Bài viết này, sẽ chia sẻ cho các bạn những khái niệm, định nghĩa cơ bản các chuẩn giao tiếp và giao thức truyền thông phổ biến trong công nghiệp được dựa trên trình chuyên môn của chúng tôi. Ví dụ như các khái niệm về: Serial Port, USB, RS232/RS422/RS485, Ethernet, Modbus, MQTT, CAN, PROFINET, PROFIBUS,..
1. Cổng nối tiếp (Serial Port)
Serial port hay cổng nối tiếp là một khái niệm dùng để định nghĩa các cổng hoạt động theo nguyên lý nối tiếp, tuy nhiên với chủ đề bài viết hôm nay chúng ta chỉ nói đến các cổng nối tiếp thông dụng được sử dụng trong truyền thông công nghiệp như: COM, RS232/RS422/RS485,.. Và RS ở đây là từ viết tắt của “Recommended Standard”, tức là các “tiêu chuẩn khuyến nghị”. Trong kỹ thuật truyền thông người ta còn có thể phân loại theo khái niệm đơn công (simplex) và song công (duplex).
Đơn công có thể hiểu đơn giản là truyền thông đường một chiều, dữ liệu chỉ truyền trên một hướng. Tức là, một thiết bị chỉ có thể là một máy phát hoặc máy thu mà thôi. Truyền thông đơn công lại rất hiệu quả trong việc truyền một lượng lớn thông tin đến một số lượng lớn máy thu.
Truyền thông song công khắc phục được hạn chế của truyền thông đơn công bằng khả năng cho phép các thiết bị hoạt động như các bộ thu phát. Dữ liệu truyền trên cả hai hướng, do đó cho phép chúng thực hiện nhận tín hiệu và phát tín hiệu điều khiển cùng một lúc. Qua đây, ta có thể thấy RS-232, RS-422 là truyền thông thông song công hoàn toàn; còn RS-485 là hoạt động theo kiểu bán song công.
Tìm hiểu chi tiết vềRS-232/RS422/RS485
2. Cổng USB (Universal Serial Bus)
USB (Universal Serial Bus)
USB là từ viết tắt của cụm từ Universal Serial Bus, là một chuẩn kết nối có dây trong máy tính. Chuẩn USB được sử dụng với mục đích là để kết nối các thiết bị (điện thoại, máy tính bảng, máy chụp ảnh, máy quay phim, máy nghe nhạc hoặc các thiết bị công nghiệp khác như bộ thu thập dữ liệu, remote I/O,… với máy tính. Hình dạng của USB thì có nhiều loại dài, dẹp, vuông đủ loại.
Tính đến thời điểm hiện nay thì USB có 2 loại chính là cổng USB 2.0 và cổng USB 3.0, cổng USB 3.0 là phiên bản nâng cấp của USB 2.0. Về lí thuyết thì tốc độ ghi chép dữ liệu của USB 2.0 là 60 MB/s, còn USB 3.0 là 600 – 625 MB/s. Có thể thấy tốc độ trên lệch nhau gấp 10 lần, tuy nhiên trong thực tế khi sử dụng thì con số này khiêm tốn hơn, chỉ nhanh hơn khoảng 3 lần.
3. Ethernet (LAN, RJ45)
Ethernet là một dạng công nghệ truyền thông dùng để kết nối các mạng LAN cục bộ, cho phép các thiết bị có thể giao tiếp với nhau thông qua một giao thức – một bộ quy tắc hoặc ngôn ngữ mạng chung. Là một lớp giao thức data-link trong tầng TCP/IP, Ethernet cho thấy các thiết bị mạng có thể định dạng và truyền các gói dữ liệu như thế nào, sao cho các thiết bị khác trên cùng phân khúc mạng cục bộ có thể phát hiện, nhận và xử lý các gói dữ liệu đó. Cáp Ethernet là một hệ thống dây vật lý để truyền dữ liệu qua.
So với công nghệ mạng LAN không dây, Ethernet thường ít bị gián đoạn hơn – cho dù là do nhiễu sóng vô tuyến, trở ngại vật lý hay băng thông. Ethernet cũng cung cấp mức độ bảo mật và kiểm soát mạng tốt hơn so với công nghệ không dây (các thiết bị phải được kết nối bằng cáp vật lý – người ngoài sẽ gặp khó khăn khi truy cập dữ liệu mạng hay khi cố gắng điều hướng băng thông cho các thiết bị không được cung cấp.
