CÁC LOẠI TÍN HIỆU VÀ PHƯƠNG THỨC TRUYỀN DỮ LIỆU TRONG HỆ THỐNG QUAN TRẮC

Trong một hệ thống quan trắc tự động, thiết bị đo sau khi xác định các thông số như pH, nhiệt độ, TSS, COD, NH₄⁺ hoặc lưu lượng cần truyền kết quả đến bộ thu thập dữ liệu. Từ đây, dữ liệu tiếp tục được truyền về máy chủ và phần mềm để lưu trữ, hiển thị và quản lý. Quá trình này có thể sử dụng nhiều phương thức khác nhau. 4-20 mA, tín hiệu điện áp, tín hiệu xung, RS-485 hay Ethernet có thể đảm nhiệm những vai trò khác nhau trong hệ thống.

Hiểu được dữ liệu đang truyền từ đâu đến đâu sẽ giúp phân biệt rõ từng loại tín hiệu và tránh nhầm lẫn khi thiết kế hoặc xử lý sự cố. 

1. Dữ liệu trong hệ thống quan trắc được truyền như thế nào? 

Trong một hệ thống quan trắc, giá trị đo không đi trực tiếp từ thiết bị đến phần mềm. Dữ liệu thường được truyền qua một hoặc nhiều lớp trung gian, tùy vào cấu trúc của trạm. Trước khi tìm hiểu từng loại tín hiệu, có thể hình dung đơn giản đường đi của dữ liệu trong một trạm quan trắc:  

Thiết bị đo → Bộ thu thập dữ liệu → Server → Phần mềm quản lý 

Thiết bị đo là nơi thực hiện phép đo. Chẳng hạn, cảm biến pH xác định giá trị pH của mẫu nước, thiết bị đo TSS xác định hàm lượng chất rắn lơ lửng hoặc thiết bị phân tích xác định nồng độ một chất cụ thể. 

Sau khi có kết quả, thiết bị cần đưa dữ liệu về PLC, RTU hoặc datalogger. Đây là bước đầu tiên của quá trình truyền dữ liệu. 

Từ PLC, RTU hoặc datalogger, dữ liệu được truyền tiếp đến server hoặc hệ thống quản lý. Đây là bước thứ hai. 

Hai bước này có thể sử dụng những phương thức hoàn toàn khác nhau. 

Ví dụ: Thiết bị đo → 4–20 mA → PLC → 4G → Server 

Hoặc: Thiết bị đo → RS-485/Modbus RTU → PLC → Ethernet → Server 

Như vậy, khi nói về tín hiệu trong quan trắc, trước tiên cần xác định đang nói đến kết nối giữa thiết bị và bộ thu thập hay kết nối từ trạm đến server. 

2. Các tín hiệu từ thiết bị đo về PLC, RTU hoặc Datalogger 

Đây là lớp kết nối đầu tiên, có nhiệm vụ đưa dữ liệu từ thiết bị đo về bộ thu thập dữ liệu tại trạm. 

2.1. Tín hiệu Analog 

4-20 mA  

4-20 mA là một dạng tín hiệu analog phổ biến trong các hệ thống đo lường và tự động hóa. Trong cấu hình thông thường, dòng điện từ 4 đến 20 mA đại diện cho toàn bộ dải đo của một thông số. 

Ví dụ, một thiết bị có dải đo 0-100 mg/L có thể được cấu hình: 

• 4 mA → 0 mg/L 

• 12 mA → 50 mg/L 

• 20 mA → 100 mg/L 

PLC hoặc module analog input sẽ đọc giá trị dòng điện và dựa trên dải đo đã cấu hình để quy đổi thành giá trị đo tương ứng. 

Trong hệ thống quan trắc, 4-20 mA thường được sử dụng khi cần đưa một giá trị đo từ thiết bị về bộ điều khiển. 

Analog dạng điện áp  

Một số thiết bị sử dụng tín hiệu analog dạng điện áp như: 0-10 V, 0-5 V, 1-5 V 

Nguyên lý tương tự 4-20 mA: một khoảng điện áp được quy đổi thành một khoảng giá trị đo. 

Ví dụ, nếu thiết bị được cấu hình 0-10 V tương ứng với 0-100 mg/L, thì 5 V sẽ tương ứng với 50 mg/L trong trường hợp quan hệ được thiết lập tuyến tính. 

