Sử dụng truyền thông dự phòng không dây tăng độ tin cậy trong tự động hóa công nghiệp nặng

Trong ngành công nghiệp nặng thường sử dụng những máy móc lớn như những gàu múc, tay máy xếp dỡ khổng lồ. Các thiết bị này thường cồng kềnh, và các hệ thống giám sát-điều khiển phân tán. Có thể cải thiện hiệu quả và năng suất của chúng bằng công nghệ mạng không dây hiện đại, ví dụ như một hệ thống mạng không dây cục bộ (WLAN) liên kết giữa các trạm vận hành và điểm cuối của cánh tay những máy xếp,dỡ. Tuy nhiên, nếu kết nối không tin cậy thì các ưu điểm của giải pháp truyền thông không dây sẽ không còn ý nghĩa. Minh họa tốt nhất cho điều này là câu chuyện mang tên: “Vấn đề của hai vị tướng” (The Two Generals’ Problem).

Vấn đề của hai vị tướng

Hãy tưởng tượng rằng có hai vị tướng đồng minh và quân đội của họ đang cắm trại trên hai đỉnh đồi Lực lượng của địch thì đóng quân dưới thung lung ở giữa. Vị tướng thứ nhất cử trinh sát lẻn qua thung lũng và gửi một thông điệp tới đồng minh của mình: “Hi vọng duy nhất của chúng ta là một cuộc hợp chiến, ngược lại nó sẽ gây nên thất bại, tôi tin chắc rằng ông sẽ tham gia cùng tôi, tôi sẽ tấn công vào đêm nay”. Vị tướng thứ 2 phản hồi bằng cách gửi đi một sứ giả với lời nhắn cùng chí hướng. Tuy nhiên đến thời điểm dự định, cả hai tướng đều thấy mình không chắc chắn về việc có hay không các thỏa thuận tấn công có thực sự diễn ra. Điều gì đã xảy ra?

Vấn đề của câu chuyện này là bởi vì tin tức truyền đạt không đáng tin cậy, thậm chí cả hai tin nhắn đều đã được gửi thành công cũng không vị tướng nào có đủ niềm tin tuyệt đối trong cuộc tấn công. Vị tướng thứ 2 có thể đã gửi tin nhắn xác nhận, nhưng ông ta không biết liệu tin nhắn của ông ta gửi đã được nhận hay chưa! Và kết quả là ông ta không biết vị tướng đầu tiên sẽ hành động như thế nào! Trong khi đó, cho dù nhận được thư hồi đáp, vị tướng thứ nhất cũng biết rằng vị tướng thứ 2 không thể biết được tình trạng bức thư hồi đáp của mình gửi đi. Chính sự thỏa hiệp không chắc chắn này ảnh hướng đến sự tự tin tấn công của cả hai vị tướng.

Sự thật đáng ngạc nhiên, không phải vấn đề là có bao nhiêu thông điệp hai vị tướng gửi đi làm cả hai tướng không tự tin để tấn công mà là tình trạng của bức điện cuối cùng luôn trong trạng thái nghi ngờ. Sự tiến thoái lưỡng nan này có thể tồn tại bất cứ lúc nào khi mà sự giao tiếp, truyền thông không thực sự đáng tin cậy. Đây chính là minh họa của việc tìm kiếm chiến lược để gia tăng sự tin cậy và giảm bất trắc của một hệ thống truyền thông, liên lạc.

Công nghiệp tự động hóa ra đời không để phục vụ riêng quân đội hay các tướng lĩnh. Sự phối hợp hoạt động sẽ đem lại hiệu quả quản lý to lớn trong các quá trình công nghiệp phức tạp. Càng ngày, các nhà tích hợp hệ thống càng chuyển sang các hệ thống giao tiếp không dây như một giải pháp phối hợp cho các hệ thống phân tán lớn hoặc các ứng dụng di động cũng như các cỗ máy xếp, dỡ khổng lồ, các hệ thống vận chuyển trong hầm lò.

Điểm chung của các hệ thống này là các bộ phận luôn luôn di chuyển. Dù là các xe vận tải trong hầm lò hay hệ thống tay cần cẩu thì việc sử dụng hệ thống kết nối có dây là điều không thể. Tuy nhiên, truyền thông đáng tin cậy là vấn đề quan trọng khi chuyển sang hệ thống không dây. Hệ thống mạng bị gián đoạn có thể gây ra thời gian chết gây tốn kém, tổn hại, thậm chí đe dọa sự an toàn đối với lực lượng lao động.

Ba nguyên nhân chính của việc mất dữ liệu khi truyền không dây

Để tạo nên một mạng lưới có độ tin cậy cao, chúng ta phải nhận diện  nhiều thách thức với hệ thống truyền thông không dây, ngay cả khi hệ thống được cấu hình phù hợp. Có 3 nguyên nhân chủ yếu của việc lỗi truyền thông đó là: Xung đột, tín hiệu yếu và nhiễu bởi môi trường.