Hiện thời công nghệ Ethernet thường được sử dụng nhất là công nghệ sử dụng cáp đôi xoắn 10-Mbps. Công nghệ truyền thông 10-Mbps sử dụng hệ thống cáp đồng trục cỡ lớn, hoặc cáp đôi, cáp sợi quang. Tốc độ chuẩn cho hệ thống Ethernet hiện nay là 100-Mbps, 1000-Mbps.
4. Giao thức MODBUS
Modbus là một chuẩn truyền thông công nghiệp được Modicon (Modicon hiện đã trực thuộc Schneider) phát triển từ năm 1979 để thay thế các chuẩn truyền thông truyền thống trước đó. Cách thức hoạt động của Modbus là dựa trên nguyên tắc Master – Slave (bên nhận – bên gửi tín hiệu), nhằm truyền dữ liệu từ các thiết bị đầu cuối về PLC hoặc SCADA.
Hiện nay, trong ngành công nghiệp chúng ta có những chuẩn truyền thông Modbus phổ biến như: Modbus RTU , Modbus ASCII , Modbus TCP/IP.
Xem thêm: Tổng quan về giao thức MODBUS
5. CAN (Control Area Network)
CAN là từ viết tắt của cụm từ tiếng anh Control Area Network, xuất phát là một phát triển chung của hai hãng Bosch và Intel nhằm phục vụ việc nối mạng trong các phương tiện giao thông cơ giới để thay thế cách nối điểm – điểm cổ điển, sau đó được chuẩn hóa quốc tế trong ISO 11898. Với một số chủng loại ô tô cỡ lớn, chiều dài dây dẫn tổng cộng trong cách nối điểm – điểm có thể lên tới hàng kilomet, và khối lượng riêng của dây dẫn cũng lên tới hàng trăm kilogram. Chỉ tính 2 yếu tố này thì cũng đã thấy sự hiệu quả của việc sử dụng một hệ thống bus trường như CAN (CANbus) để giải quyết được vấn đề này. Nhờ tốc độ truyền dẫn tương đối cao ở khoảng cách ngắn và những ưu thế ở một số đặc tính kỹ thuật mà công nghệ này đã được đưa vào một số lĩnh vực tự động hóa công nghiệp.
- Kích thước dữ liệu: tối đa 8 byte/frame
- Tốc độ truyền: tối đa 1Mbps trong phạm vi 40m
- Phạm vi tối đa: 6 km với tốc độ 10 kbps
- Số node tối đa: 70 nodes
Hiện nay ngoài CANbus, chúng ta còn được nghe đến những khái niệm giao thức truyền thông công nghiệp khác như: CANopen, CANlayer2, DeviceNet => chúng đều được xây dựng trên tiêu chuẩn CAN.
6. HART (Highway Addressable Remote Transducer)
HART (Highway Addressable Remote Transducer) là một giao thức mạng điều khiển quá trình mở, có thể truyền tín hiệu truyền thông kỹ thuật số trên cùng một đường truyền với các tín hiệu 4-20mA.
Đây là giao thức 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 mạng truyền thông công nghiệp chuẩn HART này còn được gọi là mạng lai.
Tín hiệu số này được gọi là tín hiệu HART mang thông tin chẩn đoán, cấu hình thiết bị, hiệu chuẩn và các phép đo khác…
Mạng HART hoạt động ở chế độ điểm-điểm hoặc đa điểm. Trong chế độ điểm-điểm, tín hiệu dòng 4-20 mA được sử dụng để điều khiển quá trình trong khi tín hiệu HART vẫn không bị ảnh hưởng.
Mạng HART đa điểm được sử dụng khi các thiết bị được đặt cách xa nhau. Các thiết bị trường thông minh đa biến tương thích HART được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp. Mạng truyền thông công nghiệp HART chủ yếu được sử dụng trong các ứng dụng SCADA.
