Kiến trúc mạng công nghiệp mở & Hợp nhất với TSN và SPE

Tổng quan

Công nghệ Ethernet, đánh dấu kỷ niệm 50 năm vào năm 2023, vẫn là một đổi mới không ngừng phát triển và đặt nền tảng cho kết nối trong tương lai. Để đảm bảo công nghệ Ethernet luôn phù hợp với các ứng dụng công nghiệp, cần có sự cải tiến liên tục. Các cải tiến này có thể bao gồm cải thiện tốc độ truyền dữ liệu, cung cấp giao tiếp theo thời gian thực và đáng tin cậy, hỗ trợ đa dạng các kiểu kết nối. Kể từ đó việc thiết yếu chính là khám phá những tính năng mới và vượt qua các ranh giới về công nghệ đã được thiết lập trước đây.

Tài liệu này sẽ khám phá cách kết hợp time-sensitive networking (TSN) và các giải pháp Single-pair Ethernet (SPE) nâng tầm tiêu chuẩn Ethernet lên những đỉnh cao mới trong các ngành công nghiệp. Trước tiên, chúng ta sẽ tìm hiểu cách TSN, một phần mở rộng của tiêu chuẩn Ethernet cho phép giao tiếp thời gian thực và xác định, đáp ứng các yêu cầu thay đổi của kiến trúc mạng công nghiệp. Sau đó, chúng ta sẽ xem xét cách SPE- tiêu chuẩn truyền dẫn Ethernet chỉ sử dụng một cặp dây đồng cho cả truyền dữ liệu và năng lượng, làm tăng tính ứng dụng.

Tiêu chuẩn Ethernet là chìa khóa để hiện thực hóa một mạng hợp nhất

Với sự phát triển của Công nghiệp 4.0, trọng tâm đã chuyển từ việc chỉ kết nối các thiết bị thông thường sang việc truy cập và sử dụng dữ liệu một cách hiệu quả. Để đạt được sự giám sát và truyền tải dữ liệu theo thời gian thực, chìa khóa là xây dựng một kiến trúc mạng phẳng và hợp nhất cho phép giao tiếp liền mạch giữa các hệ thống IT và OT trên toàn mạng.

“Với việc áp dụng một tiêu chuẩn công nghệ để đạt được tích hợp giữa các hệ thống khác nhau, chúng ta thiết lập một kiến trúc mạng hợp nhất, nâng cao hiệu quả sản xuất lên một tầm cao mới, cung cấp khả năng linh hoạt và thời gian thực. Time-sensitive networking (TSN) cùng với SPE và OPC UA FX định hình lại cục diện sản xuất công nghiệp.” ông Stefan Schönegger, Phó Chủ tịch Điều hành tại B&R Industrial Automation, một nhà lãnh đạo toàn cầu trong tự động hóa nhà máy và thiết bị, cho biết.

“Việc kết nối liền mạch các thiết bị ở hiện trường với mạng của nhà máy giúp chúng ta dễ dàng truy cập dữ liệu để cải thiện quy trình bảo trì và tăng hiệu quả sản xuất. Việc mở rộng Ethernet tới các thiết bị giúp tăng cường sức cạnh tranh của người dùng đang tìm kiếm các mạng bền vững cho tương lai. Để đạt được một mạng bền vững và tin cậy, công nghệ Ethernet là chìa khóa.” ông Michael Bückel, Trưởng phòng Quản lý Sản phẩm tại Endress+Hauser, một nhà lãnh đạo toàn cầu trong lĩnh vực đo lường, dịch vụ và giải pháp cho kỹ thuật quy trình công nghiệp, cho biết.

Do tính đáng tin cậy, bảo mật và đơn giản của nó, tiêu chuẩn Ethernet đã được chứng minh là công nghệ truyền thông trong các ứng dụng IT qua nhiều thập kỷ. Giờ đây, nó cũng sẽ đóng vai trò quan trọng trong tích hợp theo chiều dọc và hợp tác liên hệ thống trong miền OT. Tại đây, tiêu chuẩn Ethernet cho phép giao tiếp hiệu quả giữa các thiết bị và hệ thống khác nhau, đạt được truyền tải dữ liệu đáng tin cậy và an toàn.

TSN và SPE đã nổi lên như hai công nghệ Ethernet quan trọng cho phép phát triển một mạng công nghiệp hợp nhất và đẩy tính ứng dụng của Ethernet lên những đỉnh cao mới. Tận dụng tiêu chuẩn Ethernet, TSN tạo điều kiện cho giao tiếp thời gian thực và xác định, thiết lập một mạng công nghiệp lõi hợp nhất cho nhiều hệ thống khác nhau. Với việc sử dụng chỉ hai dây, SPE cho phép truyền dữ liệu và điện năng qua các khoảng cách xa, đưa Ethernet tiếp cận đến lĩnh vực công nghiệp, kết nối đến điểm cuối cùng để cho một mạng công nghiệp thực sự hợp nhất.

