Các khuyến nghị khi triển khai mạng truyền thông IIoT công nghiệp

Các khuyến nghị khi triển khai mạng truyền thông IIoT công nghiệp

Giới thiệu

Internet of Things trong công nghiệp (IoT) không chỉ một xu hướng mà nó đã trở thành một phần của cuộc sống. Càng ngày, con người bị thuyết phục với khái niệm về với khả năng kết nối tất cả các loại thiết bị với Internet. Tuy nhiên, thực hiện IoT công nghiệp không phải đơn giản trong vấn đề kết nối tất cả các thiết bị với nhau. Các công ty cần phải vượt qua nhiều thách thức trước khi đưa chiến lược IoT vào hoạt động. Bước đầu tiên để thực hiện chiến lược triển khai có hiệu quả xoay quanh môi trường hoạt động của tổ chức, bao gồm các thiết bị, ứng dụng và quy trình. Trong bài báo này, chúng tôi đồng hành cùng bạn. Chúng tôi đã đưa ra ba trường hợp để chỉ ra các yếu tố chính cần chú ý khi bắt đầu triển khai IoT trong công nghiệp. Hãy nhớ rằng, làm đúng ngay từ đầu sẽ giúp tiết kiệm cả thời gian và tiền bạc. Trường hợp 1: Quản lý mạng không đồng nhất tại hiện trường Trường hợp 2: Cấu hình, triển khai và khắc phục sự cố, và bảo trì các thiết bị trên quy mô lớn Trường hợp 3: Thiết bị hư hỏng do nhiệt độ cao và nhiễu môi trường

1. Trường hợp 1: Quản lý mạng không đồng nhất tại hiện trường

Trong các ứng dụng tự động hóa công nghiệp, việc thu thập dữ liệu từ các thiết bị hiện trường sẽ trở nên quan trọng hơn bao giờ hết. Nhiệt độ, tốc độ động cơ, trạng thái chạy/dừng, hoặc các đoạn hình ảnh video có thể được sử dụng để có được những thông tin mới để tăng khả năng vận hành hệ thống. Ví dụ: chúng ta có thể xác định cách tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng, hiệu suất của dây chuyền sản xuất và thậm chí khi thực hiện bảo trì dự phòng để giảm thời gian ngừng hoạt động. Tuy nhiên, các thiết bị này thường sử dụng các giao thức khác nhau: một số sử dụng giao thức riêng của từng hãng sản xuất, trong khi thiết bị khác sử dụng giao thức tiêu chuẩn mở. Dù trường hợp nào, chúng ta cũng cần phải tìm một cách hiệu quả để chuyển đổi qua lại giữa một hoặc nhiều giao thức. Khuyến nghị:

• Chọn các giao thức thích hợp.
• Tích hợp các phương tiện truyền thông và các giao thức khác nhau có hiệu quả.
• Quản lý các giao thức riêng.

1.1. Chọn các giao thức thích hợp

Nhiều giao thức khác nhau được sử dụng trong các thiết bị trường khác nhau, và mỗi giao thức có các tính năng riêng để đáp ứng các mục đích cụ thể. Ví dụ, Modbus RTU/ASCII rất đơn giản, dễ sử dụng và chi phí thấp. Nếu bạn chỉ cần thu thập dữ liệu vài giây hoặc thậm chí lâu hơn, Modbus là giao thức thích hợp để thực hiện. Nhưng nếu bạn muốn trao đổi dữ liệu mỗi 10 mili giây, thì PROFIBUS là giải pháp và chọn lựa tốt hơn. Tuy chi phí hơn, nhưng PROFIBUS  đáng tin cậy trong các ứng dụng quan trọng thời gian. Yêu cầu của bạn nên xác định giải pháp phù hợp nhất cho hoạt động thực tế. Bởi vì, Ethernet đã được thiết lập tốt, nên các giao thức dựa trên Ethernet đang được sử dụng thường xuyên hơn tại hiện trường. Hầu hết các giao thức dựa trên Ethernet là các giao thức chuẩn mở như: Modbus/TCP, PROFINET, OPC UA trong tự động hóa hoặc ONVIF trong video. Khi bạn thiết kế một hệ thống mới, hoặc nâng cấp một hệ thống hiện có, cần đảm bảo thiết bị trường của bạn hỗ trợ các giao thức chuẩn mở để chúng có thể tương tác với các thiết bị từ các nhà cung cấp khác

