Hỗ trợ cho mạng I/O không dây

Hỗ trợ cho mạng I/O không dây Ngành tự động hóa ngày càng phát hiện ra sự hấp dẫn của mạng không dây vì một số lý do dưới đây: • Việc sử dụng mạng có dây yêu cầu chi phí nguyên vật liệu và nguồn lao động đáng kể, trong khi đó chi phí cho mạng không dây thấp hơn rất nhiều • Mạng không dây vẫn phủ sóng ở những khu vực hẻo lánh hoặc những nơi mà hiện nay mạng có dây không kết nối được • Người điều khiển mạng không dây và I/O có thể quản lý được các thiết bị và quá trình thậm chí trong cả những khu vực không thể truy cập được, hoặc những vùng mà mạng có dây rất khó hoặc không thể cài đặt được • Mạng không dây cung cấp giải pháp ‘Proof of concept’ cho dự án mới trước khi phát sinh ra một khoản chi phí cho mạng có dây Với tất cả những lý do trên, kỹ sư tự động hóa bắt đầu xem xét một cách nghiêm túc về giải pháp mạng không dây (đặc biệt là mạng WLAN, Ethernet không dây, hoặc Wi-Fi) cho tất cả hoặc một phần ứng dụng của họ. Tuy vậy mặc dù với tất cả những lý do thuyết phục trên để sử dụng mạng không dây thì vẫn có một số những vấn đề đáng lo ngại. Trong số những vấn đề đó là an ninh, độ tin cậy, sự sẵn có, khả năng hoạt động của hệ thống và giá thành của bộ phận I/O, và tính cần thiết của việc lựa chọn giữa giải pháp có dây và không dây. Bảo mật thông tin mạng Mạng không dây vẫn là một mạng dễ bị tấn công. Chỉ cần bạn đứng ngoài một tòa nhà cao tầng với chiếc laptop và kiểm tra xem có mạng không dây không. Bạn có thể truy cập được bao nhiêu máy chủ mà không cần password? Tuy nhiên, trong khi mạng không dây cá nhân thường gặp phải vấn đề về bảo mật thông tin thì mạng giành cho doanh nghiệp, công nghiệp và chính phủ được cải thiện trong suốt một thập kỷ qua và được rất nhiều các tổ chức chấp nhận sử dụng. Giao trình WEP (thuật toán nhằm bảo vệ sự trao đổi thông tin chống lại sự nghe trộm, kết nối mạng không được phép cũng như chống lại việc thay đổi hoặc làm nhiễu thông tin truyền) vốn được phát hiện chứa nhiều điểm yếu nghiêm trọng, được thay thế bởi những thuật toán mạnh hơn và đường truyền bảo mật hơn. WPA (Giải pháp bảo mật) gồm giao thức TIKP, thay cho giao trình WEP cũ vào năm 2003. WPA2 mới gần đây hơn được ra mắt năm 2004 sử dụng chuẩn AES 802.11i. Thuật toán mã hóa AES của chuẩn WPA2 hoàn toàn tương thích với FIPS 140-2 của Viện Tiêu chuẩn viễn thông châu Âu do một số cơ quan và tổ chức chính phủ yêu cầu. Những tiêu chuẩn này có thể bảo vệ hệ thống bảo mật dữ liệu. Nhằm mục đích bảo mật dữ liệu, sản phẩm tương thích với chuẩn WPA2 nên được sử dụng cho việc triển khai ứng dụng mạng không dây trong công nghiệp ngày nay. Hiệu quả hoạt động và độ tin cậy của mạng không dây Độ tin cậy của mạng không dây phụ thuộc vào nhiều yếu tố, gồm quy mô mạng lưới, môi trường tự nhiên, lượng khách hàng sử dụng mạng, dung lượng sử dụng và giao diện từ những thiết bị khác Đối với tất cả mạng không dây có quy mô nhỏ, thiết bị có thể vận hành tốt trong tất cả chế độ P2P, là chế độ mà từng thiết bị có thể phát hiện và giao tiếp với bất kỳ thiết bị nào có cấu hình tương thích trong phạm vi nhất định. Chế độ này đòi hỏi một khoản chi phí nho nhỏ cho phần cứng của mạng lưới và có thể có ích đối với mạng lưới không dây tạm thời. Đối với quy mô lớn hơn, chế độ cơ sở hạ tầng thường thích hợp hơn. Chế độ này điều khiển hướng liên lạc thông qua một hoặc nhiều điểm truy cập không dây (APs). Do việc truyền thông tin