smartfactoryMột nhà máy mua máy đóng gói từ Đức, dây chuyền chiết rót từ Mỹ và robot từ Nhật. Ba máy đều "có Ethernet", nhưng khi nối về PLC trung tâm, kỹ sư phát hiện chúng nói ba ngôn ngữ khác nhau: PROFINET, EtherNet/IP và EtherCAT. Cắm cùng một switch cũng không làm chúng hiểu nhau.
PROFINET, EtherNet/IP và EtherCAT là ba mạng Ethernet công nghiệp phổ biến nhất hiện nay. Chúng dùng cùng một loại cáp và đầu RJ45, cùng tốc độ 100 Mbit/s ở cấp thiết bị hiện trường, nên nhìn bên ngoài giống hệt nhau. Khác biệt nằm ở cách mỗi mạng đảm bảo dữ liệu tới đúng hạn, và điều đó quyết định bạn dùng được loại switch nào, đi dây ra sao, nối được với PLC hãng nào.
Bài này so sánh ba mạng bằng số liệu của chính các tổ chức quản lý chúng: PI (PROFIBUS & PROFINET International), ODVA và EtherCAT Technology Group, rồi chỉ cách chọn khi xây dựng hoặc mở rộng nhà máy.
Vì sao Ethernet văn phòng không đủ cho điều khiển?
Ethernet văn phòng được thiết kế để dữ liệu tới cuối cùng, không phải tới đúng lúc. Một email tới chậm 50 ms không ai nhận ra. Nhưng một lệnh dừng gửi tới biến tần chậm 50 ms trên băng tải chạy nhanh là sản phẩm đã đi quá vị trí. Mạng điều khiển cần hai thứ: chu kỳ ngắn (bao lâu cập nhật một lần) và độ trễ ổn định (jitter thấp, tức mỗi chu kỳ lệch nhau rất ít). Ba mạng dưới đây giải quyết bài toán này theo ba cách.
PROFINET: ba cấp độ theo nhu cầu
Theo tài liệu mô tả hệ thống của PI, PROFINET chia thành ba cấp phù hợp (Conformance Class), cấp sau bao gồm cấp trước:
- CC-A: chức năng cơ bản với truyền thông thời gian thực (RT), dùng mọi dịch vụ IT không hạn chế, có cả truyền không dây.
- CC-B: thêm chẩn đoán mạng và thông tin topology.
- CC-C: thêm đặt trước băng thông và đồng bộ bằng phần cứng, tức truyền đẳng thời (IRT, Isochronous Real-Time), nền tảng cho điều khiển chuyển động.
Về thời gian: dữ liệu chu kỳ ở mức RT có thời gian cập nhật đặt được từ 250 µs đến 512 ms. Ở CC-C, jitter dưới 1 µs, chu kỳ mặc định tối thiểu 250 µs, có thể giảm xuống 31,25 µs tuỳ phần cứng. Cơ chế: mỗi chu kỳ chia thành pha dành riêng cho dữ liệu đồng bộ và pha còn lại cho dữ liệu khác như chẩn đoán, TCP/IP.
PROFINET được chuẩn hoá trong IEC 61158 và IEC 61784, và PI đã đưa TSN (Time-Sensitive Networking) vào lộ trình phát triển. Trong thực tế ở Việt Nam, PROFINET đi cùng phần lớn hệ thống dùng PLC Siemens.
Điều cần nhớ khi mua thiết bị: một thiết bị ghi "PROFINET" có thể chỉ là RT (như EK9300 trong ảnh, trang sản phẩm của Beckhoff ghi rõ giao thức "PROFINET RT"). Ứng dụng chuyển động đồng bộ cần cả bộ điều khiển, switch và thiết bị cùng hỗ trợ CC-C.
EtherNet/IP: Ethernet tiêu chuẩn không sửa đổi
Theo ODVA, EtherNet/IP dùng Ethernet và TCP/IP tiêu chuẩn kết hợp với giao thức CIP (Common Industrial Protocol), dùng UDP cho dữ liệu chu kỳ thời gian thực. ODVA nhấn mạnh EtherNet/IP chạy trên Ethernet tiêu chuẩn không sửa đổi, không cần phần cứng đặc biệt.
