Một cột mốc trong mạng lưới công nghiệp
Tự động hóa công nghiệp đang ở bước ngoặt mới. Trong khi các bus trường truyền thống như PROFIBUS và DeviceNet đang dần được thay thế bằng các giải pháp dựa trên Ethernet hiện đại, Ethernet một cặp dây (SPE) đang nổi lên như một khái niệm mang tính cách mạng, cho phép giao tiếp Ethernet trên một cặp dây duy nhất. Nhưng SPE không chỉ là một sự đổi mới kỹ thuật; nó là nền tảng của một phong trào tiêu chuẩn hóa được đồng bộ hóa toàn cầu, cho phép các nhà sản xuất máy móc và kỹ sư tự động hóa trên toàn thế giới phát triển các hệ thống có khả năng tương thích quốc tế và bền vững trong tương lai.
Chìa khóa thành công nằm ở một bộ tiêu chuẩn được phối hợp chính xác do Ủy ban Kỹ thuật Điện quốc tế (IEC) và nhiều liên minh công nghiệp phát triển. Bộ tiêu chuẩn hài hòa này tạo thành nền tảng cho một giải pháp toàn cầu thực sự – một giải pháp không có nhiều chứng nhận, các hệ thống độc quyền hoặc sự phân mảnh đã từng cản trở việc triển khai liền mạch Công nghiệp 4.0.
Các họ tiêu chuẩn như một kiến trúc tương thích
Tầm quan trọng của việc tiêu chuẩn hóa SPE không thể được đánh giá bằng một tiêu chuẩn duy nhất. Thay vào đó, một hệ sinh thái toàn diện các tiêu chuẩn phối hợp đã xuất hiện, cần phải khớp với nhau như những mảnh ghép của một bức tranh. Tổng quan sau đây trình bày các tiêu chuẩn chính và vai trò tương ứng của chúng trong khuôn khổ tổng thể nhất định.
IEC TS 63444: Nền tảng Khung Dữ liệu
Dự án này nhằm mục đích chuyển đổi tiêu chuẩn IEC TS 63444 hiện có thành một tiêu chuẩn IS như đã được công bố tại phiên họp toàn thể IEC SC65C năm 2024. Công việc sẽ được đồng bộ hóa với công việc IEC 61158 Phiên bản 2028 trong 65C/WG 9. Một số yếu tố của IEC TS 63444 có thể được đưa vào IEC 61918:2028. Tiêu chuẩn này định nghĩa các yêu cầu cơ bản cho thiết kế hệ thống và truyền dữ liệu qua SPE. Nó thiết lập nền tảng khái niệm cho phép các giao thức khác nhau, bao gồm PROFINET, cũng như các tiêu chuẩn khác, giao tiếp thông qua một lớp vật lý SPE chung. Nếu không có tiêu chuẩn này, sẽ xảy ra trường hợp phần cứng SPE tồn tại, nhưng mỗi nhà sản xuất lại đặt ra các quy tắc riêng, với những hậu quả đã biết đối với khả năng tương tác cũng như an ninh.
IEC 63171-7 ED2 – Tiêu chuẩn đầu nối của tương lai
Phiên bản thứ hai của IEC 63171-7 quy định các đầu nối lai M12 cho SPE với khả năng truyền tải điện năng cho các ứng dụng công nghiệp, cũng như một hệ thống đầu nối không có các tiếp điểm nguồn bổ sung trong các hệ thống đo lường M8 và M12 quen thuộc, và cả xếp hạng IP20 cho thiết bị sử dụng trong môi trường được bảo vệ. Điều này tạo ra một hệ sinh thái cho mật độ công suất cao hơn, các khái niệm che chắn được cải thiện và các thông số kỹ thuật dung sai chính xác hơn, đảm bảo khả năng tương thích cắm và chạy đáng tin cậy giữa các sản phẩm từ các nhà sản xuất khác nhau.
IEC 61158-2-100: Lớp vật lý của PROFINET trên SPE
Khi các ứng dụng công nghiệp ngày càng được số hóa, nhu cầu về các giải pháp truyền thông đồng nhất và hiệu suất cao trải dài từ đám mây đến cấp độ hiện trường ngày càng tăng. Tiêu chuẩn IEC 61158-2-100 giải quyết các yêu cầu này bằng cách quy định một lớp truyền dẫn vật lý được tiêu chuẩn hóa dựa trên Ethernet đơn cặp (SPE) và Ethernet-APL. Do đó, tiêu chuẩn này đặt nền tảng cho các mạng có khả năng mở rộng và tương tác từ đầu đến cuối trong tự động hóa quy trình, nhà máy và tòa nhà, đồng thời cho phép sử dụng các công nghệ Ethernet hiện đại ngay cả trong điều kiện công nghiệp khắc nghiệt và tiềm ẩn nguy cơ cháy nổ.
Cụ thể, nó mô tả khung kỹ thuật cho 10BASE-T1L và 100BASE-T1L, bao gồm truyền dữ liệu (10/100 Mbit/s), cung cấp điện năng trên cùng một đường dây hai dây và phạm vi lên đến khoảng 1 km. Một yếu tố quan trọng là định nghĩa về cổng, phân đoạn và lớp hiệu suất, cũng như các cấu hình an toàn nội tại, để đảm bảo khả năng tương tác tiêu chuẩn hóa và an toàn — ngay cả trong môi trường tiềm ẩn nguy cơ cháy nổ. Ngoài ra, tiêu chuẩn này quy định các cấu trúc liên kết (đường trục/nhánh), quy tắc cáp, yêu cầu đầu nối và các khía cạnh EMC để cho phép các mạng công nghiệp mạnh mẽ.
