Mạng truyền thông công nghiệp là gì?
Mạng truyền thông công nghiệp là một khái niệm chung chỉ các hệ thống mạng truyền thông số, truyền bit nối tiếp, được sử dụng để ghép nối các thiết bị công nghiệp.
Đây cũng là loại mạng đặc biệt được tạo ra để xử lý kiểm soát thời gian thực và tính toàn vẹn dữ liệu trong môi trường khắc nghiệt trên các cài đặt lớn.
Các hệ thống truyền thông công nghiệp phố biến hiện nay cho phép liên kết mạng ở nhiều mức khác nhau, từ các cảm biến, cơ cấu chấp hành dưới cấp trường cho đến các máy tính điều khiển, thiết bị quan sát, máy tính điều khiển giám sát và máy tính cấp điều hành xí nghiệp, quản lý công ty.
Các mạng truyền thông công nghiệp bao gồm: Modbus, Ethernet, Devicenet, Controlnet,…
Các cơ chế điều khiển quan trọng được sử dụng trong linh vực tự động hóa công nghệ bao gồm:
-Bộ điều khiển kogic lập trình (PCL).
-Hệ thống điều khiển phân tán (DCS).
-Điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu (SCADA).
Tất cả các yếu tố này liên quan đến các thiết bị hiện trường, thiết bị thông minh, PC điều khiển giám sát, bộ điều khiển I/O phân tán và bộ hiển thị HMI.
Để có thể kết nối và cho phép giao tiếp giữa các thiết bị này, cần có một mạng lưới hoặc sơ đồ truyền thông mạnh mẽ và hiệu quả hơn. Chúng khác biệt khá nhiều so với các mạng doanh nghiệp truyền thống. Các mạng truyền thông công nghiệp này tạo thành một đường dẫn liên lạc giữa các thiết bị hiện trường, bộ điều khiển và PC.
Cấu trúc mạng truyền thông công nghiệp
Phương tiện để truyền dẫn dữ liệu và tín hiệu điều khiển có thể không dây hoặc có dây.
Trong trường hợp truyền không dây, giao tiếp được thực hiện qua song radio.
Trong trường hợp truyền có dây, cáp được sử dụng có thể là cáp xoắn, cáp đồng trục hoặc cáp quang. Mỗi cáp mạng có các đặc tính điện riêng có thể ít hoặc phù hợp hơn với một loại mạng hoặc môi trường cụ thể.
5 mạng truyền thông công nghiệp hiện nay
Trong công nghiệp tồn tại nhiều mạng truyền thông khác nhau được thiết kế để kết nối các thiết bị trường công nghiệp và các mô đun I/O với nhau. Chúng được mô tả dựa trên các giao thức nhất định. Trong đó, giao thức là một tập hợp các quy tắc được sử dụng trong giao tiếp giữa hai hoặc nhiều thiết bị.
Dựa trên các giao thức này, các mạng truyền thông được phân thành nhiều loại. Dưới đây là những loại phổ biến.
1. Mạng truyền thông công nghiệp Modbus
Modbus là một giao thức hệ thống mở có thể chạy trên nhiều lớp vật lý. Nó là giao thức được sử dụng rộng rãi nhất trong các ứng dụng điều khiển công nghiệp.
Đây là một kỹ thuật giao tiếp nối tiếp cung cấp mối quan hệ chủ/tớ để giao tiếp giữa các thiết bị được kết nối trên mạng. Nó có thể được thực hiện trên bất kỳ cáp truyền dẫn nào, nhưng được sử dụng phổ biến nhất với 2 loại cáp: RS232 và RS485.
Modbus nối tiếp với RS232 hoặc RS485 (dưới dạng các lớp vật lý) tạo điều kiện kết nối các thiết bị trên mạng Modbus với bộ điều khiển (như PLC). Nó có thể giao tiếp giữa một chủ và lên tới 247 tớ với tốc độ truyền dữ liệu là 19,2 kbits/s.
Một phiên bản mới hơn của Modbus RCP/IP sử dụng Ethernet làm lớp vật lý tạo điều kiện trao đổi dữ liệu giữa các PLC trong các mạng khác nhau. Nó không phân biệt loại mạng, luôn tạo điều kiện cho một phương thức truy cập và kiểm soát một thiết bị này bằng một thiết bị khác.
2. Mạng truyền thông nối tiếp
Giao tiếp nối tiếp là hệ thống giao tiếp cơ bản được sử dụng cho mọi bộ điều khiển như PLC. Giao tiếp này được thực hiện bằng cách sử dụng các tiêu chuẩn giao thức như RS232, RS422 và RS485. Trong đó, RS là viết tắt của từ tiêu chuẩn khuyến nghị, chỉ định các đặc điểm giao tiếp nối tiếp về các tính năng điện, cơ và chức năng.
