EtherNet/ IP và EtherCAT: Cuộc chạy đua với thời gian

Ethernet là một thuật ngữ rất quen thuộc với nhiều người vì nó liên quan đến nhiều phần trong cuộc sống của chúng ta. Nó cho phép chúng tôi gửi email, tải phim và gửi/ nhận dữ liệu qua các mạng,… Làm thế nào để công nghệ này vượt ra khỏi người tiêu dùng và vào môi trường công nghiệp?

Nhiễu điện từ, hóa chất, môi trường làm việc khắc nghiệt, thiết bị Ethernet thương mại không thể hoạt động ổn định trong môi trường công nghiệp. Để ngăn nhiễu điện làm gián đoạn các lệnh, cần có cáp Ethernet được che chắn . Bảo vệ tính toàn vẹn vật lý của cáp khỏi dầu, chất lỏng và nhiệt độ bằng cách sử dụng vật liệu PVC, PUR hoặc TPE . Các cấu trúc vật lý này bao gồm PLC, bộ định tuyến và thiết bị cuối nhưng đó chỉ là một phần của mạng công nghiệp. 

Giao thức là một phần rất quan trọng trong mạng vì nó quyết định tốc độ và chất lượng của việc phân phối lệnh. Trong hệ thống mạng gia đình hay văn phòng, nếu một trang web không tải được thì người dùng chỉ cần nhấn vào nút làm mới để gửi lại lệnh. Trong công nghiệp, ví dụ như trong ngành đóng chai, nếu lệnh nhận đượclà động cơ mà không phải máy bơm thì có thể xảy ra lỗi dẫn đến hỏng sản phẩm. Mạng công nghiệp phải đảm bảo lệnh được gửi chính xác từ thiết bị đầu cuối nhận và xử lý. Các mạng công nghiệp dựa vào các giao thức xác nhận việc phân phối và thực thi các lệnh.

So sánh EtherNet/ IP và EtherCAT

EtherNet/ IP

EtherNet/ IP là Ethernet cộng với giao thức công nghiệp (IP – Industrial Protocol) và được thiết kế để hoạt động với các thiết bị tự động hóa. Là một triển khai của Giao thức Công nghiệp Chung (Common Industrial Protocol – CIP). CIP xác định cách các thiết bị kết nối với nhau, cách chúng biểu diễn dữ liệu với các thực thể bên ngoài và cách dữ liệu di chuyển từ thiết bị này sang thiết bị khác. CIP là một công nghệ dựa trên đối tượng để hiển thị dữ liệu qua mạng CIP dưới dạng một tập hợp các thuộc tính (giá trị dữ liệu) được nhóm lại trong các danh mục được gọi là đối tượng.

EtherNet/ IP chạy các lệnh thông qua Switch mạng. Điều này cho phép dễ dàng tích hợp nhiều thiết bị nhưng có thể tạo ra các hạn chế về băng thông. Mặc dù giao thức này nhanh nhưng thiết kế vật lý của mạng có thể tạo ra những bất lợi. Khi nhiều thiết bị được thêm vào, dữ liệu di chuyển qua lại có thể làm tắc nghẽn mạng do băng thông hạn chế. 

Thiết bị cần thiết để thiết lập mạng sử dụng EtherNet/ IP tương đối phổ biến. Nhiều PLC và thiết bị tự động hóa có phần cứng EtherNet/ IP tích hợp tùy chọn. Chỉ cần thêm bộ định tuyến, Switch mạng và hệ thống cáp cấp công nghiệp là tất cả những gì cần thiết để hoàn thành mạng vật lý.

EtherCAT

EtherCAT là một mạng Ethernet rất linh hoạt sử dụng một thứ gọi là “xử lý một cách nhanh chóng”. Các thông điệp EtherCAT được chuyển đến nút tiếp theo trong vòng trước khi được xử lý bởi nút đó, cung cấp cho mạng tốc độ và hiệu quả cao. Điều đó cũng có nghĩa là EtherCAT có thể cung cấp tính linh hoạt trong cấu trúc liên kết và đồng bộ hóa đáng kinh ngạc.

