RTU Là Gì? - Thuận Nhật

RTU là gì? Những thuật ngữ hay được nhắc đến như khung truyền thông Modbus RTU, Rs232 là như thế nào? Tất cả các thiết bị này đều là những thành phần không thể thiếu là trạm thu thập dữ liệu trung gian trong hệ Scada…

1. RTU là gì?
2. Giao thức Modbus RTU
   1. Giao thức Modbus RTU là gì?
   2. Cấu tạo của giao thức Modbus RTU:
   3. Modbus RTU hoạt động như thế nào?
   4. Ứng dụng của giao thức Modbus RTU
   5. Ưu điểm và nhược điểm của giao thức Modbus RTU
      1. Ưu điểm:
      2. Nhược điểm:
3. RS485 và RS232
   1. RS485 là gì?
   2. RS232 là gì?
   3. Sự khác nhau giữa RS485 và RS232

RTU là gì?

RTU là gì? – Thiết bị đầu cuối RTU/Gateway (viết tắt theo Tiếng Anh: Remote Terminal Unit/Gateway) là thiết bị đặt tại trạm điện hoặc nhà máy điện phục vụ việc thu thập và truyền dữ liệu về hệ thống SCADA của Trung tâm điều độ hệ thống điện hoặc Trung tâm điều khiển. – Nguồn tham khảo Wikipedia

RTU là một thiết bị điện tử độc lập, được điều khiển bằng vi xử lý, giao tiếp các đối tượng trong thể giới vật lý với hệ thống điều khiển phân tán hoặc hệ thống SCADA bằng cách truyền dữ liệu từ xa đến hệ thống chính và bằng cách sử dụng tin nhắn từ hệ thống giám sát chính để điều khiển các đối tượng được kết nối. Nó có nhiệm vụ chính là kiểm soát và thu thập dữ liệu từ thiết bị xử lý tại địa điểm từ xa và chuyển dữ liệu này trở lại trạm trung tâm. Nó thường có cơ sở để có các chương trình cấu hình và điều khiển được tải động từ trạm trung tâm.

RTU bao gồm cổng truyền thông tin về trung tâm điều khiển, các kênh vào ra (IO) như: Đo lường, cảm biến, chỉ thị trạng thái, điều khiển. RTU cũng có thể thu thập tín hiệu từ các thiết bị thông minh khác (IED).

Giao thức Modbus RTU

Giao thức Modbus RTU – khái niệm, cấu tạo, hoạt động, ứng dụng, và ưu nhược điểm của nó.

Giao thức Modbus RTU là gì?

Modbus là một giao thức truyền thông nối tiếp ban đầu được Modicon (nay là Schneider Electric) trình làng năm 1979 để sử dụng với các bộ điều khiển logic lập trình PLC. Modbus đã trở thành một giao thức truyền thông tiêu chuẩn thực tế và hiện là phương tiện phổ biến để kết nối các thiết bị điện tử công nghiệp.

Giao thức Modbus RTU là một giao thức mở, sử dụng đường truyền vật lý RS-232 hoặc RS485 và mô hình dạng Master-Slave. 

Modbus trở thành một chuẩn truyền thông công nghiệp tiêu chuẩn bởi nó : ổn định – đơn giản – dể sử dụng & miễn phí. Điều này có nghĩa rằng các nhà sản xuất có thể tự tích hợp chuẩn Modbus vào sản phẩm của họ mà không cần trả tiền bản quyền. 

Chỉ cần các thiết bị cùng chung một chuẩn với nhau thì có thể giao tiếp với nhau mà không cần quan tâm nó là thiết bị gì của hãng nào. Đây chính là ưu điểm vượt trội so với các chuẩn truyền thông khác như : Profibus , Canopen , Manchester.

Modbus RTU tương đối dễ triển khai và bảo trì so với các tiêu chuẩn khác và đặt ra một vài hạn chế ngoài kích thước trên định dạng của dữ liệu được truyền.

Modbus được sử dụng để kết nối với máy tính với các thiết bị đầu cuối ( RTU ) hay hệ thống SCADA ). Có nhiều loại Modbus : Modbus RTU, Modbus TCP/IP, Modbus ASCII.

