Mạng truyền thông công nghiệp là xương sống cho bất kỳ kiến trúc hệ thống tự động nào vì nó là một phương tiện trao đổi dữ liệu mạnh mẽ, kiểm soát dữ liệu và linh hoạt kết nối các thiết bị khác nhau. Với việc sử dụng các mạng truyền thông kỹ thuật số trong các ngành công nghiệp trong thập kỷ qua đã cải thiện tính chính xác và toàn vẹn tín hiệu kỹ thuật số.
Các mạng này, có thể là LAN (Mạng cục bộ, được sử dụng trong một khu vực hạn chế) hoặc WAN (Mạng diện rộng được sử dụng làm hệ thống toàn cầu) …
Mạng truyền thông công nghiệp là gì
Khi các hệ thống tự động hóa công nghiệp trở nên phức tạp và lớn với số lượng thiết bị tự động hóa nhiều hơn, thì người ta hướng tới các tiêu chuẩn liên kết hệ thống mở (OSI) cho phép kết nối và giao tiếp với bất kỳ thiết bị tự động nào mà không phụ thuộc vào nhà sản xuất.
Với những tiến bộ trong công nghệ kỹ thuật số, công nghệ bus trường hiện đang thống trị lĩnh vực tự động hóa vì nó cung cấp phương tiện truyền thông đa phương tiện mang lại hiệu quả chi phí và tiết kiệm cáp.
Sau đây là tổng quan về một số mạng truyền thông công nghiệp đóng vai trò quan trọng trong các hệ thống điều khiển công nghiệp hiện nay.
Mạng truyền thông công nghiệp là gì?
Truyền hay chuyển đổi thông tin hoặc dữ liệu, chủ yếu ở định dạng kỹ thuật số từ máy phát sang máy thu thông qua một liên kết (có thể là dây đồng, cáp đồng trục, cáp quang hoặc bất kỳ phương tiện nào khác) kết nối hai thiết bị này. Được gọi là mạng truyền thông công nghiệp. Mặt khác, mạng truyền thông công nghiệp là một 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 mạng truyền thông công nghiệp bao gồm: Ethernet, DeviceNet, Modbus, ControlNet, …
Ba cơ chế điều khiển quan trọng được sử dụng trong lĩnh vực tự động hóa công nghiệp bao gồm:
- Bộ điều khiển logic lập trình (PLC),
- Điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu (SCADA)
- Hệ thống điều khiển phân tán (DCS)
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 kết nối giữa các thiết bị này và cũng để cho phép giao tiếp ở giữa chúng, cần có một mạng lưới hoặc sơ đồ truyền thông mạnh mẽ và hiệu quả hơn. Chúng khác biệt khá đáng kể 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 truyền dẫn để truyền dữ liệu và tín hiệu điều khiển có thể là có dây hoặc không dây.
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.
Trong trường hợp truyền không dây, giao tiếp được thực hiện qua sóng radio.
Fieldbus là gì? Bus trường là gì?
Fieldbus là một mạng khu vực điều khiển cục bộ được sử dụng cho các hệ thống điều khiển phân tán thời gian thực trong các hệ thống công nghiệp tự động phức tạp.
Nó là một liên kết truyền thông đa chiều kỹ thuật số giữa các bộ điều khiển và các thiết bị trường thông minh như cảm biến / bộ truyền động / bộ chuyển đổi thông minh. Nó thay thế hệ thống liên lạc điểm-điểm thông thường bao gồm nhiều cặp dây như số lượng thiết bị hiện trường.
Ưu điểm của hệ thống bus trường, chỉ cần hai dây là đủ cho nhiều thiết bị thuộc cùng phân khúc. Nhờ đó, tiết kiệm cáp dẫn, hiệu quả chi phí. Profibus và Foundation Field Bus là hai công nghệ bus trường chiếm ưu thế nhất được sử dụng trong lĩnh vực tự động hóa quá trình.
Phân cấp trong mạng truyền thông công nghiệp
Trong một ngành sản xuất hoặc chế biến, thông tin hoặc dữ liệu chảy từ cấp cục bộ đến cấp quản lý (từ dưới lên trên) và ngược lại.
Các cấp độ khác nhau phải xử lý các yêu cầu khác nhau. Vì vậy, không có yêu cầu địa chỉ mạng truyền thông duy nhất cho mỗi cấp. Do đó, các cấp khác nhau có thể sử dụng mạng khác nhau dựa trên các yêu cầu như khối lượng dữ liệu, truyền dữ liệu, bảo mật dữ liệu, … Dựa trên chức năng, mạng truyền thông công nghiệp được phân thành ba cấp chung như bên dưới đây.
Cấp thiết bị
Đây là cấp thấp nhất, bao gồm các thiết bị hiện trường như cảm biến và cơ cấu chấp hành quá trình và máy móc.
Nhiệm vụ của cấp này là 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 tuỳ 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 được sử dụng ở cấp độ này bao gồm RS232, RS422 và RS485.
Ngày nay, công nghệ fieldbus là mạng truyền thông tinh vi nhất được sử dụng ở cấp cục bộ. Vì nó tạo điều kiện kiểm soát phân tán giữa các thiết bị và các bộ điều khiển trường thông minh khác.
Đây là một hệ thống truyền thông hai chiều. Các loại bus trường khác nhau bao gồm HART, ControlNet, DeviceNet, CAN Bus, Profibus và Foundation Field Bus.
