FieldBus và Ethernet trong các ứng dụng điều khiển

Trong rất nhiều năm trước đây,tín hiệu chuẩn dùng cho các thiết bị đo lường trong nhà máy tự động hóa là tín hiệu tương tự dạng dòng điện 4-20mA. Ưu điểm của phương pháp kết nối này là độ tin cậy rất cao tuy nhiên số lượng dây cần thiết là rất nhiều do mỗi thiết bị muốn kết nối đến một thiết bị khác thì đều cần phải có một dây kết nối riêng biệt.

Fieldbus và ethernet

Cùng với sự phát triển của công nghệ kĩ thuật số thì giao thức Fieldbus đã nổi lên và trở thành một sự lựa chọn hấp dẫn hơn so với đường truyền sử dụng dây tín hiệu 4-20 mA truyền thống bởi vì số lượng dây cần thiết cho một hệ thống fieldbus được giảm xuống. Vì sao số lượng dây trong một mạng fieldbus được giảm xuống? Tại vì chỉ cần thông qua một cable bus trường thì việc truyền tải điện một chiều lẫn truyền tải tín hiệu truyền thông đều được thực hiện một cách dễ dàng.

Các giao thức fieldbus được sử dụng hiện nay trong công nghiệp gồm có: Foundation Fieldbus, HART và Profibus
Ethernet cũng ngày càng phát triển, mạng ethernet không chỉ dành cho các ứng dụng trong văn phòng mà giờ đây nó cũng đi vào các lĩnh vực sản xuất trong các quá trình tự động hóa. Bằng chứng rõ nét nhất chúng ta có thể thấy là ngày nay rất nhiều các thiết bị đầu cuối được sử dụng cho các ứng dụng trong công nghiệp đều được trang bị thêm cổng truyền thông Ethernet. Để bắt kịp với xu thế của thời đại, thì hiện nay các hãng tự động hóa sử dụng giao thức Fieldbus đều cung cấp thêm tính năng truyền thông theo chuẩn Ethernet trên nền tảng giao thức vốn có của họ, việc này sẽ cho phép các doanh nghiệp dễ dàng quản lý hệ thống của họ và kết nối với mạng của hệ thống doanh nghiệp một cách dễ dàng hơn.

Như vậy với rất nhiều cách để có thể tạo nên một mạng truyền thông trong công nghiệp. Đứng trong một bài toán cụ thể về kết nối mạng trong nhà máy của bạn, bạn cần phải hiểu biết về các giao thức kết nối này như thế nào. Sau đây là một trong vài những điểm chú ý về các kiểu truyền thông này khi bạn muốn mạng truyền thông của mình theo kiểu nào. Fieldbus hay Ethernet ?

HART (Highway Addressable Remote Transducer)
Giao thức hart
Giao thức HART được xây dựng trên nguyên tắc phát huy tính ưu việt của tín hiệu dòng 4-20 mA cho các cảm biến chuyển đổi đo lường thông minh. Nó được đặc biệt áp dụng cho các thiết bị sử dụng tín hiệu ra dạng dòng 4-20mA truyền thống. Giao thức HART cho phép giữ lại tính ưu việt của tín hiệu dòng 4-20 mA, đồng thời cho phép khả năng giao tiếp tín hiệu số 2 chiều mà không làm ảnh hưởng đến các tính năng đo lường của tín hiệu 4-20 mA. Nghĩa là giờ đây với giao thức HART thì các thiết bị thực ngoài việc thực hiện chức năng đo lường với tín hiệu dòng 4-20 mA mà nó còn cho phép thiết bị có khả năng giao tiếp và xử lý các thông tin liên quan tới biến đo lường, thống số thiết bị, cấu hình thiết bị, căn chỉnh và tự dộng dò tìm và báo lỗi. Từ đó cung cấp cho hệ thống điều khiển trung tâm thêm các thông tin và công cụ để quản lý hệ thống.

Sự xuất hiện của nhiều thế hệ bus trường khác nhau dẫn đến việc ra đời của 2 tổ chức ISP và WorldFIP vào năm 1993, với cùng mục đích là xây dựng một chuẩn bus trường thống nhất. Hiệp hội Foundation Fieldbus được thành lập vào cuối năm 1994 do đại diện của 2 tổ chức trên nhằm chấm dứt sự phân nhánh trong việc xây dựng 1 chuẩn chung. Trên thế giới chúng ta có thể thấy rất nhiều sản phẩm sử dụng chuẩn này như sản phẩm của các hãng: Siemens,Allen-Bradley...và nó được ứng dụng vào rất nhiều các lĩnh vực công nghiệp khác nhau như: công nghiệp chế biến thực phẩm và nước giải pháp, dược phẩm v..v.

Với giao thức truyền thông này thì hiện nay có 2 hệ thống bus được sử dụng với cấu trúc bức điện và tốc độ truyền thông khác nhau: > H1 hoạt động với tốc độ 21.25 kbit/s và thường được sử dụng trong việc kết nối đến các thiết bị cấp trường. Với giao thức này thì nó sử dụng 1 cable twisted-pair vừa làm nhiệm vụ truyền thông, vừa làm nhiệm vụ là đường cấp nguồn cho thiết bị.

>HSE( High-speed Ethernet) hoạt động với tốc độ 100 Mbit/s và nó làm nhiệm vụ để kết nối với hệ thống, kết nối các thiết bị với nhau, gateways,các thiết bị trường với nhau thông qua sử dụng một dây Ethernet chuẩn. Tuy nhiên khi làm việc với tốc độ truyền thông này thì việc cấp nguồn cho thiết bị không thể sử dụng chung trên đường truyền thông dữ liệu được.

Một giao thức quan trọng khác của Fieldbus cũng được sử dụng rất nhiều trong công nghiệp chính là ProfibusPA cũng hoạt động với tốc độ truyền thông là 31,25kbits/s. Giao thức này là một tiêu chuẩn được sử dụng trong công nghệ tự động hóa, ban đầu nó được phát triển tại Đức bởi viện nghiên cứu và đào tạo( BMBF), sau đó nó được tiếp tục phát triển và ứng dụng trong các sản phẩm của một công ty rất nổi tiếng Siemens. Các ngành công nghiệp như hóa dầu, công nghệ chế biến thực phẩm và giải khát, nước và hệ thống xử lý nước thải sử dụng rất nhiều các thiết bị sử dụng giao thức này trong các hệ thống của họ

Profinet là một giao thức Ethernet được sử dụng trong công nghiệp do Profibus/Profinet International group phát triển. Profinet sử dụng giao thức TCP/IP và nó có tốc độ truyền thông như tốc độ truyền thông của mạng Ethernet.