GIỚI THIỆU TỔNG QUAN
Mạng truyền thông công nghiệp là gì?
Mạng truyền thông công nghiệp là hệ thống kết nối các thiết bị công nghiệp thông qua việc truyền dữ liệu nối tiếp Các hệ thống này cho phép liên kết nhiều thiết bị khác nhau, từ cảm biến và thiết bị quan sát đến máy tính điều khiển giám sát và máy tính cấp điều hành trong doanh nghiệp.
Mạng truyền thông công nghiệp không hoàn toàn giống với mạng máy tính hay mạng viễn thông, mặc dù chúng có một số điểm chung và cũng tồn tại những khác biệt nhất định.
Mạng viễn thông có quy mô lớn với phạm vi địa lý rộng và số lượng người tham gia đông đảo, dẫn đến các yêu cầu kỹ thuật như cấu trúc mạng, tốc độ truyền thông và tính năng thời gian thực trở nên đa dạng và phức tạp hơn Các phương pháp truyền thông như truyền tải dải rộng, điều biến, dồn kênh và chuyển mạch cũng thường phức tạp hơn so với mạng truyền thông công nghiệp.
Mạng viễn thông bao gồm con người và thiết bị kỹ thuật, trong đó con người là yếu tố chủ yếu Các dạng thông tin cần trao đổi trong mạng viễn thông bao gồm tiếng nói, hình ảnh, văn bản và dữ liệu Ngược lại, mạng công nghiệp chỉ tập trung vào các thiết bị công nghiệp, do đó, thông tin chủ yếu được quan tâm là dữ liệu.
Mạng truyền thông công nghiệp là một loại mạng máy tính đặc biệt, có những điểm tương đồng và khác biệt so với mạng máy tính thông thường Nó được xem như một phần trong mô hình phân cáp của mạng công nghiệp, đóng vai trò quan trọng ở các cấp điều khiển giám sát, điều hành sản xuất và quản lý công ty.
Mạng truyền thông công nghiệp đòi hỏi tính năng thời gian thực, độ tin cậy và khả năng tương thích cao hơn so với mạng máy tính thông thường, trong khi mạng máy tính lại yêu cầu khắt khe hơn về độ bảo mật.
Mạng máy tính có thể có quy mô rất khác nhau, từ mạng LAN nhỏ cho một nhóm máy tính đến mạng Internet rộng lớn Nhiều mạng máy tính thường gián tiếp sử dụng dịch vụ truyền dữ liệu từ mạng viễn thông Tuy nhiên, các hệ thống mạng công nghiệp thường độc lập và có phạm vi hoạt động hẹp hơn Đặc biệt, trong hệ thống truyền thông công nghiệp, các yêu cầu về tính năng thời gian thực, khả năng thực hiện đơn giản và chi phí thấp được ưu tiên hàng đầu.
Vai trò của mạng truyền thông công nghiệp
Một bộ điều khiển cần được kết nối với các cảm biến và cơ cấu chấp hành, đồng thời các bộ điều khiển trong hệ thống điều khiển phân tán cũng cần trao đổi thông tin để phối hợp điều khiển quá trình sản xuất Ở cấp độ cao hơn, các trạm vận hành trong trung tâm điều khiển cần giao tiếp với các bộ điều khiển để theo dõi và giám sát toàn bộ quá trình sản xuất và hệ thống điều khiển Việc sử dụng mạng truyền thông trong công nghiệp mang lại nhiều lợi ích quan trọng.
Đơn giản hóa cấu trúc liên kết giữa các thiết bị công nghiệp cho phép nhiều thiết bị khác nhau được kết nối qua một đường truyền duy nhất.
Cấu trúc đơn giản giúp tiết kiệm dây nối và giảm công thiết kế, lắp đặt hệ thống Việc thiết kế trở nên dễ dàng hơn khi một lượng lớn cáp truyền được thay thế bằng một đường duy nhất, từ đó giảm đáng kể chi phí nguyên vật liệu và công lắp đặt.
