Bộ điều khiển PLC S7-1200 với sự mạnh mẽ và linh hoạt vốn có, khi được kết hợp với chuẩn truyền thông EtherCAT thông qua các giải pháp phù hợp, hứa hẹn mang lại một bước đột phá đáng kể. Mặc dù PLC S7-1200 không tích hợp sẵn cổng EtherCAT master trực tiếp, việc hiểu rõ cách thức kết nối và những lợi ích mà sự kết hợp này mang lại là vô cùng quan trọng.
1. Khi nào cần sử dụng EtherCAT với S7-1200?
Mặc dù PLC S7-1200 của Siemens được trang bị sẵn cổng Profinet là một chuẩn truyền thông công nghiệp mạnh mẽ và phổ biến, vẫn có những tình huống và ứng dụng cụ thể mà việc tích hợp khả năng giao tiếp EtherCAT trở nên vô cùng cần thiết, thậm chí là bắt buộc.
Một trong những lý do hàng đầu là khi bạn cần kết nối S7-1200 với các thiết bị ngoại vi (slave) chỉ hỗ trợ giao thức EtherCAT. Thị trường thiết bị tự động hóa rất đa dạng và không phải tất cả các nhà sản xuất đều ưu tiên Profinet. Nhiều nhà cung cấp servo drives, động cơ bước, module I/O từ xa, cảm biến chuyên dụng, hay các hệ thống robot hiệu suất cao đến từ các hãng như Beckhoff, Yaskawa, Omron, Kollmorgen, INVT (ví dụ dòng servo DA200) lại ưu tiên hoặc chỉ cung cấp giao tiếp EtherCAT do những ưu điểm vượt trội về tốc độ và đồng bộ hóa của chuẩn này. Trong trường hợp này, nếu muốn sử dụng S7-1200 làm bộ điều khiển trung tâm mà vẫn tận dụng được các thiết bị EtherCAT chuyên dụng đó, bạn bắt buộc phải tìm cách thiết lập một cầu nối EtherCAT cho S7-1200. Việc cố gắng tìm kiếm thiết bị thay thế tương đương hỗ trợ Profinet có thể tốn kém, mất thời gian, hoặc thậm chí không khả thi nếu thiết bị EtherCAT đó có những tính năng độc đáo không thể thay thế.
Tiếp theo, các ứng dụng đòi hỏi hiệu suất truyền thông cực cao và đồng bộ hóa chính xác giữa nhiều trục là một kịch bản điển hình mà EtherCAT phát huy tối đa sức mạnh. Các hệ thống điều khiển chuyển động phức tạp (multi-axis motion control) trong máy CNC, máy cắt laser, máy in 3D công nghiệp, robot lắp ráp, hay các dây chuyền đóng gói tốc độ cao yêu cầu thời gian phản hồi nhanh và sự phối hợp nhịp nhàng giữa các trục servo.
EtherCAT với thời gian chu kỳ mạng cực ngắn (thường dưới 1ms, thậm chí vài chục micro giây) và cơ chế đồng hồ phân tán (Distributed Clocks), đảm bảo độ trễ thấp và khả năng đồng bộ hóa với độ chính xác nanosecond. Mặc dù Profinet IRT (Isochronous Real-Time) cũng cung cấp khả năng đồng bộ hóa tốt, EtherCAT thường được đánh giá cao hơn về hiệu suất thuần túy và độ trễ tối thiểu trong các ứng dụng cực kỳ khắt khe này. Nếu hệ thống hiện tại của bạn sử dụng S7-1200 và đang gặp phải giới hạn về tốc độ hoặc độ chính xác đồng bộ khi điều khiển nhiều thiết bị qua Profinet, việc xem xét tích hợp EtherCAT cho các tác vụ này có thể là một giải pháp nâng cấp đáng giá.
