TÍNH NĂNG DỰ PHÒNG TRONG TỰ ĐỘNG HÓA CÔNG NGHIỆP

          Xu hướng mới trong các ứng dụng truyền thông và tự động hóa công nghiệp – Ethernet Công nghiệp

          Tính năng dự phòng là một trong những chủ đề được quan tâm nhiều trong các hệ thống sao lưu dữ liệu thông tin công nghiệp và kinh doanh, đặc biệt trong thực tế ngày càng có nhiều thiết bị công nghiệp được trang bị giao diện Ethernet. Thực tế, sự phát triển nhanh chóng của nền tảng phần cứng và phần mềm cho Tự động hóa Công nghiệp đã buộc các nhà quản trị mạng phải suy nghĩ thấu đáo hơn về các yêu cầu sao lưu hệ thống trong môi trường không ổn định.

          Trong bài viết này, chúng ta sẽ thảo luận các yêu cầu khôi phục khác nhau cho các giải pháp dự phòng, cũng như tiếp cận các phương pháp dự phòng nhằm giúp các kiến trúc phần cứng và phần mềm hoạt động ổn định và đạt hiệu quả cao nhất. Công nghệ liên quan đến các giải pháp dự phòng cũng sẽ được đề cập và đánh giá.

          Các ứng dụng dự phòng Ethernet trong Tự động hóa Công nghiệp

          Trước khi xem xét chi tiết các mức độ khác nhau của yêu cầu dự phòng trong các hệ thống điều khiển tự động hóa công nghiệp, trước tiên chúng ta nên tìm hiểu kết nối kép bắt buộc phải có giữa các LAN switch (tại cấp độ thông tin) và kết nối đường trục trong hệ thống. Tất nhiên, trong một số trường hợp người ta không sử dụng các ứng dụng dự phòng, nhưng việc tiết giảm chi phí bằng cách không thiết lập dự phòng có thể dễ dàng dẫn tới quá trình điều khiển diễn ra không chuẩn xác, không ổn định thậm gây ra sự cố. Trong phần sau, chúng ta sẽ tập trung vào những kiến thức thiết thực, hiệu quả và quan trọng cho dự phòng trong điều khiển công nghiệp

          Dự phòng nguồn cấp

          Không giống như môi trường “tiện nghi” trong tự động hóa văn phòng, các hệ thống điều khiển được sử dụng trong tự động hóa công nghiệp phải có khả năng chịu đựng với các điều kiện khắc nghiệt của môi trường. Vì lý do này, một yêu cầu dự phòng cơ bản cho hệ thống điều khiển là mọi thành phần của mạng truyền thông phải được kết nối với nguồn dự phòng trong trường hợp mất nguồn điện chính. Nguồn dự phòng phải được cấp ngay khi mất điện, giảm thiểu tối đa khả năng hư hỏng gây ra do hệ thống bị tắt.

           Ngoài ra, phần cứng của hệ thống ít nhất nên tương thích với các loại nguồn DC không tiêu chuẩn và có bảo vệ chống công suất ngược. Phần dưới sẽ đề cập tới hai cách phổ biến nhất để gửi tín hiệu cảnh báo sự cố nguồn tới người quản trị mạng bằng e-mail hoặc đầu ra relay.

          Cảnh báo bằng đầu ra relay

          Khi một nguồn cấp gặp sự cố, tiếp điểm đầu ra relay sẽ tự động gửi tín hiệu cảnh báo tới người quản trị.

          Báo cáo thông tin thông qua Email

          Một email với thông điệp cảnh báo sẽ được gửi tới người quản trị một cách tự động khi phát hiện sự cố.

          Dự phòng đường truyền

          Dự phòng về đường truyền là tạo ra một đường dẫn dự phòng khi một phần của mạng truyền thông gặp sự cố, đây là một yêu cầu cơ bản của tự động hóa. Công nghệ dự phòng được sử dụng ở đây – IEEE 802.1D Spanning Tree Protocol (STP)- sử dụng sơ đồ mạch vòng Ethernet với các đường dẫn dự phòng. Trước đây, không thể xây dựng các sơ đồ mạch vòng Ethernet thông qua mạng Ethernet. Ngoài ra, việc sử dụng sơ đồ dual-star để thiết lập hệ thống mạng tự động hóa, và đây là cũng là một lựa chọn đáng tin cậy, nhưng chi phí để thiết lập mạng cao. Những gì IEEE 802.1D làm là xác định một trong những switch trong mạng làm “switch gốc” của mạng, và sau đó sẽ tự động chặn các gói tin di chuyển qua bất kỳ vòng dự phòng nào của mạng.

