Màn hình HMI SCADA

Làm thế nào HMI có thể giải quyết vấn đề truyền thông Ethernet công nghiệp?

Kết nối nhiều giao thức Ethernet công nghiệp khác nhau được tìm thấy trong một nhà máy hoặc cơ sở điển hình có thể là một sự nhức đầu, nhưng một HMI có thể làm giảm đau.
Làm thế nào HMI có thể giải quyết vấn đề truyền thông Ethernet công nghiệp?
Marcia R. Gadbois, Tổng Giám đốc và Phó Chủ tịch của nhóm Wonderware InduSoft Web Studio của Schneider Electric:

Do sự phổ biến của IoT và IIoT, cùng với các yếu tố khác, các biến thể của Ethernet công nghiệp chưa bao giờ lớn hơn. Khi kết nối dữ liệu và thông tin trên sàn nhà máy, làm thế nào có thể tất cả các giao thức Ethernet công nghiệp khác nhau giao tiếp? Một giải pháp: sử dụng một HMI hiện đại như là một cổng kết nối các giao thức Ethernet công nghiệp thông thường, với trọng tâm là giao tiếp thông điệp và các giao thức thông tin.

Nhiều hệ thống tự động hóa và mạng lưới cũ đã trở nên lỗi thời nhưng chúng vẫn hoạt động rất tốt. Ethernet công nghiệp phát triển từ một phiên bản trước của Ethernet, và bao gồm nhiều tính năng từ chuẩn truyền thông kiểu fieldbus được cho là được sử dụng thay vì Ethernet. Các tiêu chuẩn kiểu fieldbus này bao gồm DeviceNet, Hệ thống Diện tích Điều khiển (CAN), Profibus, Modbus và CCLink. Các mạng này vẫn được sử dụng rộng rãi, nhưng chúng đang dần chuyển sang phía lỗi thời của quy mô.

Công nghệ đang chuyển nhiều từ các mạng nối tiếp này sang Ethernet công nghiệp để tận dụng tốc độ và sự linh hoạt của nó. Ethernet công nghiệp hiện đang xử lý các mạng điều khiển thời gian thực và rất phù hợp để liên lạc với các thiết bị phức tạp hơn như điều khiển chuyển động và ổ đĩa. Nó cũng cung cấp công nghệ để kết nối với IIoT.
Sơ đồ mô tả truyền thông Ethernet. Một HMI có thể được sử dụng như một trung tâm truyền thông để cho phép truyền thông giữa nhiều giao thức Ethernet. (do InduSoft cung cấp).
Sơ đồ mô tả truyền thông Ethernet. Một HMI có thể được sử dụng như một trung tâm truyền thông để cho phép truyền thông giữa nhiều giao thức Ethernet. (do InduSoft cung cấp).


Mặc dù nhiều mạng đã thay đổi từ sở hữu sang các chuẩn mở, Ethernet thiết lập thanh là hầu hết mở của tất cả các mạng về phần cứng, nhưng không phải đối với tất cả các lớp giao thức truyền thông của nó, đặc biệt đối với các ứng dụng công nghiệp. Tất cả các biến thể của Ethernet công nghiệp chia sẻ một số hoặc tất cả phần cứng, nhưng vẫn còn nhiều giao thức Ethernet khác nhau, bao gồm:

-CPnetnet TCP / IP
-EtherNet / IP
-Modbus TCP / IP
-Profinet
-Ethernet Powerlink
-EtherCAT
-Sercos III
-CC-Link IE

Ethernet TCP / IP là chuẩn hàng đầu cho truyền thông trên phần cứng Ethernet. Mô tả đơn giản là đó là kết nối internet giữa hai hoặc nhiều thiết bị đảm bảo dữ liệu được gửi và phân phối chính xác. Hầu hết các giao thức Ethernet công nghiệp khác đều sử dụng tất cả hoặc một phần của giao thức này theo nhiều cách khác nhau.

Biểu đồ này liệt kê một số các giao thức Ethernet công nghiệp hàng đầu và tỷ lệ chấp nhận kế hoạch. (được sự cho phép của IHS).
Biểu đồ này liệt kê một số các giao thức Ethernet công nghiệp hàng đầu và tỷ lệ chấp nhận kế hoạch. (được sự cho phép của IHS).


Các giao thức Ethernet công nghiệp khác nhau được phát triển bởi các nhà sản xuất tự động hóa hàng đầu. Ví dụ, EtherNet / IP được phát triển bởi Rockwell Automation và được tạo ra từ DeviceNet và ControlNet bằng cách sử dụng CIP cùng với giao thức TCP / IP. Giống như hầu hết các giao thức Ethernet công nghiệp khác, EtherNet / IP hiện đang được mở và quản lý bởi một nền tảng độc lập.

Modbus TCP / IP là phiên bản Ethernet công nghiệp của giao thức Modbus RTU ban đầu được phát triển bởi Modicon năm 1979. Đây là một cấu hình máy khách / máy chủ dễ thực hiện nhưng không xác định được.

