Ethernet công nghiệp: Hiểu biết cơ bản cho kỹ sư điều khiển tự động 

Mạng Ethernet công nghiệp đã và đang có những bước phát triển nhanh
chóng, sẽ dần thay thế các mạng công nghiệp truyền thống khác. Các nhà
máy sản xuất công nghiệp cũng nhận thấy những lợi ích của Ethernet công
nghiệp trong việc nâng cao hiệu quả sản xuất, đơn giản hóa quản lý và
tích hợp thông tin giữa sản xuất và quản lý dễ dàng. Tuy nhiên Ethernet
trong công nghiệp có những khác biệt so với Ethernet dân dụng, văn
phòng. Người kỹ sư điều khiển cần trang bị những kiến thức, hiểu biết cơ
bản về Ethernet công nghiệp để có thể triển khai thành công. Đó là cáp,
chất lượng tín hiệu, Switch, vòng nối đất và lưu lượng

Cáp Ethernet

Như
những chuẩn mạng công nghiệp khác, cáp Ethernet đóng vai trò quan trọng
cho chất lượng tín hiệu và đường truyền. Khác với môi trường ở văn
phòng hay ở gia đình, môi trường công nghiệp là nơi có nhiều tín hiệu
nhiễu điện từ, điều kiện khắc nghiệt về nhiệt độ, độ ẩm, bụi bẩn và hóa
chất. Do đó, việc chọn lựa cáp tín hiệu phù hợp góp phần quan trọng
trong triển khai và vận hành hệ thống mạng.

Vậy chọn loại cáp nào là
phù hợp ?. Đối với môi trường như ở văn phòng thì có thể sử dụng cáp
CAT5e (phổ biến hiện nay) với tốc độ truyền 100MB. Để sử dụng trong môi
trường công nghiệp, theo tiêu chuẩn ANSI/TIA-1005 khuyến cao sử dụng cáp
CAT6 hoặc hơn. Cáp CAT6 cho phép tốc độ truyền đạt đến 1GB ở khoảng
cách 100m và 10GB ở khoảng cách 55m.

So với cáp CAT5 và CAT5e, CAT6
ít chịu ảnh hưởng bởi nhiễu điện từ và nhiễu xuyên âm . Ngoài ra cáp
CAT6 cũng được chế tạo về mặt vật lý phù hợp hơn với môi trường công
nghiệp.Tuy nhiên, khi lắp đặt cáp CAT6 cần lưu ý là các đầu nối RJ45,
các Jack cũng phải đạt tiêu chuẩn CAT6 thì CAT6 mới có ý nghĩa.

Cáp bọc giáp (Shielded Cable), Cáp không bọc giáp (Unshielded Cable) và vòng nối đất (ground loops)

Việc
lựa chọn cáp có bọc giáp hay không cũng là vấn đề đáng quan tâm. Nhưng
dù có bọc giáp hay không thì việc lắp đặt đúng quy cách mới là quan
trọng. Việc lắp đặt cáp có bọc giáp không đúng còn gây ra nhiều vấn đề
hơn là không bọc giáp.Cáp có bọc giáp sử dụng tốt hơn cho môi trường
nhiễu cao.

Vấn đề quan trọng nhất đối với cáp bọc giáp là phải đấu
nối đất đúng cách. Để nối đất cho cáp có bọc giáp, ta chỉ cần nối đất
một đầu cáp. Việc nối đất nhiều điểm trên đường truyền có thể tạo thành
những vòng nối đất, gây ra chênh lệnh điện áp giữa các điểm, dẫn đến tạo
ra nhiễu nhiều hơn trên chính sợi cáp.
Nếu đường mạng Ethernet phải
đi ngang qua đường điện động lực, tốt nhất nên đi vuông góc. Khoảng
cách song song tối thiểu giữa đường mạng Ethernet và đường điện động
lực nên từ 20-30cm. Nếu điện áp cao thì khoảng cách phải xa hơn.

