Mạng truyền thông công nghiệp được ví như xương sống đối với bất kỳ kiến trúc hệ thống tự động nào. Chúng là phương tiện giúp thực hiện trao đổi dữ liệu mạnh mẽ. Nhờ đó giúp kiểm soát các dữ liệu linh hoạt để thực hiện kết nối với những thiết bị khác nhau. Cụ thể về mạng này như thế nào sẽ được chúng tôi thông tin đến bạn đọc ngay sau đây!
Khái niệm mạng truyền thông công nghiệp là gì?
Mạng truyền thông công nghiệp là khái niệm chỉ các hệ thống mạng truyền thông số, truyền bit nối tiếp, sử dụng với mục đích nhằm để ghép nối các thiết bị công nghiệp.
Loại mạng đặc biệt này được tạo ra để nhằm xử lý kiểm soát thời gian thực, tính toàn vẹn dữ liệu với môi trường khắc nghiệt trên các cài đặt lớn.
Những hệ thống truyền thông công nghiệp phố biến hiện nay cho phép liên kết mạng ở nhiều mức khác nhau. Từ cảm biến, cơ cấu chấp hành dưới cấp trường, cho tới các máy tính điều khiển, máy tính điều khiển giám sát, máy tính cấp điều hành xí nghiệp, quản lý công ty, thiết bị quan sát.
Với các mạng truyền thông công nghiệp sẽ bao gồm: Modbus, Ethernet, Devicenet, Controlnet,…
Cơ chế điều khiến quan trọng dùng trong khu vực tự động hóa công nghệ gồm có:
- Bộ điều khiển logic lập trình (viết tắt là PCL).
- Hệ thống điều khiển phân tán được viết tắt là DCS.
- Điều khiển giám sát, thu thập dữ liệu (viết tắt là SCADA).
Những yếu tố này đều liên quan đến các thiết bị hiện trường, thiết bị thông minh, PC điều khiển giám sát, bộ điều khiển I/O phân tán, bộ hiển thị HMI.
Để kết nối và cho phép giao tiếp giữa các thiết bị yêu cầu cần có mạng lưới, sơ đồ truyền thông mạnh mẽ, hiệu quả. Chúng có nhiều khác biệt so với những so với mạng doanh nghiệp truyền thống. Những mạng truyền thông công nghiệp giúp tạo thành một đường dẫn liên lạc giữa các thiết bị hiện trường, bộ điều khiển và PC.
Đặc điểm cấu trúc mạng truyền thông công nghiệp
Phương tiện giúp truyền dẫn dữ liệu và tín hiệu điều khiển không dây hoặc có dây. Trường hợp truyền không dây, các giao tiếp có thể được thực hiện qua sóng radio.
Còn nếu như truyền có dây, cáp dùng có thể là cáp xoắn, cáp đồng trục, cáp quang. Mỗi cáp sở hữu những đặc điểm riêng, có thể ít hoặc phù hợp với những loại mạng hay môi trường cụ thể.
Các mạng truyền thông công nghiệp phổ biến hiện nay
Hiện nay trong các ngành công nghiệp tồn tại rất nhiều mạng truyền thông khác nhau giúp kết nối các thiết bị trường công nghiệp và các mô đun I/O với nhau. Trong đó, giao thức là tập hợp các quy tắc dùng trong giao tiếp giữa hai hoặc nhiều thiết bị.
Dựa trên những giao thức này, các mạng truyền thông được phân thành nhiều loại sau đây:
Loại mạng truyền thông công nghiệp Modbus
Modbus là giao thức hệ thống mở chạy được ở trên nhiều lớp vật lý. Chúng là giao thức được dùng rộng rãi trong các ứng dụng điều khiển công nghiệp.
Đây là kỹ thuật giao tiếp nối tiếp giúp cung cấp mối quan hệ chủ/tớ để thực hiện giao tiếp giữa các thiết bị được kết nối trên mạng. Chúng có thể được thực hiện ở trên bất kỳ cáp truyền dẫn nào, trong đó phổ biến nhất là 2 loại cáp: RS232 và RS485.
