Để
sắp xếp, phân loại và phân tích đặc trưng 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,
như được minh họa trên Hình 1.1.
Hình 1.1: Mô hình phân cấp
chức năng công ty sản xuất công nghiệp
Tương ứng
với năm cấp chức năng là bốn cấp của hệ thống truyền thông. Từ cấp điều khiển
giám sát trở xuống thuật ngữ “bus” thường được dùng thay cho “mạng”, với lý do
phần lớn các hệ thống mạng phía dưới đều có cấu trúc vật lý hoặc logic kiểu bus
Bus trường, bus thiết bị
Bus trường
(fieldbus) thực ra là một khái niệm chung được dùng trong các
ngành công nghiệp chế biến để chỉ các hệ thống bus nối tiếp, sử dụng kỹ
thuật truyền tin số để kết nối các
thiết bị thuộc cấp điều khiển (PC, PLC) với nhau và với các thiết bị ở cấp chấp
hành, hay các thiết bị trường. Các chức năng chính của cấp chấp hành là đo
lường, truyền động và chuyển đổi tín hiệu trong trường hợp cần thiết. Các thiết
bị có khả năng nối mạng là các vào/ra phân tán (distributed I/O), các thiết bị đo lường (sensor, transducer, transmitter)
hoặc cơ cấu chấp hành (actuator,
valve) có tích hợp khả năng xử lý truyền thông. Một số kiểu bus
trường chỉ thích hợp nối mạng các thiết bị cảm biến và cơ cấu chấp hành với các
bộ điều khiển, cũng được gọi là bus
chấp hành/cảm biến.
Trong
công nghiệp chế tạo (tự động hóa dây chuyền sản xuất, gia công, lắp ráp) hoặc ở
một số lĩnh vực ứng dụng khác như tự động hóa tòa nhà, sản xuất xe hơi, khái
niệm bus thiết bị
lại được sử dụng phổ biến. Có thể nói, bus thiết bị và bus trường có chức năng
tương đương, nhưng do những đặc trưng riêng biệt của hai ngành công nghiệp, nên
một số tính năng cũng khác nhau. Tuy nhiên, sự khác nhau này ngày càng trở nên
không rõ rệt, khi mà phạm vi ứng dụng của cả hai loại đều được mở rộng và đan
chéo sang nhau. Trong thực tế, người ta cũng dùng chung một khái niệm là bus
trường.
Do nhiệm vụ
của bus trường là chuyển dữ liệu quá trình lên cấp điều khiển để xử lý và
chuyển quyết định điều khiển xuống các cơ cấu chấp hành, vì vậy yêu cầu về tính năng thời gian thực
được đặt lên hàng đầu. Thời gian phản ứng tiêu biểu nằm trong phạm vi từ 0,1
tới vài miligiây. Trong khi đó, yêu cầu về lượng thông tin trong một bức điện
thường chỉ hạn chế trong khoảng một vài byte, vì vậy tốc độ truyền thông thường
chỉ cần ở phạm vi Mbit/s hoặc thấp hơn. Việc trao đổi thông tin về các biến quá
trình chủ yếu mang tính chất định kỳ, tuần hoàn, bên cạnh các thông tin tham số
hóa hoặc cảnh báo có tính chất bất thường.
Các hệ
thống bus trường được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay là PROFIBUS, ControlNet, INTERBUS,
CAN, WorldFIP, P-NET, Modbus và gần đây phải kể tới Foundation Fieldbus. DeviceNet,
AS-i, EIB và Bitbus là một vài hệ thống bus cảm biến/chấp hành tiêu biểu có thể
nêu ra ở đây.
Bus hệ thống, bus điều
khiển
Các hệ thống
mạng công nghiệp được dùng để kết nối các máy tính điều khiển và các máy tính
trên cấp điều khiển giám sát với nhau được gọi là bus hệ thống (system bus) hay
bus quá trình (process bus). Khái niệm sau thường chỉ được dùng trong lĩnh vực điều khiển
quá trình. Qua bus hệ thống mà các máy tính điều khiển có thể phối hợp hoạt
động, cung cấp dữ liệu quá trình cho các trạm kỹ thuật và trạm quan sát (có thể
gián tiếp thông qua hệ thống quản lý cơ sở dữ liệu trên các trạm chủ) cũng như
nhận mệnh lệnh, tham số điều khiển từ các trạm phía trên. Thông tin không những
được trao đổi theo chiều dọc, mà còn theo chiều ngang. Các trạm kỹ thuật, trạm
vận hành và các trạm chủ cũng trao đổi dữ liệu qua bus hệ thống. Ngoài ra các
máy in báo cáo và lưu trữ dữ liệu cũng có thể được kết nối qua mạng này.