Xung đột xảy ra khi có nhiều thiết bị cạnh tranh đồng thời trên một phân đoạn mạng. Đối với Ethernet có dây, trạm truyền có thể lắng nghe các tín hiệu và phát thông báo nếu có xung đột được phát hiện.

Việc phát hiện xung đột trong hệ thống mạng hiếm khi có thể . Trong khi truyền, mỗi trạm không dây sẽ chỉ nhận được tín hiệu từ một máy phát của riêng mình, được đặt gần nhất với trạm nhận tương ứng. Điều này hạn chế được những xung đột từ các trạm khác và kiểm soát được hiện tượng mất bản tin truyền trong mạng không dây. Giao thức 802.11 xác nhận rằng khi một xung đột xảy ra sẽ được phản hồi với quy luật hàm mũ và  điều chỉnh lại các tính toán.

Một trong những nguyên nhân gây mất dữ liệu là do tín hiệu yếu, xảy ra khi cường độ tín hiệu bên nhận quá yếu so với tốc độ của các gói dữ liệu. Tín hiệu yếu có thể xảy ra khi mạng truyền tải dữ liệu với tốc độ quá cao so với cường độ tín hiệu hoặc do các tác nhân vật lý trên đường truyền. Ngoài ra tín hiệu yếu cũng do những lý do đơn giản như do người sử dụng di chuyển ra xa điểm truy cập. Giao thức 802.11 chỉ bắt đầu điều chỉnh tốc độ hoặc xem xét ngăn chặn các điểm truy cập sau khi loại trừ các nguyên nhân mất dữ liệu

Nhiễu bởi môi trường cũng là lý do gây nên sự không tin cậy trong hệ thống không dây. Các thiết bị điện tử như điện thoại di động, thiết bị Bluetooth, thiết bị vi sóng công nghiệp, các bộ truyền video, đều tạo ra các nhiễu trên băng tần 2.4GHz sử dụng trong hầu hết các mạng không dây 802.11. Các nhiễu loạn radio và kênh truyền làm giảm hiệu lực băng tần và cũng gây nhiều gói tin lỗi hơn.

Mạng dự phòng không dây-luôn luôn có một phương án thay thế

Dự phòng là một giải pháp phổ biến để tăng độ tin cậy của một hệ thống, bao gồm cả các mạng không dây. Đơn giản nhất, dự phòng là một khái niệm cơ bản: luôn luôn có một phương án thay thế. Dự phòng có thể được thực hiện ở nhiều cấp độ. Dự phòng nguồn cấp, đó là việc cung cấp năng lượng cho các thiết bị với một nguồn điện dự phòng. Trong khi dự phòng bằng giải pháp nhân đôi toàn bộ hệ thống rất tốn kém và không thực tế.

Kết nối không dây thứ 2 khôi phục giao tiếp thứ nhất nhưng vẫn xả ra mất dữ liệu

Việc tạo một kết nối không dây dự phòng là tạo thêm một lớp dự trữ trên hệ thống để tăng thêm độ tin cậy. Trong khi một liên kết không dây đang hoạt động và truyền tải thì một liên kết khác đã được thiết lập ở chế độ chờ trên một kênh khác, kênh này sẵn sàng thực hiện truyền tải nếu chất lượng của đường truyền thứ nhất xuống dưới mức giới hạn (thiết lập). Tuy nhiên giải pháp này cũng có những nhược điểm.

Thứ nhất, mất một khoảng thời gian để chuyển sang liên kết dự phòng. Một số tệp tin có thể bị mất trong thời gian chuyển đổi. Thứ hai, nếu ngưỡng để kích hoạt link dự  phòng đặt quá thấp thì tốc độ dữ liệu sẽ giảm  xuống trước khi link hiện tại bị ngắt kết nối. Điều này không thể chấp nhận được đối với những ứng dụng yêu cầu tính liên tục và hiệu suất cao. Tuy nhiên, nếu ngưỡng được đặt cao hơn để tránh vấn đề này sẽ xảy ra hiệu ứng “ping-pong” (bòng bàn), tức là có sự chuyển qua lại liên tục giữa hai kết nối và sinh ra sự phức tạp trong kỹ thuật chuyển đổi.

