Profinet IO : Digital – Analog cho PLC Siemens

PROFINET IO không chỉ là một giao thức truyền thông, mà còn là một hệ thống tự động hóa toàn diện. Không giống như một số giao thức truyền thông khác, PROFINET IO không chỉ đơn thuần là truyền dẫn dữ liệu, mà còn cung cấp một hệ thống mạng linh hoạt, có khả năng quản lý các thiết bị và thông tin của chúng trong một môi trường tự động hóa. Điều này cho phép các hệ thống tự động hóa được tích hợp và quản lý một cách hiệu quả hơn, giúp tăng cường hiệu suất và linh hoạt trong quá trình sản xuất.

Một PLC có thể kết nối nhiều Profinet IO cho hệ thống điều khiển Scadar. Các IO Profinet có rất nhiều đầu và cũng như đầu ra. Với các dự án nhỏ chỉ cần một modul R-32DIDO-P hoặc R-8AI-8DIDO-P là có thể đáp ứng đủ nhu cầu.

Profinet là gì?

Chuẩn truyền thông Profinet giống như một chiếc xe ưu tiên đi trên một con đường ưu tiên. Phần còn lại là chuẩn truyền thông khác như Modbus RTU, Modbus TCP-IP, Profibus … đều đi chung một đường hỗn hợp với nhiều loại xe khác nhau. Ai đi trước thì tới trước và ngược lại những người đi sau phải chờ đợi.

Profinet là một tiêu chuẩn truyền thông trong công nghiệp được dùng để truyền dữ liệu giữa thiết bị trong hệ thông điều khiển PLC – Scadar. Profinet sử dụng mạng Ethernet công nghiệp để giao tiếp giữa các thiết bị với nhau. Profinet thừa hưởng tất cả các ưu điểm của Profibus dựa trên Modbus RTU và Modbus TCP-IP.

Profinet cung cấp dữ liệu thời gian thực với độ chính xác cao. Loại bỏ hoàn toàn thời gian trễ khi giao tiếp nhiều thiết bị cùng lúc. Tất cả các chuẩn truyền thông modbus RTU, modbus TCP-IP, Profibus đều không thể làm được điều này.

Profinet IO là gì

Profinet IO giống như một chiếc chuyên dụng được đi trên một con đường ưu tiên. Sẽ có nhiều loại xe IO Profinet như : Digital, Analog hoặc hỗn hợp. Tùy theo thiết kế của từng dự án mà chúng ta lựa chọn các xe IO Profinet cho phù hợp.

Profinet IO một thiết bị giao tiếp giữa các tín hiệu đầu vào như Digital, Analog, Xung … với đầu ra là chuẩn Profinet tương thích với các bộ lập trình dùng giao thức Profinet.

Các Modul Profinet IO sử dụng mạng Ethernet để truyền tín hiệu về bộ lập trình phải có giao thức Profinet như PLC của Siemens. Các bộ lập trình và modul Profinet IO có thể cách xa nhau hàng kilomet mà vẫn có thể giao tiếp với nhau mà không có độ trễ.

Các Modul IO Profinet có nhiều tùy chọn với hai dạng chính Digital và Analog sang Profinet Protocol. Bạn cần xác định số lượng các kênh Digital, Analog thực tế trước khi lựa chọn các modul IO Profinet.

Lý do IO Profinet được sử dụng phổ biến

• Dựa trên Ethernet: Profinet IO sử dụng mạng Ethernet tiêu chuẩn làm nền tảng truyền thông, giúp giảm chi phí lắp đặt và bảo trì.
• Truyền dữ liệu thời gian thực: Profinet IO có thể truyền dữ liệu I/O với độ trễ thấp, đáp ứng nhu cầu của các ứng dụng điều khiển tự động.
• Khả năng mở rộng cao: Profinet IO hỗ trợ nhiều loại thiết bị và có thể mở rộng dễ dàng để đáp ứng nhu cầu của hệ thống.
• An toàn và bảo mật: Profinet IO cung cấp các tính năng bảo mật nâng cao để bảo vệ hệ thống khỏi các truy cập trái phép.

