Trong bối cảnh tự động hóa sản xuất ngày càng phát triển mạnh mẽ, mạng truyền thông công nghiệp trở thành một phần không thể thiếu, giúp kết nối, trao đổi và xử lý dữ liệu giữa các thiết bị trong nhà máy, xí nghiệp. Không chỉ đảm bảo tính giao tiếp đồng bộ, các mạng này còn đóng vai trò quan trọng trong việc kiểm soát quy trình, nâng cao hiệu quả vận hành cũng như đảm bảo an toàn và bảo mật hệ thống. Bài viết dưới đây của H&T Automation sẽ giúp bạn hiểu rõ khái niệm, cấu trúc và các loại mạng truyền thông công nghiệp, từ các giao thức phổ biến như Modbus, Profibus, Ethernet IP, Profinet đến các công nghệ tiên tiến như FlexCloud, đồng thời so sánh chúng với mạng máy tính và mạng viễn thông để thấy được những đặc thù và vai trò riêng biệt của từng loại mạng.
Tổng quan về mạng truyền thông công nghiệp
Mạng truyền thông công nghiệp (Industrial Communication Network) là hệ thống mạng truyền thông số, dùng để kết nối và trao đổi dữ liệu giữa các thiết bị công nghiệp và máy tính trong một doanh nghiệp, nhà máy hoặc cơ sở sản xuất. Mục tiêu của nó là tạo ra một hệ thống thống nhất, cho phép các thiết bị giao tiếp, phối hợp hoạt động, đồng thời đảm bảo tính an toàn, bảo mật và khả năng kiểm soát chặt chẽ.
Hiện nay, các mạng truyền thông công nghiệp thường được thiết kế theo nhiều cấp bậc. Chúng liên kết từ các cảm biến, cơ cấu chấp hành ở tầng hiện trường, đến các thiết bị điều khiển, máy tính giám sát, điều hành và quản lý. Nhờ đó, mạng công nghiệp có thể đáp ứng các yêu cầu kiểm soát, toàn vẹn dữ liệu, và phù hợp với cả các hệ thống quy mô nhỏ lẫn những nhà máy lớn hoạt động trong môi trường khắc nghiệt.
Trong lĩnh vực tự động hóa công nghiệp, các hệ thống điều khiển phổ biến sử dụng mạng truyền thông công nghiệp bao gồm:
- PLC (Bộ điều khiển logic lập trình)
- DCS (Hệ thống điều khiển phân tán)
- SCADA (Hệ thống giám sát và thu thập dữ liệu)
Các hệ thống này phụ thuộc nhiều vào thiết bị hiện trường, các thiết bị thông minh, máy tính trung tâm điều khiển – giám sát, giao diện HMI và các module I/O phân tán.
Để đảm bảo các thiết bị và máy móc trong hệ thống có thể kết nối và giao tiếp hiệu quả, mạng truyền thông công nghiệp cần một hạ tầng truyền dẫn tín hiệu mạnh mẽ, có tính đặc thù riêng, khác biệt so với các mạng truyền thông truyền thống. Điều này giúp tạo ra các kênh liên lạc riêng biệt, kết nối giữa thiết bị hiện trường, bộ điều khiển và máy tính giám sát, điều hành.
Một số mạng truyền thông công nghiệp phổ biến hiện nay bao gồm: Modbus, Ethernet, DeviceNet, ControlNet, FlexCloud,….
Cấu trúc
Mạng truyền thông công nghiệp có cấu trúc bao gồm phương tiện truyền dẫn dùng để truyền dữ liệu, tín hiệu, thông tin điều khiển và vận hành. Phương tiện truyền dẫn có thể là loại có dây hoặc không dây:
- Đối với mạng có dây, tín hiệu được truyền qua các loại cáp như cáp xoắn đôi, cáp đồng trục hoặc cáp quang. Việc lựa chọn loại cáp phụ thuộc vào môi trường làm việc và yêu cầu của từng loại mạng, vì mỗi loại cáp đều có đặc tính truyền dẫn tín hiệu riêng biệt.
- Đối với mạng không dây, việc truyền tín hiệu và dữ liệu được thực hiện thông qua sóng radio.
Nhờ các phương tiện truyền dẫn này, mạng truyền thông công nghiệp có thể đảm bảo việc kết nối, giao tiếp ổn định và phù hợp với nhiều điều kiện hoạt động khác nhau.
