Ethernet một đôi làm thay đổi kết nối ở cấp thiết bị

Ethernet một đôi, thường được gọi là SPE, mở rộng truyền thông Ethernet qua một đôi dây xoắn thay vì hai hoặc bốn đôi dây được Ethernet thông thường sử dụng. Tùy thuộc vào lớp vật lý được chọn, SPE có thể cung cấp tốc độ dữ liệu cao, khoảng cách truyền dài, truyền thông đa điểm hoặc truyền tải nguồn điện và dữ liệu qua cùng một sợi cáp.

Kiến trúc nhỏ gọn này đặc biệt hữu ích khi cần giảm kích thước thiết bị, trọng lượng cáp, không gian lắp đặt và chi phí vật liệu. Kiến trúc này cho phép các nhà sản xuất thiết bị tích hợp kết nối Ethernet gốc vào cảm biến, cơ cấu chấp hành, thiết bị đo, camera, bộ điều khiển và các sản phẩm khác trước đây phụ thuộc vào mạng fieldbus độc quyền hoặc các cổng giao tiếp riêng biệt.

SPE không phải là một đặc tả truyền dẫn duy nhất. Đây là một họ các lớp vật lý Ethernet được phát triển cho những ứng dụng khác nhau. Do đó, các nhà thiết kế thiết bị phải phối hợp tốc độ dữ liệu yêu cầu, chiều dài cáp, cấu trúc liên kết mạng, hệ thống đầu nối, khả năng bảo vệ môi trường và nhu cầu nguồn điện với phương thức triển khai SPE phù hợp.

Hình 1. Cáp và đầu nối SPE có nhiều dạng kích thước khác nhau để phù hợp với các kích thước thiết bị và môi trường lắp đặt khác nhau.

Từ mạng ô tô đến thiết bị công nghiệp

Ethernet một đôi ban đầu được thúc đẩy bởi ngành kỹ thuật ô tô, nơi các nhà sản xuất cần cáp nhẹ, đầu nối nhỏ gọn và khả năng truyền thông tốc độ cao đáng tin cậy giữa các hệ thống điện tử. Những yêu cầu này rất giống với các thách thức mà các nhà sản xuất thiết bị công nghiệp hiện đang đối mặt.

Các nhà máy hiện đại có số lượng ngày càng tăng các cảm biến, bộ truyền động, camera, cơ cấu chấp hành, thiết bị phân tích và thiết bị biên thông minh. Mỗi thiết bị lại tạo thêm yêu cầu về truyền thông, nguồn điện, chẩn đoán và không gian lắp đặt. Việc mở rộng Ethernet thông thường đến mọi thiết bị hiện trường có thể trở nên tốn kém vì các đầu nối tiêu chuẩn và cáp nhiều đôi thường lớn hơn chính thiết bị.

SPE cung cấp một phương thức thiết thực để triển khai truyền thông Ethernet liên tục từ mạng doanh nghiệp và mạng điều khiển xuống đến từng thiết bị hiện trường. Điều này làm giảm số lần chuyển đổi giao thức và cho phép các hệ thống tự động hóa truy cập trực tiếp hơn vào thông tin chẩn đoán thiết bị, dữ liệu vận hành, thông tin cấu hình và các giá trị giám sát tình trạng.

Tự động hóa công nghiệp vươn tới biên hiện trường

Tự động hóa công nghiệp ngày càng phụ thuộc vào cảm biến phân tán và các thiết bị trường thông minh. Hệ thống sản xuất cần dữ liệu quy trình chính xác, trạng thái thiết bị, thông tin năng lượng và phản hồi chẩn đoán theo thời gian thực. Kiến trúc Ethernet nhất quán có thể đơn giản hóa việc truyền tải thông tin này giữa các thiết bị trường, bộ điều khiển, nền tảng biên và dịch vụ đám mây.

SPE phù hợp với đầu đọc mã vạch, thiết bị thị giác máy, thiết bị đầu cuối vận hành nhỏ gọn, hệ thống nhận dạng, cảm biến vị trí, thiết bị giám sát tình trạng và bộ chấp hành thông minh. Các ứng dụng này thường cần nhiều dữ liệu hơn khả năng cung cấp của tín hiệu rời rạc truyền thống, nhưng không phải lúc nào cũng có đủ không gian lắp đặt cho phần cứng Ethernet thông thường.