Lợi ích của việc sử dụng Profinet IO

• Khi dùng IO Profinet việc truyền tín hiệu giữa các thiết bị ngoại vi về PLC sẽ không còn lo ngại về khoảng cách. Bởi thiết bị có thể ở một nơi rất xa, PLC nằm ở trung tâm điều khiển. Chỉ cần có mạng Wifi hoặc LAN chung với nhau việc truyền thông trở nên đơn giản hơn bao giờ hết.
• Độ trễ được giải quyết hoàn toàn. Đây chính là điểm mạnh nhất của chuẩn truyền thông Profinet so với Modbus RTU, Modbus TCP-IP và Profibus. Dù bạn có nhiều thiết bị truyền về PLC cùng lúc thì tốc độ vẫn không thay đổi dưới 1ms.
• Nhiều lựa chọn về Digial input, Analog input với nhiều phiên bản khác nhau phù hợp với nhu cầu thực tế. Một modul Profinet IO có thể có 10-32 kênh đầu vào Input nhưng lại có giá thành rất cạnh tranh so với Modul IO của PLC.
• Khả năng mở rộng vô tận khi sử dụng Profinet IO cho hệ thống điều khiển mà không phụ thuộc vào hàng chính hãng PLC Siemens.
• Khả năng chống nhiễu tốt nhất trong tất cả các giải pháp truyền thông cũ. Chính vì thế mà chuẩn Profinet ngày càng được các anh em lập trình tin dùng.
• Cài đặt đơn giản với việc Add tag ngay trên web server cho từng Tag độc lập nhau. Kiểm tra trạng thái, lỗi ngay trên chính web server của thiết bị IO Profinet thuận tiện hơn rất nhiều so với dùng IO trực tiếp của PLC.
• Giá thành cạnh tranh & luôn luôn có nhiều sự lựa chọn hơn so với modul của PLC Siemens.

Cách sử dụng Profinet IO với PLC Siemens

• Xác định nhu cầu số lượng thiết bị Digital input và Analog input hoặc thiết bị ngõ ra để chọn thiết bị phù hợp.
• Kết nối dây vật lý từ thiết bị truyền tín hiệu về thiết bị Profinet IO ( R-8AI-8DIDO-P, R-32DIDO-P ), kết nối thiết bị Profinet IO vào switch mạng thông qua cổng RJ45 & kết nối PLC vào mạng WLAN.
• Cài đặt file GSD của hãng vào TIA PORTIAL
• Truy cập vào web server của thiết bị Profinet IO để cấu hình Tag
• Vào TIA PORTAL để truyền thông Profinet với Tag đã cấu hình trên web server
• Kiểm tra trạng thái tín hiệu truyền về trên web server và trên TIA PORTAL

Việc cài đặt và sử dụng Profinet khá đơn giản thông qua Profinet IO. Ngoài ra, chúng ta còn dễ dàng theo dõi trạng thái đầu vào – đầu ra của thiết bị thông qua các Profinet IO này trên web server.

So sánh các thiết bị truyền thông Modbus RTU, Modbus TCP-IP, Profinet IO

Modbus RTU

Tính đơn giản và phổ biến: Modbus RTU là một giao thức truyền thông đơn giản dựa trên chuẩn RS485, RS232 và rất phổ biến trong ngành tự động hóa. Việc triển khai và lập trình với Modbus RTU thường dễ dàng và không đòi hỏi nhiều kiến thức chuyên sâu.

Truyền thông qua RS-485: Sử dụng Modbus RTU yêu cầu kết nối vật lý thông qua giao diện RS-485, điều này có thể gây ra những vấn đề về nhiễu và độ trễ truyền thông.

Dễ sử dụng: Modbus RTU được coi là dễ triển khai nhất trong tất cả các loại truyền thông, với các lệnh cơ bản như READ Holding Regiser, Write Single register.

Tốc độ truyền thông trung bình: Modbus RTU thường có tốc độ truyền thông trung bình, không phải là lựa chọn tốt nhất cho các ứng dụng yêu cầu tốc độ cao và thời gian phản hồi nhanh.

Điểm mạnh:

• Phổ biến, dễ triển khai, đa số mọi người đều có thể dùng được
• Điểm yếu: tốc độ truyền thấp, độ trễ cao, hạn chế trong việc kết nối nhiều thiết bị cùng lúc.

Modbus TCP

Modbus TCP-IP sử dụng mô hình truyền thông Modhus RTU thêm định danh IP mạng, giúp loại bỏ những vấn đề về nhiễu và độ trễ mà Modbus RTU có thể gặp phải.