Cấu tạo của giao thức Modbus RTU:

Thông thường thì một frame truyền Modbus RTU bao gồm: 1 byte địa chỉ  –  1 byte mã hàm – n byte dữ liệu – 2 byte CRC được mô tả như hình ở dưới:

• Byte địa chỉ: để xác định thiết bị mạng địa chỉ được nhận dữ liệu (đối với Slave) hoặc dữ liệu nhận được từ địa chỉ nào (đối với Master). Địa chỉ này được quy định từ 0 – 254.
• Byte mã hàm: được quy định từ Master, dùng để xác định yêu cầu dữ liệu từ thiết bị Slave. Ví dụ mã 01: đọc dữ liệu lưu trữ dạng Bit, 03: đọc dữ liệu tức thời dạng Byte, 05: ghi dữ liệu 1 bit vào Slave,…
• Byte dữ liệu: dùng để xác định dữ liệu trao đổi giữa Master và Slave.
  • Đọc dữ liệu:  
    • Master: 2 byte địa chỉ dữ liệu – 2 byte độ dài dữ liệu            
    • Slave: 2 byte địa chỉ dữ liệu – 2 byte độ dài dữ liệu – n byte dữ liệu đọc được
  • Ghi dữ liệu:   
    • Master: 2 byte địa chỉ dữ liệu  – 2 byte độ dài dữ liệu – n byte dữ liệu cần ghi     
    • Slave: 2 byte địa chỉ dữ liệu – 2 byte độ dài dữ liệu

• Byte CRC: 2 byte kiểm tra lỗi của hàm truyền và cách tính giá trị của Byte CRC 16 Bit

Modbus RTU hoạt động như thế nào?

Modbus RTU hoạt động dựa trên nguyên tắc Master – Slave tức là một bên nhận ( Master ) và một bên truyền tín hiệu ( Slave ) thông qua địa chỉ thanh ghi. Phương thức truyền của Modbus RTU bằng đường truyền vật lý RS232 hoặc RS485, Modbus TCP/IP thì truyền trên địa chỉ IT thông qua Internet.

Bộ chuyển đổi Z-8AI nhận 8 tín hiệu analog dạng 4-20mA hoặc 0-10V chuyển sang Modbus RTU 2 dây trên nên tảng RS485 thông qua hệ Hexadecimal.

Ứng dụng của giao thức Modbus RTU

Giao thức Modbus RTU được sử dụng rất nhiều trong đời sống hiện nay. Đơn giản nhất mà chúng ta có thể thấy đó chính là hệ thống nhà thông minh smarthome. Chỉ cần 1 chiếc điện thoại có kết nối internet, ta có thể điều khiển tất cả các thiết bị trong nhà, kể cả khi chúng ta không có mặt ở nhà.

Còn trong lĩnh vực công nghiệp tự động hóa, chúng ta có thể hình dung là có thể ngồi ở 1 nơi rất rất xa các thiết bị trong nhà máy, chỉ cần có kết nối internet, ta vẫn biết được thông tin về tình hình hoạt động trong nhà máy: nhiệt độ ra sao, áp suất thế nào?

Việc sử dụng chuẩn truyền thông Modbus RTU giúp kết nối tất cả các thiết bị (max 128 địa chỉ) trên 2 dây tín hiệu RS485.

Với mỗi modbus Slave tương ứng với một từ 4-8 tín hiệu Analog đầu vào hoặc nhiều hơn với 10 Digital. Các tín hiệu mắc song song nhau truyền vào Gateway để truyền lên internet thông qua Modul R-Key hoặc Z-key.

Như vậy tất cả các tín hiệu chỉ truyền đi trên 2 dây cho rất nhiều loại tín hiệu khác nhau thông qua các Modul Modbus RTU. PLC hay các thiết bị có chuẩn Moddbus có thể giao tiếp với các thiết bị đo tại bất kỳ nơi nào thông qua Modbus TCP hay còn gọi là Modbus IP.

Ưu điểm và nhược điểm của giao thức Modbus RTU

Được ứng dụng rộng rãi như vậy, Modbus RTU cũng có những ưu nhược điểm riêng.

Ưu điểm:

Modbus RTU nổi bật với những ưu điểm sau:

• Giảm số lượng dây kết nối về cho PLC, tối ưu hóa không gian nhà xưởng hay nơi làm việc.
• Có thể dùng cho nhiều loại thiết bị có chung cổng Modbus RTU
• Tiết kiệm một số lượng lớn module mở rộng PLC.
• Các dạng tín hiệu 2 dây RS-485 đều có khả năng truyền đi xa lên đến 1200m mà không sợ mất tín hiệu hay dữ liệu.
• Ổn định và ít bị nhiễu hơn so với tín hiệu analog 4-20ma
• Các module hoạt động độc lập nên sẽ dễ dàng quản lý

Nhược điểm:

Tuy nhiên, Modbus RTU cũng có những nhược điểm của nó:

