Mạng truyền thông công nghiệp

 

Mạng truyền thông công nghiệp là gì? Vai trò và ứng dụng

 

Mạng truyền thông công nghiệp là gì?

 

 

Mạng truyền thông công nghiệp (Industrial Communication Network) hoặc mạng công nghiệp là một khái niệm chung ám chỉ các hệ thống mạng truyền thông số, truyền dữ liệu theo phương thức nối tiếp nhằm kết nối các thiết bị công nghiệp với nhau và tạo thành một mạng lưới đồng nhất có sự phân cấp và kiểm soát chặt chẽ.

 

Các hệ thống mạng truyền thông công nghiệp hiện nay cho phép liên kết mạng ở nhiều mức, nhiều cấp khác nhau, từ các cảm biến, thiết bị thực hiện (thuộc phân cấp hiện trường) cho đến các máy tính điều khiển, thiết bị giám sát, máy tính điều khiển giám sát và các máy tính quản lý hoạt động của toàn công ty.

Các mạng truyền thông công nghiệp như Modbus, Ethernet, Devicenet và Controlnet đóng vai trò quan trọng trong việc kết nối các thiết bị trong tự động hóa công nghiệp.

Ngoài ra, các cơ chế điều khiển như bộ điều khiển lập trình PCL, hệ thống điều khiển phân tán DCS và điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu SCADA cũng được sử dụng.

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 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.

2. Đặc điểm của mạng truyền thông công nghiệp

Mạng truyền thông công nghiệp có đặc điểm là có thể được kết nối có dây hoặc không dây, tùy thuộc vào yêu cầu của ứng dụng. Cáp xoắn đôi, cáp đồng trục và cáp quang là các loại cáp thường được sử dụng trong mạng có dây để đảm bảo đường truyền tín hiệu. Trong khi đó, mạng không dây sử dụng các kết nối qua sóng radio.

 

Hiện nay, trong công nghiệp, có nhiều loại mạng truyền thông khác nhau được sử dụng để kết nối các thiết bị trường công nghiệp với các mô đun I/O. Các mạng này được xác định dựa trên các giao thức nhất định. Giao thức được hiểu là một tập hợp các quy tắc được sử dụng trong giao tiếp giữa hai hoặc nhiều thiết bị để đảm bảo truyền thông hiệu quả và đáng tin cậy.

3. Vai trò của mạng truyền thông công nghiệp

Sử dụng mạng truyền thông công nghiệp, đặc biệt là bus trường để thay thế cách nối điểm-điểm cổ điển giữa các thiết bị công nghiệp mang lại hàng loạt những lợi ích như sau:

·        Đơn giản hóa cấu trúc liên kết giữa các thiết bị công nghiệp: Một số lượng lớn các thiết bị thuộc các chủng loại khác nhau được ghép nối với nhau thông qua một đường truyền duy nhất.

·        Tiết kiệm dây nối và công thiết kế, lắp đặt hệ thống: Nhờ cấu trúc đơn giản, việc thiết kế hệ thống trở nên dễ dàng hơn nhiều. Một số lượng lớn cáp truyền được thay thế bằng một đường duy nhất, giảm chi phí đáng kể cho nguyên vật liệu và công lắp đặt.

·        Nâng cao độ tin cậy và độ chính xác của thông tin: Khi dùng phương pháp truyền tín hiệu tương tự cổ điển, tác động của nhiễu dễ làm thay đổi nội dung thông tin mà các thiết bị không có cách nào nhận biết.

·        Nhờ kỹ thuật truyền thông số, không những thông tin truyền đi khó bị sai lệch hơn, mà các thiết bị nối mạng còn có thêm khả năng tự phát hiện lỗi và chẩn đoán lỗi nếu có. Hơn thế nữa, việc bỏ qua nhiều lần chuyển đổi qua lại tương tự-số và số-tương tự nâng cao độ chính xác của thông tin.

