Tối ưu tự động hóa quy trình với Ethernet-ALP: từ hiểu biết đến hành động

Ethernet – ALP (lớp vật lí cải tiến cho mạng Ethernet) chỉ rõ những chi tiết về ứng dụng của truyền thông ethernet tới các cảm biến và các thiết bị truyền động trong công nghiệp được công bố bởi IEC.

Nó được dựa trên mẫu mới của 10BASE-T1L (IEEE802.3cg-2019). Lớp vật lí Ethernet tiêu chuẩn được phê chuẩn vào ngày 7 tháng 11 năm 2019, chỉ ra cách thực hiện cũng như phương pháp chống cháy nổ để sử dụng ở những nơi vô cùng nguy hiểm.

Các công ty hàng đầu trong lĩnh vực tự động hoá quy trình đang hợp tác cùng nhau dưới sự bảo trợ của PROFIBUS and PROFINET International (PI), ODVA, Inc., and FieldComm Group để giúp Ethernet-APL hoạt động thông qua các giao thức truyền thông công nghiệp và đẩy nhanh quá trình triển khai.

Vậy tại sao Ethernet-APL lại quan trọng? Ethernet-APL sẽ thay đổi quá trình tự động hoá trên thế giới bằng cách thực hiện tốc độ truyền dữ liệu lớn, liền mạch đồ thị liên thông Ethernet tới các thiết bị hiện trường. Nó giải quyết các thách thức bao gồm nguồn điện, băng thông, hệ thống cáp, khoảng cách và việc sử dụng trong những môi trường nguy hiểm. Những thách thức này được giải quyết bằng cách nâng cấp trường nâu và cài đặt trường xanh mới. Ethernet-APL sẽ mang lại những hiểu biết mới mà trước đây không có, chẳng hạn như kết hợp các biến quy trình, tham số phụ và phản hồi tình trạng tài sản, đồng thời kết nối liền mạch với lớp điều kiển. Những hiểu biết mới này sẽ đánh thức những khả năng mới cho việc phân tích dữ liệu, thực hiện ý tưởng và cải thiện năng suất thông qua mạng lưới Ethernet hội tụ từ các vùng khác nhau của điện toán đám mây (xem Hình 1).

Để thay thế 4mA thành 20mA hoặc truyền thông mạng điều khiển cục bộ (truyền thông hai chiều hay PROFIBUS PA) với Ethernet-APL trong tự động hoá quy trình các thiết bị, cả nguồn lẫn dữ liệu được cung cấp cho các cảm biến và bộ truyền động. Khoảng cách giữa các thiết bị cấp trường và hệ thống điều khiển trong các ứng dụng tự động hóa quy trình là một thách thức đáng kể đối với các công nghệ lớp vật lý Ethernet công nghiệp hiện có bị giới hạn ở 100 m.

Với khoảng cách lên tới 1 km cần thiết trong các ứng dụng tự động hóa quy trình, kết hợp với nhu cầu về các thiết bị hiện trường mạnh mẽ và công suất rất thấp phù hợp để sử dụng trong các ứng dụng Vùng 0 (an toàn nội tại), một cách tiếp cận mới để hiện thực hóa công nghệ lớp vật lý Ethernet cho tự động hóa quy trình đã được ra đời. Ethernet-APL được dựa trên khả năng song công của lớp vật lí 10BASE-T1L, cân bằng, sự phối hợp giao thức giao tiếp với sự điều chế tín hiệu PAM 3 ở mức 7.7 MBd, lập trình 4B3T. Nó hỗ trợ hai chế độ biên độ, đỉnh 2,4 V cho cáp lên tới 1000 m và đỉnh 1,0 V ở khoảng cách giảm. Chế độ biên độ cực đại 1,0 V, nghĩa là công nghệ lớp vật lí mới này cũng có thể được sử dụng trong môi trường của hệ thống lớp chống nổ (Ex) và và đáp ứng các hạn chế nghiêm ngặt về năng lượng tối đa. 10BASE-T1L cho phép truyền khoảng cách xa bằng công nghệ hai dây cả nguồn và dữ liệu qua cáp xoắn đôi được bảo vệ.