Các phần mở rộng của CIP xử lý những nhu cầu riêng: CIP Sync (đồng bộ thời gian), CIP Motion (chuyển động), CIP Safety (an toàn chức năng), CIP Security (bảo mật), CIP Energy (năng lượng). Topology hỗ trợ hình sao, đường thẳng và vòng cấp thiết bị DLR (Device Level Ring).
Ưu điểm của cách tiếp cận này là dùng được hạ tầng mạng quen thuộc và nói chuyện dễ với tầng IT phía trên. Đổi lại, tính thời gian thực phụ thuộc nhiều vào thiết kế mạng: switch phải là loại quản lý được, chia VLAN hợp lý và xử lý tốt lưu lượng multicast. EtherNet/IP phổ biến trong các dây chuyền dùng PLC Rockwell Automation (Allen-Bradley), thường gặp ở máy móc xuất xứ Mỹ.
EtherCAT: xử lý khung tin "khi đang chạy qua"
EtherCAT làm khác hẳn: bộ điều khiển gửi một khung tin đi qua tất cả thiết bị nối tiếp nhau, mỗi thiết bị đọc phần dữ liệu của mình và ghi dữ liệu trả về ngay khi khung tin đang chạy qua, rồi khung tin quay về bộ điều khiển. Không có chuyện mỗi thiết bị nhận một gói riêng.
Theo EtherCAT Technology Group:
- Chu kỳ ngắn, ≤ 100 µs; jitter ≤ 1 µs; đồng hồ phân tán (distributed clocks) giữa các thiết bị lệch nhau "dưới 1 µs rất nhiều".
- Hiệu suất dữ liệu thực tế trên 90%.
- Tới 65.535 thiết bị trên một đoạn mạng; khoảng cách giữa hai nút tới 100 m với 100BASE-TX.
- Topology đường thẳng, cây, sao, nối tiếp; có dự phòng cáp với thời gian phục hồi dưới 15 µs.
- Chuẩn hoá trong IEC 61158; an toàn chức năng Safety over EtherCAT theo IEC 61784-3, tới SIL 3.
Hệ quả khi lắp đặt: EtherCAT không đi qua switch Ethernet thông thường ở giữa đường truyền theo cách các mạng khác làm. Beckhoff ghi rõ bộ ghép nối EK1100 lắp được ở bất kỳ đâu trong đoạn truyền 100BASE-TX, trừ vị trí nối trực tiếp vào switch; nối tại switch phải dùng bộ ghép nối loại khác. Người quen làm mạng văn phòng hay vấp đúng chỗ này.
EtherCAT mạnh ở máy cần điều khiển nhiều trục servo đồng bộ: máy đóng gói, máy in, máy gia công, robot.
Bảng so sánh
| Tiêu chí | PROFINET | EtherNet/IP | EtherCAT |
|---|---|---|---|
| Tổ chức quản lý | PI | ODVA | EtherCAT Technology Group |
| Cơ chế thời gian thực | RT; IRT đặt trước băng thông (CC-C) | CIP trên TCP/UDP tiêu chuẩn | Xử lý khung tin khi đang chạy qua |
| Chu kỳ công bố | RT 250 µs–512 ms; IRT tới 31,25 µs | Phụ thuộc thiết kế mạng | ≤ 100 µs |
| Jitter công bố | < 1 µs (CC-C) | Có CIP Sync cho đồng bộ | ≤ 1 µs |
| Switch thông thường | Dùng được ở CC-A/B; CC-C cần switch hỗ trợ IRT | Dùng được, nên là switch quản lý | Không đặt giữa đường truyền |
| Thường đi cùng | PLC Siemens | PLC Rockwell | Điều khiển chuyển động nhiều trục |
Chọn thế nào?
- Theo PLC trung tâm đã có. Nhà máy đã chuẩn hoá theo một hãng PLC thì mạng của hãng đó là lựa chọn ít rủi ro nhất: công cụ cấu hình, chẩn đoán và kỹ sư bảo trì đều sẵn. Xem thêm bài PLC là gì.
