by
Mạng truyền thông công nghiệp là xương sống cho bất kỳ kiến trúc hệ thống tự động nào vì nó đã được cung cấp một phương tiện trao đổi dữ liệu mạnh mẽ, khả năng kiểm soát dữ liệu và tính linh hoạt để kết nối các thiết bị khác nhau. Với việc sử dụng các mạng truyền thông kỹ thuật số độc quyền trong các ngành công nghiệp trong thập kỷ qua đã dẫn đến cải thiện tính chính xác và toàn vẹn tín hiệu kỹ thuật số đầu cuối.
Các mạng này có thể là LAN (Local Area Network - Mạng cục bộ, được sử dụng trong một khu vực hạn chế) hoặc WAN (Wide Area Network - Mạng diện rộng được sử dụng làm hệ thống toàn cầu) cho phép truyền tải một lượng lớn dữ liệu bằng cách sử dụng một số lượng kênh hạn chế. Nó cũng dẫn đến việc thực hiện các giao thức truyền thông khác nhau giữa các bộ điều khiển kỹ thuật số, thiết bị hiện trường, các công cụ phần mềm liên quan đến tự động hóa khác nhau và các hệ thống bên ngoài.
Khi các hệ thống tự động hóa công nghiệp trở nên phức tạp và lớn với nhiều thiết bị tự động hóa trên nền tảng điều khiển thì ngày nay nó có xu hướng hướng tới các tiêu chuẩn kết nối hệ thống mở (OSI-Open Systems Interconnection) cho phép kết nối và giao tiếp với bất kỳ thành phần của thiết bị tự động nào không phụ thuộc vào nhà sản xuất.
Với những tiến bộ trong công nghệ kỹ thuật số, công nghệ fieldbus hiện đang thống trị lĩnh vực tự động hóa vì nó cung cấp phương tiện truyền thông đa điểm giúp tiết kiệm chi phí và tiết kiệm cáp truyền thông. Sau đây là tổng quan về một số mạng truyền thông công nghiệp đóng vai trò quan trọng trong các hệ thống kiểm soát công nghiệp ngày nay.
Mạng truyền thông công nghiệp - Industrial Communication Network là gì?
Truyền thông dữ liệu đề cập đến việc 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.
Các mạng truyền thông truyền thống được sử dụng để cho phép truyền dữ liệu giữa các máy tính, máy tính và các thiết bị ngoại vi của nó và các thiết bị khác. Mặt khác, mạng truyền thông công nghiệp là một loại mạng đặc biệt được thực hiện để xử lý kiểm soát thời gian thực và toàn vẹn dữ liệu trong môi trường khắc nghiệt trên các cài đặt lớn.
Các ví dụ về mạng truyền thông công nghiệp bao gồm Ethernet, DeviceNet, Modbus, ControlNet, v.v.
Ba cơ chế kiểm soát quan trọng được sử dụng trong lĩnh vực tự động hóa công nghiệp bao gồm: Bộ điều khiển logic lập trình (PLC-Programmable Logic Controllers), Điều khiển giám sát và Thu thập dữ liệu (SCADA-Supervisory Control and Data Acquisition) và Hệ thống điều khiển phân tán (DCS-Distributed Control System). Tất cả các thành tố này giao tiếp với các máy đo ở hiện trường, thiết bị trường thông minh, máy tính điều khiển giám sát, bộ điều khiển I/O phân tán và giao diện HMI.
Để cung cấp kết nối giữa các thiết bị này và cũng để cho phép giao tiếp giữa chúng, cần có một hệ thống giao tiếp mạnh mẽ và hiệu quả hơn. Chúng khác biệt đáng kể so với các mạng lưới xí nghiệp truyền thống. Các mạng công nghiệp này tạo thành một con đường giao tiếp giữa các thiết bị hiện trường, bộ điều khiển và PC.
Các 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 dẫn có dây, cáp được sử dụng có thể là một cặp xoắn, cáp đồng trục hoặc sợi quang. Mỗi cáp mạng có các đặc tính điện riêng của nó có thể ít hoặc phù hợp hơn với loại mạng hoặc môi trường cụ thể. Trong trường hợp truyền dẫn không dây, truyền thông được thực hiện thông qua sóng radio.
