31/08/2022 
Mạng truyền thông công nghiệp là phương diện cốt lõi để các mô hình sản xuất công nghiệp nhỏ đến lớn xây dựng hệ thống tự động hóa, xây dựng giải pháp, phương tiện trao đổi tín hiệu, dữ liệu, thông tin hiệu quả, linh hoạt và mạnh mẽ hơn. Cùng tìm hiểu nhiều hơn về lĩnh vực mạng truyền thông công nghiệp qua các chia sẻ trong bài viết dưới đây.
Tổng quan
Mạng truyền thông công nghiệp, thường gọi tắt là mạng công nghiệp (tên tiếng Anh là Industrial Communication Network) là cụm từ dùng để chỉ các hệ thống mạng truyền thông số, truyền bit nối tiếp, truyền tín hiệu, thông tin nội bộ của một xí nghiệp, công ty, doanh nghiệp, cơ sở sản xuất,… nhằm mục đích liên kết, ghép nối các máy tính, thiết bị công nghiệp với nhau thành một thể thống nhất, để chúng có thể giao tiếp, truyền dữ liệu, theo một mạng lưới, hệ thống đồng nhất hoặc có sự phân cấp để dễ dàng đảm bảo tính an toàn, bảo mật và có sự kiểm soát chặt chẽ.
Các hệ thống mạng truyền thông công nghiệp hiện nay thường liên kết mạng với nhau theo nhiều mức, cấp bậc, dựa trên cảm biến, cơ cấu thực hiện, phân cấp hiện trường, đến hệ thống máy tính, thiết bị điều khiển, quan sát, giám sát, điều hành, quản lý cơ sở, xí nghiệp, công ty, nó mang tính chất kiểm soát và toàn vẹn dữ liệu, nen có thể ứng dụng với quy mô từ nhỏ đến vô cùng lớn, môi trường khắc nghiệt.
Các cơ chế điều khiển thường được ứng dụng trong mạng truyền thông công nghiệp tự động hóa công nghệ bao gồm:
- Bộ điều khiển PLC logic lập trình
- Hệ thống điều khiển DCS phân tán
- Điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu SCADA
Các yếu tố này phụ thuộc nhiều đến yếu tố là: các thiết bị hiện trường, hệ thống thiết bị thông minh, PC tổng điều khiển – giám sát, bộ hiển thị HMI và bộ điều khiển I/O phân tán.
Để các máy tính, thiết bị, máy móc trong hệ thống công nghiệp có thể kết nối và giao tiếp với nhau, cần một mạng lưới truyền thông trung gian hoặc sơ đồ truyền thông thu – phát tín hiệu, dữ liệu mạnh mẽ và hiệu quả hơn, đồng thời phải rất khác biệt so với mạng truyền thống, để tạo thành một một đường dẫn liên lạc tách biệt giữa các máy tính, thiết bị hiện trường, với bộ điều khiển và PC điều khiển, giám sát tổng.
Các mạng truyền thông công nghiệp được sử dụng phổ biến hiện nay bao gồm: Modbus, Ethernet, Devicenet, Controlnet,…
Cấu trúc
Mạng truyền thông công nghiệp sẽ có cấu trúc như sau:
- Phương tiện truyền dẫn để truyền dữ liệu, tín hiệu, thông tin điều khiển, vận hành,… có thể phương tiện dẫn là có dây hoặc không dây.
- Trong trường hợp đường truyền có dây, cáp đường truyền thường dùng là cáp xoắn, cáp đồng trục hoặc cáp quang, tùy theo môi trường và loại mạng mà lựa chọn loại cáp mạng truyền cho phù hợp, vì mỗi loại cáp lại có những đặc tính, đặc điểm truyền dẫn tín hiệu riêng
- Trong trường hợp đường truyền không dây, tín hiệu, thông tin giao tiếp sẽ được thực hiện thông qua sóng radio.
Mạng truyền thông công nghiệp hiện nay có mấy loại?
Mạng truyền thông dùng trong công nghiệp hiện nay có rất nhiều loại mạng khác nhau, mỗi loại mạng lại có kiểu thiết kế kết nối, giao thức truyền thông nhất định để liên kết các thiết bị, máy tính công nghiệp và các mô đun I/O với nhau.
Dựa trên giao thức truyền thông, có thể phân loại thành 5 loại phổ biến như sau:
Mạng truyền thông công nghiệp Modbus
Modbus là một giao thức truyền thông theo mạng hệ thống mở, có thể dẫn truyền qua nhiều lớp vật lý, nên hiện nay nó là phương thức dẫn truyền mạng truyền thông được sử dụng rộng rãi nhất trong tự động hóa công nghiệp.