Modbus nối tiếp với RS232 hoặc RS485 dưới dạng các lớp vật lý, tạo điều kiện kết nối thiết bị trên mạng Modbus với bộ điều khiển (như PLC). Nó có thể giao tiếp giữa một chủ và lên tới 247 tớ đảm bảo tốc độ truyền dữ liệu lên tới 19,2 kbits/s.
Phiên bản mới hơn của Modbus RCP/IP là dùng Ethernet làm lớp vật lý, nhờ đó tạo điều kiện thực hiện trao đổi dữ liệu giữa các PLC đối với các mạng khác nhau. Chúng không phân biệt loại mạng, luôn tạo điều kiện đối với phương thức truy cập, kiểm soát thiết bị này bằng một thiết bị khác.
Mạng truyền thông nối tiếp
Đây được xem là hệ thống giao tiếp cơ bản được dùng đối với mọi bộ điều khiển như PLC. Giao tiếp này được thực hiện với việc ứng dụng tiêu chuẩn giao thức như: RS232, RS422 và RS485.
Trong đó, RS là từ được viết tắt của từ tiêu chuẩn khuyến nghị, chỉ định những đặc điểm giao tiếp nối tiếp về tính năng điện, cơ, chức năng.
Những giao diện giao tiếp nối tiếp được tích hợp vào CPU hoặc mô đun xử lý (bộ điều khiển logic khả trình), nó cũng có thể là một mô đun giao tiếp riêng. Các giao diện RS chủ yếu được dùng để nhằm giúp truyền tải dữ liệu ở tốc độ dữ liệu cao giữa những thiết bị từ xa (đầu đọc mã vạch, thiết bị vận hành, hệ thống camera,…) và PLC.
Giao tiếp nối tiếp RS232 được thiết kế nhằm giúp hỗ trợ một máy phát và một máy thu, ví dụ như giao tiếp giữa một máy tính và một bộ điều khiển, cáp cso chiều dài tối đa lên đến 15 mét.
Các chuẩn giao tiếp nối tiếp RS 422 (1Tx, 10Rx) và RS485 (32Tx, 32Rx) được thiết kế nhằm để giao tiếp giữa một máy tính và nhiều bộ điều khiển. Những tiêu chuẩn này giúp giới hạn ở chiều dài 500m (nếu là RS422) và 200m (nếu là RS485).
Mạng truyền thông công nghiệp dạng DeviceNet
Đây là dạng mạng bus hệ thống mở, phát triển dựa trên công nghệ CAN, giúp thực hiện kết nối các thiết bị cấp chấp hành như: công tắc, cảm biến, màn hình bảng điều khiển, đầu đọc mã vạch,..) cùng với bộ điều khiển cấp cao hơn qua nền tảng giao thức CAN.
Theo đó, loại giao thức này có thể được hỗ trợ tối đa 2048 thiết bị với 64 điểm. Việc sử dụng giao thức này có ưu điểm là giúp giảm thiểu tối đa chi phí đường dây bằng việc tích hợp tất cả các thiết bị trên cáp bốn dây gồm cả nguồn cấp và dữ liệu.
Nguồn cấp có thể được cấp trực tiếp cho các thiết bị chấp hành, vì thế làm giảm các điểm kết nối vật lý. Loại mạng này được dùng nhiều trong các ngành công nghiệp ô tô và bán dẫn.
Mạng truyền thông công nghiệp dạng Profibus
Profibus là mạng truyền thông mở cực nổi tiếng và hiện đang được triển khai vô cùng rộng rãi hiện nay. mạng này chủ yếu được dùng trong các lĩnh vực tự động hóa quá trình và tự động hóa nhà máy.
Thiết bị này phù hợp nhất cho những công việc giao tiếp phức tạp và các ứng dụng quan trọng về thời gian.
