Profibus là gì? Tìm hiểu khái niệm, phân loại và ứng dụng giao thức Profibus

Trong thời đại công nghệ 4.0 hiện nay, Profibus đã trở thành một thiết bị trọng yếu trong các lĩnh vực công nghiệp, sản xuất. Sở hữu những tính năng vượt trội, mạng Profibus đem đến những giải pháp hữu hiệu cho các doanh nghiệp bởi nó đóng vai trò quan trọng trong việc truyền tải thông tin một cách nhanh chóng và an toàn. Vậy Profibus là gì? Nó được ứng dụng như thế nào? Cùng Luci tìm hiểu qua bài viết dưới đây.

Giải thích thuật ngữ Profibus là gì?

Để hiểu khái niệm Profibus là gì? Trước tiên, hãy cùng khám phá nguồn gốc ra đời của thuật ngữ này.

Profibus được phòng giáo dục và nghiên cứu của nước Đức (BMBF) thiết kế để sử dụng trong lĩnh vực tự động hóa vào năm 1989. Đây là một cách gọi ngắn gọn của cụm từ Process Field Bus. Profibus được giới thiệu là một chuẩn truyền thông hay hiểu đơn giản là một mạng kỹ thuật số nhằm cung cấp thông tin liên lạc, kết nối các cảm biến trường với các thiết bị điều khiển và giám sát.

Mạng ProfiBus là một “thiết bị nhiều chủ”, nghĩa là chuẩn truyền thông này được chia sẻ và sử dụng bởi nhiều chủ sở hữu khác nhau. ProfiBus cho phép các thiết bị của nhiều nhà cung cấp giao tiếp với nhau dễ dàng trên một đường truyền chung mà không cần điều chỉnh giao diện truyền thông đặc biệt. 

Mạng Profibus có thành phần như thế nào?

Profibus là một mạng truyền thông được sử dụng để kết nối giữa các thiết bị trong hệ thống tự động hóa. Vậy các thành phần cấu thành nên chuẩn Profibus là gì? Dưới đây là các thành phần chính của mạng Profibus:

• Bus cable (Cáp mạng): đây là dây cáp vật lý dùng để truyền tải dữ liệu giữa các thiết bị trong Profibus. Cáp thường sử dụng là cáp xoắn đôi hoặc cáp quang.
• Trạm Master (Master Station): trạm Master chứa các thiết bị máy chủ, có chức năng điều khiển chính trong mạng Profibus. Nó có nhiệm vụ quản lý, kiểm soát và truyền thông tin trên bus. Chính vì vậy nó còn được gọi là “trạm chủ động”.
• Trạm Slave (Slave Station): đây là chạm bị động, gồm các nút thực hiện các chức năng cụ thể trong quá trình tự động hóa. Chúng có thể là các thiết bị đo lường, điều khiển, động cơ, van, cảm biến,… Trạm Slave sẽ nhận dữ liệu từ trạm Master và thực hiện các lệnh điều khiển tương ứng. Trạm này không có quyền truy cập vào bus, mà chỉ có thể xác nhận hoặc trả lời thông tin từ trạm chủ khi có yêu cầu. 
• Repeater (Bộ lặp): được sử dụng để mở rộng phạm vi của mạng Profibus.

• Termination resistor (Điện trở kết thúc): dùng để chấm dứt cáp mạng và giảm hiện tượng phản chiếu tín hiệu. Điện trở kết thúc được đặt ở hai đầu của cáp mạng.
• Power supply (Nguồn cung cấp điện): Nguồn cung cấp điện cung cấp điện áp cần thiết cho các thiết bị trong mạng.

Nguyên lý hoạt động của Profibus

Qua phần tìm hiểu cấu tạo của mạng Profibus là gì, ta có thể nhận thấy giao thức này hoạt động dựa trên mô hình truyền thông một chiều (Master – Slave). Bên cạnh đó, mạng Profibus còn hoạt động dựa trên nguyên tắc token bus. Vậy chuẩn Profibus hoạt động như thế nào? Dưới đây là những mô tả cơ bản về nguyên lý hoạt động của Profibus.

Trong mạng Profibus, có một trạm Master và nhiều trạm Slave. Trạm Master đảm nhiệm vai trò chính trong việc quản lý và điều khiển các trạm Slave. Quá trình truyền thông trong Profibus diễn ra bằng cách trạm Master gửi lệnh điều khiển hoặc yêu cầu dữ liệu đến một trạm Slave cụ thể. Trạm Slave nhận lệnh hoặc yêu cầu từ trạm Master, xử lý và gửi lại dữ liệu hoặc phản hồi tương ứng. Quá trình này được thực hiện theo các chu kỳ thời gian chuẩn định trước.

