BACnet, LonMark và Modbus : Như thế nào và vì sao chúng hoạt động ?

Vào giai đoạn bình minh của máy tính cá nhân, chắc chắn là không ai cho rằng một máy tính cá nhân có thể giao tiếp với một máy tính khác. Rồi đến hệ điều hành DOS xuất hiện. Được chấp nhận đầu tiên bởi IBM, nó đã nhanh chóng trở thành một tiêu chuẩn cho nhiều ngành công nghiệp máy tính. Người sử dụng đã không phải lo lắng về việc có hay không một hệ thống có thể giao tiếp với một hệ thống khác.

Nhưng mọi thứ đã không đơn giản như vậy với các hệ thống tự động hóa tòa nhà. Mỗi nhà sản xuất phát triển hệ thống riêng của họ. Không có tiêu chuẩn ngành để làm theo. Kết quả là các hệ thống đến từ các nhà sản xuất khác nhau thì không tương thích với nhau được.

Khi mà các hệ thống gia tăng dần lên độ phức tạp và mở rộng, những người quản lý hệ thống trang thiết bị thường xuyên nhận ra rằng chính những sự không tương thích này trở thành chướng ngại cản trở việc cải tiến hiệu năng vận hành. Rất khó hoặc hầu như không thể để tích hợp các hệ thống điều khiển và tự động hóa độc lập trở thành một hệ thống thống nhất.

Vấn đề là các hệ thống từ những nhà sản xuất khác nhau thì không thể đổi lẫn cho nhau được. Những nỗ lực ban đầu để triển khai tính đổi lẫn ít ỏi hơn nhiều so với việc các nhà sản xuất riêng lẻ đẩy mạnh việc triển khai các hệ thống điều khiển và tự động độc quyền của họ nhằm chiếm lĩnh hệ thống. Với các hệ thống kiểu độc quyền này, nhà quản lý hệ thống trang thiết bị bị khóa chặt với một nhà sản xuất. Nếu như có một chức năng vận hành nào đó cần thực thi nhưng lại không được cung cấp bởi nhà sản xuất thì thật là không may. Tệ hơn nữa, với việc không có đối thủ trong các hạng mục mở rộng, nâng cấp và thay thế, nhà quản lý hệ thống sẽ bị chịu sự áp đặt giá từ phía nhà sản xuất.

Một cách giải quyết khác cho việc thúc đầy tính đổi lẫn là thông qua việc xuất bản những giao thức đổi lẫn. Một giao thức là một tập hợp các quy tắc điều hành việc thông tin liên lạc trong một mạng máy tính, nó định nghĩa mọi thứ từ việc kết nối các thiết bị như thế nào cho đến việc định dạng bản thân các thông điệp ra sao. Các quy tắc này có thể được thiết lập bằng phần mềm, phần cứng hoặc cả hai. Hiện đã có một sự chấp nhận rộng rãi việc sử dụng các giao thức tiêu chuẩn hóa để phát triển các hệ thống thông tin liên lạc, bao gồm mạng nội bộ (LAN) và Internet .

Trong lãnh vực tự động tòa nhà, hiện có hai hướng giải quyết liên quan đến các giao thức và tính đổi lẫn. Một số nhà phát triển giao thức chọn cách giữ phần lớn nội dung giao thức độc quyền đồng thời cho phép các nhà sản xuất phát triển sản phẩm bám chặt vào các tiêu chuẩn được thiết lập bởi giao thức. Một số nhà phát triển khác thì chọn cách công bố rộng rãi tiêu chuẩn ra công chúng để bất kỳ nhà sản xuất nào cũng có thể phát triền sản phẩm theo đó.

Ba trong số những giao thức đổi lẫn được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay là BACnet, LonMark và Modbus. Trong khi cả ba giao thức này đều đạt được thành công trong việc triển khai những hệ thống tự động hóa tòa nhà có thể đổi lẫn được, cách mà chúng giải quyết vấn đề đổi lẫn thì lại khác nhau vô cùng. Những sự khác nhau này không có nghĩa là cái nào hay hơn cái nào, chỉ là khác nhau mà thôi.

