Làm thế nào TSN trở thành công nghệ chính cho tự động hóa công nghiệp 

TSN được coi là chìa khóa để hội tụ mạng – lấy dữ liệu cảm biến, dữ liệu xử lý, dữ liệu tài sản, thực sự là bất kỳ dữ liệu nào từ mạng OT, lên đám mây để phân tích. Kết quả từ phân tích này sau đó được sử dụng để điều chỉnh các quy trình và thực hiện hành động của các thiết bị trong mạng OT nhằm cải thiện hiệu quả hoạt động, điều chỉnh công thức trong thực phẩm, tối ưu hóa mức tiêu thụ điện năng, v.v. Tất cả những điều này để các nhà máy có thể sản xuất nhiều hơn với chi phí ít hơn.

Fieldbuses trước đây chỉ có thể hỗ trợ một giao thức và điều này thiết lập các đảo dữ liệu. Truy cập vào dữ liệu có nghĩa là các cổng, proxy hoặc các chương trình đặc biệt để trích xuất dữ liệu từ các đảo này. Và cần phải có một cổng hoặc proxy cho mỗi giao thức fieldbus. Lợi ích của cách tiếp cận cổng/proxy là các hành động vận hành do thiết bị thực hiện không bị ảnh hưởng bởi quyền truy cập dữ liệu. Với Ethernet, nhiều giao thức có thể chạy trên cùng một dây. Vì vậy, có nguy cơ là các giao thức OT trên mạng bị tất cả các giao thức khác vượt qua – tức là các giao thức không phải OT sử dụng hết băng thông mà các giao thức OT yêu cầu để vận hành nhà máy.

TSN sửa lỗi này. Nó bảo vệ lưu lượng truy cập của các giao thức OT khỏi bị can thiệp bởi lưu lượng truy cập của các giao thức không phải OT. TSN cho phép chúng tôi vượt ra ngoài sự cùng tồn tại đơn thuần của các giao thức trên dây để ưu tiên lưu lượng truy cập của giao thức và đảm bảo phân phối giao thức đó. Theo cách này, TSN giống như một chính sách bảo hiểm để dữ liệu đến nơi cần đến đúng lúc, mọi lúc. Và TSN tiến một bước xa hơn không chỉ là tính xác định, nó còn là về việc cung cấp dữ liệu đáng tin cậy. Nó cung cấp một cách để lưu lượng truy cập tìm các đường dẫn thay thế thông qua mạng có thể cung cấp dữ liệu đúng hạn. Điều này sẽ dẫn đến một thế giới của các kiến ​​trúc mạng thay thế ngoài cấu trúc phân cấp trong quá khứ.

Khi chúng ta nói về TSN, chúng ta có xu hướng nói về nó như một khối nguyên khối. “Điều duy nhất” này sẽ thay đổi Ethernet mãi mãi. Trên thực tế, TSN là một tập hợp các tính năng đang được triển khai dựa trên nhu cầu của thị trường. Vì vậy, từ quan điểm này, TSN hoàn toàn không phổ biến ngày nay. Nó đang tiến ra khỏi các phòng thí nghiệm R&D và bước vào các cuộc trình diễn nguyên mẫu được giới thiệu trong các tổ chức công nghiệp khác nhau. Những bản trình diễn nguyên mẫu này cho chúng ta thấy rằng có nhiều cách khác nhau để sử dụng TSN và bạn không cần sử dụng tất cả các tính năng để tận dụng TSN. Đối với một số trường hợp sử dụng nhất định, có lẽ đồng bộ hóa thời gian, ưu tiên và ưu tiên là đủ. Đối với trường hợp sử dụng khác, có thể yêu cầu đồng bộ hóa thời gian, lưu lượng theo lịch trình và dự phòng liền mạch. Và khi các trường hợp sử dụng phát triển, TSN cũng vậy. Vì vậy, mặc dù TSN có thể không phổ biến ngày nay, nhưng nó sẽ sớm xuất hiện và nó sẽ tiếp tục phát triển khi các mạng phát triển.