Các công nghệ SPE truyền xa cũng có thể kết nối những thiết bị nằm cách xa tủ điều khiển chính. Một số phương án triển khai có thể truyền dữ liệu trên khoảng cách lên tới 1.000 mét mà không cần gateway giao thức trung gian. Khả năng này có giá trị trong các nhà máy lớn, nhà kho, hệ thống băng tải, cơ sở cấp thoát nước và các hệ thống xử lý vật liệu phân tán.

Cấp nguồn qua đường dữ liệu, hay PoDL, có thể tiếp tục giảm yêu cầu lắp đặt bằng cách truyền thông tin liên lạc và nguồn điện qua cùng một đôi dây. Do đó, một cảm biến hoặc bộ chấp hành nhỏ gọn có thể chỉ cần một cáp thay vì hệ thống dây dữ liệu và nguồn điện riêng biệt. Tuy nhiên, mức công suất thực tế, kích thước cáp, độ sụt áp và đặc tính nhiệt vẫn phải được đánh giá trong quá trình thiết kế sản phẩm.

Hình 2. Các ứng dụng cảm biến và điều khiển phân tán khiến tự động hóa công nghiệp trở thành môi trường tự nhiên cho Ethernet một đôi dây.

Ví dụ thực tế về mạng cảm biến

Hãy xem xét một hệ thống băng tải dài có các đầu đọc nhận dạng, cảm biến rung, bộ giám sát tốc độ, thiết bị an toàn và cảm biến nhiệt độ động cơ. Kiến trúc truyền thống có thể sử dụng nhiều công nghệ truyền thông, các bộ nguồn riêng biệt, các trạm I/O từ xa và nhiều thiết bị gateway.

Thiết kế dựa trên SPE có thể cung cấp cho các thiết bị thông minh được chọn một giao diện Ethernet trực tiếp, đồng thời sử dụng các kết nối hai dây nhẹ dọc theo băng tải. Hệ thống điều khiển có thể nhận các giá trị vận hành và dữ liệu chẩn đoán chi tiết mà không cần chuyển đổi mọi thông báo qua một gateway fieldbus độc quyền.

Đối với nhà sản xuất thiết bị, điều này tạo cơ hội cung cấp tính năng cấu hình từ xa, giám sát tình trạng, lịch sử sự kiện và quản lý firmware trong một sản phẩm nhỏ gọn. Đối với người vận hành nhà máy, lợi ích không chỉ là giảm số lượng cáp. Việc truy cập trực tiếp vào thông tin tình trạng thiết bị có thể rút ngắn thời gian khắc phục sự cố và hỗ trợ bảo trì dự đoán.

Robot được hưởng lợi từ hệ thống cáp nhẹ hơn và linh hoạt hơn

Các hệ thống robot đặt ra những yêu cầu cơ học khắt khe đối với cáp truyền thông. Cáp phải chuyển động liên tục, chịu được việc uốn lặp đi lặp lại, vừa với các không gian đi dây hẹp và không làm tăng trọng lượng không cần thiết cho cánh tay robot. Những yêu cầu này trở nên khó đáp ứng hơn khi thiết bị đầu công tác được bổ sung thêm camera, cảm biến, bộ gắp và các chức năng kiểm tra.

SPE có thể giảm kích thước đầu nối và khối lượng cáp, đồng thời cung cấp băng thông lớn hơn nhiều giao thức truyền thống ở cấp thiết bị. Nguồn và dữ liệu cũng có thể dùng chung một cáp thông qua PoDL, giúp giảm số lượng dây dẫn được dẫn qua các khớp chuyển động. Cáp nhẹ hơn có thể cải thiện hiệu suất chuyển động và giảm ứng suất cơ học bên trong bó cáp bảo vệ.

