Đi lên công nghiệp 4.0

Hình ảnh minh họa công nghiệp 4.0

Mục tiêu là những quyết định tốt hơn dựa trên nhiều thông tin. Vậy làm cách nào tốt nhất để có một mục tiêu hiệu quả?

Cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ 4 (công nghiệp 4.0) là việc thay đổi trong sản xuất bằng việc tăng cường công nghiệp số và tự động hóa. Chúng ta đã quá rõ về những lợi ích mà tự động hóa đã đem lại trong nhiều thập kỷ qua, và hiện tại vẫn đang tăng cường kết hợp giữa những dữ liệu, máy móc và trí tuệ nhân tạo. Ngày nay, những hệ thống tự động được dễ dàng liên kết nối, giao tiếp, phân tích và truyển tải dữ liệu hơn giúp người vận hành có thể quản lý và điều khiển từ xa. 

Những ý tưởng về nhà máy thông minh tạo ra những giá trị cho doanh nghiệp do đã tăng sản phẩm đầu ra, giảm chi phí nhân công và tăng năng suất. Họ tận dụng nguồn dữ liệu dồi để cải thiện chất lượng và tính bền của sản phẩm trong khi đó lại giảm thiểu được năng lượng sản xuất, tránh lãng phí. Hơn nữa, việc lưu trữ đám mây được kết nối mạng giúp các nhà máy có thể tăng năng suất mặc cho sự đa dạng của khách hàng.

Mục tiêu của công nghiệp 4.0, nhiều hơn là chỉ dừng lại ở IOT (Internet Of Think), là phải tạo ra nhiều dữ liệu có ích và cải thiện việc đưa ra các quyết định. Truy cập kịp thời vào dữ liệu và truyền tải phụ thuộc vào mạng. Công nghệ mạng, cùng với quá trình và phương pháp sản xuất, phải cải tiến để có thể lưu trữ nhiều thông tin hơn. Tự động hóa thông minh, liên khu vực đòi hỏi những thiết bị thu nhận và chia sẻ thông tin kết nối với nhau. Việc tạo nên công nghiệp 4.0 là cách mà máy móc và các nhà máy liên hệ với nhau hiệu quả như thế nào.

Yêu cầu về kết nối liền mạch giữa các cảm biến và các bộ truyền động trong nhà máy, thậm trí là xa nhà máy, là không thể với cơ sở hạ tầng hiện nay. Thách thức là tìm ra cách để xử lý được lượng thông tin khổng lồ mà không làm tê liệt mạng lưới truyền tải nó. Câu hỏi đặt ra là làm sao để xây dựng và triển khai mạng lưới công nghiệp để đáp ứng nhu cầu của môi trường tự động hóa ngày nay và nhà máy ảo trong tương lai.

Sáp nhập thông tin và công nghệ quản lý

Tại sao phải triển khai công nghiệp Ethernet? 

Sự liên kết là then chốt của công nghiệp 4.0, nhưng cần làm ba việc trước khi các công ty thực sự có sự kết nối. Trước tiên, công nghệ thông tin cao cấp hơn (công nghệ thông tin hoặc cơ sở hạ tầng doanh nghiệp) phải được sáp nhập với công nghệ vận hành nhà máy (công nghệ vận hành (OT) hoặc kiểm soát mạng). Thứ hai, các bộ phận sản xuất trong nhà máy phải có mối liên hệ. Thứ ba, phải có sự liền mạch và đảm bảo kết nối từ thông tin gốc lên lưu trữ đám mây. 

Để giải quyết vấn đề này, các doanh nghiệp phải sử dụng mạng lưới hỗ trợ tương tác, mở rộng và tiếp cận thông tin. Ethernet là lý tưởng, vì chúng ta có sự hiểu biết rõ ràng về nó và sử dụng rộng rãi trong các nhà máy. Nó có lượng băng thông cao và truy cập khá nhanh.

 Những thứ IT và OT chia sẻ

Tuy nhiên, Ethernet không phù hợp với kiểm soát công nghiệp vì yêu cầu vận hành trong thời gian thực. Việc kiểm soát mạng phải gửi thông tin thời gian và địa điểm cần thiết để đảm bảo công việc vẫn hoạt động chính xác. Giao thức TCP/IP để định tuyến lưu lượng không đảm bảo mức độ hiệu suất này. Nói cách khác, tiêu chuẩn Ethernet cho phép người dùng chia sẻ dữ liệu và truy cập các thiết bị mạng như máy in, công nghiệp Ethernet cho phép người giám sát truy cập dữ liệu và gửi các hướng dẫn từ các PLC tới cảm biến, bộ truyền động và robot trong nhà máy.