Hiện Profibus đang sở hữu với 3 phiên bản khác nhau bao gồm:
- Phân cấp ngoại vi Profibus-DP
- Tự động hóa quy trình Profibus-PA
- Đặc tả thông điệp Fieldbus Profibus-FMS.
Mạng truyền thông công nghiệp – truyền thông HART
HART là giao thức mạng giúp điều khiển quá trình mở, có khả năng truyền tín hiệu truyền thông kỹ thuật số cùng một đường truyền với các tín hiệu 4-20mA.
Có thể thấy đây là một trong những mạng truyền thông duy nhất giúp tạo điều kiện cho cả giao tiếp kỹ thuật số – gióng như hai chiều cùng một lúc trên cùng một hệ thống dây. Cho nên loại mạng HART này còn được gọi là mạng lai.
Các tín hiệu số được gọi là tín hiệu HART, giúp mang thông tin chẩn đoán, cấu hình thiết bị, hiệu chuẩn, cũng như những phép đo khác.
Mạng HART hoạt động dựa trên chế độ đa điểm hoặc điểm – điểm:
- Mạng truyền thông HART đa điểm dùng khi các thiết bị được đặt cách xa nhau. Những thiết bị trường thông minh, đa biến tương thích HART thường được ứng dụng vô cùng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp.
- Trong chế độ điểm-điểm, tín hiệu dòng 4-20mA dùng giúp điều khiển quá trình mà tín hiệu HART vẫn không bị ảnh hưởng.
- Mạng truyền thông HART dùng trong những ứng dụng SCADA.
Phân cấp các mạng truyền thông công nghiệp
Các cấp độ khác nhau sẽ có những yêu cầu xử lý khác nhau, vì thế các cấp khác nhau có thể dùng mạng khác nhau dựa trên những yêu cầu như: bảo mật dữ liệu, truyền dữ liệu, khối lượng dữ liệu,…
Tuỳ vào chức năng cũng như các mạng truyền thông công nghiệp ta có các cấp sau đây (theo thứ tự từ cao đến thấp):
Cấp thông tin
Trong hệ thống tự động hóa công nghiệp đây là cấp cao nhất, được tập hợp thông tin từ cấp thấp hơn. Cấp độ này sở hữu mạng lưới với quy mô lớn, có khả năng xử lý dữ liệu với khối lượng lớn không sử dụng liên tục hoặc quan trọng về thời gian.
Mạng Ethernet thường dùng để làm mạng cấp độ thông tin giúp lập kế hoạch nhà máy, trao đổi thông tin quản lý. Đôi khi những mạng này có thể dùng để kết nối với các mạng khác thông qua các cổng.
Cấp kiểm soát
Cấp độ này gồm những bộ điều khiển công nghiệp như: PLC, bộ điều khiển phân tán và hệ thống máy tính. Cấp độ này có các nhiệm vụ như: Cấu hình các thiết bị tự động hóa, tải dữ liệu chương trình, xử lý dữ liệu biến số, thực hiện điều chỉnh biến đặt, lưu trữ lịch sử, kiểm soát giám sát, hiển thị dữ liệu biến trên HMI,…
Cấp độ này thường yêu cầu những đặc điểm như sau:
- Tốc độ truyền cao
- Thời gian đáp ứng ngắn
- Độ dài dữ liệu ngắn
- Đồng bộ hóa máy
- Truyền liên tục.
Với cấp độ này mạng cục bộ LAN được dùng vô cùng rộng rãi. Ethernet với giao thức TCP/IP dùng để làm mạng cấp điều khiển giúp kết nối các đơn vị điều khiển với máy tính.
Mạng này được hoạt động tương tự như một bus điều khiển giúp thực hiện phối hợp và đồng bộ hóa giữa các đơn vị điều khiển khác nhau. Một số các bus trường cũng được cũng dùng tương tự như với các bus điều khiển: ControlNet và Profibus.