Tìm hiểu về BACnet

BACnet viết tắt cho Building Automation and Control Network (Mạng điều khiển và tự động tòa nhà). BACnet là tiêu chuẩn được phát triển bởi ASHRAE (Hiệp hội kỹ sư nhiệt lạnh và điều hòa không khí Hoa Kỳ) – trong sự liên kết với các tổ chức quản lý tòa nhà, người sử dụng hệ thống và các nhà sản xuất hệ thống – chuyên dụng cho các thiết bị điều khiển và tự động hóa tòa nhà. Năm 1995 sau nhiều năm phát triển và sửa đổi, Ban điều hành ASHRAE phê chuẩn và ban hành tiêu chuẩn ASHRAE 135-1995. Tiêu chuẩn này đã được trình lên ANSI (Viện tiêu chuẩn quốc gia Hoa Kỳ) và trong cùng năm đó nó đã được trở thành tiêu chuẩn quốc gia với tên ANSI/ASHRAE 135-1995.
Trong sáu năm tiếp theo, tiêu chuẩn này đã trải qua nhiều lần nâng cấp và sửa đổi. Vào năm 2001, ASHRAE công bố tiêu chuẩn cập nhật tên ASHRAE/ANSI 135-2001. Vào năm 2003, BACnet trở thành tiêu chuẩn quốc tế ISO-16484-5

BACnet là một tiêu chuẩn thông tin giao tiếp không độc quyền, có tính mở. Nó có thể được áp dụng trong thực tế vào bất kỳ hệ thống nào của tòa nhà ngày nay, bao gồm HVAC, chiếu sáng (lighting), an toàn sinh mạng (life safety), kiểm soát truy cập (access control), vận chuyển (transportation) và bảo trì (maintenance). Theo thiết kế, tiêu chuẩn này có thể sử dụng trong phạm vi rộng các công nghệ mạng và truyền thông. Nó được viết ra bao gồm mọi thứ từ việc phải chọn kiểu cáp nào cho đến việc khởi gán lệnh hoặc yêu cầu thông tin đặc thù ra sao. Các quy tắc giao tiếp của BACnet được thiết kế đặc thù cho các thiết bị điều khiển và tự động hóa tòa nhà, bao gồm các tác vụ như đọc nhiệt độ yêu cầu ra sao, gửi trạng thái báo động (status alarm) và thiết lập quạt như thế nào..

Cách giải quyết mà các nhà phát triển BACnet triển khai khi thiết lập tiêu chuẩn đề ra rằng, cho một hệ thống thực sự có tính đổi lẫn được cần phải có một vài điều khoản tiêu chuẩn hóa cho hai thành phần chính sau đây : một là sự vận hành toàn thể hệ thống và hai là các thành phần hệ thống riêng lẻ. Họ thực hiện việc này bằng cách sử dụng giải pháp hướng đối tượng (object-oriented) trong các việc xét duyệt, điều khiển, sửa đổi và tương tác với thông tin từ các thiết bị khác nhau. Một mô hình hướng đối tượng BACnet (object-oriented model) bao gồm hai thành phần chính sau : các đối tượng (objects) và các dịch vụ (services) [dịch vụ ở đây có thể hiểu là tập hợp các lệnh logic]

Với BACnet, objects là một tập hợp các thuộc tính (properties), mỗi thuộc tính đại diện cho một số bit thông tin . Bên cạnh các thuộc tính mang tính tiêu chuẩn, objects có thể bao gồm các thuộc tính của nhà sản xuất miễn là chúng thi hành chức năng tuân theo tiêu chuẩn. BACnet cũng định nghĩa các trạng thái có thể xảy ra cho mỗi thuộc tính của một object. Điều làm cho giải pháp hướng đối tượng hoạt động đó là mọi object và thuộc tính được định nghĩa bởi hệ thống thì có thể truy cập được một cách chính xác theo cùng một cách thức.

Quá trình đọc và ghi một thuộc tính BACnet gọi là service. Services là những phương thức được sử dụng bởi bất kỳ thiết bị BACnet nào khi nó giao tiếp với một thiết bị BACnet khác, bao gồm việc nhận, truyền tải thông tin hoặc xử lý một hành động (action). Tiêu chuẩn đề ra một phạm vi rộng lớn các services cho việc truy xuất các objects và thuộc tính của chúng.

Để đảm bảo rằng các sản phẩm được phát triển bởi các nhà sản xuất khác nhau tuân theo tiêu chuẩn BACnet, một phòng thí nghiệm kiểm tra được lập ra. Phòng thí nghiệm này kiểm tra và cấp chứng nhận cho mọi thiết bị được tuân theo tiêu chuẩn. Phòng thí nghiệm cũng phát triển một bộ hoàn chỉnh các quy trình kiểm tra để cho các nhà sản xuất sử dụng.