Tuy nhiên, không nên mặc định mọi thiết bị đều có thể lựa chọn tùy ý giữa tín hiệu dòng điện và điện áp. Loại tín hiệu phụ thuộc vào đầu ra của thiết bị và cấu hình của hệ thống tiếp nhận. 

2.2. Tín hiệu trạng thái và giao tiếp dữ liệu số 

Khác với tín hiệu analog, trong đó giá trị đo được biểu diễn thông qua một đại lượng liên tục như dòng điện hoặc điện áp, dữ liệu số có thể được truyền dưới dạng các trạng thái hoặc chuỗi dữ liệu được mã hóa theo quy định của giao tiếp và giao thức. 

Trong hệ thống quan trắc, cần phân biệt tín hiệu trạng thái với giao tiếp dữ liệu số, vì chúng phục vụ những mục đích khác nhau. 

Tín hiệu trạng thái 

Tín hiệu trạng thái thường được sử dụng để truyền những thông tin đơn giản như ON/OFF, chạy/dừng, cảnh báo/bình thường hoặc có/không. Bộ điều khiển chỉ cần xác định thiết bị đang ở trạng thái nào thay vì nhận một giá trị đo liên tục. 

Ví dụ, một thiết bị có thể xuất tín hiệu cảnh báo khi xảy ra lỗi hoặc khi một điều kiện vận hành được kích hoạt. PLC nhận tín hiệu này thông qua đầu vào số và xử lý theo chương trình đã cài đặt. 

Một số thiết bị cũng sử dụng tiếp điểm relay để cung cấp các trạng thái như cảnh báo, lỗi hoặc trạng thái vận hành. Trong trường hợp này, relay đóng vai trò là phần tử đóng/ngắt mạch để truyền trạng thái đến thiết bị tiếp nhận. 

Giao tiếp dữ liệu số 

Khác với tín hiệu trạng thái chỉ truyền một thông tin đơn giản, giao tiếp dữ liệu số cho phép thiết bị trao đổi nhiều thông tin dưới dạng dữ liệu. Tùy thiết bị và giao thức được hỗ trợ, dữ liệu có thể bao gồm giá trị đo, đơn vị, trạng thái, cảnh báo, mã lỗi hoặc các thông tin vận hành khác. 

Một số giao tiếp thường gặp trong hệ thống quan trắc gồm RS-485 và Ethernet. Tuy nhiên, cần phân biệt giao diện truyền dẫn với giao thức truyền thông. 

• RS-485 là một chuẩn giao diện truyền thông ở lớp vật lý, quy định cách các thiết bị truyền tín hiệu điện trên đường truyền. 

• Modbus RTU là một giao thức quy định cách các thiết bị trao đổi dữ liệu và được sử dụng phổ biến trên nền RS-485. 

• Ethernet là công nghệ kết nối mạng có dây, có thể được sử dụng cùng nhiều giao thức khác nhau. 

• Modbus TCP là một phiên bản của giao thức Modbus được truyền trên nền mạng TCP/IP, thường sử dụng Ethernet làm hạ tầng kết nối. 

Do đó, không nên đồng nhất RS-485 với Modbus RTU. Có thể hình dung đơn giản: 

RS-485 → cách thiết bị kết nối và truyền tín hiệu 

Modbus RTU → cách dữ liệu được tổ chức và trao đổi 

Xem thêm: MODBUS RTU VÀ RS-485: TỔNG QUAN VỀ KẾT NỐI VÀ TRUYỀN DỮ LIỆU TRONG HỆ THỐNG QUAN TRẮC

Ví dụ, một thiết bị đo có thể truyền giá trị pH, nhiệt độ hoặc các thông tin trạng thái về PLC thông qua RS-485 sử dụng giao thức Modbus RTU. So với một tín hiệu analog đơn lẻ như 4–20 mA, giao tiếp dữ liệu số có thể cung cấp nhiều thông tin hơn trong cùng một kết nối, tùy theo khả năng của thiết bị và giao thức được hỗ trợ. 

2.3. Tín hiệu xung 

Tín hiệu xung truyền thông tin thông qua số lượng hoặc tần số xung.  

Tín hiệu xung cũng là một dạng đầu ra thường gặp ở một số thiết bị đo, đặc biệt trong các ứng dụng đo lưu lượng. Bộ thu thập dữ liệu sẽ sử dụng thông số quy đổi đã được cấu hình để tính toán giá trị lưu lượng hoặc tổng lượng. 