Tất cả bắt đầu trở lại vào ngày thành lập Audio Video Bridging, hay AVB. Điều này đặt nền móng cho việc mở rộng Ethernet thành cái mà ngày nay chúng ta gọi là TSN. IEEE đã thành lập Nhóm nhiệm vụ TSN vào năm 2012 và nhóm này đã dành nhiều năm tiếp theo để làm việc chăm chỉ nhằm tập hợp một loạt các thông số kỹ thuật mà hiện chúng tôi coi là hộp công cụ TSN. Nỗ lực này vẫn đang tiếp tục, nhưng công việc của họ đã đạt đến đỉnh cao trong việc phát hành các tính năng TSN chính trong 802.1Q-2018 và 802.1AS-2020. Ngay cả khi những bản phát hành này đang diễn ra, TSN vẫn tiếp tục phát triển và rõ ràng là chúng tôi cần một cách để áp dụng TSN cho các trường hợp sử dụng khác nhau trong các ngành dọc thị trường khác nhau. Nhận thức này đã dẫn đến việc thiết lập một loạt “Hồ sơ” với mỗi hồ sơ xác định các trường hợp sử dụng của riêng chúng và cách áp dụng TSN vào thị trường của chúng. Việc thiết lập IEC/IEEE 60802 là chìa khóa cho cách TSN sẽ được triển khai trong Tự động hóa Công nghiệp. Tương tự như vậy, IEEE 802.1DG xác định cách TSN sẽ được triển khai cho ngành Ô tô và 802.1 DP xác định cách TSN sẽ được triển khai cho Hàng không vũ trụ. Và chúng ta không nên bỏ qua hồ sơ đã bắt đầu tất cả với AVB và hồ sơ của họ, 802.1BA. Và tất nhiên, không có gì trong số này là tĩnh. TSN liên tục cải thiện với sự phát triển của các thông số kỹ thuật và với các cấu hình tìm ra những cách tốt hơn để sử dụng TSN cho thị trường của họ. Các hồ sơ mới cũng đang xuất hiện trực tuyến khi thị trường nhận thấy giá trị trong việc đưa TSN vào không gian của họ. Hãy nghĩ theo cách này, các thông số kỹ thuật của TSN cho chúng tôi biết TSN là gì để chúng tôi có thể xây dựng silicon và phần mềm. Hồ sơ TSN cho chúng tôi biết cách sử dụng TSN trong một thị trường cụ thể để chúng tôi có thể xây dựng các bảng và hệ thống nhằm đáp ứng các nhu cầu ứng dụng cụ thể.

Với tất cả những điều đã nói, điều quan trọng là phải hiểu rằng, vào cuối năm 2022, vẫn còn sớm đối với TSN. Các tổ chức khác nhau đang giúp xây dựng hệ sinh thái TSN cho thị trường của họ. Một số thị trường tiến xa hơn những thị trường khác. Vì vậy, người dùng cần xem xét thị trường mà họ đang tham gia và tìm hiểu xem có tồn tại hồ sơ TSN hay không. Nếu có, thì họ có thể tìm hướng dẫn từ các tổ chức hỗ trợ hồ sơ. Ví dụ: trong Tự động hóa công nghiệp, chúng tôi có hồ sơ IEC/IEEE 60802 và các tổ chức đang giúp xây dựng hệ sinh thái TSN là Avnu, CLPA, ODVA, OPC và PI. Người dùng có thể tham gia và tìm hiểu cách họ có thể giúp hệ sinh thái trưởng thành. Tại thời điểm này, có rất nhiều nỗ lực tạo nguyên mẫu và phần bổ sung để giúp hiểu rõ đặc điểm kỹ thuật so với các vấn đề triển khai cũng như các sắc thái với khả năng tương tác. Tự động hóa công nghiệp cũng đang trên đà xác định sự phù hợp của TSN và ý nghĩa của nó đối với các giao thức khác nhau được sử dụng trên thị trường. Các hồ sơ khác đang đi xuống con đường tương tự.

Có lẽ ví dụ rõ ràng nhất cho thấy TSN đang trở thành công nghệ then chốt cho Tự động hóa Công nghiệp là số lượng ngày càng tăng của các thiết bị “bằng chứng về khái niệm” trên thị trường công nghiệp. Tại hội chợ thương mại SPS gần đây vào đầu tháng 11 năm 2022, PROFIBUS & PROFINET International (PI) đã giới thiệu một bộ thiết bị hỗ trợ PROFINET qua TSN (xem hình bên dưới). Trong bản trình diễn này, các tính năng nổi bật của TSN là Đồng bộ hóa thời gian 802.1AS và Quyền ưu tiên 802.1Q chạy ở tốc độ Gigabit. Mỗi giải pháp sử dụng silicon và phần mềm khác nhau cùng với ngăn xếp PROFINET hỗ trợ TSN. Điểm chính ở đây là công nghệ đang trưởng thành và hệ sinh thái đang phát triển. Có một bộ giải pháp silicon đang phát triển hoạt động cho các ứng dụng khác nhau từ các thiết bị hiện trường đơn giản cho đến các bộ điều khiển phức tạp trong trường hợp của PROFINET. Cộng đồng PROFINET có thể trợ giúp về ngăn xếp, tư vấn tích hợp và thử nghiệm các thiết bị cùng nhau trong môi trường phòng thí nghiệm.

