3.3.2.1. Khái niệm.
Mạng truyền thông công nghiệp hay mạng công nghiệp (MCN) là một khái niệm chung để chỉ các hệ thống mạng truyền thông số, truyền bit dữ liệu nối tiếp, được sử dụng để ghép nối các thiết bị công nghiệp.
Phân loại các hệ thống mạng
Để thấy rõ phạm vi đề cập của từng lĩnh vực truyền thông ta cần phân biệt được mạng truyền thông công nghiệp và các hệ thống mạng viễn thông, mạng máy tính. Về cơ sở kỹ thuật, mạng công nghiệp và các hệ thống mạng viễn thông có rất nhiều điểm tương đồng, tuy nhiên cũng có những điểm khác biệt sau:
Mạng viễn thông có phạm vi địa lý và số lượng thành viên tham gia lớn hơn rất nhiều, nên các yêu cầu về kỹ thuật như cấu trúc mạng, tốc độ truyền thông, tính thời gian thực… rất khác nhau, cũng như các phương pháp truyền thông thường phức tạp hơn nhiều so với các mạng công nghiệp.
Đối tượng của mạng viễn thông bao gồm cả con người và thiết bị kỹ thuật, trong đó con người đóng vai trò chủ yếu. Vì vậy các dạng thông tin cần trao đổi bao
gồm cả tiếng nói, hình ảnh, văn bản và dữ liệu. Đối tượng của mạng công nghiệp thuần tuý là các thiết bị công nghiệp, nên dạng thông tin được quan tâm duy nhất là dữ liệu. Các kỹ thuật và công nghệ được dùng trong mạng viễn thông rất phong phú, trong khi kỹ thuật truyền dữ liệu theo chếđộ bit nỗi tiếp là đặc trưng của mạng công nghiệp.
Mạng truyền thông công nghiệp thực chất là một dạng đặc biệt của mạng máy tính, có thể so sánh với mạng máy tính thông thường ở những điểm giống và khác nhau sau:
+ Truyền thông số hay truyền dữ liệu là đặc trưng cho cả hai lĩnh vực.
+ Trong nhiều trường hợp mạng máy tính sử dụng trong công nghiệp được coi là một phần (ở cấp điều khiển giám sát, điều hành sản xuất và giám sát công ty) trong mô hình phân cấp của mạng công nghiệp.
+ Yêu cầu về tính năng thời gian thực, độ tin cậy và khả năng tương thích trong môi trường của mạng công nghiệp là cao hơn mạng máy tính thông thường, trong khi đó mạng máy tính thường đòi hỏi cao về tính bảo mật.
+ Mạng máy tính có phạm vi trải rộng rất khác nhau và trong nhiều trường hợp, mạng máy tính gián tiếp sử dụng dịch vụ truyền dữ liệu của mạng truyền thông. Trong khi đó, cho đến nay thì các hệ thống mạng công nhiệp thường có tính chất độc lập, phạm vi hoạt động tương đối hẹp.
3.3.2.2. Vai trò của mạng truyền thông công nghiệp
Việc sử dụng mạng truyền thông công nghiệp sẽ mang lại hàng loạt những lợi ích sau:
- Đơn giản hoá cấu trúc liên kết giữa các thiết bị công nghiệp: Một số lượng lớn các thiết bị thuộc các chủng loại khác nhau được ghép nối với nhau thông qua một đường truyền dẫn duy nhất.
- Tiết kiệm dây nối và công thiết kế, lắp đặt hệ thống: Nhờ cấu trúc đơn giản, việc thiết kế hệ thống trở nên dễ dàng hơn nhiều. Một số lượng lớn cáp truyền được thay thế bằng một đường duy nhất, giảm chi phí đáng kể cho nguyên vật liệu và công lắp đặt.