Khác với 4–20 mA, tín hiệu xung không biểu diễn giá trị bằng một mức dòng điện liên tục mà thông qua các xung được phát ra theo quy ước của thiết bị. 

3. Phương thức truyền dữ liệu từ trạm quan trắc đến server 

Sau khi PLC, RTU hoặc datalogger tiếp nhận dữ liệu từ các thiết bị đo, dữ liệu có thể được truyền từ trạm đến server hoặc phần mềm quản lý thông qua hạ tầng mạng như Ethernet, mạng di động 4G/5G hoặc các phương thức kết nối khác tùy cấu trúc hệ thống. 

Điểm cần phân biệt là các phương thức này không nhất thiết thay thế cho nhau. Một hệ thống có thể sử dụng RS-485/Modbus RTU ở bên trong trạm để các thiết bị trao đổi dữ liệu, sau đó sử dụng Ethernet hoặc 4G để đưa dữ liệu từ bộ thu thập lên server. 

3.1. Ethernet 

Ethernet là phương thức kết nối mạng có dây, thường được sử dụng khi trạm quan trắc có hạ tầng mạng LAN hoặc kết nối Internet thông qua mạng có dây. 

Trong một cấu hình đơn giản, dữ liệu có thể đi theo đường: 

Thiết bị đo → PLC/RTU → Ethernet → Router/Switch → Internet → Server 

Ethernet phù hợp với các trạm có sẵn hạ tầng mạng và cần kết nối ổn định giữa thiết bị thu thập dữ liệu với hệ thống mạng. Tùy thiết bị và kiến trúc hệ thống, dữ liệu có thể được truyền bằng các giao thức mạng khác nhau, chẳng hạn Modbus TCP hoặc các giao thức ứng dụng do nhà sản xuất thiết bị quy định. 

3.2. Truyền dữ liệu qua mạng di động 4G 

Đối với những trạm quan trắc đặt tại vị trí không thuận tiện để kéo đường truyền có dây, 4G có thể được sử dụng để kết nối bộ thu thập dữ liệu với Internet và truyền dữ liệu về server. 

Một cấu hình phổ biến có thể hình dung như sau: 

Thiết bị đo → PLC/RTU/Datalogger → Router 4G → Mạng di động → Internet → Server 

Trong trường hợp này, 4G đóng vai trò là đường truyền mạng. Dữ liệu được bộ thu thập hoặc thiết bị truyền thông gửi qua mạng di động đến hệ thống máy chủ. 

Việc sử dụng 4G giúp giảm phụ thuộc vào hạ tầng mạng có dây tại vị trí lắp đặt. Tuy nhiên, chất lượng kết nối còn phụ thuộc vào vùng phủ sóng, nhà mạng, thiết bị truyền thông và điều kiện thực tế tại trạm. 

3.3. Một hệ thống có thể kết hợp nhiều phương thức truyền 

Trong thực tế, một trạm quan trắc không nhất thiết chỉ sử dụng một loại tín hiệu hoặc một phương thức truyền duy nhất. Các lớp kết nối có thể được kết hợp tùy theo thiết bị và kiến trúc hệ thống. 

Ví dụ: 

Phương án 1: Thiết bị đo → 4-20 mA → PLC → 4G → Server 

Trong đó, 4-20 mA được sử dụng để đưa giá trị đo từ thiết bị về PLC, còn 4G đảm nhiệm kết nối từ trạm đến server. 

Phương án 2: Thiết bị đo → RS-485/Modbus RTU → PLC → Ethernet → Server 

Trong cấu hình này, RS-485/Modbus RTU được sử dụng để thu thập dữ liệu từ thiết bị, trong khi Ethernet được sử dụng để kết nối PLC với mạng và truyền dữ liệu đến server. 

Phương án 3: Thiết bị đo → Ethernet/Modbus TCP → PLC hoặc Gateway → 4G → Server 

Cách kết hợp này cho thấy một hệ thống có thể sử dụng nhiều lớp giao tiếp khác nhau trong cùng một đường truyền dữ liệu. 