Kỹ thuật truyền thông số nâng cao độ tin cậy và độ chính xác của thông tin bằng cách giảm thiểu tác động của nhiễu, điều mà phương pháp truyền tín hiệu tương tự cổ điển không thể làm được Các thiết bị mạng không chỉ khó bị sai lệch thông tin mà còn có khả năng tự phát hiện và chuẩn đoán lỗi, đặc biệt khi mạng tuân thủ các tiêu chuẩn quốc tế Điều này giúp việc thay thế, nâng cấp và mở rộng chức năng của hệ thống trở nên dễ dàng hơn, đồng thời cải thiện khả năng tương tác giữa các thành phần nhờ vào giao diện chuẩn.
Việc đơn giản hóa và tiện lợi hóa tham số hóa, chuẩn đoán và định vị lỗi của các thiết bị được thực hiện thông qua một đường truyền duy nhất Các thiết bị không chỉ có khả năng trao đổi dữ liệu quá trình mà còn gửi cho nhau các thông tin về tham số, trạng thái, cảnh báo và chuẩn đoán Hơn nữa, các thiết bị có thể tích hợp khả năng tự chuẩn đoán, và các trạm trong mạng có thể cảnh báo lẫn nhau Hệ thống có thể được cấu hình, lập trình, tham số hóa và đưa vào vận hành từ xa thông qua một trạm kỹ thuật trung tâm.
Hệ thống mở ra nhiều chức năng và khả năng ứng dụng mới nhờ vào việc sử dụng mạng truyền thông công nghiệp Điều này cho phép áp dụng các kiến trúc điều khiển hiện đại như điều khiển phân tán, giám sát và chẩn đoán lỗi từ xa qua Internet Đồng thời, hệ thống cũng tích hợp thông tin điều khiển và giám sát với thông tin điều hành sản xuất và quản lý công ty.
Phân loại và đặc trưng các hệ thống mạng truyền thông công nghiệp
Để phân loại và phân tích đặc trưng của các hệ thống mạng truyền thông công nghiệp, chúng ta sử dụng mô hình phân cấp quen thuộc trong các công ty và xí nghiệp sản xuất, thể hiện nhiều cấp độ khác nhau dựa trên từng chức năng.
Hình1.1 : Tháp mạng truyền thông công nghiệp
Ở các cấp dưới, các chức năng thường mang tính chất cơ bản và yêu cầu độ nhanh nhạy cao hơn về thời gian phản ứng Ngược lại, chức năng ở cấp trên, mặc dù không cần thời gian phản ứng nhanh, lại yêu cầu xử lý và trao đổi một lượng thông tin lớn hơn nhiều.
Bài viết đề cập đến mối quan hệ giữa năm cấp chức năng và bốn cấp của hệ thống truyền thông Ở các cấp từ điều khiển giám sát trở xuống, thuật ngữ "bus" thường được sử dụng thay cho "mạng" do phần lớn các hệ thống mạng ở cấp độ này có cấu trúc vật lý hoặc logic tương tự như bus.
Mô hình phân cấp chức năng hỗ trợ hiệu quả trong thiết kế hệ thống và lựa chọn thiết bị Trong thực tế, sự phân cấp này có thể thay đổi tùy thuộc vào mức độ tự động hóa và cấu trúc cụ thể của hệ thống.
Bus trường, bus thiết bị:
Bus trường là một khái niệm chung trong ngành công nghiệp chế biến, chỉ các hệ thống bus nối tiếp sử dụng kỹ thuật truyền tin số để kết nối các thiết bị điều khiển như PC và PLC với các thiết bị chấp hành Chức năng chính của cấp chấp hành bao gồm đo lường, truyền động và chuyển đổi tín hiệu khi cần thiết Các thiết bị có khả năng nối mạng bao gồm các ngõ vào/ra phân tán, thiết bị đo lường và cơ cấu chấp hành tích hợp.
Bus trường có nhiệm vụ chuyển dữ liệu lên cấp điều khiển để xử lý và truyền quyết định điều khiển xuống các cơ cấu chấp hành, do đó yêu cầu về tính năng thời gian thực là rất quan trọng Hiện nay, các hệ thống bus trường phổ biến bao gồm FROFIBUS, CAN, Modbus, Internetbus, và gần đây là Foundation Fieldbus và AS-i.