Sự khác biệt chính giữa hai công nghệ này là tác động của các tin gửi đi chậm hoặc không gửi được. Trong các thiết bị thời gian ảo, nếu các trang web được cập nhật quá chậm, ảnh hưởng là không đáng kể. Tuy nhiên, trong môi trường sản xuất, những ảnh hưởng đó có thể rất xấu - từ lãng phí vật liệu cho tới xảy ra tai nạn công việc. Để kiểm soát hệ thống làm việc, thông tin cần được gửi tới điểm đến một cách chính xác, đúng giờ  mọi lúc có thể. 

Từ đó, công nghiệp Ethernet nổi lên như là một sự lựa chọn cho kiểm soát công nghiệp sản xuất. Mục tiêu là kết nối công nghệ thông tin và mạng lưới hoạt động cấp cao, cũng như việc liên kết các mảng trong mạng lưới vận hành nhà máy tới điểm các cảm biến tuyến cuối và bộ truyền động (xem rõ hơn ở hình minh họa dưới đây)

Sự hình thành của công nghiệp 4.0

Ngày nay, phức tạp hơn, cần các loại nguồn để kết nối các bộ phận sản xuất với Ethernet ở mức độ cao hơn nơi cần sự kết hợp của công nghệ thông tin và sản xuất. Có mặt bằng rộng, mạng lưới vận hành liên khu vực cùng với Ethernet sẽ loại bỏ nhu cầu đối với nguồn điện, qua đó đơn giản hóa mạng lưới.

Trên thực tế, bo mạch dịch và kết nối với tầng trên của mạng lưới sản xuất không thực sự có thể thực hiện và tạo ra thông tin tách biệt với mạng lưới. Các thông tin này hạn chế việc chia sẻ trong mạng lưới của nhà máy. Điều này ngược lại với công nghiệp 4.0, cái mà các nhà sản xuất muốn tiếp nhận thông tin từ xa từ khu vực sản xuất tới ổ đĩa phân tích và phòng kinh doanh ở bộ phận IT.

Các lợi ích của TSN

Thiết bị điều khiển cần được khai báo trước khi truyền tải gói dữ liệu và sự đảm bảo về thời gian.  Vì vậy, các nhà cung cấp thường cố gắng cung cấp bản giao thức thời gian thực cho các mạng lưới sản xuất. Kết quả là có thể đoán được rằng sẽ cụ thể hoá được giao thức của những nhà cung cấp. Cụ thể là đã dẫn tới rất nhiều giao thức chuyển đi không tương thích khác nhau khi chạy nhiều bộ phận sản xuất khác nhau. Điều này kéo dài sự cô lập dữ liệu, hoặc ùn tắc dữ liệu. Nhiều bộ phận sản xuất sử dụng các giao thức khác nhau phải chia sẻ lưới mạng trong khi điều đó không được phép theo bảo đảm kiểm soát đường truyền.
Câu trả lời là mạng lưới thời gian nhạy cảm (TSN), một sự cung cấp trung lập, tiêu chuẩn thời gian thực Ethernet dựa trên IEEE 802.1. TSN chủ yếu tập trung vào thời gian như cái tên của nó. Nó chuyển tiêu chuẩn giao tiếp Ethernet thành một quá trình đảm bảo về thời gian cho các ứng dụng quan trọng. Để chắc chắn là thông tin sẽ được gửi đi trong một khoảng thời gian có thể biết trước. Đó là cách mà TSN đảm bảo truyền tải chính xác.
Để các tương tác có thể nắm bắt được trước, thiết bị mạng phải chia sẻ khái niệm về thời gian. Các tiêu chuẩn sẽ định nghĩa cách truyền một số cấu trúc Ethernet TSN nhất định theo lịch trình trong khi đó những cấu trúc sẽ được nỗ lực chuyển đi một cách tốt nhất. Đó là cách mà TSN có thể nắm bắt được lưu lượng mạng trong thời gian thực và ảo trên cùng một lưới mạng. Tất cả các thiết bị cùng sử dụng một lúc, vì vậy dữ liệu sẽ được truyền đi chậm hơn và chập chờn ở tốc độ gigabites.
Mục đích là việc tập trung lưới mạng, nơi mà các giao thức chia sẻ đường truyền có thể nắm bắt và đáng tin cậy. Các công cụ của TSN cung cấp sự tiên đoán. Nó đại diện cho sự truyển đổi đáng tin vậy và cấu trúc liên kết được tiêu chuẩn hoá, chấm dứt sự cô lập dữ liệu thông qua các fieldbus độc lập. Sự tập trung lưới mạng sẽ truyền tải các gói dữ liệu thông qua mạng lưới mở rộng băng thông từ 10Mbps tới 1Gbps hoặc hơn nữa.
Một điều có thể xảy ra đó là TSN sẽ hoạt động không cần cài đặt, nhưng sẽ tăng dần trong các bộ phận hoặc phân khúc ở các nhà máy. Với các nhà sản xuất chuyên môn, công nghiệp Ethernet và TSN phải được hỗ trợ trong tương lai gần.