Khi một trong các đường kết nối bị tách ra khỏi các phần còn lại của mạng, STP sẽ tự động điều chỉnh vòng và sử dụng đường dẫn dự phòng,Trong sơ đồ thực tế của vòng dự phòng thì một phần của vòng sẽ bị khóa tùy theo số lượng switch được lắp đặt trong vòng. 

Mặc dù IEEE 802.1D STP đã khắc phục được một số nhược điểm của sơ đồ mạng Ethernet, tuy nhiên nó vẫn tồn tại một số giới hạn, ví dụ như tốc độ thiết lập lại mạch sau sự cố thấp, giới hạn bán kính truyền, không tương thích VLAN, và chặn các liên kết (khi băng thông không đủ cho toàn bộ lưu lượng dữ liệu). Do đó, IEEE 802.1W Rapid Spanning Tree Protocol (RSTP) đã được phát triển. Đây là giao thức mới không chỉ mang tất cả các ưu điểm của IEEE 802.1D, ngoài ra còn cung cấp hiệu năng hoạt động cao hơn, cũng như khả năng xử lý chính xác khi gặp lỗi hoặc trùng lặp trong đường truyền RSTP.

          RSTP cũng có khả năng làm việc với các giao thức STP trước đó, với tính năng khởi động bộ đếm trễ 3 giây. RSPT làm giảm thời gian kết nối các thiết bị truyền thông vật lý để báo tín hiệu lỗi liên kết giữa các thiết bị, và 6 kết nối “đề xuất-đồng bộ-đồng ý”, dựa trên số lượng tối đa 7 điểm cho việc bắt tay các thiết bị trong các mạng LAN, giúp giảm thời gian xuống còn cỡ ms khi xảy ra sự cố có liên quan tới kiểu kết nối điểm-điểm (point-to-point). Các công nghệ được đề cập ở trên giúp tạo ra tính năng dự phòng truyền thông với khả năng thực thi cao.

          Với lý do trên, đã có nhiều nhà sản xuất thiết bị Ethernet đang phát triển các giao thức riêng dựa trên chuẩn 802.1W để đáp ứng yêu cầu thời gian khôi phục nhanh trong tự động hóa công nghiệp. Và Moxa cũng đã tham gia vào xu hướng này bằng việc giới thiệu giải pháp Turbo Ring, với thời gian khôi phục nhỏ hơn 300ms tại 20 điểm có 120 thiết bị. (Lưu ý: Turbo Ring đã được nâng cấp với thời gian khôi phục nhỏ hơn 20ms khi sử dụng đầy tải cho 250 thiết bị trong mạng).

Nếu yêu cầu phải đảm bảo thời gian khôi phục nhỏ hơn một giây là điều quan trọng nhất đối với các yêu cầu dự phòng truyền thông, thì Turbo Ring của Moxa là lựa chọn tối ưu nhất, bởi công nghiệp này của Moxa có thể đáp ứng thời gian < 20ms với 250 thiết bị trên hệ thống. 

Ngoài ra, dự phòng mạng truyền thông bằng sơ đồ mạch vòng cũng giảm chi phí trong trường hợp khoảng cách kéo cáp là quá dài. Trong một số ứng dụng như quản lý và giám sát các tuabin gió, khoảng cách là rất xa. Nhưng với việc sử dụng sơ đồ mạch vòng, chúng ta có thể giảm đáng kể chi phí cho dây kết nối, chi phí cho phần dây dẫn tín hiệu thực sự hiệu quả hơn nhiều.

          Dự phòng các nút mạng

          Sau khi triển khai thành công dự phòng truyền thông trong mạng Ethernet công nghiệp, một vấn đề khác là làm thế nào để tích hợp mọi điểm vào hệ thống điều khiển. Vì lý do này, các bộ switch (chuyển mạch) được lắp đặt kết nối với các thiết bị quan trọng được dùng để thiết lập các nút mạng kép, một trong các switch này được dùng làm switch Ethernet dự phòng. Cả hai nút mạng cần được kết nối tới bộ điều khiển nối kép (dual-homing).

          Để giúp hệ thống hoạt động một cách bình thường khi xuất hiện sự cố trong mạng, bộ điều khiển có khả năng hỗ trợ hai giao diện Ethernet để kết nối với cả hai switch dự phòng, và điều này cho phép nó có thể lựa chọn đường truyền tối ưu nhất để thiết lập kết nối với một số thiết bị đầu cuối quan trọng. Trong trường hợp này, chi phí của thiết bị dự phòng sẽ nhỏ hơn chi phí cho việc mua một switch mạng tương tự, và các phần của hệ thống vẫn hoạt động nếu có sự cố trong mạng.

