>> Mạng truyền thông công nghiệp Ethernet trong nhà máy xi măng (P2)
Mạng truyền thông Ethernet được áp dụng đầu tiên trong công nghiệp
sản xuất xi măng ở Việt Nam vào năm 1995 trong hệ thống điều khiển tự động của dây chuyền 2 -
nhà máy xi măng Hoàng Thạch. Mục đích là để liên kết, trao đổi thông tin giữa các bộ điều khiển với nhau và với hệ thống máy tính giám sát, vận hành tại phòng điều khiển trung tâm (CCR). Đường truyền là cáp đồng trục, lõi đồng, tốc độ truyền đạt 10Mbit/s. Từ đó đến nay, nói đến mạng truyền thông trong hệ thống điều khiển tự động của một nhà máy xi măng bất kỳ người ta không thể không nói đến Ethernet, chính Ethernet công nghiệp đã tạo ra một cuộc cách mạng lớn trong kỹ thuật truyền số liệu cũng như làm thay đổi cấu trúc hệ thống điều khiển trong các nhà máy công nghiệp nói chung và nhà máy xi măng nói riêng. Từ các bộ điều khiển đơn lẻ nằm rải rác, độc lập phân bố khắp dây chuyền sản xuất, không có liên hệ trao đổi thông tin với nhau thì ngày nay nhờ có Ethernet mà đã kiến tạo nên hệ thống điều khiển DCS (Distributed Control System) tiên tiến, giải quyết được nhiều bài toán điều khiển phức tạp, truyền tải được số lượng lớn thông tin đa dạng, giúp người vận hành quản lý thiết bị dễ dàng và thuận tiện hơn rất nhiều so với các hệ thống vận hành giám sát trước đây.
1. Lịch sử phát triển Ethernet
Sự phát triển không ngừng trong việc sử dụng các hệ thống xử lý số liệu và việc đưa các hệ thống này vào áp dụng trong nhiều lĩnh vực chẳng hạn như: hoạt động trong môi trường văn phòng, các ứng dụng khoa học công nghệ, xây dựng, chế tạo máy móc... đã buộc các nhà quản lý trong các lĩnh vực này cần phải nghĩ đến và đưa các mạng truyền dữ liệu lớn, có tính năng cao cấp hơn vào sử dụng nhằm đáp ứng được các yêu cầu đó.
Ngay từ năm 1972, hãng Xerox đã bắt đầu nghiên cứu phát triển các mạng cục bộ kết nối theo dạng bus (LAN) tại trung tâm nghiên cứu phát triển Palo Alto của họ, sử dụng phương pháp truy cập có tên là CSMA/CP. Tên của phương pháp truy cập này là chữ viết tắt của các tính chất cơ bản như sau:
- Carrier Sense (cảm nhận sóng mang)
- Multiple Acces (đa truy cập)
- Collision Detection (phát hiện xung đột)
Ý nghĩa của các tính chất trên được hiểu là:
+ Carrier Sense: Các thành viên trên mạng (Network users) sẽ liên tục "lắng nghe", kiểm tra xem đường truyền lúc này có tự do hay không? (tức là hiện tại đang có thông tin truyền trên mạng hay không).
+ Multiple Acces: nếu như đường truyền mạng hiện tại đang tự do (không có thông tin truyền trên mạng) thì các thành viên của mạng có thể bắt đầu sự truy cập và truyền dữ liệu của mình lên mạng.
+ Collision Detection: Nếu có nhiều hơn một thành viên của mạng đồng thời khởi động truyền thông tin lên mạng thì điều đó có nghĩa là xung đột đã xảy ra và do đó các thành viên mà truyền dữ liệu lúc đó phải dừng lại và chờ xem thành viên nào được phép ưu tiên truyền lại dữ liệu tại lần truyền tiếp theo.
Tầm quan trọng và ý nghĩa của mạng LAN ngày càng được nâng cao và chủ yếu được thực hiện bởi 3 công ty hàng đầu thế giới chuyên về lĩnh vực này là: Digital Equipment Corporation (DEC), Intel Corporation, and Xerox, 3 công ty này đã hợp tác với nhau thành 1 liên danh có tên là DIX để cùng nghiên cứu phát triển, hướng tới mục tiêu với kết quả thu được một cách hoàn hảo của hãng Xerox như đã nêu ở trên.
Năm 1980, DIX đã cho ra đời phiên bản đầu tiên V1.0 của Ethernet.
Mô hình thanh chiếu OSI được phát triển thành 7 lớp (layer) và phân chia như sau:
Mô hình OSI nêu trên là cấu trúc chuẩn hóa của Ethernet..., tuy nhiên trên thực tế các nhà thiết kế mạng truyền thông công nghiệp trên thế giới không nhất thiếp áp dụng đầy đủ cả 07 lớp (layer) như đã nêu. Với mỗi nhà thiết kế, tùy thuộc vào thiết bị mà họ chế tạo được cũng như đặc thù, yêu cầu của lĩnh vực hoạt động mà các lớp ứng dụng mô hình OSI sẽ được áp dụng. Chi tiết việc sử dụng mô hình OSI đều được thuyết minh trong các tài liệu kỹ thuật về mạng truyền thông công nghiệp của từng hãng sản xuất cụ thể.
