Sử dụng Ethernet cho máy móc và robot

Sử dụng Ethernet cho máy móc và robot Các nhà sản xuất hàng loạt (OEM) ngày càng sử dụng mạng công nghiệp để kết nối HMI, bộ điều khiển, I/O phân tán, dụng cụ đo và cảm biến với nhau trong máy hoặc robot để kết nối hệ thống điều khiển, liên lạc của khách hàng, và để kết nối trở lại với văn phòng của họ từ địa điểm sản xuất của khách hàng. Sự hiện diện khắp nơi của Ethernet, lợi thế về giá/công năng làm cho nó trở thành một giải pháp có tính cạnh tranh rất cao. Do đó, Ethernet đang nhanh chóng trở thành mạng lựa chọn cho các nhà sản xuất robot và máy móc cũng như cho khách hàng của họ. Bên cạnh đó, các nhà cung cấp linh kiện tự động hóa đang sử dụng kết nối Ethernet và IP cho ngày càng nhiều thiết bị của mình, tạo ra một vòng xoắn tiến và mở rộng sử dụng Ethernet. Tại sao nên sử dụng Ethernet? Ethernet hiện đang được sử dụng trong nhiều ứng dụng đến nỗi người ta có thể nói nó đã đạt đến điểm mà người ta chỉ giải thích đơn giản bởi vì tất cả mọi người đang sử dụng nó. Đương nhiên, nếu không có lợi khi sử dụng Ethernet khi so với một trong những lựa chọn hiện nay như truyền thông serial based, xu hướng này sẽ không mạnh được như vậy. Trên thực tế, hầu hết máy móc và robot đều có nhiều thành phần tự động hóa như HMI, bộ điều khiển, động cơ điện, thiết bị đo và cảm biến. Hình 1: Thí dụ minh họa mô tả một nhà máy sản xuất thân và lắp ráp ô tô với các ứng dụng băng tải và robot tích hợp. Tất cả các thành phần này cần giao tiếp không chỉ với nhau trong một máy hoặc robot mà thường giao tiếp với các máy và robot khác để phối hợp chặt chẽ và tối ưu hóa sản xuất. Giao tiếp hai chiều cũng được đòi hỏi giữa các máy móc, robot, các hệ thống điều khiển và liên lạc của khách hàng. Điều may mắn là, rất nhiều tiêu chuẩn và giao thức thân thiện với Ethernet tồn tại nhằm đơn giản hóa các giao tiếp này, trong đó có ISA-88/PackML (mẻ và điều khiển), ISA-95 (tích hợp dữ liệu), và ISA-99 (an ninh). Triển khai các tiêu chuẩn công nghiệp và các giao thức để tích hợp mạng điều khiển thời gian thực với các mạng kinh doanh được thực hiện dễ dàng hơn khi cơ sở hạ tầng nền tảng cho cả hai hệ thống là như nhau. Điều này giúp thúc đẩy việc sử dụng Ethernet trên sàn nhà máy như mạng ngự trị tối cao trong thế giới văn phòng và thương mại. Nếu không được thiết kế và quản lý phù hợp, tích hợp nhiều mạng điều khiển thời gian thực và mạng kinh doanh có thể làm tăng rủi ro và nguy cơ bị virus tấn công. Tuy nhiên rủi ro này có thể được kiểm soát khi sử dụng các biện pháp, thủ tục và thiết kế mạng phù hợp do đó hệ thống không chỉ cung cấp mạng truyền dẫn tin cậy tốc độ cao mà còn đáp ứng các yêu cầu về an ninh và đảm bảo tính đồng nhất của hệ thống luôn được duy trì ở mọi thời điểm. Với Ethernet tiêu chuẩn, hỗ trợ kỹ thuật không dựa vào một hay hai chuyên gia được trang bị những công cụ đặc biệt. Thay vào đó, Ethernet tiêu chuẩn cho phép sử dụng các công cụ chuẩn đoán tiêu chuẩn và nhiều chuyên gia để giải quyết vấn đề một cách nhanh chóng, do đó duy trì được thời gian hoạt động của hệ thống. Hình 2: TCP/IP và OSI Model Tạo kết nối Khả năng tích hợp từ mạng tự động hóa cho toàn bộ doanh nghiệp và tiềm năng đối với nhà cung cấp OEM đem lại nhiều lợi thế. Việc quản lí kiểm kê thời