Nói chung, với việc chúng ta đang ở đâu với công nghệ TSN vào cuối năm 2022, câu hỏi bây giờ không phải là liệu TSN có xảy ra hay không mà là khi nào. Cần phải cẩn thận để tránh những cạm bẫy phát triển và đặt ra những kỳ vọng thị trường sai lầm. Trong thị trường Tự động hóa Công nghiệp, hệ sinh thái TSN đang trưởng thành, sơ đồ quản lý và cấu hình mạng TSN đang chuẩn bị được chuẩn hóa và phương pháp thử nghiệm sự tuân thủ TSN đang bắt đầu thành hiện thực. Các tổ chức như PI đang giúp hoàn thiện hệ sinh thái, IEC/IEEE 60802 đang đạt được tiến bộ lớn về hồ sơ bao gồm quản lý và cấu hình mạng, đồng thời TIACC được thành lập bởi Avnu, CLPA, ODVA, OPC và PI để bắt đầu xây dựng phương pháp kiểm tra sự tuân thủ. Mọi thứ đang tiến triển, nhưng việc đặt ra một khung thời gian dứt khoát khi tất cả những điều này sẽ kết hợp lại với nhau là điều khó khăn. Một số cho rằng vào cuối năm 2023, những người khác cho rằng vào năm 2024. Bất kể khung thời gian chính xác là bao nhiêu, TSN là công nghệ chủ chốt sẽ mở ra một thế giới hoàn toàn mới về khả năng hội tụ và tương tác mạng.

Gia nhập nhanh chóng và linh hoạt với PROFINET

Nhiều người dùng mong muốn họ có thể kết hợp các ưu điểm của đo tốc độ dòng chảy và đo pít-tông trong một máy chiết rót quay. Tölke, một chuyên gia về máy móc đóng gói, đã đạt được kỳ tích này bằng cách sử dụng động cơ tuyến tính LinMot và truyền động servo. Người vận hành hệ thống được hưởng lợi từ thời gian chuyển đổi ngắn, phế liệu ít hơn, thời gian chết ngắn hơn và máy linh hoạt hơn.

Với các giải pháp hoàn chỉnh về động cơ servo và truyền động servo từ LinMot, quy trình chiết rót có thể được điều chỉnh dễ dàng hơn nhiều đối với các yêu cầu sản phẩm riêng lẻ và việc thay đổi sản phẩm có thể được thực hiện nhanh hơn khi ngày càng có nhiều người dùng yêu cầu. Nhờ có LinMot, những thay đổi sản xuất yêu cầu thay đổi chuyển động hành trình của kim chiết rót có thể được thực hiện chỉ bằng một nút nhấn đơn giản. Điều này giúp loại bỏ việc chuyển đổi tốn thời gian và tốn kém của các đường cong nâng cơ học.

Tuy nhiên, việc sử dụng các động cơ và bộ truyền động tuyến tính LinMot thậm chí còn mang lại nhiều lợi thế quan trọng hơn hỗ trợ tối ưu các khái niệm Công nghiệp 4.0 hiện đại: Thông tin do bộ truyền động servo cung cấp, chẳng hạn như nhiệt độ động cơ hiện tại hoặc quá trình tăng tốc, có thể được sử dụng để theo dõi quá trình nạp để phát hiện các vấn đề cơ học (giám sát tình trạng) hoặc va chạm ở giai đoạn đầu. Ngoài ra, sự đa dạng của các giao thức và giao diện bus trường giúp dễ dàng tích hợp các truyền động servo LinMot vào bất kỳ hệ thống điều khiển nào, có thể là PLC, PC công nghiệp hoặc hệ thống điều khiển độc quyền. Thông qua PROFINET – như đã từng xảy ra với một số phát triển của Tölke – có thể tải các cấu hình drive hoàn chỉnh, do đó bao gồm nhiều loại từ các chuyển động điểm tới điểm đơn giản đến các ứng dụng đa trục phức tạp.

Nhờ sự tương tác trơn tru này của các drive LinMot và PROFINET, Tölke có thể nhận ra nhiều cấu hình chuyển động khác nhau và do đó, chẳng hạn như đổ đầy các chai có hình dạng khác nhau mà không cần phải điều chỉnh toàn bộ cấu trúc của hệ thống cơ học. Nhờ hệ thống đo vị trí chính xác của động cơ tuyến tính, kim chiết rót cũng có thể được di chuyển với độ chính xác trong phạm vi phần mười của milimét trên mức chiết rót. Các giá trị gia tốc khi hạ thấp và nâng cao kim chiết rót cũng có thể được điều chỉnh riêng theo yêu cầu nhằm giảm tải cho cơ khí và tối ưu hóa việc xử lý môi trường chiết rót – hoàn toàn phù hợp với độ chính xác của Công nghiệp 4.0.

Tác giả: Franz Rossmann, Nhà báo Công nghệ

Biên tập viên: Mihaly Vidovenyecz, Kỹ thuật/Truyền thông Xã hội