Chiến lược cung cấp hệ thống cáp
quang ứng dụng trong công nghiệp
Lần đầu tiên hệ thống trao đổi tín hiệu bằng cáp quang hoặc cáp đồng trục
hay cáp xoắn đôi, gọi là Ethernet, xuất hiện vào những năm 1970, giao thức
mạng cục bộ này được xem như một cách truyền thông tin ở cấp cơ sở với
tốc độ cao hơn và có thể trao đổi lượng lớn dữ liệu cũng ở tốc độ tốt hơn.
Dung lượng lớn và tốc độ cao này của hệ thống trao đổi tín hiệu với mạng
Ethernet là một giải pháp hoàn hảo cho mạng lưới cục bộ vì trong những
trường hợp này, đa số người sử dụng phải dùng cùng một mạng lưói để chia
sẻ thông tin.
Máy tính cá nhân là hệ thống lý
tưởng để thiết lập hệ trao đổi
Ethernet, một số mạng lưới công
nghiệp cấp thấp ví dụ như
DeviceNet hoặc PROFIBUS, là các
giao thức truyền thống phù hợp
nhất để quản lý dữ liệu đầu ra cũng
như các dữ liệu đầu vào và cung
cấp dữ liệu này cho việc điều khiển
các máy móc thiết bị trong nhà
máy. Để hỗ trợ các thiết bị này hoạt
động khi chế tạo một bộ chuyển mạch, giao thức điều khiển cho phép
chuyển giao dữ liệu, hoặc giao thức mạng chung trên toàn cầu (TCP/IP)
cung cấp một bộ các dịch vụ để các thiết bị này có thể liên kết thông qua
mạng lưới hệ thống Ethernet. Giao thức TCP/IP đang ngày càng phổ biến và
được sử dụng rất rộng rãi, hầu như trong tất cả các hệ điều hành máy tính
hiện nay và mạng nội bộ cụ thể là hệ thống phân phối thông tin nội bộ. Khi
kết nối với các tầng thiết bị tương thích, hệ thống phân phối này mở rộng
phạm vi các trạm trung chuyển và cho phép các trạm này kết nối với nhau,
từ hệ quản lí cấp cao tới các đối tác trên toàn thế giới và các tổ chức đối
ngoại. Mục đích của vấn đề này là hiển thị dữ liệu và tình trạng máy móc.
Nó cũng có thể được sử dụng cho các chương trình bảo dưỡng, giám sát điều
khiển, lưu giữ các sự kiện, báo động và dự phòng liên kết cho các giao thức
điều khiển.
Lựa chọn giao thức
Ethernet đang nhanh chóng trở thành mạng lưới tốt nhất cho nhiều ứng dụng
điều khiển trong công nghiệp ở cấp cao như kết nối tầng PLCs, máy tính và
hệ màn hình hiển thị HMI. Các phiên bản của kỹ thuật Ethernet rất đa dạng
phong phú, nó có giá trị sử dụng trong công nghiệp bao gồm địa chỉ
EtherNet/IP và Modbus TCP. Dữ liệu thay đổi khi sử dụng Ethernet dựa trên
một mô hình liên kết chuẩn “chủ - khách”, bằng rất nhiều thiết bị thành
phần. Dữ liệu đầu vào, dữ liệu đầu ra và tình trạng thiết bị - các thông tin cần
thiết đảm bảo cho quá trình hoạt động liên tục, hiệu suất điều khiển của các
tầng thiết bị - được truyền đi từ một thiết bị điều khiển tới một hoặc nhiều
địa chỉ ở tầng PLCs, và sau đó xử lí dữ liệu và truyền dữ liệu này đến máy
tính cá nhân hay các thiết bị đã được xác định ở mức cao hơn.
Ưu điểm cơ bản nhất trong việc sử dụng mạng Ethernet trong công nghiệp là
khả năng liên kết và xử lí dữ liệu nhanh chóng và chuyển tới máy tính cá
nhân hay hệ PLC hoặc tới bất cứ đâu trên thế giới. Sử dụng mạng lưới
Ethernet này, các thiết bị có thể dùng chung một địa chỉ IP được sắp xếp
theo hệ thống, vì thế người sử dụng có thể nhìn thấy địa chỉ này trên kết cấu
của hệ thống. Ưu điểm mang tính quyết định của việc sắp xếp này là sử dụng
một mạng lưới có khả năng xử lí được mọi thông tin trong các doanh nghiệp.
Cùng mạng lưới, nhiều thông tin
Trong các giao thức khác nhau dựa trên kĩ thuật Ethernet (như EtherNet/IP
và Modbus TCP) sử dụng cùng một lớp địa chỉ vật lí và chúng có thể điều
khiển được trên cùng hệ cáp, chúng không nhất thiết phải liên thông với các
địa chỉ khác nhau. Nhiều thông tin và các giao thức viễn thông xác định rõ
sự khác biệt của mỗi hệ thống này, vì thế loại thiết bị Modbus TCP không
thể liên kết với thiết bị EtherNet/IP. Điều này có thể ví như trường hợp hai
người cố gắng nói chuyện với nhau nhưng nói bằng hai loại ngôn ngữ khác
nhau – trong đó cả hai cùng sử dụng một đường dây âm thanh, nhưng các
qui tắc về ngôn ngữ của họ không giống nhau. Một hạn chế khác của mạng
Ethernet là nó không có khả năng liên kết nguồn với các tín hiệu trên cùng
một đường cáp quang.
