Tóm tắt - DeviceNet ™ và ControlNet ™ là hai mạng công nghiệp nổi tiếng dựa trên giao thức CIP (CIP = Control a Information Protocol). Cả hai mạng này đều được phát triển bởi Rockwell Automation, nhưng bây giờ được sở hữu và duy trì bởi hai tổ chức ODVA (Open DeviceNet Vendors Association) và ControlNet International. ODVA và ControlNet International gần đây đã giới thiệu thành viên mới nhất của gia đình này - EtherNet/IP ("IP" viết tắt của "Industrial Protocol"). Bài viết này mô tả các kỹ thuật và cơ chế được sử dụng để thực hiện một bộ đầy đủ các dịch vụ và đối tượng dữ liệu trên các giao thức TCP/UDP/IP dựa trên mạng Ethernet®.
I. Giới thiệuMột kiến trúc tự động hóa phải cung cấp cho người dùng ba dịch vụ chính.
Thứ nhất phần điểu khiển là quan trọng nhất. Các dịch vụ điều khiển bao gồm việc trao đổi các dữ liệu
time-critical giữa các thiết bị điều khiển như PLC và các thiết bị I/O như các bộ biến tần, cảm biến và bộ truyền động. Các mạng mà được giao nhiệm vụ truyền dữ liệu này phải cung cấp một số mức độ cài đặt ưu tiên và/hoặc khả năng gián đoạn/ngắt.
Thứ hai, các mạng phải cung cấp cho người dùng khả năng cấu hình để thiết lập và duy trì hệ thống tự động hóa của họ. Chức năng này thường đòi hỏi việc sử dụng một máy tính cá nhân (PC) hoặc công cụ tương đương cho việc lập trình các thiết bị khác nhau trong hệ thống. Điều này có thể được thực hiện khi chạy thử nghiệm, và cả trong thời gian chạy thực, chẳng hạn như quản lý phương thức trong các thao tác bó/ vận hành theo mẻ (batch operations).
Cuối cùng, một kiến trúc tự động hóa phải cho phép thu thập dữ liệu cho mục đích hiển thị trong các trạm MMI, phân tích và trending và/hoặc khắc phục sự cố và bảo trì. Các mạng có thể cung cấp tất cả ba dịch vụ - điều khiển, cấu hình và thu thập dữ liệu - mang lại sự linh hoạt và hiệu quả cao nhất cho hiệu năng của toàn bộ hệ thống tốt hơn. Các mạng dựa trên mô hình producer/consumer - nơi dữ liệu được xác định chứ không gắn với các địa chỉ nguồn và đích rõ ràng - có thể hỗ trợ điều khiển, cấu hình và thu thập các dịch vụ dữ liệu. Các lớp ứng dụng sử dụng các đối tượng phân tán và các dịch vụ truyền tin producer/consumer đáp ứng yêu cầu của kiến trúc tự động hóa. Trong việc cung cấp các dịch vụ này (hình 1 thể hiện một kiến trúc tự động hoá đặc trưng), không thể giả định rằng một lớp mạng đơn lẻ sẽ đáp ứng tất cả các yêu cầu của ứng dụng vì các lớp liên kết dữ liệu (data link layer) và lớp vật lý (physical layer) của mỗi mạng có các thuộc tính và lợi ích riêng. Trường hợp yêu cầu một cấu trúc mạng đa cấp (multi-level network structure), thì kiến trúc mạng đó phải cung cấp tính nhất quán của dữ liệu giữa các phân đoạn mạng khác nhau.
Hình 1: Kiến trúc tự động hoá đa cấp đặc trưng
Tương tự như vậy, khi những dịch vụ này được cung cấp trên một mạng Ethernet, không thể giả định rằng các dịch vụ khác sẽ không bắt buộc đối với phân khúc mạng đó. Các dịch vụ producer/consumer phải cùng hiện hữu đầy đủ với các dịch vụ khác mà có thể tồn tại trên phân đoạn mạng (ví dụ, http cho các trang web). Kiến trúc điển hình thể hiện trong hình 1 ở trên bao gồm một mạng cấp truyền thông (information level network) có thể được cung cấp bởi một phân đoạn mạng Ethernet, mà hầu hết các nhà cung cấp bộ điều khiển đã và đang cung cấp trong nhiều năm. Nó có một cấp điều khiển (control level), mà theo cách truyền thống thường được đánh giá các thuộc tính như hard determinism và media redundancy (như ControlNet của ControlNet International) và một cấp thiết bị (device level) yêu cầu khối lượng dữ liệu thấp với nguồn cấp và dữ liệu được cung cấp trong một cáp mạng đơn - a single robust network cable (như DeviceNet từ ODVA). ODVA và ControlNet International gần đây đã giới thiệu thành viên mới nhất của gia đình CIP - EtherNet/IP ("IP" là viết tắt của "Industrial Protocol"). Giao thức này thực hiện đủ bộ các dịch vụ dữ liệu gồm điều khiển, cấu hình, và thu thập dữ liệu trên một mạng Ethernet và do đó có thể được sử dụng cho cả cấp thông tin và điều khiển trong kiến trúc điển hình thể hiện trong hình 1.