- Nâng cao độ tin cậy và độ chính xác của thông tin: Khi dùng phương pháp truyền tín hiệu tương tự cổđiển, tác động của nhiễu dễ làm thay đổi nội dung thông tin mà các thiết bị không có cách nào nhận biết. Nhờ kỹ thuật truyền thông số, không những thông tin truyền đi khó bị sai lệch hơn, mà các thiết bị nối mạng còn có thêm khả năng tự phát hiện lỗi và chuẩn đoán lỗi nếu có. Hơn thế nữa, việc bỏ qua nhiều lần chuyển đổi qua lại tương tự-số và số-tương tự nâng cao độ chính xác của thông tin.
- Nâng cao độ linh hoạt, tính năng mở của hệ thống: Một hệ thống mạng chuẩn hoá quốc tế tạo điều kiện cho việc sử dụng các thiết bị của nhiều hãng khác nhau. Việc thay thế thiết bị, nâng cấp và mở rộng phạm vi chức năng của hệ thống cũng dễ dàng hơn nhiều. Khả năng tương tác giữa các thành phần (phần cứng và phần mềm) được nâng cao nhờ các giao diện chuẩn.
- Đơn giản hoá/tiện lợi hoá việc tham số hoá, chuẩn đoán, định vị lỗi, sự cố của các thiết bị: Với một đường truyền duy nhất, không những các thiết bị có thể trao đổi dữ liệu quá trình, mà còn có thể gửi cho nhau các dữ liệu tham số, dữ liệu trạng thái, dữ liệu cảnh báo và dữ liệu chuẩn đoán. Các thiết bị có thể tích hợp khả năng cảnh giới lẫn nhau. Việc cấu hình hệ thống, lập trình, tham số hoá, chỉnh định thiết bị và đưa vào vận hành có thểđược thực hiện từ xa qua một trạm kỹ thuật trung tâm.
- Mở ra nhiều chức năng và khả năng ứng dụng mới của hệ thống: Sử dụng mạng truyền thông công nghiệp cho phép áp dụng các kiến trúc điều khiển mới như điều khiển phân tán, điều khiển phân tán với các thiết bị trường, điều khiển giám sát hoặc chuẩn đoán lỗi từ xa qua internet, tích hợp thông tin của hệ thống điều khiển và giám sát với thông tin điều hành sản xuất và quản lý công ty.
Có thể nói mạng truyền thông công nghiệp đã làm thay đổi hẳn tư duy về thiết kế và tích hợp hệ thống. Ưu thế của giải pháp dùng mạng công nghiệp không những nằm ở phương diện kỹ thuật, mà còn ở khía cạnh hiệu quả kinh tế. Chính vì vậy, ứng dụng của nó rộng rãi trong hầu hết các lĩnh vực công nghiệp, như điều khiển quá trình, tựđộng hoá xí nghiệp, tựđộng hoá toà nhà, điều khiển giao thông, v.v...
3.3.2.3. Phân loại và đặc trưng các hệ thống MCN
Như ta thấy, mô hình phân cấp chức năng sẽ tiện lợi cho việc thiết kế hệ thống và lựa chọn thiết bị. Trong thực tế ứng dụng, sự phân cấp chức năng có thể khác một chút so với trình bầy ởđây, tuỳ thuộc vào mức độ tựđộng hoá và cấu trúc hệ thống cụ thể.
Hình 3. 17: Mô hình phân cấp chức năng mạng truyền thông công nghiệp
- Bus trường (fieldbus): Là khái niệm chung được dùng trong các ngành công nghiệp chế biến để chỉ các hệ thống bus nối tiếp, sử dụng ký thuật truyền tin số để kết nối các thiết bị thuộc cấp điều khiển (PC, PLC) với nhau và với các thiết bịở cấp chấp hành, hay các thiết bị trường.
Các hệ thống bus trường được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay là : PROFIBUS, ControlNet, Fuondation Fieldbus...
- Bus hệ thống: Các hệ thống mạng công nghiệp được dùng để kết nối các máy tính điều khiển và các máy tính trên cấp điều khiển dám sát với nhau được gọi là bus hệ thống (system bus).
