Mạng truyền thông công nghiệp IIoT (Industrial Internet of Things) là phương tiện cốt lõi tạo nên các mô hình sản xuất công nghiệp hiện đại hóa. Cùng Mstar Corp tìm hiểu mạng truyền thông công nghiệp là gì, vai trò và các loại IIoT qua nội dung dưới đây nhé.
Mạng truyền thông công nghiệp là gì?
Mạng truyền thông công nghiệp IIoT hay mạng công nghiệp là khái niệm chỉ các hệ thống truyền dữ liệu, mạng truyền thông số theo phương thức nối tiếp kết nối các thiết bị công nghiệp. Từ đó tạo thành mạng lưới đồng nhất có sự kiểm soát và phân cấp chặt chẽ.
Hệ thống này cho phép liên kết mạng ở nhiều cấp, nhiều mức khác nhau, từ các cảm biến, thiết bị thực hiện (thuộc phân cấp hiện trường) đến thiết bị giám sát, máy tính điều khiển, máy tính điều khiển giám sát, các máy tính quản lý hoạt động. Các mạng như Modbus, Devicenet, Ethernet và Controlnet đóng vai trò quan trọng trong việc kết nối các thiết bị trong tự động hóa công nghiệp.
Ngoài ra các cơ chế điều khiển như hệ thống điều khiển phân tán DCS, bộ điều khiển lập trình PCL, hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu SCALA cũng được ứng dụng.
Toàn bộ các yếu tố này có liên quan đến các thiết bị thông minh, thiết bị hiện trường, PC điều khiển giám sát, bộ hiển thị HMI và bộ điều khiển I/O. Cần có 1 mạng lưới hoặc sơ đồ truyền thông hiệu quả và mạnh mẽ để cho phép giao tiếp giữa các thiết bị này.
Mạng truyền thông công nghiệp có đặc điểm như thế nào?
Mạng truyền thông công nghiệp có thể được kết nối không dây hoặc có dây, tùy thuộc vào yêu cầu của ứng dụng. Cáp đồng trục, cáp xoắn đôi và cáp quang là các loại cáp thường được sử dụng trong mạng có dây để đảm bảo đường truyền tín hiệu. Mạng không dây kết nối thông qua sử dụng sóng radio.
Trong công nghiệp hiện nay có nhiều loại mạng truyền thông khác nhau được sử dụng kể kết nối các module I/O và các thiết bị trường công nghiệp. Các mạng được xác định dựa trên các giao thức nhất định, là tập hợp các quy tắc được sử dụng trong giao tiếp giữa 2 hoặc nhiều thiết bị để đảm bảo truyền thông đáng tin cậy và hiệu quả.
IIoT có vai trò gì?
Mạng truyền thông công nghiệp đặc biệt là các bus trường được sử dụng để thay thế cách nối điểm – điểm cổ điển. Đây là cách nối giữa các thiết bị công nghiệp mang đến nhiều lợi ích:
- Đơn giản hóa cấu trúc: Industrial Internet of Things sử dụng đơn giản hóa cấu trúc liên kết giữa các thiết bị công nghiệp. Một lượng lớn các thiết bị thuộc các chủng loại khác nhau, thông qua 1 đường truyền duy nhất được ghép nối với nhau.
- Tiết kiệm chi phí: Nhờ cấu trúc đơn giản, Industrial Internet of Things tiết kiệm dây nối, công thiết kế hệ thống và công lắp đặt hệ thống. Việc thiết kế hệ thống trở nên dễ dàng hơn, một đường dây duy nhất thay thế một số lượng lớn cáp truyền, giảm chi phí đang kể cho người dùng.
- Nâng cao độ chính xác, tin cậy: Khi áp dụng phương pháp truyền tín hiệu tương tự cổ điển, tác dụng của nhiễu làm thay đổi nội dung thông tin. Trong khi đó, khi nội dung thông tin bị thay đổi các thiết bị không có cách nào nhận biết được nên nâng cao độ chính xác và tin cậy của thông tin.
- Thiết bị tự phát hiện lỗi: Thông tin truyền đi nhờ kỹ thuật truyền thông số khó bị sai lệch hơn. Bên cạnh đó các thiết bị nối mạng còn có thêm khả năng tự chẩn đoán và phát hiện lỗi nếu có. Ngoài ra, việc bỏ qua nhiều lần chuyển đổi qua lại số – tương tự và tương tự – số nâng cao độ chính xác của thông tin.
