Tạo Kết Nối Then Chốt Trong Nhà Máy Thông Minh

Trong hai thập kỷ vừa qua, Internet định nghĩa lại hầu hết mọi khía cạnh trong cuộc sống. Thế nên, chúng ta có xu hướng nghĩ đây là thời đại IoT, nơi mọi thứ đều được kết nối với thứ khác. Mặc dù thực tế phức tạp hơn nhiều, nhưng thật tiện lợi khi nghĩ cách này ở một cấp độ cao.

Ở một cấp độ thấp hơn, Internet cho phép sự tương tác lớn hơn giữa những thứ tưởng tượng như điều khiển các thuật toán, và những thứ thực như công tắc. IoT thực hiện xuất sắc trong việc kết hợp những thứ này lại với nhau. Chẳng hạn như ngôi nhà thông minh sử dụng trợ lý kỹ thuật số điều khiển bằng giọng nói của chúng ta để bật và tắt các thiết bị.

Tất nhiên, những thứ đó thực sự làm được là điều khiển dòng điện thông qua ổ cắm hoặc phích cắm điện được kết nối tới thiết bị. Điều mà trợ lý kỹ thuật số này không thể nói (ít nhất là chưa nói) với chủ nhà là liệu thiết bị vẫn được cắm vào ổ cắm đó và đang hoạt động hay không.

Điểm đối trọng lại với những phích cắm thông minh này là các cảm biến thông minh. Những cảm biến này cho phần mềm biết nhiệt độ bên trong ngôi nhà là bao nhiêu hoặc nếu một cửa sổ đã bị bỏ ngỏ mà mở chẳng hạn. Đó là những ví dụ điển hình của các ứng dụng IoT nhưng chúng hơi thiếu khả năng cung cấp một môi trường hoàn toàn tự động.

Hệ thống quản lý tòa nhà đi theo vài hướng nào đó như vậy. Nhưng điều chúng cố gắng làm là thu hẹp vòng lặp giữa phần mềm điều khiển và thế giới thực. Điều này kết hợp hai khía cạnh: khía cạnh kiểm soát trực tuyến (hoặc mạng) và các yếu tố thực (hoặc vật lý) của những gì đang được kiểm soát.

Khi hai nửa này kết hợp với nhau, chúng tạo hệ thống vật lý mạng, hay CPS. Khi nhiều hệ thống này hoạt động cùng nhau. Chúng sẽ trở thành một hệ thống của các hệ thống hoặc CP SoS.

CPS đang âm thầm thay đổi tất cả các ngành công nghiệp dọc. Nó được kích hoạt bởi internet nhưng còn đi xa hơn cả IoT. Như vậy, nó có những ưu điểm và yêu cầu riêng đáng để ghi nhận. Bằng cách tập trung vào những điều này, các ngành công nghiệp phụ trợ chẳng hạn như thị trường điện tử, sẽ được đầu tư tốt hơn để phát huy tối đa tiềm năng của nó.

Vượt hơn IoT công nghiệp

Sự khác biệt giữa IoT và CPS cũng rõ ràng ở trong một môi trường công nghiệp. Mặc dù các thuật ngữ thường được dùng để thay thế cho nhau, cùng với Công nghiệp 4.0 và IIoT, khái niệm về hệ thống thì có lẽ dễ hiểu hơn.

Hệ thống vật lý mạng có thể được coi là một vòng khép kín, có lẽ nghịch lý thay là nó cũng được kết nối với internet. Ta có thể coi nó là một vòng khép kín vì các phần tử điều khiển rất cần thiết để giám sát và sửa đổi các khía cạnh vật lý được chứa bên trong ranh giới của hệ thống đó. Tất nhiên là một số ranh giới đó có thể linh hoạt và tự mở rộng từ rìa hệ thống đến đám mây.