Bus hệ thống, bus điều khiển:
Các hệ thống mạng công nghiệp, hay còn gọi là bus hệ thống, kết nối các máy tính điều khiển với máy tính cấp giám sát trong lĩnh vực điều khiển quá trình Thông qua bus hệ thống, các máy tính điều khiển có thể phối hợp hoạt động, cung cấp dữ liệu cho các trạm kỹ thuật và trạm quan sát, đồng thời nhận lệnh và tham số điều khiển từ các trạm này Thông tin được trao đổi không chỉ theo chiều dọc mà còn theo chiều ngang giữa các trạm kỹ thuật, trạm vận hành và trạm chủ Hệ thống cũng cho phép kết nối các máy in báo cáo và lưu trữ dữ liệu.
Khái niệm bus trường và bus hệ thống không chỉ khác nhau về kiểu bus mà còn về mục đích sử dụng và thiết bị ghép nối Trong một số giải pháp, có thể sử dụng một kiểu bus duy nhất cho cả hai cấp Đối với bus hệ thống, yêu cầu về tính năng thời gian thực có thể thay đổi tùy theo lĩnh vực ứng dụng, với thời gian phản ứng thường từ vài trăm miligiây Lưu lượng thông tin cần trao đổi trên bus hệ thống lớn hơn nhiều so với bus trường, với tốc độ truyền thông dao động từ vài trăm kbit/s đến vài Mbit/s.
Khi bus hệ thống chỉ được sử dụng để kết nối ngang giữa các máy tính điều khiển, nó được gọi là bus điều khiển Bus điều khiển đóng vai trò quan trọng trong việc trao đổi dữ liệu thời gian thực giữa các trạm điều khiển trong hệ thống phân tán Mặc dù tốc độ truyền của bus điều khiển thường không cao, nhưng yêu cầu về tính năng thời gian thực lại rất khắt khe.
Mạng xí nghiệp bao gồm quá trình kỹ thuật, các giàn máy và hệ thống điều khiển tự động, cùng với các số liệu tính toán và thống kê về diễn biến sản xuất và chất lượng sản phẩm Thông tin được trao đổi theo chiều ngược lại bao gồm các thông số thiết kế, công thức điều khiển và mệnh lệnh điều hành Bên cạnh đó, thông tin cũng được truyền tải mạnh mẽ theo chiều ngang giữa các máy tính thuộc cấp điều hành sản xuất.
Mạng xí nghiệp không yêu cầu tính năng thời gian thực nghiêm ngặt như các hệ thống bus cấp dưới, với việc trao đổi dữ liệu thường không định kỳ và có thể đạt tới hàng Mbyte Hai loại mạng phổ biến cho mục đích này là Ethernet và Token-Ring, sử dụng các giao thức chuẩn như TCP/IP và IPX/SPX.
Mạng công ty là thành phần quan trọng trong hệ thống truyền thông của các công ty sản xuất công nghiệp, tương tự như mạng viễn thông hoặc mạng máy tính diện rộng Chức năng chính của mạng công ty là kết nối các máy tính văn phòng, cung cấp dịch vụ trao đổi thông tin nội bộ và với khách hàng, bao gồm thư viện điện tử, thư điện tử, hội thảo từ xa, và dịch vụ truy cập Internet Hình thức tổ chức và công nghệ mạng rất đa dạng, thường được thiết lập dưới dạng một hệ thống mạng duy nhất nhưng chia thành nhiều nhóm làm việc riêng biệt Mạng công ty yêu cầu tốc độ truyền thông cao và độ an toàn tin cậy.
Các hệ thống và thiết bị điều khiển hiện đại
2.1 Hệ điều khiển phân tán(Distributed Control System, DCS):
DCS là giải pháp điều khiển và giám sát phân cấp, phân tán, chủ yếu dùng trong ngành chế biến, với trạm điều khiển là máy tính chuyên dụng có khả năng xử lý số thực lớn Các trạm DCS cho phép lập trình linh hoạt nhờ vào phần mềm mạnh mẽ Sản phẩm DCS đầu tiên, TDC2000, được Honeywell giới thiệu vào năm 1975, và từ đó, các hệ thống tự động hóa dựa trên DCS, PLC, IPC đã phát triển mạnh mẽ Sự phân biệt giữa các thiết bị điều khiển ngày càng khó khăn, khi DCS có thể sử dụng PLC hoặc IPC cho trạm điều khiển Khái niệm hệ điều khiển lai (hybrid control system) đã xuất hiện, cho phép mỗi trạm mang đặc điểm của DCS, PLC hoặc IPC Xu hướng sử dụng bus trường và thiết bị thông minh tích hợp chức năng điều khiển đã tạo ra các giải pháp mới, dẫn đến việc sử dụng các thuật ngữ như hệ thống tự động hóa quá trình, hệ thống tự động hóa xí nghiệp hoặc hệ thống tự động hóa kỹ thuật số.
