hành dùng 02 động cơ không đồng bộ 3 pha có hộp số công suất 90W, 
25W; điện áp 200V; tần số 50Hz; tốc độ qua hộp số lần lượt là 50 vòng/phút và 45 vòng/phút. 
Mô hình động cơ và băng tải có gắn sẵn encoder 1000 xung/vòng để đo tốc độ động cơ minh họa 
như hình 5. 
2.2. Sơ đồ bố trí thiết bị trên mô hình thực hành 
 Bàn thực hành mạng truyền thông công nghiệp Profinet được xây dựng hoàn chỉnh như hình 
6, ngoài các thiết bị chính để thực hiện bài toán tổng thể bài báo đã đặt ra, mô hình còn có một số 
các thiết bị ngoại vi cơ bản khác như nút nhấn, công tắc, cảm biến logic, rơle trung gian, bóng 
báo, contactor để mở rộng thực hiện các bài toán thực hành mạng Profinet từ cơ bản đến nâng 
cao. Tại bàn thực hành cũng được cung cấp đầy đủ các loại nguồn và bóng báo nguồn để thực 
hành các bài toán như nguồn một chiều 24VDC, nguồn xoay chiều 3 pha 380V, nguồn xoay 
chiều 3 pha 220V. 
 11 Email: jst@tnu.edu.vn 
 TNU Journal of Science and Technology 226(02): 9 - 16 
 Hình 5. Mô hình tải của bàn thực hành Hình 6. Sơ đồ bố trí thiết bị trên mô hình thực hành 
 mạng Profinet 
2.3. Cấu hình mạng 
 Phần mềm TIA Portal V14 SP1 đã được sử dụng để cấu hình mạng cho các thiết bị trong mô 
hình kết nối mạng Profinet. Sau khi kết nối máy tính vào mạng PROFINET và khởi động phần 
mềm, phần mềm TIA Portal tự động tìm các thiết bị có sẵn trong mạng lưới. Để các thiết bị này 
kết nối với nhau, mô hình thiết lập địa chỉ IP như hình 7. 
 Bắt đầu
 PLC Server truyền giá 
 Đặt các giá trị trên 
 trị đặt cho PLC Client 2 
 HMI
 theo một tỉ lệ cho trước
 Nhấn Start từ Sai
 trên HMI Hoàn thành Sai
 truyền dữ liệu
 Đúng
 PLC Server truyền dữ Đúng
 liệu tốc độ đặt cho PLC 
 Clien 1
 PLC Client 2 đặt giá trị 
 cho biến tần để quay 
 động cơ 
 Hoàn thành Sai
 truyền dữ liệu
 Đúng
 Nhấn Stop từ Sai
 PLC Client 1 đặt giá trị HMI
 cho biến tần để quay 
 động cơ và truyền giá 
 trị tốc độ thực cho PLC Đúng
 Server
 Dừng các động 
 cơ
 Hoàn thành Sai
 truyền dữ liệu
 Kết thúc
 Đúng 
 Hình 7. Khai báo kết nối thiết bị trên Tia Portal Hình 8. Sơ đồ thuật toán điều khiển 
 12 Email: jst@tnu.edu.vn 
 TNU Journal of Science and Technology 226(02): 9 - 16 
3. Thiết kế chương trình điều khiển và kết quả thực nghiệm 
 Bài toán thực hành tổng thể là PLC Server truyền lệnh hoạt động, tốc độ đặt cho PLC Client 
1; PLC Client 1 điều khiển biến tần G120C truyền động cho động cơ làm việc theo tốc độ đặt, 
sau đó phản hồi giá trị tốc độ thực về cho PLC Server; PLC Server sẽ truyền tốc độ thực của PLC 
Client 1 đã nhận được theo một tỉ lệ nhất định và truyền cho PLC Client 2; PLC Client 2 điều 
khiển biến tần G120C truyền động cho động cơ làm việc theo tốc độ đặt. Để các PLC Client điều 
khiển động cơ hoạt động bám với tốc độ đặt, bài báo sử dụng bộ điều khiển PID và được lập trình 
trên PLC. Giải thuật lập trình truyền thông mạng Profinet giữa các trạm với nhau minh họa như 
hình 8. 