Khi nói đến việc cung cấp điện cho các thiết bị hiện trường, Ethernet-APL có thể cung cấp tới 500 mW trong các ứng dụng Vùng 0, so với mức khoảng 36 mW được cung cấp bởi các hệ thống 4 mA đến 20 mA hiện nay. Trong các ứng dụng không an toàn về mặt nội tại, có thể có công suất lên tới 60 W tùy thuộc vào cáp được sử dụng. Với lượng điện năng sẵn có nhiều hơn đáng kể ở rìa mạng, các thiết bị hiện trường mới với các tính năng và chức năng nâng cao có thể được kích hoạt do giới hạn nguồn điện từ 4 mA đến 20 mA và bus trường không còn được áp dụng. Ví dụ: hiện có thể đo hiệu suất cao hơn và xử lý dữ liệu ở biên nâng cao với sức mạnh bổ sung này. Điều này sẽ mở ra những hiểu biết sâu sắc có giá trị về các biến quy trình mà giờ đây sẽ có thể truy cập được thông qua máy chủ web chạy trên các thiết bị cấp trường (tài sản hiện trường) và cuối cùng sẽ thúc đẩy cải tiến và tối ưu hóa trong luồng quy trình và quản lý tài sản.

Để khai thác tập dữ liệu phong phú chứa nhiều hiểu biết mới có giá trị này, cần có liên kết truyền thông băng thông cao hơn để phân phối tập dữ liệu từ các thiết bị hiện trường mới này trong quá trình cài đặt quy trình tới cơ sở hạ tầng cấp nhà máy hoặc lên đám mây để xử lý. Ethernet-APL loại bỏ nhu cầu về các cổng phức tạp, nguồn điện và cho phép mạng Ethernet hội tụ trên các miền công nghệ thông tin (IT) và công nghệ vận hành (OT). Mạng hội tụ này mang lại khả năng cài đặt đơn giản, thay thế thiết bị dễ dàng cũng như vận hành và cấu hình mạng nhanh hơn. Điều này giúp cập nhật phần mềm nhanh hơn với việc phân tích nguyên nhân gốc rễ được đơn giản hóa và bảo trì các thiết bị trường

Những lợi ích của giải pháp Ethernet-APL

Bằng cách hội tụ lên Ethernet-APL, sự cần thiết những cổng ra vào đắt đỏ, phức tạp, tốn điện đã được loại bỏ. Điều này còn thực hiện khả năng chuyển đổi từ cơ sở hạ tầng fieldbus cục bộ, tạo ra sự đảo lộn dữ liệu nơi mà việc truy cập vào các dữ liệu trong các thiết bị cấp trường bị hạn chế. Bằng cách loại bỏ các cổng điều khiển này, chi phí và độ phức tạp của các cài đặt cũ đã giảm đáng kể và các đảo dữ liệu mà chúng tạo ra cũng được loại bỏ.

Các ứng dụng quy trình tự động hoá hiện nay đã sử dụng các tiêu chuẩn truyền thông cũ, như trong bảng 1, có một số hạn chế mà tiêu chuẩn Ethernet mới 10BASE-T1L có thể vượt qua. 10BASE-T1L cung cấp khả năng tái sử dụng một số cáp đã lắp đặt sẵn có, tạo ra những cơ hội lớn hơn cho việc nâng cấp cơ sở hạ tầng cũ trong các cài đặt quy trình tự động hoá sử dụng Ethernet-APL dựa trên lớp vật lý 10BASE-T1L.

Để kết nối với thiết bị hỗ trợ Ethernet-APL, cần có một bộ xử lý chủ có khả năng điều khiển truy cập trung bình (MAC) tích hợp hoặc một công tắc Ethernet với cổng 10BASE-T1l (Hình 2).

Cấu trúc liên kết mạng và cáp Ethernet-APL

10BASE-T1L không xác định một phương tiện truyền cụ thể (cáp), thay vào đó, nó xác định mô hình kênh (các yêu cầu về suy hao phản hồi và suy hao chèn). Mô hình kênh này rất phù hợp với cáp fieldbus loại A hiện đang được sử dụng cho PROFIBUS PA và Foundation Fieldbus.

Do đó, một số cáp cài đặt từ 4mA đến 20mA có thể tái sử dụng được với Ethernet-APL. Cáp xoắn đơn có những ưu điểm như chi phí thấp, kích thước nhỏ và dễ dàng lắp đặt hơn so với cáp phức tạp hơn.