7. BACnet (Building Automation and Control Network)
BACnet là từ viết tắt của Building Automation and Control Network hay còn được hiểu là mạng điều khiển và tự động tòa nhà. Đây là tiêu chuẩn được phát triển bởi ASHRAE Hoa Kỳ. BACnet trở thành tiêu chuẩn ASHRAE/ ANSI 135 vào năm 1995 và sau đó qua nhiều lần nâng cấp và sửa đổi, năm 2003 BACnet trở thành tiêu chuẩn quốc tế ISO-16484-5.
Giao thức BACnet xác định một số dịch vụ được sử dụng để liên lạc giữa các thiết bị xây dựng. Các dịch vụ giao thức bao gồm Who-Is, I-Am, Who-Has, I-Have, được sử dụng để khám phá Thiết bị và Đối tượng. Các dịch vụ như Tài sản Đọc và Thuộc tính Viết được sử dụng để chia sẻ dữ liệu. Kể từ ANSI / ASHRAE 135-2016, giao thức BACnet xác định 60 loại đối tượng được thực hiện bởi các dịch vụ.
Giao thức BACnet xác định một số lớp liên kết / lớp vật lý dữ liệu, bao gồm ARCNET, Ethernet, BACnet / IP, BACnet / IPv6, BACnet / MSTP, Point-To-Point trên RS-232, Master-Slave/ Token-Passing trên RS- 485, ZigBee và LonTalk.
8. EtherCAT (Ethernet for Control Automation Technology)
EtherCAT (Ethernet for Control Automation Technology) ban đầu được phát triển bởi Beckhoff Automation , một nhà sản xuất PLC (Bộ điều khiển logic khả trình) được sử dụng trong các hệ thống điều khiển thời gian thực và tự động hóa công nghiệp.
Họ đã phát triển phiên bản Fieldbus của riêng mình có tên là “LightBus” vào cuối những năm 1980, để giải quyết vấn đề băng thông của các giao diện khác. Việc ứng dụng bổ sung trên giao thức này cuối cùng đã dẫn đến việc phát minh ra EtherCAT.
Beckhoff đã giới thiệu EtherCAT với thế giới vào năm 2003. Và sau đó vào năm 2004, họ đã trao quyền cho ETG (EtherCAT Technology Group) – những người chịu trách nhiệm quảng bá tiêu chuẩn này. ETG có một nhà phát triển và nhóm người dùng rất tích cực. EtherCAT được tiêu chuẩn hóa theo IEC 61158 và là một chuẩn truyền thông công nghiệp.
9. ProfiNet (Process Field Net)
ProfiNet là từ viết tắt của cụm từ Process Field Net, là một tiêu chuẩn truyền thông công nghiệp để truyền dữ liệu qua Ethernet nhằm thu thập dữ liệu và điều khiển các thiết bị trong các hệ thống công nghiệp. Với khả năng mạnh mẽ trong việc cung cấp dữ liệu theo sự hạn chế của thời gian (theo thứ tự 1ms trở xuống). Tiêu chuẩn này được PROFIBUS & PROFINET International (PI), một tổ chức có trụ sở tại Karlsruhe của Đức duy trì và hỗ trợ.
PROFINET IO triển khai các giao tiếp với các thiết bị ngoại vi kết nối trường, dựa trên cơ sở xếp tầng thời gian thực. PROFINET IO định nghĩa toàn bộ quá trình trao đổi dữ liệu giữa các bộ điều khiển (bộ điều khiển IO) và các thiết bị (thiết bị IO), cũng sẽ chuẩn đoán và thiết lập thông số. Bộ điều khiển IO thường là PLC, DCS hoặc IPC; trong đó IO-Devices có thể thay đổi: khối I/O, trình điều khiển, cảm biến hay bộ điều khiển vị trí,..
10. ProfiBus (Process Field Bus)
PROFIBUS là từ viết tắt của cụm từ Process Field Bus là một chuẩn cho truyền thông Fieldbus trong kỹ thuật tự động hóa và được phát triển lần đầu vào năm 1989 bởi BMBF (phòng giáo dục và nghiên cứu Đức) và sau đó được sử dụng bởi Siemens. Trong sản xuất, các ứng dụng tự động hóa quá trình công nghiệp và tự động hóa tòa nhà, các mạng trường nối tiếp (serial fieldbus) có thể hoạt động như hệ thống truyền thông, trao đổi thông tin giữa các hệ thống tự động hóa và các thiết bị hiện trường phân tán. Chuẩn này cũng cho phép các thiết bị của nhiều nhà cung cấp khác nhau giao tiếp với nhau mà không cần điều chỉnh giao diện đặc biệt.