Các triển khai SPE băng thông cao có thể hỗ trợ các thiết bị thị giác máy và cảm biến robot tiên tiến. Tốc độ dữ liệu lên tới 1 Gbit/s trên khoảng cách công nghiệp ngắn hơn có thể hỗ trợ hình ảnh 2D hoặc 3D độ phân giải cao, dữ liệu kiểm tra và giao tiếp nhanh giữa thiết bị đầu công tác của robot với bộ điều khiển chính.

Các nhà sản xuất thiết bị vẫn phải thiết kế để đáp ứng tình trạng uốn lặp đi lặp lại, xoắn, rung, nhiễu điện từ và khả năng giữ đầu nối. Một loại cáp phù hợp với việc lắp đặt cố định trên máy có thể không chịu được hàng triệu chu kỳ chuyển động của robot. Vì vậy, việc đánh giá cơ khí cũng quan trọng không kém hiệu năng giao tiếp.

Hình 3. Cáp SPE nhỏ gọn có thể giảm trọng lượng và tăng tính linh hoạt khi đi dây trong các cánh tay robot và thiết bị đầu công tác.

Ethernet-APL Đưa Ethernet Vào Các Nhà Máy Quy Trình

Các ngành công nghiệp quy trình ngày càng cần truy cập thông tin được lưu trữ bên trong các thiết bị hiện trường. Bộ truyền áp suất, lưu lượng kế, máy phân tích, bộ định vị van và các thiết bị khác có thể cung cấp nhiều hơn một giá trị quy trình. Chúng cũng có thể chứa cảnh báo chẩn đoán, hồ sơ hiệu chuẩn, số liệu thống kê vận hành và thông tin về tình trạng.

Các mạng hiện trường truyền thống thường yêu cầu chuyển đổi giao thức trước khi thông tin này đến được các hệ thống cấp cao hơn. Ethernet-APL cung cấp lớp vật lý dành cho ngành công nghiệp quy trình, dựa trên Ethernet một đôi dây (SPE) có tầm truyền xa. Công nghệ này hỗ trợ giao tiếp 10 Mbit/s và truyền nguồn qua cáp hai dây trên khoảng cách lên tới 1.000 mét.

Thiết kế này rất quan trọng đối với các nhà máy lọc dầu, cơ sở hóa chất, nhà máy dược phẩm, hệ thống xử lý nước và các cơ sở khác có các thiết bị hiện trường phân bố rộng. Ethernet-APL có thể cung cấp quyền truy cập Ethernet trực tiếp, đồng thời vẫn duy trì khoảng cách cáp dài và các phương pháp lắp đặt chắc chắn vốn được kỳ vọng trong tự động hóa quy trình.

Các nhà sản xuất phát triển thiết bị Ethernet-APL phải cân nhắc nhiều yếu tố hơn chỉ giao diện truyền thông. Sản phẩm có thể cần biện pháp bảo vệ phù hợp cho khu vực nguy hiểm, mức tiêu thụ điện được kiểm soát, khả năng cách ly phù hợp, đầu nối bền chắc, khả năng tương thích điện từ và hỗ trợ các giao thức tự động hóa quy trình đã được thiết lập.

Một ứng dụng thực tế có thể là bộ định vị van thông minh được kết nối qua Ethernet-APL. Hệ thống điều khiển sẽ nhận tín hiệu vị trí cần thiết, trong khi phần mềm quản lý tài sản có thể truy cập lịch sử hành trình, chỉ báo ma sát, trạng thái hiệu chuẩn và cảnh báo chẩn đoán thông qua cùng một kết nối vật lý.

Tự động hóa tòa nhà chuyển hướng sang kiến trúc IP dùng chung

Tự động hóa tòa nhà theo truyền thống sử dụng nhiều mạng chuyên dụng cho hệ thống chiếu sáng, sưởi ấm, thông gió, kiểm soát ra vào, đo đếm, thang máy và an ninh. Mỗi mạng có thể yêu cầu các công cụ cấu hình, cổng giao tiếp và kiến thức chuyên môn khác nhau. Sự phân mảnh này làm tăng độ phức tạp trong lắp đặt và bảo trì.

