Mạng cụng nghiệp hay mạng truyền thụng cụng nghiệp là một khỏi niệm chỉ cỏc hệ thống mạng truyền thụng số, truyền bit nối tiếp, được sử dụng để ghộp nối cỏc thiết bị cụng nghiệp. Cỏc hệ thống truyền thụng cụng nghiệp phổ biến hiện nay cho phộp liờn kết mạng ở nhiều mức khỏc nhau, từ cỏc bộ cảm biến, cơ cấu chấp hành dưới cấp trường cho đến cỏc mỏy tớnh điều khiển, thiết bị quan sỏt, mỏy tớnh điều khiển giỏm sỏt và cỏc mỏy tớnh cấp trờn điều hành xớ nghiệp quản lý cụng ty.
Trong lĩnh vực đo lường, điều khiển và tự động húa, việc sử dụng mạng truyền thụng cụng nghiệp (đặc biệt là bus trường) để thay thế cỏch nối điểm - điểm cổ điển giữa cỏc thiết bị cụng nghiệp, mang lại những lợi ớch sau:
- Đơn giản húa cấu trỳc liờn kết giữa cỏc thiết bị cụng nghiệp. - Giỏm đỏng kể giỏ thành dõy nối và cụng lắp đặt hệ thống. - Nõng cao độ linh hoạt, tớnh năng mở của hệ thống.
- Tớnh năng thời gian thực, độ tin cậy và khả năng tương thớch trong mụi trường cụng nghiệp cao.
- Đơn giản húa, tiện lợi húa việc chẩn đoỏn, định vị lỗi, sự cố của cỏc thiết bị. - Nõng cao khả năng tương tỏc giữa cỏc thành phần (phần cứng và phần mềm)
- Mở ra nhiều chức năng và khả năng ứng dụng mới của hệ thống. Vớ dụ, cỏc ứng dụng điều khiển phõn tỏn, điều khiển giỏm sỏt hoặc chẩn đoỏn lỗi từ xa qua Internet.
- Cỏc hệ thống bus trường cũng đó dần thay thế cỏc mạch dũng tương tự 4 - 20mA.
- Ưu thế của giải phỏp dựng mạng cụng nghiệp khụng những nằm ở phương diện kỹ thuật mà cũn ở khớa cạnh hiệu quả kinh tế.
Chớnh vỡ vậy, ứng dụng của nú rộng rói trong hầu hết cỏc lĩnh vực cụng nghiệp như điều khiển quỏ trỡnh, tự động húa xớ nghiệp, điều khiển giao thụng…
Để phõn biệt rừ mạng cụng nghiệp và cỏc hệ thống mạng khỏc ta cú thể đưa ra bảng so sỏnh sau
Bảng 3.1: So sỏnh mạng cụng nghiệp và cỏc mạng khỏc
Mạng cụng nghiệp Cỏc hệ thống mạng khỏc
- Phạm vi địa lý hẹp
- Đối tượng là cỏc thiết bị cụng nghiệp
- Dạng thụng tin là số liệu
- Kỹ thuật truyền dữ liệu theo chế độ bit nối tiếp
- Đơn giản
- Phạm vi địa lý rộng, số lượng thành viờn tham gia lớn
- Đối tượng là cả con người và thiết bị trong đú con người là chủ yếu
- Dạng thụng tin bao gồm tiếng núi, hỡnh ảnh, văn bản
- Cụng nghệ phong phỳ
- Phức tạp
Từ đú ta cú thể kết luận mạng cụng nghiệp thực chất là một dạng đặc biệt của mạng mỏy tớnh, cú thể so sỏnh với mạng mỏy tớnh thụng thường ở những điểm giống nhau và khỏc nhau như sau:
- Kỹ thuật truyền thụng số hay truyền dữ liệu là đặc trưng chung của cả hai hệ thống mạng.
- Trong nhiều trường hợp, mạng mỏy tớnh được sử dụng trong cụng nghiệp được coi là một phần trong mụ hỡnh phõn cấp của mạng cụng nghiệp.
- Yờu cầu tớnh năng thời gian thực, độ tin cậy và khả năng tương thớch trong mụi trường cụng nghiệp của mạng cụng nghiệp cao hơn so với mạng mỏy tớnh thụng thường, mạng mỏy tớnh thường đũi hỏi chế độ bảo mật cao hơn.