Profinet là phiên bản Ethernet công nghiệp của Profibus. Đó là giao thức được Siemens lựa chọn và nhiều nhà cung cấp ở Châu Âu, và nó có ba phiên bản khác nhau cung cấp mức độ hiệu suất khác nhau.

Powerlink đã được phát triển bởi B & R Automation và nằm trên đầu trang của IEEE 802.3, Ethernet Media Access Control (MAC) lớp.
Đồng bộ hóa thời gian, cho phép bởi một nút quản lý, quản lý, làm cho nó một lựa chọn nhanh chóng và xác định.

EtherCAT được phát triển bởi Beckhoff Automation sử dụng giao thức mức MAC. Phần lớn dữ liệu được xử lý trong lớp phần cứng để giảm độ trễ, làm cho nó một sự lựa chọn tốt cho các ứng dụng chuyển động tốc độ cao với nhiều nút kết nối.

Sercos III giống như EtherCAT với việc xử lý gói tin on-the-fly để điều khiển thời gian thực rất nhanh, và thêm giao tiếp TCP / IP. Nó thường được sử dụng trong các ứng dụng ổ đĩa servo.

CC-Link IE đã được phát triển bởi Mitsubishi, và nó có một phiên bản kiểm soát và lĩnh vực. Phiên bản điều khiển liên kết các bộ điều khiển với nhau, và phiên bản trường kết nối các thành phần I / O và điều khiển chuyển động. Cả hai phiên bản đều sử dụng lớp liên kết dữ liệu Ethernet.
 

HMI cho phép truyền thông Ethernet

Mặc dù nhiều giao thức Ethernet của Industrial Ethernet có thể truyền qua một cáp Ethernet nhưng chúng lại chứa các kiểu tin nhắn và lược đồ dữ liệu khác nhau làm cho họ không thể liên lạc trực tiếp với nhau. An HMI là một giải pháp cho phép truyền thông giữa các giao thức khác nhau.

HMI có thể dựa trên máy tính hoặc có thể chạy trên một hệ điều hành nhúng như Windows Embedded hoặc Linux. Trong cả hai trường hợp, HMI hoạt động như một trung tâm truyền thông, cho phép các giao thức Ethernet khác nhau nói chuyện với nhau.

Là một trung tâm truyền thông, một HMI cho phép các nhà tích hợp hệ thống và nhà chế tạo máy kết hợp phần cứng từ nhiều nhà sản xuất và dễ dàng cập nhật các hệ thống kế thừa với các thiết bị mới. Sử dụng Ethernet và phần mềm HMI hiện đại cũng giúp tạo các giao diện từ xa hoặc dựa trên web dễ dàng hơn, cho phép các nhà điều hành xem và điều khiển máy móc và quy trình từ bất cứ đâu. Bước đầu tiên khi triển khai HMI như là trung tâm truyền thông là chọn đúng phần mềm. Mặc dù nhiều HMI dựa trên PC hỗ trợ các giao thức Ethernet công nghiệp hàng đầu, nhưng một số HMI nhúng chỉ có thể hoạt động với một số ít.

Mặt khác, phần mềm HMI phù hợp, cho dù là nhúng hay dựa trên PC, cung cấp một lựa chọn mở. Các HMI này có thể giao tiếp với hàng trăm giao thức công nghiệp, nối tiếp và Ethernet, cho phép người dùng kết nối với bất kỳ loại thành phần tự động hóa công nghiệp nào với một cổng truyền thông. Một số gói phần mềm HMI cũng hỗ trợ truyền thông với các giao thức tùy chỉnh và độc quyền, mặc dù điều này luôn đòi hỏi một số cấu hình hoặc lập trình.
 

Ưu điểm của một trung tâm HMI

Tại sao sử dụng một trung tâm HMI thay vì một giải pháp thay thế? Rốt cuộc, người ta có thể sử dụng các bộ chuyển đổi giao thức dựa trên phần cứng, hoặc thậm chí chuyển toàn bộ nhà máy hoặc cơ sở sang một giao thức.

Việc lựa chọn và cấu hình trình điều khiển giao thức phần mềm trong phần mềm HMI để giao tiếp với một thiết bị mới thông qua Ethernet hoặc một số giao thức truyền thông công nghiệp khác đơn giản hơn là thêm phần cứng chuyển đổi giao thức và nó cũng là lựa chọn chi phí thấp. Số lượng bộ chuyển đổi giao thức yêu cầu có thể nhanh chóng nhân lên, buộc các nhà máy và cơ sở phải tồn trữ nhiều thành phần. Mặc dù không phổ biến, các trục trặc phần cứng xảy ra, và những điểm hỏng hóc này có thể được loại bỏ thông qua cách tiếp cận dựa trên phần mềm.

Chuyển đổi tất cả các thành phần tự động hóa trong nhà máy sang một giao thức thường không thực tế, đặc biệt là trong các nhà máy và phương tiện cũ. Nhiều thiết bị có thể chạy trên các giao thức khác nhau, đặc biệt là trong các hệ thống tự động kế thừa. Khi ngành công nghiệp di chuyển để kết nối với các hệ thống kế thừa để làm cho họ trở thành một phần của IIoT, việc chuyển sang một giao thức chung sẽ tốn kém vì nó sẽ yêu cầu thay thế các hệ thống tự động hóa cũ mà vẫn hoạt động bình thường.