1.2. Tích hợp các phương tiện truyền thông và các giao thức khác nhau có hiệu quả

Tại hiện trường, toàn bộ mạng có thể được phân tách thành: lớp trường, lớp điều khiển và lớp giám sát. Mỗi lớp có thời gian đáp ứng và các yếu tố môi trường khác nhau. Bạn có thể sử dụng các giao thức khác nhau để đáp ứng các yêu cầu của mỗi trong lớp tương ứng. Sau khi chọn đúng các loại giao thức, bước tiếp theo là thu thập thông tin từ các thiết bị này với các giao thức khác nhau. Sử dụng một gateway thường là giải pháp tốt nhất cho việc tích hợp này. Ví dụ, gateway có thể chuyển đổi một giao thức lớp trường (ví dụ: Modbus RTU của đồng hồ) sang giao thức lớp điều khiển (ví dụ: EtherNet/IP hoặc PROFINET PLC trong lớp điều khiển). Để đáp ứng các yêu cầu hoạt động trong môi trường công nghiệp, các thiết bị truyền dẫn khác nhau có thể được sử dụng để xây dựng hệ thống truyền thông tin cậy nhất. Ví dụ, cáp quang được sử dụng cho truyền thông Modbus RTU bởi vì có thể mở rộng khi truyền thông tin với khoảng cách dài. Trong trường hợp nhiễu điện tử quá cao, cáp quang cũng là sự lựa chọn hợp lý. Vì vậy, khi bạn lên kế hoạch cho hệ thống, điều quan trọng là đảm bảo rằng nhà cung cấp có thể cung cấp một giải pháp khả thi đối với bất kỳ vấn đề truyền thông nào. Hệ thống bao gồm các giao diện thiết bị khác nhau (RS-232,RS-485, I/O từ xa), các giao diện mạng khác nhau (sợi quang, Ethernet, không dây) và hỗ trợ các giao thức khác nhau (fieldbus, OPC UA, ONVIF). Một giải pháp hoàn chỉnh có thể tiết kiệm rất nhiều thời gian trong tích hợp hệ thống.

1.3. Quản lý các giao thức riêng

Chúng ta đã nói rất nhiều về các giao thức tiêu chuẩn. Tuy nhiên, một số lượng lớn các thiết bị hiện có sử dụng giao thức riêng. Trong hầu hết các trường hợp, giao diện kết nối có kiểu nối tiếp. Tuy nhiên, vì lý do nào đó, các giao thức vốn rất phổ biến như Modbus RTU hoặc DF1 lại không được sử dụng. Các thiết bị này có thể là đồng hồ đo công suất hay thiết bị đọc mã vạch. Để kết nối thiết bị với mạng Ethernet, cần sử dụng bộ chuyển đổi serial-to-Ethernet, được gọi trong công nghiệp với tên máy chủ thiết bị nối tiếp (Serial Device Server). Hai loại giao diện được hỗ trợ: giao diện nối tiếp ở một đầu, và giao diện Ethernet ở đầu còn lại. Các bộ chuyển đổi có thể hỗ trợ cổng COM ảo để chúng hoạt động như một cổng COM trong hệ thống SCADA; thậm chí bạn có thể sử dụng hệ thống SCADA hiện tại mà không cần phải xây dựng lại. Bộ chuyển đổi cũng hỗ trợ chế độ "raw socket", có thể truyền dữ liệu nối tiếp tới các gói tin TCP hoặc UDP. Hầu hết các máy chủ SCADA hoặc OPC hỗ trợ trình điều khiển hoặc thư viện đặc biệt để làm việc với các bộ chuyển đổi serial-to-Ethernet tương thích với giao thức riêng này. Chúng ta cũng phải xử lý giao thức theo cách thủ công như trước, nhưng các máy chủ thiết bị nối tiếp có thể giúp truyền dữ liệu sang mạng Ethernet.

