Ethernet đang trở thành một công nghệ mạng ngày càng quan trọng trong các ứng dụng công nghiệp.
Trong lĩnh vực điều khiển chuyển động, Ethernet, fieldbus và các công nghệ khác-chẳng hạn như Kết nối thành phần ngoại vi (PCI)-trước đây đã cạnh tranh để xử lý một số khối lượng công việc đòi hỏi khắt khe nhất trong hệ thống điều khiển và tự động hóa công nghiệp. Các ứng dụng điều khiển chuyển động yêu cầu tính xác định-đảm bảo rằng mạng sẽ phân phối khối lượng công việc đến các nút được chỉ định một cách kịp thời-điều này cần thiết để đảm bảo giữ vị trí, từ đó đảm bảo người lái xe dừng chính xác, tăng/giảm tốc thích hợp và các tác vụ khác.
Chuẩn IEEE 802.3 Ethernet chưa bao giờ đáp ứng được những yêu cầu này. Mặc dù các miền xung đột biệt lập và chuyển đổi song công-hoàn toàn đã thay thế lớp liên kết dữ liệu CSMA/CD lỗi thời nhưng giao thức vẫn thiếu khả năng dự đoán. Hơn nữa, độ phức tạp cao của TCP/IP trong một ngăn xếp thông thường không được tối ưu hóa để truyền tải lưu lượng truy cập theo thời gian thực-đáng tin cậy. Do đó, bus trường và kiến trúc điều khiển dựa trên PC{6}}với thẻ PCI dựa trên ASIC-từ lâu đã trở thành giải pháp phổ biến cho điều khiển chuyển động.
Các giải pháp Ethernet, từ EtherNet/IP® đến EtherCAT®, khắc phục những thiếu sót này theo những cách độc đáo của riêng chúng. Mặc dù Ethernet công nghiệp cung cấp một số lợi thế khác so với các công nghệ thay thế nhưng nó vẫn còn lâu mới thống trị được thị trường điều khiển chuyển động. Hãy cùng xem xét ba lý do tại sao nó có thể-và sẽ-được chấp nhận ngày càng nhiều trong những năm tới.
1
Hội tụ thay vì tăng độ phức tạp
Theo thời gian, sự kết nối ngày càng tăng giữa CNTT doanh nghiệp và nhà máy đã dẫn đến các hệ thống phức tạp hơn, thường liên quan đến sự kết hợp của các công nghệ Ethernet tiêu chuẩn, Ethernet công nghiệp và fieldbus. Ví dụ: một máy có thể sử dụng:
Những mạng như vậy rất phức tạp và tốn kém để thiết lập và bảo trì. Mỗi giao thức yêu cầu quy trình thực hiện, nhân viên lắp đặt và đào tạo riêng. Ngược lại, Ethernet cung cấp khả năng hội tụ các mạng khác nhau-chẳng hạn như các mạng dành cho điều khiển chuyển động và an toàn-thành một cơ sở hạ tầng tiết kiệm chi phí-, dễ kết nối hơn, được các nhà cung cấp hỗ trợ rộng rãi và có thể thích ứng với các yêu cầu trong tương lai.
Ethernet cung cấp khả năng hội tụ các mạng khác nhau.
Giao thức EtherNet/IP minh họa cách tận dụng tối đa sự hội tụ trong thực tế. Bằng cách sử dụng các công nghệ Ethernet tiêu chuẩn như TCP/IP và UDP/IP, được bổ sung các tính năng như CIP Sync (để đạt được sự đồng bộ hóa giao thức thời gian chính xác thông qua đồng hồ phân tán IEEE 1588), các hệ thống chuyển mạch tích hợp có thể đáp ứng đồng thời cả ứng dụng thương mại và công nghiệp.
2
Tính quyết định cho các ứng dụng điều khiển chuyển động
Điều khiển chuyển động dựa vào giao tiếp chính xác. Độ chính xác này được hỗ trợ bởi việc lập lịch dựa trên-khe{2}}thời gian, trong đó mỗi thiết bị có một lịch trình trong chính sách lập lịch để liên lạc với các thiết bị khác. Các bộ truyền động servo và bộ điều khiển này tính toán thời gian tương ứng của chúng, từ đó có thể rút ra giá trị ∆T của chức năng điều khiển. Tuy nhiên, nếu việc truyền dữ liệu trở nên khó dự đoán thì kết quả có thể bị mất; do đó, tính quyết định là cần thiết để đảm bảo sự ổn định của vòng lặp.
Ethernet có khả năng hỗ trợ các ứng dụng điều khiển chuyển động đòi hỏi khắt khe trong nhà máy.
Trong một số trường hợp, việc triển khai IEEE 1588 trong EtherNet/IP thông qua các mạch tăng tốc được tích hợp trực tiếp vào chip Intel® chỉ là một cơ chế phổ biến mà các giải pháp Ethernet sử dụng để thực thi tính xác định. Quá trình xử lý thời gian thực-tốc độ cao{3}}của EtherCAT là một ví dụ khác về mức độ đạt được hiệu suất nhất quán và có thể dự đoán được trong các ứng dụng điều khiển chuyển động. EtherCAT khắc phục các giới hạn vật lý nghiêm ngặt của giao tiếp tập trung dựa trên PCI{5}}, yêu cầu giao tiếp nhanh giữa bộ xử lý máy và bộ xử lý servo trong khi vẫn duy trì khoảng cách ngắn.
Jason Goerges giải thích trong một bài báo đăng trên *Machine Design* năm 2010:
Kiến trúc bộ xử lý phân tán dựa trên EtherCAT-cung cấp băng thông cao, đồng bộ hóa và tính linh hoạt về mặt vật lý, sánh ngang với khả năng kiểm soát tập trung đồng thời mang lại những lợi thế của mạng phân tán.
Trên thực tế, một số bộ xử lý sử dụng phương pháp này có thể điều khiển tới 64 trục phối hợp cao-bao gồm vị trí, tốc độ và vòng lặp hiện tại cũng như chuyển mạch-ở tốc độ lấy mẫu và cập nhật là 20 kHz.
3
Khả năng tồn tại lâu dài-của IIoT
Kể từ khi ra đời như một công nghệ mạng cục bộ (LAN), Ethernet đã trải qua một loạt sự phát triển. Do các thành phần fieldbus truyền thống hiện được sản xuất ở quy mô nhỏ và PCI có nguy cơ trở thành kiến trúc tiêu chuẩn công nghiệp lỗi thời, Ethernet đã phát triển đến mức hiện có đầy đủ khả năng phục vụ Internet vạn vật công nghiệp (IIoT) dựa trên IP.
Những cải tiến sắp tới-chẳng hạn như kết nối mạng nhạy cảm với thời gian- sẽ tinh chỉnh IEEE 1588 và hỗ trợ khả năng hội tụ mạng-cũng làm cho Ethernet trở thành lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng điều khiển chuyển động hiện tại và tương lai. Điều này không có nghĩa là fieldbus và PCI sẽ biến mất; thay vào đó, khi ngành công nghiệp tự động hóa hướng tới IIoT, những lợi thế của Ethernet sẽ tiếp tục phát triển.