Hệ thống điều khiển DCS YOKOGAWA hỗ trợ con người trong giám sát và điều khiển từ xa, vượt trội hơn so với hệ điều khiển tự động thông thường Để thực hiện việc này, hệ thống SCADA cần có các thành phần như hệ thống truy cập, truyền tải dữ liệu và giao diện người – máy (HMI).
Trong hệ thống điều khiển giám sát, HMI đóng vai trò quan trọng không chỉ ở cấp điều khiển giám sát mà còn ở các cấp thấp hơn, nơi cần giao diện người – máy để quan sát và thao tác vận hành Do giá thành và đặc điểm kỹ thuật, các màn hình vận hành (OP – Operator Panel) và màn hình sờ (TP – Touch Panel) được sử dụng rộng rãi.
Hệ thống điều khiển SCADA xa truyền tải dữ liệu về trung tâm để xử lý, trong đó, hệ truyền thông và phần cứng được ưu tiên hàng đầu Sự tiến bộ vượt bậc trong công nghệ truyền thông công nghiệp và phần mềm đã mang lại nhiều giải pháp mới Do đó, việc thiết kế hệ thống SCADA hiện nay tập trung vào việc lựa chọn công cụ phần mềm thiết kế giao diện và các giải pháp tích hợp hệ thống.
2.3 Hệ điều khiển lai (SCADA và DCS) :
Xuất phát từ nhu cầu của các ứng dụng công nghiệp và xu hướng giảm chi phí cho hệ thống điều khiển, các nhà cung cấp gần đây đã phát triển hệ thống điều khiển mới, được gọi là hệ thống điều khiển lai (Hybrid Control System).
Hệ thống lai, kế thừa công nghệ từ PLC và DCS, kết hợp ưu điểm của cả hai, cho phép quản lý khoảng 10.000 ngõ vào/ra và thực hiện các quá trình liên tục cũng như gián đoạn Với thiết bị nhỏ gọn hơn so với DCS thương phẩm, hệ thống này tận dụng thiết kế ưu việt của DCS Hệ thống lai hỗ trợ công nghệ Bus như Foundation Fieldbus, AS-i, Profibus và Device Net, đồng thời tương thích với các chuẩn OPC, XML và ODBC Ngoài ra, chúng còn tích hợp hiệu quả với các thiết bị như điện thoại không dây, máy nhắn tin và PDA, mang lại lợi ích cho việc lập kế hoạch doanh nghiệp.
Hệ lai thường được trang bị chức năng điều khiển theo mẻ và giám sát, cùng với các công cụ phát triển ứng dụng đa chức năng Những công cụ này có giao diện thân thiện và ngôn ngữ lập trình bậc cao đã được chuẩn hóa, giúp kỹ sư dễ dàng và nhanh chóng xây dựng ứng dụng.
Hạn chế của ứng dụng điều khiển lai bao gồm việc các thiết bị điều khiển nhỏ gây ra lưu lượng truyền thông lớn, dẫn đến việc giảm số lượng điểm vào ra, đặc biệt trong các hệ thống yêu cầu chu trình điều khiển ngắn Ngoài ra, khả năng mở rộng dữ liệu hạn chế khiến các hệ thống lai không đủ khả năng phục vụ cho các ứng dụng quy mô lớn.
Một số hệ điều khiển lai có thể kể ra như: Delta V (Fisher-rosemount), Plantcape (Holley well), Micro I/A (Foxboro), Simatic PCS7 (Siemens), stardom (Yokogawa), Inductrial IT (ABB)
Hình 1.4 : Hệ thống điều khiển bằng FCS
Hệ điều khiển FCS (Field Control System) là một giải pháp tiên tiến, sử dụng bus trường để xử lý các tín hiệu thông minh Việc áp dụng hệ điều khiển FCS giúp tiết kiệm vật liệu và công suất lắp đặt, đồng thời nâng cao hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống nhờ vào khả năng điều khiển tại chỗ, giảm tải cho bus.
