Đồ Án Nghiên cứu các chuẩn truyền thông trên tàu thủy

Sự phổ biến của các giải pháp tự động hoá sử dụng các hệ thống truyền thông số là kết quả tổ hợp của các tiến bộ trong kỹ thuật vi điện tử, kỹ thuật mạng máy tính, kỹ thuật thông tin và đương nhiên là của cả kỹ thuật tự động hoá. Mạng truyền thông công nghiệp là một khái niệm chung chỉ các hệ thống mạng truyền thông số, truyền bít nối tiếp, được sử dụng để ghép nối các thiết bị công nghiệp. Các hệ thống truyền thông công nghiệp phổ bíên hiện nay cho phép liên kết mạng ở nhiều mức khác nhau, từ các cảm biến, cơ cấu chấp hành dưới cấp trường cho đến các máy tính điều khiển, thiết bị giám sát, máy tính điều khiển giám.
Gép nối thiết bị, trao đổi thông tin là một trong những vấn đề cơ bản của bất cứ một giải pháp tự động hoá nào. Một bộ điều khiển cần ghép nối với các cảm biến và cơ cấu chấp hành. giữa các bộ điều khiển phân tán cũng cần trao đổi thông tin với nhau để phối hợp điều khiển cả quá trình sản xuất. Ở một cấp cao hơn, các trạm vận hành trong trung tâm điều khiển cũng cần được ghép nối và giao tiếp với các bộ điều khiển để có thể theo dõi, giám sát toàn bộ quá trình sản xuất và quá trình điều khiển.
Vậy, mạng truyền thông công nghiệp có vai trò quan trọng như thế nào trong các lĩnh vực đo lường, điều khiển và tự động hoá ngày nay? Sử dụng mạng truyền thông công nghiệp đặc biệt là bus trường thay thế cách nối điểm- điểm cổ điển giữa các thiết bị công nghiệp mang lại hàng loạt các lợi ích sau:
- Đơn giản hoá cấu trúc kết nối giữa các thiết bị công nghiệp: một số lượng lớn các thiết bị thuộc các chủng loại khác nhau được ghép nối với nhau thông qua một đường truyền duy nhất.
- Tiết kiệm dây nối và công thiết kế, lắp đặt hệ thống: nhờ cấu trúc đơn giản, việc thiết kế hệ thống trở lên dễ dàng hơn nhiều. một số lượng lớn cáp truyền được thay thế bằng một đường truyền duy nhất, giảm chi phí đáng kể cho nguyên vật liệu và chi phí lắp đặt.
- Nâng cao độ tin cậy và độ chính xác của thông tin: khi sử dụng phương pháp truyền tín hiệu cổ điển, tác động của nhiễu dễ làm thay đổi nội dung thông tin mà các thiết bị không có cách nào nhận biết. Nhờ kỹ thuật truyền thông số, không những thông tin truyền đi khó bị sai lệch hơn mà các thiết bị công nghiệp còn có khả năng tự phát hiện lỗi và chuẩn đoán lỗi nếu có.
- Nâng cao độ linh hoạt, tính năng mở của hệ thống: một hệ thống mạng chuẩn hoá quốc tế tạo điều kiện cho việc sử dụng các thiết bị của nhiều hãng khác nhau.
Có thể nói mạng truyền thông công nghiệp đã làm thay đổi hẳn tư duy về thiết kế hệ thống và tích hợp hệ thống. Ưu thế của giải pháp mạng công nghiệp không những lằm ở phương diện kỹ thuật, mà còn ở khía cạnh kinh tế. Chính vì vậy ứng dụng của nó rộng rãi trong hầu hết các lĩnh vực công nghiệp. như điều khiển quá trình, tự động hoá xí nghiệp, tự động hoá toà nhà, tự động hoá giao thông
Trong các hệ thống tự động hoá xí nghiệp, tự động hoá toà nhà một số lượng lớn các phần tử trung gian được bỏ qua nhờ các hệ bus ghép nối trực tiếp vào các cảm biến và chấp hành. Tóm lại, sử dụng mạng truyền thông công nghiệp là không thể thiếu được trong việc tích hợp các hệ thống tự động hoá hiện đại.
Để xắp xếp, phân loại và phân tích đặc trưng các hệ thống mạng truyền thông công nghiệp, ta đựa vào mô hình phân cấp quen thuộc, cho các công ty xí nghiệp sản xuất. Với loại mô hình này, các chức năng được phân thành nhiều cấp khác nhau. Tầng ở các cấp dưới thì các chức năng càng mang tính chất cơ bản hơn và đòi hỏi yêu cầu cao hơn về độ nhanh nhạy. Thời gian phản ứng. một chức năng ở cấp trên được thực hiện dựa trên các chức năng cấp dưới, tuy không đòi hỏi thời gian phản ứng nhanh như cấp đưới, nhưng ngược lại lượng thông tin cần trao đổi và xử lý lại lớn hơn nhiều. Có thể coi đây là một mô hình phân cấp chức năng cho cả hệ thống tự động hoá nói chung cũng như cho hệ thống nói riêng của một công ty.
Tương ứng với 5 cấp chức năng là 4 cấp của hệ thông truyền thông. Từ cấp điều khiển giám sát chở xuống “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”
Như ta sẽ thấy mô hình phân cấp chức năng sẽ tiện lợi cho việc thiết kế hệ thống và lựa chọn thiết bị. Trong thực tế ứng dụng sự phân cấp chức năng có thể khác một chút so với trình bấy ở đây, tuỳ thuộc vào mức độ tự động hoá và cấu trúc cụ thể. Trong những ứng dụng đơn giản như điều khiển trang thiết bị dân dụng( máy giặt, máy lạnh, điều hoà độ ẩm ) sự phân chia nhiều cấp có thể không cần thiết. Ngược lại, trong tự động hoá một nhà máy hiện đại như điện nguyên tử, sản xuất xi măng, lọc dầu ta có thể chia nhỏ cấp chức năng hơn nữa để tiện theo dõi.
- Bus trường, bus thiết bị
Bus trường (fielbus) thực ra là một khái niệm chung được dùng trong các nghành 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 cấp 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 nối mạng là các vào/ra phân tán, các thiết bị đo lường hoặc cơ cấu chấp hành 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 hoá dây truyền sản xuất gia công lắp ráp) hoặc ở một số lĩnh vực ứng dụng khác như tự động hoá toà 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 của hai ngành công nghiệp nên một số tính năng cũng khác nhau. Tuy nhiên sự khác nhau này càng chở 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 dung chung một khái niệm là bus trường.
Do nhiệm vụ của bus trường là chuyển dữ liệu quá trình nên 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 nên hang đầu. Thời gian phản ứng tiêu biểu nằm trong phạm vi từ 0.1 tới vài ms 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 hoá hoặc cảnh báo có tính chất bất thường.
Các hệ thống bus trường được sử dụng rất rộng rãi hiện nay là: PROFIBUS, controlNet, interbus, CAN, WORLFIP, P-NET, MODBUS và gần đây phải kể tới foundation Fieldbus, DeviceNET, AS-I, EIB
Tuy nhiên trên tầu thủy, do tính chất đặc thù các hệ thống điều khiển và giám sát trên tầu không yêu cầu tính thời gian thực cao song ngược lại nó lại yều cầu tính tin cậy và độ bảo toàn dữ liệu lớn. Chính do đặc thù trên mà hầu hết trên tầu thủy người ta chỉ sử dụng hai hệ thống bus trường là CANBUS và MODBUS. Ngoài hai hệ thống bus trên, các thiết bị trên buồng lái còn truyền tin cho nhau bằng chuẩn truyền dữ liệu của hàng hải đó là chuẩn NMEA 0183 và NMEA 2000.