- Nâng cao tính năng mở của hệ thống: Hệ thống mạng chuẩn hóa quốc tế tạo điều kiện cho việc linh hoạt sử dụng các thiết bị của nhiều hãng khác nhau làm cho việc nâng cấp, thay thế, mở rộng phạm vi chức năng dễ dàng hơn. Khả năng tương tác giữa các thành phần mềm và phần cứng nhờ các giao diện chuẩn được nâng cao.
- Tiện lợi hóa/ đơn giản hóa việc chẩn đoán, tham số hóa, định vị lỗi, sự cố của các thiết bị: Do có 1 đường truyền duy nhất, các thiết bị không những có thể trao đổi dữ liệu quá trình mà còn có thể gửi các dữ liệu trạng thái, dữ liệu tham số, cảnh báo và chẩn đoán. Các thiết bị có thể tích hợp khả năng tự chẩn đoán, các trạm trong mạng có thể cảnh giới lẫn nhau.
- Mở ra nhiều khả năng, chức năng ứng dụng mới: Việc cấu hình hệ thống, tham số hóa, lập trình, chỉnh định thiết bị và đưa vào vận hành thực hiện từ xa qua 1 trạm kỹ thuật trung tâm.
- Áp dụng các kiến trúc điều khiển mới: Sử dụng mạng truyền thông công nghiệp cho phép áp dụng các kiến trúc điều khiển mới như điều khiển phân tác với các thiết bị trường, điều khiển phân tán, điều khiển chẩn đoán hoặc giám sát lỗi từ xa qua internet, tích hợp thông tin điều hành sản xuất, quản lý doanh nghiệp với thông tin của hệ thống điều khiển và giám sát.
Phân loại mạng truyền thông công nghiệp
Trên thực tế có nhiều mạng truyền thông khác nhau trong công nghiệp được thiết kế để kết nối các mô đun I/O và các thiết bị trường công nghiệp với nhau. Chúng được mô tả trên các giao thức nhất định, dựa trên giao thức này các mạng truyền thông được phân thành một số loại phổ biến như sau:
Mạng truyền thông công nghiệp Modbus
Modbus là giao thức hệ thống mở được sử dụng rộng rãi nhất và có thể chạy trên nhiều lớp vật lý trong các ứng dụng điều khiển công nghiệp. Đây là kỹ thuật giao tiếp, tiếp nối cung cấp mối quan hệ chủ/ tớ để giao tiếp giữa các thiết bị được kết nối mạng.
Modbus được sử dụng phổ biến với 2 loại cáp RS485 và RS232, nối tiếp với RS485 hoặc RS232 dưới dạng các lớp vật lý, tạo điều kiện kết nối bộ điều khiển (PLC) với các thiết bị trên mạng Modbus. Mạng Modbus có thể giao tiếp giữa 1 chủ mà lên tới 247 với tốc độ truyền dữ liệu 19,2 kbits/ s.
Một phiên bản mới hơn của Modbus RCP/ IP tạo điều kiện trao đổi dữ liệu giữa các PLC trong các mạng khác nhau, sử dụng Ethernet làm lớp vật lý. Phiên bản không phân biệt loại mạng, tạo điều kiện cho 1 phương thức truy cập, kiểm soát 1 thiết bị này bằng thiết bị khác.
Mạng truyền thông nối tiếp
Mạng truyền thông nối tiếp là hệ thống giao tiếp cơ bản được sử dụng cho mọi bộ điều khiển như PLC, được thực hiện bằng cách sử dụng các tiêu chuẩn giao thức RS485, RS422, RS232 (RS là tiêu chuẩn khuyến nghị, chỉ định các đặc điểm giao tiếp nối tiếp về các tính năng cơ, điện và chức năng).
Mạng truyền thông tiếp nối tiếp được tích hợp vào CPU hoặc module xử lý (bộ điều khiển logic khả trình) hoặc có thể là module giao tiếp riêng. Các giao diện chủ yếu được sử dụng để truyền dữ liệu ở tốc độ dữ liệu cao giữa các thiết bị từ xa (thiết bị vận hành, hệ thống camera, đầu đọc mã vạch… và PCL.
Giao tiếp nối tiếp RS232 được thiết kế để hỗ trợ một máy thu và một máy phát, ví dụ một máy tính và 1 bộ điều khiển, chiều dài cáp tối đa có thể lên đến 15m. Các chuẩn giao tiếp nối tiếp RS485 (32Tx, 32Rx) và RS 422 (1Tx, 10Rx) được thiết kế để giao tiếp 1 máy tính và nhiều bộ điều khiển, giới hạn ở chiều dài 200m (RS485), 500m (RS422).
