Mở rộng TSN và Bảo mật trong Đặc tả PROFINET 

Số hóa và Công nghiệp 4.0 đang ngày càng trở nên hữu hình. PROFIBUS & PROFINET International (PI) đang đóng góp tích cực trong lĩnh vực này và cam kết tiêu chuẩn hóa toàn diện và khả thi về truyền thông công nghiệp, liên tục phát triển theo tiến độ triển khai cũng như các công nghệ được sử dụng trong tự động hoá công nghiệp.

Bản cập nhật bảo trì thứ hai của đặc tả PROFINET V2.4 với các phần mở rộng hiện tại cho TSN và bảo mật cũng như các hướng dẫn và công cụ bổ sung liên quan hiện đã được các thành viên trong các Nhóm công tác PROFINET khác nhau hoàn thành thành công.

IEC/IEEE 60802

Nhờ sự hợp tác tận tâm với các tổ chức fieldbus khác được điều phối thông qua IEC/IEEE 60802, các định nghĩa được tạo ra ở đó có thể được thông qua trực tiếp trong đặc tả PROFINET. Ví dụ: mô hình thiết bị cho các trạm cuối và cầu nối của phiên bản IEEE802.1Q hiện tại, các yêu cầu từ mô hình cấu hình NetConf / YANG và mô hình cấu hình bảo mật IETF, đều được bao gồm.

Hơn nữa, kinh nghiệm từ môi trường Ethernet-APL hoặc SPE liên quan đến chuyển đổi tốc độ liên kết đã được tích hợp, tuy nhiên, có thể áp dụng cho tất cả các chuyển đổi có thể có từ 10 Mbps đến 10 Gbps – một bước khác nhằm mục đích làm cho PROFINET trở thành một hệ thống tối ưu cho quá trình tự động hóa, với Ethernet-APL.

Các lớp bảo mật

Vì các định nghĩa cho Lớp bảo mật I đã được đưa vào kể từ ấn bản đặc tả cuối cùng, chủ đề quản lý chứng chỉ cho Lớp bảo mật II và III là mục tiêu chung của PROFINET và Nhóm công tác bảo mật cho phiên bản này. Vì chủ đề này có ý nghĩa sâu rộng đối với người dùng, nên việc phối hợp đồng hành với khách hàng là một điều tất nhiên.

Ngoài ra, các cải tiến và bổ sung từ các triển khai liên tục khác nhau cũng đã được đưa vào, cũng như các khía cạnh chính thức như Hướng dẫn phong cách IEC mới. Song song đó, các hướng dẫn GSDML nâng cao để trình bày dễ đọc hơn hiện là một phần của gói tổng thể này.

Sự phát triển song song của hệ thống kiểm tra chứng nhận PROFINET cũng rất quan trọng đối với các nhà sản xuất thiết bị và công nghệ. Sự phát triển này được cung cấp cho cộng đồng PI hàng quý dưới dạng cái gọi là gói DÙNG THỬ với trọng tâm cụ thể là các công nghệ mới. Phương pháp tiếp cận gia tăng và xem xét thường xuyên các phản hồi kịp thời hỗ trợ sự phát triển liên tục và nhanh nhẹn của hệ thống.

Hôm nay, nhóm công bố kết quả này một lần nữa cho thấy các bước cụ thể mà cộng đồng PI đã cam kết thực hiện để truyền thông công nghiệp phù hợp với tương lai với PROFINET.

PROFINET và các khái niệm về cạnh hiện đại

Kết nối dễ dàng hơn với PROFINET đặt nền tảng cho các khái niệm cạnh hiện đại.

Bên cạnh việc có một bộ điều khiển truyền thống, ngày càng có nhiều nhu cầu về các thiết bị hoặc ứng dụng bổ sung cho các mục đích như thực hiện tối ưu hóa. Nhưng không phải lúc nào cũng dễ dàng kết nối những thứ này một cách nhanh chóng và thuận tiện. Chúng cũng tạo ra một lượng lớn dữ liệu hiện vẫn chưa được sử dụng. Các khái niệm về cạnh trình bày một cách tiếp cận thú vị ở đây và các công nghệ PROFINET có thể hỗ trợ trong quá trình này.