Mạng không dây dự phòng cấp cao

Để tránh những phức tạp nêu trên, các sản phẩm không dây của Moxa đã tích hợp những tính năng cao cấp để cải tiến công nghệ mạng không dây dự phòng. Hai sản phẩm AWK 5222 và 6222 gồm các mô-đun RF hoạt động độc lập. Điều này có có nghĩa là cả hai mô-đun có thể được kích hoạt cùng lúc. Bởi cách làm việc đồng thời, liên kết dự phòng tạo bản sao của dữ liệu truyền đi, nó loại trừ tối đa mất  dữ liệu do phải chờ đợi chuyển kết nối. Khả năng phát đồng thời trên hai kênh khác nhau thậm chí là trên hai dải tần số khác nhau (2.4GHz và 5GHz) sẽ loại bỏ được các nhiễu loạn xảy ra khi truyền trên một dải tần.

Kết nối không dây thứ 2 truyền đồng thời trên một kênh khác đảm bảo tín hiệu truyền liền mạch khi gặp sự cố

Liên kết dự phòng kép còn làm tăng thông lượng do cắt giảm được số lượng lớn các yêu cầu gửi lại do lỗi đường truyền. Thông lượng là tốc độ trung bình khi nội dung tin nhắn- người dùng thực sự quan tâm được truyền đi thông qua một con đường. Có thể tốc độ dữ liệu cao không đạt yêu cầu thông lượng nếu có quá nhiều giao tiếp được thực hiện như thông tin cho các đầu khung dữ liệu truyền nhiều, trong khi kích thước thực cho phần dữ liệu truyền đi quá nhỏ. Gửi lại yêu cầu nhiều lần là một trong những trường hợp gây ảnh hướng lớn đến thông lượng khi sử dụng các ứng dụng trong mạng không dây.

May mắn thay, với liên kết dự phòng kép, các gói dữ liệu không cần phải gửi lại cho đến khi bên nhận, nhận được chúng từ một trong hai link. Điều này giảm thiểu được những quá tải trong truyền thông, tối ưu hóa việc sử dụng băng thông, và tối đa hóa được tốc độ truyền dữ liệu dưới bất kỳ điều kiện nào.

Các thiết bị công nghiệp có kích thước lơn và hoạt động trong môi trường bụi bặm liên tục. Chất lượng của truyền thông không dây có thể bị ảnh hưởng do lỗi thiết bị hoặc đơn giản là việc sắp xếp, bố trí lại các thiết bị trong không gian khi hoạt động.

Các thiết bị của Moxa đủ linh hoạt và thích nghi kịp thời với những sự cố lỗi thiết bị và sự di chuyển xung quang điểm truy cập mà không gây mất dữ liệu. Ngoài ra chúng còn được kết hợp hai công nghệ Turbo Roaming và dự phòng không dây sẽ hỗ trợ việc tăng tốc độ tìm kiếm các điểm truy cập. Khi hiệu suất không dây giảm xuống dưới ngưỡng cho phép, các thiết bị (Client) sẽ tự động tìm kiếm một điểm truy cập tối ưu và chuyển đổi ngay lập tức thay vì chờ đợi đến khi tín hiệu của điểm truy cập hiện tại mất hẳn

Những lợi thế của công nghệ dự phòng cao cấp rất rõ ràng khi phải đối mặt với những khó khăn ở các ứng dụng trong nhu câu thế giới thực như những cánh tay cần cẩu hay hệ thống xếp dỡ hàng hóa khổng lồ. Các sản phẩm công nghiệp 3 trong 1 của Moxa bao gồm điểm truy cập không dây/ Bridge/Client (AP/Bridge/Client) giải quyết tốt những ứng dụng trên.

Sản phẩm AWK-6222 có thể được cài đặt như một Client ở cuối mỗi dây chuyền để kết nối với PLC xử lý vật liệu và IP camera thông qua các cổng Ethernet kép, giúp giám sát và thu thập dữ liệu trạng thái làm việc của máy móc. Những dữ liệu này được gửi đến thiết bị AWK-5222 trong các cabin của người vận hành bằng cả hai dải tần số 2.4 GHz và 5GHz. Khả năng làm việc bền bỉ của những kết nối không dây dự phòng và IP68 ở dải nhiệt độ rộng. Kết nối không dây tránh được việc tiếp xúc với bụi, bẩn của dây dẫn với  môi trường khắc nghiệt mà các thiết bị  công nghiệp hoạt động.

Một hệ thống tay máy xếp dỡ khổng lồ nhưng rất linh động nhờ những lợi ích
từ công nghệ mạng không dây

Một giải pháp cho mọi vấn đề

Kế hoạch của hai vị tướng đã thất bại bởi một thung lũng đầy lực lượng của địch và những liên lạc không đáng tin cậy. Việc thiết lập một hệ thống mạng không dây có thể đôi khi cảm thấy khó khăn với những tình huống  như: điều kiện hoạt động, nhiễu tác động từ các thiết bị khác và một hệ thống mạng với các client và điểm truy cập di chuyển liên tục. Các sản phẩm của Moxa là một câu trả lời cho mọi rắc rối gặp phải dẫn đến mất dữ liệu.