Hình 3 thể hiện mạng lưới topology đề xuất cho Ethernet-APL, được gọi là mạng topology cành và nhánh. Cáp cành có thể dài tới 1km với biên đọ PHY là đạt tới 2.4V và nằm ở khu vực1, phân khu 2. Cáp nhánh có thể dài tới 200m với biên độ PHY là đạt tới 1.0V và nằm ở Khu vực 0, phân khu 1. Một công tắc điện nằm ở mức điều khiển, cung cấp chức năng của công tắc Ethernet và cung cấp nguồn điện cho cáp (qua đường dữ liệu). Công tắc trường nằm ở mức trường trong khu vực nguy hiểm và được cấp nguồn từ cáp. Các công tắc trường cung cấp chức năng công tắc Ethernet kết nối các thiết bị cấp dộ trường trên nhánh để kết nối với cành và truyền nguồn cho các thiết bị cấp độ trường.

Nhiều công tắc trường được kết nối trên cáp cành để đáp ứng số lượng lớn các thiết bị cấp độ trường được kết nối vào mạng.

Thiết bị Ethernet-APL mới để tạo cơ hội mới

Các thiết bị Ethernet-APL mới sẽ tạo ra cơ hội mới cho quá trình tự động hoá được kết nối từ trường đến điện toán đám mây một cách liền mạch, bao gồm các vị trí nguy hiểm cho các cài đặt thực phẩm và đồ uống, dược phẩm và dầu khí. Với điện năng đáng kể hơn, các thiết bị trường mới hỗ trợ Ethernet-APL với các tính năng và chức năng nâng cao có thể được hỗ trợ. Những thiết bị mới này sẽ mở kho dữ liệu phong phú cho việc tính toán điện toán đám mây với phân tích dữ liệu mạnh mẽ, thúc đẩy tối ưu hoá quá trình với thông tin hữu dụng. Mô hình kinh doanh mới cho ngành công nghiệp quy trình sẽ trở nên khả thi, để cung cấp quy trình sản xuất phức tạp hơn và tạo ra giá trị từ những hiểu biết mới mà hiện đang có sẵn.

Các giải pháp hiện có

ADI đã mở rộng danh mục ADI Chronous với các sản phẩm mới mang lại kết nối Ethernet 10BASE-T1L bền vững cho quá trình tự động hoá để hỗ trợ Ethernet-APL. Các giải pháp Ethernet công nghiệp mới được cung cấp trong hai lựa chọn linh hoạt là MAC PHY (ADIN1110) và PHY (ADIN1100). ADIN1110 cho phép thiết kế hệ thống tiết kiệm năng lượng nhất trong ngành, giúp đơn giản hoá việc nâng cấp cho Ethernet trong các thiết bị trường, cảm biến hoặc lắp đặt, và bảo toàn đầu tư hiện tại trong phần mềm và công nghệ xử lí. Công nghệ MAC-PHY độc đáo của ADI cung cấp giao diện SPI cho các bộ xử lí tiết kiệm năng lượng mà không tích hợp MAC, để giảm tiêu thụ năng lượng của hệ thống tổng hợp. ADIN1100 cung cấp các giao diện Ethernet tiêu chuẩn và hỗ trợ trong các thiết kế phức tạp hơn như phát triển công tắc trường. Các giải pháp 10BASE-T1L ADIN1100 và ADIN1110 của ADI có thể truyền dữ liệu qua 1.7km cáp xoắn đơn và chỉ tiêu thụ 39mW và 43mW điện năng mỗi chiếc. Năng lượng của một dây đơn Ethernet (SpoE) hoặc giải pháp nguồn được thiết kế kết hợp với 10BASE-T1L PHY hoặc MAC-PHY cung cấp cả nguồn điện và dữ liệu qua một cái cáp xoắn đơn.

Để biết thêm thông tin về danh mục giải pháp Ethernet công nghiệp ADI Chronous và cách chúng đang tăng tốc quá trình chuyển đổi thành các mạng Ethernet công nghiệp thực tế, vui lòng truy cập analog.com/chronous.

Minh Trí (theo Analog)