Lớp địa chỉ vật lí của mạng Ethernet tạo điều kiện thuận lợi cho việc trao đổi
khối lượng lớn dữ liệu và cho phép một số thiết bị kết nối với các thiết bị
khác qua một khoảng cách rất lớn. Độ rộng băng thông của hệ thống mạng
này khoảng 100Mbaud, nó có thể điều khiển số lượng lớn dữ liệu dư thừa và
truy cập tốc độ nhanh tới các thiết bị cá nhân. Tuy nhiên, hầu hết lượng dữ
liệu luân chuyển này đều phải được ưu tiên và sự ưu tiên này được thiết lập
thông qua bộ chuyển đổi Ethernet.
Không giống với các mạng
lưới cấp thấp, mỗi thiết bị sử
dụng mạng Ethernet phải
được kết nối thông qua một
bộ chuyển đổi để đưa các
thiết bị truy cập vào mạng
lưới đang sử dụng. Điều này
được biết như một chuẩn
mực trong mô hình tô-pô.
Các bộ chuyển đổi này bao
gồm yếu tố phần mềm để
phân chia dữ liệu, giới hạn
băng thông tới vùng ưu tiên
cho phép duy nhất các dữ
liệu theo yêu cầu được phép
truyền với tốc độ cao. Có quan điểm cho rằng mạng Ethernet là bộ phận ít
đắt tiền hơn so với mạng cấp độ thấp, chi phí phải tốn thêm cho các bộ
chuyển đổi còn nhiều hơn so với lợi ích thu được từ mạng Ethernet. Thực tế
này cho thấy, thời gian bổ sung khi định dạng các địa chỉ của thiết bị truy
cập trên hệ thống sẽ lâu hơn và mỗi thiết bị có phần lõi riêng biệt, phần này
sẽ nối trực tiếp thông qua bộ chuyển đổi. Điều này chứng minh khả năng
tương thích và tính ưu việt của hệ thống mạng Ethernet với các hệ thống
mạng phức tạp khác, và cả những hệ thống máy móc thiết bị cung cấp dữ
liệu trọng điểm trong các phân xưởng và nhà máy lớn.
Mặc dù việc sử dụng mạng Ethernet như một mạng lưới duy nhất và thông
suốt trong hệ thống các phân xưởng mang lại nhiều lợi ích đáng kể, nhưng
hệ mạng cấp thấp vẫn còn nhiều ứng dụng nổi trội trong sản xuất công
nghiệp. Nhận định trước hết dựa trên thực tế về sự đa dạng phong phú của
các sản phẩm thích ứng với các hệ thống máy móc thiết bị khác nhau khi sử
dụng hệ mạng cấp độ thấp và kĩ thuật sử dụng cũng tương thích với các hệ
thiết bị máy móc.
Mạng lưới cấp thấp cũng cho phép sử dụng một đường truyền tô-pô, ở đó
các thiết bị có thể kết nối với tất cả các thiết bị khác (theo dãy hoặc chuỗi)
khác với mạng Ethernet buộc phải sử dụng bộ chuyển đổi và các đường dây
phụ. Một số người sử dụng tốc độ truy cập nhanh thay thế cho việc thiết lập
trạng thái làm giảm bớt thời gian kết nối với các địa chỉ của mỗi thiết bị
thành phần và như thế sẽ giảm bớt chi phí phụ. Xét về cơ bản thì người sử
dụng phải xác định điều gì là quan trọng hơn: đó là việc cho phép các dữ
liệu truy cập với tốc độ nhanh tại mọi thời điểm, tại mọi nơi trên toàn thế
giới, hay việc lựa chọn phổ cập sản phẩm và giảm bớt vốn đầu tư ban đầu.
Lựa chọn tốt nhất cho tất cả các hệ thống
Giờ đây người sử dụng có cơ hội trải nghiệm hệ thống tốt nhất trong các hệ
thống mạng lưới bằng cách thuê một số cổng kết nối có nhiệm vụ gửi các dữ
liệu cấp thấp lên đường truyền mạng Ethernet. Giải pháp này đặc biệt hữu
ích cho phần lớn các công ty hiện tại đang sử dụng mạng lưới cấp độ thấp
thông qua hệ chuyển đổi thông thường, tuy nhiên, hệ này phải bao gồm cả
những đường liên kết của mạng Ethernet và sau đó cho phép dữ liệu truy cập
tới bộ chuyển đổi làm việc trực tiếp với hệ thống mạng này khi nó đang kết
nối với đường truyền Ethernet. Hơn nữa người sử dụng có thể tiếp cận các
loại dữ liệu thành phần thông qua máy tính cá nhân trên đường Internet mà
không cần địa chỉ IP cho mỗi thiết bị.
Một sự tiến bộ khác tích hợp trong hệ thống là các mô-đun đầu vào và đầu ra
được sử dụng trong các bộ chuyển đổi Ethernet. Việc hợp nhất giữa bộ
chuyển đổi này và các mô-đun phủ nhận các yêu cầu kết nối của tất cả các
thiết bị với bộ chuyển đổi Ethernet riêng biệt, điều này cũng cho phép thiết
bị kết nối với đường truyền tô-pô. Kĩ thuật này hay các kĩ thuật khác đã và
đang dần dần trở nên phát triển hơn, hoàn thiện hơn giúp cho người sử dụng
có thể vượt qua những rào cản và hạn chế khi sử dụng hệ thống Ethernet.
Ngoài ra, hiện nay chúng còn cho phép ngày càng nhiều các công ty tận
dụng cơ hội thu lợi nhuận từ việc sử dụng Ethernet trong môi trường tự động
hóa.
Ethernet đang ngày càng trở thành mạng lưới được ưa thích với nhiều ứng
dụng điều khiển trong công nghiệp cao cấp. Với mạng lưới mang tính công
nghiệp này, dữ liệu trong mọi quá trình có thể kết nối một cách nhanh chóng
tới các máy tính cá nhân hay hệ PLC ở bất cứ đâu trên thế giới.