Nó sử dụng một kỹ thuật giao tiếp nối tiếp để hình thành mối quan hệ chủ/tớ (master/slave), từ đó xây dựng kết nối và thực hiện giao tiếp giữa các máy tính, thiết bị đã được liên kết với nhau trên mạng Modbus. Bởi nó có thể dẫn truyền qua nhiều lớp vật lý, nên có thể thực hiện trên mọi cáp truyền dẫn, nhưng 2 loại cáp được sử dụng phổ biến nhất theo chuẩn giao tiếp tương ứng là RS232 và RS485.
Mạng truyền thông công nghiệp Modbus dùng RS232 hoặc RS485 sẽ kết nối các thiết bị trên mạng với một bộ điều khiển như PLC, cho phép một thiết bị máy chủ có thể giao tiếp với tối đa 247 máy tính, thiết bị vận hành, với tốc độ truyền dữ liệu là 19,2 kbits/s.
Một phiên bản có nhiều cải tiến hơn Modbus RCP/IP là Ethernet, tuy cũng dùng các lớp vật lý để trao đổi dữ liệu giữa các PLC trong mạng truyền thông khác nhau, nhưng nó rất đa dạng, không phân biệt loại mạng, có thể truy cập và kiểm soát một thiết bị này bằng một thiết bị khác trong mọi điều kiện.
Mạng truyền thông nối tiếp
Giao tiếp nối tiếp là hệ thống giao tiếp cơ bản được mọi bộ điều khiển như PLC sử dụng phổ biến. và mạng giao tiếp này sẽ thực hiện các tiêu chuẩn giao tiếp là: RS232, RS422 và RS485.
Mạng truyền thông công nghiệp này sẽ tích hợp vào CPU hoặc mô đun xử lý, bộ điều khiển hoặc giao tiếp riêng trên một mô đun, từ đó sử dụng các giao diện RS để truyền dữ liệu, thông tin, tín hiệu với tốc độ cao và đường truyền xa, nên giúp người điều khiển có thể điều khiển, giám sát,… nhiều thiết bị từ xa thông qua việc đọc mã vạch, hệ thống camera, thiết bị vận hành,… và PLC.
Mạng truyền thông nối tiếp dùng chuẩn giao tiếp RS232 sẽ cần thiết kế với một máy phát và một máy thu, đường cáp dài tối đa 15 mét. Còn với chuẩn giao tiếp nối tiếp RS 422 (1Tx, 10Rx) sẽ dùng đường truyền có chiều dài tối đa 500m và RS485 (32Tx, 32Rx) sẽ dùng đường truyền có chiều dài tối đa 200m.
Mạng truyền thông DeviceNet
Đây là mạng truyền thông công nghiệp bus hệ thống mở đã được phát triển theo công nghệ CAN, chuyên dụng để kết nối các thiết bị, máy tính cấp chấp hành (như công tắc, màn hình bảng điều khiển, cảm biến, đầu đọc mã vạch,..) với một bộ điều khiển cấp cao hơn (như PLC). Mạng phát triển trên hệ thống này có thể hỗ trợ tối đa 2048 thiết bị và 64 điểm kết nối.
Mạng truyền thông công nghiệp hình thức này có ưu điểm là có thể làm nguồn cấp để cấp trực tiếp với nhiều thiết bị chấp hành cùng lúc, nên giảm đáng kể các điểm kết nối vật lý, từ đó giảm chi phí đường dây hơn, vì có tích hợp tất cả các thiết bị trên cáp bốn dây nguồn cấp và dữ liệu.
Nên mạng truyền thông này thường được sử dụng trong các ngành công nghiệp như ô tô, bán dẫn, dầu khí,…
Mạng truyền thông Profibus
Profibus là một mạng truyền thông công nghiệp dạng mở được sử dụng rất phổ biến hiện nay, đặc biệt sử dụng nhiều trong lĩnh vực tự động hóa quá trình và tự động hóa quy mô sản xuất, đặc biệt phù hợp với các nhiệm vụ giao tiếp phức tạp, cần đảm bảo an toàn, bảo mật và nhanh chóng.
Profibus hiện nay có 3 phiên bản khác nhau được sử dụng phổ biến là:
- Profibus-DP (phân cấp ngoại vi): Được sử dụng nhiều trong hệ thống I/O, điều khiển động cơ và biến tần.
- Profibus-PA (tự động hóa quy trình): Được dùng riêng cho các ứng dụng tại hiện trường, nơi hệ thống điều khiển và dụng cụ đo cần giao tiếp.