SPE cho phép các thiết bị tòa nhà nhỏ gọn sử dụng kiến trúc dựa trên Ethernet mà không cần kết nối mạng bốn đôi dây thông thường. Cảm biến, bộ điều khiển phòng, thiết bị chiếu sáng, bộ điều tiết, thiết bị kiểm soát ra vào và thiết bị giám sát môi trường có thể giao tiếp qua hạ tầng IP tiêu chuẩn hóa mà vẫn giữ kích thước nhỏ gọn.

PoDL đặc biệt hữu ích trong các tòa nhà vì nhiều thiết bị được kết nối chỉ yêu cầu công suất ở mức vừa phải. Dữ liệu và nguồn điện có thể dùng chung một cáp, giảm công việc lắp đặt phía trên trần, bên trong tường và xuyên suốt các khu vực phân tán của tòa nhà. Kết quả có thể là một mạng đơn giản hơn và dễ mở rộng hơn để bổ sung thiết bị trong tương lai.

Hiệu quả năng lượng là một lợi ích quan trọng khác. Thông tin chi tiết ở cấp độ phòng và thiết bị cho phép các hệ thống quản lý tòa nhà điều phối hệ thống chiếu sáng, HVAC, tình trạng có người hiện diện và mức tiêu thụ năng lượng chính xác hơn. Bản thân SPE không tạo ra mức tiết kiệm năng lượng, nhưng giúp các hệ thống chịu trách nhiệm tối ưu hóa tiếp cận được nhiều thông tin hiện trường hơn.

Hình 4. Các thiết bị SPE nhỏ gọn và tiết kiệm năng lượng có thể cung cấp kết nối Ethernet cho toàn bộ hệ thống tòa nhà thông minh.

Mạng truyền dẫn xa cho các dự án hạ tầng

Các hệ thống hạ tầng thường trải dài vượt quá phạm vi kết nối thực tế của Ethernet văn phòng thông thường. Đường hầm, đường sắt, nút giao thông, cầu, sân bay và hành lang tiện ích có thể chứa các cảm biến và bộ chấp hành nằm cách tủ điều khiển gần nhất hàng trăm mét.

SPE tầm xa, bao gồm 10BASE-T1L, có thể cung cấp khả năng truyền thông 10 Mbit/s trên khoảng cách lên đến 1.000 mét. Điều này khiến SPE phù hợp với các thiết bị giám sát, cảm biến giao thông, hệ thống điều khiển tín hiệu, thiết bị đo môi trường, hệ thống kiểm soát ra vào và thiết bị hạ tầng phân tán.

Truyền điện và dữ liệu qua một đôi dây có thể đơn giản hóa việc triển khai thiết bị dọc theo đường ray, đường bộ, đường hầm hoặc các công trình từ xa. Ít cáp hơn có thể rút ngắn thời gian lắp đặt và giúp bảo trì dễ dàng hơn tại những nơi hạn chế khả năng tiếp cận. Tuy nhiên, thiết kế vẫn phải tính đến khả năng bảo vệ chống xung điện, phơi nhiễm sét, nối đất, độ ẩm, nhiệt độ khắc nghiệt và hư hỏng cơ học.

Khả năng tương thích Ethernet nguyên bản cũng có thể đơn giản hóa việc tích hợp với các nền tảng giám sát. Thay vì truyền thông tin thiết bị qua nhiều lớp giao thức, các đơn vị vận hành hạ tầng có thể sử dụng các công cụ quản lý mạng và an ninh mạng tiêu chuẩn trên phạm vi rộng hơn của hệ thống.

Các ứng dụng năng lượng cần khoảng cách truyền xa và khả năng quan sát theo thời gian thực

Ngành năng lượng vận hành nhiều tài sản trên các khu vực địa lý rộng lớn. Tuabin gió, trang trại điện mặt trời, trạm biến áp, hệ thống pin và các trạm giám sát phân tán cần khả năng truyền thông đáng tin cậy để điều khiển, chẩn đoán và phân tích hiệu suất.

SPE có thể hỗ trợ các cảm biến từ xa, bộ chuyển mạch thông minh, hệ thống cơ cấu chấp hành, thiết bị giám sát tình trạng và thiết bị quản lý năng lượng. Khoảng cách truyền dài giúp giảm nhu cầu sử dụng thêm thiết bị mạng, trong khi PoDL có thể đơn giản hóa việc lắp đặt các thiết bị hiện trường công suất thấp.