Công nghiệp 4.0 đã truyền cảm hứng cho nhiều công ty phát triển các chương trình, dịch vụ, thiết bị hoặc các thành phần tự động hóa khác của riêng họ để phân tích và hiểu rõ hơn về máy móc và hệ thống của họ. Ngày nay, 90% dữ liệu được tạo ra vẫn chưa được sử dụng vì việc phân tích, tích hợp hoặc xử lý quá phức tạp hoặc không thực tế trong các thành phần tự động hóa thông thường.

Tuy nhiên, cần xem xét kỹ hơn lượng dữ liệu phong phú này. Bên cạnh giá trị đo được thực tế, có thể xác định các xu hướng ở đây, chẳng hạn như mức tiêu thụ năng lượng hoặc các giá trị chẩn đoán dài hạn khác thường không được phân tích trong bộ điều khiển. Do khối lượng dữ liệu và thuật toán, việc tích hợp các phương pháp chẩn đoán với sự hỗ trợ của trí tuệ nhân tạo cũng rất phức tạp.

Và công việc thủ công vẫn được yêu cầu để kết nối phần mềm cụ thể của công ty vào thế giới tự động hóa hiện đang có.

“Cập nhật thường xuyên là điều không thể thiếu khi đảm bảo rằng phần mềm, hệ điều hành và các biện pháp bảo mật được cập nhật và ổn định. Tiến sĩ Karsten Schneider, Chủ tịch PI giải thích: Nhiều công ty gặp khó khăn trong vấn đề này nếu họ thành thật với chính mình. “Tất nhiên, các công ty muốn cung cấp cho khách hàng những sản phẩm và dịch vụ kỹ thuật số thông minh, mới. Nhưng nỗ lực liên quan đến việc xử lý dữ liệu ở cấp độ thực địa có thể là rất lớn – chưa kể đến các vấn đề như khả năng mở rộng và bảo mật khác nữa ”.

Các yếu tố chính để tích hợp theo chiều dọc

Đồng thời, con đường dẫn đến công nghệ mới luôn là một quá trình năng động. Để trình bày một ví dụ ở đây: Năm năm trước, nó được coi là một giải pháp tốt để hướng càng nhiều dữ liệu càng tốt lên đám mây, nơi sau đó nó sẽ được xử lý. Tuy nhiên, trong khi chờ đợi, người dùng đã nhận ra rằng việc xử lý ít nhất một phần dữ liệu gần nguồn hơn là hợp lý – cụ thể là ở rìa mạng – chẳng hạn như do xem xét độ trễ hoặc băng thông. Đây là nơi các thành phần cạnh phát huy tác dụng, đóng vai trò là yếu tố chính cho tích hợp dọc. Họ chuyển đổi dữ liệu sản xuất bổ sung thành thông tin có thể sử dụng được. Điều ít quan trọng hơn là liệu điều này có liên quan đến các thiết bị hiện có trong mạng có các chức năng biên hay các thiết bị được thêm vào sau đó hay không.

Ưu điểm lớn nhất: các thành phần cạnh giúp cho dữ liệu có thể được xử lý gần như trong thời gian thực, trực tiếp tại nguồn, với lưu lượng mạng tối thiểu. Điều này cũng hấp dẫn khi nói đến chủ quyền dữ liệu. Tất cả dữ liệu vẫn nằm trong công ty và người dùng quyết định liệu dữ liệu có nên được chuyển đi cùng hay không. Trong mọi trường hợp, nó nhằm mục đích làm cho cuộc sống của người dùng trở nên dễ dàng hơn hoặc tổ chức sản xuất hiệu quả hơn.

Con đường mới với ít phải nỗ lực hơn

Ưu điểm chính của các giải pháp tiên tiến là chúng không yêu cầu lập trình lại hoặc cập nhật phức tạp cho giải pháp tự động hóa thực tế. Và chúng thường rẻ hơn PLC. Tiến sĩ Schneider giải thích rằng: “Việc tích hợp khả năng xử lý trên các chức năng cạnh giống như các ứng dụng trên điện thoại của chúng tôi – tất nhiên là ở chế độ bảo mật và theo cách phù hợp với mục đích sử dụng trong công nghiệp”.