EtherCAT loại bỏ nhu cầu chuyển đổi mạng. Hệ thống vòng kín này đảm bảo các lệnh được phân phối nhưng thiết bị cuối cùng trên mạng có thể bị trễ. Mặc dù điều này nghe có vẻ cồng kềnh hơn, nhưng phần cứng chuyên dụng được nhúng trong các thiết bị EtherCAT đảm bảo việc xử lý và truyền các lệnh ở tốc độ cao. Điều này cũng đảm bảo rằng các lệnh sẽ không cần phải gửi lại vì các hạn chế về băng thông mạng.

EtherCAT có một số ưu điểm so với EtherNet/ IP

• Cực nhanh.
• Bạn nhận được toàn bộ hoạt động dự phòng với một chuyển đổi cực kỳ nhanh chóng.
• Bạn nhận được Xử lý khi đang di chuyển – đây là khái niệm rằng tất cả các I/O được xử lý khi thông điệp di chuyển qua nút từ cổng đầu vào đến cổng đầu ra. Đầu ra được đưa ra khỏi tin nhắn và đầu vào được thêm vào nó.
• Các bức điện trong một thông điệp EtherCAT có thể lên đến 60KB, nghĩa là bạn có thể di chuyển nhiều dữ liệu từ một nút đến Master.
• Các thiết bị Master chỉ cần đưa ra thông báo và nhận phản hồi. Một tin nhắn vào – một tin nhắn ra. Đơn giản hơn nhiều so với EtherNet / IP Scanner phải theo dõi các thông báo đến tất cả các thiết bị Slave của nó.
• Không có giới hạn thực tế đối với số lượng nút phụ trên mạng EtherCAT.
• EtherCAT có thể đóng vai trò là giao thức truyền tải cho một số giao thức khác như BACnet, EtherNet/ IP, PROFINET IO hoặc Modbus.
• Các thiết bị EtherCAT Slave có thể hỗ trợ bất kỳ chương trình ứng dụng TCP/ IP nào như HTTP, HTTPS hoặc HTML.
• Các thiết bị EtherCAT Slave có thể được thiết kế để xử lý dữ liệu TCP mà không cần phải triển khai ngăn xếp TCP/ IP. Quá trình xử lý TCP / IP có thể xảy ra trong thiết bị EtherCAT Master và dữ liệu gói UDP hoặc TCP được chuyển đến thiết bị Slave.

Nhược điểm chính của EtherCAT là các thiết bị nô lệ cần phải nhúng một ASIC phần cứng cụ thể để triển khai EtherCAT. Mô hình dữ liệu của nó rất khác và có thể rất khó hiểu.

EtherNet / IP cũng có những ưu điểm riêng

• EtherNet/ IP sử dụng tất cả các giao thức truyền tải và điều khiển được sử dụng trong Ethernet truyền thống bao gồm Transport Control Protocol (TCP), Internet Protocol (IP), và các công nghệ truyền tín hiệu và truy cập phương tiện được tìm thấy trong các thẻ giao diện Ethernet có sẵn.
• Cốt lõi của EtherNet/ IP là Giao thức điều khiển và thông tin (CIP) cũng được sử dụng trong ControlNet, DeviceNet và CompoNet. Tiêu chuẩn này tổ chức các thiết bị nối mạng như một tập hợp các đối tượng. Nó xác định quyền truy cập, hành vi đối tượng và các phần mở rộng cho phép các thiết bị khác nhau rộng rãi được truy cập bằng một cơ chế chung.
• EtherNet/ IP là một lớp ứng dụng tiêu chuẩn nằm trên Ethernet và TCP/ IP. Không cần phần cứng đặc biệt. Tin nhắn tuần hoàn được chuyển bằng UDP. Các thông điệp Acylic được chuyển bằng TCP.
• Có vô số công cụ hỗ trợ, đào tạo và tài liệu về cách thiết kế và tích hợp hệ thống EtherNet/ IP với bộ điều khiển.

EtherNet / IP có những nhược điểm của nó. Đối với một, nó có băng thông và tốc độ hạn chế. Một vấn đề quan trọng đối với các thiết bị nhúng là các thông điệp EtherNet/ IP TCP và UDP phải được xử lý và điều đó tiêu tốn đáng kể băng thông của bộ xử lý.

Nhìn chung, có nhiều tùy chọn có sẵn để giao tiếp qua mạng công nghiệp. Tùy vào từng ứng dụng cụ thể mà lựa chọn các giao thức truyền thông công nghiệp cho phù hợp.