- Mạng mỏy tớnh cú phạm vi trải rộng rất khỏc nhau, cú thể chỉ nhỏ như mạng LAN cho một nhúm cỏc mỏy tớnh hoặc rất lớn như mạng Internet.
- Mạng mỏy tớnh cú thể sử dụng giỏn tiếp mạng truyền thụng để truyền dữ liệu cũn mạng cụng nghiệp thường cú tớnh chất độc lập, phạm vi hoạt động tương đối hẹp.
3.2. Cỏc cấp mạng truyền thụng trong hệ thống SCADA
Để sắp xếp phõn loại và phõn tớch đặc trưng của cỏc hệ thống mạng cụng nghiệp, ta dựa vào mụ hỡnh phõn cấp cho cỏc cụng ty, xớ nghiệp sản xuất. Với mụ hỡnh này cỏc chức năng được phõn thành nhiều cấp khỏc nhau được mụ tả trong hỡnh vẽ sau:
Hỡnh 3.1: Mụ hỡnh phõn cấp chức năng và mạng truyền thụng cụng nghiệp
Càng ở cấp dưới thỡ cỏc chức năng càng mang tớnh chất cơ bản hơn và đũi hỏi yờu cầu cao hơn về độ nhanh nhậy, thời gian phản ứng. Một chức năng ở cấp trờn được thực hiện dựa trờn cỏc chức năng cấp dưới, tuy khụng đũi hỏi thời gian phản ứng nhanh như ở cấp dưới, nhưng ngược lại lượng thụng tin cần trao đổi và xử lý lại lớn hơn nhiều. Cú thể coi đõy là mụ hỡnh phõn cấp chức năng cho cả hệ thống tự động húa núi chung cũng như cho hệ thống truyền thụng núi riờng của một cụng ty.
Tương ứng với năm cấp chức năng là bốn cấp của hệ thống truyền thụng. Từ cấp điều khiển giỏm sỏt trở xuống thuật ngữ "bus" thường được dựng thay thế cho "mạng" với lý do phần lớn cỏc hệ thống mạng phớa dưới đều cú cấu trỳc vật lý hoặc logic theo kiểu bus
Mụ hỡnh phõn cấp chức năng sẽ tiện lợi cho việc thiết kế hệ thống và lựa chọn thiết bị. Trong thực tế ứng dụng, sự phõn cấp chức năng cú thể khỏc một chỳt so với trỡnh bày, tựy thuộc vào mức độ tự động húa và cấu trỳc hệ thống cụ thể. Trong những
trường hợp ứng dụng đơn giản như điều khiển trang thiết bị dõn dụng (mỏy giặt, tủ lạnh, điều hũa...), sự phõn chia nhiều cấp cú thể hoàn toàn khụng cần thiết. Ngược lại trong tự động húa một nhà mỏy hiện đại như điện nguyờn tử, xi măng, lọc dầu, ta cú thể chia nhỏ hơn nữa cỏc cấp chức năng để tiện theo dừi.
3.2.1. Bus trường, bus thiết bị
Bus trường (fieldbus) là một khỏi niệm chung được dựng trong cỏc ngành cụng nghiệp chế biến để chỉ cỏc hệ thống bus nối tiếp, sử dụng kỹ thuật truyền tin số để kết nối cỏc thiết bị thuộc cấp điều khiển (PC, PLC) với nhau và với cỏc thiết bị ở cấp chấp hành, hay cỏc thiết bị trường. Cỏc chức năng chớnh của cấp chấp hành là đo lường, truyền động và chuyển đổi tớn hiệu trong cỏc trường hợp cần thiết. Cỏc thiết bị cú khả năng nối mạng là cỏc bộ vào/ra phõn tỏn (distributed I/O) cỏc thiết bị đo lường (sensor, tranducer, transmitter) hoặc cỏc cấp chấp hành (actuator, value) cú tớch hợp khả năng xử lý truyền thụng. Một số kiểu bus trường chỉ thớch hợp nối mạng cỏc thiết bị cảm biến và cơ cấu chấp hành với cỏc bộ điều khiển, cũng được gọi là bus chấp hành/cảm biến.