 Chương trình điều khiển của các trạm PLC Client minh họa như hình 9, thực hiện nhiệm vụ 
điều khiển ổn định tốc độ băng tải. 
 OB1 SP: Tín hiệu đặt từ PLC 
 Server
 Tốc độ 
 FC2 đặt cho FC1 
Encoder OB35 
 Chương trình PV biến tần Chương trình Encoder
 Chương trình 
 đo tốc độ động điều khiển biến 
 điều khiển PID
 cơ tần
 Hình 9. Khối chương trình điều khiển các trạm Hình 10. Chương trình khai báo truyền dữ liệu tới 
 PLC Client PLC Client 1 
3.1. Thiết kế chương trình điều khiển 
3.1.1. Chương trình PLC Server 
 Để truyền thông mạng Profinet giữa các PLC S7-1200 với nhau, bài báo thiết lập bảng trao 
đổi dữ liệu 10 byte như bảng 1 và bảng 2. 
 Bảng 1. Trao đổi dữ liệu giữa PLC Server Bảng 2. Trao đổi dữ liệu giữa PLC Server 
 với PLC Client 1 với PLC Client 2 
 Chương trình khai báo truyền dữ liệu tới PLC Client 1 như hình 10. 
 Chương trình khai báo nhận dữ liệu từ PLC Client 1 như hình 11. 
 Hình 11. Chương trình khai báo nhận dữ liệu từ Hình 12. Chương trình khai báo truyền dữ liệu tới 
 PLC Client 1 PLC Client 2 
 Chương trình khai báo truyền dữ liệu tới PLC Client 2 như hình 12. 
 Chương trình truyền dữ liệu tới PLC Client 1 như hình 13. 
 Hình 13. Chương trình truyền dữ liệu Hình 14. Chương trình nhận dữ liệu từ 
 tới PLC Client 1 PLC Client 1 và truyền dữ liệu tới PLC Client 2 
 13 Email: jst@tnu.edu.vn 
 TNU Journal of Science and Technology 226(02): 9 - 16 
 Chương trình nhận dữ liệu từ PLC Client 1 và truyền dữ liệu tới PLC Client 2 như hình 14. 
3.1.2. Chương trình các PLC Client 
 Chương trình các PLC Client là tương tự như nhau, bài báo trình bày cụ thể chương trình của 
PLC Client 1. Để truyền dữ liệu giữa PLC với biến tần, ta sử dụng khối lệnh SINA_SPEED, 
minh họa như hình 15. 
 Hình 15. Chương trình truyền dữ liệu giữa PLC Hình 16. Chương trình đo tốc độ động cơ 
 với biến tần 
 Để đo tốc độ động cơ, chương trình sử dụng bộ đếm tốc độ cao HSC1, quy đổi đơn vị đo là 
vòng/phút, minh họa như hình 16. 
 Để điều khiển ổn định tốc độ các động cơ chương trình sử dụng khối PID_Compact trong 
phần mềm TIA Portal V14 SP1, đây là bộ có tích hợp chống bão hòa tích phân [6]. Công thức 
hoạt động của thuật toán PID được thể hiện như công thức (1): 
 1 TsD . 
 y= KP ( b. w − x) +( w − x) +( c .w − x) (1)
 TID. s a . T . s + 1
 Trong đó: y- giá trị ngõ ra; x- giá trị phản hồi 
 w – giá trị cài đặt mong muốn; KP, TI, TD - là các hệ số khuếch đại, hằng số tích phân, hằng số 
vi phân; b, c – trọng số của khâu P và D 
 Thuật toán PID được viết trên khối ngắt thời gian OB35 với thời gian 100 ms, chương trình 
nhận dữ liệu tốc độ đặt từ PLC Server như hình 17. 
Hình 17. Chương trình nhận dữ liệu từ PLC Server Hình 18. Chương trình đo tốc độ động cơ 
 Chương trình thực hiện khối lệnh PID Compact, minh họa như hình 18. 
 Bài toán mô hình sử dụng bộ điều khiển PI, các tham số được xác định thông qua chức năng 
Tuning của phần mềm TIA Portal V14 SP1, sau đó hiệu chỉnh như hình 19. 