- Profibus-FMS (đặc tả thông điệp Fieldbus): Hỗ trợ việc giao tiếp trên các hệ thống tự động hóa.
Mạng truyền thông HART
HART là một mạng truyền thông công nghiệp điều khiển quá trình mở, có hỗ trợ truyền tín hiệu, thông tin kỹ thuật số trên đường truyền tín hiệu 4-20mA, từ đó cho phép giao tiếp kỹ thuật số cả hai chiều cùng một lúc trên cùng một hệ thống dây truyền.
Do đó mạng truyền thông công nghiệp HART còn được gọi là mạng lai, thông tin, tín hiệu số truyền qua mạng gọi là tín hiệu HART. Mạng này thường sử dụng trong các ứng dụng SCADA.
Mạng truyền thông công nghiệp HART có thể hoạt động ở chế độ đa điểm hoặc điểm nối điểm theo đặc điểm như sau:
- Mạng truyền thông HART đa điểm nhằm kết nối các thiết bị được đặt cách xa nhau là các thiết bị trường thông minh đa biến, và được sử dụngrất rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp hiện đại ngày nay
- Mạng truyền thông HART chế độ điểm nối điểm, thì dùng dòng tín hiệu 4-20mA để điều khiển quá trình trong khi tín hiệu HART vẫn không bị ảnh hưởng.
Các cấp mạng truyền thông công nghiệp hiện nay.
Cấp độ sử dụng mạng truyền thông sẽ được phân cấp theo các yêu cầu là: bảo mật dữ liệu, đường truyền dữ liệu, khối lượng dữ liệu, …các cấp độ khác nhau sẽ có nhiệm vụ, vai trò khác nhau, cần xử lý các yêu cầu khác nhau, nên trong mạng truyền thông công nghiệp, các bên liên kết truyền dữ liệu, tín hiệu sẽ được phân thành ba cấp bậc theo thứ tự từ cao đến thấp như sau:
Cấp thông tin
Đây là cấp bậc cao nhất trong một hệ thống mạng truyền thông tự động hóa công nghiệp, nó sẽ trực tiếp điều hành một tập hợp các cấp bậc thấp hơn.
Cấp độ này có mạng lưới quy mô lớn, cần xử lý dữ liệu với chiều dài và khối lượng lớn, có thể là không liên tục hoặc cần xử lý liên tục, nhanh chóng, cần đáp ứng tốt về thời gian.
Và mạng Ethernet thường được lựa chọn để xây dựng mạng cấp thông tin cho cơ sở, nhà máy, xí nghiệp sản xuất, để quản lý, lập kế hoạch, trao đổi thông tin, có thể kết nối với các mạng công nghiệp khác thông qua các cổng,…
Cấp kiểm soát
Cấp độ kiểm soát sẽ bao gồm các bộ điều khiển công nghiệp như PLC, bộ điều khiển phân tán và hệ thống máy tính cấp độ thấp hơn để thực hiện các nhiệm vụ, công việc để thực hiện, vận hành mô hình tự động hóa công nghiệp, tải dữ liệu và xử lý dữ liệu biến số của chương trình, kiểm soát giám sát, hiển thị dữ liệu biến trên HMI, lưu trữ lịch sử,…
Do đó, cấp độ kiểm soát cần thỏa mãn các yêu cầu như:
- Tốc độ đường truyền cao.
- Thời gian đáp ứng tín hiệu, thông tin ngắn.
- Độ dài dữ liệu tương đối ngắn.
- Sự đồng bộ hóa máy tốt.
- Cần truyền tín hiệu liên tục.
Ngoài ra, cấp độ mạng này cũng hoạt động như một bus điều khiển để phối hợp và đồng bộ, chuyên môn hóa giữa các đơn vị điều khiển khác nhau, đặc biệt là ControlNet và Profibus là hai bus trường được sử dụng như bus điều khiển. Và ở cấp độ này thì mạng cục bộ LAN được ưa chuộng sử dụng hơn cả.
Cấp thiết bị
Đây là cấp bậc thấp nhất trong một hệ thống mạng truyền thông công nghiệp, gồm sự liên kết giữa các thiết bị hiện trường như cảm biến và cơ cấu chấp hành quá trình và máy móc.
Cấp thiết bị sẽ có nhiệm vụ là nhận thông tin giữa các thiết bị này và PLC, sau đó chuyển đổi, thực hiện nhiệm vụ, công việc được truyền qua tín hiệu đó, và việc truyền thông tin này có thể là kỹ thuật số, analog hoặc hybrid, có giá trị đo nhanh hoặc chậm tùy thiết bị chấp hành.