Họ PROFIBUS có 3 kiểu giao thức là: PROFIBUS DP, PA, FMS trong đó PROFIBUS-DP được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay.
- PROFIBUS DP: là bus cấp thiết bị hỗ trợ cả tín hiệu tương tự và tín hiệu phân tán. PROFIBUS DP được sử dụng rộng rãi cho các đối tượng như hệ thống I/O, điều khiển động cơ và biến tần. Profibus DP truyền thông với tốc độ từ 9,6 Kbp -12 Mbp trong phạm vi từ 100-1200m. Nó là PROFIBUS hoạt động trên giao diện RS485 chuẩn và đã được bổ sung một số đặc điểm để phù hợp với các ứng dụng quá trình như đọc/ghi dữ liệu quá trình không theo chu kì, truyền trạng thái thiết bị, cấp nguồn trên bus và an toàn nội tại. PROFIBUS DP được thiết kế để truyền dữ liệu tốc độ cao tại cấp thiết bị. Trong trường hợp này, các bộ điều khiển trung tâm (PLC, PC) giao tiếp với các thiết bị hiện trường phân tán của chúng (I/O, drive, van…) qua một liên kết nối tiếp tốc độ cao. Hầu hết quá trình truyền dữ liệu với các thiết bị phân tán này được thực hiện theo chu kì.
- PROFIBUS PA: là một fieldbus có chức năng toàn diện thường được sử dụng cho thiết bị cấp quá trình. PROFIBUS PA truyền thông với tốc độ 31,25 Kbp với phạm vi tối đa 1.900m/phân đoạn. Chuẩn này được thiết kế cho những ứng dụng Intrinsically Safe.
- PROFIBUS FMS: là một bus điều khiển được sử dụng để giao tiếp giữa DCS và các hệ thống PLC.
11. DeviceNet
DeviceNet là một mạng bus hệ thống mở được phát triển dựa trên công nghệ CAN. Nó được thiết kế để kết nối các thiết bị cấp chấp hành (như cảm biến, công tắc, đầu đọc mã vạch, màn hình bảng điều khiển, …) với bộ điều khiển cấp cao hơn (như PLC) qua nền tảng giao thức CAN. Giao thức này có thể hỗ trợ tới 64 điểm và hỗ trợ tối đa 2048 thiết bị.
Ưu điểm của giao thức này là giảm chi phí đường dây bằng cách tích hợp tất cả các thiết bị trên cáp bốn dây. Bao gồm cả dữ liệu và nguồn cấp. Nguồn cấp này có thể cấp trực tiếp cho các thiết bị chấp hành luôn. Do đó nó làm giảm các điểm kết nối vật lý. Mạng này được sử dụng phổ biến trong các ngành công nghiệp ô tô và bán dẫn.
12. ControlNet
Đây là mạng điều khiển mở, sử dụng giao thức truyền thông công nghiệp chung (CIP) để kết hợp chức năng của mạng ngang hàng và mạng I/O bằng cách cung cấp hiệu suất tốc độ cao. Mạng này là sự kết hợp của (DH +) và I/O từ xa. Nó được sử dụng để truyền dữ liệu theo thời gian thực giữa I/O hoặc bộ xử lý trên cùng một mạng.
Nó có thể giao tiếp tối đa 99 điểm với tốc độ truyền dữ liệu 5.000.000bit/s. Nó được thiết kế để được sử dụng trên cả cấp độ thiết bị chấp hành và điều khiển của hệ thống tự động hóa công nghiệp.
13. Internet Protocol Suite (TCP/IP)
Internet Protocol Suite (bộ giao thức liên mạng) là tập hợp các giao thức thực thi protocol stack (chồng giao thức) mà Internet chạy trên đó. Internet Protocol Suite đôi khi được gọi là bộ giao thức TCP/IP. TCP và IP là những giao thức quan trọng trong Internet Protocol Suite — Transmission Control Protocol (TCP) và Internet Protocol (IP). Internet Protocol Suite tương tự như mô hình OSI, nhưng có một số khác biệt. Ngoài ra không phải tất cả các lớp (layer) đều tương ứng tốt.