Hình 2: Phạm vi đặc tả kỹ thuật EtherNet/IP
Ethernet/IP thực chất là gồm 2 phần - EtherNet và IP - ghép lại. Phần “EtherNet” đề cập đến Ethernet thương mại phổ dụng trên thị trường, còn “IP” là viết tắt của cụm từ ‘Industrial Protocol’ (giao thức công nghiệp). Không giống như nhiều giải pháp Ethernet công nghiệp khác, Ethernet/IP sử dụng giao thức mở sẵn có, đã được chấp nhận rộng rãi như CIP. Có thể gọi Ethernet/IP là hiện thân của CIP trong mạng Ethernet TCP/IP, cũng giống như DeviceNet là hiện thân của CIP trong mạng CAN (Controller Area Network).
Ethernet/IP sử dụng TCP/IP để gửi những thông điệp hiện (explicit messages). Trong đó, mỗi gói thông điệp không những bao gồm dữ liệu ứng dụng mà còn cả nghĩa dữ liệu và các dịch vụ kèm theo. Ethernet/IP còn dung hoà với chuẩn UDP/IP (User Datagram Protocol/Internet Protocol) để truyền các thông điệp dịch vụ, hay còn được biết đến dưới cái tên ‘thông điệp ngầm’ (implicit massages). Do dung hoà cả giao thức TCP/IP và UDP/IP trong thông điệp gửi qua mạng, nên các công ty có thể sử dụng Ethernet/IP cho việc lấy thông tin và điều khiển.
Kiến trúc giao thức Ethernet/IPNhư trên có thể thấy kiến trúc giao thức của Ethernet/IP dựa trên Ethernet (lớp vật lý-physical, lớp liên kết dữ liệu-Data Link, lớp vận chuyển-Transport và lớp mạng-Network), phần trên gồm các lớp kiểm soát nối-Sesion, lớp biểu diễn dữ liệu-Presentation và lớp ứng dụng-Application tuân theo CIP (Common Industrial Protocol).
Tập đoàn Rockwell Automation trình làng dãy sản phẩm Ethernet/IP đầu tay như Allen-Bradley ControLogix, ProcessLogix, họ bộ điều khiển PLC 5 và SLC 500. Tiếp theo sau đó là một loại các công ty, tập đoàn bắt đầu nghiên cứu, phát triển những sản phẩm Ethernet/IP.
Trong các ứng dụng truyền thống, một mạng thông tin kết nối bộ điều khiển logic khả trình với một mức cao cấp - hệ thống MES. Bộ điều khiển còn được nối tới một mạng thứ hai - các bus I/O - để kết nối toàn bộ thiết bị ngoại vi trong nhà máy. Người sử dụng cuối sẽ sử dụng mạng I/O để môđun hoá việc xây dựng và nối hệ thống, thu thập thông tin từ xa và quản lý tiến độ sản xuất.