2. Trường hợp 2: Cấu hình, triển khai, khắc phục sự cố, và duy trì hoạt động các thiết bị trên quy mô lớn

Trước khi bắt đầu triển khai IIoT, cần trả lời câu hỏi: tôi làm cách nào để quản lý các thiết bị khác nhau từ các nguồn khác nhau trên cùng một mạng? Các thiết bị để thu thập dữ liệu từ các thiết bị tại hiện trường sẽ hoạt động trơn chu. Và việc quản lý cả mớ các công cụ là vấn đề phức tạp. Cần lưu ý: khả năng triển khai hàng trăm hoặc thậm chí hàng nghìn thiết bị có nguồn gốc từ các nhà cung cấp khác nhau tại hiện trường dẫn đến tình trạng phức tạp. Những việc cần làm sau khi mua thiết bị (các việc cần làm và không bị giới hạn): thử nghiệm, sao lưu tập tin cấu hình, triển khai, xử lý sự cố, truy cập từ xa và nâng cấp, và theo dõi thiết bị. Nếu các thiết bị này được lắp đặt tại các địa điểm xa trung tâm, sẽ dẫn đến chi phí vận hành và bảo trì có thể tăng lên rất nhiều. Do đó, việc lập kế hoạch và kiểm tra rất cần thiết trước khi triển khai thiết bị để đảm bảo chi phí bảo trì thấp trong tương lai. Có một tin vui, đó là các nhà cung cấp mang đến một giải pháp đơn giản và tốn ít thời gian hơn. IoT công nghiệp có thể giúp người dùng có thể quản lý số lượng lớn thiết bị bằng cách cung cấp công cụ cấu hình tiện dụng, phần mềm quản lý thiết bị hoặc khắc phục sự cố các tiện ích, giúp giảm tổng chi phí cho toàn bộ hệ thống IoT công nghiệp. Để cung cấp cho bạn khái niệm tổng thể về phần mềm nào có thể được sử dụng để dễ dàng quản lý các thiết bị này, chúng tôi sẽ xây dựng một số mẹo để đánh giá các giải pháp của các nhà cung cấp IIoT khác nhau. Lời khuyên:

• Sử dụng giao diện web cấu hình thiết bị thân thiện với người dùng và một tiện ích để cấu hình nhanh hơn.
• Triển khai và khắc phục sự cố của một số lượng lớn thiết bị hiệu quả.
• Giám sát và duy trì hoạt động nhiều thiết bị tại các địa điểm từ xa.

2.1. Sử dụng giao diện web cấu hình thiết bị thân thiện với người dùng và phần mềm tiện ích để cấu hình nhanh hơn

Cấu hình một thiết bị đơn lẻ sẽ luôn đơn giản, nhưng lại là một câu chuyện khác khi thực hiện cấu hình nhiều thiết bị. Web console là một công cụ cấu hình tốt và quan trọng, không chỉ cho cấu hình mà còn cho các mục đích bảo trì. Web console thân thiện với người dùng sẽ hướng dẫn bạn toàn bộ quá trình thiết lập trên một thiết bị duy nhất. Tất cả những gì cần là một máy tính được trang bị Ethernet và một trình duyệt web. Khi thực hiện nhiệm vụ bảo trì, một kỹ sư hiện trường chỉ cần một máy tính xách tay và cáp Ethernet, mà không cần cài đặt bất kỳ phần mềm nào, có thể dễ dàng kiểm tra và cấu hình thiết bị tại một địa điểm từ xa. Tiện ích dựa trên Windows rất hữu ích khi yêu cầu cấu hình nhiều thiết bị đồng thời. Tiện ích cần cung cấp chức năng tự động tìm kiếm các thiết bị đã được kết nối với mạng. Hơn nữa, tiện ích có thể giúp nhân bản cấu hình như một file mẫu cho nhiều thiết bị khác tương tự được kết nối trong mạng, trong đó các cài đặt chỉ đơn giản là thay đổi địa chỉ IP hoặc tên thiết bị. Một tiện ích thân thiện với người sử dụng cũng nên cung cấp một chức năng mapping (thiết lập) giao thức nhanh, có thể tiết kiệm thời gian cho các kỹ sư vì họ sẽ không cần phải tham khảo các địa chỉ đã được công bố trong các hướng dẫn sử dụng của các nhà cung cấp khác nhau. Công cụ cấu hình offline cung cấp tính năng cấu hình cho thiết bị mà không yêu cầu bạn phải mua thiết bị hoặc kết nối trực tiếp vào thiết bị. Người dùng chỉ cần tải về một công cụ cấu hình offline từ trang web của nhà cung cấp, cài đặt nó trên máy tính và bắt đầu cấu hình thiết bị ngay lập tức. Điều này có thể giúp người dùng xác định các chức năng của thiết bị có đáp ứng cho các ứng dụng của họ hay không mà không phải tốn tiền khi mua thiết bị không đáp ứng yêu cầu. Chúng ta lấy ví dụ khi làm việc với một bộ điều khiển logic. Người sử dụng gặp khó khăn trong việc phải đọc một bảng dữ liệu hoặc hướng dẫn sử dụng để kiểm soát thiết bị. Công cụ cấu hình offline sẽ cung cấp chức năng mô phỏng của thiết bị, giúp kiểm tra cấu hình có chính xác hay không trước khi tải xuống thiết bị để phòng ngừa bất kỳ sự cố nào khi triển khai tại địa điểm xa.