liên lạc bằng mạng không dây dựa vào tín hiệu radio thông qua môi trường chân không, nên môi trường tự nhiên có vai trò rất quan trọng trong việc quyết định hiệu quả hoạt động của mạng lưới không dây. Bất kỳ vật cản nào như gỗ, kim loại hay bê tông sẽ gây cản trở cho việc truyền tín hiệu. Giải pháp này là nhằm thay thế APs, đường truyền không dây, và thiết bị lặp tín hiệu không dây cần thiết để bao phủ toàn bộ khu vực yêu cầu truyền tín hiệu không dây. Độ tin cậy của mạng không dây cũng phụ thuộc vào số lượng khách thuê bao và đặc thù sử dụng của khách hàng. Việc truyền tín hiệu đơn giản thường chỉ đòi hỏi băng tần nhỏ, tín hiệu có dung lượng lớn hơn như chuyển file dữ liệu có dung lượng lớn hoặc kết nối với những trang đa phương tiện có thể làm chậm tốc độ đường truyền một cách đáng kể. Mạng lưới sử dụng 8002.11i hoặc chuẩn g có tốc độ truyền nhanh hơn (tối đa là 54 Mbps) so với việc sử dụng 802.11b (tối đa 11Mbps). Nhiễu RF và các vấn đề về EMC (tương thích điện từ) sẽ làm giảm khả năng hoạt động của mạng không dây khi những thiết bị khác như điện thoại không dây, thiết bị Bluetooth và thậm chí kể cả lò vi sóng làm nhiễu việc tiếp nhận tín hiệu của mạng không dây. Việc giảm tín hiệu nhiễu từ những thiết bị khác có lẽ gồm việc thay đổi tần số kênh trong một phạm vi nhất định hoặc chuyển sang tần số ít nghẽn hơn. Mạng không dây tương thích với 802.11b và chuẩn g sử dụng tần số 2.4 GHz, đây là tần số được khá nhiều thiết bị khác sử dụng. Chuyển tới một hệ thống tương thích với 802.11a có tần số 5 GHz có lẽ sẽ chịu ít tín hiệu nhiễu hơn mặc dù dải phạm vi ngắn hơn. Chuẩn không dây cũng khác nhau theo số lượng các kênh không chồng chéo lên nhau, chúng cho phép chuẩn 802.11b và chuẩn g chỉ cho phép 3, do vậy tần số phải được tái sử dụng khi hệ thống yêu cầu sử dụng hơn 3 APs. Chuẩn 802.11a cung cấp nhiều kênh. Sự sẵn có và chi phí của thiết bị I/O Trong khi có rất nhiều khách hàng lo lắng về tính bảo mật và hiệu quả hoạt động của mạng không dây, thì đối với ngành tự động hóa rất hiếm khi xuất hiện sự lo lắng về tính sẵn có và chi phí của I/O Hiện nay, phần lớn các nhà sản xuất ứng dụng tự động hóa trong việc cung cấp sản phẩm không dây thường đưa ra các dây chuyền sản phẩm đặc biệt khác với dây chuyền thông thường của họ. Giải pháp mạng không dây có lẽ được chấp nhận sử dụng hoặc phát triển bởi bộ phận riêng lẻ. Hoặc một bộ phận nhỏ của dây chuyền sản phẩm thông thường có thể thích ứng với việc ứng dụng mạng không dây bằng những thiết bị chuyên chở module hoặc các thiết bị tương tự khác. Tuy nhiên, những giải pháp này có thể gây ra các vấn đề cho người sử dụng tự động hóa. Như là một phần của dây chuyền sử dụng mạng không dây tách biệt hoặc một bộ phận của các sản phẩm thông thường, I/O không dây có thể không có những đặc tính mà chương trình ứng dụng đòi hỏi- hoặc những đặc tính mà làm cho bản thiết kế đơn giản hơn ví dụ như phương pháp quấn dây đơn giản hơn cho các thiết bị trường. Ví dụ nếu một ứng dụng cần tín hiệu đầu vào đặc biệt hoặc tách từng kênh thì dây chuyền sản phẩm I/O không dây có lẽ không thích hợp. Tính sẵn có có giới hạn có thể đồng nghĩa với phương pháp tạm thời hoặc thậm chí loại bỏ khả năng mạng không dây. Để xây dựng được bất kỳ một mạng không dây có quy mô nào thì các kỹ sư tự động hóa thường hiểu rằng họ phải mua những thiết bị không dây chuyên dụng như thiết bị vận chuyển module, module I/O, giá