Các giao diện giao tiếp nối tiếp được tích hợp vào CPU hoặc mô đun xử lý (bộ điều khiển logic khả trình) hoặc nó có thể là một mô đun giao tiếp riêng. Các giao diện RS này chủ yếu được sử dụng để truyền dữ liệu ở tốc độ dữ liệu cao giữa các thiết bị từ xa (đầu đọc mã vạch, hệ thống camera, thiết bị vận hành,…) và PLC.
Giao tiếp nối tiếp RS232 được thiết kế để hỗ trợ một máy phát và một máy thu.Chẳng hạn như giao tiếp giữa một máy tính và một bộ điều khiển. Chiều dài cáp tối đa có thể lên tới 15 mét. Các chuẩn giao tiếp nối tiếp RS 422 (1Tx, 10Rx) và RS485 (32Tx, 32Rx) được thiết kế để giao tiếp giữa một máy tính và nhiều bộ điều khiển. Các tiêu chuẩn này được giới hạn ở chiều dài 500m ( trong trường hợp RS422) và 200m (trong trường hợp RS485).
3. Mạng truyền thông công nghiệp DeviceNet
Đây là dạng mạng bus hệ thống mở được phát triển dựa trên công nghệ CAN. Mạng này được thiết kế để kết nối các thiết bị cấp chấp hành (như cảm biến, công tắc, màn hình bảng điều khiển, đầu đọc mã vạch,..) với bộ điều khiển cấp cao hơn (như PLC) qua nền tảng giao thức CAN. Giao thức này có thể hỗ trợ tối đa 2048 thiết bị và tới 64 điểm.
Giao thức này có ưu điểm là giảm chi phí đường dây bằng cách tích hợp tất cả các thiết bị trên cáp bốn dây bao gồm cả nguồn cấp và dữ liệu. Bởi nguồn cấp này có thể cấp trực tiếp cho các thiết bị chấp hành nên làm giảm các điểm kết nối vật lý. Mạng này được sử dụng phổ biến trong các ngành công nghiệp ô tô và bán dẫn.
4. Mạng truyền thông công nghiệp Profibus
Profibus là một trong những mạng truyền thông mở nổi tiếng và được triển khai rộng rãi. Các mạng này chủ yếu được sử dụng trong các lình vực tự động hóa quá trình và tự động hóa nhà máy. Nó phù hợp nhất cho các nhiệm vụ giao tiếp phức tạp và các ứng dụng quan trọng về thời gian.
Profibus có 3 phiên bản khác nhau là:
- Profibus-DP (phân cấp ngoại vi).
- Profibus-PA (tự động hóa quy trình).
- Profibus-FMS (đặc tả thông điệp Fieldbus).
5. Mạng truyền thông công nghiệp – truyền thông HART
HART là một giao thức mạng điều khiển quá trình mở, có thể truyền tín hiệu truyền thông kỹ thuật số trên cùng một đường truyền với các tín hiệu 4-20mA.
Đây là mạng truyền thông duy nhất tạo điều kiện cho cả giao tiếp kỹ thuật số – tương tự hai chiều cùng một lúc trên cùng một hệ thống dây, do đó mạng truyền thông công nghiệp HART này còn được gọi là mạng lai. Các tín hiệu số này được gọi là tín hiệu HART mang thông tin chẩn đoán, cấu hình thiết bị, hiệu chuẩn và các phép đo khác.
Mạng HART hoạt động ở chế độ đa điểm hoặc điểm – điểm:
+Mạng truyền thông HART đa điểm được sử dụng khi các thiết bị được đặt cách xa nhau. Các thiết bị trường thông minh đa biến tương thích HART được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp.
+Trong chế độ điểm-điểm, tín hiệu dòng 4-20mA được sử dụng để điều khiển quá trình trong khi tín hiệu HART vẫn không bị ảnh hưởng.
Mạng truyền thông HART chủ yếu được sử dụng trong các ứng dụng SCADA.
Phân cấp mạng truyền thông công nghiệp.
Các cấp độ khác nhau phải xử lý các yêu cầu khác nhau nên không có yêu cầu địa chỉ mạng truyền thông duy nhất cho mỗi cấp. Vậy nên các cấp khác nhau có thể sử dụng mạng khác nhau dựa trên các yêu cầu như bảo mật dữ liệu, truyền dữ liệu, khối lượng dữ liệu,… Dựa trên chức năng, mạng truyền thông công nghiệp được phân thành ba cấp như phía dưới theo thứ tự từ cao đến thấp.
1.Cấp thông tin
Đây là cấp cao nhất của hệ thống tự động hóa công nghiệp, tập hợp thông tin từ cấp thấp hơn. Cấp độ này có mạng lưới quy mô lớn, nó xử lý khối lượng lớn dữ liệu không sử dụng liên tục hoặc quan trọng về thời gian. Vậy nên, mạng Ethernet thường được sử dụng làm mạng cấp độ thông tin để lập kế hoạch nhà máy và trao đổi thông tin quản lý. Đôi khi các mạng này có thể kết nối với các mạng công nghiệp khác thông qua các cổng.
