30/08/2022 
Giao thức truyền thông là lĩnh vực không phải ai cũng có hiểu biết sâu rộng để biết vận dụng trong quy mô sản xuất, để bắt kịp sự phát triển không ngừng của ngành công nghiệp đang vươn mình, cải tiến từng ngày. Bài viết dưới đây sẽ cung cấp về khái niệm giao thức truyền thông và phân loại giao thức truyền thông, để bạn nắm được những thông tin đang tìm hiểu. Hãy đón đọc nhé!
Khái niệm Giao thức truyền thông
Giao thức truyền thông hay giao thức giao tiếp truyền thông, giao thức liên mạng, giao thức tương tác truyền thông hay giao thức trao đổi thông tin truyền thông,… (tên gọi tiếng Anh là Communication Protocol, thường được gọi tắt là protocol) là một tập hợp các tín hiệu theo quy tắc chuẩn để hai hoặc nhiều thực thể thuộc một hệ thống thông tin liên lạc của cơ sở nào đó để trao đổi thông tin, dữ liệu, truyền đạt tín hiệu,… qua các kênh truyền thông.
Giao thức truyền thông sẽ bao gồm các quy tắc truyền thông (rule), cú pháp (syntax), ngữ nghĩa (semantics), sự đồng bộ (synchronization), thậm chí bao gồm cả những đoạn mã, phương pháp dùng để sửa chữa, khắc phục lỗi trên đường truyền trong hệ thống truyền thông đó.
Giao thức truyền thông có thể được thực hiện trên phần cứng, phần mềm hoặc cả hai của hệ thống truyền thông, được thực hiện bởi rất nhiều cá nhân có chuyên môn và thẩm quyền thực hiện.
Việc hiểu và xây dựng các giao thức truyền thông dành riêng truyền thông tín hiệu số dùng trong mạng máy tính, không chỉ giúp nâng cao sự bảo mật thông tin, trao đổi dữ liệu, tín hiệu thêm tin cậy, đảm bảo không thất thoát ra ngoài, gây những hao tổn không mong muốn xảy ra, mà còn thể hiện được sự chuyên nghiệp của mạng lưới thông tin truyền thông của cơ sở đó.
Các loại giao thức truyền thông trong hệ thống tự động hóa
Trong hệ thống tự động hóa quy mô sản xuất công nghiệp, sẽ bao gồm các giao thức truyền thông như sau:
Giao thức truyền thông Profibus
Profibus (Process Field Bus) là một mạng truyền thông tiêu chuẩn fieldbus, được ra đời từ năm 1989 bởi phòng nghiên cứu giáo dục Đức BMBF, đến nay được sử dụng rất phổ biến trong lĩnh vực kỹ thuật tự động hóa ngành công nghiệp, tòa nhà.
Giao thức truyền thông Profibus được thiết kế đặc biệt để giữa máy tính và các PLC giao tiếp với nhau dựa trên nguyên tắc chính là Token Bus không đồng bộ, ở chế độ thời gian thực, cho phép hoạt động riêng lẻ như một hệ thống truyền thông vững mạnh bảo mật cao, để các bên là hệ thống tự động hóa và các thiết bị phân tán có thể giao tiếp, trao đổi thông tin với nhau, mà không cần điều chỉnh giao diện truyền thông đặc biệt.
Profibus còn có thể dùng để xác định mối quan hệ truyền thông giữa nhiều master và giữa master với slave, vì có khả năng truy cập dữ liệu theo chu kì hoặc không theo chu kì, với tốc độ đường truyền tối đa lên tới 500kbit/s (thậm chí là 1,5Mbp hay 12Mbp), nên đây là giao thức truyền thông rất nhanh nhạy, có tính ứng dụng cao.
Thêm nữa, khoảng cách bus tối đa nếu không dùng bộ lặp (repeater) là 200m tạo nên số điểm (node) tối đa là 32 và khoảng cách 800m nếu dùng bộ lặp, tạo nên số số điểm (node) tối đa là 127, rất ưu việt.
Profibus sử dụng phương tiện truyền tin xoắn đôi và RS485 chuẩn công nghiệp hoặc IEC 1158-2, thậm chí là Ethernet TCP/IP tùy mỗi điều khiển quá trình và quy mô sử dụng trong ứng dụng công nghiệp sản xuất.