Nhìn
chung, phải tránh đi cáp Ethernet xa các nguồn gây nhiễu. Các nguồn gây
nhiễu bao gồm động cơ điện, các bộ điều khiển động cơ, thiết bị đóng
cắt,… Trong tủ điện, nên tách biệt đường cáp Ethernet riêng, khỏi các
cáp động lực và điều khiển.

Switch

Switch là thiết bị mạng quan trọng trong hệ thống mạng Ethernet, được sử dụng để kết nối các thiết bị đầu cuối trong mạng.

Trong
mạng Ethernet công nghiệp, có ba phương thức truyền thông: Unicast,
Multicast và Broadcast. Unicast là truyền thông điểm – điểm, gói tin
được gửi chỉ giữa 2 thiết bị với nhau. Multicast là phương thức truyền
thông giữa một thiết bị với một nhóm thiết bị trong mạng. Và Broadcast
là phương thức truyền thông giữa một thiết bị trong mạng với tất cả các
thiết bị còn lại trong cùng lớp mạng.

Trong đó Multicast và
Broadcast cần được quan tâm nhiều nhất. Nếu lượng Broadcast, Multicast
không được kiểm soát tốt có thể là nguyên nhân làm chậm mạng, quả tải
cho hệ thống mạng. Do đó cần hạn chế mức độ Broadcast, Multicast trong
mạng ở mức dưới 100 Broadcast/giây đối với mạng tốc độ 100MB.

Switch
được chia thành 2 loại: Managed Switch và Unmanaged Switch. Theo nguyên
lý hoạt động, một khi Switch đã xây dựng được bảng địa chỉ MAC, cách xử
lý gói tin Unicast và Broadcast của Managed Switch và Unmanaged Switch
đều giống nhau. Một trong những điểm khác biệt giữa hai loại Switch này
chính là cách xử lý gói tin Multicast trong mạng.

Phương thức truyền
thông Multicast được sử dụng nhiều ở lớp điều khiển ở các thiết bị
thông minh như các PAC, Flowmeter thế hệ mới, biến tần,…, các thiết bị
sử dụng công nghệ Producer/Consumer để chia sẻ dữ liệu (các PAC). Vấn đề
chính với Multicast ở đây là lưu lượng truyền thông sẽ tăng cao trong
mạng tỷ lệ thuận với số lượng thiết bị trong mạng gây quá tải cho hệ
thống mạng.

Managed Switch có tính năng quan trọng đó là IGMP
(Internet Group Management Protocol) Snooping. Khi được kích hoạt IGMP
Snooping, Switch sẽ xác định các thiết bị thuộc các nhóm Multicast. Sử
dụng thông tin này, kết hợp với bảng địa chỉ MAC, Switch sẽ chỉ chuyển
các gói tin Multicast đến các nhóm cổng tương ứng với nhóm Multicast
thay vì chuyển thành gói tin Broadcast và gửi ra tất cả các cổng. Ngược
lại, Unmanaged Switch chỉ có các tính năng cơ bản, không hỗ trợ các tính
năng như IGMP. Do đó khi gói tin Multicast đến Unmanaged Switch, nó sẽ
xem như là gói tin Broadcast và gửi ra tất cả các cổng của Switch. Do
đó, nếu trong mạng sử dụng công nghệ Producer/Consumer hoặc có phương
thức truyền thông Multicast thì nhất thiết phải sử dụng Managed Switch.

Trong
nhiều trường hợp Unmanaged Switch vẫn có thể được sử dụng cho các cấu
hình mạng không có Multicast, hoặc các mạng nhỏ, độc lập và đơn giản.
Hoặc ta có thể kết hợp cả 2 loại Switch này trong cùng một hệ thống
mạng. Theo đó, một nhóm thiết bị đầu cuối sẽ nối đến Unmanaged Switch.
Sau đó các Unmanaged Switch này sẽ nối đến một hoặc nhiều Managed
Switch.