Liên kết toàn bộ doanh nghiệp

Mục đích cuối cùng và có lẽ là quan trọng nhất của chúng ta là có được sự liên kết liền mạch của EDGE và các doanh nghiệp trên dữ liệu đám mây trong các ứng kiểm soát sản xuất. (cùng theo dõi ảnh bên dưới)

Hình ảnh minh hoạ

Tới ngày nay, sự liên kết với EDGE vẫn bị giới hạn từ 4mA tới 20mA hoặc công nghệ fieldbus. Các kết nối điểm-điểm qua cáp nối này là hạn chế sự linh hoạt của mạng nhằm thay đổi và phát triển theo thời gian. 

Cơ sở giao tiếp không có Ethernet đối mặt với một vài thách thức. Đầu tiên, băng thông với 1,2kbps cho giao thức HART từ 4mA tới 20mA làm giới hạn số lượng và tốc độ thông tin được truyền tải. Thứ hai, giới hạn năng lượng truyền tới các công cụ hạn chế là nhược điểm. Cuối cùng, nguồn điện ở bộ phận điều khiển và IT không ổn định . Cũng có một thách thức khi vận hành trong sự an toàn cần thiết vùng 0 và sử dụng các dây cáp nối có sẵn để nâng cao tốc độ và giảm chi phí vận hành.

Những thử thách là cần thiết cho sự phát triển của IEEE 803.3cg-2019, với 10BASE-T1L, giao tiếp song công. Mới đây nó đã được kiểm duyệt và cho thấy sự giao tiếp xong công với 10Mbps chỉ với một dây cáp nối nguồn dài 1km.

Dữ liệu được chuyển từ một cảm biến giống như Ethernet và đi tới mạng sản xuất và cơ sở hạ tầng công nghệ thông tin cũng giống với Ethernet. Nó không cần phải mã hoá, điều gây ra sự chậm trễ và tốn kém, và tiêu hao năng lượng. Mạng cố định sẽ thay đổi, với các đơn vị I/O điều khiển từ xa sẽ chuyển sang trường chuyển mạch Ethernet. 

Những hướng dẫn Ethernet sẽ được gửi tới và đi những bộ điều khiển thông qua trường chuyển tiếp đa lõi 10BASE-T1L đi và tới các thiết bị ở hiện trường. Thông tin chi tiết được tạo từ các nút có thể được gửi qua các gói Ethernet (với băng thông cao hơn) thông qua chuyển đổi trường mạng tới bộ điều khiển PLC/DCS, và cuối cùng là tới đám mây.

Một số ưu điểm sẽ thúc đẩy chuyển từ các fieldbus sang Ethernet công nghiệp. Đầu tiên, có thể sử dụng lại các cáp nối trước đó (lên tới 1km) có thể dễ dàng thực hiện và giảm thiểu chi phí thiết bị mới. Thứ hai, nguồn được truyền từ cáp sang cáp hạn chế từ 36mW (trường hợp lý tưởng, có thể truyền từ 4mA tới 20mA). Dễ dàng lên tới 60mW (phụ thuộc cáp) hoặc 500mW với thiết bị Zone 0. 

Nguồn điện dư ra giúp thiết bị có thể sử dụng các chức năng cao hơn với điểm kết thúc thông minh. Với tốc độ tải liên kết lên tới 10Mbit, điều này sẽ giúp tăng thêm hiểu biết về việc đẩu tư vào công nghiệp 4.0 hiệu quả.

Chúng ta hiện nay đang có những gì? 

Về lâu dài, với các thiết bị tiêu hao ít năng lượng, góc trễ nhỏ với khả năng chuyển đổi đa dạng là cần thiết với mạng lưới tự động tiên tiến. Để hỗ trợ các thiết bị công nghệ tiên tiến, các nhà sản xuất Ethernet công nghiệp đang phát triển công nghệ silicon và phần mềm để đảm bảo các dữ liệu quan trọng được gửi đi một cách chính xác thông qua thiết bị công nghiệp. Ví dụ, ADI Chronus của Analog Devices cung cấp sự chuyển mạch nhúng và đa phương tiện đã hoàn toàn được kiểm tra và xác thực trong thời gian ngắn để tung ra thị trường.