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 kỹ thuật số đa điểm hai chiều giữa các bộ điều khiển và các thiết bị trường thông minh như cảm biến thông minh/bộ truyền động/bộ chuyển đổi. Nó thay thế hệ thống truyền thông điểm-điểm thông thường bao gồm nhiều cặp dây bằng với số lượng thiết bị hiện trường. Trong khi đó với hệ thống fieldbus, hai dây là đủ cho nhiều thiết bị thuộc cùng một phân đoạn. Kết quả là giúp tiết kiệm lượng lớn dây cáp và tối ưu chi phí. Profibus và Foundation Field Bus là hai công nghệ fieldbus thống trị nhất được sử dụng trong lĩnh vực tự động hoá quy trình.
Cấp bậc phân cấp trong mạng truyền thông công nghiệp
Trong ngành công nghiệp sản xuất hoặc quy trình, thông tin hoặc luồng dữ liệu từ cấp trường đến cấp quản lý-vận hành (từ dưới lên trên) và ngược lại. Các cấp độ khác nhau phải xử lý các yêu cầu khác nhau của một cấp cụ thể. Vì vậy, rõ ràng là không có yêu cầu địa chỉ mạng truyền thông duy nhất cần thiết cho mỗi cấp. Do đó các cấp độ 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, v.v. Dựa trên chức năng, mạng truyền thông công nghiệp được phân thành ba cấp độ chung được thảo luận dưới đây.
Phân cấp thiết bị - Device Level:
Mức thấp nhất này bao gồm các thiết bị tại hiện trường như cảm biến và bộ truyền động của các quá trình và máy móc. Nhiệm vụ của cấp độ này là chuyển thông tin giữa các thiết bị này và các thành phần quy trình kỹ thuật như PLC. Việc chuyển giao thông tin có thể là kỹ thuật số, analog hoặc lai. Các giá trị đo được có thể tồn tại trong thời gian dài hoặc qua một khoảng thời gian ngắn.
Để cung cấp thông tin liên lạc phân cấp ở hiện trường, dòng lặp 4-20 mA, các giao thức liên lạc điểm-điểm được sử dụng rộng rãi. Các mạng này bao gồm các loại cáp song song, đa dây làm phương tiện truyền dẫn. Các chuẩn giao thức truyền thông nối tiếp phổ biến được sử dụng ở cấp độ này bao gồm RS232, RS422 và RS485. Có rất nhiều mạng truyền thông cấp trường khác có sẵn được mô tả các yếu tố khác nhau như thời gian phản hồi, kích thước tin nhắn, v.v.
Ngày nay, công nghệ fieldbus là mạng truyền thông tinh vi nhất được sử dụng ở cấp độ hiện trường vì nó tạo điều kiện cho việc kiểm soát phân tán giữa các thiết bị và bộ điều khiển trường thông minh khác nhau. Đây là một hệ thống truyền thông hai chiều trong đó nhiều biến được quan tâm bằng cách truyền đơn. Các loại fieldbus khác nhau bao gồm HART, ControlNet, DeviceNet, CAN Bus, Profibus và Foundation Fieldbus.
Phân cấp điều khiển - Control Level:
Cấp này bao gồm các bộ điều khiển công nghiệp như PLC, các đơn vị điều khiển phân tán và các hệ thống máy tính. 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, điều chỉnh biến số, kiểm soát giám sát, hiển thị dữ liệu biến trên HMI, lưu trữ lịch sử, v.v. Vì vậy cấp điều khiển yêu cầu các đặc tính như thời gian đáp ứng ngắn, truyền dẫn tốc độ cao, độ dài dữ liệu ngắn, đồng bộ hóa máy, sử dụng liên tục các dữ liệu quan trọng, v.v.