Mạng DeviceNet
DeviceNet là dạng mạng bus hệ thống mở được phát triển dựa trên công nghệ CAN, thiết kế để kết nối các thiết bị cấp chấp hành (công tắc, màn hình bảng điều khiển, cảm biến, đầu đọc mã vạch…) với bộ điều khiển cấp cao hơn (PLC) qua nền tảng giao thức CAN. Giao thức DeviceNet có thể hỗ trợ tối đa tới 64 điểm, 2048 thiết bị.
DeviceNet tích hợp tất cả các thiết bị trên dây cáp bao gồm cả dữ liệu và nguồn cấp nên giảm được chi phí đường dây. Đồng thời giao thức giảm được các điểm kết nối vật lý bởi nguồn cấp có thể cấp trực tiếp cho các thiết bị chấp hành. Mạng DeviceNet được sử dụng phổ biến trong các ngành công nghiệp bán dẫn và ô tô.
Mạng truyền thông công nghiệp mở Profibus
Giao thức Profibus là mạng truyền thông mở được triển khai rộng rãi và nổi tiếng, chủ yếu được sử dụng trong các lĩnh vực tự động hóa nhà máy, tự động hóa quá trình. Profibus phù hợp nhất cho các nhiệm vụ các ứng dụng quan trọng về thời gian và giao tiếp phức tạp.
Hiện tại có 3 mạng truyền thông công nghiệp mở Profibus khác nhau là: Profibus-DP – phân cấp ngoại vi, Profibus-FMS – đặc tả thông điệp Fieldbus, Profibus-PA – tự động hóa quy trình.
Truyền thông HART
HART là mạng truyền thông công nghiệp điều khiển quá trình mở có thể truyền tín hiệu truyền thông kỹ thuật số trên cùng 1 đường truyền với các tín hiệu 4 – 20mA. Giao thức được voi là mạng lai do nó là mạng truyền thông duy nhất tạo điều kiện cho cả giao tiếp kỹ thuật số. Tức là mạng truyền thông 2 chiều trên 1 hệ thống dây cùng 1 lúc.
Các tín hiệu số (hay tín hiệu HART) mang thông tin cấu hình thiết bị, chẩn đoán, hiệu chuẩn và các phép đo khác. Giao thức HART sử dụng chủ yếu trong các ứng dụng SCADA.
Mạng truyền thông HART hoạt động ở chế độ điểm – điểm hoặc đa điểm:
- Là mạng truyền thông đa điểm sử dụng khi các thiết bị đặt cách xa nhau. Tương thích HART là các thiết bị trường thông minh đa biến sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp.
- Tín hiệu dòng 4 – 20mA trong chế độ điểm – điểm được sử dụng để điều khiển quá trình không làm ảnh hưởng tín hiệu HART.
Mạng truyền thông công nghiệp phân cấp như thế nào?
Phân cấp mạng truyền thông công nghiệp để đảm bảo các cấp độ khác nhau xử lý các yêu cầu khác nhau. Do đó phân cấp không yêu cầu địa chỉ mạng truyền thông duy nhất cho mỗi cấp. Phân cấp mạng dựa trên yêu cầu như truyền dữ liệu, bảo mật dữ liệu, khối lượng dữ liệu…
Căn cứ vào chức năng, mạng truyền thông công nghiệp được phân thành 3 cấp từ cao đến thấp là cấp thông tin, cấp kiểm soát và cấp thiết bị. Cụ thể:
Cấp thông tin
Cấp thông tin là cấp cao nhất trong hệ thống, tập hợp các thông tin từ cấp thấp hơn. Cấp độ này xử lý khối lượng dữ liệu lớn quan trọng về thời gian hoặc không sử dụng liên tục với mạng lưới quy mô lớn. Do đó mạng Ethernet thường được sử dụng làm mạng cấp độ thông tin để lập kế hoạch nhà máy, trao đổi thông tin quản lý. Các mạng cấp thông tin có thể kết nối qua các cổng với mạng công nghiệp khác.