Hình 1.5 : Hệ thống điều khiển bằng FCS
Hình 1.6 : Điều khiển giám sát cục bộ
Hình 1.7 : Điều khiển giám sát trung tâm phẳng
Hình 1.8 : Điều khiển giám sát trung tâm phân cấp
2.5 Thiết bị điều khiển khả trình:
Thiết bị khả trình PLC (Programmable Logic Controller) là một thiết bị điều khiển logic có thể lập trình, cho phép thực hiện linh hoạt các lệnh điều khiển thông qua ngôn ngữ lập trình Xuất hiện lần đầu vào năm 1968, các PLC ban đầu có thiết kế đơn giản và cồng kềnh, gây khó khăn cho người sử dụng trong việc vận hành Qua thời gian, các nhà thiết kế đã cải tiến để tạo ra những thiết bị gọn nhẹ và dễ sử dụng hơn Mặc dù vậy, việc lập trình vẫn gặp khó khăn do thiếu thiết bị ngoại vi hỗ trợ Hiện nay, các PLC đã đáp ứng đầy đủ yêu cầu của người dùng với kích thước nhỏ gọn, kết nối lập trình đơn giản và khả năng điều khiển đa dạng.
3 Các mô hình kết nối hệ thống mở:
Mô hình OSI (Mô hình tham chiếu kết nối các hệ thống mở) là một thiết kế dựa trên nguyên lý tầng cấp, giúp lý giải một cách trừu tượng kỹ thuật kết nối truyền thông giữa các máy vi tính và thiết kế giao thức mạng Mô hình này được phát triển như một phần trong kế hoạch Kết nối các hệ thống mở.
Mô hình OSI mô tả cách thức truyền tin giữa các chương trình ứng dụng của hai hệ thống máy tính thông qua các phương tiện truyền thông vật lý Thông tin từ ứng dụng trên hệ thống máy tính A sẽ đi xuống các lớp thấp hơn và qua các thiết bị vật lý đến hệ thống máy tính B Tại hệ thống B, thông tin sẽ được truyền từ lớp thấp nhất đến lớp cao nhất, tức là ứng dụng của hệ thống B Mỗi lớp trong hai hệ thống máy tính A và B đều giao tiếp với nhau thông qua một giao thức (Protocol) nhất định.
Mô hình OSI bao gồm 7 lớp: lớp ứng dụng, lớp biểu diễn dữ liệu, lớp kiểm soát nối, lớp vận chuyển, lớp mạng, lớp liên kết dữ liệu và lớp vật lý Dưới đây là mô tả chi tiết về từng lớp trong mô hình OSI.
Hình 1.9 : Mô hình hệ thống mở
3.2 Nguyên tắc định nghĩa các tầng trong hệ thống mở
Sau đây là các nguyên tắc mà ISO quy định dùng trong quá trình xây dựng mô hình OSI
Không định nghĩa quá nhiều tầng để việc xác định và ghép nối các tầng không quá phức tạp kỹ thuật sử dụng hoặc quá trình thực hiên
Các chức năng giống nhau được đặt trong cùng một tầng
Lựa chọn ranh giới các tầng tại các điểm mà những thử nghiệm trong quá khứ thành công
Các chức năng được xác định sao cho chúng có thể dễ dàng xác định lại, và các nghi thức của chúng có thể thay đổi trên mọi hướng
Tạo ranh giới các tầng mà ở đó cần có những mức độ trừu tượng khác nhau trong việc sử dụng số liệu
Cho phép thay đổi các chức năng hoặc giao thức trong tầng không ảnh hưởng đến các tầng khác
Tạo các ranh giới giữa mỗi tầng với tầng trên và dưới nó
3.3 Các giao thức trong mô hình
Trong mô hình OSI có hai loại giao thức chính được áp dụng: giao thức có liên kết (connection - oriented) và giao thức không liên kết (connectionless)
Giao thức có liên kết yêu cầu thiết lập một liên kết logic trước khi truyền dữ liệu giữa hai tầng đồng mức Các gói tin được trao đổi qua liên kết này, giúp nâng cao độ an toàn trong quá trình truyền dữ liệu.