Mạng cục bộ (LAN) được sử dụng rộng rãi như các mạng truyền thông ở cấp độ này để đạt được các đặc tính mong muốn. Ethernet với giao thức TCP/IP chủ yếu được sử dụng như mạng mức 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 bộ điều khiển khác nhau. Một số fieldbus cũng được sử dụng ở mức này như các bus điều khiển chẳng hạn như Profibus và ControlNet.
Phân cấp dữ liệu - Information Level:
Đây là cấp cao nhất của hệ thống tự động hóa công nghiệp tập hợp thông tin từ các cấp độ thấp hơn, chẳng hạn như cấp điều khiển. Nó xử lý khối lượng lớn dữ liệu không được sử dụng liên tục hay giới hạn thời gian. Các mạng lưới quy mô lớn tồn tại ở cấp độ này. Vì vậy, các WAN Ethernet thường được sử dụng như các mạng mức 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 gateway.
Các mạng công nghiệp thường được sử dụng
Có nhiều mạng truyền thông khác nhau được thiết kế để kết nối các thiết bị hiện trường công nghiệp và các mô-đun I/O khác 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 loại thành nhiều loại. Một số tiêu chuẩn truyền thông công nghiệp phổ biến và phổ biến được mô tả dưới đây.
Truyền thông nối tiếp - Serial Communication
Giao thức nối tiếp là hệ thống giao tiếp cơ bản được cung cấp cho mọi bộ điều khiển như PLC. Giao thức 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 Recommended Standard - Tiêu chuẩn được đề xuất trong đó xác định các đặc điểm truyền thông nối tiếp về các mặt điện, cơ khí và tính năng thực tế.
Các giao diện truyền thông nối tiếp được tích hợp vào CPU hoặc mô-đun xử lý (xem xét, cho một bộ điều khiển logic lập trình - Programmable Logic Controller) hoặc nó có thể là một mô-đun giao tiếp riêng biệt. Các giao diện RS này chủ yếu được sử dụng để truyền dữ liệu một cách hợp lý với tốc độ dữ liệu cao giữa PLC và thiết bị từ xa. Đầu đọc mã vạch, operator terminals và hệ thống thị giác là những ví dụ về các giao diện này.
Giao thức nối tiếp RS-232 được thiết kế để hỗ trợ một bộ phát và một bộ thu và do đó nó cung cấp liên lạc giữa một bộ điều khiển và một máy tính. Chiều dài cáp tối đa phải lên đến 50 feet. Tiêu 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 độ dài 1650 feet (trong trường hợp RS422) và 650 feet (trong trường hợp RS485).
HART
Nó là một từ viết tắt cho Đầu dò từ xa có thể định vị địa chỉ (Highway Addressable Remote Transducer). Nó là một giao thức mạng điều khiển quá trình mở, chồng chất tín hiệu truyền thông kỹ thuật số lên đầu các tín hiệu 4-20mA bằng cách sử dụng kỹ thuật Bell 202 Frequency Shift Keying (FSK).
Đây là mạng truyền thông duy nhất tạo điều kiện cho cả truyền thông kỹ thuật số hai chiều và analog cùng một lúc bằng cùng một hệ thống dây điện, và do đó các mạng này cũng 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 quy trình bổ sung 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 đa điểm HART được sử dụng khi các thiết bị được đặt cách nhau ở diện rộng. Các thiết bị trường thông minh đa biến số 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.
DeviceNet
Đây là một mạng phân cấp thiết bị mở dựa trên công nghệ CAN. Nó được thiết kế để giao tiếp các thiết bị cấp trường (chẳng hạn như cảm biến, công tắc, đầu đọc mã vạch, màn hình bảng điều khiển, vv) với bộ điều khiển mức cao hơn (như PLC) với sự chấp nhận duy nhất của giao thức CAN cơ bản. Nó có thể hỗ trợ lên đến 64 node và hỗ trợ lên đến tổng 2048 thiết bị.
Nó làm giảm chi phí mạng lưới bằng cách tích hợp tất cả các thiết bị trên cáp bốn dây mang cả dữ liệu và dẫn nguồn điện. Nguồn điện trên mạng lưới cho phép các thiết bị được cấp nguồn trực tiếp từ hệ thống và do đó nó làm giảm các điểm kết nối vật lý. Mạng lưới này được sử dụng phổ biến trong ngành công nghiệp ô tô và bán dẫn.
