Mạng truyền thông công nghiệp là gì? Phân loại và Ứng dụng

Trong môi trường sản xuất hiện đại, việc kết nối và truyền tải dữ liệu nhanh chóng giữa các thiết bị là yếu tố then chốt để nâng cao hiệu suất và giảm thiểu gián đoạn. Tuy nhiên, không phải doanh nghiệp nào cũng hiểu rõ vai trò của mạng truyền thông công nghiệp và cách lựa chọn hệ thống phù hợp. Bài viết này sẽ giải thích chi tiết về mạng truyền thông công nghiệp, các loại phổ biến và ứng dụng thực tế, giúp doanh nghiệp tối ưu hóa quy trình sản xuất.

Mạng truyền thông công nghiệp là gì?

Mạng truyền thông công nghiệp (Industrial Communication Network) là hệ thống mạng được thiết kế đặc biệt để kết nối các thiết bị và hệ thống trong môi trường công nghiệp. Khác với mạng máy tính thông thường, mạng truyền thông công nghiệp phải đáp ứng các yêu cầu khắt khe về độ tin cậy, tính thời gian thực và khả năng hoạt động trong môi trường khắc nghiệt.

Cấu tạo của mạng truyền thông công nghiệp

Mạng truyền thông công nghiệp bao gồm nhiều thành phần khác nhau, mỗi thành phần đóng một vai trò quan trọng, đảm bảo sự hoạt động hiệu quả và tin cậy trong quy trình sản xuất:

Thiết bị trường (Field devices): Đây là những thiết bị trực tiếp tương tác với quy trình sản xuất, thu thập dữ liệu và thực hiện các hành động. Ví dụ: Cảm biến (đo nhiệt độ, áp suất, lưu lượng), bộ truyền động (điều khiển van, động cơ), công tắc, van, v.v.

Bộ điều khiển (Controllers): Bộ điều khiển là “bộ não” của mạng truyền thông công nghiệp, có nhiệm vụ xử lý dữ liệu từ thiết bị trường và đưa ra các quyết định điều khiển. Ví dụ: PLC (Programmable Logic Controller), DCS (Distributed Control System).

Thiết bị mạng (Network devices): Các thiết bị mạng đảm bảo sự kết nối và truyền tải dữ liệu giữa các thành phần khác trong mạng. Ví dụ: Switch (chuyển mạch), router (bộ định tuyến), gateway (cổng kết nối).

Phần mềm (Software): Phần mềm cung cấp giao diện người dùng và các công cụ để giám sát, điều khiển và quản lý mạng truyền thông công nghiệp. Ví dụ: SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition), HMI (Human Machine Interface).

Giao thức truyền thông (Communication protocols): Giao thức truyền thông quy định cách thức các thiết bị trong mạng trao đổi dữ liệu với nhau. Ví dụ: Modbus, Profibus, Ethernet/IP.

Vai trò của mạng truyền thông công nghiệp

Mạng truyền thông công nghiệp đóng vai trò quan trọng trong việc kết nối, truyền tải dữ liệu giữa các thiết bị và hệ thống trong môi trường sản xuất và tự động hóa. Dưới đây là những vai trò chính:

• Tăng cường hiệu suất sản xuất: Mạng truyền thông công nghiệp cho phép kết nối liền mạch giữa các thiết bị và hệ thống trong nhà máy, từ đó giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất, giảm thời gian chết và tăng năng suất.
• Nâng cao chất lượng sản phẩm: Dữ liệu thời gian thực từ các cảm biến và thiết bị giúp kiểm soát chất lượng sản phẩm một cách chính xác và hiệu quả. Đồng thời, phát hiện sớm các lỗi và sự cố trong quy trình sản xuất, giúp ngăn ngừa sản phẩm lỗi.
• Giảm chi phí vận hành: Tự động hóa các quy trình giúp giảm chi phí nhân công, chi phí điện và các nguồn tài nguyên khác, giúp tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng.
• Cải thiện an toàn lao động: Mạng truyền thông công nghiệp cho phép giám sát và kiểm soát từ xa các quy trình sản xuất, giảm thiểu nguy cơ tai nạn lao động. Đặc biệt, các cảm biến kết nối với mạng truyền thông công nghiệp giúp phát hiện khí độc và các nguy cơ nguy hiểm khác, cảnh báo kịp thời cho người lao động.
• Hỗ trợ ra quyết định: Dữ liệu thời gian thực từ mạng truyền thông công nghiệp cung cấp thông tin quan trọng cho việc ra quyết định kinh doanh.