Cấp thiết bị
Đây là một trong những cấp thấp nhất bao gồm các hiện trường như cảm biến, cơ cấu chấp hành quá trình và máy móc. Cấp thiết bị đảm nhiệm chức năng chuyển thông tin giữa các thiết bị này và PLC.
Việc thực hiện truyền thông tin có thể là kỹ thuật số, analog hoặc hybrid. Giá trị đo nhanh hay chậm sẽ tùy thuộc vào từng thiết bị.
Mạng này bao gồm có những cáp song song, đa dây được dùng để làm phương tiện truyền dẫn. Các tiêu chuẩn giao thức truyền thông nối tiếp thường được dùng ở cấp này gồm có: RS232, RS485 và RS422.
Vì khả năng giúp tạo điều kiện kiểm soát, phân tán giữa các thiết bị và các bộ điều khiển trường thông minh khác, công nghệ fieldbus hiện là mạng truyền thông tinh vi được dùng ở cấp cục bộ.
Đây là hệ thống truyền thông hai chiều với các loại bus trường khác nhau như: HART, ControlNet, CAN Bus, Profibus, Foundation Field Bus và CAN Bus.
Cách phân biệt mạng truyền thông công nghiệp với mạng máy tính và mạng viễn thông
Mạng công nghiệp với mạng máy tính
Mạng truyền thông công nghiệp chính là một trong những dạng đặc biệt của mạng máy tính. Khi so sánh mạng này với mạng máy tính thông thường thì:
- Cả 2 loại mạng này đều đặc trưng là kỹ thuật truyền thông số hay truyền thông dữ liệu.
- Mạng máy tính dùng trong công nghiệp được xem là 1 phần trong mô hình phân cấp mạng công nghiệp.
- Mạng máy tính thông thường yêu cầu cao về khả năng bảo mật, trong khi đó mạng truyền thông công nghiệp yêu cầu cao về tính năng thời gian thực, độ tin cậy, cùng khả năng tương thích đối với môi trường công nghiệp.
- Hệ thống mạng công nghiệp thường mang tính chất độc lập, phạm vi hoạt động khá hẹp. Trong khi mạng máy tính có phạm vi trải rộng rất khác, có thể nhỏ như mạng LAN hay lớn như mạng internet.
Mạng công nghiệp và mạng viễn thông
Dựa trên cơ sở kỹ thuật, mạng công nghiệp và mạng viễn thông có khá nhiều điểm tương đồng. Tuy nhiên cũng có nhiều khác biệt cơ bản như:
- Đối tượng của mạng viễn thông chủ yếu là con người. Vì thế các dạng thông tin cần trao đổi bao gồm cả âm thanh, hình ảnh, giọng nói, văn bản và dữ liệu. Đối tượng của mạng công nghiệp thuần túy bao gồm những thiết bị công nghiệp, vì thế thông tin duy nhất được quan tâm là dữ liệu.
- Các kỹ thuật và công nghệ dùng trong mạng viễn thông cực kỳ phong phú.
- Về số lượng thành viên tham gia của mạng viễn thông lớn hơn rất nhiều, vì thế mà những yêu cầu kỹ thuật (cấu trúc mạng, tốc độ truyền thông, thời gian thực, tính năng,…) sẽ khác. Các phương pháp truyền thông cũng phức tạp hơn nhiều so với các mạng công nghiệp.
Hy vọng với những chia sẻ trên đây của flexem.com.vn về mạng truyền thông công nghiệp đã mang tới cho bạn đọc những thông tin hữu ích nhất, giúp bạn có thể hiểu rõ hơn về loại mạng này. Để được biết thêm thông tin chi tiết hay có bất kỳ thắc mắc nào liên quan đến thiết bị, quý khách hàng vui lòng liên hệ ngay với Bình Dương AEC để được chúng tôi tư vấn và hỗ trợ nhanh chóng nhất!