Ngoài mô hình trên, Profibus còn hoạt động dựa trên nguyên tắc token bus không đồng bộ trong thời gian thực. Nguyên tắc này được thực hiện như sau:

• Ban đầu, một thiết bị trong mạng được chỉ định là “chủ sở hữu token” (token holder). Đây là thiết bị duy nhất có quyền truyền thông trên bus.
• Thiết bị chủ sở hữu token có thể gửi dữ liệu trên bus. Sau khi hoàn thành truyền dữ liệu, nó chuyển token cho thiết bị tiếp theo trong chuỗi.
• Thiết bị nhận token có quyền truyền thông dữ liệu tiếp theo trên bus. Quá trình này tiếp tục cho đến khi tất cả các thiết bị trong mạng đã có cơ hội truyền dữ liệu.

Đây là một nguyên tắc hoạt động trong mạng truyền thông để đảm bảo việc kết nối giữa các thiết bị trong mạng diễn ra một cách hiệu quả và đồng bộ. 

Những đặc điểm của giao thức truyền thông Profibus

Profibus được thiết kế với mục đích để giao tiếp giữa máy tính và PLC (thiết bị điều khiển trung tâm). Chính vì vậy, giao thức truyền thông Profibus có các đặc điểm như sau:

• Profibus sở hữu tốc độ truyền thông tin tối đa đạt đến 500 kbit/s (trong một số ứng dụng, tốc độ có thể đạt đến 1,5 Mbps hoặc 12 Mbps).
• Khoảng cách bus tối đa không dùng repeater (bộ lặp) là 200m còn nếu sử dụng thì khoảng cách lớn nhất có thể đạt được là 800m. 
• Số nút kết nối tối đa nếu không có repeater là 32 và có repeater là 127 thiết bị.
• Profibus sử dụng chuẩn RS485 truyền thống hoặc IEC 1158-2 kết hợp phương tiện truyền tin xoắn đôi để truyền thông.
• Profibus cũng có thể sử dụng Ethernet TCP/IP.

Các loại mạng Profibus

Profibus có 3 kiểu giao thức là: Profibus DP, Profibus PA và Profibus FMS. Mỗi loại mạng có những đặc điểm riêng, phù hợp với một lĩnh vực nhất định.

Profibus DP

DP là một phiên bản của giao thức Profibus, được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay. DP là tên viết tắt của cụm từ “Decentralized Periphery”, có nghĩa là ngoại vi phi tập trung. Tên gọi này đề cập đến việc sử dụng mạng Profibus với một tốc độ cao hoàn toàn phi tập trung để kết nối các thiết bị điều khiển trung tâm (PLC, PC) với các thiết bị phân tán như cảm biến, động cơ, van, và thiết bị đo lường. Profibus DP được dùng để truyền thông tin nhỏ nhưng yêu cầu  tốc độ truyền nhanh và hiệu quả.

Profibus DP nổi bật với một số đặc điểm sau:

• DP hỗ trợ truyền thông tin với tốc độ trung bình từ 9,6 Kbp đến 12 Mbps trong phạm vi 100 – 1200m. Và phần lớn việc truyền dữ liệu được thực hiện trong một chu kỳ nhất định. 
• Profibus DP hoạt động dựa trên giao diện RS485, đã được bổ sung một số đặc điểm để phù hợp với các ứng dụng như đọc/ghi dữ liệu quá trình, truyền trạng thái thiết bị, cấp nguồn trên bus…
• Độ bảo mật của Profibus DP trong các ứng dụng đạt đến mức độ SIL3 với cấu hình ProfiSafe.

Profibus DP cung cấp khả năng truyền thông hiệu suất cao, từ đó giúp người dùng cải thiện hiệu quả và linh hoạt trong quá trình điều khiển và giám sát hệ thống tự động.

Profibus PA

Profibus PA (Process Automation) là một biến thể khác của giao thức Profibus. Đây là fieldbus có chức năng toàn diện, nhằm phục vụ truyền thông cho các thiết bị cấp quá trình như bộ điều khiển quy trình, cảm biến, van, bộ điều khiển lưu lượng, và các thiết bị đo lường khác. Nó được đặc biệt thiết kế cho các ứng dụng hiện trường, nơi yêu cầu giao tiếp giữa các thiết bị đo và hệ thống điều khiển.

Phiên bản Profibus PA có những đặc điểm như sau:

• PA có cấu trúc mạng vật lý tuân theo IEC-61158-2  với tốc độ truyền thông trung bình là 31,25 Kbp trong phạm vi tối đa 1.900m/phân đoạn.
• PA được thiết kế phù hợp với những ứng dụng Intrinsically Safe. Điều này có nghĩa là  PA có thể hoạt động trong các khu vực nguy hiểm có nguy cơ cháy nổ hay điều kiện môi trường khắc nghiệt.