2.Cấp kiểm soát
Cấp độ này bao gồm các bộ điều khiển công nghiệp như PLC, bộ điều khiển phân tán và hệ thống máy tính. Cấp độ này có các nhiệm vụ bao gồm cấu hình các thiết bị tự động hóa, tải dữ liệu chương trình avf xử lý dữ liệu biến số, điều chỉnh biến đặt, kiểm soát giám sát, hiển thị dữ liệu biến trên HMI, lưu trữ lịch sử,…
Do đó, cấp độ này yêu cầu các đặc điểm như:
-Tốc độ truyền cao.
-Thời gian đáp ứng ngắn.
-Độ dài dữ liệu ngắn.
-Đồng bộ hóa máy.
-Truyền liên tục.
Ở cấp độ này, mạng cục bộ LAN được sử dụng rộng rãi. Ethernet với giao thức TCP/IP chủ yếu được sử dụng làm mạng cấp điều khiển để kết nối các đơn vị điều khiển với máy tính.
Ngoài ra, mạng này hoạt động nư một bus điều khiển để phối hợp và đồng bộ hóa giữa các đơn vị điều khiển khác nhau. Một số bus trường cũng được sử dụng như các bus điều khiển: ControlNet và Profibus.
3.Cấp thiết bị
Đây là cấp thấp nhất, gồm có các thiết bị hiện trường như cảm biến và cơ cấu chấp hành quá trình và máy móc.
Cấp thiết bị có nhiệm vụ chuyển thông tin giữa các thiết bị này và PLC. Việc truyền thông tin có thể là kỹ thuật số, analog hoặc hybrid. Các giá trị đo có thể nhanh hoặc chậm tùy thuộc thiết bị.
Các mạng này bao gồm các cáp song song, đa dây làm phương tiện truyền dẫn. Các tiêu chuẩn giao thức truyền thông nối tiếp phổ biến ở cấp độ này bao gồm RS232, RS485 và RS422.
Do có thể tạo điều kiện kiểm soát phân tán giữa các thiết bị và các bộ điều khiển trường thông minh khác, công nghệ fieldbus đang là mạng truyền thông tinh vi nhất được sử dụng ở cấp cục bộ.
Đây là một hệ thống truyền thông hai chiều. Các loại bus trường khác nhau bao gồm HART, ControlNet, CAN Bus, Profibus, Foundation Field Bus và CAN Bus.
Phân biệt mạng truyền thông công nghiệp với mạng máy tính và mạng viễn thông
1. Mạng công nghiệp và mạng máy tính
Mạng truyền thông công nghiệp thực chất là một dạng đặc biệt của mạng máy tính. Mạng truyền thông công nghiệp có những điểm giống và khác nhau so với mạng máy tính thông thường như sau:
- Đặc trưng chung của cả 2 loại mạng này là kỹ thuật truyền thông số hay truyền thông dữ liệu.
- Mạng máy tính sử dụng trong công nghiệp được coi là một phần trong mô hình phân cấp của mạng công nghiệp (ở các cấp điều khiển và giám sát, điều hành sản xuất và quản lý công ty).
- Mạng máy tính thông thường đòi hỏi cao ở độ bảo mật còn mạng truyền thông công nghiệp yêu cầu cao về tính năng thời gian thực, độ tin cậy và khả năng tương thích trong môi trường công nghiệp.
- Các hệ thống mạng công nghiệp thường có tính chất độc lập, phạm vi hoạt động tương đối hẹp. Trong khi đó, mạng máy tính có phạm vi trải rộng rất khác, có thể nhỏ như mạng LAN hoặc rất lớn như mạng internet.
2. Mạng công nghiệp và mạng viễn thông
Về mặt cơ sở kỹ thuật, mạng công nghiệp và mạng viễn thông có nhiều điểm tương đồng nhưng cũng có một số điểm khác biệt như:
-Đối tượng của mạng viễn thông là con người và thiết bị kỹ thuật, chủ yếu là con người. Vậy nên, các dạng thông tin cần trao đổi bao gồm cả tiếng nói, hình ảnh, văn bản và dữ liệu. Trong khi đó, đối tượng của mạng công nghiệp thuần túy là các thiết bị công nghiệp nên dạng thông tin duy nhất được quan tâm là dữ liệu.
-Các kỹ thuật và công nghệ được dùng trong mạng viễn thông rất phong phú, trong khi kỹ thuật truyền dữ liệu theo chế độ bit nối tiếp của mạng công nghiệp.
-Mạng viễn thông có phạm vi địa lý và số lượng thành viên tham gia lớn hơn rất nhiều nên các yêu cầu kỹ thuật (cấu trúc mạng, tốc độ truyền thông, thời gian thực, tính năng,…) rất khác, cũng như các phwuowng pháp truyền thông (truyền tải dải rộng/dải cơ sở, dồn kênh, chuyển mạch,…) thường phức tạp hơn nhiều so với mạng công nghiệp.