Nhưng cũng có những ứng dụng khác, trong đó các phương pháp tiếp cận cạnh thể hiện lợi thế của chúng. Ví dụ, đôi khi cần dữ liệu ở dạng khác và phải được xử lý trước để chuẩn hóa các giá trị thô hoặc tính giá trị trung bình. Hoặc có thể xảy ra rằng, khi bắt đầu hoạt động, PLC hoặc chức năng khác vẫn chưa khả dụng và vẫn cần dữ liệu từ các thiết bị khác nhau. Các khái niệm cạnh có thể hoạt động mà không cần PLC để bắt đầu. Schneider cho biết thêm: “Tương tự như vậy, hầu như có thể cần tải các chức năng bổ sung trong quá trình hoạt động, tương tự như cách chúng tôi thực hiện với các ứng dụng.

Trong một số trường hợp, cũng có thể cần thiết để việc thu thập dữ liệu không làm căng tài nguyên của PLC. “Nhiều kiểm soát viên thường chỉ cần một quyết định có / không. Nhưng thông thường, có sẵn dữ liệu hữu ích bổ sung, dễ dàng phân tích riêng bằng ứng dụng cạnh. Ví dụ, điều này có thể bao gồm dữ liệu chẩn đoán hoặc bảo trì dài hạn” Tiến sĩ Schneider nói. “Ngay cả khi các giao thức truyền thông độc quyền khác nhau được sử dụng hoặc bạn cần một vị trí trung tâm cho dữ liệu, thiết bị mạng và cấu hình bảo mật, thì việc sử dụng phương pháp tiếp cận cạnh làm trung tâm dữ liệu là rất hợp lý.”

Cũng có thể xử lý trước dữ liệu trong rìa và sau đó chuyển dữ liệu lên đám mây. Điều này có thể được thực hiện để truy cập dung lượng máy tính lớn hơn hoặc tránh sự căng thẳng liên tục trên kết nối đám mây. Đôi khi, nhiều dữ liệu được thu thập trong một khoảng thời gian dài để tạo điều kiện cho việc phân tích chi tiết hơn. Các thành phần cạnh không phải lúc nào cũng phải được xem riêng biệt. Chúng cũng có thể được tích hợp trực tiếp bên cạnh bộ điều khiển. Sự hợp tác chặt chẽ giữa các hệ thống thậm chí có thể có lợi nếu việc phân tích dữ liệu đòi hỏi sự tương đồng chặt chẽ với điều kiện của chương trình điều khiển hoặc máy móc.

Đưa cấu trúc vào dòng dữ liệu

Tuy nhiên, chúng ta không nên đánh giá thấp nhu cầu liên lạc hoạt động, an toàn và nhanh chóng. Mỗi ứng dụng cạnh này đều yêu cầu dữ liệu – và không chỉ bất kỳ dữ liệu nào. Dữ liệu phải có thể sử dụng được và có thể áp dụng được. Dữ liệu thường đã được lưu trữ, dưới dạng bản ghi dữ liệu đã được PROFINET chuẩn hóa hoặc dưới dạng bản ghi dữ liệu bổ sung tùy chọn của nhà sản xuất hoặc thiết bị cụ thể. Schneider chia sẻ: “Nếu tôi không biết bối cảnh, thì dữ liệu sẽ chẳng có ích gì đối với tôi. Số lượng ngày càng tăng của các nguồn dữ liệu làm cho nó trở nên cần thiết phải có các mô hình thông tin chuẩn hóa. Và đây là lúc các công nghệ PROFINET phát huy tác dụng. Chúng dễ dàng tích hợp vào các hệ thống doanh nghiệp cấp cao hơn hiện có, bao gồm hệ thống MES và ERP (hệ thống thực thi sản xuất và hệ thống hoạch định nguồn lực doanh nghiệp). Dữ liệu từ mạng tự động hóa có thể được cung cấp trong thời gian thực từ hầu hết mọi nơi trong công ty. “Tại PROFINET, chúng tôi đã bắt đầu tập trung vào tính mô-đun và tính liên tục từ 20 năm trước. Và vấn đề ngữ nghĩa luôn được đề cao trong chương trình nghị sự của chúng tôi. Điều này đặc biệt có lợi cho chúng tôi bây giờ vì chúng tôi biết cách chuẩn hóa dữ liệu” Schneider giải thích. Ông trích dẫn dữ liệu nhận dạng và bảo trì là các ví dụ điển hình ở đây, cùng với các cấu hình khác nhau như PROFIdrive hoặc cấu hình PA, đã được xử lý trong PROFINET theo cách cho phép chúng được sử dụng bởi các thiết bị khác. Schneider nói: “Những thuộc tính này sẽ còn quan trọng hơn trong tương lai.