Nền tảng của hạ tầng mở và hợp nhất—TSN

Tương lai của mạng công nghiệp chủ yếu tập trung vào TSN, theo các diễn đàn ngành công nghiệp. Sử dụng TSN, các dịch vụ xác định có thể gửi dữ liệu hoặc gói tin được truyền và nhận trong một thời gian nhất định qua các mạng Ethernet tiêu chuẩn. TSN kết hợp quản lý lưu lượng mạng để duy trì các khung thời gian nghiêm ngặt cho độ trễ truyền dẫn từ đầu đến cuối. Tất cả các thiết bị TSN phải đồng bộ hóa thời gian của chúng với nhau và sử dụng một tham chiếu thời gian chung. Việc kiểm soát lưu lượng bổ sung có thể được bao gồm để thiết lập một mạng hoàn toàn xác định. Do đó, việc tận dụng các khả năng xác định của TSN cho phép giao tiếp thời gian thực cho các ứng dụng điều khiển công nghiệp sử dụng tiêu chuẩn Ethernet. Hơn nữa, TSN có thể hỗ trợ nhiều giao thức truyền thông và phối hợp các hệ thống khác nhau mà không gây nhiễu, tạo điều kiện cho một kiến trúc mạng mở và hợp nhất.

Thành công của TSN trong nhiều lĩnh vực khác nhau cho thấy hiệu quả của nó như một nền tảng thống nhất để tích hợp các hệ thống khác nhau. Việc triển khai TSN trong sản xuất, chẳng hạn, đã giảm thời gian chu kỳ sản xuất và tổng chi phí, đồng thời đạt được tùy biến hàng loạt để đáp ứng nhu cầu thị trường. Trong một kịch bản sản xuất thiết bị gia dụng, chẳng hạn, TSN đã hiện thực hóa một hạ tầng mạng thời gian thực, xác định và cho phép kiểm soát và đồng bộ hóa chính xác các thiết bị và quy trình của dây chuyền sản xuất.

Khi TSN mở rộng khả năng của mình, chúng tôi nhận thấy các yêu cầu mạng chung trong các ứng dụng khác nhau. Để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng, TSN phải liên tục cải tiến và thích nghi.

Yêu cầu phát triển

Khi các mạng công nghiệp hợp nhất mở rộng và tích hợp các ứng dụng và thiết bị đa dạng, chúng yêu cầu những yêu cầu mới từ công nghệ TSN.

– Số lượng cổng lớn hơn: Với nhu cầu kết nối nhiều thiết bị hơn, các thiết bị mạng TSN phải có số lượng cổng lớn hơn để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của mạng trong tương lai.

– Băng thông lớn hơn: Sự gia tăng số lượng cổng, thiết bị, và các ứng dụng hỗ trợ TSN dẫn đến tăng lưu lượng dữ liệu. Băng thông Gigabit, 10G, hoặc cao hơn là cần thiết để xử lý và truyền tải lượng dữ liệu lớn như vậy.

– Các hình thức khác nhau: Với việc áp dụng TSN ngày càng tăng trong các ứng dụng khác nhau, nhu cầu về các thiết bị mạng TSN với các hình thức khác nhau cũng tăng lên.

– Dễ dàng quản lý hơn: Khi số lượng thiết bị và ứng dụng trong mạng TSN tăng, nhu cầu về các công cụ quản lý và cấu hình trở nên rõ ràng hơn. Các công cụ như bộ điều khiển mạng trung tâm (CNCs) là cần thiết để đơn giản hóa việc quản lý và cấu hình mạng.

Điều hướng đến điểm cuối cùng để đạt được mạng hợp nhất—SPE

SPE đề cập đến bốn tiêu chuẩn Ethernet IEEE: IEEE 802.3ch, IEEE 802.3bp, IEEE 802.3bw, và IEEE 802.3cg. Mỗi tiêu chuẩn xác định một khoảng cách và tốc độ truyền dẫn, từ 10Mbit/s đến Gigabit và từ 50 mét đến 1 km — tất cả đều dựa trên hai dây. Với một cặp dây đồng đơn lẻ cho cả truyền dữ liệu và điện năng, SPE mang lại nhiều lợi ích so với dây Ethernet truyền thống, như nhẹ hơn, tiết kiệm không gian, ít tốn kém hơn, dễ dàng lắp đặt và đi dây, triển khai nhanh hơn.

Trước đây, tiêu chuẩn Ethernet cung cấp kết nối bằng dây đồng với bốn hoặc tám dây và có giới hạn khoảng cách truyền tải lên đến 100 mét. Điều này không phù hợp để áp dụng trong các ứng dụng công nghiệp. Tuy nhiên, SPE đã thay đổi mọi thứ theo hướng tích cực, mở rộng khả năng mạng Ethernet trong nhiều ứng dụng hiện trường khác nhau.

Khi SPE kết nối các thiết bị ở cấp trường với mạng bên trên, nó cho phép toàn bộ hệ thống đạt được kiến trúc mạng thống nhất. Sự tích hợp này cho phép truyền dữ liệu liền mạch để cải thiện hiệu quả sản xuất và giảm chi phí sản xuất bằng cách sử dụng các công nghệ như dự đoán bảo trì và các ứng dụng dựa trên dữ liệu khác.