Theo nhiều yếu tố, chúng tôi đang thật sự nói về tất cả các cảm biến và bộ truyền động cần thiết để điều khiển một hệ thống và đánh giá thuật toán mà thu hẹp khoảng cách giữa hai hệ thống. Trong môi trường công nghiệp, nó không chỉ là tắt, mở máy mà nó có thể mở rộng đến việc cảm nhận xem có bất kỳ thứ gì trên băng tải cung cấp cho máy hay tốc độ sử dụng vật tư tiêu hao như chất lỏng làm mát.

Sự kết hợp giữa cảm biến, tính toán và hoạt động này thực sự định nghĩa CPS. Dữ liệu được tạo ra  thuộc lĩnh vực của nhóm IT (Công nghệ thông tin), nhưng cách dữ liệu được sử dụng để thực hiện thay đổi vật lý thì rất giống lĩnh vực của OT (Công nghệ hoạt động). CPS là công cụ để đưa hai lĩnh vực này lại gần nhau hơn cùng với mục đích tăng năng suất.

Thách thức hệ thống vật lý mạng

Mặc dù chúng ta có thể coi CPS là một hệ thống khép kín, nhưng thực tế cho thấy các hệ thống hiện đại mở và chịu sự ảnh hưởng từ các hệ thống khác (ví dụ điển hình là xe tự hành). Trong môi trường thử nghiệm, xe tự hành hoạt động thực sự rất tốt. Đến nay, chúng tôi vẫn chưa chế tạo ra được phương tiện tự hành có thể hoạt động tốt trong hệ thống mở.

Ví dụ các hệ thống của hệ thống SP được thiết kế để hoạt động cộng tác nên mỗi hệ thống con biết nó cần phải làm gì và có thể phản ứng với tất cả các điều kiện đã biết. Sẽ trở nên khó khăn hơn nếu một CPS (ô tô tự lái) tiếp xúc với CPS khác (hệ thống kiểm soát giao thông thành phố). Điều này không thể đoán trước.

Một điểm quan trọng khác cần được đánh giá là con người con vai trò lớn ctrong lĩnh vực vật lý mạng. Thông thường, CPS coi con người là một phần của thuật toán điều khiển hoặc một phần của input/output của hệ thống. Rõ ràng là hệ thống không có quyền kiểm soát trực tiếp đối với con người nhưng nó có thể giao tiếp gián tiếp thông qua giao diện người dùng hoặc đèn, báo động.

Dù tiếp tục áp dụng tự động hóa, người vận hành vẫn chiếm nhiều vai trò trong các cơ sở công nghiệp. Một trong những vai trò đó là chăm sóc máy móc với mục tiêu là duy trì một quy trình, loại bỏ nguyên liệu đã qua xử lý hoặc điều chỉnh các thông số vận hành. Rất khó để tích hợp con người vào một hệ thống ở cấp độ này, nhưng đó là điều mà các kỹ sư phát triển hệ thống vật lý mạng cần phải đối mặt.

Yêu cầu thời gian thực khó

Điều thực sự có thể đặt CPS khác với IoT là bản chất nhạy cảm với thời gian của nó. Trong một quy trình công nghiệp, thời gian phản hồi thường rất quan trọng và có thể được kết hợp bởi mối quan hệ giữa nhiều quy trình phụ thuộc. Không giống như IoT nói chung, nơi các gói dữ liệu có thể đến không theo thứ tự và không có mức dịch vụ đảm bảo, các hệ thống vật lý mạng công nghiệp sẽ sử dụng tem thời gian để đảm bảo tính hợp lệ của dữ liệu.

Ảnh hưởng của IoT tiếp tục định nghĩa lại CPS. Các cảm biến và thiết bị truyền động ngày càng thông minh hơn và quá trình xử lý đang tiến gần hơn đến rìa của mạng. Kết quả là các hệ thống vật lý mạng ngày càng có khả năng mở rộng và không đồng nhất. Chúng có thể bao gồm mạng cảm biến không dây như một hệ thống con chuyên dụng, chẳng hạn như có thể cần phải tích hợp với các hệ thống con kế thừa sử dụng truyền thông có dây.

