Sử dụng BACnet/IP để kết nối hệ thống tự động hóa tòa nhà và hệ thống điều khiển quá trình

Hệ thống tự động hóa tòa nhà và hệ thống điều khiển quá trình có thể liên kết với nhau thông qua giao thức BACnet, ở cấp độ HMI hoặc cấp độ Điều khiển


Trong các nhà máy sản xuất, hệ thống tự động hóa tòa nhà và hệ thống điều khiển quá trình thường được tách biệt với nhau, tuy nhiên trong một số trường hợp chúng lại cần phải được kết nối với nhau để đảm bảo yêu cầu về mặt quản lý của nhà máy. Dữ liệu trao đổi giữa hai hệ thống này có thể chỉ đơn giản là một điểm đo nhiệt độ hoặc phức tạp hơn là một giá trị năng lượng tiêu thụ theo thời gian thực nào đó. Việc tích hợp hai hệ thống này cùng nhau có thể thực hiện được thông qua hai phương pháp đơn giản tùy theo cấp độ của khả năng kết nối trong nhà máy.

Đối với các nhà máy mà trong đó có ít sự tương tác giữa hệ thống điều khiển quá trình và hệ thống tự động hóa tòa nhà thì giải pháp sử dụng dây cáp nối cứng sẽ là giải pháp tốt nhất do ưu thế về giá và tính đơn giản của nó. Với giải pháp này, các tín hiệu I/O giữa hai hệ thống được kết nối thông qua dây cáp thông thường. Hệ thống tự động hóa tòa nhà sẽ gửi các tín hiệu số và tương tự tới hệ thống điều khiển quá trình và hệ thống điều khiển quá trình sẽ hiển thị trạng thái của các tín hiệu đó như nhiệt độ, đổ ẩm và nhiều thông tin liên quan khác.

Tuy nhiên, với các nhà máy có yêu cầu về khả năng tương tác và kết nối mở rộng hơn, phương pháp kết nối bằng dây cáp thông thường sẽ nhanh chóng trở nên cồng kềnh và gây tốn kém. Không chỉ đắt hơn, phương pháp này còn gây khó khăn cho việc lắp đặt khi cần bổ sung hay thay đổi hệ thống.

Với các hệ thống như vậy, sử dụng một đường liên kết dữ liệu số giữa hai hệ thống sẽ là một giải pháp phù hợp hơn, đặc biệt là khi cần phải truyền tải một lượng dữ liệu lớn. Liên kết dữ liệu số có thể thực hiện qua rất nhiều cách: từ bộ điều khiển tới bộ điều khiển, từ bộ điều khiển tới HMI, hoặc từ HMI tới HMI. Trong các trường hợp này, việc lựa chọn giải pháp kết nối phù hợp không phải là một công việc dễ dàng vì hệ thống điều khiển quá trình và hệ thống tự động hóa tòa nhà thường không dùng các giao thức truyền thông giống nhau.

Nhận thức được vấn đề này, các nhà cung cấp phần mềm tự động hóa quá trình đang nhanh chóng tiến tới việc tích hợp thêm BACnet, một giao thức đang được sử dụng rộng rãi nhất trong các hệ thống tự động hóa tòa nhà, vào các giao thức đang được sử dụng trong tự động hóa quá trình. BACnet hỗ trợ tới 5 công nghệ kết nối mạng khác nhau, tuy nhiên bài báo này sẽ tập trung vào giao thức BACnet trên nền Ethernet hay còn được gọi là BACnet/IP. Đây là giao thức có tốc độ nhanh nhất với tốc độ 100 Mbps.

Hầu hết các hệ thống tự động hóa tòa nhà đều hỗ trợ BACnet/IP. Do đó, bước đầu tiên để thiết lập kết nối giữa hai hệ thống là lựa chọn và sử dụng các thiết bị của hệ thống tự động hóa quá trình có hỗ trợ BACnet/IP.