Chính vì những đặc điểm trên, Profibus PA đã được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp quy trình như lĩnh vực dầu khí, hóa chất, luyện kim, và nhiều ngành công nghiệp khác.

Profibus FMS

Profibus FMS (Fieldbus Message Specification) là một giao thức cấp điều khiển, cho phép truyền tin giữa các thiết bị có khả năng xử lý dữ liệu phức tạp như PLC và DCS. FMS cung cấp khả năng truyền dữ liệu nhanh chóng, điều khiển quy trình, và giám sát hệ thống trong môi trường tự động hóa công nghiệp.

Profibus FMS có nhiều chức năng hỗ trợ người dùng đa dạng lựa chọn. Đặc biệt do đặc điểm của các ứng dụng trên cấp điều khiển nên dữ liệu chủ yếu được trao đổi với tính chất không định kỳ.

Tuy không phổ biến bằng Profibus DP nhưng mạng FMS là phiên bản đầu tiên của Profibus. FMS thường được sử dụng trong các ứng dụng tự động hóa quy trình công nghiệp phức tạp, như hệ thống điều khiển nhà máy, hệ thống giám sát và điều khiển quy trình. Nó cung cấp khả năng truyền thông đa nhiệm, đa nền tảng và linh hoạt, giúp tăng hiệu suất và đáng tin cậy trong quá trình truyền thông và điều khiển hệ thống tự động.

Đánh giá giao thức truyền thông Profibus

Giao thức truyền thông Profibus đã được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp nó sở hữu rất nhiều ưu điểm. Bên cạnh đó, nó cũng tồn tại một số hạn chế gây khó khăn cho người sử dụng.

Ưu điểm khi sử dụng mạng Profibus

Khi sử dụng mạng Profibus, có một số ưu điểm vượt trội cụ thể như:

• Tốc độ truyền thông nhanh chóng: tốc độ truyền thông của Profibus có thể lên đến hàng trăm Kps hoặc Mps mỗi giây, tùy thuộc vào phiên bản Profibus được sử dụng.
• Mở rộng mạng lưới dễ dàng: Profibus cho phép mở rộng mạng và thêm thiết bị mới một cách dễ dàng. 
• Tiết kiệm chi phí: mạng Profibus sử dụng công nghệ truyền thông tiếp nối, có nghĩa nhiều thiết bị chia sẻ một đường dây cáp chung, giúp tiết kiệm dây cáp và giảm chi phí cài đặt. 
• Tính tin cậy và khả năng khắc phục lỗi: Profibus có các cơ chế phục hồi lỗi tích hợp để đảm bảo tính tin cậy cao. Nếu một thiết bị hoặc đường truyền gặp sự cố, mạng Profibus có khả năng phát hiện và khắc phục lỗi một cách tự động, giữ cho hệ thống hoạt động ổn định và liên tục.
• Tích hợp các tính năng tiện lợi: Profibus có thể hỗ trợ mạng tại các cấp độ như thiết bị, điều khiển và quá trình. Ngoài ra, cổng nối cho phép tích hợp giữa Profibus PA trực tiếp với mạng Profibus DP. Đồng thời, giao diện chủ cũng sẵn có và được dành cho hầu hết PLC, DCS và các hệ thống máy tính.
• An toàn khi sử dụng: Profibus PA có thể được ứng dụng trong môi trường có điều kiện khắc nghiệt, nguy hiểm mà đảm bảo an toàn cho người sử dụng.
• Hỗ trợ rộng rãi: hiện nay, có nhiều nhà sản xuất và nhà cung cấp thiết bị hỗ trợ mạng Profibus, giúp đa dạng lựa chọn cho người dùng.

Hạn chế của Profibus

Bên cạnh những ưu điểm, Profibus cũng có một số hạn chế cần được lưu như sau:

• Giới hạn khoảng cách truyền thông: khoảng cách truyền thông hiệu quả của Profibus sẽ phụ thuộc vào tốc độ truyền thông và loại cáp sử dụng. 
• Tính năng trang bị không đồng đều: chỉ có Profibus AP được hỗ trợ ứng dụng Intrinsically Safe còn DP và FSM thì không được trang bị.
• Quá trình lắp đặt phức tạp: trong quá trình thiết kế và lắp đặt đòi hỏi tuân thủ những yêu cầu như ràng buộc về hệ thống dây cáp, điện, tiếp đất, bọc và đầu cuối.

Sự khác biệt giữa Profibus và Profinet

Profinet là gì?

Profinet là một chuẩn truyền thông sử dụng giao thức Ethernet. Nó được dùng rộng rãi trong ngành công nghiệp để kết nối và truyền dữ liệu giữa các thiết bị tự động hóa và hệ thống điều khiển trong một mạng Ethernet. Profinet chịu trách nhiệm nhận, truyền và điều khiển dữ liệu với tốc độ cao.