ControlNet
Nó là một 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 Data Highway Plus (DH +) và I/O từ xa. Nó được sử dụng để truyền dữ liệu thời gian thực của dữ liệu time-critical và non time-critical giữa các I/O hoặc các bộ vi xử lý trên cùng một mạng lưới.
Nó có thể giao tiếp lên đến tối đa 99 node với tốc độ truyền dữ liệu là 5 triệu bit mỗi giây. Nó được thiết kế để sử dụng trên cả cấp thiết bị và cấp trường của hệ thống tự động hóa công nghiệp. Nó cung cấp phương tiện truyền thông và dự phòng truyền thông ở tất cả các node của mạng.
Modbus
Nó là một giao thức hệ thống mở có thể chạy trên nhiều lớp vật lý khác nhau. Nó là giao thức được sử dụng rộng rãi nhất trong các ứng dụng điều khiển công nghiệp. Nó là một kỹ thuật giao tiếp nối tiếp cung cấp mối quan hệ master/slave để giao tiếp giữa các thiết bị được kết nối trên mạng. Nó có thể được thực hiện trên bất kỳ phương tiện truyền dẫn nào, nhưng thường được sử dụng với RS232 và RS485.
Modbus nối tiếp với RS232 hoặc RS485 (như các lớp vật lý) tạo điều kiện kết nối các thiết bị Modbus với bộ điều khiển (chẳng hạn như PLC) trong cấu trúc bus. Nó có thể giao tiếp giữa một master và một số lượng slave lên tới 247 với tốc độ truyền dữ liệu 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 vật lý, nó tạo điều kiện cho phương thức truy cập và điều khiển một thiết bị bởi một thiết bị khác.
Profibus
Nó là một trong những mạng trường mở rộng được biết đến và được thực hiện rộng rãi. Các mạng này chủ yếu được sử dụng trong quá trình tự động hoá và các lĩnh vực tự động hóa nhà máy. Nó phù hợp nhất cho các nhiệm vụ giao tiếp phức tạp và các ứng dụng time-critical. Có ba phiên bản Profibus khác nhau, Profibus-DP (Decentralized Periphery - Thiết bị ngoại vi phân cấp), Profibus-PA (Process Automation - Tự động hóa quá trình) và Profibus-FMS (Fieldbus Message Specification - Đặc tả thông điệp Fieldbus).
Profibus-DP là một chuẩn truyền thông fieldbus mở sử dụng giao tiếp master/slave giữa các thiết bị mạng. Nó sử dụng công nghệ truyền dẫn cáp quang RS485 hoặc truyền thông vật lý. Nó được sử dụng chủ yếu để cung cấp thông tin liên lạc giữa các bộ điều khiển và I/O phân tán ở cấp thiết bị.
Profibus-PA được thiết kế đặc biệt cho quá trình tự động hóa. Các mạng Profibus-PA được khuyến cáo sử dụng trong các khu vực an toàn nội tại. Các mạng này cho phép các cảm biến, bộ truyền động và bộ điều khiển kết nối với một bus chung duy nhất, cung cấp truyền thông dữ liệu và cấp nguồn cho bus. Các mạng này sử dụng lớp vật lý của Manchester Bus Powered (MBP) dựa trên tiêu chuẩn quốc tế IEC 61158-2.
Profibus-FMS là một định dạng tin nhắn đa phương tiện hoặc ngang hàng, cho phép các bộ master giao tiếp với nhau. Nó là một giải pháp mục đích chung thực hiện các nhiệm vụ giao tiếp ở cấp độ điều khiển, đặc biệt là trong phân mức con tế bào để tạo điều kiện giao tiếp giữa các máy tính chủ - Master PCs.