Do có rất nhiều ưu điểm về tính kết nối và bảo mật, nên hiện nay Profibus được ứng dụng rất phổ biến trong các hệ thống điều khiển tự động hóa trong nhiều ngành công nghiệp sản xuất tại Việt Nam cũng như nhiều nước công nghiệp lớn nhỏ trên thế giới, như nhà máy công nghiệp xi măng, nhà máy điện, nhà máy sản xuất hóa chất, chế biến thực phẩm,….điển hình là: Nhà máy Coca-Cola tại HM Interdrink (Đức), Nhà máy dầu khí của Shell (Đức), Nhà máy rượu Jonny Walker (Scotland),…
Giao thức truyền thông Profibus trong hệ thống tự động hóa có thể được phân loại như sau:
Có 3 kiểu giao thức chính là: Profibus DP, Profibus PA, Profibus FMS.
Profibus DP (phân cấp ngoại vi)
Là bus cấp thiết bị nhằm hỗ trợ, truyền tín hiệu tương tự và tín hiệu phân tán, (viết tắt của Decentralized Periphery) và thường được ứng dụng với các đối tượng hiện trường phân tán như: hệ thống I/O, drive, van,…, điều khiển động cơ và biến tần của các hệ thống tự hóa công nghiệp sản xuất lớn nhỏ hiện nay.
Profibus DP là giao thức truyền thông hoạt động trên giao diện RS485 tiêu chuẩn, sử dụng giao tiếp tốc độ cao (9,6 Kbp -12 Mbp trong phạm vi từ 100-1200m) nối tiếp hoàn toàn không tập trung để thực hiện truyền dữ liệu, tín hiệu, kết nối với bộ điều khiển trung tâm để đọc/ghi dữ liệu quá trình không theo chu kì.
Nên đây là hình thức giao tiếp rất phù hợp để truyền trạng thái thiết bị, cấp nguồn trên bus, truyền dữ liệu tốc độ cao tại cấp thiết bị và an toàn nội tại, hay để kết nối với các ứng dụng an toàn SIL3 vì mạng DP có thể có cấu hình ProfiSafe.
Profibus PA (tự động hóa quy trình sản xuất)
Ban đầu, giao thức truyền thông Profibus PA được phát triển từ cải việc cải tiến chuẩn giao tiếp Hart để dành riêng giao tiếp giữa các dụng cụ đo và hệ thống điều khiển tại hiện trường.
Nhưng đến nay, Profibus PA hiện là một Fieldbus được dùng phổ biến trong kết nối an toàn dành riêng để hoạt động tại các khu vực nguy hiểm, bởi đây là phương thức truyền thông có chức năng khá toàn diện để sử dụng cho thiết bị cấp quá trình.
Profibus PA có thể đạt tốc độ truyền thông là 31,25Kbp, phạm vi truyền thông tối đa 1.900m/phân đoạn, cấu trúc mạng kết nối vật lý theo chuẩn IEC-61158-2, rất phù hợp để thiết kế cho những ứng dụng Intrinsically Safe.
Profibus FMS (đặc tả thông điệp)
Là một bus điều khiển, là giải pháp truyền thường được áp dụng để giải quyết các nhiệm vụ truyền thông phức tạp giữa thiết bị truyền thông DCS và các hệ thống PLC.
Bởi Profibus FMS có hỗ trợ giao tiếp giữa các hệ thống tự động hóa, đồng thời giúp việc giao tiếp, trao đổi dữ liệu giữa các thiết bị thông minh, như các thiết bị điều khiển gắn với thiết bị được thực hiện đơn giản hơn.
Hiện này, nó còn được ứng dụng nhiều để giao tiếp song song hay dùng thay thế bằng ứng dụng trong Ethernet.
Giao thức truyền thông Modbus RTU
Giao thức truyền thông này thực chất là một giao thức mở, ứng dụng đường truyền vật lý RS232 hoặc RS485, với mô hình truyền thông là Master-Slave, nên được đánh là giao thức tương đối “Ổn định – Đơn giản – dễ dùng”.
Hiện nay, giao thức truyền thông này được sử dụng rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp sử dụng BMS (Building Management Systems)[1], tự động hóa, bởi nó là giao thức truyền thông hoạt động ở tầng “Application”, có thể hoạt động truyền thông Master/Slave tốt giữa các thiết bị, hệ thống thông qua các bus hoặc network.
Trên mô hình OSI, Modbus được đặt ở lớp 7.