Trong cụng nghiệp chế tạo (tự động húa dõy chuyền sản xuất, gia cụng, lắp rỏp) hoặc một số lĩnh vực ứng dụng khỏc như tự động húa tũa nhà, sản xuất xe hơi, khỏi niệm bus thiết bị lại được sử dụng phổ biến. Cú thể núi, bus thiết bị và bus trường cú chức năng tương đương, nhưng do những đặc trưng riờng biệt của hai ngành cụng nghiệp, nờn một số tớnh năng cũng khỏc nhau. Tuy nhiờn, sự khỏc nhau này ngày càng khụng rừ rệt, khi mà phạm vi ứng dụng của cả hai loại đều được mở rộng và đan chộo sang nhau. Trong thực tế, người ta cũng dựng chung một khỏi niệm là bus trường.
Do nhiệm vụ của bus trường là chuyển dữ liệu lờn cấp điều khiển để xử lý và chuyển quyết định điều khiển xuống cỏc cơ cấu chấp hành, vỡ vậy yờu cầu về tớnh năng thời gian thực được đặt lờn hàng đầu. Thời gian phản ứng tiờu biểu nằm trong phạm vi từ 0,1 tới vài miligiõy. Trong khi đú, yờu cầu về lượng thụng tin trong một bức điện thường chỉ hạn chế trong khoảng một vài byte, vỡ vậy tốc độ truyền thụng thường chỉ cần ở phạm vi Mbit/s hoặc thấp hơn. Việc trao đổi thụng tin về cỏc biến quỏ trỡnh chủ yếu mạng tớnh chất định kỳ, tuần hoàn, bờn cạnh cỏc thụng tin tham số húa hoặc cảnh bỏo cú tớnh chất bất thường.
Cỏc hệ thống bus trường được sử dụng rộng rói nhất hiện nay là PROFIBUS, ControlNet, INTERBUS, CAN, WordFIP, P-NET, Modbus và gần đõy phải kể tới Foundation Fielfbus, DeviceNet, AS-i, EIB và Bitbus là một vài hệ thống bus cảm biến/chấp hành tiờu biểu cú thể nờu ra ở đõy.
3.2.2. Bus hệ thống, bus điều khiển
Cỏc hệ thống mạng cụng nghiệp được dựng để kết nối cỏc mỏy tớnh điều khiển và cỏc mỏy tớnh trờn cấp điều khiển giỏm sỏt với nhau được gọi là bus hệ thống (system bus) hay bus quỏ trỡnh (process bus). Khỏi niệm sau thường được dựng trong lĩnh vực điều khiển quỏ trỡnh. Qua bus hệ thống mà cỏc mỏy tớnh điều khiển cú thể phối hợp hoạt động, cung cấp dữ liệu quỏ trỡnh cho cỏc trạm kỹ thuật và trạm quan sỏt (cú thể giỏn tiếp thụng qua hệ thống quản lý cơ sở dữ liệu trờn cỏc trạm chủ) cũng như nhận mệnh lệnh, tham số điều khiển từ cỏc trạm phớa trờn. Thụng tin khụng những được trao đổi theo chiều dọc, mà cũn theo chiều ngang. Cỏc trạm kỹ thuật, trạm vận hành và cỏc trạm chủ cũng trao đổi dữ liệu qua bus hệ thống. Ngoài ra cỏc mỏy in bỏo cỏo và lưu trữ dữ liệu cũng cú thể được kết nối qua mạng này.
Chỳ ý phõn biệt giữa cỏc khỏi niệm bus trường và bus hệ thống khụng bắt buộc nằm ở sự khỏc nhau về kiểu bus được sử dụng, mà ở mục đớch sử dụng hay núi cỏch khỏc là ở thiết bị được ghộp nối. Trong một số giải phỏp, một kiểu bus duy nhất được dựng cho cả ở hai cấp này.
Đối với bus hệ thống, tựy theo lĩnh vực ứng dụng mà đũi hỏi về tớnh năng thời gian thực cú được đặt ra một cỏch ngặt nghốo hay khụng. Thời gian phản ứng tiờu biểu nằm trong khoảng một vài trăm miligiõy, trong khi lưu lượng thụng tin cần trao đổi lớn hơn nhiều so với bus trường. Tốc độ truyền thụng tiờu biểu của bus hệ thống nằm trong phạm vi từ vài trăm Kbit/s đến vài Mbit/s.