• Các giải pháp đáng chú ý của Chronus là: 100Mbps/100Mbps đối với Ethernet công nghiệp PHY với các chức năng được hoàn thiện và bền hơn.
• Độ trễ nhỏ nhất, tiêu hao năng lượng gigabites PHY ít nhất trong môi trường khắc nghiệt. Thời gian thựcfido5200/fido5100, được nhúng, có thể chuyển đổi hai cổng hoặc đa cổng hỗ trợ các tính năng TSN.
• Các tính năng mới của TSN được thêm vào các bản cập nhật phần sụn là có sẵn. Các bản cập nhật phần mềm đa phương tiện cũng được hỗ trợ và sẵn có thông qua các cổng thông tin dành cho các nhà phát triển. 

Để hỗ trợ và cung cấp các cầu nối tới các thiết bị trường kế, cấu hình phần mềm I/O (AD74413R) của Anlaog Devices giúp người sử dụng phát triển các đơn vị cấu hình từ xa mà các giao tiếp giữa các thiết bị có độ trễ và mạng Ethernet cao cấp có thể kiểm soát được.

  Sự bảo mật

Ethernet có các lỗ hổng, và việc bảo mật là quan trọng đang dần áp dụng công nghệ 4.0. Với luồng thông tin mở của doanh nghiệp giữa mạng lưới vận hành và IT và phần dìa của đám mây, hậu quả là các tin tặc có thể tàn phá chúng.

Việc bảo mật là tối quan trọng

Bảo mật là việc quan tâm quản lý rủi ro cơ bản trong việc hoạch định chiến lược công nghiệp 4.0. Việc xây dựng sự bảo mật ở trong những mạng lưới phức tạp đang tăng lên. Nó phải được tiếp cận đa lớp để dẫn tới thông tin thông qua toàn bộ hệ thống với các thiết bị bên ngoài,  bộ điều khiển, các nguồn và hơn nữa nên được sắp xếp thứ tự. Với công nghệ silicon và phần mềm trở nên có sẵn, OEMs có thể đảm bảo an toàn ở mọi điểm nút trong mạng lưới giảm thiểu sự thiếu hụt nguồn, hiệu suất và độ trễ.

Hướng phát triển

Mặc dù công nghệ Ethernet được xem là phát triển nhất định trong những năm gần đây, fieldbuses và những công nghệ mạng có độ trễ khác vẫn đang được triển khai. Sự tiến bộ của các mạng lưới cục bộ dựa trên công nghệ Ethernet là một cấu trúc mạng đơn giản, tiết kiệm chi phí là do có nguồn điện di động, sự tối ưu hoá hệ thống được cải thiện và tăng tuổi thọ. Sự ra đời của các tiêu chuẩn mới và tính xác thực của chúng là sự xúc tác cần thiết để thúc đẩy sự chuyển đổi được chờ đợi này.

Đây là một quá trình chuyển đổi được thúc đẩy dựa trên nhu cầu về các mạng lưới lên kết có hiệu suất tốt hơn với sự hội nhập ngày càng tăng của OT và IT. TSN là phương tiện để vận chuyển một mạng lưới cục bộ và khi kết hợp với 10BASE-T1L sẽ làm liền mạch kết nối từ bên ngoài với đám mây. Việc truyển tải sẽ không được thực hiện trong một đêm, nhưng những lợi ích tiềm năng hấp dẫn tới mức có khả năng việc áp dụng chúng sẽ vượt qua các tiêu chuẩn công nghiệp tiêu chuẩn.

Trung tâm của tầm nhìn công nghiệp 4.0 là các quá trình tự động hoá sử dụng các thiết bị được kết nối với khả năng thu thập, nhận và gửi thông tin. Công nghệ mới này đang mở khoá dữ liệu và thông tin chi tiết trước đây sẽ không thể lấy được từ các thiết bị vệ tinh. Đây là cánh cửa mở để phân tích dữ liệu và hiểu biết sâu hơn về vận hành. Liên kết nhờ công nghệ Ethernet sẽ nổi lên nhờ việc chuyển các luồng dữ liệu hiện tại và tương lai một cách liền mạch từ mạng di động lên đám mây.

Đó là một lượng lớn dữ liệu và nhận thức mà hiện nay chúng ta vẫn chưa thể nào tiếp cận hết, nhưng khi việc sử dụng Ethernet trở thành chuẩn mực, thách thức với công nghiệp 4.0 sẽ chuyển sang bảo mật và việc phải làm với tất cả nguồn dữ liệu đó là nâng cấp dung lượng BUS. 

Theo Fiona Treacy

fiona.treacy@analog.com

Bài viết tham khảo tại : https://www.machinedesign.com/automation-iiot/article/21128329/making-the-move-to-industry-40

Dịch: Đăng Khôi