Mạng truyền thông công nghiệp hiện nay có mấy loại?
Hiện nay, trong công nghiệp có rất nhiều loại mạng truyền thông khác nhau. Mỗi loại mạng sở hữu cách thiết kế kết nối, giao thức truyền thông và đặc điểm riêng để liên kết các thiết bị, máy tính công nghiệp và các mô-đun I/O, phục vụ cho các mục đích tự động hóa, giám sát và điều khiển.
Dựa trên giao thức truyền thông, mạng công nghiệp phổ biến được chia thành 5 loại chính sau đây:
1. Mạng truyền thông công nghiệp Modbus
Modbus là giao thức truyền thông theo chuẩn hệ thống mở, rất phổ biến trong lĩnh vực tự động hóa công nghiệp. Điểm mạnh của Modbus là khả năng hoạt động trên nhiều lớp vật lý khác nhau, phù hợp với các môi trường và ứng dụng đa dạng.
Modbus hoạt động theo nguyên tắc giao tiếp nối tiếp với mô hình chủ/tớ (master/slave). Nhờ đó, nó tạo ra kết nối và trao đổi dữ liệu giữa các thiết bị, máy tính hoặc mô-đun I/O được liên kết trong cùng hệ thống.
Các lớp vật lý thường dùng:
RS232: là chuẩn truyền thông nối tiếp phổ biến, ra đời từ những năm 1960, thường dùng để kết nối máy tính với các thiết bị ngoại vi như modem, máy in hoặc PLC. Chuẩn này truyền tín hiệu dạng điện áp đơn cực (single-ended), chỉ phù hợp cho kết nối khoảng cách ngắn, thường dưới 15 mét, với tốc độ truyền tối đa khoảng 20 kbps. RS-232 hỗ trợ giao tiếp point-to-point, tức chỉ kết nối 1 thiết bị truyền và 1 thiết bị nhận, rất đơn giản nhưng dễ bị nhiễu khi dùng ở môi trường công nghiệp.
- RS485: là chuẩn truyền thông nối tiếp được cải tiến từ RS-422, sử dụng tín hiệu vi sai (differential signaling) để chống nhiễu tốt, cho phép truyền dữ liệu xa hơn và nhanh hơn. Chuẩn RS-485 hỗ trợ kết nối đa điểm (multi-drop), cho phép tối đa 32 thiết bị truyền/nhận trên cùng một bus, với khoảng cách truyền lên tới 1.200 mét và tốc độ có thể đạt 10 Mbps ở khoảng cách ngắn. Nhờ khả năng giao tiếp nhiều thiết bị trên cùng bus, RS-485 được ứng dụng rộng rãi trong hệ thống tự động hóa, mạng cảm biến, và truyền thông công nghiệp.
- RS422: là chuẩn truyền thông nối tiếp vi sai, mang lại khả năng truyền dữ liệu ổn định trên khoảng cách xa. Chuẩn này cho phép kết nối 1 thiết bị truyền (driver) với tối đa 10 thiết bị nhận (receivers), lý tưởng cho các ứng dụng cần truyền dữ liệu một chiều đến nhiều thiết bị. Tốc độ truyền của RS-422 có thể đạt tới 10 Mbps ở khoảng cách ngắn, và duy trì được khoảng cách tối đa 1.200 mét ở tốc độ thấp hơn. Với khả năng chống nhiễu cao và truyền xa, RS-422 thường được sử dụng trong môi trường công nghiệp hoặc các hệ thống đo lường và điều khiển.
Ngoài ra, Modbus còn có phiên bản nâng cao Modbus TCP/IP (trên nền Ethernet). Phiên bản này cho phép truyền dữ liệu linh hoạt hơn, dễ tích hợp với nhiều hệ thống mạng khác nhau, không bị giới hạn về loại mạng vật lý, đồng thời hỗ trợ khả năng giám sát và điều khiển thiết bị từ xa.
2. Giao thức truyền thông DeviceNet
DeviceNet là một mạng truyền thông công nghiệp dạng bus hệ thống mở, được phát triển dựa trên công nghệ CAN (Controller Area Network). Mạng này chuyên dùng để kết nối các thiết bị cấp chấp hành như:Công tắc, Màn hình điều khiển, Cảm biến, Đầu đọc mã vạch…với các bộ điều khiển cấp cao hơn như PLC.
