Mạng truyền thông công nghiệp và tiêu chuẩn mạng Profinet

Ngày nay, sự phát triển của tự động hóa trong công nghiệp sản xuất ngày càng mạnh mẽ. Điều này đòi hỏi tính đa nhiệm về khả năng điều khiển và giám sát trong hệ thống. Để đáp ứng được yêu cầu đó, sự mở rộng về số lượng các thiết bị trong hệ thống tự động hóa là điều tất yếu.

Với một số lượng lớn các thiết bị trong hệ thống điều khiển như vậy bao gồm các cảm biến, biến tần, robot, các thiết bị ngoại vi. Phát sinh ra sự phức tạp trong việc đi dây dẫn khi truyền tín hiệu theo cách truyền thống và giới hạn về khoảng cách cho việc giao tiếp giữa các thiết bị với nhau.Vì vậy để giải quyết những khó khăn đó, mạng truyền thông công nghiệp đã ra đời và phát triển một cách mạnh mẽ để có thể kết nối các thiết bị tạo nên một hệ thống lớn.

Tóm Tắt Nội Dung

Khái niệm về mạng truyền thông công nghiệp

Mạng truyền thông công nghiệp hay mạng công nghiệp là một giao thức được tạo ra để kết nối và giám sát các thiết bị máy móc trong môi trường công nghiệp. Nó tương tự như mạng Internet mà ta hay biết, nhưng khác biệt ở điểm là nó tập trung vào việc truyền thông giám sát và điều khiển các thiết bị công nghiệp thay vì chỉ đơn thuần truyền tải dữ liệu.

Trong một nhà máy sẽ có rất nhiều máy móc và thiết bị như máy hàn, máy cắt, robot và cảm biến. Mạng truyền thông công nghiệp giúp kết nối tất cả các thiết bị này lại với nhau và với hệ thống quản lý của nhà máy.

Các loại mạng truyền thông trong công nghiệp hiện nay

Trong hệ thống mạng công nghiệp ngày nay, các hãng đã liên kết với nhau và cho ra đời rất nhiều tiêu chuẩn mạng truyền thông như Modbus, Profibus, Ethernet/ip, CAN Bus, Profinet, TCP/IP, Ether CAT,… .Tùy vào ứng dụng cũng như đặc tính thiết bị của các hãng, người sử dụng sẽ lựa chọn các mạng truyền thông công nghiệp sao cho phù hợp.

Ví dụ minh họa mạng truyền thông công nghiệp

Mình sẽ làm rõ hơn về hệ thống sử dụng mạng truyền thông công nghiệp. Ta sẽ lấy một ví dụ cho một hệ thống như hình minh họa dưới đây:

Nguyên tắc truyền nhận dữ liệu hệ thống trên đã mô tả rất rõ trên sơ đồ. Hệ thống được phân thành các cấp giám sát & điều khiển rõ ràng.

Tầng cao nhất là SCADA – nơi tất cả dữ liệu của hệ thống sẽ được đẩy về máy tính chuyên dụng của phòng điều hành để thuận tiện cho việc giám sát và điều khiển hệ thống.

Main PLC – đóng vai trò là PLC chủ ở tầng tiếp theo được sử dụng để đọc ghi dữ liệu cho các trạm PLC tớ và gửi dữ liệu về hệ thống SCADA thông qua mạng Ethernet/IP

Ở PLC trạm 1 được sử dụng để điều khiển các cơ chấp hành cánh tay robot và biến tần thông qua Modbus RTU. Phía trạm PLC 2 đang được sử dụng để đọc tín hiệu từ cảm biến và đồng hồ hiển thị đặt tại hiện trường qua bộ chuyển đổi từ Modbus RTU sang Profinet.

Như vậy, nhờ vào các chuẩn mạng truyền thông công nghiệp mà các thiết bị đã có thể giao tiếp được với nhau một cách dễ dàng.