Lợi thế lớn đối với các nhà sản xuất thiết bị là họ không thực sự cần làm bất cứ điều gì nếu khách hàng của họ sử dụng các khái niệm cạnh vì PROFINET đã được tiêu chuẩn hóa. Cách thực hiện cũng khá đơn giản; xét cho cùng, việc chọn lọc dữ liệu đã được xác định thông qua các dịch vụ PROFINET ngay từ đầu, có nghĩa là dữ liệu được bao gồm trong các gói công nghệ tương ứng.

Và nó hoạt động như thế nào trong thực tế? Nhờ PROFINET và OPC UA, mọi thành phần cạnh đều có thể được tích hợp. Việc ánh xạ dữ liệu thường diễn ra với sự trợ giúp của khả năng lập mô hình đối tượng của OPC UA, với thông số kỹ thuật riêng của một đối tượng hoặc được kết hợp theo thông số kỹ thuật đồng hành OPC UA chuẩn hóa có liên quan, chẳng hạn như OPC UA cho PROFINET. Tại đây, dữ liệu được thu thập từ các thiết bị PROFINET trong thời gian thực được tổng hợp và phân tích. Dữ liệu được xử lý trước ngay tại chỗ mà không làm gián đoạn quá trình xử lý thực tế. Nếu PLC hiện có không hỗ trợ OPC UA, bạn có thể sử dụng các cổng cạnh bên ngoài để thay thế. Điều này được thực hiện, ví dụ, trong quá trình tự động hóa khi sử dụng khái niệm kiến ​​trúc mở NAMUR (NOA).

Trong khi đó, có những ứng dụng tiên tiến với PROFINET và cơ sở hạ tầng đang tiếp tục được xây dựng. “PROFINET đã sở hữu mức độ tiêu chuẩn hóa cao – ví dụ: liên quan đến dữ liệu I&M hoặc các định dạng chẩn đoán. Các hồ sơ ứng dụng cũng hữu ích. Chúng tôi có rất nhiều kinh nghiệm trong lĩnh vực này” Schneider nói, chỉ trích dẫn một trong nhiều ví dụ. Ngoài ra, PROFINET đảm bảo tính song song – có nghĩa là nhiều thiết bị có thể được truy cập đồng thời, bên cạnh bộ điều khiển. Và một ưu điểm cuối cùng: Mạng PROFINET cho phép các thiết bị cạnh truy cập trực tiếp vào các thiết bị OPC hoặc TCP/IP. Vì OPC UA đã tự thiết lập là tiêu chuẩn thực tế cho việc trao đổi thông tin có thể tương tác từ hội thảo đến cấp cao nhất (giao tiếp theo chiều dọc), đây là cách hiệu quả nhất để di chuyển thông tin ngữ nghĩa trong một hệ thống. Đây là một sự phù hợp hoàn hảo cho PROFINET, nhờ khả năng vận hành các giao thức khác nhau một cách độc lập với nhau trong cùng một mạng Ethernet.

Cuộc hành trình sẽ đi về đâu từ đây?