Ngay cả trong các hệ thống mới, một số thiết bị OEM sẽ sử dụng các giao thức khác nhau. Thay vì phá vỡ các hệ thống tự động hoạt động tốt, hoặc yêu cầu các nhà cung cấp OEM tuân thủ một tiêu chuẩn giao thức, và HMI có thể thực hiện các kết nối yêu cầu. Điều này đặc biệt hiệu quả trong việc giám sát các ứng dụng mà các giao thức thời gian thực không cần thiết. Ví dụ, nhiều mặt hàng của thiết bị OEM sử dụng hệ thống tự động hóa trên bảng để kiểm soát hoạt động, với việc truyền thông tới các hệ thống khác để theo dõi và điều phối thông qua HMI. Bảng 2 tóm tắt những ưu điểm của việc sử dụng HMI làm trung tâm truyền thông. Những ưu điểm này bao gồm:

Làm việc với một loạt các giao thức cùng một lúc
-Dễ dàng mở rộng

Chi phí thấp hơn bằng cách sử dụng các bộ chuyển đổi giao thức riêng biệt
-Thường là thực tế hơn sau đó chuyển sang một giao thức chung
-Dễ dàng để chương trình tích hợp dữ liệu Ethernet
- Cung cấp an ninh không gian mạng giữa sàn nhà máy và internet / intranets

Việc sử dụng thẻ để trao đổi dữ liệu giữa các bộ điều khiển tự động là phổ biến, và bây giờ dễ dàng nhập các tên thẻ từ một bộ điều khiển sang một HMI, đẩy nhanh quá trình hội nhập và giảm thời gian phát triển.

Cuối cùng, khi Ethernet công nghiệp dựa trên Ethernet thương mại phát triển, yêu cầu bảo mật và các chức năng được hiểu rõ. Mặc dù thực tiễn thiết kế tốt giữ cho mạng văn phòng / doanh nghiệp tách khỏi mạng điều khiển, một số quy tắc và thủ tục về an ninh mạng có thể được thực hiện để giữ cho cả hai mạng an toàn.
 

Trong ứng dụng công nghiệp

Trong một hệ thống lắp ráp lớn, thường có nhiều thiết bị bao gồm bộ điều khiển, robot, ổ đĩa, bộ điều khiển chuyển động và cảm biến thông minh (hình 2). Tất cả các thiết bị này có thể được kết nối với mạng Ethernet công nghiệp sử dụng các giao thức khác nhau. Các kết nối này có thể được cho kiểm soát thời gian thực, hoặc cho các mục đích dữ liệu và thông tin.

HMI trong ứng dụng công nghiệp


Để kiểm soát thời gian thực, giao thức đã chọn nên tập trung vào hoạt động xác định của máy móc và thiết bị. Phương pháp hiệu quả nhất là sử dụng một giao thức duy nhất. Nếu giao tiếp tốc độ cao giữa các giao thức khác nhau là cần thiết, phần mềm chuyển đổi giao thức có thể là câu trả lời thực tế duy nhất vì việc chuyển đổi các giao thức thông qua phần mềm HMI sẽ mất quá nhiều thời gian.

Đối với mạng dữ liệu và thông tin, HMI có thể giao tiếp với nhiều thiết bị đồng thời thông qua nhiều giao thức. Nó có thể được sử dụng để trao đổi dữ liệu giữa các hệ thống tự động hóa khác nhau để phối hợp và trình tự. HMI cũng có thể thu thập, lưu trữ, xử lý và truyền tải thông tin tới các nền tảng khác như ERP, quản lý sản xuất và các hệ thống quản lý tài sản. Tất cả những dữ liệu này cần phải tiến triển thành thông tin mà không ảnh hưởng đến mạng lưới kiểm soát. HMI có thể thực hiện nhiệm vụ này bằng cách trao đổi dữ liệu đã chọn với các hệ thống cấp cao hơn, trong khi vẫn giữ các nhà khai thác thông báo với thông tin hoạt động trong thời gian thực.

Điểm mấu chốt là các mạng thời gian thực cần phải chạy nhanh và không thể bị chậm lại bằng việc thu thập và thông tin dữ liệu. Người dùng có thể thiết lập các ưu tiên bằng cách sử dụng HMI như là một hub cùng với các thiết bị chuyển mạch Ethernet và router thích hợp. Điều này cho phép trao đổi dữ liệu với các hệ thống cấp cao hơn, và giữa các hệ thống tự động hóa khác nhau, ít hoặc không ảnh hưởng đến các chức năng điều khiển thời gian thực của mạng.

HMI phù hợp có thể được sử dụng như là một trung tâm trong một mạng Ethernet công nghiệp để liên kết các hệ thống tự động hóa, thiết bị và máy móc. Nó thường là lựa chọn tốt nhất để kết nối nhiều giao thức khác nhau, đủ linh hoạt để sử dụng trong các ứng dụng cũ hoặc mới. Nó cũng có chi phí thấp và dễ tích hợp.

 
(theo InduSoft)
Gọi điện thoại