Những điểm khác biệt giữa Profibus và Profinet

Profibus và Profinet đều là hai giao thức truyền thông công nghiệp quan trọng. Dưới đây là bảng thể hiện chi tiết sự khác biệt giữa hai mạng kết nối này.

Một số ứng dụng mạng Profibus thực tiễn tiêu biểu trên thế giới

Ngày nay, Profibus đã trở thành một giao thức phổ biến được áp dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển tự động trong các ngành công nghiệp như xi măng, điện, hóa chất và chế biến,… ở Việt Nam cũng như trên thế giới. Dưới đây là một số ứng dụng mạng Profibus tiêu biểu:

Nhà máy đóng chai Coca-Cola tại Đức áp dụng Profibus để nâng cao năng lực sản xuất

Nhà máy sản xuất Coca-Cola tại Đức đã yêu cầu tìm kiếm một giải pháp cho dây chuyền sản xuất để không chỉ năng suất cao, hoạt động ổn định mà còn đảm bảo hiệu quả về kinh tế. Chính vì thế, họ đã quyết định lựa chọn sử dụng giao thức truyền thông Profibus trong hệ thống sản xuất của mình. 

Nhà máy này đã ứng dụng Profibus DP cho việc truyền tải dữ liệu đến các bộ phận một cách nhanh chóng. Đồng thời, họ cũng sử dụng Profibus FMS để lưu thông các dữ liệu không đồng bộ với khối lượng khổng lồ. Nhờ đó, quy trình sản xuất tại nhà máy của Coca-Cola diễn ra một cách thuận lợi, đem hiệu quả làm việc cao hơn.

Nhà máy sản xuất kem Tai Chang Wall (Trung Quốc) sử dụng Profibus để cải tiến dây chuyền tạo ra sản phẩm

Nhà máy sản xuất của Tai Chang Wall đã áp dụng mạng Profibus vào dây chuyền sản phẩm của mình, nhằm kết nối thiết bị tại xưởng với hệ thống trung tâm. Nhiệm vụ chính của Profibus là truyền tải toàn bộ thông tin từ các thiết bị hiện trường phân tán tại nhiều địa điểm khác nhau trong nhà máy đến bộ điều khiển trung tâm. Điều này giúp họ tiết kiệm nguồn nhân sự một cách hiệu quả. 

Luci – đơn vị cung cấp các giải pháp IoT được ứng dụng nhiều trong lĩnh vực đô thị và tòa nhà thông minh

Hy vọng bài viết trên đã giúp bạn hiểu hơn về Profibus là gì và các ứng dụng thực tiễn của nó trong lĩnh vực công nghiệp và tự động hóa. Ngày nay, mạng truyền thông Profibus được sử dụng rộng rãi trong các xưởng, nhà máy sản xuất nhằm tối ưu hóa hiệu suất làm việc và tiết kiệm đáng kể chi phí hoạt động. 

Với mong muốn áp dụng những sáng kiến công nghệ hiện đại, đem lại những hiệu quả tích cực cho các doanh nghiệp, công ty cổ phần Luci đã nghiên cứu và phát triển ra các giải pháp IoT (Internet of Things) ứng dụng trong lĩnh vực đô thị và tòa nhà thông minh. 

Các giải pháp IoT của Luci đã được triển khai thành công tại nhiều đô thị lớn trên cả nước, bao gồm: 

• Giải pháp quản lý đô thị thông minh (Luci RMS)
• Giải pháp quản lý tòa nhà thông minh (Luci iBMS)
• Giải pháp đèn đường thông minh (Luci Lighting)
• Trung tâm điều hành thông minh (Luci IOC)
• Giải pháp quản lý tài sản thông minh (Luci AM). 

Luci là một đơn vị tiên phong về công nghệ IoT tại Việt Nam. Với những nỗ lực không ngừng nghĩ, công ty đã nhận được sự đón nhận tích cực của người dùng. Năm 2023, Luci vinh dự và tự hào khi nhận được giải thưởng Sao Khuê cho hạng mục Các sản phẩm, giải pháp phần mềm mới. Điều này đã khẳng định vị thế và độ uy tín của Luci trên thị trường.

Để tìm hiểu và được tư vấn chi tiết về các giải pháp của Luci, vui lòng liên hệ với chúng tôi theo thông tin sau:

Trụ sở Hà Nội: Tầng 2, toà New Skyline, Đường Nguyễn Khuyến, Phường Văn Quán, Quận Hà Đông, Tp. Hà Nội.

Văn phòng Hồ Chí Minh: Tầng 8, Tòa nhà Pearl Plaza, Số 561A Điện Biên Phủ, P. 25, Q. Bình Thạnh, TP Hồ Chí Minh

Hotline: 0888 729 119.

Website: www.luci.vn.

Email: info@luci.vn