Do đó, nó sẽ cung cấp một đặc tả hài hòa, trung lập về công nghệ cho Ethernet một cặp dây, đóng vai trò là cơ sở cho các tiêu chuẩn IEC trong tương lai và các ứng dụng Ethernet công nghiệp. Nó đóng vai trò là cơ sở cho bộ tiêu chuẩn IEC 61784-1, -2 và -5, định nghĩa các cấu hình truyền thông cho mạng công nghiệp (fieldbus và Industrial Ethernet) cũng như các cấu hình cài đặt liên quan để triển khai tiêu chuẩn hóa và khả năng tương tác của các hệ thống này.
PROFINET trên SPE: Phần mềm trung gian giữa tiêu chuẩn và ứng dụng
Trong khi các tiêu chuẩn định nghĩa cơ sở hạ tầng, PROFINET trên SPE đóng vai trò cầu nối với các ứng dụng công nghiệp. Trong hơn hai thập kỷ, PROFINET đã là một tiêu chuẩn được thiết lập cho truyền thông thời gian thực trong tự động hóa nhà máy—một giao thức kết hợp tính xác định, độ tin cậy và khả năng chẩn đoán toàn diện.
Bằng cách chuyển công nghệ PROFINET sang SPE, dựa trên IEC 61158-2-100 và các tiêu chuẩn liên quan, một kịch bản độc đáo sẽ xuất hiện: Các nhà chế tạo máy có thể chạy các ứng dụng PROFINET đã được chứng minh của họ trên phần cứng SPE mà không cần phải thực hiện các thay đổi cơ bản đối với lớp ứng dụng. Môi trường kỹ thuật, công cụ chẩn đoán tương tự và khái niệm an toàn tương tự vẫn có thể sử dụng được.
Đây không phải là vấn đề nhỏ. Trong lịch sử, các bus trường hoặc giao thức truyền thông mới thường xuyên dẫn đến việc thiết kế lại hoàn toàn các khái niệm máy móc. PROFINET trên SPE phá vỡ mô hình này, tạo điều kiện cho sự tiến hóa hơn là cách mạng.
Ý nghĩa cho thế giới người dùng: Mạng lưới Công nghiệp 4.0 Toàn cầu
Sức mạnh thực sự của khung tiêu chuẩn này nằm ở phạm vi toàn cầu của nó. IEC là một cơ quan quốc tế; tiêu chuẩn của nó không chỉ áp dụng ở châu Âu mà còn trên toàn thế giới. Một nhà sản xuất máy ở Đức có thể sử dụng hệ sinh thái SPE giống hệt như một nhà sản xuất ở Nhật Bản, Hoa Kỳ hoặc Singapore. Điều này có một số ý nghĩa chiến lược đối với ngành công nghiệp toàn thế giới.
Độ tin cậy đầu tư dài hạn
Các tiêu chuẩn chỉ có giá trị nếu chúng duy trì ổn định và được hỗ trợ trong thời gian dài. Sau khi được thông qua, các tiêu chuẩn IEC thường có hiệu lực trong nhiều năm và các phiên bản mới được thiết kế để duy trì khả năng tương thích ngược. Phiên bản thứ hai của IEC 63171-7 thể hiện một bước tiến nhưng vẫn tương thích về mặt khái niệm với phiên bản đầu tiên. Điều này mang lại cho các nhà đầu tư sự chắc chắn về mặt quy hoạch.
Triển vọng trong ngành: PROFINET trên SPE là “ngôn ngữ chung”
Việc tiêu chuẩn hóa Ethernet đơn cặp vẫn chưa hoàn tất. Các cơ quan tiêu chuẩn và hiệp hội đang nỗ lực cải tiến: tốc độ dữ liệu cao hơn, khoảng cách truyền khác nhau, cấu hình bảo mật mở rộng và tích hợp với Mạng nhạy cảm với thời gian (TSN) để đáp ứng các yêu cầu thời gian thực mang tính quyết định hơn nữa. Những phát triển này sẽ củng cố hơn nữa hệ sinh thái SPE và mở rộng phạm vi ứng dụng của nó.
Nhưng nền tảng đã sẵn sàng: một bộ tiêu chuẩn toàn cầu được các cơ quan quốc tế phê duyệt cho phép các nhà chế tạo máy triển khai Công nghiệp 4.0 không phải như một sự chắp vá của các tiêu chuẩn độc quyền mà là một hệ sinh thái hoạt động toàn cầu, mạch lạc. PROFINET trên SPE củng cố xu hướng này bằng cách lần đầu tiên di chuyển liền mạch một giao thức thời gian thực đã thiết lập sang một lớp vật lý mới mà không bị gián đoạn, không có các biến thể độc quyền và không bị phân mảnh theo khu vực.
Đây không chỉ đơn thuần là một thành tựu kỹ thuật; đó là một thành công về mặt pháp lý sẽ có tác động lâu dài đến thập kỷ tự động hóa nhà máy tiếp theo. Thông điệp rất rõ ràng: tiêu chuẩn hóa không phải là quan liêu mà là chìa khóa cho sự đổi mới toàn cầu và thúc đẩy thành công cho các nền kinh tế.