Khi bus hệ thống chỉ được sử dụng để ghộp nối theo chiều ngang giữa cỏc mỏy tớnh điều khiển, người ta dựng khỏi niệm bus điều khiển. Vai trũ của bus điều khiển là phục vụ trao đổi dữ liệuthời gian thực giữa cỏc trạm điều khiển trong một hệ thống cú cấu trỳc phõn tỏn. Bus điều khiển thụng thường cú tốc độ truyền khụng cao, nhưng yờu cầu về tớnh năng thời gian thực thường rất khắt khe.
Do cỏc yờu cầu về tốc độ truyền thụng và khả năng kết nối dễ dàng nhiều loại mỏy tớnh, hầu hết cỏc bus hệ thống thụng dụng đều dựa trờn nền Ethernet, vớ dụ Industrial Ethernet, Fieldbus Foundation’s High Speed Ethernet (HSE), Ethernet/IP, bờn cạnh đú phải kể đến PROFIBUS- FMS, ControlNet và Modbus Plus.
3.2.3. Mạng xớ nghiệp
Mạng xớ nghiệp thực chất là một mạng LAN bỡnh thường cú chức năng kết nối cỏc mỏy tớnh văn phũng thuộc cấp điều hành sản xuất với cấp điều khiển giỏm sỏt. Thụng tin được đưa lờn trờn bao gồm trạng thỏi làm việc của cỏc quỏ trỡnh kỹ thuật, cỏc giàn mỏy cũng như của hệ thống điều khiển tự động, cỏc số liệu tớnh toỏn, thống kờ và diễn biến quỏ trỡnh sản xuất và chất lượng sản phẩm. Thụng tin theo chiều ngược lại là cỏc thụng số thiết kế, cụng thức điều khiển và mệnh lệnh điều khiển. Ngoài ra thụng
tin cũng được trao đổi mạnh theo chiều ngang giữa cỏc mỏy tớnh thuộc cấp điều hành sản xuất, vớ dụ hỗ trợ kiểu làm việc theo nhúm, cộng tỏc trong dự ỏn, sử dụng chung cỏc tài nguyờn nối mạng (mỏy in, mỏy chủ...).
Khỏc với cỏc hệ thống bus cấp dưới, mạng xớ nghiệp khụng yờu cầu nghiờm ngặt về tớnh năng thời gian thực. Việc trao đổi dữ liệu khụng diễn ra định kỳ, nhưng cú khi với số lượng lớn đến hàng Mbyte. Hai loại mạng được dựng phổ biến cho mục đớch này là Ethernet và Token-Ring. Trờn cơ sở giao thức chuẩn như TCP/IP và IPX/SPX.
3.2.4. Mạng cụng ty
Mạng cụng ty nằm trờn cựng trong mụ hỡnh phõn cấp hệ thống truyền thụng của một cụng ty sản xuất cụng nghiệp. Đặc trưng của mạng cụng ty gần với mạng viễn thụng hoặc một mạng mỏy tớnh diện rộng nhiều hơn trờn cỏc phương diện phạm vi và hỡnh thức dịch vụ, phương phỏp truyền thụng và cỏc yờu cầu về kỹ thuật. Chức năng của mạng cụng ty là kết nối cỏc mỏy tớnh của cỏc văn phũng của cỏc xớ nghiệp, cung cấp cỏc dịch vụ trao đổi thụng tin nội bộvà với cỏc khỏch hàng như thư viện điện tử, thư điện tử, hội thảo từ xa qua điện thoại, hỡnh ảnh, cung cấp dịch vụ truy cập Internet và thương mại điện tử... Hỡnh thức tổ chức ghộp nối mạng cũng như cỏc cụng nghệ được ỏp dụng rất đa dạng tựy thuộc vào đầu tư của cụng ty. Trong nhiều trường hợp, mạng cụng ty và mạng xớ nghiệp được thực hiện bằng một hệ thống mạng duy nhất về mặt vật lý, nhưng chia thành nhiều phạm vi và nhúm mạng làm việc riờng biệt.