14. OPC (OLE for Process Control)
OPC (OLE for Process Control)
OPC được viết tắt từ OLE for Process Control, trong đó OLE là Object Linking and Embedding. OPC là 1 chuẩn giao tiếp dữ liệu giữa các phần mềm, theo cơ chế client-sever , được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp để đảm bảo tính linh hoạt và tương thích giữa các thành phần (có xuất xứ từ nhiều nhà sản xuất khác nhau).
Cấu trúc : PLC -> phần mềm driver – OPC Sever -> OPC Client – phần mềm SCADA.
Nhà sản xuất PLC không cần quan tâm tới các phần mềm SCADA nữa, mà chỉ cần tạo ra 1 driver kết nối PLC và trả dữ liệu ra dưới dạng OPC Server . Nhà sản xuất phần mềm SCADA cũng ko cần quan tâm tới các PLC nữa, mà chỉ cần tích hợp 1 module OPC Client để kết nối tới OPC bất kỳ là đủ.
15. CC-Link
CC-Link là 1 mạng lưới Fieldbus xử lý cả hai chu kỳ dữ liệu I / O dữ liệu và các dữ liệu tham số mạch hở với tốc độ cao. CC-Link được phát triển bởi Mitsubishi và ngày nay được quản lý bởi CC-Link Partner Association (CLPA). CC-Link là 1 mạng phổ biến ở Châu Á. Hơn nữa, nó được sử dụng cho các ứng dụng chú trọng thời gian dựa trên công nghệ tự động của Mitsubishi. CC-Link được chứng nhận bởi CLPA.
CC-Link là 1 Fieldbus cho mạng truyền thông tốc độ cao giữa các bộ điều khiển và thiết bị trường thông minh như I/Os, cảm biến và bộ truyền động. trong các mạng lưới với hơn 65 trạm, nó cung cấp khả năng truyền thông thật sự mà không cần lặp lại. Được hỗ trợ bởi mật độ rộng của thiết bị tự động từ nhiều nhà máy, CC-Link cung cấp yếu tố truyền thông cho sản xuất tích hợp và hiệu quả hoặc quá trình cơ sở thông qua cáp đơn. Sự đáp ứng thời gian nhanh là kết quả của các giao thức đơn giản và hiệu quả cao.CC-Link bao hàm nhiều đặc tính cấp cao như tính năng stand-by master, tháo gỡ và tự động trở về chức năng Slave cũng như tự động khôi phục từ các tính năng lỗi truyền thông.
16. MQTT (Message Queuing Telemetry Transport)
MQTT (Message Queuing Telemetry Transport)
MQTT là từ viết tắt của “Message Queuing Telemetry Transport” là một giao thức gửi tín hiệu dạng publish/subscribe. Chúng được sử dụng cho các thiết bị Internet of Things – IoT. Tín hiệu truyền đi với băng thông thấp, có độ tin cậy cao và khả năng sử dụng được trong mạng lưới thiếu ổn định.
Bởi giao thức MQTT này sử dụng băng thông khá thấp trong môi trường có độ trễ cao nên nó là một giao thức lý tưởng cho các ứng dụng M2M (Machine to Machine). Facebook Messenger cũng đang sử dụng giao thức MQTT này. Hiện nay, hầu hết các thiết bị được ứng dụng trong lĩnh vực truyền thông công nghiệp đều hỗ trợ giao thức MQTT này như là một điều kiện đủ.
Trong bài viết này, MC&TT đã chia sẻ cho các bạn những khái niệm rất thân thuộc trong tự động hóa công nghiệp nói chung và truyền thông công nghiệp nói riêng. Ngoài những giao thức được chia sẻ ở trên còn rất nhiều tiêu chuẩn truyền thông được sử dụng trong công nghiệp. Tùy vào thiết bị hiện trường, yêu cầu và quy mô ứng dụng mà chúng ta lựa chọn sử dụng giao thức cho phù hợp.