Ethernet Công nghiệp là gì?

Ethernet Công nghiệp (IE) là một biến thể Ethernet được tối ưu hóa cho môi trường công nghiệp, sử dụng các giao thức điều khiển xác định và thời gian thực như: Modbus TCP/IP,  EtherCAT, Ethernet/IP và  PROFINET

Công nghệ này có thể hoạt động trong các điều kiện khắc nghiệt, chẳng hạn như dải nhiệt độ rộng, rung động, tạp chất vật lý và nhiễu điện.

Ethernet Công nghiệp đảm bảo tính khả dụng cao của mạng, rất quan trọng đối với các quy trình công nghiệp và tích hợp liền mạch với cả hệ thống hiện tại và cũ, đồng thời mang lại hiệu suất dự đoán được. Ethernet Công nghiệp đóng vai trò là xương sống truyền thông quan trọng, đảm bảo độ tin cậy và hiệu quả của các quy trình công nghiệp

Bốn giao thức điều khiển Ethernet công nghiệp lớn

Trong môi trường công nghiệp, truyền thông công nghiệp diễn ra ở ba cấp độ: định tuyến, điều khiển và cảm biến. Mỗi cấp độ đòi hỏi mức độ truyền thông tin theo thời gian thực, phát hiện va chạm và tính xác định khác nhau.

Hiện có nhiều giao thức Ethernet công nghiệp khác nhau để đáp ứng nhu cầu truyền thông đa dạng trong nhà máy, nhưng có bốn giao thức lớn:

Modbus TCP/IP

Modbus TCP/IP là giao thức Ethernet Công nghiệp đầu tiên được giới thiệu, và về cơ bản, đây là giao tiếp Modbus truyền thống được nén trong giao thức tầng truyền tải Ethernet để truyền dữ liệu rời rạc giữa các thiết bị điều khiển. Giao thức này sử dụng cơ chế giao tiếp chủ-tớ đơn giản, trong đó nút “tớ” sẽ không truyền dữ liệu nếu không có yêu cầu từ nút “chủ”, nhưng không được coi là giao thức thời gian thực.

EtherCAT

Được giới thiệu vào năm 2003, EtherCAT là một giao thức Ethernet Công nghiệp cung cấp giao tiếp thời gian thực trong cấu hình chủ/tớ cho các hệ thống tự động hóa. Yếu tố then chốt của EtherCAT là khả năng cho phép tất cả các slave được kết nối mạng chỉ trích xuất thông tin liên quan mà chúng cần từ các gói dữ liệu và chèn dữ liệu vào khung khi nó truyền xuống – thường được gọi là giao tiếp “ngay lập tức”.

Ethernet/IP

Được phát hành lần đầu vào năm 2000, Ethernet/IP là một giao thức Ethernet công nghiệp lớp ứng dụng được sử dụng rộng rãi, được hỗ trợ bởi Hiệp hội Nhà cung cấp Thiết bị Mở (ODVA) và chủ yếu được cung cấp bởi Rockwell Automation.

Đây là giao thức Ethernet công nghiệp duy nhất hoàn toàn dựa trên các tiêu chuẩn Ethernet và sử dụng các lớp Ethernet vật lý, liên kết dữ liệu, mạng và vận chuyển tiêu chuẩn. Vì sử dụng chuyển mạch Ethernet tiêu chuẩn, nó có thể hỗ trợ số lượng nút không giới hạn. Tuy nhiên, nó yêu cầu phạm vi hạn chế để tránh độ trễ và hỗ trợ giao tiếp thời gian thực.

PROFINET

Một giao thức lớn khác (chủ yếu là do được nhúng trong các bộ điều khiển Siemens và GE) là PROFINET, một giao thức ứng dụng do Siemens phát triển phối hợp với các công ty thành viên của tổ chức người dùng Profibus. Về cơ bản, nó mở rộng giao tiếp bộ điều khiển Profibus I/O sang Ethernet bằng cách sử dụng các bộ chuyển mạch đặc biệt được tích hợp vào thiết bị.

So sánh giữa Ethernet và Industrial Ethernet

Mục đích và môi trường sử dụng 

Ethernet:

• Là công nghệ mạng phổ biến dùng trong văn phòng, gia đình và trung tâm dữ liệu.
• Thiết kế cho ứng dụng thương mại, phi công nghiệp.
• Dùng để truy cập Internet, truyền tải dữ liệu, chia sẻ file, in ấn và giao tiếp thông thường.

Industrial Ethernet:

• Là phiên bản chuyên biệt của Ethernet, được thiết kế cho các ứng dụng công nghiệp và môi trường khắc nghiệt.
• Phục vụ sản xuất, tự động hóa, điều khiển quá trình.
• Dùng cho điều khiển thời gian thực, giám sát thiết bị, và trao đổi dữ liệu trong hệ thống tự động hóa công nghiệp.

Độ tin cậy và độ bền 

Ethernet:

• Không được tối ưu để chịu nhiệt độ cao, độ ẩm, rung động, hoặc nhiễu điện từ (EMI).
• Phù hợp cho môi trường sạch, ổn định như văn phòng.