Đối với các ứng dụng điện gió, kết nối SPE nhỏ gọn có thể hỗ trợ các cảm biến bên trong vỏ nacelle, tháp và hệ thống giám sát cánh quạt. Các hệ thống điện mặt trời có thể sử dụng các thiết bị phân tán để giám sát nhiệt độ, dòng điện, điện áp, vị trí bộ theo dõi và các điều kiện môi trường. Các ứng dụng tại trạm biến áp có thể bao gồm cảm biến tình trạng thiết bị và hệ thống giám sát phụ trợ.

Dữ liệu thời gian thực từ các thiết bị này hỗ trợ bảo trì dự đoán và duy trì sự ổn định của mạng. Nhà sản xuất thiết bị nên cung cấp thông tin chẩn đoán rõ ràng, đặc tính thời gian đáng tin cậy, cấu hình an toàn và khả năng bảo vệ môi trường bền bỉ. Chỉ riêng băng thông truyền thông là chưa đủ cho các ứng dụng năng lượng quan trọng.

Thiết kế thiết bị bắt đầu từ lớp vật lý SPE phù hợp

Một sai lầm phổ biến trong thiết kế là xem SPE như một đặc tả phổ quát. Các lớp vật lý SPE khác nhau hỗ trợ những tổ hợp khác nhau về tốc độ, khoảng cách, cấu trúc liên kết và hiệu suất cáp. Camera robot, bộ truyền quy trình, cảm biến tòa nhà và thiết bị giám sát đường sắt có thể đều sử dụng SPE, nhưng không nhất thiết dùng cùng một giao diện.

Nhóm phát triển sản phẩm nên bắt đầu bằng việc xác định các yêu cầu của ứng dụng. Những yêu cầu này bao gồm chiều dài cáp tối đa, tốc độ dữ liệu cần thiết, cấu trúc liên kết điểm-điểm hoặc đa điểm, nhu cầu công suất của thiết bị, điều kiện môi trường, kích thước đầu nối và giao thức mạng dự kiến.

Việc cấp nguồn cũng đòi hỏi kỹ thuật chi tiết. Nhà sản xuất phải đánh giá dòng điện khởi động, dòng điện vận hành bình thường, sụt áp, điện trở cáp, nhiệt độ đầu nối và trạng thái khi xảy ra sự cố. Thiết bị nên xác định điều gì xảy ra khi nguồn điện khả dụng giảm xuống dưới mức yêu cầu hoặc khi giao tiếp vẫn hoạt động trong lúc điện áp bị nhiễu loạn.

Thiết kế cơ khí cũng quan trọng không kém. Đầu nối công nghiệp có thể cần được bảo vệ khỏi rung động, bụi, hơi ẩm, hóa chất hoặc việc cắm nối lặp đi lặp lại. Một đầu nối nhỏ gọn sẽ chẳng có nhiều giá trị nếu không thể duy trì tiếp xúc đáng tin cậy trong suốt vòng đời sản phẩm.

Khả năng tương tác phải được xác minh, không được mặc định

Khả năng tương thích Ethernet cung cấp một nền tảng chung, nhưng việc tích hợp thiết bị thành công vẫn phụ thuộc vào các tiêu chuẩn, profile, giao thức và quy trình chứng nhận. Hai thiết bị có thể sử dụng các lớp vật lý tương thích nhưng hỗ trợ các cấp công suất, định dạng đầu nối hoặc giao thức ứng dụng khác nhau.

Nhà sản xuất nên kiểm thử sản phẩm với các bộ chuyển mạch, thiết bị cấp nguồn, cáp, đầu nối và công cụ quản lý mạng đại diện cho môi trường thực tế. Việc kiểm thử nên bao gồm giao tiếp bình thường, khởi động, kết nối lại, lỗi cáp, gián đoạn nguồn và hoạt động ở gần khoảng cách tối đa được quy định.