          Mỗi một nút đại diện cho một switch, và switch dự phòng phải được kết nối với với các thiết bị quan trọng tương ứng với vị trí của nó. Điều này có nghĩa là không phải tất cả các thiết bị trong hệ thống cần phải kết nối với switch Ethernet dự phòng vì nhưng lý do nhất định, ví dụ: chi phí cho các switch. Bên cạnh đó, việc thực hiện dự phòng các nút mạng lại phụ thuộc vào nhu cầu thực tế của từng ứng dụng tự động hóa công nghiệp.

          Dự phòng mạng

          Khi có sự cố mạng xuất hiện, các doanh nghiệp thường gặp tổn thất lớn. Do đó, mọi quản trị viên mạng máy tính trong tự động hóa công nghiệp cần thiết lập các mạng luôn sẵn sàng 100% thời gian đảm bảo các nút mạng vẫn tiếp tục hoạt động khi xảy ra sự cố.

          Khi dự phòng truyền thông đã được thực hiện thành công, dự phòng nút mạng sẽ mang lại hiệu quả cao hơn trong việc giảm thời gian gián đoạn của hệ thống. Nếu mọi nút mạng đều có dự phòng, việc quản lý tính dự phòng nâng cao các mạng Ethernet sẽ được xem xét đến, như triển khai hai hệ thống mạng hoàn toàn độc lập với các thiết bị được kết nối có hai cổng giao tiếp. Có hai cách để có hai cổng giao tiếp với một thiết bị. Nếu thiết bị đã có sẵn 2 cổng Ethernet, có thể đánh dấu chúng là cổng A và B. Nếu sử dụng thiết bị chỉ có 1 cổng, thiết bị cần được nâng cấp thành hai cổng Ethernet nhằm mục đich xác định đường truyền thứ cấp và sơ cấp. Sự dịch chuyển trong bộ điều khiển của mạng không gặp trở ngại và thông suốt trong việc xác định đường truyền an toàn nhất cho luồng dữ liệu.

Điều khiển khi hệ thống mạng bình thường

Điều khiển khi có sự cố trong mạng

           Hệ thống dự phòng hoàn chỉnh

          Mặc dù việc triển khai dự phòng cho toàn bộ các thiết bị trong mạng đôi khi là không thể do hạn chế về chi phí và không gian, nhưng việc hiểu cách thiết lập một hệ thống dự phòng toàn diện vẫn là một việc rất tốt. Một hệ thống dự phòng toàn diện bao gồm các switch dự phòng, các cổng giao tiếp dự phòng và các thiết bị dự phòng. Mọi thiết bị Ethernet và trạm được kết nối tới cả hai cấu trúc mạng vòng độc lập. Tùy thuộc vào tình huống, có hai phương án phù hợp với ứng dụng dự phòng này. Một là sử dụng các thiết bị có hai cổng kết nối, một cổng được dùng đường truyền chính, và cổng còn lại được dùng cho đường truyền dự phòng. Nếu sử dụng thiết bị chỉ có một cổng. Trong trường hợp này, thiết bị phải được nâng cấp lên hai cổng Ethernet để đáp ứng khả năng thiết lập hai đường truyền chính và dự phòng.

          Hệ thống dự phòng hoàn chỉnh giúp tạo ra một hệ thống mạng vô cùng ổn định nhằm giảm thiểu tối đa mất mát dữ liệu và có thời gian phục hồi ngắn. Hệ thống phải có một bộ điều khiển kép có khả năng phân biệt các thiết bị Ethernet đang hoạt động là thuộc đường truyền chính hay dự phòng. Việc phân tích có thể đảm bảo rằng các thiết bị đang hoạt động với đầy đủ chức năng và luôn luôn sẵn sàng để truyền dữ liệu. Chuẩn IEEE 802.1p/Q có thể thực hiện rất nhiều loại phân tích, giám sát trạng thái của mạng, cũng như tất cả các thiết bị cấu thành mạng. Một số thiết bị cấp trường (fieldbus) từ các nhà sản xuất khác nhau trao đổi các gói tin với thiết bị khác theo chu kỳ qua mạng bằng các tin nhắn phân tích, các tin này hoạt động với chức năng một tin báo về “các tín hiệu tồn tại” của thiết bị. Các thiết bị này luôn luôn cập nhật sơ đồ hoàn chỉnh của hệ thống mạng nhằm có thể lựa chọn một cách thông minh các mạng, thiết bị và cổng để tiến hành kết nối. Một chức năng phát hiện lỗi được sử dụng trong hệ thống liên quan tới sự chậm và thất lạc hay trùng lặp của các gói tin dữ liệu.