Với Modbus TCP-IP, bạn có thể truyền thông thông qua mạng Ethernet, cho phép kết nối từ xa và tích hợp dễ dàng với các hệ thống mạng hiện đại.

Do sử dụng mạng Ethernet, Modbus TCP-IP thường có tốc độ truyền thông cao hơn so với Modbus RTU, làm cho nó phù hợp hơn cho các ứng dụng yêu cầu thời gian phản hồi nhanh.

PROFINET IO

PROFINET IO không chỉ là một giao thức truyền thông mà còn là một hệ thống tự động hóa toàn diện. Nó cung cấp khả năng quản lý thiết bị và thông tin của chúng một cách hiệu quả trong một môi trường tự động hóa.

Profinet IO có hai dạng:

• Digital – Profinet, bao gồm dạng xung
• Analog – Profinet

PROFINET IO được thiết kế để đạt được tốc độ truyền thông cực kỳ nhanh và đáp ứng được yêu cầu của các ứng dụng công nghiệp đòi hỏi thời gian phản hồi rất nhanh.

PROFINET IO cho phép tích hợp linh hoạt và mở rộng dễ dàng với các thiết bị và hệ thống tự động hóa khác, tạo điều kiện thuận lợi cho việc phát triển và mở rộng hệ thống trong tương lai.

Để sử dụng Profinet PLC chỉ cần cài đặt file GSD vào bộ lập trình TIA PORTAL để PLC hiểu đây là một Modul mở rộng đã được Siemens cấp phép tích hợp vào PLC.

Tóm lại, Modbus RTU và Modbus TCP thích hợp cho các ứng dụng đơn giản và không yêu cầu tốc độ truyền thông cao, trong khi PROFINET IO là lựa chọn tốt nhất cho các ứng dụng công nghiệp đòi hỏi tốc độ truyền thông cao và tính linh hoạt cao.

Có sử dụng Profinet IO cho Profibus được hay không?

Chi phí

• Nếu như bạn đang sử dụng PLC S7-200, S7-300, S7-400 với truyền thông Profinet thì xin chia buồn với bạn là các PLC đời cũ không thể sử dùng Profinet IO. Bạn có thể nâng cấp phần cứng của PLC thanh Profinet thông qua các bộ chuyển đổi tín hiệu.
• Profinet IO chỉ hỗ trợ các PLC đời mới của Siemens như S7-1200, S7-1400, S7-1500 với chuẩn Profinet và TCP-IP tích hợp. Không chỉ truyền thông qua cổng RJ45 bằng vật lý mà Profinet còn giao tiếp không dây, từ xa theo IP như : 192.168.1.1.
• Cách tốt nhất để sử dụng Profinet IUO trong hệ thống Profibus phụ thuộc vào nhu cầu thực tế của bạn. Bộ chuyển đổi Profinet sang Profinet được xem là lựa chọn tối ưu nhất về chi phí. Viêc nâng cấp thiết bị chính hãng từ Siemens có thể tốn nhiều chi phí hơn. Bạn nên cân nhắc sự lựa chọn của mình.

Kiểm tra sự tương thích

• Bạn cần kiểm tra chắc chắn các thiết bị Profinet IO tương thích với với Profibus hoặc sử dụng bộ chuyển đổi profibus – profinet có phù hợp với hệ thống.
• Chắc chắn rằng phần mềm và phần cứng tương thích với nhau.
• Đảm bảo các thiết bị profinet IO tương thích với hệ thống Profibus bạn đang sử dụng.

Hỗ trợ cài đặt – phần mềm của các thiết bị chuyển đổi giao thức

• Các bộ chuyển đổi tín hiệu profibus – profinet đều có các phần mềm hoặc cài đặt trên web server. Bạn cần chắc chắn rằng các bộ chuyển đổi giao thức cài đặt được nhưng thao tác phải đơn giản.
• Việc chuyển đổi giao thức cần được sự hỗ trợ của các nhà cung cấp thiết bị chuyển đổi tín hiệu.

Các loại Profinet IO phổ biến

Nếu bạn đang cần giải pháp truyền các tín hiệu Digital, xung, analog về PLC Siemens S7-1200, S7-1400, S7-1500 thì việc sử dụng Profinet IO là một giải pháp tối ưu nhất về chi phí lẫn kỹ thuật. Dưới đây là hai sự lựa chọn bạn có thể tham khảo.