Kiểm thử tính tương thích điện từ đặc biệt quan trọng trong môi trường công nghiệp. Bộ truyền động, công tắc tơ, thiết bị hàn, động cơ và cáp dòng điện cao có thể tạo ra nhiễu điện đáng kể. Việc che chắn, nối đất, cách ly, thiết kế bộ lọc và đi dây của thiết bị phải phối hợp với nhau.

An ninh mạng cũng cần được xử lý trong quá trình phát triển sản phẩm. Kết nối Ethernet tích hợp giúp tăng khả năng truy cập, khiến việc cấu hình an toàn, xác thực, kiểm soát firmware và quản lý lỗ hổng trở nên quan trọng hơn. Các thiết bị hiện trường nhỏ gọn không nên trở thành những điểm xâm nhập không được quản lý vào mạng tự động hóa.

Hỗ trợ toàn bộ vòng đời thiết bị

Một thiết bị hỗ trợ SPE cần dễ đưa vào vận hành và bảo trì trong suốt vòng đời hoạt động. Việc nhận dạng rõ ràng, khả năng chẩn đoán thuận tiện, thông tin về trạng thái mạng và khả năng khôi phục cấu hình có thể giúp giảm chi phí hỗ trợ. Nhà sản xuất cũng nên quy định cách quản lý các bản cập nhật firmware và thiết bị thay thế.

Các tính năng chẩn đoán hữu ích có thể bao gồm trạng thái cáp, chất lượng truyền thông, tình trạng nguồn điện, nhiệt độ bên trong, lịch sử kết nối và tình trạng thiết bị. Thông tin này cần được trình bày theo cách mà các kỹ sư điều khiển và kỹ thuật viên bảo trì có thể hiểu mà không cần đến các công cụ mạng chuyên dụng.

Tài liệu sản phẩm cần nêu rõ lớp vật lý được hỗ trợ, khoảng cách cáp, tiêu chuẩn đầu nối, yêu cầu về nguồn điện, cấu trúc liên kết và các giới hạn môi trường. Thông số kỹ thuật không rõ ràng có thể gây ra các vấn đề tương thích chỉ xuất hiện trong quá trình lắp đặt.

Các nhà sản xuất thiết bị đang đánh giá phần cứng kết nối công nghiệp cũng có thể xem các sản phẩm kết nối và tự động hóa Weidmüller hiện có, được sử dụng trong các ứng dụng truyền thông công nghiệp, giao diện, nguồn điện và đấu dây hiện trường.

Ethernet một đôi dây sẽ phát triển theo hướng nào

Ethernet một đôi dây tạo ra một phương thức trực tiếp để mở rộng Ethernet đến các thiết bị nhỏ hơn và được phân bổ rộng rãi hơn. Sự kết hợp giữa hệ thống cáp nhỏ gọn, nhiều tùy chọn tốc độ, khoảng cách truyền dài, khả năng kết nối đa điểm và truyền tải điện năng giúp công nghệ này phù hợp với nhiều lĩnh vực như tự động hóa công nghiệp, robot, nhà máy quy trình, tòa nhà, cơ sở hạ tầng và các hệ thống năng lượng.

Cơ hội lớn nhất đối với các nhà sản xuất thiết bị không chỉ đơn giản là thay thế một loại cáp bằng loại khác. SPE có thể hỗ trợ các sản phẩm với khả năng chẩn đoán phong phú hơn, tích hợp dễ dàng hơn, cấu hình từ xa và truy cập trực tiếp hơn vào dữ liệu vận hành. Những khả năng này có thể rút ngắn thời gian chạy thử và giúp người dùng cuối nắm rõ hơn tình trạng thiết bị.

Việc áp dụng sẽ phụ thuộc vào khả năng tương tác, các linh kiện đạt chuẩn, đầu nối chắc chắn, tiêu chuẩn rõ ràng và các sản phẩm được thiết kế cho môi trường công nghiệp thực tế. Những nhà sản xuất xem SPE là một kiến trúc thiết bị hoàn chỉnh thay vì chỉ là một cổng giao tiếp sẽ có vị thế tốt hơn để phát triển thế hệ thiết bị hiện trường kết nối tiếp theo.

Hình ảnh và các tài liệu tham khảo ứng dụng nguyên bản được sử dụng với sự cho phép của Tập đoàn Weidmüller.