Tính toán biên không chỉ cho phép chẩn đoán lỗi dễ dàng hơn; nó cũng tạo điều kiện cho các mô hình kinh doanh mới. Ví dụ, một khả năng ở đây là hệ thống thanh toán giữa các máy. Cho đến nay, trọng tâm chỉ tập trung vào dữ liệu mà một thiết bị cung cấp. Nhưng những gì về thông tin bổ sung cũng có thể có giá trị? Sẽ không thể phát triển một mô hình kinh doanh sử dụng dữ liệu bổ sung này – về cơ bản là kinh tế vi mô ở cấp độ cửa hàng? Ngay cả đối với những tình huống như vậy, một hệ thống thu thập và phân tích dữ liệu tốt vẫn là nền tảng quan trọng.

Điện toán biên đóng vai trò là cầu nối giữa tự động hóa và điện toán đám mây. Vì ngành công nghiệp liên tục thay đổi, nên các công nghệ phải luôn linh hoạt. Đó là lý do tại sao sẽ không chỉ có một công nghệ trong tương lai; thay vào đó, người dùng sẽ chọn cái khả thi nhất cho mục đích của họ – có thể là cạnh, bộ điều khiển và / hoặc công nghệ đám mây. Khía cạnh quan trọng nhất chắc chắn sẽ tiếp tục là khía cạnh bảo mật, sẽ được triển khai ở chính cạnh hoặc ở cấp độ cao hơn tiếp theo. Một trọng tâm lớn hơn sẽ được đặt trên nguyên tắc “bảo mật theo thiết kế” để bao gồm tất cả các khía cạnh an ninh ngay từ đầu. PI sẽ hỗ trợ người dùng của mình trong suốt quá trình, bất kể họ chọn giải pháp nào. Không phụ thuộc vào cách vấn đề tiếp tục phát triển, kiến ​​trúc cơ bản của PROFINET (với lưu lượng dữ liệu song song) và tiêu chuẩn hóa cao của dữ liệu là nền tảng cần thiết và vững chắc, do đó đảm bảo tính bền vững của hệ thống và quy trình sản xuất.

Tiến sĩ. Xaver Schmidt
PROFIBUS & PROFINET International
Trưởng nhóm công nghiệp I4.0

Vai trò định vị của khu học xá

Các ngành công nghiệp và các đối tác của họ là các địa điểm hoạt động trên toàn thế giới và cần quản lý một số lượng lớn các quy trình dọc theo chuỗi giá trị. Có một nhu cầu mới nổi về các dịch vụ định vị và bản địa hóa do các dịch vụ IoT và tham vọng số hóa của các ngành công nghiệp. Việc xác định tự động và bản địa hóa các đối tượng trong các khu vực khuôn viên trong nhà và ngoài trời là yếu tố quan trọng để tăng tính minh bạch của quy trình, tối ưu hóa và các trường hợp sử dụng mở rộng và trong tương lai như các phương tiện được dẫn đường tự động hoặc các loại khác. Các giải pháp định vị hiện tại được thiết kế cho các trường hợp sử dụng cụ thể như GPS cho ngoài trời và các công nghệ cá nhân hóa cho trong nhà nhưng không thể đáp ứng các yêu cầu của ngành trong bối cảnh kết nối, độ chính xác, tính linh hoạt, chi phí và tiêu chuẩn hóa. Thông thường, một số hệ thống, giải pháp và chuyên gia là cần thiết cho các trường hợp sử dụng khác nhau.

Định vị khuôn viên của T-Systems và các thành phần của nó tập trung vào việc kết hợp các công nghệ bản địa hóa khác nhau như công nghệ tế bào di động và các công nghệ bổ sung như UWB, BLE, RFID, GPS, WIFI… thành một giải pháp phục vụ tất cả các bước quy trình được lập kế hoạch số hóa ở các khu vực trong nhà và ngoài trời khác nhau của khuôn viên trong phạm vi. Nó cung cấp các kết nối với các hệ thống bản địa hóa thời gian thực phổ biến hiện có và sử dụng các khả năng 5G thời gian thực hiện đại để tự động bản địa hóa các đối tượng chuyển động và không chuyển động nhằm phục vụ các trường hợp sử dụng sau trong các ngành công nghiệp khác nhau:

• Định dạng địa lý để kích hoạt khu vực sở thích (khu vực), mục nhập và rời khỏi sự kiện,
• Theo dõi và theo dõi để tự động nắm bắt các chuyển động của đối tượng,
• GatesRecognition để tự động ghi lại các sự kiện đã qua,
• Giám sát sự hiện diện để tự động phát hiện xem khu vực quan tâm có bị chiếm dụng hay không,
• Việc sử dụng và tính toán KPI cho các khu vực quan tâm của khuôn viên trường,
• Tạo cảnh báo và thông báo dựa trên các bộ quy tắc được xác định trước,
• Các tiện ích để trực quan hóa tài sản và chuyển động tài sản trong thời gian thực,
• Các tiện ích để trực quan hóa các dấu vết tài sản và kết quả phân tích chuyển động.

Dịch vụ Định vị là thành phần chính của sản phẩm Định vị Khuôn viên, cung cấp các chức năng và kết nối để tích hợp các công nghệ bản địa hóa khác nhau. Hơn nữa, nó cung cấp một API được tiêu chuẩn hóa để tích hợp các hệ thống của khách hàng và các thành phần trong khuôn viên 5G.

Các trình kết nối và API dựa trên omlox, tiêu chuẩn công nghiệp mở và độc lập đầu tiên cho các dịch vụ bản địa hóa. omlox là một tiêu chuẩn mở và có thể tương tác, đang cách mạng hóa việc định vị thời gian thực. Được thúc đẩy bởi một tập đoàn các công ty lớn trong ngành, omlox đảm bảo các dịch vụ định vị liền mạch trên nhiều công nghệ đã được thiết lập hoặc thậm chí sắp ra mắt (ví dụ: UWB, Wi-Fi, GPS, 5G, RFID và BLE). Tất cả các trường hợp sử dụng dựa trên vị trí đang được hỗ trợ. Dịch vụ tương thích omlox về cơ bản được xây dựng dựa trên hai yếu tố cốt lõi, cơ sở hạ tầng mở và phần mềm trung gian phần mềm nhẹ, hỗ trợ truy cập thống nhất vào dữ liệu định vị từ nhiều nguồn và công nghệ khác nhau. omlox sẵn sàng hỗ trợ nhiều công nghệ truyền dẫn như UWB và 5G cùng lúc ngay khi xuất xưởng. Phần mềm trung gian (Omlox Hub) là thành phần trung tâm quản lý các khu vực bản địa hóa khuôn viên khác nhau bằng cách sử dụng các công nghệ định vị khác nhau (tức là BLE, UWB, 5G) cùng một lúc. Nó có thể chuyển đổi tất cả dữ liệu vị trí đến thành tọa độ địa lý toàn cầu, do đó, có thể tính toán khả năng va chạm giữa các phương tiện, tàu chở hàng và các nội dung khác. Hàng rào liền mạch trên nhiều nguồn dữ liệu trở thành hiện thực.

Dịch vụ hỗ trợ các công nghệ định vị và bản địa hóa khác nhau.

• Công nghệ bản địa hóa dựa trên LTE với độ chính xác lên đến 5 m.
• UWB là phương pháp bản địa hóa với độ chính xác lên đến 10 cm
• Phương pháp định vị dựa trên GPS với độ chính xác lên đến 10 m
• Bản địa hóa dựa trên vùng lân cận BLE với độ chính xác lên đến 10 m

Với các giao diện tương thích omlox, Dịch vụ Định vị cung cấp các API được tiêu chuẩn hóa để tích hợp các ứng dụng kinh doanh được đơn giản hóa, nhanh chóng và tiết kiệm chi phí cũng như tích hợp các hệ thống bản địa hóa thời gian thực (tức là BLE, UWB) và các hệ thống bản địa hóa dựa trên mạng di động (tức là , LTE, 5G).

• Tích hợp cơ sở hạ tầng dựa trên LTE, 5G
• Tích hợp hệ thống RTLS dựa trên UWB (sau này cũng là BLE)
• Tích hợp các thiết bị theo dõi GPS