Phổ biến nhất FMS và DP được sử dụng đồng thời trong chế độ COMBI trong trường hợp PLC đang được sử dụng kết hợp với PC. Trong trường hợp này, master chính giao tiếp với master thứ cấp thông qua FMS trong khi DP truyền dữ liệu điều khiển trên cùng một mạng tới các thiết bị I/O.
Foundation Fieldbus
Nó là một chuẩn fieldbus mở được thiết kế đặc biệt để đáp ứng nhu cầu quan trọng của sứ mệnh trong môi trường có tính chất an toàn. Nó là một loại mạng LAN cho các thiết bị tương thích fieldbus và bộ điều khiển được sử dụng trong các ngành công nghiệp sản xuất và chế biến. Đây là chuẩn giao thức số hai chiều, được xác định bởi tiêu chuẩn an toàn IEC 61158-2 (đối với FF H1) và tương thích với thiết bị Ethernet (trong trường hợp FF HSE). Ba loại mạng FF bao gồm H1 tốc độ thấp, tốc độ cao H2 và tốc độ cao Ethernet HSE.
Mạng H1 hỗ trợ tốc độ 31,25 kbps. Có hai tốc độ được hỗ trợ bởi mạng H2, đó là 1,0 Mbps và 2,5 Mbps. Mạng HSE hỗ trợ tốc độ 10 hoặc 100 Mbps vì nó sử dụng giao thức Ethernet.
Các mạng này có thể là LAN (Local Area Network - Mạng cục bộ, được sử dụng trong một khu vực hạn chế) hoặc WAN (Wide Area Network - Mạng diện rộng được sử dụng làm hệ thống toàn cầu) cho phép truyền tải một lượng lớn dữ liệu bằng cách sử dụng một số lượng kênh hạn chế. Nó cũng dẫn đến việc thực hiện các giao thức truyền thông khác nhau giữa các bộ điều khiển kỹ thuật số, thiết bị hiện trường, các công cụ phần mềm liên quan đến tự động hóa khác nhau và các hệ thống bên ngoài.
Khi các hệ thống tự động hóa công nghiệp trở nên phức tạp và lớn với nhiều thiết bị tự động hóa trên nền tảng điều khiển thì ngày nay nó có xu hướng hướng tới các tiêu chuẩn kết nối hệ thống mở (OSI-Open Systems Interconnection) cho phép kết nối và giao tiếp với bất kỳ thành phần của thiết bị tự động nào không phụ thuộc vào nhà sản xuất.
Với những tiến bộ trong công nghệ kỹ thuật số, công nghệ fieldbus hiện đang thống trị lĩnh vực tự động hóa vì nó cung cấp phương tiện truyền thông đa điểm giúp tiết kiệm chi phí và tiết kiệm cáp truyền thông. Sau đây là tổng quan về một số mạng truyền thông công nghiệp đóng vai trò quan trọng trong các hệ thống kiểm soát công nghiệp ngày nay.
Mạng truyền thông công nghiệp - Industrial Communication Network là gì?
Truyền thông dữ liệu đề cập đến việc 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.
Các mạng truyền thông truyền thống được sử dụng để cho phép truyền dữ liệu giữa các máy tính, máy tính và các thiết bị ngoại vi của nó và các thiết bị khác. Mặt khác, mạng truyền thông công nghiệp là một loại mạng đặc biệt được thực hiện để xử lý kiểm soát thời gian thực và toàn vẹn dữ liệu trong môi trường khắc nghiệt trên các cài đặt lớn.
Các ví dụ về mạng truyền thông công nghiệp bao gồm Ethernet, DeviceNet, Modbus, ControlNet, v.v.
Ba cơ chế kiểm soát quan trọng được sử dụng trong lĩnh vực tự động hóa công nghiệp bao gồm: Bộ điều khiển logic lập trình (PLC-Programmable Logic Controllers), Điều khiển giám sát và Thu thập dữ liệu (SCADA-Supervisory Control and Data Acquisition) và Hệ thống điều khiển phân tán (DCS-Distributed Control System). Tất cả các thành tố này giao tiếp với các máy đo ở hiện trường, thiết bị trường thông minh, máy tính điều khiển giám sát, bộ điều khiển I/O phân tán và giao diện HMI.