Một yếu tố khác là tối ưu hóa chi phí và cấu trúc cáp mạng trong một số trường hợp nhất định. EtherCAT cho phép cấu trúc mạng linh hoạt (line, tree, star) mà không cần đến các switch Ethernet đắt tiền ở mỗi node trung gian trong cấu trúc line, điều này có thể giúp giảm chi phí phần cứng và đơn giản hóa việc đi dây, đặc biệt trong các hệ thống phân tán với nhiều thiết bị slave trải dài. Hơn nữa, sự ra đời của EtherCAT P (EtherCAT and Power) cho phép truyền cả dữ liệu và nguồn điện trên cùng một sợi cáp 4 lõi tiêu chuẩn, giúp giảm thiểu đáng kể chi phí và không gian đi dây cho các cảm biến và cơ cấu chấp hành nhỏ. Mặc dù S7-1200 không trực tiếp hỗ trợ EtherCAT P, việc hiểu rõ các ưu điểm này của hệ sinh thái EtherCAT giúp bạn có cái nhìn toàn diện hơn khi lựa chọn giải pháp.
Ngoài ra, khi cần tích hợp các hệ thống con (sub-systems) sử dụng EtherCAT vào một hệ thống lớn hơn điều khiển bởi S7-1200, việc trang bị cho S7-1200 khả năng giao tiếp EtherCAT (thông qua module hoặc gateway) là điều cần thiết. Ví dụ, một dây chuyền sản xuất lớn có thể sử dụng S7-1200 (hoặc S7-1500) làm bộ điều khiển tổng thể qua Profinet, nhưng một cụm máy chuyên dụng trong dây chuyền đó (ví dụ một trạm robot hàn, một máy gia công chính xác) lại được thiết kế với toàn bộ các thiết bị slave giao tiếp qua EtherCAT để đảm bảo hiệu suất cục bộ. Lúc này, S7-1200 cần một “cánh cổng” để trao đổi dữ liệu và lệnh điều khiển với hệ thống con EtherCAT này.
Cuối cùng, việc chuẩn bị cho các yêu cầu tương lai và tăng tính linh hoạt của hệ thống cũng là một lý do đáng cân nhắc. Ngành tự động hóa không ngừng phát triển, và việc sở hữu một hệ thống có khả năng giao tiếp với nhiều chuẩn truyền thông phổ biến như Profinet và EtherCAT sẽ giúp bạn dễ dàng hơn trong việc nâng cấp, mở rộng hoặc tích hợp các công nghệ mới trong tương lai mà không bị giới hạn bởi một hệ sinh thái duy nhất. Điều này đặc biệt quan trọng đối với các chủ doanh nghiệp nhỏ và vừa muốn đầu tư một lần cho một hệ thống có vòng đời sử dụng lâu dài và khả năng thích ứng cao.
Tóm lại, quyết định trang bị khả năng giao tiếp EtherCAT cho S7-1200 thường xuất phát từ nhu cầu cụ thể về kết nối thiết bị, yêu cầu hiệu suất cao, tối ưu hóa chi phí, tích hợp hệ thống hoặc định hướng phát triển lâu dài.
2. Cách kết nối S7-1200 với các thiết bị chuẩn EtherCAT
Như đã đề cập, PLC Siemens S7-1200 không được tích hợp sẵn cổng EtherCAT master. Tuy nhiên, điều này không có nghĩa là bạn không thể sử dụng S7-1200 để điều khiển một mạng EtherCAT. Siemens là một thành viên của EtherCAT Technology Group (ETG), và có nhiều giải pháp để bắc cầu kết nối này, chủ yếu thông qua các module mở rộng hoặc các thiết bị gateway của bên thứ ba. Việc lựa chọn phương pháp phù hợp phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể của ứng dụng, ngân sách và mức độ phức tạp của hệ thống.
Phương pháp phổ biến nhất là sử dụng các module truyền thông (Communication Modules – CM) hoặc bộ ghép nối (couplers/gateways) hoạt động như một EtherCAT master, được điều khiển bởi S7-1200 thông qua giao diện Profinet hoặc một bus nội bộ khác. Về bản chất, S7-1200 sẽ giao tiếp với module/gateway này như một thiết bị Profinet I/O (hoặc tương tự), và module/gateway đó sẽ chịu trách nhiệm quản lý toàn bộ mạng EtherCAT (khởi tạo, trao đổi dữ liệu, chẩn đoán) với các thiết bị EtherCAT slave.
Có một số cách tiếp cận cụ thể trong phương pháp này. Thứ nhất, bạn có thể sử dụng module EtherCAT master từ bên thứ ba gắn trực tiếp vào S7-1200 (nếu có), mặc dù các giải pháp này không phổ biến bằng các gateway độc lập.