Các mạng truyền thông này thường gồm các cáp song song, đa dây làm phương tiện truyền dẫn, thông qua chuẩn giao tiếp truyền thông là RS232, RS485 và RS422, tùy theo mức độ phổ biến và cấp độ thiết bị.
Do đây là một hệ thống mạng truyền thông hai chiều, nên sẽ bao gồm nhiều loại bus trường khác để thiết lập nên một hệ thống, như: HART, ControlNet, CAN Bus, Profibus, Foundation Fieldbus và CAN Bus.
So sánh mạng truyền thông công nghiệp với mạng máy tính và mạng viễn thông
So sánh mạng truyền thông công nghiệp với mạng máy tính
Mạng truyền thông công nghiệp thực chất là một hệ thống mạng kết nối đặc biệt của mạng máy tính, nên cũng có nhiều đặc điểm giống với mạng máy tính, đồng thời cũng có nhiều khác biệt. Cụ thể là:
Điểm giống nhau đặc trưng của cả 2 loại mạng này là kỹ thuật truyền thông số hay truyền thông dữ liệu.
Và chúng lại có nhiều đặc điểm khác nhau như sau:
- Mạng máy tính cũng được sử dụng nhiều trong mô hình quản lý công nghiệp tự động hóa, nhưng chỉ là một phần trong mô hình phân cấp của mạng truyền thông công nghiệp, góp phần giúp các cấp điều khiển và giám sát, điều hành sản xuất và quản lý công ty thực hiện tốt nhiệm vụ hơn.
- Mạng máy tính thông thường cũng cần đòi hỏi có độ bảo mật cao, nhưng mạng truyền thông công nghiệp không chỉ yêu cầu cao về tính bảo mật, mà còn cần đáp ứng tốt tính năng thời gian thực và khả năng tương thích với nhiều thiết bị trong môi trường công nghiệp.
- Các hệ thống mạng truyền thông công nghiệp thường có tính chất độc lập, và phạm vi hoạt động có phần hẹp hơn. Trong khi đó, mạng máy tính có phạm vi hoạt động rất rộng, quy mô trong công ty, doanh nghiệp như mạng LAN hoặc lớn trên toàn cầu, như mạng internet.
So sánh mạng truyền thông công nghiệp với mạng viễn thông
Mạng truyền thông công nghiệp và mạng viễn thông cũng có nhiều điểm tương đồng về cơ sở kỹ thuật, nhưng đồng thời cũng có nhiều điểm khác biệt như sau:
- Đối tượng sử dụng và kết nối của mạng viễn thông là con người và thiết bị kỹ thuật, nhưng chủ yếu là con người dùng để trao đổi thông tin, bao gồm cả tiếng nói, hình ảnh, văn bản và dữ liệu thông số,… Trong khi đó, đối tượng của mạng truyền thông công nghiệp chỉ là các thiết bị công nghiệp, và dữ liệu, tín hiệu chính là đối tượng dùng để trao đổi.
- Các kỹ thuật và công nghệ được ứng dụng trong mạng viễn thông rất phong phú, đa dạng trong khi kỹ thuật và công nghệ dùng trong mạng truyền thông công nghiệp chỉ là theo chế độ bit nối tiếp.
- Mạng viễn thông có phạm vi địa lý rất rộng lớn và số lượng thành viên tham gia vô cùng đông đảo, nên yêu cầu nhiều về kỹ thuật như: cấu trúc mạng, tốc độ truyền thông, thời gian thực, tính năng,…ở phương diện rất khác với mạng truyền thông công nghiệp, vì nó chỉ quan tâm đến các phương diện như: truyền tải dải rộng/dải cơ sở, dồn kênh, chuyển mạch,… Như vậy kỹ thuật của mạng viễn thông phức tạp hơn nhiều so với mạng truyền thông công nghiệp.
Lời kết
Sau những nội dung trên, mong rằng bạn đã hiểu hơn về mạng truyền thông công nghiệp, và có phương án ứng dụng tối ưu, phù hợp nhất với mô hình máy móc, thiết bị công nghiệp của cơ sở mình. Và nếu bạn cần tư vấn về các giải pháp tự động hóa ngành nghề sản xuất, hãy liên hệ với Bình Dương AEC chúng tôi theo số HOTLINE 0931.101.388 hoặc đến địa chỉ văn phòng: 87-89 Khuất Duy Tiến, Thanh Xuân, Hà Nội để được đáp ứng nhé!
Địa chỉ xưởng: Lô 25-D14, LK Geleximco, Hà Đông, Hà Nội
Fanpage: https://www.facebook.com/BinhDuongAECb
Email: info@binhduongaec.com.vn