Profinet – sự lựa chọn tối ưu cho hệ thống tích hợp của Siemens

Và trong ví dụ đề cập ở trên bạn có thể thấy mạng Profinet xuất hiện rất nhiều. Lý do chính cho điều này đó là hệ thống đang sử dụng thiết bị của Siemens; một trong những nhà sản xuất hàng đầu trong ngành công nghiệp tự động hóa đã hỗ trợ tích hợp sẵn mạng truyền thông Profinet.

Nếu bạn đang tiếp cận với PLC Siemens, thì việc cần hiểu rõ mạng Profinet là điều rất cần thiết. Trước hết ta cần hiểu về khái niệm của tiêu chuẩn mạng này.

Profinet là gì ?

Profinet ( viết tắt cho Process Field Net ) được phát hành vào năm 1993. Là một giao thức truyền thông công nghiệp dựa trên Ethernet nhưng mới và tối ưu hơn. Vì vậy mà cáp mạng Profinet vẫn mang trong mình giao diện vật lý của jack Ethernet RJ45 tiêu chuẩn. Ta có thể mở rộng bằng cách sử dụng các Switch Hub Ethernet tiêu chuẩn để mở rộng hệ thống.

Thông thường khi cấu hình cho một hệ thống sử dụng Profinet, những điều chúng ta quan tâm sẽ bao gồm:

Địa chỉ IP
Địa chỉ MAC
Tên thiết bị

Là người sử dụng Profinet, bạn cần quan tâm đến 2 điều quan trọng nhất khi cấu hình mạng là địa chỉ IP và tên thiết bị trong hệ thống. Một nguyên tắc cơ bản khi cấu hình địa chỉ IP là mỗi thiết bị khác nhau không được trùng địa chỉ IP cuối như phải cùng lớp mạng với nhau, do ta đã hòa chung các thiết bị vào 1 lớp mạng và cần phân biệt độc lập các thiết bị đó.

Ưu điểm của mạng truyền thông Profinet

Ưu điểm của mạng truyền thông Profinet chính là tốc độ truyền nhận dữ liệu lên đến 100 megabit/giây; và khoảng cách truyền tới 100m. Vì vậy, nhờ vào khả năng truyền nhận ở tốc độ cao và thời gian phản hồi dưới 1 ms, Profinet lý tưởng cho các ứng dụng tốc độ cao trong công nghiệp.

Một ưu điểm khác đó chính là tính thông dụng và dễ dàng mở rộng hệ thống do Profinet truyền đi dưới tiêu chuẩn cáp Ethernet phổ biến và số lượng thiết bị giới hạn lên tới 127 thiết bị.

Khi bạn đang có cho mình một hệ thống tự động hóa tích hợp của Siemens thì sự lựa chọn tốt để truyền thông cho các thiết bị với nhau đó chính là Profinet do Siemens là hãng hàng đầu trong công nghiệp mạng truyền thông đã tích hợp sẵn các cổng truyền thông Profinet. Nhưng khi cần giao tiếp các thiết bị ngoại vi khác như cảm biến hay đồng hồ từ hiện trường; thì các ngoại vi này chủ yếu giao tiếp theo tín hiệu analog hoặc Modbus RTU. Điều này buộc chúng ta phải trang bị thêm các Module của Siemens; và dẫn đến chi phí cho một hệ thống sẽ cao hơn rất nhiều.

Gateway Profinet – sự linh hoạt cho các yêu cầu của hệ thống

Nếu chúng ta sử dụng một Gateway Profinet như R-KEY-LT-P chuyển đổi từ Modbus RTU sang Profinet, ta có thể giám sát tín hiệu từ các cảm biến ngoài hiện trường và đẩy dữ liệu lên 1 trạm PLC bất kì để giám sát. Và một gateway Profinet như R-KEY-LT-P của hãng Seneca có thể đáp ứng đầy đủ các tính năng đó mà không cần bạn phải mua thêm các Module Siemens.