Ở cấp độ HMI, một số nhà cung cấp hỗ trợ giao thức BACnet nguyên bản, trong khi hầu hết các nhà cung cấp còn lại chủ yếu hỗ trợ thông qua OPC plug-ins. Ví dụ, InduSoft là một nhà cung cấp hỗ trợ BACnet nguyên bản, cho phép phần mềm của hãng (Web Studio) giao tiếp với một hệ thống tự động hóa tòa nhà thông qua BACnet/IP. Trong Driver BACnet của InduSoft có chứa các công cụ cần thiết để biên dịch các thông tin BACnet sang định dạng có thể nhận và đọc bởi phần mềm HMI. Còn với các HMI hỗ trợ OPC, một phần mềm được thiết kế trên nền tảng PC, có thể “nói chuyện” với hệ thống sử dụng BACnet thông qua các sản phẩm phần mềm của các nhà cung cấp như Kepware, Matrikon và Software Toolbox.


Nếu như lựa chọn các HMI hỗ trợ OPC, có một phương pháp nâng cao để chuyển đổi các thông tin dưới định dạng BACnet sang định dạng mà các HMI có thể đọc được. Đó là sử dụng phương pháp cấu hình và lập trình phần mềm HMI, nhưng để đơn giản và chuẩn hóa về mặt truyền thông, tổ chức OPC – hay còn gọi là OPC Foundantion đang làm việc trên một OPC UA để khởi tạo BACnet.

Mục đích của khởi tạo này là để đơn giản hóa dòng thông tin giữa hai hệ thống bằng cách thiết lập một ngôn ngữ truyền thông chung. BACnet sẽ được ánh xạ vào OPC UA bằng cách thực hiện liên kết BACnet Objects/Properties với OPC UA Object Types, BACnet Events với OPC UA Alarm & Conditions, BACnet Logging với OPC UA Historical Access, BACnet Data Structures với OPC UA Structure Data Types, và BACnet Units với OPC UA Engineering Units.

BACnet OPC UA Mapping Working Group đã được thành lập vào cuối năm 2012 và đã cho ra mắt bản nháp thực hiện việc liên kết dữ liệu vào tháng 4/2014 và hi vọng sẽ đưa ra được một tiêu chuẩn hoàn chỉnh vào cuối năm 2014.

Việc kết nối hệ thống tự động hóa quá trình và hệ thống tự động hóa tòa nhà ở cấp độ HMI cho phép HMI hoạt động như một Gateway, truyền thông tin lên ERP và các hệ thống máy tính cao hơn, đồng thời cũng truyền thông tin xuống dưới các bộ điều khiển.

Một cách khác để thiết lập truyền thông BACnet là ở kết nối hệ thống ở cấp độ các bộ điều khiển. Ví dụ Prosoft cung cấp ControlLogix cho module giao tiếp BACnet, cho phép thực hiện kế nối truyền thông giữa các bộ điều khiển ControlLogix PAC và các thiết bị BACnet trong mạng. Module có thể cấu hình như một thiết bị BACnet slave hay master và trong một số trường hợp có thể truyền thông như một thiết bị BACnet/IP. Phương pháp này được đánh giá là không mạnh và linh hoạt như sử dụng các HMI hỗ trợ OPC, nhưng nó đơn giản hơn và có thể đủ để đáp ứng được nhiều ứng dụng. Nó cũng có độ tin cậy và độ ổn định cao hơn so với phương pháp HMI hỗ trợ OPC.

Nhìn chung, phương pháp kết nối hệ thống tự động hóa quá trình và hệ thống tự động hóa tòa nhà sử dụng BACnet IP còn đang được các hãng nghiên cứu và triển khai để đạt được độ hoàn thiện cao hơn và có thể đưa vào ứng dụng một cách rộng rãi và ổn định trong công nghiệp. Tuy nhiên, đây là một giải pháp hết sức tiềm năng và có tính thực tiễn cao và chắc chắn rằng trong một thời gian rất ngắn nữa, nó sẽ giúp cho hệ thống quản lý dữ liệu và quá trình trong nhà máy trở nên ngày càng toàn diện và linh hoạt.q