LonMark

Tiêu chuẩn thứ hai , LonMark đưa ra cách giải quyết theo kiểu khác đối với vấn đề tính đổi lẫn. Không như BACnet, LonMark là giao thức sở hữu độc quyền bởi tập đoàn Echelon Corporation liên kết với Motorola vào đầu thập niên 1990. Tiêu chuẩn LonMark được dựa trên giao thức thông tin có sở hữu với tên gọi LonTalk. Giao thức LonTalk thiết lập một bộ quy tắc quản lý việc giao tiếp thông tin trong một mạng các thiết bị cùng hợp tác. Để đơn giản hóa việc thực thi giao thức, Echelon đã chọn làm việc với Motorola để phát triển một chip xử lý thông tin chuyên dụng có tên gọi Neuron. Thông qua việc sử dụng con chip xử lý này cùng với các phần mềm hỗ trợ, giao thức thiết lập nên cách mà thông tin được trao đổi giữa các thiết bị. Bởi vì phần lớn của giao thức giao tiếp được bao hàm trong con chip xử lý, những người thiết kế và lắp đặt hệ thống có thể tập trung vào các khía cạnh khác của hệ thống.

Trong khi LonTalk thiên về vấn đề các thiết bị truyền đạt thông tin như thế nào, nó lại không quan tâm đến nội dung của việc trao đổi thông tin. Một giao thức thứ hai, tên là LonWorks, định nghĩa nội dung và cấu trúc của thông tin được trao đổi. LonWorks là một hệ thống điều khiển phân bổ vận hành trên nền tảng ngang hàng (peer-to-peer), nghĩa là mọi thiết bị có thể giao tiếp với mọi thiết bị khác trên mạng hoặc là sử dụng cấu hình chính-phụ (master-slave) để trao đổi thông tin giữa các thiết bị thông minh. Nền tảng LonWorks hỗ trợ một phạm vi rộng các phương tiện trao đổi thông tin.
Các thiết bị tương thích với LonWorks giao tiếp với nhau qua một SNVT (Standard Network Variable Type). Mặc dù một SNVT định nghĩa một thiết bị cũng giống như một object của BACnet, cách giải quyết có hơi khác một chút. Để một SNVT thực thi chức năng, cả hai thiết bị nhận và gửi phải có sự nhận biết chi tiết về cấu trúc SNVT là gì. Vì thế mỗi SNVT được định danh bằng một mã số cho phép thiết bị nhận hiểu được đúng dữ liệu truyền tải.

Ban đầu LonWorks không định nghĩa mã SNVT đặc thù có ý nghĩa gì. Điều này đem đến sự nhầm lẫn giữa các nhà sản xuất đã dùng mã số giống nhau để xác định các vấn đề khác nhau. Để loại bỏ sự nhầm lẫn này đồng thời tiêu chuẩn hóa mã SNVT, Hiệp hội về Tính đổi lẫn cho LonMark (LonMark Interoperability Association) được lập ra năm 1994. Hợp thành bởi hàng trăm nhà sản xuất và tích hợp hệ thống, một trong những mục tiêu chính của hiệp hội này là đặt ra những phương pháp tiêu chuẩn cho việc thiết lập công nghệ LonWorks.

Để đảm bảo mọi thiết bị được lắp đặt trong một hệ thống LonMark sẽ hoạt động đúng chức năng với các thiết bị khác, LonMark yêu cầu thiết bị phải được thẩm tra là tuân theo giao thức LonMark để có được logo của LonMark trên nó. LonMark sử dụng một công cụ trên nền web để giảm thiểu thời gian và chi phí chứng nhận cho các thiết bị.

Một trong những đổi mới gần đây nhất của LonMark là profile mạng (network profile). Ý tưởng phía sau profile mạng là không cần quan tâm đến ai là người làm ra thiết bị chuyên dụng này trong một hệ thống tòa nhà, tất cả mọi thiết bị cùng loại sẽ thi hành một chức năng tương tự nhau. Để giảm gánh nặng và tăng tốc việc lắp đặt, LonMark định nghĩa cách thức một thiết bị chuyên dụng thực thi chức năng trên mạng từ những điểm (points) được đặt tên cho nó. Profile mạng định trước này là profile tối thiểu của mọi thiết bị kết nối. Các nhà sản xuất có thể thêm vào các mục cho profile định trước này dựa trên sản phẩm chuyên dụng của họ, để đem lại tính linh hoạt đồng thời duy trì được sự đơn giản và tính đổi lẫn.

