Tại hầu hết các công ty, nhà máy, hệ thống tự động hóa hoạt động như một hệ thống cô lập đã là khái niệm trong quá khứ. Nhiều năm nay, các bộ phận của hệ thống tự động hóa như bộ điều khiển và máy tính kiểm soát đã giao tiếp với máy tính và máy chủ trung tâm. Các máy chủ trung tâm thường nằm trong khu vực mạng trung tâm, giống như trong thế giới IT, và do đó phải được truy cập thông qua mạng được quản lý bởi các nhân viên IT. Với sự linh hoạt ngày càng cao của tự động hóa, khả năng liên kết này không ngừng phát triển, và sự xâm nhập ngày càng tăng của giao tiếp này đã trở thành một phần của toàn bộ hệ thống tự động hóa. Như vậy, sự tích hợp ngày càng cao của lĩnh vực tự động hóa đang trở thành một tiêu chí quan trọng cho sự thành công của việc điều hành hay sản xuất. Thêm vào đó, ngày càng có nhiều bộ phận của hệ thống tự động hóa, chẳng hạn như các thiết bị I/O, van, và bộ điều khiển, được kết nối để kiểm soát các bộ phận riêng lẻ thông qua Ethernet. Do xu hướng này, việc sử dụng Ethernet ngày càng trở nên phổ biến hơn để kết nối các thiết bị ở các cấp cơ sở. Tuy nhiên ngay cả như vậy, số lượng lớn các thiết bị tự động hóa có liên kết Ethernet đều yêu cầu xem xét cấu trúc mạng: cấu trúc đường thẳng thường quyết định thông qua việc sử dụng các hệ thống Fieldbus đang được thay thế bằng cách cấu trúc chuyển đổi (giống như trong thế giới IT). Cấu trúc thẳng được giữ lại chỉ ở cấp độ máy móc và hiện đang sử dụng thành phần chuyển đổi theo bậc. Mạng lưới phẳng lớn, đại diện cho một lĩnh vực phát sóng, nhường chỗ cho một cấu trúc mạng chia thành nhiều mạng con hợp lý. Tại đây, nhiều công ty hưởng lợi từ sức mạnh tổng hợp giữa IT và công nghệ tự động hóa bằng cách tận dụng kinh nghiệm IT để hoạt động hiệu quả với các mạng lớn nhiều nút.
Hệ thống tự động hóa đòi hỏi các cấu trúc mạng cụ thể ở cấp độ máy móc, trong khi đó các cấu trúc Ethernet được sử dụng ở cấp độ cao của mạng tương tự cho CNTT và tự động hóa. Vì lý do này, nhiều công ty thích một hội nhập toàn diện về các lĩnh vực tự động hóa vào CNTT. Khu vực mạng lưới rộng lớn có thể được thiết lập, sử dụng, và hoạt động với nhau, do đó tạo điều kiện cho sự trở lại tốt nhất có thể về đầu tư cho mạng lưới hoàn chỉnh. Gắn bó chặt chẽ với việc sử dụng Ethernet là việc sử dụng các giao thức TCP/IP – phổ biến trong thế giới IT. Sự ổn định và kinh nghiệm sâu sắc gắn liền với các ứng dụng giao thức TCP/IP làm giao thức TCP/IP phổ biến rộng rãi sau khi phát triển cơ sở cho các ứng dụng không giới hạn thời gian, ngay cả trong các ứng dụng tự động hóa. Giao thức tối ưu đang được sử dụng cho các ứng dụng thời gian quan trọng, mà chủ yếu là giao tiếp trong từng tế bào tự động hóa.
Điều này đi kèm bởi sự tương tác ngày càng tăng của khả năng quản lý và chẩn đoán của các hệ thống tự động hóa do khả năng phát triển ngày càng tăng của truyền thông và sự hội nhập của các mạng. Các tế bào tự động hóa nhiều hơn và nhiều hơn nữa được theo dõi và cấu hình bởi máy chủ chẩn đoán trung tâm nằm ở khu vực trung tâm của mạng lưới tổng thể. Hội nhập của các bộ phận của mạng tự động hóa thành một quản lý SNMP trung tâm (Giao thức quản lý mạng đơn lẻ) ngày càng phổ biến. Bên cạnh rất nhiều điểm tương đồng, trong khi cài đặt mạng, các tình huống cụ thể của quá trình tự động hóa cũng phải được xem xét với việc lắp đặt các thiết bị tự động hóa trong các môi trường khác nhau, các yêu cầu thông tin liên lạc khác nhau, chẳng hạn như hành vi thời gian thực.