Do các yêu cầu về tốc độ truyền thông và khả năng kết nối dễ dàng nhiều loại máy tính, hầu hết các bus hệ thống thông dụng đều dựa trên nền Ethernet, ví dụ: Industrial Ethernet, Fieldbus Foundation’s High...
- Mạng xí nghiệp: Thực ra là mạng Lan bình thường, có chức năng kết nối các máy tính văn phòng thuộc cấp điều hành sản xuất với cấp điều khiển giám sát. Hai loại mạng được dùng phổ biến hiện nay là Ethernet và Token-Ring trên cơ sở các giao thức chuẩn như TCP/IP và IPX/SPX.
- Mạng công ty: Nằm trên cùng trong mô hình phân cấp hệ thống truyền thông của một công ty sản xuất công nghiệp. Chức năng kết nối các máy tính văn phòng của xí nghiệp, cung cấp dịch vụ trao đổi thông tin nội bộ và với khách hàng... Mạng công ty đòi hỏi về tốc độ truyền thông và độ an toàn, tin cậy đặc biệt cao. Một vài ví dụ mạng truyền thông được dùng trong mạng công ty là : Fast Ethernet, FDDI, ATM...
3.3.2.4. PROFIBUS
PROFIBUS (Process Field Bus) là một hệ thống bus trường được phát triển tại Đức từ năm 1987, do 21 công ty và cơ quan nghiên cứu hợp tác.
PROFIBUS định nghĩa các đặc tính của một hệ thống bus cho phép kết nối nhiều thiết bị khác nhau, từ các thiết bị trường cho tới vào/ra phân tán, các thiết bị điều khiển và giám sát. PROFIBUS định nghĩa ba loại giao thức là PROFIBUS- FMS, PROFIBUS-DP và PROFIBUS-PA.
FMS là giao thức nguyên bản của PROFIBUS, được dùng chủ yếu cho việc giao tiếp giữa các máy tính điều khiển và điều khiển giám sát.
PROFIBUS-DP ra đời vào năm 1993, là một giao thức đơn giản và nhanh hơn nhiều so với FMS, nó được xây dựng tối ưu cho việc kết nối các thiết bị vào/ra phân tán và các thiết bị trường với các máy tính điều khiển.
PROFIBUS-FMS và DP lúc đầu được sử dụng phổ biến trong các ngành công nghiệp chế tạo, lắp ráp.Tuy nhiên gần đây, do sự cạnh tranh của các hệ dựa trên nền Ethernet (Ethernet/IP, profinet,…) thì vai trò của PROFIBUS-FMS ngày
càng mờ nhạt. Trong khi đó thì ứng dụng của PROFIBUS-DP ngày càng lan rộng sang các lĩnh vực khác.
PROFIBUS-PA là sự mở rộng của PROFIBUS-DP xuống cấp trường cho lĩnh vực công nghiệp chế biến, nó được sử dụng để nối trực tiếp các thiết bị trường trong các lĩnh vực tự động hoá các quá trình có môi trường dễ cháy nổ, đặc biệt trong công nghiệp chế biến.
PROFIBUS là giải pháp chuẩn, đáng tin cậy cho nhiều phạm vi ứng dụng khác nhau, đặc biệt là các ứng dụng có yêu cầu cao về tính năng thời gian thực.
¾ Kiến trúc giao thức
PROFIBUS chỉ thực hiện các lớp 1, 2 và 7 trong mô hình qui chiếu OSI, nhưng PROFIBUS-DP và –PA bỏ qua cả lớp 7 nhằm tối ưu hoá việc trao đổi dữ liệu quá trình giữa cấp điều khiển với cấp chấp hành.
¾ Cấu trúc mạng và kỹ thuật truyền dẫn
Tuỳ theo ứng dụng trong các ngành công nghiệp cụ thể mà PROFIBUS sử dụng kỹ thuật truyền dẫn khác nhau, bao gồm: RS-485, RS-485IS, cáp quang và MBP.