Để cung cấp kết nối giữa các thiết bị này và cũng để cho phép giao tiếp giữa chúng, cần có một hệ thống giao tiếp mạnh mẽ và hiệu quả hơn. Chúng khác biệt đáng kể so với các mạng lưới xí nghiệp truyền thống. Các mạng công nghiệp này tạo thành một con đường giao tiếp giữa các thiết bị hiện trường, bộ điều khiển và PC.
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 kỹ thuật số đa điểm hai chiều giữa các bộ điều khiển và các thiết bị trường thông minh như cảm biến thông minh/bộ truyền động/bộ chuyển đổi. Nó thay thế hệ thống truyền thông điểm-điểm thông thường bao gồm nhiều cặp dây bằng với số lượng thiết bị hiện trường. Trong khi đó với hệ thống fieldbus, hai dây là đủ cho nhiều thiết bị thuộc cùng một phân đoạn. Kết quả là giúp tiết kiệm lượng lớn dây cáp và tối ưu chi phí. Profibus và Foundation Field Bus là hai công nghệ fieldbus thống trị nhất được sử dụng trong lĩnh vực tự động hoá quy trình.
Cấp bậc phân cấp trong mạng truyền thông công nghiệp
Trong ngành công nghiệp sản xuất hoặc quy trình, thông tin hoặc luồng dữ liệu từ cấp trường đến cấp quản lý-vận hành (từ dưới lên trên) và ngược lại. Các cấp độ khác nhau phải xử lý các yêu cầu khác nhau của một cấp cụ thể. Vì vậy, rõ ràng là không có yêu cầu địa chỉ mạng truyền thông duy nhất cần thiết cho mỗi cấp. Do đó các cấp độ 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, v.v. Dựa trên chức năng, mạng truyền thông công nghiệp được phân thành ba cấp độ chung được thảo luận dưới đây.
Phân cấp thiết bị - Device Level:
Mức thấp nhất này bao gồm các thiết bị tại hiện trường như cảm biến và bộ truyền động của các quá trình và máy móc. Nhiệm vụ của cấp độ này là chuyển thông tin giữa các thiết bị này và các thành phần quy trình kỹ thuật như PLC. Việc chuyển giao thông tin có thể là kỹ thuật số, analog hoặc lai. Các giá trị đo được có thể tồn tại trong thời gian dài hoặc qua một khoảng thời gian ngắn.
Để cung cấp thông tin liên lạc phân cấp ở hiện trường, dòng lặp 4-20 mA, các giao thức liên lạc điểm-điểm được sử dụng rộng rãi. Các mạng này bao gồm các loại cáp song song, đa dây làm phương tiện truyền dẫn. Các chuẩn giao thức truyền thông nối tiếp phổ biến được sử dụng ở cấp độ này bao gồm RS232, RS422 và RS485. Có rất nhiều mạng truyền thông cấp trường khác có sẵn được mô tả các yếu tố khác nhau như thời gian phản hồi, kích thước tin nhắn, v.v.
Ngày nay, công nghệ fieldbus là mạng truyền thông tinh vi nhất được sử dụng ở cấp độ hiện trường vì nó tạo điều kiện cho việc kiểm soát phân tán giữa các thiết bị và bộ điều khiển trường thông minh khác nhau. Đây là một hệ thống truyền thông hai chiều trong đó nhiều biến được quan tâm bằng cách truyền đơn. Các loại fieldbus khác nhau bao gồm HART, ControlNet, DeviceNet, CAN Bus, Profibus và Foundation Fieldbus.
Phân cấp điều khiển - Control Level:
Cấp này bao gồm các bộ điều khiển công nghiệp như PLC, các đơn vị điều khiển phân tán và các hệ thống máy tính. 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, điều chỉnh biến số, kiểm soát giám sát, hiển thị dữ liệu biến trên HMI, lưu trữ lịch sử, v.v. Vì vậy cấp điều khiển yêu cầu các đặc tính như thời gian đáp ứng ngắn, truyền dẫn tốc độ cao, độ dài dữ liệu ngắn, đồng bộ hóa máy, sử dụng liên tục các dữ liệu quan trọng, v.v.