- Theo yêu cầu chuyển động. Băng tải, bơm, van, cảm biến: mức RT của PROFINET hay EtherNet/IP đều đủ. Nhiều trục servo cần đồng bộ dưới micro giây: xem PROFINET CC-C hoặc EtherCAT.
- Theo máy mua về. Máy trọn gói thường đi kèm mạng của nhà chế tạo. Đừng bắt nhà chế tạo đổi mạng bên trong máy; hãy lo phần nối từ máy về hệ thống trung tâm.
Khi nhà máy có cả ba: gateway và bộ ghép nối
Nhà máy nhiều nguồn máy gần như chắc chắn phải sống chung nhiều mạng. Có hai cách nối:
- Gateway giao thức: thiết bị đứng giữa, đọc một mạng và phát sang mạng kia. Ví dụ Advantech EKI-1242IEIMS chuyển Modbus RTU/TCP sang PROFINET, EtherNet/IP hoặc OPC UA. Datasheet ghi phía PROFINET là IO-Device với chu kỳ trao đổi dữ liệu 8 ms, phía EtherNet/IP là Adapter với 5 kết nối implicit; 4 cổng Ethernet 10/100, 2 cổng nối tiếp, nguồn 12–48 VDC kép, chạy −40 đến 75 °C. Chu kỳ 8 ms đủ cho giám sát và điều khiển thông thường, không dành cho chuyển động đồng bộ.
- Cùng một hệ I/O, khác bộ ghép nối. Như ba ảnh trong bài: Beckhoff dùng chung các mô-đun I/O, chỉ đổi bộ ghép nối EK1100 (EtherCAT), EK9300 (PROFINET RT) hay EK9500 (EtherNet/IP). Theo trang sản phẩm, EK9300 và EK9500 đều có 2 cổng RJ45 có switch, nguồn 24 VDC, chạy −25 đến +60 °C, cấp bảo vệ IP20. Kho phụ tùng gọn hơn khi nhà máy có nhiều mạng.
Lưu ý chung cho cả ba mạng: cáp và đầu nối công nghiệp có chống nhiễu, đi riêng khỏi cáp động lực biến tần, switch công nghiệp có dải nhiệt phù hợp tủ điện. Kiến thức nền về switch trong bài switch công nghiệp là gì. Dữ liệu từ các mạng này đi lên MES, SCADA như trình bày ở bài MES, SCADA, ERP khác nhau ở đâu.
Câu hỏi thường gặp
Cắm chung PROFINET và EtherNet/IP vào một switch được không?
Về điện thì được, cả hai đều là khung Ethernet. Nhưng hai hệ không hiểu dữ liệu của nhau, và lưu lượng của hệ này có thể ảnh hưởng thời gian thực của hệ kia. Nên tách VLAN hoặc tách switch, và nối dữ liệu qua gateway.
Modbus TCP có phải là Ethernet công nghiệp không?
Có, nhưng đơn giản hơn nhiều: hỏi đáp qua TCP, không có cơ chế đảm bảo chu kỳ. Phù hợp cho giám sát, đọc đồng hồ, không phù hợp cho điều khiển nhanh.
TSN có thay thế ba mạng này không?
TSN là tập chuẩn IEEE cho Ethernet có đảm bảo thời gian. Các tổ chức như PI đã đưa TSN vào lộ trình của mình, nghĩa là PROFINET sẽ chạy trên TSN chứ không biến mất. Trong vài năm tới, chọn mạng vẫn theo hệ sinh thái PLC là chính.
IPC247 hỗ trợ gì
IPC247 phân phối switch công nghiệp, gateway giao thức và máy tính công nghiệp Advantech cho nhà máy. Chúng tôi tư vấn cách nối các máy dùng mạng khác nhau về hệ thống trung tâm, cho mượn gateway chạy thử theo thoả thuận từng dự án để thử với máy thật, giao hàng và hỗ trợ kỹ thuật khi cấu hình. Gửi cho chúng tôi danh sách máy và mạng đang dùng để nhận đề xuất.