Thứ hai, giải pháp linh hoạt và được sử dụng rộng rãi, là sử dụng Gateway Profinet to EtherCAT Master. Một thiết bị gateway chuyên dụng sẽ có một cổng Profinet để kết nối với S7-1200 (S7-1200 hoạt động như Profinet IO Controller) và một hoặc nhiều cổng EtherCAT để kết nối với các thiết bị EtherCAT slave (gateway hoạt động như EtherCAT Master). S7-1200 sẽ gửi lệnh điều khiển và nhận dữ liệu trạng thái từ các thiết bị EtherCAT thông qua gateway này.
Nhiều nhà sản xuất như Helmholz, HMS Networks (Anybus), Hilscher, Moxa, Weidmüller cung cấp các loại gateway này. Một ví dụ là Helmholz với dòng sản phẩm TB20 EtherCAT Coupler có thể kết nối với S7-1200 qua Profinet. Một số tài liệu PLC của Siemens cũng đề cập đến việc sử dụng các ET 200SP Open Controller hoặc các CPU S7-1500 nhỏ gọn có khả năng làm gateway nếu cấu hình phù hợp, nhưng đối với S7-1200 thuần túy, gateway bên thứ ba là lựa chọn trực tiếp hơn.
Cuối cùng, một phương án khác là sử dụng một PLC nhỏ gọn (Mini PLC) khác có hỗ trợ EtherCAT master và giao tiếp với S7-1200. Trong một số trường hợp, người ta có thể sử dụng một PLC nhỏ hơn từ một hãng khác (ví dụ Beckhoff CX series) làm EtherCAT master cho một cụm máy, sau đó PLC này sẽ giao tiếp với S7-1200 qua một chuẩn chung khác như Modbus TCP/IP, OPC UA hoặc thậm chí là các tín hiệu I/O rời rạc, tuy nhiên giải pháp này thường phức tạp hơn về mặt lập trình và quản lý.
Quá trình cấu hình thường bao gồm các bước chính như cài đặt GSD/GSDML file trong TIA Portal, cấu hình Gateway trên mạng Profinet, cấu hình mạng EtherCAT trên Gateway bao gồm việc thêm các file ESI của slave và ánh xạ dữ liệu, sau đó chúng ta cần lập trình PLC S7-1200 để đọc/ghi dữ liệu vào các vùng nhớ I/O đã được ánh xạ của gateway.
3. Các bước cấu hình S7-1200 làm việc với EtherCAT thông qua Gateway
Việc cấu hình để S7-1200 có thể giao tiếp và điều khiển các thiết bị trong mạng EtherCAT thông qua một gateway Profinet-to-EtherCAT Master đòi hỏi sự tỉ mỉ và tuân thủ các bước kỹ thuật. Dưới đây là hướng dẫn chi tiết, mang tính tổng quát, áp dụng cho hầu hết các loại gateway phổ biến trên thị trường. Xin lưu ý rằng giao diện và một số thuật ngữ cụ thể có thể thay đổi tùy theo nhà sản xuất gateway, nhưng quy trình cốt lõi vẫn tương tự.
3.1. Chuẩn bị phần cứng và phần mềm
Để bắt đầu, việc chuẩn bị đầy đủ phần cứng và phần mềm là bước đầu tiên và vô cùng quan trọng.
Về phần cứng cần thiết, bạn sẽ cần một PLC S7-1200 như CPU 1214C DC/DC/DC S7-1200 với firmware phù hợp. Tiếp theo là một Gateway Profinet-to-EtherCAT Master, chẳng hạn như Helmholz PN/EtherCAT Coupler, HMS Anybus Communicator, hoặc Hilscher netTAP. Đương nhiên, không thể thiếu các thiết bị EtherCAT slave như servo drive hoặc module I/O. Cáp Ethernet tiêu chuẩn Cat5e trở lên sẽ được dùng cho kết nối Profinet và EtherCAT.
Ngoài ra, cần có nguồn cấp cho PLC, gateway và các thiết bị slave, cùng với một máy tính đã cài đặt phần mềm lập trình PLC S7-1200 (TIA Portal) và phần mềm cấu hình EtherCAT của nhà sản xuất gateway (nếu có, hoặc công cụ cấu hình EtherCAT chung).