Mạng cục bộ (LAN) được sử dụng rộng rãi như các mạng truyền thông ở cấp độ này để đạt được các đặc tính mong muốn. Ethernet với giao thức TCP/IP chủ yếu được sử dụng như mạng mức 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 bộ điều khiển khác nhau. Một số fieldbus cũng được sử dụng ở mức này như các bus điều khiển chẳng hạn như Profibus và ControlNet.
Phân cấp dữ liệu - Information Level:
Đây là cấp cao nhất của hệ thống tự động hóa công nghiệp tập hợp thông tin từ các cấp độ thấp hơn, chẳng hạn như cấp điều khiển. Nó xử lý khối lượng lớn dữ liệu không được sử dụng liên tục hay giới hạn thời gian. Các mạng lưới quy mô lớn tồn tại ở cấp độ này. Vì vậy, các WAN Ethernet thường được sử dụng như các mạng mức 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 gateway.
Các mạng công nghiệp thường được sử dụng
Có nhiều mạng truyền thông khác nhau được thiết kế để kết nối các thiết bị hiện trường công nghiệp và các mô-đun I/O khác 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 loại thành nhiều loại. Một số tiêu chuẩn truyền thông công nghiệp phổ biến và phổ biến được mô tả dưới đây.
Truyền thông nối tiếp - Serial Communication
Giao thức nối tiếp là hệ thống giao tiếp cơ bản được cung cấp cho mọi bộ điều khiển như PLC. Giao thức 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 Recommended Standard - Tiêu chuẩn được đề xuất trong đó xác định các đặc điểm truyền thông nối tiếp về các mặt điện, cơ khí và tính năng thực tế.
Các giao diện truyền thông nối tiếp được tích hợp vào CPU hoặc mô-đun xử lý (xem xét, cho một bộ điều khiển logic lập trình - Programmable Logic Controller) hoặc nó có thể là một mô-đun giao tiếp riêng biệt. Các giao diện RS này chủ yếu được sử dụng để truyền dữ liệu một cách hợp lý với tốc độ dữ liệu cao giữa PLC và thiết bị từ xa. Đầu đọc mã vạch, operator terminals và hệ thống thị giác là những ví dụ về các giao diện này.
HART
Nó là một từ viết tắt cho Đầu dò từ xa có thể định vị địa chỉ (Highway Addressable Remote Transducer). Nó là một giao thức mạng điều khiển quá trình mở, chồng chất tín hiệu truyền thông kỹ thuật số lên đầu các tín hiệu 4-20mA bằng cách sử dụng kỹ thuật Bell 202 Frequency Shift Keying (FSK).
Đây là mạng truyền thông duy nhất tạo điều kiện cho cả truyền thông kỹ thuật số hai chiều và analog cùng một lúc bằng cùng một hệ thống dây điện, và do đó các mạng này cũng 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 quy trình bổ sung khác.
DeviceNet
Đây là một mạng phân cấp thiết bị mở dựa trên công nghệ CAN. Nó được thiết kế để giao tiếp các thiết bị cấp trường (chẳng hạn như cảm biến, công tắc, đầu đọc mã vạch, màn hình bảng điều khiển, vv) với bộ điều khiển mức cao hơn (như PLC) với sự chấp nhận duy nhất của giao thức CAN cơ bản. Nó có thể hỗ trợ lên đến 64 node và hỗ trợ lên đến tổng 2048 thiết bị.
Nó làm giảm chi phí mạng lưới bằng cách tích hợp tất cả các thiết bị trên cáp bốn dây mang cả dữ liệu và dẫn nguồn điện. Nguồn điện trên mạng lưới cho phép các thiết bị được cấp nguồn trực tiếp từ hệ thống và do đó nó làm giảm các điểm kết nối vật lý. Mạng lưới này được sử dụng phổ biến trong ngành công nghiệp ô tô và bán dẫn.