Hoạt động khi có sự cố mạng

Hoạt động khi mạng và thiết bị cùng có sự cố

         Mặt khác, việc phân tích các ứng dụng điều khiển trong mạng có thể phát hiện các sự cố, cho phép các thiết bị đầu cuối có khả năng thông báo cho người quản trị. Khi quản lý dự phòng phân tán, có thể tránh được việc lưu lượng thông tin quá lớn trên hệ thống trung tâm. Các cổng truyền thông và các thiết bị kép, và quản lý dự phòng của kiến trúc mạng tổng thể sẽ lựa chọn hướng truyền phù hợp nhất để trao đổi dữ liệu với các thiết bị khác dựa trên tình trạng của các thành phần trong mạng. Bằng cách này, hệ thống dự phòng hoàn chỉnh có thể tồn tại và duy trì hoạt động bất chấp việc xuất hiện nhiều sự cố trên mạng.

          Những điểm cần lưu ý khi xây dựng một hệ thống dự phòng tin cậy 100% cho mạng Ethernet trong tự động hóa công nghiệp

          Để đảm bảo 100% tính sẵn sàng của hệ thống trong tự động hóa công nghiệp, nhiều nhà cung cấp đã đề xuất các tiêu chí khác nhau cho hệ thống mạng dự phòng. Để mạng không gặp sự cố do hư hỏng nguồn, nên dự phòng nguồn cho từng thiết bị trong mạng. Và nên thiết lập đường truyền dự phòng theo tiêu chuẩn 802D/W để tăng độ tin cậy và khả năng đáp ứng. Một số switch Ethernet được kết nối với một số thiết bị quan trọng, và yêu cầu dữ liệu truyền qua nó tới bộ điều khiển trung tâm không cho phép xảy ra sự cố. Vì vậy, nên dự phòng nút mạng thay vì dự phòng truyền thông khi đường truyền dự phòng không đủ đáp ứng các đòi hỏi cao hơn. Sử dụng mạng kép có thể giải quyết được các vấn đề gặp phải trong tất cả ứng dụng tự động hóa công nghiệp với tính ứng dụng cao và khả năng phục hồi hiệu quả.  

          Sau khi đã có những hiểu biết nhất định về một số sơ đồ và phương pháp dự phòng cần thiết cho các hệ thống điều khiển trong tự động hóa công nghiệp, chúng ta cần nhấn mạnh một lần nữa tầm quan trọng về khả năng đáp ứng của hệ thống. Trước đây, sự phát triển của các thiết bị tự động hóa đã giảm thiểu nhu cầu về nhân công. Nhưng việc phổ biến chúng khiến các quản trị viên phải làm việc trong nhiều giờ để thu thập dữ liệu giám sát, khắc phục các sự cố và hư hỏng trong hệ thống mạng.

          Các phương pháp dự phòng đã đề cập được chia thành nhiều cấp độ về thiết bị, và được trình bày dưới bảng sau:

          Bảng trên có thể sử dụng để phần tích và tham khảo cho hệ thống dự phòng. Các doanh nghiệp có thể lựa chọn phương án phù hợp nhất dựa trên khả năng kinh tế và nhu cầu của họ.

          Những điểm cần chú ý khi lựa chọn thiết bị truyền dẫn

          Sau khi đã tìm hiểu sự khác trong các phương án dự phòng trong tự động hóa công nghiệp, điều tiếp theo chúng ta cần quan tâm là tầm quan trọng của truyền dữ liệu. Về vấn đề này, cần xem xét một số yếu tố sau:

Bảng sau liệt kê kết nối và tốc độ cần thiết

 Tổng kết

          Kể từ khi Ethernet được ứng dụng vào hệ thống phân cấp tự động hóa, và các switch Ethernet công nghiệp bắt đầu giữ một vai trò quan trọng trong việc thiết lập các mạng Ethernet LAN, chúng ta có thể kỳ vọng vào việc cải thiện công nghệ cho các hệ thống nền tảng trong tự động hóa công nghiệp.

          Dự phòng nguồn, đường truyền, nút mạng, mạng và hệ thống hoàn chỉnh được đề cập ở trên chắc chắn sẽ tạo ra nhiều tiện ích trong điều khiển tự động hóa công nghiệp. Ngắn gọn hơn, chúng ta nên chú trọng tới nguyên lý dự phòng, và coi nó như là một trong các thành phần trung tâm của thiết kế mạng tự động hóa công nghiệp.

Ghi chú:

STP      : Spanning Tree Protocol

RSTP    : Rapid Spanning Tree Protocol