2.2. Triển khai và khắc phục sự cố của một số lượng lớn thiết bị một cách hiệu quả

Cài đặt một thiết bị từ xa là khá dễ dàng, nhưng để xác nhận các thiết bị đang chạy một cách chính xác không đơn giản. Đôi khi các thiết bị được cấu hình vượt qua việc thử nghiệm trong môi trường văn phòng, nhưng vẫn cố thể xẩy ra vấn đề tại hiện trường. Vấn đề có thể liên quan đến phần cứng hoặc phần mềm, và kỹ sư hiện trường đôi khi không đủ kiến thức để làm rõ ngay và khắc phục sự cố trong quá trình cài đặt tại hiện trường. Công cụ phân tích và  khắc phục sự cố có thể giúp chẩn đoán sự cố trên thiết bị hoặc ghi lại tất cả lệnh và các đáp ứng đi qua thiết bị, hỗ trợ kỹ sư xác định ra nguyên nhân gốc rễ của sự cố. Nếu vấn đề có thể được giải quyết nhanh chóng sẽ tiết kiệm thời gian và chi phí nhân công. Ngoài ra, khi đẩy nhanh quá trình cài đặt sẽ mang lại kết quả yêu cầu sớm hơn cho người dùng.

2.3. Giám sát và duy trì hoạt động nhiều thiết bị tại các địa điểm hiện trường xa trung tâm

Làm thế nào chúng ta có thể đảm bảo rằng hàng trăm hoặc hàng nghìn thiết bị luôn chạy trơn tru và chính xác tại hiện trường xa trung tâm? Tai nạn và sự cố có thể xảy ra và gây lỗi hệ thống. Kỹ sư trong phòng điều khiển cần phải được thông báo ngay lập tức để họ có thể phản ứng kịp thời để giảm nhẹ tác động tiêu cực. Giải pháp lý tưởng là các kỹ sư cần phải có một cảnh báo trước khi lỗi xảy ra trong một hệ thống để có kế hoạch dự phòng trước, đảm bảo cho hệ thống chính chạy. Phần mềm SCADA được thiết kế để theo dõi và kiểm soát từ xa hệ thống chính, nhưng không cho tất cả các thiết bị IIoT trong hệ thống. Công cụ quản lý thiết bị tiện dụng cần cung cấp tổng quan về trạng thái tích hợp cho tất cả các thiết bị được kết nối tại tại hiện trường xa trung tâm, chẳng hạn như trạng thái hoạt động, phiên bản phần mềm và thông số cấu hình cài đặt. Công cụ cần cung cấp công cụ có thể cấu hình thiết bị từ một phòng trung tâm mà không cần kỹ sư đến tận nơi và có thể cập nhật cấu hình mà không làm gián đoạn hoạt động của thiết bị. Ngoài ra, công cụ quản lý thiết bị cần cung cấp khả năng truy cập từ xa và nâng cấp phần mềm từ một phòng trung tâm để giảm chi phí nhân công bảo trì. Công cụ cũng sẽ giúp quản lý firmware và các phiên bản cấu hình thiết bị để đảm bảo tính tin cậy và chính xác cấu hình của thiết bị.

3. Trường hợp 3: Thiết bị bị hư hỏng do nhiệt độ cực cao và các yếu tố môi trường

Can thiệp: Rất nhiều thiết bị IoT công nghiệp nằm trong môi trường với thời tiết và điều kiện lắp đặt khắc nghiệt như: nhiệt độ cao, nhiễu điện từ cao, rung xóc quá mức, bụi bẩn, độ ẩm cao và nhiều yếu tố khác gây ảnh hưởng lớn đến độ tin cậy và tuổi thọ của thiết bị. Do đó, điều quan trọng là chọn thiết bị  tin cậy để đảm bảo hoạt động không bị gián đoạn do thiết bị hỏng. Lời khuyên:

• Đánh giá môi trường lắp đặt để lựa chọn các thiết bị phù hợp cho công nghiệp
• Xem lại các báo cáo kiểm tra và biên bản quá trình sản xuất.
• Đánh giá về thời gian trung bình giữa 2 lần lỗi MTBF và tỷ lệ hư hỏng được yêu cầu bảo hành.