·        Nâng cao độ linh hoạt, tính năng mở của hệ thống: Một hệ thống mạng chuẩn hóa quốc tế tạo điều kiện cho việc sử dụng các thiết bị của nhiều hãng khác nhau. Việc thay thế thiết bị, nâng cấp và mở rộng phạm vi chức năng của hệ thống cũng dễ dàng hơn nhiều. Khả năng tương tác giữa các thành phần (phần cứng và phần mềm) được nâng cao nhờ các giao diện chuẩn.

·        Đơn giản hóa/tiện lợi hóa việc tham số hóa, chẩn đoán, định vị lỗi, sự cố của các thiết bị : Với một đường truyền duy nhất, không những các thiết bị có thể trao đổi dữ liệu

4. Phân loại mạng truyền thông công nghiệp

4.1 Mạng truyền thông công nghiệp Modbus

Modbus là một giao thức hệ thống mở có thể hoạt động trên nhiều lớp vật lý khác nhau. Đây là giao thức phổ biến nhất trong các ứng dụng điều khiển công nghiệp.

Nó cũng là một kỹ thuật giao tiếp giữa bộ điều khiển và các thiết bị khác thông qua cơ chế yêu cầu/đáp ứng để giao tiếp giữa các thiết bị được kết nối trên mạng.

Mạng truyền thông công nghiệp Modbus

Cơ chế giao tiếp của Modbus phụ thuộc vào hệ thống truyền thông cấp thấp. Cơ chế này được chia thành hai loại là mạng Modbus chuẩn và Modbus trên các mạng khác. Trong đó:

Mạng Modbus chuẩn cho phép các bộ điều khiển được kết nối trực tiếp vào mạng hoặc thông qua modem. Kỹ thuật giao tiếp giữa các trạm Modbus sử dụng cơ chế master/slave. Theo đó, chỉ có một thiết bị có thể gửi yêu cầu, các thiết bị slave sẽ đáp ứng bằng cách trả lời hoặc thực hiện yêu cầu.

4.2 Mạng truyền thông nối tiếp

Giao tiếp nối tiếp là một hệ thống giao tiếp cơ bản được sử dụng cho tất cả các bộ điều khiển, chẳng hạn như PLC. Giao tiếp này được thực hiện bằng cách sử dụng các tiêu chuẩn giao thức như RS485, RS232 và RS422. RS chỉ định các đặc điểm giao tiếp nối tiếp về tính điện, cơ và chức năng.

Mạng truyền thông công nghiệp nối tiếp là một hệ thống giao tiếp được sử dụng hầu hết cho truyền thông đường dài và các mạng máy tính. Các giao diện giao tiếp nối tiếp được tích hợp vào CPU hoặc mô đun xử lý (bộ điều khiển logic khả trình) hoặc có thể là một mô đun giao tiếp riêng. Giao diện RS thường được sử dụng để truyền dữ liệu với tốc độ cao đối với các thiết bị từ xa.

Giao tiếp nối tiếp RS232 được thiết kế để hỗ trợ một máy phát và một máy thu, ví dụ như giao tiếp giữa máy tính và bộ điều khiển. Các tiêu chuẩn giao tiếp nối tiếp RS422 (1Tx, 10Rx) và RS485 (32Tx, 32Rx) được thiết kế để phục vụ giao tiếp giữa máy tính và bộ điều khiển. Những tiêu chuẩn này sẽ giới hạn ở chiều dài 500m (đối với RS422) và 200m (đối với RS485).

4.3 Mạng truyền thông công nghiệp DeviceNet

Đó là một loại mạng bus hệ thống mở được phát triển dựa trên công nghệ CAN. Mạng truyền thông công nghiệp 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, và các bộ điều khiển cấp cao hơn như PLC, thông qua nền tảng giao thức CAN. Giao thức này có thể hỗ trợ tối đa 2048 thiết bị và tối đa 64 điểm. CAN nhằm hỗ trợ các thiết bị thông minh giao tiếp và kết nối với nhau, với tốc độ bit tối đa là 1MB.

Mạng truyền thông DeviceNet có ưu điểm là giảm chi phí đường dây từ việc 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 từ đó làm giảm các điểm kết nối vật lý. Mạng truyền thông công nghiệp Devicenet được sử dụng đa dạng trong các ngành công nghiệp ô tô và bán dẫn.