đỡ, và đầu dây. Trong gần như tất cả các trường hợp, khách hàng sử dụng mạng không dây cho quá trình tự động hóa phải có kho phụ tùng dự phòng bên cạnh những thiết bị cần thiết khi sử dụng hệ thống có dây. Những thiết bị đặc biệt và phụ tùng dự phòng làm tăng chi phí của hệ thống mạng không dây. Giải pháp tốt nhất là tìm kiếm một nhà sản xuất mà dây chuyền không dây gồm phần lớn I/O đáng tin cậy và đòi hỏi rất ít thiết bị phụ trợ. Một cách lý tưởng thì tìm kiếm một nhà sản xuất mà dây chuyền I/O hoàn toàn độc lập với loại mạng này. Sự cần thiết khi lựa chọn giải pháp trước Mối lo ngại khác của các kỹ sư tự động hóa về việc sử dụng công nghệ không dây đó là sự sẵn có và vấn đề chi phí vừa mới đề cập phía trên: nếu phiên bản không dây ứng dụng trong dây chuyền sản phẩm của những nhà cung cấp khác nhau, thì các kỹ sư phải đưa ra quyết định ngay từ giai đoạn đầu của dự án là liệu nên sử dụng phương thức liên lạc có dây hay không dây. Họ cần phải cụ thể hóa các thiết bị và đưa ra giải pháp mạng lưới trước. Sau khi chọn được giải pháp mạng trong những ngày đầu thực hiện dự án, bước tiếp theo là họ cần phải vạch định các phần quan trọng trong việc thiết kế hệ thống từ phác thảo tổng quan đến bản chi tiết của thiết bị trường. Nếu phương pháp lựa chọn đó thể hiện sự bất hợp lý thì việc thay đổi phương pháp đòi hỏi thêm thời gian và chi phí đáng kể không chỉ để mua, lắp đặt và cấu hình thiết bị mới mà còn là để thiết kế lại. Và chi phí phát sinh này thường là chi phí mua I/O và thiết bị phần cứng cho mạng lưới, và đồng thời cũng gồm chi phí phần mềm cho việc cấp giấy phép, đào tạo và lập trình I/O không dây. Một cách lý tưởng I/O không dây từ các nhà sản xuất tự động hóa sẽ hoạt động giống như chiếc máy tính xách tay đặc biệt, có khả năng thích ứng với công nghệ có dây và không dây, do đó có thể tương thích với mạng có dây và không dây, trong khi cung cấp những chức năng tương tự và sử dụng cùng phần mềm với từng phương pháp. Một thời gian dài sau khi bạn mua chiếc laptop, có thể bạn sẽ lựa chọn loại mạng hoặc thay đổi từ mạng có dây sang mạng không dây tùy vào từng hoàn cảnh. Giải pháp cho mối lo ngại về mạng không dây Các nhà sản xuất tự động hóa có thể không phải mất khá nhiều thời gian và công sức để tìm ra biện pháp giải quyết vấn đề lo ngại của các kỹ sư về mạng không dây, nếu họ có thể làm 4 điều dưới đây: • Có hỗ trợ rất lớn của chuẩn không dây - không chỉ chuẩn 802.11b - cung cấp các lựa chọn cho kỹ sư nhằm nâng cao độ tin cậy của từng hệ thống riêng lẻ • Có hỗ trợ cho những chuẩn bảo mật hiện tại tốt nhất • Cung cấp một lọai I/O không dây - ý tưởng là cùng dây truyền sản phẩm sử dụng mạng có dây và giảm thiểu lượng lớn thiết bị bổ sung hoặc bộ adapter cần cho việc lắp đặt mạng không dây • Thiết kế bộ điều khiển và I/O có thể giao tiếp với cả mạng Ethernet có dây và không dây khi cần thiết. Mở rộng hỗ trợ cho chuẩn không dây Với mở rộng hỗ trợ cho chuẩn không dây, các nhà sản xuất sản xuất có thể sử dụng 802.11b và cung cấp cho các kỹ sư tự động hóa thêm lựa chọn để giải quyết những vấn đề của chương trình ứng dụng mạng không dây riêng cho họ. Nếu hỗ trợ này có trong tất cả ba chuẩn không dây được sử dụng phổ biến nhất ngày nay trên thế giới là IEEE-802.11a, b và g thì các kỹ sư có thể sử dụng các điểm truy cập mạng không dây, đường truyền và bộ nhắc lại từ bất kỳ nhà cung cấp nào gần nhất để xây dựng mạng không dây. Phụ thuộc vào nhu cầu của hệ thống, họ có thể chọn giải tần cao hơn là 5GHz để tránh tín hiệu nhiễu từ những thiết bị khác, hoặc họ có thể lựa chọn chuẩn cao hơn cho việc tốc độ truyền dữ liệu nhanh hơn. Họ cũng có thể lựa chọn giữa chế độ và hạ tầng sao cho phù hợp với quy mô và thiết kế mạng của họ. Hỗ trợ để đạt được sự bảo mật tuyệt đối nhất Về sự bảo mật của hệ thống, WEP không còn là giải pháp tối ưu nữa và thậm chí ngay cả WPA cũng kém hơn so với lý tưởng ban đầu đề ra. Thuật toán WPA2 sử dụng 802.11i AES cung cấp giải pháp bảo vệ cho các ứng dụng mạng không dây trong công nghiệp. Tuy nhiên, do một số ứng dụng có thể sử dụng chuẩn cũ hơn hoặc không yêu cầu đường truyền có tính bảo mật cao, thì hỗ trợ cho cả 3 chuẩn: WEP, WPA, và WPA2 nên có để cho tương thích sau này. Từ góc nhìn của kỹ sư tự động hóa, dây chuyền sản phẩm tách biệt ứng dụng mạng không dây hoặc một bộ pận của dây chuyền có dây thông thường rất khó để có thể phối hợp với nhau. Tuy nhiên khả năng có thể sử dụng thiết bị chung I/O cho cả mạng có dây và không dây sẽ tiết kiệm thời gian và kinh phí trong suốt quá trình vận hành và sử dụng. • Trong giai đoạn thiết kế, kỹ sư có thể hoàn toàn tự tin khi cụ thể hóa việc sử dụng I/O, và nhận biết ra bất kỳ I/O nào trên dây chuyền sản phẩm và sẽ làm việc với tất cả các mạng. • Trong suốt quá trình vận hành, cả 2 mạng có dây và không dây đều sử dụng phương pháp giống nhau và chi phí lắp đặt I/O và lắp đặt đường dây, và không cần thiết phải đào tạo lại cho các kỹ thuật viên. Nếu việc liên lạc được chuyển đổi từ mạng không dây sang mạng có dây vào bất kỳ thời điểm nào trong quá trình thực hiện dự án, không có bất kỳ khoản chi phí phát sinh nào diễn ra trong quá trình lắp đặt I/O và đường dây. • Trong suốt quá trình sử dụng hệ thống, chỉ cần một bộ dự phòng trong kho, thậm chí cả I/O có dây và không dây. Hơn nữa, mạng không dây có thể được xem là hữu dụng hơn nếu các nhà sản xuất yêu cầu ít thiết bị không dây hơn, cả chi phí hệ thống ban đầu và chi phí bộ dự phòng sẽ thấp hơn Hỗ trợ mạng có dây và không dây Với tính linh động, bộ điều khiển và I/O không dây sẽ hỗ trợ cả thiết bị liên lạc có dây và không dây, giống như máy tính xách tay. Nếu bạn có thể sử dụng mạng không dây hoặc mạng có dây hoặc tốt hơn là cả 2 cùng một lúc thì quyết định khó khăn cho việc sử dụng mạng nào không còn là khâu đầu của dự án nữa. Nếu một kỹ sư thiết kế dự án sử dụng công nghệ không dây và sau đó thấy rằng việc sử dụng mạng có dây sẽ ưu việt hơn thì anh ta vẫn có thể sử dụng cùng phần cứng đó. Bổ sung giao diện không dây cho bộ điều khiển và I/O có dây cũng cung cấp lựa chọn mới cho việc phân đoạn mạng. Ví dụ, các điểm I/O và bộ điều khiển quan trọng sẽ sử dụng giao diện mạng có dây trong khi phần bảo trì kém quan trọng, giải pháp hoặc nhiệm vụ HMI có thể thực hiện với mạng không dây khi sử dụng máy tính có cấu hình tương tự. Cũng giống như chiếc laptop, các chức năng hiện có trong bộ điều khiển và I/O sẽ vẫn duy trì tương tự, không liên quan gì đến việc sử dụng mạng nào. Chỉ khi nào môi trường tự nhiên khác nhau thì tất cả đặc điểm I/O và protocol hỗ trợ sẽ tương tự. Thậm chí ngay cả phần mềm cũng không phải thay đổi. Nguyên nhân là do việc điều khiển và chương trình HMI sẽ chạy trên cả mạng có dây và không dây mà không có sự chỉnh sửa nào, và không phải tốn thêm một khoản phí nào cho việc cấp phép, đào tạo, lập trình và bảo trì.