Cấu trúc chung mỗi một bản tin dang Modbus RTU sẽ có chứa: 1 byte địa chỉ – 1 byte mã hàm – n byte dữ liệu – 2 byte CRC.
- Byte địa chỉ: xác định thiết bị nhận dữ liệu (đối với Slave) hoặc xác định thiết bị gửi dữ liệu từ địa chỉ nào (đối với Master). Địa chỉ này được quy định từ 0 – 254.
- Byte mã hàm: nó được quy định bởi Master kết nối với nó, nhằm xác định yêu cầu dữ liệu từ thiết bị Slave, là dạng đọc, lưu trữ hay ghi chép lại.
- Byte dữ liệu: thể hiện sự trao đổi dữ liệu giữa Master và Slave.
Đọc dữ liệu:
- Master: 2 byte địa chỉ dữ liệu – 2 byte độ dài dữ liệu
- Slave: 2 byte địa chỉ dữ liệu – 2 byte độ dài dữ liệu – n byte dữ liệu đọc được.
Ghi dữ liệu:
- Master: 2 byte địa chỉ dữ liệu – 2 byte độ dài dữ liệu – n byte dữ liệu cần ghi.
- Slave: 2 byte địa chỉ dữ liệu – 2 byte độ dài dữ liệu
- Byte CRC: gồm 2 byte dùng để kiểm tra lỗi của hàm truyền, với giá trị là 16 Bit.
Giao thức truyền thông Ethernet
Ethernet là một giao thức truyền thông dạng công nghệ truyền tín hiệu kiểu truyền thống, dùng mạng LAN cục bộ để kết nối, cho phép các thiết bị không chỉ kết nối và giao tiếp với nhau đơn giản, lại có giao thức –bộ quy tắc hoặc ngôn ngữ mạng chung để việc giao tiếp đó đạt hiệu quả hơn.
Ethernet còn là một lớp giao thức data-link trong tầng TCP/IP, từ đó các thiết bị mạng có thể định dạng và truyền dữ liệu để các thiết bị khác trên cùng mạng cục bộ cùng tầng lớp có thể phát hiện nhanh chóng dữ liệu truyền tới, nhận và xử lý dữ liệu đó hiệu quả hơn. Còn cáp Ethernet là một hệ thống dây dẫn vật lý dùng để truyền dữ liệu qua, nó đem lại lợi ích với nhà đầu tư là tiết kiệm được nhiều chi phí hơn so với các loại cáp khác.
Ethernet hiện nay được ứng dụng rất phổ biến, đặc biệt các doanh nghiệp, công ty, xí nghiệp sản xuất, đến game thủ, cá nhân người dùng yêu cầu hệ thống truyền thông có độ tin cậy và tính bảo mật cao, nhưng cũng đem lại hiệu quả không hề kém cạnh với công nghệ mạng LAN không dây, vì Ethernet rất ít khi bị gián đoạn đường truyền, dù xảy ra tình trạng nhiễu sóng vô tuyến, trở ngại vật lý hay băng thông.
Hiện nay, có 2 chuẩn mạng truyền thông Ethernet được dùng phổ biến nhất đó là: Mạng có tốc độ 10/100Mbs đạt chuẩn Megabit và mạng có tốc độ 10/100/1000Mbs đạt chuẩn Gigabit.
Giao thức truyền thông Ethernet hiện nay đã và đang có nhiều cải tiến, từ đó mang tính ứng dụng cao hơn, đang dần thay thế nhiều phương thức truyền thông truyền thống công nghiệp khác, bởi ứng dụng thực tế cho thấy, lợi ích mà phương thức Ethernet đem lại là có nhiều hiệu quả hơn với công nghiệp sản xuất, đồng thời đơn giản hóa quản lý và tích hợp, trao đổi giữa công tác sản xuất và quản lý dễ dàng.
Lời kết
Như vậy bài viết trên đây đã trình bày rất chi tiết về các giao thức truyền thông thường được ứng dụng trong mô hình tự động hóa quy mô sản xuất công nghiệp để tìm hiểu kỹ hơn về các giải pháp tự động hóa ngành nghề sản xuất, vui lòng liên hệ với Bình Dương AEC qua số HOTLINE 0931.101.388 hay Địa chỉ 87-89 Khuất Duy Tiến, Thanh Xuân, Hà Nội bạn nhé!