Cấp độ 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. Các nhiệm vụ của cấp độ này bao gồm cấu hình các thiết bị tự động hóa, tải dữ liệu chương trình và 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, …
Vì vậy, cấp độ này yêu cầu các đặc điểm như:
- Thời gian đáp ứng ngắn
- Truyền tốc độ cao
- Độ dài dữ liệu ngắn
- Đồng bộ hóa máy
- Truyền liên tục…
Mạng cục bộ (LAN) được sử dụng rộng rãi như mạng truyền thông ở cấp độ này.
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 như 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 ở cấp độ này như các bus điều khiển như Profibus và ControlNet.
Cấp thông tin
Đây là cấp cao nhất của hệ thống tự động hóa công nghiệp, tập hợp thông tin từ cấp thấp hơn, tức là cấp độ kiểm soát. Nó xử lý khối lượng lớn dữ liệu không sử dụng liên tục hoặc quan trọng về thời gian. Cấp độ này có mạng lưới quy mô lớn. Vì vậy, 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.
Tìm hiểu các mạng truyền thông công nghiệp thường dùng
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. 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. Một số tiêu chuẩn truyền thông công nghiệp phổ biến và phổ biến được giới thiệu bên dưới đây. Chúng ta cùng tìm hiểu và thảo luận nhé!
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. Từ viết tắt RS là viết tắt của 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 PLC và thiết bị từ xa. Ví dụ như: các đầu đọc mã vạch, thiết bị vận hành và hệ thống camera…
Giao tiếp nối tiếp RS-232 được thiết kế để hỗ trợ một máy phát và một máy thu. Ví dụ như giao tiếp giữa một bộ điều khiển và một máy tính. Chiều dài cáp tối đa có thể lên tới 15 mét. Các chuẩn giao tiếp nối tiếp RS 422 (1Tx, 10 Rx) và RS485 (32Tx, 32 Rx) 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).
Chuẩn truyền thông HART- Mạng truyền thông công nghiệp
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.
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 điểm-điểm hoặc đa điểm. Trong chế độ điểm-điểm, tín hiệu dòng 4-20 mA được sử dụng để điều khiển quá trình trong khi tín hiệu HART vẫn không bị ảnh hưởng.
Mạng 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.
Mạng truyền thông HART chủ yếu được sử dụng trong các ứng dụng SCADA.
Mạng truyền thông công nghiệp DeviceNet
Đây là một mạng bus hệ thống mở được phát triển dựa trên công nghệ CAN. Nó được thiết kế để kết nối các thiết bị cấp chấp hành (như cảm biến, công tắc, đầu đọc mã vạch, màn hình bảng điều khiển, …) với bộ điều khiển cấp cao hơn (như PLC) qua nền tảng giao thức CAN. Giao thức này có thể hỗ trợ tới 64 điểm và hỗ trợ tối đa 2048 thiết bị.
Ưu điểm của giao thức này là giảm chi phí đường dây bằng cách tích hợp tất cả các thiết bị trên cáp bốn dây. Bao gồm cả dữ liệu và nguồn cấp. Nguồn cấp này có thể cấp trực tiếp cho các thiết bị chấp hành luôn. Do đó nó 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.
Mạng truyền thông công nghiệp ControlNet
Đây là mạng điều khiển mở, sử dụng Giao thức công nghiệp chung (CIP) để kết hợp chức năng của mạng ngang hàng và mạng I/O bằng cách cung cấp hiệu suất tốc độ cao. Mạng này là sự kết hợp của (DH +) và I/O từ xa. Nó được sử dụng để truyền dữ liệu theo thời gian thực giữa I/O hoặc bộ xử lý trên cùng một mạng.
Nó có thể giao tiếp tối đa 99 điểm với tốc độ truyền dữ liệu 5.000.000bit/s. Nó được thiết kế để được sử dụng trên cả cấp độ thiết bị chấp hành và điều khiển của hệ thống tự động hóa công nghiệp.
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 TCP/IP sử dụng Ethernet làm lớp vật lý tạo điều kiện trao đổi dữ liệu giữa các PLC trong các mạng khác nhau. Không phân biệt loại mạng, nó tạo điều kiện cho một phương thức truy cập và kiểm soát một thiết bị này bằng một thiết bị khác.
Mạng truyền thông công nghiệp Profibus
Đây 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 lĩnh 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. Có ba phiên bản khác nhau của Profibus là:
- Profibus-DP (Phân cấp ngoại vi)
- Profibus-PA (Tự động hóa quy trình)
- Profibus-FMS (Đặc tả thông điệp Fieldbus)
Các bộ chuyển đổi tín hiệu RS232, RS485, Ethernet của Seneca
Với việc đa dạng các mạng truyền thông trong công nghiệp như hiện nay. Việc chuyển đổi qua lại giữa các chuẩn giao tiếp truyền thông là nhu cầu có thực, nó giải quyết vấn đề tương thích giữa các thiết bị, các nhà sản xuất với nhau. Từ các nhu cầu đó, các bộ chuyển đổi tín hiệu lần lượt ra đời.
Có thể lấy một vài ví dụ cụ thể như:
- Bộ chuyển đổi tín hiệu RS232 sang RS485
- Bộ chuyển đổi tín hiệu RS232 sang Ethernet
- Bộ chuyển đổi RS485 sang USB…
Nội dung bài viết đã tổng hợp hầu như toàn cảnh về các giao thức truyền thông, các mạng truyền thông trong công nghiệp hiện nay.
Hy vọng rằng, chút ít công sức của Huphaco sẽ đem đến những kiến thức bổ ích cho cộng đồng dân điện chúng ta.
Trong quá trình biên tập bài viết, chắc chắn sẽ không tránh khỏi những sai sót, Huphaco rất mong sẽ nhận được những góp ý của các bạn giúp bài viết này hoàn thiện hơn! Cảm ơn bạn đọc!