R-KEY-LT-P có những đặc điểm gì?

R-KEY-LT-P là thiết bị do Seneca tạo ra để mở rộng hệ thống trong việc chuyển đổi giữa modbus RTU/modbus TCP-IP và Profinet IO. Điều đặc biệt là ta có thể dễ dàng cấu hình thông qua Webserver. Các thông số sẽ thể hiện một cách trực quan trên web giúp người dùng dễ dàng cấu hình hệ thống mạng của mình. Ta sẽ cùng đi qua một số thông số kỹ thuật của R-KEY-LT-P.

Thông số kỹ thuật R-KEY-LT-P :

Nguồn đầu vào: 11.40 Vdc hoặc 19…28 Vac
Công suất : 1W
Led trạng thái : Power Supply, Rx/Tx, RS232/R485, Ethernet ACT/LNK, Profinet communication
Đặc điểm cách ly : 1500Vac đầu vào – đầu ra
Tiêu chuẩn : IP20
Cổng Ethernet: 1 Fast Ethernet 100 Tx auto switch port, RJ45 on front panel
Cổng Modbus RTU: 1 RS232 / RS485 serial port switchable, baud rate max 115k on connector
Truyền thông hai chiều : Profinet IO Real Time có Modbus RTU/ ASCII + Modbus TCP-IP
Số lượng tag giám sát: lên đến 500 tag
Số lượng server TCP-IP: tối đa 10 server
Số lượng Slave kết nối : tối đa 127 slaves
File cài đặt : GSD cho Siemens
Cài đặt: Easy Setup 2 hoặc Web Server
DIP Switch: Trên R-KEY-LT-P sẽ có 2 DIP Switch SW1 và SW2 và 1 nút reset.

- SW1 ON: kết nối Modbus RTU với chuẩn Profinet vào PLC
- SW1 OFF: không dùng Modbus RTU để truyền thông mà dùng Modbus TCP-IP hoặc RS232
- SW2 ON : Reset factory
- SW2 OFF : Ghi địa chỉ IP mới vào bộ nhớ của R-KEY-LT-P

Cách đấu dây cho R-KEY-LT-P

Nhìn vào thiết kế của R-KEY-LT-P, ta có thể dễ dàng nhận thấy được nơi cấp nguồn cho thiết bị. Nguồn của R-KEY sử dụng từ 11-40 Vdc và 19 ~28 Vac

R-KEY-LT-P có 2 Port chính cho ta sử dụng. Một Port giao tiếp Serial theo modbus RTU/ ASCII, một port giao tiếp qua cổng Ethernet. Nếu sử dụng giao tiếp modbus RS485 thì ta sẽ đấu chân A B lần lượt vào chân 1 2; từ chân số 3 đến 7 Ta đấu với thiết bị giao tiếp theo chuẩn Modbus RS232. Cổng Ethernet đấu vào chung switch hub mở rộng Ethernet để giao tiếp với PLC hoặc máy tính.

Cài đặt R-KEY-LT-P bằng Web Server

Để cài đặt cấu hình thông số R-KEY-LT-P, bạn cần cài phần mềm Seneca Discovery Devices do Seneca phát triển để Scan địa chỉ IP của thiết bị.

Sau khi bật nguồn hệ thống và nhấn Scan, ta sẽ dò được thiết bị R-KEY-LT-P đang được kết nối. Lúc này địa chỉ IP của R-KEY-LT-P sẽ là 192.168.90.101. Đây là địa chỉ mặc định của Factory được cài sẵn cho thiết bị. Việc ta cần làm là gạt Switch 1 & 2 của R-KEY-LT-P theo Manual để có thể thay đổi địa chỉ IP theo ta mong muốn.

Sau đó click vào Open Webserver để truy cập vào Web của R-KEY-LT-P, tại mục Setup ta cần quan tâm một số thông số đặc biệt của R-KEY-LT-P mà thông thường bạn sẽ sử dụng để cấu hình cho nó.