Phân loại các hệ thống mạng truyền thông công nghiệp

Có nhiều loại mạng truyền thông công nghiệp khác nhau, mỗi loại có ưu và nhược điểm riêng. Dưới đây là một số loại phổ biến:

• Mạng truyền thông công nghiệp Ethernet

Mạng truyền thông công nghiệp Ethernet sử dụng giao thức Ethernet tiêu chuẩn, cho phép truyền dữ liệu với tốc độ cao và khả năng tương thích tốt với các thiết bị mạng thông thường. Đây là một lựa chọn phổ biến trong các ứng dụng yêu cầu băng thông lớn và kết nối linh hoạt. Một số biến thể tiêu biểu của Ethernet trong công nghiệp bao gồm Ethernet/IP, Profinet và EtherCAT, giúp tối ưu hóa hiệu suất trong môi trường sản xuất và tự động hóa.

• Giao thức truyền thông công nghiệp Modbus

Giao thức truyền thông công nghiệp Modbus là một giao thức truyền thông nối tiếp đơn giản và phổ biến, được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp nhờ tính dễ triển khai, bảo trì và chi phí thấp. Tuy nhiên, Modbus có hạn chế về tốc độ truyền dữ liệu cũng như khả năng mở rộng, khiến nó phù hợp hơn cho các hệ thống không yêu cầu tốc độ cao.

• Mạng truyền thông nối tiếp

Mạng truyền thông nối tiếp sử dụng các giao thức như RS-232 và RS-485, thích hợp cho việc truyền dữ liệu ở khoảng cách xa với tốc độ thấp. Đây là một giải pháp đơn giản, chi phí thấp và dễ tích hợp vào các hệ thống công nghiệp. Tuy nhiên, do giới hạn về tốc độ và khả năng kết nối, mạng truyền thông nối tiếp chủ yếu được sử dụng trong các ứng dụng không yêu cầu băng thông lớn.

• Hệ thống truyền thông công nghiệp DeviceNet

Hệ thống truyền thông công nghiệp DeviceNet được xây dựng dựa trên giao thức CAN (Controller Area Network), đóng vai trò quan trọng trong các ứng dụng tự động hóa nhà máy. DeviceNet thích hợp để kết nối các thiết bị trường như cảm biến và bộ truyền động, mang lại khả năng chống nhiễu tốt và độ tin cậy cao trong môi trường công nghiệp khắc nghiệt.

• Mạng truyền thông Profibus

Mạng truyền thông Profibus là một giao thức phổ biến trong lĩnh vực tự động hóa quá trình và tự động hóa nhà máy. Với khả năng hỗ trợ nhiều loại thiết bị và ứng dụng khác nhau, Profibus cho phép kết nối linh hoạt, dễ dàng mở rộng hệ thống và đảm bảo độ tin cậy cao trong vận hành công nghiệp.

• Giao thức truyền thông HART

Giao thức truyền thông HART (Highway Addressable Remote Transducer) được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng tự động hóa quá trình công nghiệp. Giao thức này cho phép truyền thông hai chiều giữa các thiết bị trường thông minh và hệ thống điều khiển, hỗ trợ cấu hình, hiệu chuẩn và giám sát thiết bị từ xa. Với tính năng kết hợp giữa tín hiệu tương tự và kỹ thuật số, HART mang lại sự linh hoạt trong việc quản lý và vận hành hệ thống công nghiệp hiện đại.

Các cấp bậc trong mạng truyền thông công nghiệp

Mạng truyền thông công nghiệp thường được chia thành ba cấp bậc:

Cấp quản lý thông tin (Information level):

• Liên quan đến việc thu thập, xử lý và phân tích dữ liệu từ các hệ thống sản xuất.
• Sử dụng các giao thức như Ethernet/IP, OPC UA, v.v.
• Các ứng dụng: SCADA, MES (Manufacturing Execution System), ERP (Enterprise Resource Planning).

Cấp điều khiển và giám sát (Control level):

• Liên quan đến việc điều khiển và giám sát các quy trình sản xuất.
• Sử dụng các giao thức như Profibus, Modbus TCP, v.v.
• Các ứng dụng: PLC, DCS, HMI.