Đối với phần mềm cần thiết, Siemens TIA Portal là công cụ không thể thiếu, với phiên bản phù hợp firmware của S7-1200 (ví dụ TIA Portal V16, V17, V18). Bạn cũng cần file GSDML của Gateway, đây là file mô tả thiết bị Profinet giúp TIA Portal nhận diện và cấu hình gateway, thường được cung cấp trên website của nhà sản xuất gateway. Tương tự, file ESI (EtherCAT Slave Information) của các thiết bị EtherCAT slave cũng rất quan trọng; các file này mô tả đặc tính, dữ liệu process data, và các thông số của từng thiết bị slave, được cung cấp bởi nhà sản xuất thiết bị EtherCAT.
Cuối cùng, một công cụ cấu hình EtherCAT có thể cần thiết; một số gateway có công cụ cấu hình riêng tích hợp qua web server hoặc phần mềm cài đặt riêng, trong khi một số khác có thể được cấu hình bằng các công cụ EtherCAT master chuẩn như TwinCAT (nếu gateway hoạt động như một EtherCAT master “mở”).
3.2. Cấu hình Gateway làm Profinet IO Device trong TIA Portal
Sau khi đã chuẩn bị đầy đủ, chúng ta tiến hành cấu hình gateway như một Profinet IO Device trong môi trường TIA Portal. Bước đầu tiên là cài đặt GSDML file của Gateway. Bạn mở TIA Portal, vào menu Options rồi chọn Manage general station description files (GSD). Trong cửa sổ xuất hiện, hãy trỏ đến thư mục chứa file GSDML của gateway đã tải về và nhấn Install. Sau khi cài đặt thành công, gateway sẽ xuất hiện trong Hardware Catalog của TIA Portal, thường nằm dưới mục Other field devices, sau đó là PROFINET IO và Gateway.
Tiếp theo, bạn cần tạo Project mới và thêm PLC S7-1200. Tạo một project mới, thêm một thiết bị S7-1200 (ví dụ CPU 1214C DC/DC/DC) vào project đó và cấu hình địa chỉ IP cho cổng Profinet của S7-1200, ví dụ là 192.168.0.1.
Sau đó, bạn sẽ thêm Gateway vào mạng Profinet. Chuyển sang chế độ xem Network view, từ Hardware Catalog, tìm đến gateway XYZ đã cài đặt GSDML và kéo thả nó vào Network view. Thực hiện kết nối cổng Profinet của S7-1200 với cổng Profinet của gateway bằng cách kéo một đường nối giữa chúng. Trong cửa sổ Device view của gateway, bạn cần gán địa chỉ IP cho gateway (ví dụ: 192.168.0.2), đảm bảo nó cùng dải mạng với S7-1200, và đặt tên thiết bị Profinet (Device name) một cách thống nhất.
Bước quan trọng tiếp theo là cấu hình vùng nhớ trao đổi dữ liệu (I/O Data). Trong Device view của gateway, bạn sẽ thấy các module hoặc vùng nhớ ảo đại diện cho dữ liệu sẽ được trao đổi giữa S7-1200 và gateway. Các vùng này sau đó sẽ được gateway ánh xạ tới dữ liệu của các EtherCAT slave. Bạn cần kéo thả các module I/O (đầu vào/đầu ra) cần thiết từ Hardware Catalog (phần của gateway) vào các slot của gateway. Kích thước của các vùng dữ liệu này (ví dụ: 32 byte input, 32 byte output) phải đủ lớn để chứa toàn bộ process data của các EtherCAT slave. Hãy ghi lại địa chỉ I/O (ví dụ: %IB256, %QB256) mà TIA Portal tự động gán cho các vùng dữ liệu này, vì đây là các địa chỉ mà chương trình PLC S7-1200 sẽ đọc/ghi.
Cuối cùng của giai đoạn này là biên dịch và tải cấu hình xuống S7-1200. Lưu project lại, biên dịch cấu hình phần cứng bằng cách chọn Compile rồi Hardware (rebuild all), sau đó tải cấu hình phần cứng xuống PLC S7-1200. Trong TIA Portal, vào Online & diagnostics của S7-1200 để gán tên Profinet cho Gateway (Assign Profinet device name) nếu chưa được thực hiện.