ControlNet
Nó là một 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 Data Highway Plus (DH +) và I/O từ xa. Nó được sử dụng để truyền dữ liệu thời gian thực của dữ liệu time-critical và non time-critical giữa các I/O hoặc các bộ vi xử lý trên cùng một mạng lưới.
Nó có thể giao tiếp lên đến tối đa 99 node với tốc độ truyền dữ liệu là 5 triệu bit mỗi giây. Nó được thiết kế để sử dụng trên cả cấp thiết bị và cấp trường của hệ thống tự động hóa công nghiệp. Nó cung cấp phương tiện truyền thông và dự phòng truyền thông ở tất cả các node của mạng.
Modbus
Nó là một giao thức hệ thống mở có thể chạy trên nhiều lớp vật lý khác nhau. Nó là giao thức được sử dụng rộng rãi nhất trong các ứng dụng điều khiển công nghiệp. Nó là một kỹ thuật giao tiếp nối tiếp cung cấp mối quan hệ master/slave để giao tiếp giữa các thiết bị được kết nối trên mạng. Nó có thể được thực hiện trên bất kỳ phương tiện truyền dẫn nào, nhưng thường được sử dụng với RS232 và RS485.
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 vật lý, nó tạo điều kiện cho phương thức truy cập và điều khiển một thiết bị bởi một thiết bị khác.
Profibus
Nó là một trong những mạng trường mở rộng được biết đến và được thực hiện rộng rãi. Các mạng này chủ yếu được sử dụng trong quá trình tự động hoá và các lĩnh vực tự động hóa nhà máy. Nó phù hợp nhất cho các nhiệm vụ giao tiếp phức tạp và các ứng dụng time-critical. Có ba phiên bản Profibus khác nhau, Profibus-DP (Decentralized Periphery - Thiết bị ngoại vi phân cấp), Profibus-PA (Process Automation - Tự động hóa quá trình) và Profibus-FMS (Fieldbus Message Specification - Đặc tả thông điệp Fieldbus).
Profibus-PA được thiết kế đặc biệt cho quá trình tự động hóa. Các mạng Profibus-PA được khuyến cáo sử dụng trong các khu vực an toàn nội tại. Các mạng này cho phép các cảm biến, bộ truyền động và bộ điều khiển kết nối với một bus chung duy nhất, cung cấp truyền thông dữ liệu và cấp nguồn cho bus. Các mạng này sử dụng lớp vật lý của Manchester Bus Powered (MBP) dựa trên tiêu chuẩn quốc tế IEC 61158-2.
Phổ biến nhất FMS và DP được sử dụng đồng thời trong chế độ COMBI trong trường hợp PLC đang được sử dụng kết hợp với PC. Trong trường hợp này, master chính giao tiếp với master thứ cấp thông qua FMS trong khi DP truyền dữ liệu điều khiển trên cùng một mạng tới các thiết bị I/O.
Foundation Fieldbus
Nó là một chuẩn fieldbus mở được thiết kế đặc biệt để đáp ứng nhu cầu quan trọng của sứ mệnh trong môi trường có tính chất an toàn. Nó là một loại mạng LAN cho các thiết bị tương thích fieldbus và bộ điều khiển được sử dụng trong các ngành công nghiệp sản xuất và chế biến. Đây là chuẩn giao thức số hai chiều, được xác định bởi tiêu chuẩn an toàn IEC 61158-2 (đối với FF H1) và tương thích với thiết bị Ethernet (trong trường hợp FF HSE). Ba loại mạng FF bao gồm H1 tốc độ thấp, tốc độ cao H2 và tốc độ cao Ethernet HSE.
Cảm ơn những thông tin rất hữu ích !
ReplyDeleteCảm ơn Bạn về những Chia sẻ của Bạn. Đây là những nền tảng Cơ bản nhưng rất hữu ích thuộc rất nhiều Lãnh vực khác nhau. Nhưng chưa có mấy ai đã tập hợp Chúng lại, và kết nối để chúng hỗ trợ cho nhau, và làm Gía trị của chúng còn hữu ích hơn nữa. Thanks again.
ReplyDelete