Nhìn chung, với mạng Ethernet công nghiệp, Managed Switch là
lựa chọn tốt hơn nhiều so với Unmanaged Switch. Không chỉ tốt hơn cho
hiệu suất mạng mà còn cho cả việc vận hành, bảo trì và khắc phục sự cố
sau này.

Port Mirroring và khắc phục sự cố mạng

Ngoài tính năng
IGMP, Managed Switch còn có nhiều tính năng quan trọng khác như có thể
lưu trữ lịch sử lỗi của Switch, cho phép kiểm soát tốc độ trên từng
cổng, cài đặt bảo mật cho từng cổng và khả năng ánh xạ cổng mạng (Port
Mirroring).

Tính năng ánh xạ cổng cho phép người quản trị theo dõi
các gói tin được truyền qua các cổng của Switch bằng cách ánh xạ cổng đó
sang một cổng khác để theo dõi, thông qua các phần mềm hỗ trợ. Chẳng
hạn như khi mạng bị sự cố, người kĩ sư bảo trì sử dụng máy tính của
mình, cắm cáp Ethernet nối máy tính vào một cổng mạng trên Switch và ánh
xạ dữ liệu đang truyền trên cổng cần kiểm tra sang cổng này. Sử dụng
phần mềm trên máy tính dễ dàng theo dõi xem lưu lượng Multicast,
Broadcast đi qua cổng cần kiểm tra từ đó xác định các nguyên nhân sự cố.

Khi
nói đến sự cố trên mạng Ethernet, thiết bị cần kiểm tra đầu tiên thường
là Switch. Mặc dù về mặt vật lý, đáp ứng của Switch nhanh hơn từ 10 đến
50 lần đáp ứng của các thiết bị đầu cuối. Do đó phần cứng Switch ít khi
gây ra vấn đề mạng. Phần lớn nguyên nhân gây các sự cố làm chậm mạng,
rớt mạng là do truyền thông Multicast hoặc Broadcast quá nhiều khiến
thiết bị mạng bị quá tải. Cho nên để tối ưu hiệu suất mạng cần kiểm soát
tốt Multicast và Broadcast trong mạng.

Các công cụ hỗ trợ vận hành và bảo trì

Khi
hệ thống mạng đã được lắp đặt và đi vào hoạt động, công việc tiếp theo
là cần kiểm soát, vận hành và bảo trì hệ thống mạng. Có nhiều phần mềm
hỗ trợ người quản trị mạng, kĩ sư bảo trì mạng ở nhiều cấp độ khác nhau.
Ở mức thấp, có thể sử dụng phần mềm WireShark (còn gọi là Ethereal),
là một phần mềm mã nguồn mở phổ biến để kiểm tra mạng. Nó cho phép xem
được chi tiết các gói tin gửi đi và đến trong mạng, từ đó người dùng có
thể dễ dàng xác định các lưu lượng truyền thông Multicast, Broadcast
trong mạng.

Ngoài ra, còn có nhiều công cụ của các hãng như HP
Network Management, SolarWinds, Cisco Network Assistant,… có thể hỗ trợ
đắc lực cho việc hỗ trợ vận hành và bảo trì mạng.

Kết nối với hệ thống mạng IT

Hệ
thống mạng Ethernet công nghiệp trong các ứng dụng điều khiển có thể
chia thành 3 dạng: Hệ thống độc lập cỡ nhỏ, hệ thống độc lập tổng quát
và hệ thống lớn tích hợp toàn diện với hệ thống mạng IT. Tùy quy mô mạng
người thiết kế sẽ tính toán lựa chọn các kiến trúc mạng phù hợp. Nhưng
dù ở quy mô nào ta vẫn phải giải quyết các vấn đề đã được đề cập ở trên.
Bên cạnh đó, để tích hợp hệ thống mạng điều khiển với mạng IT của doanh
nghiệp, ta cần phải quan tâm đến các vấn đề như bảo mật, độ tin cậy và
dự phòng sự cố cho hệ thống mạng,… để nâng cao hiệu suất của toàn bộ hệ
thống mạng trong doanh nghiệp.

Giáp Văn Vỹ