gian thực có thể thực hiện được đối với một cơ sở sản xuất Việc khắc phục sự cố trở nên dễ dàng hơn khi thông tin về trạng thái hoạt động có thể được cung cấp cho không chỉ khách hàng OEM mà còn cho chính OEM. Điều này cho phép hỗ trợ máy móc và robot từ xa từ các chuyên gia bên ngoài của OEM để giám sát và khắc phục sự cố hệ thống liên tục. Tham khảo ngiên cứu của IMS “Thị trường thế giới về Ethernet công nghiệp - Xuất bản 2009” Bên cạnh việc gửi dữ liệu tới các chuyên gia chăm sóc khách hàng của OEM, thiết bị cũng có thể truyền thông tin trạng thái hoạt động thời gian thực tới OEM. OEM có thể giám sát từ xa máy móc và robot của mình, thậm chí cung cấp hỗ trợ này trên cơ sở hợp đồng và gồm cả những dịch vụ khác như bảo dưỡng dự phòng và tối ưu hóa năng suất sản xuất, do đó nâng cao tối đa thời gian hoạt động và sản lượng. Một lợi thế nữa đối với OEM của việc giám sát từ xa là giờ đây họ có thể thu thập dữ liệu từ nhiều hệ thống máy móc. Phân tích dữ liệu này có thể phát hiện những sự cố thông thường, cho phép OEM nâng cao độ tin cậy bằng việc bổ sung các tính năng và công cụ chẩn đoán cho các máy móc hiện tại thông qua việc nâng cấp lên máy mới. Sử dụng các giao thức Ethernet tiêu chuẩn và các giao thức thông thường cũng như các tiêu chuẩn ở trên cũng giúp cho từng máy trong một dây chuyền lắp ráp giao tiếp với bộ phận tiếp theo. Nếu mỗi thiết bị trong một hay nhiều hoạt động dây chuyền biết được trạng thái của thiết bị kế tiếp, điều đó có thể giúp sử dụng tối đa công năng mỗi máy để tối ưu hóa năng suất xử lí trên toàn bộ nhà máy bằng cách đồng nhất hóa đầu vào và đầu ra máy. Nếu một trong các máy đang gặp khó khăn, hậu quả là tắt máy và khởi động lại, kéo chi phí liên quan và sản xuất bị ngừng. Thay vì như vậy, nguồn ra của máy upstream có thể được truyền theo một đường truyền song song, hoặc nguồn ra của máy có thể thể được giảm xuống cho tới khi vấn đề được làm rõ. Điều mấu chốt để nhận được lợi thế từ tất cả các kết nối bên và bên ngoài là độ tin cậy cao, bắt đầu với thiết bị được sử dụng để xây dựng mạng. Hình 3: Sự phân chia giao thức Ethernet Hình 4: Các hệ thống tự động hóa máy OEM lớn thường giành được lợi thế từ việc triển khai Ethernet công nghiệp để kết nối HMI, bộ điều khiển, động cơ và cảm biến. Tại sao Ethernet được sử dụng cho công nghiệp? Bất chấp thực tế Ethernet được sử dụng trong môi trường kinh doanh giống như sử dụng trong các ứng dụng công nghiệp, các yêu cầu về thiết bị là rất khác nhau. Do bất kỳ một hệ thống nào cũng chỉ tốt về mặt cơ sở hạ tầng vật lý mà trong đó nó được xây dựng, không thể phủ nhận rằng thiết bị được lựa chọn cho ứng dụng được thiết kế đặc biệt cho môi trường trong đó nó sẽ được sử dụng. Một số điểm khác biệt lớn nhất giữa môi trường văn phòng được điều khiển hay một phòng server và sàn nhà máy bao gồm: * Nhiệt độ: Dải nhiệt độ công nghiệp có thể nằm ở mức từ -40 độ C đến hơn +70 độ C. * EMI/RFI: Các nhà máy công nghiệp có nhiều nguồn nhiễu EMI/RFI bao gồm dây cáp điện, các động cơ lớn và các thiết bị khác như máy hàn robot. * Độ ẩm: Để chịu được ẩm, hệ thống cần được bảo vệ NEMA 4 hoặc IP67. * Độ rung: Do luôn có sự chuyển động trong một nhà máy, từ cả chính thiết bị hoặc do kết quả của chất lỏng trong quý trình chảy, tất cả thiết