3.1. Đánh giá môi trường lắp đặt để lựa chọn các thiết bị công nghiệp phù hợp

Hiện nay trên thị trường có rất nhiều thiết bị lắp trong môi trường công nghiệp. Hầu hết thiết bị có một thiết kế đặc biệt cho từng ứng dụng hệ thống và được ngành công nghiệp phê duyệt và chứng nhận. Việc tiếp theo là chọn thiết bị có thể tối ưu hóa phù hợp với hoạt động nhiều nhất vì mỗi thiết bị có thiết kế và tính năng riêng. Do hiệu suất và độ tin cậy của thiết bị ảnh hưởng đến chi phí và hiệu quả của hoạt động hệ thoogns lâu dài, nên việc lựa chọn đúng là vô cùng quan trọng. Điều đầu tiên cần xem xét là môi trường mà thiết bị làm việc. Phạm vi nhiệt độ là gì? Bảo vệ điện từ/tăng áp là gì? Thiết bị sẽ được cài đặt ngoài trời hoặc trong nhà? Môi trường có nước hay bụi không? Rung động có xảy ra? Từ những chi tiết này, có thể xác định những yêu cầu kỹ thuật môi trường đối với một thiết bị. Thông thường, các thiết bị với các thông số kỹ thuật thiết kế chịu đựng cao hơn, như nhiệt độ hoạt động -40 đến 75°C, bảo vệ nước và bụi IP66/ 67/68, và mức EMI/ xung mức 4 là thích hợp cho hầu hết các môi trường ngoài trời. Nhưng những thiết bị này đều không có giá rẻ. Việc chọn thiết bị có các thông số thiết kế chắc chắn nhất dựa trên môi trường sử dụng có thể tối đa hóa ROI cho hệ thống công nghiệp.

3.2. Xem xét các báo cáo về kiểm tra và biên bản quá trình sản xuất sản phẩm

Bạn có chắc các thiết bị bạn chọn thực sự là loại công nghiệp? Để chắc chắn, bạn cần phải làm là đọc các báo cáo thử nghiệm và đánh giá quá trình sản xuất. Những đặc điểm thiết kế thường có các tiêu chí khác nhau cho các môi trường khác nhau và được xác nhận bởi các chứng nhận và tiêu chuẩn khác nhau. Hãy lấy chứng nhận UL làm ví dụ: UL 60950-1 áp dụng cho các thiết bị được sử dụng trong nhà, trong khi UL 60950-22 dành riêng cho các thiết bị sử dụng ngoài trời. Đây là tiêu chuẩn trong công nghiệp, và hầu hết các thiết bị công nghiệp phải có thông tin này trong bảng dữ liệu hoặc trong hướng dẫn sử dụng.

3.3. Tỷ lệ MTBF và RMA

Bảo trì cũng là một vấn đề quan trọng trong các hệ thống công nghiệp. Do đó, độ tin cậy và tuổi thọ của thiết bị cần được xem xét. Hiện tại, phương pháp phổ biến nhất để đánh giá độ tin cậy của thiết bị là MTBF (thời gian trung bình giữa các lỗi). Rõ ràng, thiết bị có giá trị MTBF cao nhất đáng tin cậy hơn các thiết bị có giá trị MTBF thấp hơn. Tuy nhiên, khi so sánh các giá trị MTBF giữa các thiết bị khác nhau, bạn cần phải xác minh liệu các tiêu chuẩn tính toán và cấu hình của các thiết bị là như nhau. MTBF là giá trị lý thuyết: nó không có nghĩa là thiết bị sẽ không bị hỏng trong khoảng thời gian được chỉ ra bởi MTBF. Do đó, chúng tôi khuyên bạn nên hỏi nhà cung cấp về tỷ lệ yêu cầu bảo hành (RMA) để tham khảo. Các giải pháp của Moxa Moxa cung cấp các giải pháp hoàn chỉnh cho giải pháp kết nối thiết bị, bao gồm các máy chủ thiết bị, bộ chuyển đổi sợi quang, I/O và camera IP. Các giải pháp này được thiết kế để đáp ứng các yêu cầu môi trường công nghiệp, ví dụ như chống nhiễu cao, dải nhiệt độ rộng, và thiết kế lắp DIN-rail. Các giao thức tiêu chuẩn cũng được hỗ trợ, chẳng hạn như Modbus TCP, PROFIBUS, PROFINET, EtherNet/IP, OPC UA và ONVIF cho máy ảnh IP. Moxa cung cấp phần mềm máy chủ OPC UA để đơn giản hóa việc tích hợp hệ thống SCADA. Ngoài ra, ActiveX control SDK cho camera IP, cùng với thiết bị video, để tích hợp dễ dàng và đơn giản cho màn hình trực tiếp và bộ ghi hình video trong các hệ thống SCADA. Tất cả các giải pháp Moxa đều cung cấp giao diện cấu hình qua web hoặc tiện ích thân thiện với người dùng giúp hoàn tất việc cấu hình nhanh chóng và dễ dàng.

Các khuyến nghị khi triển khai mạng truyền thông IIoT công nghiệp