Cấp thiết bị và trường dữ liệu (Device level):

• Liên quan đến việc kết nối các thiết bị trường như cảm biến, bộ truyền động, v.v.
• Sử dụng các giao thức như DeviceNet, Modbus RTU, v.v.

So sánh mạng truyền thông công nghiệp với các loại mạng khác

Mạng truyền thông công nghiệp với mạng máy tính:

Tính thời gian thực:

• Mạng công nghiệp: Yêu cầu xử lý và truyền dữ liệu thời gian thực, đảm bảo sự đồng bộ và chính xác trong các quy trình sản xuất.
• Mạng máy tính: Ưu tiên băng thông và tốc độ truyền dữ liệu, không nhất thiết phải đáp ứng yêu cầu thời gian thực nghiêm ngặt.

Độ tin cậy và độ bền:

• Mạng công nghiệp: Được thiết kế để hoạt động trong môi trường khắc nghiệt (nhiệt độ cao, bụi bẩn, rung động), đảm bảo độ tin cậy cao.
• Mạng máy tính: Thường hoạt động trong môi trường văn phòng, ít yêu cầu về độ bền.

Giao thức:

• Mạng công nghiệp: Sử dụng các giao thức chuyên dụng (Modbus, Profibus, EtherNet/IP) để đảm bảo tính ổn định và khả năng tương thích với thiết bị công nghiệp.
• Mạng máy tính: Sử dụng các giao thức tiêu chuẩn (TCP/IP).

Mạng truyền thông công nghiệp với hệ thống mạng viễn thông:

Băng thông và tốc độ truyền:

• Mạng công nghiệp: Tùy thuộc vào ứng dụng, có thể yêu cầu băng thông cao hoặc thấp, nhưng độ trễ phải thấp.
• Mạng viễn thông: Ưu tiên băng thông rộng để truyền tải dữ liệu đa phương tiện.

Tính bảo mật và độ trễ:

• Mạng công nghiệp: Yêu cầu tính bảo mật cao để bảo vệ dữ liệu sản xuất quan trọng, độ trễ thấp để đảm bảo hoạt động ổn định.
• Mạng viễn thông: Chú trọng bảo mật dữ liệu người dùng, độ trễ có thể chấp nhận được trong một số trường hợp.

Khả năng chịu đựng môi trường:

• Mạng công nghiệp: Được thiết kế để chịu được các điều kiện môi trường khắc nghiệt.
• Mạng viễn thông: thường được bảo vệ trong các hạ tầng viễn thông chuyên dụng.

Ứng dụng của mạng truyền thông công nghiệp

Mạng truyền thông công nghiệp được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau, góp phần nâng cao hiệu quả và năng suất. Dưới đây là một số ứng dụng tiêu biểu:

Tự động hóa sản xuất:

• Trong các nhà máy sản xuất, mạng truyền thông công nghiệp kết nối các thiết bị như PLC, robot, cảm biến, v.v., tạo thành hệ thống tự động hóa hoàn chỉnh.
• Điều này giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất, giảm thiểu sai sót và tăng năng suất.

Ngành năng lượng:

• Trong các nhà máy điện, mạng truyền thông công nghiệp được sử dụng để giám sát và điều khiển các thiết bị, đảm bảo vận hành an toàn và hiệu quả.
• Trong ngành dầu khí, mạng truyền thông công nghiệp được sử dụng để giám sát và điều khiển các giàn khoan, đường ống dẫn dầu, v.v.

Ngành giao thông vận tải:

• Trong hệ thống giao thông thông minh, mạng truyền thông công nghiệp được sử dụng để kết nối các thiết bị như đèn tín hiệu, camera giám sát, v.v., giúp điều phối giao thông hiệu quả.
• Trong ngành đường sắt, mạng truyền thông công nghiệp được sử dụng để giám sát và điều khiển các hệ thống tín hiệu, đảm bảo an toàn cho hành khách.

Ngành thực phẩm và đồ uống:

• Trong các nhà máy chế biến thực phẩm, mạng truyền thông công nghiệp được sử dụng để giám sát và kiểm soát nhiệt độ, độ ẩm, v.v., đảm bảo chất lượng sản phẩm.
• Trong các nhà máy đóng chai, mạng truyền thông công nghiệp được sử dụng để tự động hóa quy trình đóng gói, tăng năng suất.