Đối với bus hệ
thống, tùy theo lĩnh vực ứng dụng mà đòi hỏi về tính năng thời gian thực có
được đặt ra một cách ngặt nghèo hay không. Thời gian phản ứng tiêu biểu nằm
trong khoảng một vài trăm miligiây, trong khi lưu lượng thông tin cần trao đổi
lớn hơn nhiều so với bus trường. Tốc độ truyền thông tiêu biểu của bus hệ thống
nằm trong phạm vi từ vài trăm kbit/s đến vài Mbit/s.
Khi bus hệ
thống được sử dụng chỉ để ghép nối theo chiều ngang giữa các máy tính điều
khiển, người ta thường dùng khái niệm bus điều khiển. Vai trò của bus điều khiển là phục vụ
trao đổi dữ liệu thời gian thực giữa các trạm điều khiển trong một hệ thống có
cấu trúc phân tán. Bus điều khiển thông thường có tốc độ truyền không cao,
nhưng yêu cầu về tính năng thời gian thực thường rất khắt khe.
Do các yêu
cầu về tốc độ truyền thông và khả năng kết nối dễ dàng nhiều loại máy tính, hầu
hết các kiểu bus hệ thống thông dụng đều dựa trên nền Ethernet, ví dụ Industrial
Ethernet, Fieldbus Foundation’s High Speed Ethernet (HSE), Ethernet/IP.
Mạng xí nghiệp
Mạng xí nghiệp
thực ra là một mạng LAN bình thường, có chức năng kết nối các máy tính văn
phòng thuộc cấp điều hành sản xuất với cấp điều khiển giám sát. Thông tin được
đưa lên trên bao gồm trạng thái làm việc của các quá trình kỹ thuật, các giàn
máy cũng như của hệ thống điều khiển tự động, các số liệu tính toán, thống kê
về diễn biến quá trình sản xuất và chất lượng sản phẩm. Thông tin theo chiều
ngược lại là các
thông số
thiết kế, công thức điều khiển và mệnh lệnh điều hành. Ngoài ra, thông tin cũng
được trao đổi mạnh theo chiều ngang giữa các máy tính thuộc cấp điều hành sản
xuất, ví dụ hỗ trợ kiểu làm việc theo nhóm, cộng tác trong dự án, sử dụng chung
các tài nguyên nối mạng (máy in, máy chủ,...).
Khác với
các hệ thống bus cấp dưới, mạng xí nghiệp không yêu cầu nghiêm ngặt về tính
năng thời gian thực. Việc trao đổi dữ liệu thường diễn ra không định kỳ, nhưng
có khi với số lượng lớn tới hàng Mbyte. Hai loại mạng được dùng phổ biến cho
mục đích này là Ethernet và Token-Ring, trên cơ sở các giao thức chuẩn như
TCP/IP và IPX/SPX.
Mạng công ty nằm trên cùng trong mô hình phân cấp hệ
thống truyền thông của một công ty sản xuất công nghiệp. Đặc trưng của mạng
công ty gần với một mạng viễn thông hoặc một mạng máy tính diện rộng nhiều hơn trên
các phương diện phạm vi và hình thức dịch
vụ, phương pháp truyền thông và các yêu cầu về kỹ thuật. Chức năng của mạng
công ty là kết nối các máy tính văn phòng của các xí nghiệp, cung cấp các dịch
vụ trao đổi thông tin nội bộ và với các khách hàng như thư viện điện tử, thư
điện tử, hội thảo từ xa qua điện thoại, hình ảnh, cung cấp dịch vụ truy cập
Internet và thương mại điện tử, v.v... Hình thức tổ chức ghép nối mạng, cũng
như các công nghệ được áp dụng rất đa dạng, tùy thuộc vào đầu tư của công ty.
Trong nhiều trường hợp, mạng công ty và mạng xí nghiệp được thực hiện bằng một
hệ thống mạng duy nhất về mặt vật lý, nhưng chia thành nhiều phạm vi và nhóm
mạng làm việc riêng biệt.
Mạng công
ty có vai trò như một đường cao tốc trong hệ thống hạ tầng cơ sở truyền thông
của một công ty, vì vậy đòi hỏi về tốc độ truyền thông và độ an toàn, tin cậy
đặc biệt cao. Fast Ethernet, FDDI, ATM là một vài ví dụ công nghệ tiên tiến
được áp dụng ở đây trong hiện tại và tương lai.