3.3. Cấu hình mạng EtherCAT trên Gateway
Bước này phụ thuộc rất nhiều vào nhà sản xuất gateway. Tuy nhiên, các thao tác phổ biến bao gồm việc truy cập công cụ cấu hình EtherCAT của Gateway. Một số gateway có giao diện web server, bạn có thể truy cập bằng cách gõ địa chỉ IP của gateway vào trình duyệt web. Một số khác yêu cầu phần mềm cấu hình riêng cài đặt trên PC, lúc này PC cần kết nối vào cổng cấu hình riêng của gateway hoặc chung mạng Ethernet. Cũng có trường hợp gateway cần được cấu hình thông qua các file text hoặc công cụ EtherCAT của bên thứ ba.
Tiếp đến là kết nối vật lý mạng EtherCAT. Bạn cần nối cổng EtherCAT OUT của gateway (nếu có) hoặc cổng EtherCAT đầu tiên với cổng EtherCAT IN của thiết bị slave đầu tiên. Sau đó, nối cổng EtherCAT OUT của slave đầu tiên với cổng EtherCAT IN của slave thứ hai, và cứ thế tiếp tục theo cấu trúc line. Đừng quên đảm bảo các slave được cấp nguồn.
Sau khi kết nối vật lý, bạn sẽ tiến hành scan mạng EtherCAT và thêm ESI files. Trong công cụ cấu hình EtherCAT của gateway, thực hiện chức năng Scan for devices hoặc Discover slaves để gateway tự động phát hiện các slave đang kết nối. Nếu slave nào chưa được nhận diện đúng, bạn cần import file ESI (.xml) của slave đó vào thư viện của công cụ cấu hình. Các file ESI này do nhà sản xuất slave cung cấp.
Khi các slave đã được nhận diện, bạn cần cấu hình các EtherCAT Slaves. Điều này có thể bao gồm việc cấu hình các thông số riêng cho từng slave, ví dụ như chế độ hoạt động của servo, các thông số PDO mapping. Nếu ứng dụng yêu cầu, bạn cũng cần thiết lập cơ chế đồng bộ hóa Distributed Clocks (DC).
Một trong những bước quan trọng nhất là ánh xạ dữ liệu (PDO Mapping). Bạn cần ánh xạ Process Data Objects (PDOs) của các EtherCAT slave vào vùng nhớ đệm của gateway. Vùng nhớ này chính là vùng mà S7-1200 đã được cấu hình để đọc/ghi ở Giai đoạn 2.
Ví dụ, dữ liệu vị trí thực tế từ servo drive (Input PDO) cần được ánh xạ vào một phần của vùng “Input data” của gateway, và lệnh đặt vị trí (Output PDO) cho servo drive sẽ được lấy từ một phần của vùng “Output data” của gateway. Bạn cần đảm bảo tổng kích thước dữ liệu của tất cả các slave không vượt quá kích thước vùng nhớ trao đổi đã cấu hình trong TIA Portal và ghi nhớ cẩn thận thứ tự cũng như cấu trúc dữ liệu để lập trình chính xác trong S7-1200.
Cuối cùng, hãy lưu và kích hoạt cấu hình EtherCAT trên Gateway. Sau khi hoàn tất cấu hình, lưu lại và tải cấu hình xuống gateway. Gateway sẽ khởi động lại và bắt đầu vận hành mạng EtherCAT.
3.4. Lập trình điều khiển trong S7-1200 với TIA Portal
Sau khi cấu hình phần cứng và mạng, chúng ta cần lập trình PLC S7-1200 với TIA Portal để có thể vận hành và kiểm soát toàn bộ hệ thống. Đầu tiên, bạn nên tạo các Data Block (DB) để quản lý dữ liệu. Tạo các DB trong S7-1200 để cấu trúc hóa dữ liệu nhận từ gateway (inputs) và dữ liệu gửi đến gateway (outputs). Cấu trúc của các DB này phải khớp với thứ tự và kiểu dữ liệu đã được ánh xạ ở Giai đoạn 3 (PDO mapping). Ví dụ, nếu servo drive gửi về 4 byte vị trí (DINT) và 2 byte trạng thái (WORD), bạn tạo một struct trong DB đầu vào với các thành phần tương ứng.