Cấp kiểm soát
Cấp kiểm soát bao gồm các bộ điều khiển phân tán, bộ điều khiển công nghiệp như PLC và hệ thống máy tình. Cấp độ này có các nhiệm vụ bao gồm tải dữ liệu chương trình avf xử lý dữ liệu biến số, cấu hình các thiết bị tự động hóa, kiểm soát giám sát, điều chỉnh biến đặt, hiển thị dữ liệu biến trên HMI, lưu trữ lịch sử…
Cấp kiểm soát yêu cầu các đặc điểm: thời gian đáp ứng ngắn, tốc độ truyền cao, đồng bộ hóa máy, độ dài dữ liệu ngắn, truyền liên tục. Mạng cục bộ LAN được ưu tiên sử dụng rộng rãi ở cấp độ mạng này. Ethernet với giao thức TCP/IP được sử dụng chủ yếu làm mạng cấp điều khiển kết nối các đơn vị điều khiển với máy tính.
Ngoài ra, cấp kiểm soát hoạt động như 1 bus điều khiển đồng bộ hóa và phối hợp giữa các đơn vị điều khiển khác nhau. Một số bus như ControlNet, Profibus được sử dụng như các bus điều khiển.
Cấp thiết bị
Cấp thiết bị là cấp thấp nhất gồm có các thiết bị hiện trường như cơ cấp chấp hành quá trình cảm biến và máy móc. Nhiệm vụ của cấp này là chuyển thông tin giữa các thiết bị và PLC, có thể là kỹ thuật số, hybrid hoặc analog. Các giá trị đo có thể nhanh hoặc chậm tùy thuộc vào thiết bị.
Các mạng bao gồm các cáp song song, đa dây làm phương tiện truyền dẫn. Tiêu chuẩn giao thức truyền thông nối tiếp phổ biến ở cấp này là RS422, RS485, RS232.
Công nghệ fieldbus đang là mạng truyền thông tinh vi nhất do có thể tạo điều kiện kiểm soát phân tán giữa các bộ điều khiển trường thông minh khác và các thiết bị, được sử dụng ở cấp cục bộ.
Cấp thiết bị là một hệ thống truyền thông 2 chiều. Các loại bus trường khác nhau bao gồm: ControlNet, HART, Foundation Field Bus, CAN Bus, Profibus và CAN Bus.
Phân biệt mạng truyền thông công nghiệp với các mạng khác như thế nào?
Mạng truyền thông công nghiệp có gì khác so với mạng máy tính và mạng viễn thông? So sánh cụ thể dưới đây sẽ giúp chúng ta hiểu rõ hơn về sự khác nhau giữa các mạng này.
So sánh IIoT với mạng máy tính
Mạng truyền thông công nghiệp là 1 dạng đặc biệt của mạng máy tính với những điểm giống và khác nhau như sau:
- Đặc trưng chung của 2 loại là kỹ thuật truyền thông dữ liệu hay truyền thông số
- Trong công nghiệp, mạng máy tính được coi là 1 phần trong mô hình phân cấp của mạng công nghiệp (ở các cấp giám sát, điều khiển, quản lý và điều hành sản xuất)
- Mạng truyền thông công nghiệp yêu cầu cao về độ tin cậy, tính năng thời gian thực và khả năng tương thích trong môi trường công nghiệp còn mạng máy tính đòi hỏi cao ở độ bảo mật.
- Hệ thống mạng công nghiệp có tính chất độc lập, phạm vi hoạt động khá hẹp còn mạng máy tính phạm vi trải rộng khác nhau có thể lớn như mạng internet hoặc nhỏ như mạng LAN.
So sánh mạng viễn thông và mạng truyền thông công nghiệp
So sánh mạng truyền thông công nghiệp và mạng viễn thông về cơ sở kỹ thuật có điểm tương đồng và khác biệt như sau:
- Đối tượng chủ yếu của mạng viễn thông là con người, thêm vào đó là thiết bị kỹ thuật nên các dạng thông tin cần trao đổi bao gồm văn bản, dữ liệu, hình ảnh và tiếng nói. Đối tượng của mạng công nghiệp là thiết bị công nghiệp nên dạng thông tin được quan tâm duy nhất là dữ liệu.
- Công nghệ và kỹ thuật dùng trong mạng viễn thông rất phong phú, trong khi kỹ thuật truyền dữ liệu của mạng công nghiệp theo chế độ bit nối tiếp.
- Phạm vi địa lý, số lượng thành viên tham gia mạng viễn thông lớn hơn mạng truyền thông công nghiệp rất nhiều nên các yêu cầu kỹ thuật (tốc độ truyền thông, cấu trúc mạng, tính năng, thời gian thực…) khác biệt. Bên cạnh đó phương pháp truyền thông (dồn kênh, truyền tải dải rộng/ dải cơ sở, chuyển mạch…) thường phức tạp hơn so với mạng công nghiệp.