Giống như BACnet, LonWorks cũng được chấp nhận và lưu hành bởi nhiều tổ chức tiêu chuẩn quốc tế (ANSI/CEA 709.1 và IEEE 1473-L)

Modbus

Giao thức thứ ba được sử dụng để đạt được tính đổi lẫn trong các hệ thống tự động hóa tòa nhà là Modbus. Giao thức Modbus được phát triển bởi Modicon trong những năm 1970 cho việc sử dụng các hệ thống tự động hóa công nghiệp với các bộ điều khiển lập trình (Programable Controllers). Ngày nay nó là một trong những phương tiện được sử dụng rộng rãi nhất trong việc kết nối các thiết bị điện tử trong các ứng dụng công nghiệp (industrial). Tính đơn giản cũng khiến Modbus trở thành một công cụ hữu dụng để đem đến tính đổi lẫn trong các ứng dụng tự động hóa tòa nhà.

Modbus bao gồm một cấu trúc thông điệp được thiết kế để thiết lập giao tiếp chính-phụ (master-slave), chủ-khách (client-master) giữa một phạm vi rộng các thiết bị thông minh. Nó hỗ trợ các giao thức tuần tự và mạng Ethernet. Nó thực sự là một tiêu chuẩn mở và là một trong những giao thức được sử dụng rộng rãi nhất trong môi trường sản xuất công nghiệp. Sử dụng giao thức cũng như cấp chứng nhận (licensing) là hoàn toàn miễn phí. Các công cụ và tài nguyên hỗ trợ cho việc triển khai lắp đặt và vận hành được cung cấp trực tuyến (online).

Phiên bản nguyên thủy của Modbus bao gồm hai chế độ truyền tin : ASCII và RTU. Gần đây, Modbus/TCP được phát triển, cho phép giao thức Modbus có thể truyền dẫn qua các hệ thống mạng nền TCP/IP.

Vào năm 2004, tiêu chuẩn được chuyển giao về cho Modbus-IDA, một tổ chức phi lợi nhuận hợp thành bởi nhiều người sử dụng và nhà cung cấp các thiết bị tự động hóa chủ yếu cho lãnh vực sản xuất.

Tuy rằng Modbus khởi đầu được thiết kế sử dụng trong ứng dụng công nghiệp, việc dụng nó trong các ứng dụng tự động hóa tòa nhà, vận chuyển và năng lượng đang lan rộng nhanh chóng. Điểm mạnh của Modbus là tính mở, đơn giản và yêu cầu phần cứng ít nhất. Một lợi ích đáng kể khác đó là việc Modbus có sử dụng giao thức truyền tin TCP/IP, giống giao thức sử dụng bởi Internet. Điều này có nghĩa là Modbus có thể dễ dàng sử dụng được qua mạng Internet.

Lựa chọn một giao thức

Mỗi giao thức đua tranh trên đều tuyên bố họ là giao thức tốt nhât. Thế thì người quản lý hệ thống nên chọn hệ thống nào phù hợp nhất với hệ thống của họ ?

Giao thức phải được lựa chọn dựa trên những nhu cầu về trang thiết bị và khả năng hỗ trợ một giao thức riêng biệt của chúng. Mỗi giao thức đều được sử dụng nhiều lần để triển khai một hệ thống đổi lẫn được. Mỗi giao thức đều có ưu điểm và nhược điểm. Hãy đưa bộ phận quản lý IT (công nghệ thông tin) vào cuộc. Họ nói chung là cơ quản kiểm soát hạ tầng mạng của các trang thiết bị. Nếu như doanh nghiệp của bạn thiếu một chuyên gia để ước định các giao thức, hãy tranh thủ sự hỗ trợ từ các công ty chuyên môn và độc lập bên ngoài.

* Dịch giả : Nguyễn Trường Phi

* Bài viết dịch từ Facilitiesnet.com : http://www.facilitiesnet.com/buildi...onMark-and-Modbus-How-and-Why-They-Work--7712
* Tác giả : James Piper, PhD, PE, một tác giả và nhà tư vấn có trên 25 năm kinh nghiệm về quản lý hệ thống trang thiết bị. Ông là biên tập viên của tạp chí Quản lý Vận hành Tòa nhà (Building Operation Management)