bị được kết nối với quá trình đều phải chịu rung. Độ rung này có thể có nhiều tần số và biên độ. * Chuyển động/Uốn cong: Các dây chuyền lắp ráp kết hợp nhiều bộ phận chuyển động như cánh tay robot, băng tải và các hệ thống cầm – đặt. Chuyển động này thường có nhiều hướng và ở tốc độ cao. * Điện: Điện được cung cấp cho các thành phần tự động hóa và giao tiếp trong một hệ thống công nghiệp thường rất bẩn, ồn, hay vọt áp. * Giải pháp rắc cắm: Các hệ thống công nghiệp thường biến đổi khá lớn, do đó các bộ phận tự động hóa và giao tiếp phải có khả năng lắp vào nhiều dạng giắc cắm khác nhau, trong đó có DIN rail, cắm bảng và cắm rắc. Như chúng ta có thể thấy từ danh sách các yêu cầu trên, thiết bị COTS tiêu chuẩn được thiết kế cho môi trường văn phòng sẽ không cung cấp được khả năng bảo vệ cần trong một hệ thống công nghiệp. Các mạng công nghiệp đòi hỏi gần như sẵn sàng 100% có thể không chỉ bởi ảnh hưởng tài chính lớn của việc mất điện không đột ngột liên quan đến sản xuất bị ngừng trệ, làm lại và có thể hỏng máy móc mà còn bởi vì nguy cơ tiềm ẩn đến an toàn và môi trường. Trong một số nhà máy sản xuất lớn, một lần mất điện không báo trước có thể dẫn đến thất thoát lợi nhuận tính theo ngày hoặc thậm chí là tính bằng tuần làm việc, do đó gia tăng chi phí để mua các thành phần công nghiệp được đánh giá là rất cần thiết. Không kém phần quan trọng như lựa chọn các thành phần cấp công nghiệp phù hợp là kết nối giữa các thành phần này. Trong trường hợp Ethernet, các kết nối này thường là cáp Cat 5e hoặc Cat 6. Hình 5: Mạng Ethernet mô tả việc tích hợp các nhà máy và quản trị văn phòng sử dụng các chuyển mạch có quản lí Ethernet, các router không dây, các chuyển mạch có quản lí IP 67 gắn trên máy với tiện ích PoE, kết nối Ethernet 1000 Mbit/giây và 100 Mbit/giây. Ưu điểm của Ethernet trong các ứng dụng OEM 1. Tiết kiệm chi phí kết nối dây 2. Cung cấp khả năng chẩn đoán Kết luận Ethernet và các mạng khác đang thay thế nhanh chóng kết nối dây trong các ứng dụng của các nhà sản xuất máy móc và robot. Việc tiết kiệm cho phí kết nối dây thường chỉ chứng minh tính ứng dụng của các mạng công nghiệp, trong khi đó những lợi thế được nêu ra ở phần trên và trong bảng 1 cung cấp thêm nhiều lý do cho các nhà sản xuất OEM nên nâng cấp lên mạng Ethernet. Mặc dù các mạng công nghiệp không phải là Ethernet cũng có thể tiết kiệm chi phí kết nối dây, tuy nhiên chúng không thể hoạt động tốt bằng Ethernet khi cung cấp các lợi thế khác, đặc biệt là khi kết nối với doanh nghiệp và tới người sử dụng ở xa. Các mạng Ethernet có những lợi thế đặc biệt trong những khía cạnh này bởi vì chấp nhận rộng rãi của Ethernet vượt ra khỏi sàn nhà máy. Nói một cách đơn giản, để giao tiếp một mạng Ethernet với một mạng khác thì dễ dàng hơn khi giao tiếp một mạng không phải Ethernet với mạng Ethernet. Ethernet là công nghệ kết nối mạng lựa chọn trong môi trường văn phòng và thương mại, và nó cũng nhanh chóng trở thành tiêu chuẩn trong các ứng dụng công nghiệp. 3. Dễ dàng giao tiếp với doanh nghiệp hơn 4. Dễ triển khai kết nối từ xa hơn 5. Hệ số giá/công năng cao 6. Đường nâng cấp rõ ràng từ các mạng hiện nay 7. Cả một nền tảng người sử dụng có kinh nghiệm hiện nay 8. Các giải pháp kết nối dây và không dây có thể đồng thời tồn tại