Ưu điểm nổi bật của DeviceNet là khả năng cung cấp cả nguồn điện và dữ liệu qua cùng một cáp bốn dây, giúp giảm số lượng kết nối vật lý, đơn giản hóa việc lắp đặt và tiết kiệm chi phí dây dẫn.
DeviceNet hỗ trợ:
- Tối đa 64 điểm kết nối
- Có thể kết nối lên tới 2.048 thiết bị trên cùng mạng.
Mạng DeviceNet thường được sử dụng trong các ngành công nghiệp như ô tô, sản xuất bán dẫn, dầu khí, nhờ khả năng kết nối hiệu quả, giảm thiểu chi phí và đáp ứng yêu cầu tự động hóa cao.
4. Giao thức truyền thông Profibus
PROFIBUS (Process Field Bus) là chuẩn truyền thông công nghiệp phổ biến, được phát triển từ những năm 1980 nhằm kết nối các thiết bị tự động hóa như PLC, cảm biến, cơ cấu chấp hành trong nhà máy. PROFIBUS hoạt động dựa trên giao thức truyền dữ liệu tuần tự, cho phép trao đổi thông tin tốc độ cao và đáng tin cậy trong môi trường công nghiệp khắc nghiệt. Chuẩn này hỗ trợ cả ứng dụng tốc độ cao trong điều khiển (PROFIBUS-DP) lẫn truyền dữ liệu quá trình phức tạp (PROFIBUS-PA). Nhờ tính ổn định, khả năng tương thích cao giữa nhiều hãng thiết bị, PROFIBUS vẫn được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống tự động hóa và điều khiển ngày nay.
5. Giao thức truyền thông Profinet
PROFINET là giao thức truyền thông công nghiệp thuộc họ Ethernet công nghiệp, do Siemens và các đối tác phát triển, dùng để kết nối và trao đổi dữ liệu giữa các thiết bị tự động hóa như PLC, HMI, cảm biến, biến tần… trong hệ thống sản xuất. Ưu điểm nổi bật của PROFINET là tốc độ truyền dữ liệu nhanh, độ tin cậy cao và khả năng đồng bộ thời gian chính xác, phù hợp cho các ứng dụng đòi hỏi phản hồi tức thì. Ngoài ra, PROFINET hỗ trợ cấu trúc mạng linh hoạt, dễ mở rộng, đồng thời tích hợp các chức năng chuẩn đoán và bảo trì giúp giảm thời gian dừng máy và tối ưu hóa vận hành
6. Giao thức truyền thông Ethernet IP
EtherNet/IP (Ethernet Industrial Protocol) là giao thức truyền thông công nghiệp dựa trên nền tảng Ethernet tiêu chuẩn, được phát triển bởi tổ chức ODVA. EtherNet/IP cho phép truyền cả dữ liệu điều khiển thời gian thực lẫn dữ liệu thông tin giữa các thiết bị trong hệ thống tự động hóa như PLC, robot, biến tần, HMI… Điểm mạnh của EtherNet/IP là khả năng tích hợp dễ dàng vào mạng IT, tốc độ truyền cao và khả năng mở rộng lớn. Giao thức này sử dụng chuẩn CIP (Common Industrial Protocol), giúp các thiết bị từ nhiều nhà sản xuất khác nhau có thể giao tiếp và tương thích tốt, đáp ứng nhu cầu của các nhà máy thông minh và công nghiệp 4.0.
So sánh mạng truyền thông công nghiệp với mạng máy tính và mạng viễn thông
Mặc dù đều dựa trên nguyên tắc truyền dữ liệu số, mạng truyền thông công nghiệp, mạng máy tính và mạng viễn thông có nhiều điểm khác biệt về cấu trúc, mục đích sử dụng, phạm vi hoạt động cũng như các yêu cầu kỹ thuật. Việc so sánh ba loại mạng này không chỉ giúp hiểu rõ đặc điểm riêng của từng loại mà còn giúp lựa chọn giải pháp phù hợp cho từng ứng dụng, từ sản xuất công nghiệp đến các hoạt động văn phòng hay kết nối viễn thông trên phạm vi rộng. Bảng dưới đây sẽ chỉ ra những điểm khác biệt cơ bản giữa chúng, giúp bạn có cái nhìn toàn diện hơn về vai trò và ứng dụng của từng loại mạng.