Mạng cụng ty cú vai trũ như một đường cao tốc trong hệ thống hạ tầng cơ sở truyền thụng của một cụng ty, vỡ vậy đũi hỏi về tốc độ truyền thụng và độ an toàn, tin cậy đặc biệt cao, Fast Ethernet, FDDI, ATM là một vài vớ dụ cụng nghệ tiờn tiến được ỏp dụng ở đõy trong hiện tại và tương lai.
3.3. Cỏc chuẩn giao tiếp
3.3.1. Cỏc phương thức truyền dẫn
a)Truyền dẫn khụng đối xứng
Truyền dẫn khụng đối xứng sử dụng điện ỏp của một dõy dẫn so với đất để thể hiện trạng thỏi logic (1 và 0) của một tớn hiệu số. Một trong những ưu điểm của phương thức truyền dẫn khụng đối xứng là chỉ cần một đường dõy đất chung cho nhiều kờnh tớn hiệu trong trường hợp cần thiết. Nhờ vậy tiết kiệm được số lượng dõy dẫn và cỏc linh kiện ghộp nối.
Nhược điểm cơ bản của phương phỏp này là khả năng chống nhiễu kộm. Nguyờn nhõn gõy nhiễu ở đõy cú thể là mụi trường xung quanh hoặc do chờnh lệch điện ỏp đất của cỏc đối tỏc truyền thụng.
+V -V +V -V +V -V +V -V RXD TXD TXD RXD GND Hỡnh 3.2: Mụ hỡnh truyền dẫn khụng đối xứng b) Truyền dẫn chờnh lệch đối xứng
Truyền dẫn chờnh lệch đối xứng sử dụng điện ỏp giữa 2 dõy dẫn ( A và B hay dõy + và dõy -) để biểu diễn trạng thỏi logic (1 và 0) của tớn hiệu và khụng phụ thuộc vào đất. Khỏi niệm “chờnh lệch đối xứng” ở đõy dựng để chỉ sự cõn xứng về mặt điện ỏp của hai dõy so với đất trong điều kiện làm việc bỡnh thường. Một tỏc động nhiễu bờn ngoài sẽ làm tăng hay giảm tức thời điện ỏp ở cả hai dõy một giỏ trị gần tương đương, vỡ thế tớn hiệu ớt bị sai lệch. Sự khỏc nhau về điện ỏp đất giữa cỏc thiết bị tham gia truyền thụng cũng hầu như khụng ảnh hưởng trực tiếp tới việc đỏnh giỏ giỏ trị logic của tớn hiệu. Phương thức truyền dẫn chờnh lệch đối xứng dựng trong cỏc hệ thống truyền thụng tốc độ cao, phạm vi rộng. - + TTL - + TTL DTE DCE E E SD RD A A A A B B B B Hỡnh 3.3: Mụ hỡnh truyền dẫn khụng đối xứng 3.3.2 Giao tiếp RS -232
RS-232 (tương ứng với chuẩn chõu Âu là CCITT V.24) là chuẩn truyền nối tiếp, kiểu điểm - điểm, sử dụng phương thức truyền dẫn khụng đối xứng với chế độ làm việccú thể là 1 chiều, hai chiều hay hai chiều toàn phần (full-duplex). Ban đầu nú được xõy dựng phục vụ chủ yếu trong việc ghộp nối giữa hai thiết bị đầu cuối , giữa
mỏy tớnh và mỏy in, hoặc giữa một thiết bị đầu cuối và một thiết bị truyền dữ liệu hoặc với cỏc mỏy tớnh khỏc. Hiện nay nhiều thiết bị cụng nghiệp cũng tớch hợp cổng RS-232 phục vụ lập trỡnh hoặc tham số húa, thiết bị đo lường,….Trong mỏy tớnh cổng RS232 cũn được gọi là cổng Com.
+ Đặc tớnh điện học:
RS-232 sử dụng phương thức truyền khụng đối xứng, tức là sử dụng tớn hiệu điện ỏp chờnh lệch giữa một dõy dẫn và đất.
Mức điện ỏp logic được định nghĩa từ -3V đến -15V mức logic "1" và từ +3V đến +15V mức logic "0". Khoảng từ -3V đến 3V khụng xỏc định được mức logic.
Chớnh vỡ từ -3V đến 3V là phạm vi khụng được định nghĩa, trong trường hợp