Mạng truyền thông công nghiệp là gì? Đặc điểm, phân loại, vai trò?

Mạng truyền thông công nghiệp ngày nay, không chỉ được sử dụng rộng rãi trong các doanh nghiệp, mà nó càng ngày càng khẳng định tầm quan trọng của mình, đối với thời đại công nghệ như hiện nay. Ứng dụng mạng công nghiệp truyền thông mang lại giúp các doanh nghiệp nâng cao hiệu quả lao động, sản xuất trong kinh doanh của mình. Nó giúp các thiết bị điện tử được kết nối với nhau, từ đó tạo nên sự thống nhất trong mạng lưới, hoạt động đồng bộ với nguồn tài nguyên chung. 

1. Mạng truyền thông công nghiệp là gì?

Mạng truyền thông công nghiệp được hiểu cơ bản là chỉ các hệ thống mạng truyền thông số, truyền bit nối tiếp và được sử dụng để ghép nối các thiết bị công nghiệp. Mạng truyền thông công nghiệp được coi là 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. Mạng truyền thông công nghiệp còn được coi là phương tiện trao đổi dữ liệu với tính linh hoạt để các thiết bị kết nối với được với nhau.

Mạng truyền thông công nghiệp được phân thành nhiều cấp và các cấp khác nhau sẽ xử lý đối với các yêu cầu khác nhau. Dựa vào khối lượng dữ liệu, bảo mật giữ liệu..... thì các cấp khác nhau sẽ sử dụng mạng khác nhau. Tùy vào từng chức năng, mạng truyền thông công nghiệp được phân thành 3 cấp đó là cấp thiết bị, cấp độ kiểm soát và cấp thông tin. Trong đó:

- Cấp thiết bị: đây là cấp thấp nhất, bao gồm các thiết bị hiện trường. Chức năng của cấp này là chuyển thông tin giữa các thiết bị này và PLC.

- Cấp độ kiểm soát: cấp độ này sẽ có các bộ điều khiển công nghiệp. Đảm nhận chức năng như xử lý giữ liệu biến số, lưu trữ lịch sửm kiểm soát giám sát,....

- Cấp thông tin: đây được coi là cấp cao nhất của hệ thống tự động hóa công nghiệp. Nó có chức năng xử lý dữ liệu với khối lượng lớn không sử dung liên tục hoặc quan trọng về thời gian.

2. Đặc điểm của mạng truyền thông công nghiệp:

Mạng truyền thông công nghiệp có đặc điểm là có thể kết nối có dây hoặc không dây. Trường hợp, mạng có dây kết nối là cáp xoắn, cáp đồng trục hoặc cáp quang để bảo đảm cho đường truyền tín hiệu. Với mạng không dây sẽ kết nối giao tiếp qua radio.

Trong công nghiệp hiện nay tồn tại nhiều loại mạng truyền thông khác nhau. Chúng được tạo ra để liên kết các thiết bị trường công nghiệp với các mô đun I/O. Ngoài ra chúng được mô tả dựa trên các giao thức nhất định. Và giao thức được hiểu là một tập hợp các quy tắc được sử dụng trong giao tiếp giữa hai hoặc nhiều thiết bị với nhau.

3. Phân loại mạng truyền thông công nghiệp:

Dựa trên các giao thức này, các mạng truyền thông được phân thành nhiều loại. Dưới đây là 5 loại phổ biến nhất 

Mạng truyền thông công nghiệp Modbus.

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

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

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

Mạng Modbus chuẩn  thì các bộ điều khiển có thể được kết nối mạng trực tiếp hoặc qua modern. Kỹ thuật giao tiếp giữa cá trạm Modbus với nhau qua cơ chế master/slave. Theo đó, chỉ có một thiết bị có thể chủ động gửi yêu cầu, còn các thiết bị slave sẽ đáp ứng bằng những giữ liệu trả lại hoặc thực hiện theo yêu cầu.

Mạng Modbus chuẩn sẽ ứng dụng giao thức cho lớp ứng dụng, các thiết bị đó có thể giao tiếp với nhau theo một cơ chế riêng, mỗi một bộ điều khiển sẽ đóng một vai trò master hoặc slave trong mỗi lần giao dịch không giống nhau. Giao thức của Modbus suy cho cùng vẫn hoạt động theo nguyên tắc master/slave. Một bộ điều khiển khi gửi một yêu cầu thông báo thì nó sẽ đóng vài trò là master sẽ chờ đợi đáp ứng từ slave và khi bộ điều khiển đóng vai trò là slave thì sẽ phải nhận thông báo yêu cầu từ một trạm khác, đồng thời phải gửi trả lại đáp ứng.