Giao thức không liên kết cho phép truyền dữ liệu mà không cần thiết lập liên kết logic trước, với mỗi gói tin được gửi độc lập, không phụ thuộc vào các gói tin trước hoặc sau.
Như vậy với giao thức có liên kết, quá trình truyền thông phải gồm 3 giai đoạn phân biệt:
NHIỄU VÀ GIẢI PHÁP XỬ LÝ
Giới thiệu
+ Ghi chú: Thời gian kiểm tra được tích hợp giữa lý thuyết với thực hành được tính bằng giờ thực hành
Bài viết cung cấp cái nhìn tổng quan về vấn đề điều khiển trong công nghiệp, giúp sinh viên mở rộng hiểu biết về các phương pháp điều khiển hiện đại, dự báo xu hướng phát triển trong tương lai gần tại Việt Nam.
- Hiểu các vấn đề cơ bản trong mạng truyền thông
- Phân biệt được các mạng trong công nghiệp, các ứng dụng và tầm quang trong của hệ mở
- Chủ động, sáng tạo an toàn cẩn thận trong quá trình học tập
1.1 Mạng truyền thông công nghiệp là gì?:
Mạng truyền thông công nghiệp là hệ thống kết nối các thiết bị công nghiệp thông qua việc truyền dữ liệu nối tiếp Các hệ thống này cho phép liên kết nhiều thiết bị khác nhau, từ cảm biến và thiết bị quan sát đến máy tính điều khiển giám sát và máy tính quản lý cấp cao trong doanh nghiệp.
Mạng truyền thông công nghiệp không hoàn toàn giống với mạng máy tính hay mạng viễn thông, mặc dù chúng có một số điểm chung và cũng tồn tại những khác biệt đáng kể.
Mạng viễn thông có quy mô lớn với phạm vi địa lý rộng và số lượng người dùng đông đảo, dẫn đến các yêu cầu kỹ thuật như cấu trúc mạng, tốc độ truyền thông và tính năng thời gian thực trở nên đa dạng và phức tạp hơn Các phương pháp truyền thông như truyền tải dải rộng, điều biến, dồn kênh và chuyển mạch cũng thường phức tạp hơn so với mạng truyền thông công nghiệp.
Mạng viễn thông bao gồm con người và thiết bị kỹ thuật, trong đó con người là yếu tố chủ yếu Các dạng thông tin cần trao đổi bao gồm tiếng nói, hình ảnh, văn bản và dữ liệu Ngược lại, mạng công nghiệp chỉ tập trung vào các thiết bị công nghiệp, do đó, dữ liệu là dạng thông tin duy nhất được quan tâm.
Mạng truyền thông công nghiệp là một loại mạng máy tính đặc biệt, có những điểm tương đồng và khác biệt so với mạng máy tính thông thường Nó đóng vai trò quan trọng trong các cấp điều khiển giám sát, điều hành sản xuất và quản lý công ty, và được xem như một phần trong mô hình phân cáp của mạng công nghiệp.
Mạng truyền thông công nghiệp đòi hỏi tính năng thời gian thực, độ tin cậy và khả năng tương thích cao hơn so với mạng máy tính thông thường, trong khi mạng máy tính lại yêu cầu cao hơn về độ bảo mật.
Mạng máy tính có thể có quy mô từ nhỏ như mạng LAN cho một nhóm máy tính đến lớn như mạng Internet Nhiều mạng máy tính sử dụng dịch vụ truyền dữ liệu từ mạng viễn thông Tuy nhiên, các hệ thống mạng công nghiệp thường độc lập và có phạm vi hoạt động hẹp Đối với hệ thống truyền thông công nghiệp, đặc biệt ở các cấp dưới, yêu cầu về tính năng thời gian thực, khả năng thực hiện đơn giản và chi phí thấp là ưu tiên hàng đầu.
1.2 Vai trò của mạng truyền thông công nghiệp:
Một bộ điều khiển cần được kết nối với các cảm biến và cơ cấu chấp hành, đồng thời các bộ điều khiển trong hệ thống điều khiển phân tán cũng phải trao đổi thông tin để phối hợp điều khiển quá trình sản xuất Ở cấp độ cao hơn, các trạm vận hành trong trung tâm điều khiển cần giao tiếp với các bộ điều khiển để theo dõi và giám sát toàn bộ quá trình sản xuất và hệ thống điều khiển Việc sử dụng mạng truyền thông trong công nghiệp mang lại nhiều lợi ích quan trọng.