4. Những yếu tố cần xem xét khi thiết kế đường truyền dữ liệu  

Việc lựa chọn phương thức truyền dữ liệu trong hệ thống quan trắc cần dựa trên điều kiện thực tế của từng trạm. Một số yếu tố cần xem xét gồm: 

• Khả năng tương thích: Kiểm tra thiết bị đo đang có đầu ra hoặc giao diện nào như 4-20 mA, tín hiệu xung, RS-485, Ethernet… và bộ thu thập dữ liệu có hỗ trợ phương thức kết nối tương ứng hay không. 

• Khoảng cách kết nối: Xác định khoảng cách giữa thiết bị đo, PLC/RTU/datalogger và các thiết bị mạng để lựa chọn phương thức truyền và hạ tầng kết nối phù hợp. 

• Hạ tầng tại trạm: Kiểm tra trạm đã có mạng LAN, Internet có dây hay chưa. Nếu không có hạ tầng mạng cố định, có thể xem xét kết nối mạng di động như 4G tùy điều kiện thực tế. 

• Loại dữ liệu cần truyền: Xác định hệ thống chỉ cần truyền giá trị đo hay cần thêm trạng thái thiết bị, cảnh báo, mã lỗi và các thông tin vận hành khác. Yêu cầu này ảnh hưởng đến việc lựa chọn tín hiệu analog hay giao tiếp dữ liệu số. 

• Khả năng duy trì dữ liệu khi mất kết nối: Cần xác định bộ thu thập có khả năng lưu dữ liệu tại trạm khi mất kết nối với server hay không và dữ liệu có được truyền bổ sung sau khi kết nối được khôi phục hay không. 

• Độ ổn định của đường truyền: Đối với các trạm truyền dữ liệu qua mạng, cần xem xét chất lượng kết nối, độ ổn định của mạng và điều kiện thực tế tại vị trí lắp đặt. 

• Khả năng mở rộng: Nếu dự kiến bổ sung thêm thiết bị hoặc thông số đo, cần tính đến số lượng kênh, giao diện truyền thông và khả năng mở rộng của PLC, RTU hoặc datalogger ngay từ giai đoạn thiết kế. 

Như vậy, việc lựa chọn phương thức truyền dữ liệu cần được xem xét từ thiết bị đo, bộ thu thập đến đường truyền về server, thay vì chỉ lựa chọn một loại tín hiệu riêng lẻ. 

Kết luận 

Trong hệ thống quan trắc, dữ liệu không nhất thiết được truyền bằng một phương thức duy nhất mà có thể đi qua nhiều lớp kết nối. 4-20 mA, tín hiệu điện áp và tín hiệu xung thường được sử dụng để đưa giá trị đo từ thiết bị về bộ thu thập; RS-485 và các giao thức như Modbus RTU phục vụ trao đổi dữ liệu giữa các thiết bị; Ethernet, 4G/5G và các kết nối mạng khác có thể đảm nhiệm việc đưa dữ liệu từ trạm về server. 

Vì vậy, khi thiết kế hoặc xử lý sự cố, cần xác định rõ dữ liệu đang được truyền ở lớp nào, giữa những thiết bị nào và bằng phương thức nào. Cách phân biệt này giúp lựa chọn thiết bị tương thích, xác định đúng vị trí xảy ra lỗi và xây dựng cấu hình truyền dữ liệu phù hợp với từng trạm quan trắc. 

Aquaco - tư vấn, thiết kế, lắp đặt và hỗ trợ vận hành hệ thống quan trắc tự động, phù hợp với điều kiện thực tế và nhu cầu của từng trạm. 

Xem thêm các bài viết liên quan: 

LÀM GÌ KHI HỆ THỐNG QUAN TRẮC ONLINE BỊ GIÁN ĐOẠN DỮ LIỆU?

MẤT KẾT NỐI TRẠM QUAN TRẮC CÓ BỊ XỬ PHẠT KHÔNG?

Thông tin liên hệ:

CÔNG TY CỔ PHẦN THIẾT BỊ CÔNG NGHỆ AQUA 

• Văn phòng đại diện:  23 Đường Số 4, Cư Xá Chu Văn An, Phường Bình Thạnh, TP.HCM.  

• Văn phòng giao dịch: Số 2 đường 5, Khu phố 67, Phường Hiệp Bình, TP HCM.

• Văn phòng Hà Nội: 18-D4 Thanh Xuân Bắc, Phường Thanh Xuân, Hà Nội

• Hotline:  0909 246 726   

• Tel: 028 6276 4726   

• Email: info@aquaco.vn