Khi giá trị của CPS tăng lên thì tính linh hoạt của nó trở nên quan trọng. Trong một ứng dụng công nghiệp thì chi phí thay thế có thể rất cao. Tuy nhiên, các ứng dụng công nghiệp có thể có lợi ích lớn từ việc áp dụng các hệ thống vật lý mạng. Điều này đã tạo ra một cảnh bao gồm nhiều loại công nghệ truyền thông khác nhau.

Duy trì sự đa dạng này được hỗ trợ một phần bởi việc sử dụng các giao thức chung. Ở tầng vật lý, Ethernet là công nghệ có dây được triển khai nhiều nhất. Các công nghệ không dây bao gồm Wi-Fi (không dây tương đương với Ethernet), Bluetooth, Zigbee và các tầng vật lý khác. Nhằm phục vụ tốt hơn cho lĩnh vực công nghiệp, Ethernet được thiết kế chắc chắn và phù hợp để sử dụng trong các môi trường khắc nghiệt.

Tuy nhiên, Ethernet công nghiệp có những hạn chế riêng của nó. Thứ nhất, các kết nối thường dựa trên các phiên bản sửa đổi của Ethernet tiêu chuẩn, điều này đã gây ra sự không tương thích ở cấp độ giao thức. Thứ hai, quá trình công nghiệp hóa Ethernet đã làm các loại cáp và đầu nối mạnh hơn nhưng cũng lớn và đắt hơn. Điều này có nghĩa là việc triển khai Ethernet công nghiệp bị hạn chế ở sàn nhà máy và các thiết bị tương đối lớn.

Khi các hệ thống vật lý mạng tiếp tục đẩy trí thông minh đến gần rìa và vào chính các cảm biến và thiết bị truyền động, cần phải cung cấp băng thông cao, kết nối  tin cậy với thiết bị nhỏ nhất. Vì Ethernet công nghiệp không thể thâm nhập đến vậy, nó đã được để lại cho các giải pháp khác.

Cho đến nay, điều đó chủ yếu liên quan đến việc sử dụng các công nghệ không dây đã được đề cập ở trên. Điều đó sắp thay đổi vì một công nghệ Ethernet mới hứa hẹn sẽ thống nhất IIoT và cung cấp kết nối ở một cấp độ mới.

Ethernet cặp đơn mở rộng đến cấp trường (Nguồn: Mạng đối tác công nghiệp SPE)

Ethernet cặp đơn sẽ thống nhất IIoT?

Ethernet cặp đơn (SPE) chỉ sử dụng một cặp dây dẫn, trái ngược với bốn cặp cần thiết trong Ethernet tiêu chuẩn. Điều này có ý nghĩa quan trọng đối với mật độ dữ liệu, lượng băng thông có thể được lắp vào một khu vực nhất định.

Đối với các thiết bị thông minh nhỏ như cảm biến và thiết bị truyền động hoạt động trong một hệ thống vật lý mạng, điều này có nghĩa là giờ đây chúng có thể được kết nối trực tiếp với cùng một đường trục Ethernet chạy xuyên suốt toàn bộ hệ thống.

Khi làm như vậy, miền IT và OT thậm chí còn được kết nối gần nhau hơn, sử dụng lớp vật lý có thể hỗ trợ băng thông lên đến 1Gbit/s đồng thời sử dụng các công nghệ quan trọng trong môi trường công nghiệp như TSN (Time Sensitive Network). Bởi vì nó sử dụng TCP/IP, dữ liệu được nén bên trong chính thiết bị thông minh.