Đối lập với ứng dụng truyền thống, hiện nay, bộ điều khiển có thể được nối tới mạng Ethernet/IP cho cả thông tin và I/O sử dụng kiến trúc mạng “flat”. Phụ thuộc vào từng ứng dụng, phương pháp này không những mang lại nhiều lợi ích hơn so với phương pháp truyền thống mà còn bổ sung nhiều tính năng, như:
- Những dịch vụ mới như âm thanh và hình ảnh. Có thể lắp đặt thêm camera để quan sát nhà máy và dòng sản phẩm từ xa;
- Tôpô mạng biến thiên: như thiết lập tất cả các đầu nút lập trình trong mạng LAN ảo. Điều này tạo sự dễ dµng cho các kỹ sư kết nối các điểm đầu nút trên một mạng, nhưng vẫn có thể tách biệt đa hệ thống điểu khiển;
- Tích hợp IT: như việc truy cập vào hệ thống MES từ sàn máy để kiểm tra và “refresh” thời gian thực thông tin lập lịch;
- Quản lý từ xa: như lập trình hệ thống điều khiển để nó có thể gửi một thông điệp tới pager bảo trì khi có hiện tượng cảnh báo lỗi;
Lợi ích của EtherNet/IP
Bởi vì ControlNet, DeviceNet và EtherNet/IP sử dụng chung giao thức lớp ứng dụng, chúng cũng chia sẻ một thư viện đối tượng và cấu hình thiết bị. Các đối tượng và cấu hình này cho phép khả năng tương thích plug-and-play giữa các thiết bị phức tạp từ nhiều nhà cung cấp. Các định nghĩa đối tượng là nghiêm ngặt và hỗ trợ truyền thông I/O thời gian thực, cấu hình và chẩn đoán trên cùng một mạng. Điều này có nghĩa là người dùng có thể kết nối với các thiết bị phức hợp như biến tần, bộ điều khiển robot, đầu đọc mã vạch và weigh scales mà không cần phần mềm tùy chỉnh. Kết quả là khởi động nhanh hơn và chẩn đoán vượt trội.
Lợi ích của EtherNet / IP
Ngoài ra, EtherNet / IP cung cấp cho người dùng cả dịch vụ thông báo hiện (thông tin) và ẩn (điều khiển). Do đó, EtherNet / IP cung cấp tất cả các dịch vụ cần thiết cho các mạng cấp điều khiển và cấp thiết bị - từ các cơ chế kích hoạt chuyển trạng thái change-of-state, thăm dò và tuần hoàn đến việc chuyển dữ liệu điểm-điểm và đa điểm (point-to-point and multicast). Cuối cùng, với sự chấp nhận nhanh chóng của ControlNet và DeviceNet, gần 400 nhà cung cấp từ khắp nơi trên thế giới đã phát triển hơn 500 sản phẩm tương thích cho bất kỳ mạng nào trong ba mạng. Điều này rất quan trọng nếu chỉ để minh họa rằng hỗ trợ cho EtherNet/IP là vô song và sẽ chỉ tiếp tục phát triển mà thôi.
Phần kết luận
Ba tiến bộ công nghệ: việc sử dụng Ethernet 100MBps, việc sử dụng các thiết bị chuyển mạch và các thiết bị đầu cuối hoạt động song công hoàn toàn (full duplex operation) đã giảm cả xác suất xung đột và hậu quả của chúng tới mức làm cho việc điều khiển I/O qua Ethernet là một lựa chọn rủi ro thấp có thể kiểm soát . Sự chấp nhận toàn cầu của Ethernet TCP/IP đã làm cho nó trở thành một lựa chọn phổ biến cho nhiều người dùng cuối (end users) và cho một loạt các ứng dụng mạng. Nó cung cấp một sự phong phú của các sản phẩm tương thích, thông lượng dữ liệu cao, và các thành phần thương mại có sẵn với chi phí tương đối thấp. Mô hình tương lai cho Ethernet là một trong những đối tượng phân tán truyền thông theo kiểu ngang hàng (peer-to-peer fashion), trong các mạng intranet ( corporate intranets) và qua cả Internet. Trong môi trường này, các thiết bị Ethernet plant-floor sẽ được yêu cầu để tương tác với các ứng dụng thông tin corporate cũng như hỗ trợ điều khiển, thường trên cùng một mạng. Khách hàng sẽ yêu cầu các thiết bị từ các nhà cung cấp khác nhau vận hành trên cùng một mạng. Đạt được mục tiêu này sẽ yêu cầu sự thông qua/sự chấp nhận một lớp Ứng dụng mà:
- được xếp lớp trên TCP/IP (và UDP/IP)
- thực hiện một mô hình đối tượng phân tán
- cho phép điều khiển và truyền tin cùng tồn tại trên cùng mạng Ethernet
- cung cấp các dịch vụ mạng producer/consumer
- đáp ứng các yêu cầu đa dạng của ngành công nghiệp tự động hóa công nghiệp
- được chấp nhận và thực hiện bởi nhiều nhà cung cấp tự động hóa
Đây là một nhu cầu quan trọng trong ngành công nghiệp nếu điều khiển thời gian thực và khả năng tương tác phổ quát qua Ethernet TCP/UDP/IP sẽ được thực hiện.