Hình 1: Sơ đồ nguyên lý truy cập CSMA/CD
Ngày nay Ethernet là một công nghệ truyền thông rất phổ biến trong các hệ thống xử lý dữ liệu điện tử. Ở trong môi trường văn phòng cũng như trong các nhà máy công nghiệp, Ethernet được xây dựng và hoàn thiện như là một công nghệ đã được chuẩn mực và cung cấp một dải rộng lớn phương tiện, thiết bị truyền tải thông tin chẳng hạn như: cáp ruột đồng, cáp sợi quang, công nghệ không dây (wire-less), với dải tốc độ truyền từ 10Mbit/s, 100Mbit/s tới 1Gbit/s và 10Gbit/s. Ngày nay, công nghệ này ngày càng đạt được vai trò quan trọng đối với lĩnh vực tự động hóa công nghiệp.
Cùng với những tính năng về truyền thông đã được chuẩn hóa theo mô hình OSI, một nền tảng kiến trúc liên tục được tạo ra mà nó mở rộng phát triển không ngừng từ cấp độ bên trong các văn phòng, các phòng điều khiển, giám sát vươn tới tận các thiết bị hiện trường, máy móc, các bộ cảm biến...
Theo hướng như vậy, việc xử lý thông tin dữ liệu không phải chỉ hiển diện ở mức hiện trường mà nó còn liên tục được tích hợp cả ở các hệ thống thu thập dữ liệu tại các mức kiểm soát cao hơn.
Hình ảnh dưới đây cho thấy sự phân cấp có thể tạo ra trong hệ thống:
Hình 2: Ví dụ về sự phân cấp hệ thống trong tự động hóa công nghiệp.
• ERP: hoạch định nguồn tài nguyên kinh doanh (Enterprise resource planning)
• SCADA: điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu (Supervisory control & data acquisition).
• DCS: Hệ thống điều khiển phân tán (Distributed control system)
• PLC: Bộ điều khiển logic có khả năng lập trình được (Programmable Logic Controler)
• Bus hiện trường (Fieldbus)
Những loại Bus hiện trường (fieldbus) có sẵn trên thị trường hiện nay đang sử dụng nhiều loại phương tiện truyền tải dữ liệu khác nhau và giao diện với các mạng cấp cao hơn thông qua các "gateway". Đa số các nhà sản xuất fieldbus đã phát triển các giao thức của họ được xây dựng dựa theo chuẩn Ethernet như: Modbus/TCP; EtherNet/IP; ProfiNet, FF HSE; PowerLink.
Bên cạnh đó, Ethernet cũng tạo ra sự tăng đột biến về độ rộng của băng thông so với fieldbus (ví dụ: Profibus DP có băng thông tối đa tới 12Mbit/s, Ethernet có độ rộng băng thông tối đa tới 1 (10) Gbit/s).
Ethernet không những có khả năng phát triển tích hợp theo chiều thẳng đứng mà còn cung cấp một giao thức mở để phát triển theo chiều rộng.
a. Sự khác nhau giữa môi trường Ethernet công nghiệp và văn phòng:
Mặc dù về tiêu chuẩn sử dụng trong công nghệ tự động hóa và trong môi trường văn phòng là tương tự, tuy nhiên các yêu cầu đối với thiết bị mạng sẽ phải khác nhau một cách đáng kể.
Thiết bị của mạng truyền thông trong môi trường công nghiệp bắt buộc phải hoạt động rất tin cậy dưới các điều kiện khắc nghiệt, chẳng hạn như nhiễu điện tử, nhiệt độ vận hành cao, rung động cơ khí lớn...
Dưới đây là bảng so sánh một số sự khác nhau cơ bản.
b. Những đặc trưng mang tính công nghiệp:
- Lắp đặt trên ray theo tiêu chuẩn DIN
- Lắp các thiết bị vào các ray thép tiêu chuẩn DIN bằng cách ấn vào rất nhanh chóng, thuận tiện.
- Nguồn cung cấp là 24VDC (có dự phòng redundant).
- Các lĩnh vực áp dụng cũng khác nhau
- Thiết kế theo kiểu Robot phù hợp cho các ứng dụng công nghiệp
- Các điều kiện môi trường: nhiệt độ môi trường chịu được trong dải rộng hơn, cụ thể là từ -40 độ C đến +70 độ C không cần quạt thông gió hay làm mát. Nhiều cấp bảo vệ tùy thuộc khu vực lắp đặt IP20/IP30/IP67.
- Tính ổn định cơ học: đã được thử nghiệm về rung và chấn động theo các tiêu chuẩn IEC 1131-2 và IEC60068.
- Các quy định về điện: EMI:EN 50022, EN50082-2, FCC phần 15 (class B), IEC 1000-4-2, IEC1000-4-6, IEC1000-4-4, EN61000.
ximang.vn (Nguồn: Tạp chí Thông tin KHCN-Vicem)