• Do Modbus là giao thức chính / phụ, nên không có cách nào để thiết bị trường “báo cáo ngoại lệ” (ngoại trừ qua Ethernet TCP / IP, được gọi là open-mbus) – nút chính phải thường xuyên thăm dò từng thiết bị trường và tìm kiếm thay đổi trong dữ liệu. Điều này tiêu tốn băng thông và thời gian mạng trong các ứng dụng mà băng thông có thể đắt. Tín hiệu sẽ chậm hơn việc sử dụng trực tiếp như tín hiệu analog hay digital
• Do Modbus được thiết kế vào cuối những năm 1970 để giao tiếp với các bộ điều khiển logic khả trình, nên số lượng kiểu dữ liệu được giới hạn ở những loại được hiểu bởi PLC tại thời điểm đó. Đối tượng nhị phân lớn không được hỗ trợ.
• Modbus bị hạn chế địa chỉ 254 thiết bị trên một liên kết dữ liệu, điều này giới hạn số lượng thiết bị trường có thể được kết nối với trạm chủ.Cần trang bị một PLC hay Scada có cấu hình mạnh để đọc hết các thanh ghi của nhiều modbus.
• Việc truyền Modbus phải liền kề nhau, điều này giới hạn các loại thiết bị liên lạc từ xa với những thiết bị có thể đệm dữ liệu để tránh các khoảng trống trong quá trình truyền.
• Bản thân giao thức Modbus không cung cấp bảo mật chống lại các lệnh trái phép hoặc chặn dữ liệu.

RS485 và RS232

RS485 là gì?

Chuẩn RS 485 chỉ truyền trên 2 dây và B sử dụng sự chênh lệch áp giữa A và B theo logic 0 hoặc 1 chứ không hề so sánh với đất. Điều này đảm bảo tín hiệu truyền đi xa bởi khi nếu có trường hợp sụt áp thì đồng thời hai dây đều sụt áp nên tín hiệu vẫn đảm bảo logic 1 hoặc 0.

Giả sử A = 1, B= 0 thì thì dữ liệu nhận biết data = 1 và khi A=0 , B=1 thì dữ liệu nhận biết là data = 0. Do cách so sánh trên thì khi bị suy giảm thì sữ chênh lệch điện áp vẫn không đổi chính vì thế mà tín hiệu truyền trên RS 485 đi rất xa mà vẩn đảm bảo chính xác.

+ Khi sự chênh lệch điện áp giữa A và B nằm trong khoảng -1,6V đến -6V thì dữ liệu được nhận tương ứng với mức 1 . + Khi sự chênh lệch điện áp giữa A và B nằm trong khoảng +1,5 đến +6V thì dữ liệu được nhận tương ứng với mức 0 .

Ưu điểm lớn nhất của chuẩn RS 485 chính là truyền đi xa tới 1200m và có thể kết nối nhiều thiết bị trên cùng một mạng chuẩn RS 485 và kết nối tối đa 32 thiết bị cùng lúc.

RS232 là gì?

RS232 còn được gọi là cổng COM thường được thấy trong các máy tính bàn và tất cả đều sử dụng công truyền thông theo chuẩn RS232 để giao tiếp các thiết bị khác như máy in, máy fax ….

RS232 sử dụng 3 dây, bao gồm: Tx (truyền) , Rx (nhận tín hiệu) và GND (đất). RS232 hoạt động dựa trên sự chênh lệch áp giữa TX, Rx và GND.

– Nhược điểm của chuẩn truyền RS232 là tín hiệu không thể truyền đi xa, do việc mất mát tín hiệu không thể phục hồi được. Và việc kết nối theo chuẩn RS232 chỉ được thực hiện giao tiếp giữa 2 thiết bị (point-to-point) nên hạn chế số lượng thiết bị có trong mạng. – Một số đặc điểm của chuẩn truyền RS232 là: tốc độ truyền là 20Kbps, khoảng cách truyền tối đa là 15m, hỗ trợ kết nối điểm-điểm trên một mạng.

Sự khác nhau giữa RS485 và RS232

Sự phát triển của công nghệ PLC hay SCADA chỉ cần có chuẩn truyền thông Modbus RTU là có thể nhận hết tất cả các thiết bị Analog hoặc Digital thông qua các bộ chuyển đổi tín hiệu Modbus.

Tuy nhiên phần lớn các tín hiệu truyền về PLC hay SCADA đều dạng Digital, Analog, nhiệt độ …Để giải quyết vấn đề này chúng ta cần sử dụng các bộ chuyển đổi tín hiệu chuyên dụng sang Modbus.

Tìm hiểu thêm về: Mô hình hệ thống SCADA