R-32DIDO-P – Digital sang Profinet

Với kiểu kết nối Daisy Chain thì kết nối internet và truyền dữ liệu diễn ra liên tục ngay cả khi mất nguồn cấp hoặc một thiết bị có vấn đề hoặc hỏng. Theo cách này, việc truyền dữ liệu luôn được đảm bảo.

Thông số kỹ thuật R-32DIDO-P:

• Nguồn cấp 24Vdc
• Digital Input: 32 kênh Digital
• Output: Profinet, Modbus RTU, Modbus TCP-IP
• Kích thước 106 x 90 x 32 mm
• Đèn báo trạng thái: nguồn – input / output, IP address / HDCP – Profinet IO truyền thông OK, Rx-Tx kết nối, Ethernet kết nối
• Lắp đặt Din Rail 35mm
• Cổng LAN: 2 cổng RJ45 kết nối Ethernet và Profinet chung
• Cổng Modbus RTU: 1 cổng
• Protocol: Profinet IO real time = 1ms
• Input: dạng PNP với đa dạng nguộn ngoài hoặc nguồn nội bộ
• Voltage : ON/OFF
• Output: MOSFET, PNP, 0,2A / 24Vdc
• Tùy chọn ngõ vào và ngõ ra trên 32 kênh Digital
• Phần mềm hỗ trợ: TIA Portla, Codesys, Step7, GSD

Kết nối tín hiệu Digital vào R-32DIDO-P được chia làm 4 khu vực:

• Nguồn cấp
• Modbus RTU
• Digital Input : 4 khối riêng biệt
• Ethernet – Profinet: 2 cổng độc lập

Mỗi một kết nối đều có một đèn LED báo trạng thái, điều này giúp ích rất nhiều trong việc xác nhận tín hiệu có được truyền thông với nhau hay chưa. Qua đó, giúp cho các anh em lập trình có thể dễ dàng chuẩn đoán các lỗi kết nối trong quá trình kết nối phần cứng và phần mềm.

R-8AI-8DIDO –Analog và digital sang Profinet

R-32AI-DIDO-P là một modul Profinet IO đa năng với nhiều loại tín hiệu khác nhau có thể kết nối vào cùng lúc. Với 8 kênh Analog có thể tùy chọn từng kênh đầu vào với từng loại tín hiệu độc lập nhau. Tương tự, với 8 kênh digital có thể tùy chỉnh Input hoặc Output cho từng kênh riêng biệt.

Không chỉ có truyền thông Profinet mà R-8AI-8DIDO-P có thể tùy chọn ngõ ra Modbus RTU hoặc Modbus TCP-IP.

Thông số kỹ thuật R-32DIDO-P:

• Nguồn cấp 24Vdc
• Analog Input: 8 kênh
• Digital Input hoăc Output: 8 kênh Digital
• Output: Profinet, Modbus RTU, Modbus TCP-IP
• Kích thước 106 x 90 x 32 mm
• Đèn báo trạng thái: nguồn – input / output, IP address / HDCP – Profinet IO truyền thông OK, Rx-Tx kết nối, Ethernet kết nối
• Lắp đặt Din Rail 35mm
• Cổng LAN: 2 cổng RJ45 kết nối Ethernet và Profinet chung
• Cổng Modbus RTU: 1 cổng
• Protocol: Profinet IO real time = 1ms
• Input: dạng PNP với đa dạng nguộn ngoài hoặc nguồn nội bộ
• Voltage : ON/OFF
• Phần mềm hỗ trợ: TIA Portla, Codesys, Step7, GSD

Kiểu Analog Input đa năng bao gồm:

• Analog 4-20mA, 0-10V …
• Voltage: -30V….+30V, -150mV … + 150mV
• Thermocouple : J, K, B, R, S, B, L, T, E, N
• RTD: loại Pt100 -200…+65oC

Với một Modul IO Profinet tích hợp 8 kênh Analog và 8 Kênh Digital Input hoặc Output sẽ giúp chúng ta xử lý gần như tất cả các ứng dụng trong các dự án vừa và nhỏ. Đối với các dự án lớn chúng ta có thể kết hợp nhiều IO Profinet lại với nhau. Tủ điện sẽ vừa gọn vừa nhỏ và dễ dàng thao tác, thay thế khi có sự cố.

Chúc các bạn thành công !

Kỹ sư Cơ – điện tử

Nguyễn Minh Hòa