4.4 Mạng truyền thông công nghiệp Profibus

Profibus là một mạng truyền thông công nghiệp tiêu chuẩn cho các hệ thống tự động hóa và được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng công nghiệp. Nó hoạt động như một hệ thống truyền thông để trao đổi thông tin giữa các thiết bị hiện trường và hệ thống tự động hóa, được sử dụng cho các ứng dụng quan trọng về thời gian và các tác vụ giao tiếp phức tạp.

Profibus có thể được triển khai bằng cách sử dụng phương tiện truyền thông xoắn đôi và chuẩn RS485 trong các ứng dụng sản xuất, hoặc sử dụng chuẩn IEC 1158-2 trong các ứng dụng điều khiển quá trình. Các thiết bị Profibus bao gồm các đầu cuối, các cảm biến và bộ điều khiển, cũng như các thành phần phần mềm và phần cứng cho việc kết nối và truyền thông.

4.5 Mạng truyền thông công nghiệp – truyền thông HART

HART (Highway Addressable Remote Transducer) là một giao thức mạng điều khiển tín hiệu digital trên cùng một đường truyền tín hiệu với các thiết bị thông minh, hệ thống điều khiển và giám sát. HART có thể truyền tín hiệu truyền thông kỹ thuật số trên cùng một đường truyền với các tín hiệu 4-20mA.

HART hoạt động ở chế độ điểm-điểm hoặc đa điểm. Trong chế độ điểm, tín hiệu 4-20mA được sử dụng để điều khiển quá trình mà khi đó tín hiệu của HART vẫn không bị ảnh hưởng. Còn trong chế độ đa điểm, HART được sử dụng khi các thiết bị được đặt cách xa nhau.

Ngoài ra, HART là một giao thức truyền thông 2 chiều đối với thiết bị hiện trường thông minh và hệ thống máy chủ sẽ thực hiện cung cấp truy cập giữ liệu. Một máy chủ hoặc PC được cài đặt phần mềm ứng dụng để kiểm soát quá trình của một nhà máy.

5. Phân cấp mạng truyền thông công nghiệp

Cấp độ sử dụng mạng truyền thông sẽ được phân cấp theo các yêu cầu là: bảo mật dữ liệu, đường truyền dữ liệu, khối lượng dữ liệu, …các cấp độ khác nhau sẽ có nhiệm vụ, vai trò khác nhau, cần xử lý các yêu cầu khác nhau, nên trong mạng truyền thông công nghiệp, các bên liên kết truyền dữ liệu, tín hiệu sẽ được phân thành ba cấp bậc theo thứ tự từ cao đến thấp như sau:

5.1 Cấp Thông Tin

Trong hệ thống mạng truyền thông công nghiệp tự động hóa, cấp độ này đóng vai trò cao nhất và trực tiếp điều hành các cấp độ dưới.

Tại cấp này, mạng lưới có quy mô lớn và phải xử lý dữ liệu có khối lượng lớn, có thể là liên tục hoặc không liên tục và yêu cầu thời gian đáp ứng nhanh chóng và chính xác.

Thường thì, mạng Ethernet được ưu tiên lựa chọn để xây dựng mạng ở cấp thông tin trong các cơ sở sản xuất, nhà máy, xí nghiệp để quản lý, lập kế hoạch và trao đổi thông tin, và có thể kết nối với các mạng công nghiệp khác qua các cổng,…

5.2 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 thấp hơn để thực hiện các nhiệm vụ, công việc của mô hình tự động hóa công nghiệp.

Cấp kiểm soát cần đáp ứng các yêu cầu như:

·        Tốc độ truyền dữ liệu cao.

·        Thời gian đáp ứng tín hiệu và thông tin ngắn.

·        Dữ liệu có độ dài tương đối ngắn.

·        Đồng bộ hóa máy tốt.

·        Yêu cầu truyền tín hiệu liên tục.

Ngoài ra, cấp độ này cũng hoạt động như một bus điều khiển để phối hợp và đồng bộ hóa giữa các đơn vị điều khiển khác nhau, đặc biệt là ControlNet và Profibus là hai bus trường phổ biến được sử dụng như bus điều khiển. Mạng cục bộ LAN cũng thường được ưu tiên sử dụng ở cấp độ này.