Các đối tác công nghiệp SPE đang tích cực thúc đẩy SPE và thúc đẩy tiêu chuẩn hóa. Điều này bao gồm tiêu chuẩn IEC 63171-6, được xuất bản vào đầu năm 2020. Đây là tiêu chuẩn đầu tiên cho SPE trong các ứng dụng công nghiệp và được áp dụng cho tất cả các cơ quan tiêu chuẩn hàng đầu.

Tiêu chuẩn cho cáp và các thành phần cáp cũng đã được công bố. Tiêu chuẩn giao thức Ethernet, IEEE 802.3bw, bao gồm việc triển khai đảm bảo khả năng tương tác.

Bằng một cặp dây dẫn, việc lắp ráp cáp đơn giản, nhỏ, nhẹ và rẻ hơn. Tuy nhiên, có một số khác biệt quan trọng cần lưu ý. Về cơ bản, tần số hoạt động đã tăng từ 100 MHz lên 600 MHz. Điều này dẫn đến giảm chiều dài cáp, từ 100m đối với Ethernet 8 dây xuống 40m đối với SPE sử dụng cặp xoắn được bảo vệ (Loại B) và chỉ 15 mét đối với cặp xoắn không được che chắn (Loại A).

Khoảng cách truyền dẫn được cho là yếu tố cần được cân nhắc đối với SPE vì nó sẽ cho phép giao tiếp băng thông cao. Phạm vi ngắn cho thế hệ cảm biến thông minh và thiết bị truyền động thông minh mới.

Bởi những lý do này, SPE không được mong đợi để thay thế Ethernet như chúng ta biết, nhưng nó sẽ tăng cường trong các ứng dụng như hệ thống vật lý mạng. Các nhà sản xuất chất bán dẫn sẽ được phép tạo ra các giải pháp tích hợp bao gồm Gbit Ethernet, cho các thiết bị nhỏ và thông minh hơn ở rìa mạng.

Ví dụ: máy ảnh ngày càng được sử dụng như là một phần của vòng phản hồi trong các hệ thống khép kín, điển hình là CPS. Lượng dữ liệu được tạo ra bởi các cảm biến hình ảnh có độ phân giải cao này ngày càng tăng gây áp lực lên các giải pháp truyền thống được sử dụng.

Nếu không có giải pháp thay thế, Ethernet công nghiệp truyền thống sẽ cần được sử dụng ở đây mà có tất cả các hạn chế đã đề cập trước đó. Chúng ta có thể mong đợi SPE sẽ mở ứng dụng này và nhiều ứng dụng khác tương tự vậy để cho phép nhiều cảm biến băng thông cao hơn được sử dụng ở nhiều nơi hơn xung quanh hệ thống.

Một tính năng quan trọng khác được cung cấp bởi SPE là năng lượng. Cụ thể, tương tự như Power-over-Ethernet (PoE), SPE cung cấp Power over Data Line (PoDL) giúp điều chỉnh công suất và dữ liệu trên hai dây dẫn giống nhau, cung cấp tối đa 50 W cho điểm cuối.

Điều này đủ năng lượng cho nhiều ứng dụng mục tiêu, nhưng ngành công nghiệp cũng đang tìm cách cung cấp hai dây dẫn điện chuyên dụng trong cáp SPE, có thể mở rộng điều này cho các thiết bị khác yêu cầu nhiều năng lượng hơn.

Kết luận

Ở một cấp độ cao, công nghiệp IoT đại diện cho một loạt các công nghệ với mục đích tăng năng suất và cung cấp thông tin chi tiết hơn. Ở một cấp độ sâu hơn, các hệ thống vật lý mạng mô tả việc triển khai thực tế của tầm nhìn đó. Sự ra đời của SPE có thể là công cụ để CPS phát triển trong tương lai và là cơ sở cho Ethernet tiếp tục thống trị truyền thông tốc độ cao.

Trên đây là những thông tin cơ bản về Ethernet cặp đơn mà B2bmart.vn tổng hợp được. Hy vọng nhưng kiến thức trên thực sự hữu ích với mọi người.