Đơn giản hóa cấu trúc liên kết giữa các thiết bị công nghiệp cho phép nhiều thiết bị khác nhau được kết nối qua một đường truyền duy nhất.
Tiết kiệm chi phí và công sức trong thiết kế và lắp đặt hệ thống nhờ vào cấu trúc đơn giản Việc này giúp dễ dàng hơn trong quá trình thiết kế, khi mà nhiều cáp truyền được thay thế bằng một đường duy nhất, từ đó giảm đáng kể chi phí nguyên vật liệu và công lắp đặt.
Kỹ thuật truyền thông số nâng cao độ tin cậy và độ chính xác của thông tin bằng cách giảm thiểu tác động của nhiễu, điều mà phương pháp truyền tín hiệu tương tự cổ điển không thể làm được Các thiết bị mạng không chỉ khó bị sai lệch thông tin mà còn có khả năng tự phát hiện và chuẩn đoán lỗi, nhờ vào việc áp dụng các tiêu chuẩn quốc tế Điều này giúp việc thay thế, nâng cấp và mở rộng chức năng của hệ thống trở nên dễ dàng hơn, đồng thời cải thiện khả năng tương tác giữa các thành phần thông qua giao diện chuẩn.
Việc đơn giản hóa và tiện lợi hóa tham số hóa, chuẩn đoán và định vị lỗi của các thiết bị được thực hiện thông qua một đường truyền duy nhất Các thiết bị không chỉ có khả năng trao đổi dữ liệu quá trình mà còn gửi cho nhau các thông tin về tham số, trạng thái, cảnh báo và chuẩn đoán Hơn nữa, các thiết bị có thể tích hợp khả năng tự chuẩn đoán, trong khi các trạm trong mạng có thể cảnh báo lẫn nhau Hệ thống có thể được cấu hình, lập trình, tham số hóa và đưa vào vận hành từ xa thông qua một trạm kỹ thuật trung tâm.
Hệ thống mở ra nhiều chức năng và khả năng ứng dụng mới nhờ vào việc sử dụng mạng truyền thông công nghiệp Điều này cho phép áp dụng các kiến trúc điều khiển hiện đại như điều khiển phân tán, giám sát và chẩn đoán lỗi từ xa qua Internet Đồng thời, hệ thống cũng tích hợp thông tin điều khiển và giám sát với thông tin điều hành sản xuất và quản lý công ty.
1.3 Phân loại và đặc trưng các hệ thống mạng truyền thông công nghiệp: Để phân loại và phân tích đặc trưng của các hệ thống mạng truyền thông công nghiệp, ta dựa vào mô hình phân cấp quen thuộc cho các công ty, xí nghiệp sản xuất Mô hình này thể hiện nhiều phân cấp khác nhau theo từng chức năng:
Hình1.1 : Tháp mạng truyền thông công nghiệp
Những sự cố thường gặp và cách giải quyết
Nhiễu trùng kênh : Là do nhiều thiết bị có tần số trùng nhau
Nhiễu do xuyên điều chế xảy ra khi hai hoặc nhiều tín hiệu có tần số khác nhau kết hợp khi truyền qua thiết bị phi tuyến, dẫn đến sự hình thành các tín hiệu không mong muốn Những tín hiệu này gây ra nhiễu cho các đài vô tuyến điện khác.
Nhiễu tương thích điện từ trường (EMC) xảy ra khi thiết bị và hệ thống vô tuyến điện, điện, điện tử không hoạt động bình thường trong môi trường điện từ Một số nguyên nhân gây ra nhiễu EMC bao gồm
Bức xạ từ các thiết bị ứng dụng trong công nghiệp, khoa học và y tế (ISM) gây nhiễu cho các thiết bị
Bức xạ từ các điểm tiếp xúc giữa đường dây tải điện không được bảo đảm kỹ thuật và các trụ sứ có thể gây nhiễu cho các mạng đường dây điện lân cận.