5.3 Cấp Thiết Bị

Là cấp độ thấp nhất trong hệ thống mạng truyền thông công nghiệp, bao gồm các liên kết giữa các thiết bị hiện trường như cảm biến và cơ cấu chấp hành quá trình và máy móc.

Cấp thiết bị nhận thông tin giữa các thiết bị này và PLC, sau đó chuyển đổi và thực hiện nhiệm vụ, công việc được truyền qua tín hiệu. Việc truyền thông tin này có thể là kỹ thuật số, analog hoặc hybrid, và có thể có giá trị đo nhanh hoặc chậm, tùy thuộc vào thiết bị chấp hành.

Các mạng truyền thông ở cấp độ này thường sử dụng các cáp song song, đa dây làm phương tiện truyền dẫn, thông qua các chuẩn giao tiếp truyền thông như RS232, RS485 và RS422, tùy thuộc vào mức độ phổ biến và cấp độ của thiết bị.

Vì đây là hệ thống mạng truyền thông hai chiều, nên nó bao gồm nhiều loại bus trường khác nhau để xây dựng hệ thống, chẳng hạn như: HART, ControlNet, CAN Bus, Profibus, Foundation Fieldbus và CAN Bus.

6. So sánh mạng truyền thông công nghiệp với các mạng khác

6.1 So sánh mạng truyền thông công nghiệp với mạng máy tính:

Mạng truyền thông công nghiệp và mạng máy tính đều sử dụng kỹ thuật truyền thông số hoặc truyền thông dữ liệu. Tuy nhiên, có những điểm khác biệt quan trọng giữa hai loại mạng này:

·        Mạng máy tính thường chỉ là một phần trong mô hình quản lý công nghiệp tự động hóa, trong khi mạng truyền thông công nghiệp tham gia vào việc điều khiển, giám sát, và quản lý sản xuất và công nghệ của một doanh nghiệp.

·        Bảo mật dữ liệu là một yếu tố quan trọng đối với cả hai loại mạng. Tuy nhiên, mạng truyền thông công nghiệp còn đòi hỏi tính thời gian thực và tính tương thích với nhiều thiết bị công nghiệp, điều mà mạng máy tính thông thường không yêu cầu.

·        Mạng truyền thông công nghiệp thường có phạm vi hoạt động hẹp hơn và độc lập hơn so với mạng máy tính, mà thường có quy mô lớn và phạm vi hoạt động rộng lớn, như mạng LAN hoặc Internet.

6.2 So sánh mạng truyền thông công nghiệp với mạng viễn thông:

Mạng truyền thông công nghiệp và mạng viễn thông cũng có nhiều điểm tương đồng về kỹ thuật, nhưng cũng có những điểm khác biệt quan trọng:

·        Mạng viễn thông chủ yếu sử dụng để truyền thông giữa con người và thiết bị kỹ thuật, trong khi mạng truyền thông công nghiệp chỉ tập trung vào truyền thông giữa các thiết bị công nghiệp.

·        Các công nghệ được áp dụng trong mạng viễn thông rất đa dạng, trong khi mạng truyền thông công nghiệp thường sử dụng kỹ thuật bit nối tiếp.

·        Phạm vi địa lý của mạng viễn thông rất lớn và có số lượng thành viên tham gia rất đông đảo, nên yêu cầu kỹ thuật cao hơn so với mạng truyền thông công nghiệp, mà thường chỉ cần quan tâm đến việc truyền tải dải rộng/cơ sở, dồn kênh, chuyển mạch.

 

Tóm lại, mạng truyền thông công nghiệp đóng vai trò quan trọng trong việc hiện đại hóa và tối ưu hóa hoạt động sản xuất, giúp doanh nghiệp nâng cao hiệu suất và linh hoạt trong môi trường cạnh tranh ngày càng khắc nghiệt. Đồng thời, việc tiếp tục nghiên cứu và phát triển trong lĩnh vực này cũng là chìa khóa để tạo ra những giải pháp truyền thông tiên tiến và hiệu quả cho ngành công nghiệp trong tương lai.