Ngành hóa chất:

• Mạng truyền thông công nghiệp được sử dụng để giám sát các quá trình hóa học, kiểm soát các phản ứng, và đảm bảo an toàn.

Giải pháp Mạng Rockwell Automation: Kết nối thông minh cho Nhà máy Tự động hóa

Rockwell Automation cung cấp nhiều loại thiết bị, giao diện truyền thông, phương tiện vật lý và sản phẩm kết nối để giúp bạn khai thác tối đa hệ thống điều khiển của mình. Các giải pháp của Rockwell bao gồm:

Mạng EtherNet/IP

Mạng EtherNet/IP™ của Rockwell cung cấp các hệ thống mạng toàn nhà máy sử dụng các công nghệ mạng tiêu chuẩn công nghiệp, mở. Nó cho phép điều khiển và thông tin thời gian thực trong các ứng dụng rời rạc, quy trình liên tục, mẻ, an toàn, truyền động, chuyển động và độ khả dụng cao.

Mạng EtherNet/IP kết nối các thiết bị như khởi động động cơ và cảm biến với bộ điều khiển và thiết bị HMI, và kết nối vào doanh nghiệp. Nó hỗ trợ cả truyền thông phi công nghiệp và công nghiệp trên một cơ sở hạ tầng mạng chung.

Mạng ControlNet

Mạng ControlNet™ của Rockwell là các mạng điều khiển mở, đáp ứng nhu cầu của các ứng dụng thời gian thực, thông lượng cao. ControlNet hỗ trợ liên kết bộ điều khiển với bộ điều khiển và điều khiển thời gian thực của I/O, bộ truyền động và van. Nó cũng cung cấp mạng điều khiển trong các ứng dụng rời rạc và quy trình, bao gồm cả các ứng dụng có độ khả dụng cao.

Mạng DeviceNet

Mạng DeviceNet™ của Rockwell cung cấp mạng thông tin và điều khiển cấp thiết bị mở cho các thiết bị công nghiệp đơn giản. Nó hỗ trợ giao tiếp giữa các cảm biến và bộ truyền động với các thiết bị cấp cao hơn như bộ điều khiển lập trình và máy tính. Với nguồn điện và tín hiệu trong một cáp duy nhất, nó cung cấp các tùy chọn đi dây đơn giản và tiết kiệm chi phí.

Thiết bị Cổng kết nối & Liên kết

Rockwell cung cấp một loạt các Thiết bị Cổng kết nối và Liên kết để kết nối liền mạch các mạng cấp thông tin hoặc cấp điều khiển với mạng cấp thiết bị của bạn, giúp giảm chi phí thiết bị điều khiển bằng cách tận dụng các cấu trúc mạng hiện có để truy cập dữ liệu trên các mạng khác.

Các Mạng Công Nghiệp Khác

Rockwell hỗ trợ nhiều loại mạng tự động hóa công nghiệp khác, mang lại sự linh hoạt để kết nối các ứng dụng mới với các ứng dụng hiện có trên các mạng như Data Highway Plus, DH-485, Universal Remote I/O và SERCOS II.

Mạng Thiết bị Đo Lường Quy Trình

Rockwell cung cấp hỗ trợ Hệ thống Điều khiển Phân tán PlantPAx™ tích hợp cho các thiết bị trên HART và FOUNDATION™ fieldbus. Các Đối tác Encompass™ của chúng tôi cung cấp hỗ trợ mở rộng cho Profibus PA, cũng như Modbus và các mạng khác. Endress+Hauser và các đối tác khác hiện cung cấp các thiết bị đo lường quy trình kết nối với mạng EtherNet/IP™ để hỗ trợ xu hướng đang phát triển này.

Servo Dynamics – Nhà phân phối chính thức của Rockwell Automation tại Việt Nam

Servo Dynamics tự hào là nhà phân phối chính thức của Rockwell Automation tại Việt Nam. Với đội ngũ chuyên gia giàu kinh nghiệm và am hiểu sâu sắc về các giải pháp mạng công nghiệp, Servo Dynamics cam kết mang đến cho khách hàng những sản phẩm và dịch vụ chất lượng cao, đáp ứng mọi yêu cầu và thách thức trong quá trình chuyển đổi số và tự động hóa sản xuất.