Ứng dụng thực tế của IIoT trong công nghiệp là gì?
Ứng dụng thực tế của IIoT trong công nghiệp phổ biến có thể kể đến là:
- Xe tự động: Một ứng dụng phổ biến của IIoT là để vận chuyển sản phẩm hoặc các bộ phận trong nhà máy bằng phương tiện tự động. Các xe tự hành có khả năng di chuyển tự động trong nhà máy qua chướng ngại vật.
- Tối ưu hiệu suất máy: IIoT cho phép phân tích dữ liệu, giám sát máy móc trong quá trình sản xuất, tối ưu hóa thời gian hoạt động, giảm thời gian ngưng hoạt động, nâng cao hiệu suất máy móc.
- Hạn chế sai sót: IIoT kết nối thiết bị, công cụ nhân viên sử dụng trong khi làm việc để tăng tính chính xác, hạn chế sai sót của con người, tối ưu hóa quá trình làm việc.
- Quản lý hàng hóa: IIoT ứng dụng trong quản lý kho hàng hóa lưu trữ hiệu quả, giám sát vị trí và đảm bảo điều kiện bảo quản sản phẩm thích hợp.
- Hạn chế tai nạn lao động: IIoT có thể sử dụng các thiết bị vòng tay và găng tay, kính bảo hộ để thu thập dữ liệu từ nhân viên. Thông qua việc theo dõi nhịp tim, các thông số sức khỏe khác, vị trí giúp hạn chế tối đa nguy cơ xảy ra tai nạn và tạo ra môi trường làm việc an toàn.
Sử dụng IIoT có thể gặp phải rủi ro gì?
Nếu không giải quyết được các thách thức về vấn đề bảo mật, khi sử dụng IIoT trong công nghiệp có thể tiềm ẩn một số rủi ro:
- Rò rỉ dữ liệu cá nhân: Do IIoT thu thập và xử lý một lượng lớn dữ liệu trong đó bao gồm có thông tin cá nhân. Dữ liệu này có thể bị lộ và vi phạm quyền riêng tư của người dùng nếu không có biện pháp bảo vệ thích hợp.
- Rủi ro an ninh mạng: IIoT mở rộng kết nối các thiết bị công nghiệp, hệ thống với internet nên tạo điều kiện cho các cuộc tấn công dẫn đến rủi ro an ninh mạng. Tin tặc có thể xâm nhập hệ thống làm gây hại đến cơ sở hạ tầng công nghiệp, gián đoạn quy trình sản xuất hoặc đánh cắp thông tin quan trọng.
- Gián đoạn hoạt động: Khi gặp sự cố hệ thống IIoT (lỗi phần mềm, mất kết nối) có thể làm gián đoạn quy trình vận hành và sản xuất công nghiệp. Gián đoạn có thể dẫn đến tổn thất về tài chính, thời gian và tài nguyên.
- Kém an toàn: Các thiết bị IIoT nếu không áp dụng các biện pháp bảo mật đúng đắn có thể trở thành điểm yếu và gây nguy hiểm cho an toàn của người làm việc. Ví dụ: hệ thống điều khiển tự động bị xâm nhập có thể tạo ra lỗi trong quy trình sản xuất, gây thương tích cho công nhân.
- Rủi ro về tuổi thọ hoạt động: Các hệ thống IIoT cần được bảo trì, duy trì thường xuyên để đảm bảo hoạt động an toàn, liên tục tránh trường hợp hoạt động không ổn định, gây mất kiểm soát.
- Tính tương thích: Trong quá trình sử dụng IIoT yêu cầu sự tương thích giữa thiết bị và hệ thống khác nhau để ngăn ngừa nguy cơ rủi ro về sự cố, không ổn định trong quá trình tích hợp các thành phần.
Mạng truyền thông công nghiệp là mạng lưới kết nối thông minh giữa máy móc, thiết bị và quy trình dựa trên sự kết hợp giữa công nghệ và công nghiệp. IIoT mang đến nhiều lợi ích và đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa và hiện đại hóa hoạt động sản xuất, nâng cao hiệu suất, sự linh hoạt, nâng cao sự cạnh tranh và phát triển bền vững trong ngành công nghiệp hiện đại.