| Tiêu chí | Mạng truyền thông công nghiệp | Mạng máy tính | Mạng viễn thông |
| Đối tượng kết nối | Các thiết bị công nghiệp: PLC, cảm biến, cơ cấu chấp hành, mô-đun I/O | Máy tính, thiết bị văn phòng, server, thiết bị ngoại vi | Con người và thiết bị kỹ thuật (điện thoại, máy tính, thiết bị truyền thông) |
| Mục đích sử dụng | Điều khiển, giám sát, tự động hóa quá trình sản xuất, đảm bảo tính thời gian thực | Quản lý dữ liệu, văn phòng, thông tin doanh nghiệp, truyền tải dữ liệu | Giao tiếp, trao đổi thông tin (thoại, hình ảnh, dữ liệu) |
| Phạm vi hoạt động | Hẹp, chủ yếu trong nhà máy, dây chuyền sản xuất | Từ mạng cục bộ (LAN) đến toàn cầu (Internet) | Rất rộng, quy mô toàn quốc hoặc toàn cầu |
| Yêu cầu về thời gian thực | Rất cao, phải phản hồi nhanh, chính xác, đồng bộ | Thường không yêu cầu real-time, trừ các ứng dụng đặc biệt (video call, game online) | Phụ thuộc dịch vụ, có dịch vụ cần real-time (thoại, video) |
| Yêu cầu bảo mật | Rất cao, đồng thời phải chịu được môi trường công nghiệp khắc nghiệt | Cao, liên quan đến dữ liệu doanh nghiệp và cá nhân | Rất cao, vì liên quan quyền riêng tư người dùng và hạ tầng quốc gia |
| Công nghệ truyền dẫn | Serial (RS232, RS485), Fieldbus, Ethernet công nghiệp, các giao thức đặc thù (Profibus, Modbus, CAN, HART) | Ethernet, Wi-Fi, Bluetooth, mạng LAN/WAN, TCP/IP | Chuyển mạch kênh, chuyển mạch gói, mạng 3G/4G/5G, cáp quang, truyền dẫn sóng vô tuyến |
| Tốc độ truyền | Vừa phải, ưu tiên ổn định và độ tin cậy | Tốc độ cao, ưu tiên dung lượng và băng thông | Rất cao, đáp ứng băng thông lớn, tốc độ truyền tải dữ liệu khổng lồ |
| Tính chất dữ liệu truyền | Dữ liệu điều khiển, tín hiệu đo lường, trạng thái thiết bị, tín hiệu analog/digital, real-time | Dữ liệu file, văn bản, hình ảnh, phần mềm, thông tin quản trị | Thoại, video, hình ảnh, dữ liệu Internet, tin nhắn |
| Tính linh hoạt và mở rộng | Thiết kế riêng cho từng hệ thống, ít linh hoạt, tập trung tính ổn định | Rất linh hoạt, dễ mở rộng, dùng chuẩn chung | Rất linh hoạt, có khả năng mở rộng và kết nối toàn cầu |
Ghi chú:
- Mạng truyền thông công nghiệp thiên về kết nối thiết bị – thiết bị (machine-to-machine).
- Mạng máy tính thiên về kết nối con người – thiết bị (human-to-device).
- Mạng viễn thông thiên về kết nối con người – con người (human-to-human).
Có thể thấy, mạng truyền thông công nghiệp không chỉ là cầu nối cho các thiết bị trong nhà máy mà còn là nền tảng quan trọng để xây dựng các hệ thống tự động hóa, giám sát và điều khiển thông minh. Từ các chuẩn giao tiếp truyền thống như Modbus, Profibus đến các nền tảng hiện đại như FlexCloud, mỗi loại mạng đều sở hữu những ưu điểm và đặc thù riêng, phù hợp với những yêu cầu khác nhau về tốc độ, phạm vi kết nối, tính bảo mật và khả năng hoạt động trong môi trường công nghiệp khắc nghiệt. Hiểu rõ về mạng truyền thông công nghiệp không chỉ giúp doanh nghiệp lựa chọn giải pháp phù hợp mà còn là chìa khóa để tiến tới chuyển đổi số và xây dựng nhà máy thông minh (Smart Factory), nâng cao năng lực cạnh tranh trong thời đại công nghiệp 4.0.