Phần tiếp theo nhấn mạnh các yêu cầu và hoàn cảnh cụ thể liên quan đến tự động hóa, và xác định các lựa chọn cho việc tích hợp hai lĩnh vực từ trước đến nay là khác nhau – một là chi phối bởi các ứng dụng văn phòng và hai là quy định bởi các ứng dụng tự động hóa. Ethernet và giao thức TCP/IP được sử dụng trong cả hai lĩnh vực. Thuật ngữ “Ethernet công nghiệp” được đưa ra cho sự thích nghi của Ethernet với các điều kiện cụ thể trong tự động hóa.
Điều kiện cụ thể trong quá trình tự động hóa
Các phân nhánh chính của tự động hóa là:
Nhà máy tự động hóa
Sản xuất tự động hóa hoạt động đầu tiên và có vị trí quan trọng nhất trong ngành công nghiệp ô tô, cơ khí chế tạo, nhà máy sản xuất, OEM và các ngành công nghiệp điện. Nó là một trong những động lực quan trọng đằng sau việc phổ biến của Ethernet công nghiệp. Số lượng các nút trong các loại của các cơ sở sản xuất, kết hợp với sản xuất mang tính linh hoạt cao đòi hỏi phải có thông tin liên lạc giữa các thiết bị tự động hóa và các hệ thống quản lý sản xuất trung tâm, đã sớm là một động lực cho việc sử dụng các công nghệ như Ethernet. Áp dụng ngay cả trong các điều kiện giao tiếp đặc biệt như trong đường hầm, trong xây dựng và công trình xây dựng dưới lòng đất, trong khi vận chuyển, và trong giao thông (đường sắt, đường bộ, đường thủy) đều được áp dụng trong Ethernet công nghiệp.
Quá trình tự động hóa tham gia vào một loạt các ngành công nghiệp, đặc biệt là ở khu vực Đông Nam Á, từ sản xuất hóa chất và dược phẩm, cũng như các hoạt động khai thác khoáng sản đến chế biến giấy và thực phẩm. Quá trình tự động hóa cũng được sử dụng trong các ngành công nghiệp nhạy cảm như nhà máy lọc dầu, khí và nước; nhà máy xử lý nước thải.
Một yếu tố phổ biến trong tất cả các ngành tự động hóa là sự phụ thuộc mạnh mẽ vào các nhà máy sản xuất. Tiêu chuẩn kỹ thuật của nhà máy sản xuất liên quan đến hệ thống điều hành, bảo trì từ xa, v..v, là thường xuyên liên kết và phải được đưa vào báo cáo cụ thể thông qua việc sử dụng các biện pháp phù hợp trong lĩnh vực này với từng ứng dụng cụ thể. Thiết bị có một phạm vi ứng dụng rất nhiều hạn chế và một hệ thống điều hành thời gian thực cụ thể (hiệu suất cao với yêu cầu bộ nhớ ít) thường được sử dụng. Thường xuyên, chính xác một ứng dụng cho mỗi thiết bị được sử dụng. Tuy nhiên, cũng có những thiết bị được dựa trên một hệ thống điều hành tổng quát và do đó phải chịu những rủi ro tương tự như các bộ phận riêng lẻ trong thế giới mạng.
Hoàn cảnh cụ thể, các kết quả điều kiện và yêu cầu được chia thành các “Cơ sở” khác nhau và được trình bày dưới đây. Một mô tả ngắn gọn về tình hình tồn tại trong thế giới IT (thế giới mạng) thực tế cùng với các thông tin nổi bật những tình huống khác nhau trong lĩnh vực tự động hóa. Cuối cùng, kết quả đối với thế giới IT như là một sự hội nhập được thể hiện trong từng trường hợp.
Cấu trúc mạng và các nút mạng
Cấu trúc mạng bao gồm các cấu trúc liên kết mạng bị động, tức là, hình ngôi sao, hình tròn như chiếc nhẫn, hoặc đường thẳng, cũng như các thiết kế mạng lưới logic với các yếu tố mạng lưới chủ động, ví dụ, lớp 3 và lớp 2 bị chuyển mạch. Trong thế giới mạng, một cấu trúc liên kết mạng lưới phân cấp khớp với nhau mới được chấp nhận, dựa trên lớp 2 và lớp 3 chuyển đổi và cung cấp cho một kết nối theo hình ngôi sao của thiết bị đầu cuối. Các thiết bị đầu cuối là tương đối đồng nhất về thông tin và bao gồm máy tính, trạm làm việc, máy chủ, chi phí, và các thiết bị đa phương tiện như các điện thoại IP. Một đặc tính quan trọng của công nghệ thế giới mạng là những chu kỳ đổi mới ngắn. Trong một số trường hợp, các biện pháp chỉ một vài năm và hệ thống được thay thế thường xuyên, bao gồm hệ điều hành, và các thành phần mạng.