Mạng truyền thông nối tiếp.

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

Mạng truyền thông nối tiếp.

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. Giao diện RS hầu như được sử dụng để truyền dữ liệu với tốc độ dữ liệu cao đối với các thiết bị từ xa. Trong đó, mạng truyền thông nối tiếp được sử dụng hầu hết cho truyền thông đường dài và các mạng máy tính. 

Giao tiếp nối tiếp RS232 được thiết kế để hỗ trợ một máy phát và một máy thu. Ví dụ như giao tiếp máy tính với bộ điều khiển. Các chuẩn giao tiếp nối tiếp RS 422 (1Tx, 10Rx) và RS485 (32Tx, 32Rx) được thiết kế nhằm phục vụ giao tiếp giữa máu tính với bộ điều kiển. Các tiêu chuẩn này sẽ phải giới hạn ở chiều dài 500m ( trong trường hợp RS422) và 200m (trong trường hợp RS485).

Mạng truyền thông công nghiệp DeviceNet.

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

Mạng truyền thông công nghiệp 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.

Mạng truyền thông công nghiệp Profibus.

Profibus là một trong những mạng truyền thông được triển khai rộng rãi trong kỹ thuật tự động hóa. Các mạng hoạt động như hệ truyền thông, trao đổi thông tin giữa thiết bị hiện trường phân tán với các hệ thống tự động hóa. Nó phù hợp nhất cho các nhiệm vụ giao tiếp phức tạp và các ứng dụng quan trọng về thời gian.

Profibus bằng phương tiện xoắn đôi và RS485 chuẩn công nghiệp dùng trong ứng dụng sản xuất hoặc cũng có thể là IEC 1158-2 trong điều kiển quá trình.

Mạng truyền thông công nghiệp – truyền thông HART.

HART (Highway Addressable Remote Transducer)  là một giao thức mạng điều khiển tín hiện Digital trên cùng một đường truyền tín hiệu đối với các thiết bị thông minh, hệ thống điều kiển, cùng với hệ thống 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 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. Đối với quản lý thiết bị, PC được cài phần mềm ứng dụng để kiểm soát một nhà máy.... một máy chủ đều có thể đảm nhận.

HART hoạt động ở chế độ điểm – điểm hoặc đa điểm. Chế độ điểm thì tín hiệu dong 4-20 mA được sử dụng để điều khiển quá trình mà khi đó tín hiệu của Hart vẫn không bị ảnh hưởng. Còn đối với chế độ đa điểm được xử dụng khi các thiết bị được đặt cách xa nhau.

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, đối với những thiết bị lựa chọn công nghệ HART đang được sử dụng rộng rãi trên nhiều ứng dụng. Những ưu điểm đối với giao thức Hart được thể hiện ở việc điều kiển giám sát, thu thập giữ liệu, bảo dưỡng. 

Bên cạnh những ưu điểm Hart còn có nhược điểm đó là đối với những ứng dụng sử dụng Hart thì hầu hết cá ứng dụng đó không thể trang bị thêm hệ thống tự động hóa hiện có với hệ thống khác mà  nó có thể chấp nhận các dữ liệu kỹ thuật số được cung cấp bởi giao thức Hart.

4. Vai trò của mạng truyền thông công nghiệp:

Mạng truyền thông công nghiệp là một trong những yếu tố quan trọng nhất của nhà máy, công ty khiến cho hoạt động sản xuất được hiệu quả. Mạng truyền thông công nghiệp có vài trò như sau: 

- Kết nối, liên kết các thiết bị công nghiệp khác nhau thông qua 1 đường truyền duy nhất. Làm đơn giản hóa các liên kết giữa các thiết bị công nghiệp.

- Nâng cao độ chính xác của thông tin, dữ liệu nhận được phục vụ sản xuất, giám sát điều hành hệ thống. Những thông tin truyền qua mạng viễn thông công nghiệp được thực hiện một cách nhanh chóng, đảm bảo nắm bắt thông tin kịp thời, và ít bị sai lệch thông tin.

- Do số lượng lớn cáp truyền được thay thế bằng một đường duy nhất nên hệ cấu trúc kết nối sẽ trở nên dễ dàng hơn. Điều này cũng giúp giảm chi phí cho việc đầu tư nguyên vật liệu và công lắp đặt.

- Làm đơn giản, tiện lợi hóa việc tham số hóa, định vị lỗi... Các thiết bị có thể kết hợp với nhau khả năng tự chẩn đoán, các trạm trong mạng cũng có thể có khả năng cảnh giới lẫn nhau.