Bộ khuyến đại tín hiệu (booster) gây nhiễu cho mạng
Nhiễu do các phát xạ không mong muốn, bao gồm phát xạ ngoài băng và phát xạ giả, xảy ra khi các thiết bị phát sóng vô tuyến điện phát ra tín hiệu không tuân thủ các tiêu chuẩn kỹ thuật Những phát xạ ngoài băng này gây ra nhiễu cho các thiết bị khác, ảnh hưởng đến hiệu suất hoạt động của chúng.
Nhiễu và các giải pháp xử lý
3.1 Nguồn gốc của nhiễu điện:
- Nhiễu là đại lượng vật lý không mong muốn tác động lên đối tượng
- Nguồn nhiễu có thể là bất cứ tín hiệu nào
- Đại lượng này có thể là nhiễu đối với đối tượng và sự việc này, không là nhiếu đối với sự việc kia
- Nhiễu có độ lớn và pha là khác nhau và ngẫu nhiên
Nhiễu điện từ là hiện tượng gây ra bởi các nguồn phát sóng khác nhau, bao gồm sóng Radio, truyền hình và sóng điện thoại ở dải tần cao Ngoài ra, các nguồn số như ánh sáng, rơle, motor, và các nguồn phóng xạ cũng góp phần tạo ra nhiễu Các nguồn tần số thấp, chẳng hạn như điện áp cao trong truyền dẫn điện, cũng là nguyên nhân gây ra nhiễu điện từ.
Ba vấn đề chính của nhiễu điện từ
Sử dụng cáp có vỏ bọc che chắn để chống các nguồn nhiễu từ bên ngoài
Hình 2.2: Cáp có vỏ bọc che chắn
3.3 Tốc độ dẫn của dây cáp:
- Đối với các hệ thống thương phẩm có thể đạt tới 1 đến 50 Gbits/s với các đường truyền đến 10Km
Các dạng nối đất cơ bản
- Nguồn cách điện với đất
- Tải cách điện với đất
Hình 2.3: Các kiểu nối đất
- Nhiễu cáp truyền cảm ứng điện dung
Hình 2.4: Kỹ thuật triệt nhiễu bằng điện dung
- Bảo vệ chống cảm ứng điện dung
Hình 2.5: Bảo vệ chống cảm ứng điện dung
- Chống nhiễu bọc kim bằng 1 màn chắn:
Hình 2.6: chống nhiễu bọc kim bằng một màn chắn
- Cảm ứng ở thanh của bọc kim:
Hình 2.7: Cảm ứng thanh của bọc kim
- Cảm ứng điện cảm và cách bảo vệ
Hình 2.8: Cảm ứng điện cảm
- Sử dụng bộ khuếch đại vi sai:
Màu xanh lá cây : 2 dây nối với đất vi sai Màu đỏ: dây nối đất cầu Wheatstone với khuếch đại đo lường
Hình 2.9: Khuếch đại vi sai
- Chống nhiễu bằng cách sử dụng đường truyền tích hợp:
Truyền có dây có 3 loại chính
- Truyền có 1 dây nối đất
Loại dây xoắn: loại này phổ biến nhất vì loại xoắn giữa 2 cực tím hiệu nên có khả năng chống được nhiễu điện từ
- Kiểu chống nhiễu của nó dựa vào điện cảm
Hình 2.12: Cáp quang Đặc điểm:
- Dây dẫn quang bằng lõi hình trụ, bằng thủy tinh hay bằng nhựa
- Là chùm sáng trong dây dẫn quang
- Chùm sáng phản xạ phải trong dây dẫn Lưu lượng:
- Đối với hệ thống thương phẩm Từ 1 đến 50 Gbits/s và chiều dài truyền khoảng 10Km
- Hệ số truyền sai 10 9 Ưu điểm:
- Không gây một nhiễu dạng xung
- Không phát ra tín hiệu nào
- Rất chắc chắn khi sử dụng
- Không cần có biện phát phát hiện sai
Câu 1 : Nêu các phương pháp hạn chế nhiễu trong công nghiệp, cho ví dụ thực tiễn về các hệ thống chống nhiễu này?
Câu 2: Nhiễu thường gây hại gì đến sản xuất? tại sao trong nhà máy dùng nhiều biến tần thì gây ra nhiễu lớn?cách khắc phục?