Tiếp theo là đọc/ghi dữ liệu vào vùng nhớ I/O của Gateway. Trong các khối chương trình (OB, FC, FB), sử dụng các lệnh MOVE hoặc truy cập trực tiếp vào các địa chỉ %I và %Q đã được TIA Portal gán cho gateway (ví dụ: MOVE %IB256 MyInputData.Byte0, MyOutputData.Word0 := %QW256). Để dễ quản lý và đảm bảo tính nhất quán, bạn có thể dùng lệnh DPRD_DAT (Read consistent data of a PROFINET IO device) và DPWR_DAT (Write consistent data to a PROFINET IO device) để đọc/ghi toàn bộ khối dữ liệu một cách nhất quán.
Cuối cùng, bạn sẽ viết logic điều khiển. Dựa trên dữ liệu đọc từ các EtherCAT slave (thông qua gateway), viết logic điều khiển và gửi lệnh điều khiển trở lại các slave (thông qua gateway). Ví dụ, đọc vị trí hiện tại của servo, so sánh với vị trí đặt, tính toán và gửi lệnh tốc độ mới.
3.5. Kiểm tra và gỡ lỗi
Hoàn thành lập trình, giai đoạn kiểm tra và gỡ lỗi là không thể thiếu. Trước tiên, hãy kiểm tra trạng thái truyền thông. Trong TIA Portal, kiểm tra trạng thái online của S7-1200 và gateway. Đèn LED trên PLC và gateway phải báo hiệu kết nối Profinet ổn định. Đồng thời, trong công cụ cấu hình EtherCAT của gateway, kiểm tra trạng thái của mạng EtherCAT và các slave, đảm bảo tất cả các slave đều ở trạng thái OP (Operational).
Sau đó, kiểm tra luồng dữ liệu. Sử dụng Watch table trong TIA Portal để giám sát giá trị tại các địa chỉ %I, %Q của gateway và các biến trong DB. Đối chiếu với giá trị thực tế trên các thiết bị slave hoặc trong công cụ chẩn đoán của gateway/slave.
Nếu có sự cố, hãy gỡ lỗi từng phần. Kiểm tra lại từng bước cấu hình: địa chỉ IP, tên Profinet, GSDML/ESI files, PDO mapping, dây cáp kết nối. Các công cụ chẩn đoán của TIA Portal và của gateway rất hữu ích trong quá trình này.
4. Lựa chọn module EtherCAT (Gateway)
Khi đã xác định nhu cầu tích hợp EtherCAT vào hệ thống điều khiển S7-1200, bước tiếp theo và vô cùng quan trọng là lựa chọn đúng loại module giao tiếp (thường là gateway Profinet-to-EtherCAT Master) và một nhà cung cấp đáng tin cậy.
Thanh Thiên Phú là đơn vị hàng đầu trong lĩnh vực cung cấp thiết bị điện công nghiệp và giải pháp tự động hóa tại Việt Nam. Chúng tôi không chỉ mang đến những sản phẩm chính hãng, chất lượng cao như PLC S7-1200, các loại gateway Profinet-to-EtherCAT Master từ các thương hiệu uy tín, mà còn cam kết tư vấn tận tâm, với đội ngũ kỹ sư giàu kinh nghiệm sẵn sàng lắng nghe, phân tích nhu cầu và tư vấn giải pháp phù hợp nhất.
Chúng tôi cũng đảm bảo hỗ trợ kỹ thuật chuyên nghiệp từ khâu lắp đặt, cấu hình đến vận hành và xử lý sự cố. Đồng thời, chúng tôi luôn nỗ lực mang đến giá cả cạnh tranh và dịch vụ hậu mãi chu đáo, cam kết mang lại giá trị tốt nhất cho khách hàng.
Liên hệ ngay với Thanh Thiên Phú để được tư vấn:
- Hotline: 08.12.77.88.99
- Website: thanhthienphu.vn
- Địa chỉ: 20 đường 29, Khu phố 2, Phường Cát Lái, Thành phố Thủ Đức, Thành phố Hồ Chí Minh.