- Truyền dẫn với RS-485:
o Tốc độ truyền thông từ 9,6 kbit/s đến 12 Mbit/s.
o Cấu trúc đường thẳng kiểu đường trục/đường nhánh hoặc daisy-chain. o Cáp truyền được sử dụng là đôi dây cáp xoắn có bảo vệ (STP).
o Chiều dài tối đa của một đoạn mạng từ 100 đến 1200m, phụ thuộc vào tốc độđường truyền được lựa chọn.
o Số lượng trạm tối đa trong một đoạn mạng là 32, có thể dùng tối đa 9 bộ lặp tức 10 đoạn mạng, tổng số trạm tối đa trong một mạng là 126.
o Chếđộ truyền tải không đồng bộ và hai chiều không đồng thời. o Phương pháp mã hoá bit NRZ.
- Truyền dẫn với RS-485IS:
o Một trong nhưng ưu điểm của RS-485IS là cho phép truyền tốc độ cao vì nó được phát triển để phù hợp với môi trường đòi hỏi an toàn cháy nổ.
- Truyền dẫn với cáp quang:
o Cáp quang thích hợp đặc biệt trong các lĩnh vực ứng dụng có môi trường làm việc nhiễu mạnh hoặc đòi hỏi phạm vi phủ mạng lớn.
o Loại cáp quang có thểđược sử dụng:
Sợi thuỷ tinh đa chế độ với khoảng cách truyền tối đa 2-3 km và thủy tinh đơn chếđộ với khoảng cách truyền tối đa trên 15 km.
Sợi chất dẻo với chiều dài tối đa 80m và sợi HSC với chiều dài tối đa 500m.
Do đặc điểm liên kết điểm-điểm ở cáp quang nên cấu trúc mạng chỉ có thể là hình sao hoặc mạch vòng.
- Truyền dẫn với MBP:
o Trong một số ngành công nghiệp chế biến, đặc biệt là ngành công nghiệp xăng dầu, hoá chất, môi trường làm việc rất nhạy cảm với xung điện nên mức điện áp cao trong chuẩn truyền dẫn RS485 không thích hợp, PROFIBUS-PA sử dụng lớp vật lý theo phương pháp MBP. Phương pháp mã hoá bit Manchester rất bền vững với nhiễu cho nên cho phép sử dụng mức tín hiệu thấp hơn nhiều so với RS-485, đồng thời cho phép các thiết bị tham gia bus được cung cấp nguồn với cùng đường dẫn tín hiệu.
o Cấu trúc mạng có thể sử dụng: đường thẳng (đường trục/đường nhánh), hình sao hoặc cây.
o Cáp truyền thông dụng: đôi dây xoắn STP với trởđầu cuối dạng RC (100Ω và 2µf).
¾ Truy nhập bus
PROFIBUS phân biệt hai loại thiết bị chính là trạm chủ (master) và trạm tớ (slave). Một trạm chủ có khả năng kiểm soát truyền thông trên bus và nó có thể gửi thông tin khi nó giữ quyền truy nhập bus. Các trạm tớ chỉđược truy nhập bus khi có yêu cầu của trạm chủ. Trạm tớ thực hiện ít dịch vụ hơn, giao thức xử lý đơn giản hơn so với trạm chủ.
Hai phương pháp truy nhập bus có thể áp dụng độc lập hoặc kết hợp là Token-Passing và Master/Slave.
- Token-Passing thích hợp với các mạng FMS dùng ghép nối các thiết bịđiều khiển và giám sát đẳng quyền
- Master/Slave thích hợp với việc trao đổi dữ liệu giữa một thiết bị điều khiển với thiết bị trường cấp dưới sử dụng PA hoặc DP.
Hình 3. 18: Mô hình truy nhập bus sử dụng kết hợp Token-Passing và Master/Slave
- Sử dụng kết hợp: nhiều trạm tích cực có thể tham gia giữ Token. Một trạm tích cực nhận được Token sẽđóng vai trò là chủđể kiểm soát việc giao tiếp với các trạm tớ nó quản lý, hoặc có thể tự do giao tiếp với các trạm tích cực khác trong mạng.