 14 Email: jst@tnu.edu.vn 
 TNU Journal of Science and Technology 226(02): 9 - 16 
 a) PLC Client 1 b) PLC Client 2 
 Hình 19. Tham số PID của các PLC Client 
3.1.3. Thiết kế giao diện cho màn hình HMI 
 Màn hình HMI có nhiệm vụ điều khiển hệ thống, đặt giá trị tốc độ cho băng tải của PLC 
Client 1, xác định tỉ lệ tốc độ giữa 2 băng tải và giám sát tốc độ của các băng tải. Giao diện được 
thiết kế như hình 20 và hình 21. 
 Hình 20. Giao diện chính màn hình HMI Hình 21. Giao diện giám sát tốc độ HMI 
3.2. Kết quả thực nghiệm 
 Quá trình kết nối và chạy thực nghiệm mô hình được biểu diễn như hình 22. 
 Hình 22. Kết nối mô hình và chạy thực nghiệm Hình 23. Cài đặt và khởi động hệ thống trên HMI 
 15 Email: jst@tnu.edu.vn 
 TNU Journal of Science and Technology 226(02): 9 - 16 
 Tiến hành cài đặt tốc độ như sau: Băng tải trạm PLC Client 1: 48 vòng/phút, tỉ lệ băng tải 2 so 
với băng tải 1 là 1/1.5 và khởi động hệ thống, minh họa như hình 23. Kết quả giám sát tốc độ các 
băng tải như hình 24, kết quả cho thấy tốc độ thực bám rất tốt so với tốc độ đặt. 
 Hình 24. Kết quả giám sát tốc độ các băng tải 
4. Kết luận 
 Bài báo đã trình bày vấn đề nghiên cứu xây dựng, thiết kế, lập trình và chế tạo mô hình thực 
hành dùng mạng truyền thông Profinet. Mô hình thực hành đã xây dựng đáp ứng đầy đủ các bài 
thực hành về mạng truyền thông Profinet giữa các thiết bị 03 PLC – 02 Biến tần - HMI, ngoài ra 
mô hình còn được trang bị thêm các thiết bị ngoại vi cơ bản để thực hiện các bài toán cơ bản. Kết 
quả thực nghiệm của mô hình cho thấy hệ thống hoạt động tốt, dữ liệu truyền thông nhanh và 
chính xác, và đảm bảo chất lượng điều khiển ổn định tốc độ các băng tải. Qua đó thấy được mô 
hình đã xây dựng là rất cần thiết, giúp cho người học tiếp cận được kiến thức và kinh nghiệm 
thiết kế về mạng truyền thông Profinet. 
 TÀI LIỆU THAM KHẢO/ REFERENCES 
[1] A. B. Lugli, J. E. M. Souza, L. De O. Pessoa, R. L. R. Rodrigues, and T. H. M. Tarifa, “Industrial 
 Ethernet Networks And Applications,” International Journal of Innovative Computing, vol. 12, no. 5, 
 pp. 1505-1522, October 2016. 
[2] T. L. Tran, and X. B. Hoang, Research on building communication network system in S7-1200 PLC use 
 Ethernet network, Grassroots level scientific research topic, Vietnam Maritime University, 2016. 
[3] M. Rosól, D. Knapik, D. Marchewka, K. Kolek, and A. Turnau, “Analysis of Industrial PROFINET in 
 the Task of Controlling a Dynamic System,” Automatyka/Automatics, vol. 17, no. 1, pp. 65-72, 2013. 
[4] M. Višňovský, R. Rákay, A. Galajdová, and D. Šimšík, “Creating Industrial Network with PROFINET 
 Communication for Education Purposes,” Acta Mechanica Slovaca, vol. 21, no. 4, pp. 66-72, 2017. 
[5] T. H. Vo, T. T. M. Dang, and H. H. Vu, “Create a practice for using Profinet communication network 
 for educational purposes,” Journal of Science and Technology - Hanoi University of Industry, vol. 56, 
 pp. 19-25, 2020. 
[6] Siemen AG, S7-1200 Programmable controller, System Manual, 2/2019. 
 16 Email: jst@tnu.edu.vn