Tuy nhiên, các ứng dụng khác nhau có các yêu cầu khác nhau. Hãy cùng xem xét cách SPE đang cách mạng hóa ngành công nghiệp tự động hóa.

Khám phá sức mạnh của SPE trong quy trình tự động hóa – Giới thiệu Ethernet-APL

Trong tự động hóa quy trình, đặc biệt là trong các lĩnh vực hóa chất và dầu khí, các yêu cầu chung bao gồm truyền dẫn dữ liệu và điện năng đồng thời trên cùng một dây cáp qua các khoảng cách vượt quá 100 mét và hoạt động trong các môi trường khắc nghiệt với yêu cầu nghiêm ngặt về an toàn.

IEC TS 63444:2023 chỉ ra Ethernet Advanced Physical Layer (còn được gọi là Ethernet-APL hoặc APL), được thiết kế cho các khu vực nguy hiểm trong các nhà máy tự động hóa. Nó kết hợp công nghệ SPE-IEEE 802.3cg 10BASE-T1L—và bảo vệ chống nổ thông qua bảo vệ an toàn từ bên trong (IS).

Trước đây, tự động hóa quy trình dựa vào nhiều công nghệ như 4-20 mA và các kết nối thiết bị trường. Tuy nhiên, khi nhu cầu thị trường về truy cập dữ liệu và tối ưu hóa ngày càng tăng, những hạn chế của các công nghệ cũ trở nên rõ ràng. Các công nghệ cũ này gây ra các trở ngại giữa các lớp mạng trên với các thiết bị trường, cũng như các rủi ro bảo mật và giới hạn do tốc độ truyền tải chậm và tích hợp hệ thống phức tạp. Hơn nữa, việc quản lý nhiều giao thức truyền thông vừa phức tạp vừa tốn kém, vì nó liên quan đến việc thực hiện các chuyển đổi giao thức phức tạp, duy trì các hệ thống khác nhau, và cần phân bổ nhiều nhóm chuyên gia.

Mặc dù các giải pháp tiêu chuẩn Ethernet có ý nghĩa quan trọng trong việc cho phép một kiến trúc mở và thống nhất cho tự động hóa công nghiệp, các ứng dụng ở cấp trường không phải lúc nào cũng gặt hái được lợi ích. Việc giới thiệu Ethernet-APL – một giải pháp hai dây hoàn toàn tương thích, an toàn, có khả năng truyền tải điện trên một cặp dây xoắn, giúp các ứng dụng tự động hóa quy trình thiết lập một mạng thống nhất từ hệ thống quản lý giám sát đến các thiết bị trường, sử dụng tiểu chuẩn Ethernet.

Với Ethernet-APL, bạn có thể thấy tốc độ cao hơn nhiều và truy cập dữ liệu cải thiện, vượt xa các giải pháp 4-20 mA và fieldbus hiện có. Ví dụ, Ethernet-APL cung cấp tốc độ 10Mbit/s, nhanh gấp 300 lần so với fieldbus. Ngoài tốc độ, Ethernet-APL, như một công nghệ tiêu chuẩn hóa, cung cấp lợi thế về sự độc lập giao thức, cho phép sử dụng nhiều giao thức mà không cần cổng kết nối. Với Ethernet-APL, việc thiết lập thiết bị phức tạp và tính toán hệ thống không còn cần thiết so với hệ thống trường bus hoặc hệ thống tương tự, dẫn đến tiết kiệm chi phí và công sức đáng kể trong kỹ thuật, lắp đặt, vận hành và bảo trì. Quan trọng hơn, với khả năng truy cập dữ liệu được cải thiện và kiến trúc thống nhất, việc giám sát và tối ưu hóa các quy trình hiện trường trở nên khả thi.

Tóm tắt

Trong thời đại Công nghiệp 4.0, việc chuyển đổi mạng đóng vai trò quan trọng trong việc thúc đẩy số hóa và trí tuệ trong ngành công nghiệp. Việc áp dụng các công nghệ theo tiêu chuẩn Ethernet để đạt được một mạng hợp nhất đã nâng cao hiệu quả sản xuất và thúc đẩy sự phát triển của ngành sản xuất. Sự thay đổi trong mạng có tầm quan trọng lớn đối với ngành công nghiệp, giúp các doanh nghiệp điều hướng các điều kiện thị trường động với sự linh hoạt, tối ưu hóa quy trình sản xuất của họ để tăng cường hiệu quả, và thiết lập nền tảng vững chắc cho sự đổi mới liên tục trong các ứng dụng công nghiệp tương lai. TSN đóng vai trò là nền tảng của hạ tầng hợp nhất này và sự xuất hiện của SPE đưa chúng ta đến gần hơn với một mạng hợp nhất bằng cách mở rộng Ethernet đến các lĩnh vực công nghiệp.