Ngoài các thiết bị thông minh để kiểm soát và giám sát các hệ thống tự động, chẳng hạn như;
Robot,
Bộ điều khiển
Giao diện người dùng để theo dõi và kiểm soát các máy tính hoặc quá trình (các thiết bị HMI)
Còn có các thiết bị đơn giản được sử dụng ở cấp độ địa phương, chẳng hạn như;
Thiết bị I/O (cảm biến và chuyển mạch)
Hệ thống lái
Các hệ thống nhúng
Một kiểu đặc biệt của nút mạng được đại diện bởi các thiết bị có cả hai chức năng như là một thiết bị đầu cuối và như là một chuyển đổi mạng. Trong thế giới mạng, thiết bị như vậy chỉ được biết đến dưới hình thức các điện thoại IP với các chuyển mạch tích hợp. Hệ thống tự động hóa thường chứa các thiết bị được sử dụng như là thiết bị I/O cho các yếu tố kiểm soát, đồng thời có một chuyển mạch tích hợp. Họ có thể hoạt động như một thiết bị I/O trong thông tin liên lạc (tức là PROFINET, Modbus-TCP, …), và họ cũng có thể chuyển tiếp một gói dữ liệu đến nút mạng tiếp theo. “Kết hợp chức năng” này cho phép thực hiện đơn giản của một cấu trúc liên kết trực tuyến cũng như các cấu trúc liên kết vòng, hoặc kết hợp cả hai, trong đó đặc biệt phù hợp để sử dụng trong tự động hóa. Các thành phần mạng thuần túy tương ứng với chuyển mạch thường được sử dụng thường xuyên trong thế giới mạng có thể tránh được.
Trong thế giới mạng cũng như các mạng tự động hóa, mạng có sẵn là một yếu tố quan trọng của người sử dụng.
Trong tự động hóa, một mạng không có sẵn hầu như luôn luôn kết quả là việc tắt toàn bộ hệ thống hoặc một phần của hệ thống, đó là liên kết với chi phí cao.
Tính sẵn sàng có thể được tăng lên bằng cách:
Sử dụng các phần tử mạng có thể được sửa chữa hoặc thay thế một cách nhanh chóng và dễ dàng
Với công nghệ không dây LAN, AGVs (Phương tiện hướng dẫn tự động) hoặc điện thoại di động điều hành và các thiết bị bảo trì có thể được tích hợp dễ dàng vào hệ thống tự động ngay cả với các công nghệ an toàn. Với việc sử dụng mạng LAN không dây thay vì sử dụng cáp trở nên linh hoạt và tính sẵn sàng sẽ được tăng lên.
Điều kiện môi trường
Cho đến nay, thị phần lớn nhất của các thành phần mạng đã được phát triển chủ yếu cho thế giới mạng. Các điều kiện lý tưởng, thường chỉ có các thành phần mạng, tức là, chuyển mạch, được đặt trong tủ hệ thống dây của mình. Có thể hiểu rằng những điều kiện lý tưởng biến mất khi gần đến máy và khoảng cách từ các loại bảo vệ của khu vực này.