Industrial Ethernet:

• Được thiết kế đặc biệt để hoạt động ổn định trong điều kiện công nghiệp khắc nghiệt.
• Chống chịu tốt với: nhiệt độ thay đổi, độ ẩm cao, bụi bẩn, nhiễu điện từ, rung và va chạm cơ học.
• Thiết bị có vỏ bảo vệ chắc chắn, thường đạt chuẩn IP67/IP68.

Tốc độ và hiệu suất 

Ethernet:

• Hỗ trợ nhiều mức tốc độ: 10/100/1000 Mbps thậm chí lên đến 10 Gbps hoặc hơn.
• Phù hợp với truyền dữ liệu lớn, video, Internet, văn phòng.

Industrial Ethernet:

• Hỗ trợ tốc độ tương tự Ethernet: 100 Mbps – 1/10 Gbps.
• Một số chuẩn đặc biệt như PROFINET, EtherCAT cho phép truyền dữ liệu thời gian thực và độ trễ cực thấp rất quan trọng trong tự động hóa dây chuyền và robot công nghiệp.

Giao thức và tiêu chuẩn 

Ethernet:

• Sử dụng TCP/IP và các giao thức mạng chuẩn khác.
• Thích hợp cho ứng dụng văn phòng, Internet, email, chia sẻ dữ liệu.

Industrial Ethernet: Sử dụng các giao thức chuyên biệt cho công nghiệp

• PROFINET
• EtherCAT
• Modbus TCP
• EtherNet/IP

Các giao thức này được tối ưu cho truyền thông xác định (deterministic) và thời gian thực, phục vụ hệ thống điều khiển và giám sát tự động.

Tương thích thiết bị 

Ethernet:

• Các thiết bị tương thích rộng rãi, dễ kết nối như: máy tính, máy in, router, switch, server.
• Cổng RJ45 tiêu chuẩn phổ biến.

Industrial Ethernet:

• Các thiết bị được chuyên biệt hóa cho môi trường công nghiệp: PLC, HMI, cảm biến, bộ truyền động, robot công nghiệp.
• Yêu cầu tương thích với hệ thống điều khiển công nghiệp và giao thức riêng.

Nguyên lý hoạt động của Ethernet Công nghiệp

Ethernet Công nghiệp hoạt động bằng cách cải tiến Ethernet thông thường để cung cấp khả năng truyền dữ liệu xác định, đảm bảo thông tin vận hành quan trọng được truyền tải chính xác và đúng thời hạn, điều này rất cần thiết cho việc thực hiện các tác vụ công nghiệp chính xác và thời gian thực. Các cải tiến chính bao gồm:

• Giao thức Truyền thông Thời gian Thực: Đảm bảo dữ liệu quan trọng đến đích trong khung thời gian yêu cầu.
• Chất lượng Dịch vụ (QoS): Ưu tiên lưu lượng mạng để ngăn ngừa tắc nghẽn và đảm bảo truyền thông nhất quán.
• Điều chỉnh Cấu trúc Mạng: Tạo ra các kiến ​​trúc mạng cung cấp khả năng dự phòng và khả năng chịu lỗi, chẳng hạn như cấu hình vòng.
• Mạng Nhạy cảm với Thời gian (TSN): Một tập hợp các kỹ thuật trong Ethernet giúp mạng có tính xác định và phù hợp với các ứng dụng thời gian thực.
• Phần cứng Bền bỉ: Sử dụng thiết bị có thể chịu được nhiệt độ, độ rung và nhiễu khắc nghiệt, với các giải pháp cáp mạnh mẽ.

Lợi ích của Ethernet công nghiệp

Việc chuyển đổi sang Ethernet công nghiệp được thúc đẩy bởi nhu cầu nâng cao hiệu suất, độ tin cậy và khả năng tương tác trong các môi trường công nghiệp. Việc áp dụng công nghệ này mang lại nhiều lợi ích quan trọng như sau:

• Hiệu suất vận hành theo thời gian thực: Cực kỳ quan trọng đối với các hệ thống yêu cầu hoạt động đồng thời và đồng bộ.
• Tiêu chuẩn hóa trên nhiều nền tảng: Đảm bảo các thiết bị và hệ thống từ nhiều nhà cung cấp khác nhau có thể giao tiếp hiệu quả với nhau.
• Khả năng mở rộng: Cho phép mở rộng mạng mà không cần thay đổi cấu trúc lớn.
• Độ bền cao: Được thiết kế để hoạt động trong điều kiện công nghiệp khắc nghiệt, giúp giảm chi phí thay thế và thời gian ngừng hoạt động.
• Cải thiện khả năng chẩn đoán: Cung cấp công cụ hỗ trợ bảo trì chủ động, giúp ngăn ngừa sự cố bất ngờ.
• Tích hợp dữ liệu liền mạch: Thu thập và chia sẻ dữ liệu vận hành trên nhiều cấp độ trong doanh nghiệp, hỗ trợ ra quyết định chiến lược.
• Tăng năng suất: Tối ưu hóa quy trình công nghiệp, qua đó nâng cao hiệu quả hoạt động tổng thể.