Đặc biệt, các điều kiện sau đây phải được giả định trong môi trường công nghiệp:
Số lượng cao của yếu tố bụi bẩn và bụi trong trạng thái rắn và lỏng
Tải cơ học cao trong các yếu tố rung động và những cú sốc
Nhiệt độ cao hay thấp, dao động từ -40°C đến +70°C
Không gian lắp đặt rất hạn chế
Độ ẩm cao lên đến 95%
Khả năng tải điện cao
Mạng ngày càng tăng các nút giao tiếp trong lĩnh vực tự động hóa càng làm tăng số lượng kết nối dữ liệu và các liên kết. Để đặt các yếu tố mạng, chẳng hạn như chuyển mạch, trong một vị trí trung tâm, yêu cầu dây cáp rất dài, và sẽ tăng các công việc đáng kể cho hệ thống cáp. Kết quả là, các yếu tố mạng (chủ yếu là chuyển mạch) cần thiết có thể được cài đặt và hoạt động gần với máy. Các yêu cầu nghiêm ngặt hơn mô tả cho các thành phần ngăn cản việc sử dụng thiết bị chuyển mạch văn phòng tiêu chuẩn ở cấp máy móc. Môi trường hoạt động đặc biệt xác định xem thành phần mạng LAN ưu thế chống lại “môi trường khó khăn”. Một khó khăn nữa đặt ra bằng cách sử dụng thiết bị chuyển mạch mạng tiêu chuẩn là khả năng cài đặt chúng trong hoặc trên máy tính. Ở đây, 19” không gian bỏ phí công nghệ không thể được sử dụng. Thay vào đó, công nghệ tiết kiệm không gian phải được lựa chọn có thể sử dụng cho các cơ sở hạ tầng cài đặt trên trang thực tế. Như một hệ quả, chuyển mạch nhỏ hơn, thường có ít hơn 10 cổng và phù hợp với tiêu chuẩn DIN lắp đường ray dẫn, được sử dụng. Thông thường, 24V DC cung cấp điện được sử dụng ở mức độ máy tính, tức là, thiết bị chuyển mạch đặc biệt trong các tế bào tự động hóa, chứ không phải là một nguồn cung cấp 230V AC được yêu cầu hỗ trợ kiểu cung cấp năng lượng này.
Trái ngược với thế giới mạng, các chức năng chuyển đổi chủ yếu không được đảm bảo thông qua việc sử dụng các thành phần độc quyền kết nối với các nút mạng khác. Thay vào đó, cấu trúc liên kết trực tuyến cho rằng không chỉ có các chuyển mạch “thuần túy” được tích hợp trong dây chuyền mà còn các thiết bị tự động hóa khác có chức năng chuyển đổi bao gồm một cổng đầu vào và một cổng ra. Điều này có thể so sánh với các chức năng chuyển đổi của các điện thoại VoIP. Mặc dù việc cung cấp kết quả cho các thành phần phù hợp gần với máy móc, nó không thể giả định rằng tuyên bố “Công nghiệp = môi trường khắc nghiệt” là đúng cho tất cả các khu công nghiệp. Trên thực tế, điều kiện mạng như bình thường có thể được tìm thấy tại các địa điểm sản xuất, ví dụ, tại các nhà sản xuất chip. Vì lý do này, không thích hợp để bác bỏ các thành phần mạng phù hợp trong môi trường công nghiệp gây ra bởi điều kiện môi trường khắc nghiệt. Thay vào đó, các điều kiện cụ thể cần được xác định trước cho mỗi công trình lắp đặt. Nếu có thể, các biện pháp đơn giản, chẳng hạn như cài đặt trong một tủ điều hòa nhiệt độ và niêm phong, có thể được thực hiện để tạo điều kiện môi trường mới, do đó loại bỏ việc nhu cầu sử dụng các chuyển mạch đặc biệt đắt tiền, ví dụ như; chuyển mạch loại IP67 với tính chất đặt biệt chổng rỉ cao.
Thực hiện cơ sở hạ tầng thông tin liên lạc tự động hóa, dựa trên Ethernet và giao thức TCP/IP, hóa ra là dễ dàng đạt được từ góc độ kỹ thuật. Cấu trúc của mạng tự động hóa ở mức độ máy móc có thể khác nhau đáng kể từ cấu trúc của mạng lưới, điều này áp dụng cho cấu trúc mạng, các yêu cầu phần cứng và phần mềm, và các giao thức được sử dụng. Giải pháp mới không biết đến từ trước đến nay trong thế giới mạng là cần thiết cho các mạng tự động hóa và có thể được thực hiện một cách hợp lý chỉ bằng cách sử dụng cụ thể cho từng “ngành công nghiệp phù hợp” về thành phần và công nghệ. Giải pháp được cung cấp bởi công nghệ Fieldbus mở và các tiêu chuẩn. Công nghệ “mạng thường” cũng có thể được sử dụng trong môi trường công nghiệp ở khu vực không trực tiếp gần các máy móc, trong khi xem xét các trường hợp ngoại lệ. Tiêu chuẩn hiện hành cung cấp quy tắc lập kế hoạch cho việc thiết kế kết nối giữa các môi trường CNTT tiêu chuẩn và môi trường cụ thể của các tế bào tự động hóa.