Modbus TCP, PROFINET, EtherNet/IP và EtherCAT đều chạy trên cáp mạng RJ45 quen thuộc, đầu cắm giống hệt nhau, nhìn từ ngoài không phân biệt được. Nhưng khi chọn máy tính công nghiệp để nói chuyện với chúng, khác biệt hiện ra rất nhanh: có giao thức chỉ cần một cổng LAN bất kỳ, có giao thức đòi cổng riêng và card mạng cụ thể, có giao thức không chia sẻ cổng với mạng văn phòng được. Bài này sắp xếp bốn giao thức theo đúng câu hỏi người mua máy cần trả lời — cần mấy cổng, loại gì, và khi nào phải dùng bộ chuyển đổi.
Bốn giao thức, bốn triết lý khác nhau
Modbus TCP — đơn giản nhất, phổ biến nhất
Modbus TCP là bản đóng gói lệnh Modbus vào một gói TCP/IP. Tài liệu MODBUS Messaging on TCP/IP Implementation Guide phiên bản V1.0b của Modbus Organization quy định mọi gói Modbus/TCP được gửi tới cổng TCP đã đăng ký 502. So với Modbus nối tiếp, phần "địa chỉ trạm" được thay bằng một byte Unit Identifier nằm trong phần đầu MBAP, dùng để định tuyến qua cầu nối, bộ định tuyến và gateway khi nhiều thiết bị dùng chung một địa chỉ IP. Các trường dữ liệu được mã hoá theo thứ tự big-endian.
Với người mua máy tính, ý nghĩa rất dễ chịu: bất kỳ cổng Ethernet nào cũng chạy được Modbus TCP. Không cần card riêng, không cần driver đặc biệt, chỉ cần thư viện phần mềm. Bài Modbus là gì mô tả kỹ hơn cấu trúc lệnh và các mã chức năng.
PROFINET — chuẩn Ethernet công nghiệp của thế giới Siemens
PROFINET chạy song song hai luồng trên cùng một sợi cáp: luồng thời gian thực cho dữ liệu vào ra, và luồng TCP/IP tiêu chuẩn cho mọi thứ còn lại. Tổ chức PROFIBUS & PROFINET International mô tả ba lớp thời gian thực: RT, IRT và TSN. Nhờ ba cơ chế Fast Forwarding (giảm thời gian chuyển tiếp trong switch), Dynamic Frame Packing (giảm phần dư của các gói dữ liệu nhỏ) và Fragmentation (chia nhỏ các gói không gấp về thời gian), chu kỳ có thể xuống tới 31,25 µs.
Với máy tính công nghiệp, PROFINET ở mức RT chạy được trên cổng Ethernet thường kèm phần mềm stack. Ở mức IRT — đồng bộ đẳng thời cho chuyển động — thì cần phần cứng hỗ trợ, và đây là chỗ phải hỏi kỹ nhà cung cấp phần mềm điều khiển trước khi chốt cấu hình máy.
EtherNet/IP — chuẩn của ODVA, quen thuộc ở dây chuyền Bắc Mỹ
Theo ODVA, EtherNet/IP dùng Common Industrial Protocol (CIP) ở các lớp trên và chạy trên "Ethernet tiêu chuẩn, không sửa đổi". Nó dùng TCP/IP cho thông tin cấu hình và chẩn đoán, còn UDP cho dữ liệu chu kỳ thời gian thực. Trên nền CIP còn có các nhánh CIP Safety, CIP Motion, CIP Sync, CIP Security và CIP Energy. ODVA cũng nêu định hướng tuân thủ IEC 62443 và quy định CRA của châu Âu về an ninh mạng.
Với máy tính, EtherNet/IP ở vai trò thiết bị hoặc vai trò giám sát chạy được trên cổng LAN thường. Điều đáng lưu ý là lưu lượng UDP chu kỳ khá dày, nên không nên dùng chung cổng với mạng văn phòng.
EtherCAT — nhanh nhất, nhưng đổi lại cấu trúc mạng cứng
EtherCAT dùng nguyên lý "xử lý khi đang bay": thiết bị chủ gửi một khung duy nhất đi qua từng nút, mỗi nút đọc phần dữ liệu của mình và chèn dữ liệu của mình vào ngay trong lúc khung còn đang đi. Kết quả là hiệu suất băng thông trên 90%, chu kỳ dưới 100 µs và jitter dưới 1 µs nhờ đồng bộ hoàn toàn bằng phần cứng. Một phân đoạn nối được tới 65.535 thiết bị, dùng 100BASE-TX với khoảng cách tới 100 m giữa hai nút. EtherCAT chuẩn hoá trong IEC 61158, Safety over EtherCAT nằm trong IEC 61784-3.
Điểm quan trọng nhất với người mua máy tính nằm ở phía thiết bị chủ: theo EtherCAT Technology Group, MainDevice chỉ cần một cổng Ethernet với bộ điều khiển truy nhập môi trường (MAC) tiêu chuẩn, không cần card giao tiếp chuyên dụng. Nhờ vậy một máy tính công nghiệp thông thường chạy được phần mềm EtherCAT master. Bù lại, cổng đó phải dành riêng cho EtherCAT — không chia sẻ với bất kỳ lưu lượng nào khác.
Bảng quy đổi: giao thức nào đòi gì ở máy tính
| Giao thức | Nền tảng | Yêu cầu ở máy tính | Có chia sẻ cổng được không | Chu kỳ điển hình theo công bố |
|---|---|---|---|---|
| Modbus TCP | TCP/IP, cổng 502, phần đầu MBAP | Bất kỳ cổng Ethernet nào; chỉ cần thư viện phần mềm | Được, kể cả chung với mạng văn phòng nếu lưu lượng thấp | Không quy định; phụ thuộc ứng dụng |
| PROFINET | Ethernet công nghiệp, ba lớp RT / IRT / TSN | Cổng Ethernet thường cho mức RT; mức IRT cần hỗ trợ phần cứng | Được ở mức RT nhưng nên tách; không nên chia sẻ ở mức IRT | Tới 31,25 µs khi dùng cơ chế Fragmentation |
| EtherNet/IP | CIP trên Ethernet tiêu chuẩn, TCP cho cấu hình và UDP cho dữ liệu chu kỳ | Cổng Ethernet thường | Nên tách vì lưu lượng UDP chu kỳ dày | Theo cấu hình RPI của hệ thống |
| EtherCAT | Xử lý khi đang bay, IEC 61158 | Một cổng Ethernet với MAC tiêu chuẩn, dành riêng hoàn toàn | Không | Chu kỳ ≤ 100 µs, jitter ≤ 1 µs |
Đọc bảng theo cột "có chia sẻ cổng được không" sẽ ra ngay số cổng LAN cần mua. Một máy vừa làm EtherCAT master cho trục chuyển động, vừa đọc Modbus TCP từ đồng hồ điện, vừa gửi dữ liệu lên máy chủ MES cần ba cổng LAN vật lý, không phải một cổng chia VLAN.
Đếm cổng trước, chọn CPU sau
Rất nhiều dự án làm ngược bước này. Cách đúng là liệt kê từng mạng mà máy phải tham gia, rồi mới chọn dạng máy.
- Mạng thiết bị thời gian thực (EtherCAT, PROFINET IRT): một cổng riêng, không chia sẻ.
- Mạng thiết bị chu kỳ (EtherNet/IP, PROFINET RT, Modbus TCP tới nhiều trạm): một cổng riêng.
- Mạng quản lý và MES: một cổng, thường là cổng ra ngoài hệ thống công nghệ thông tin của nhà máy.
- Camera công nghiệp nếu có: cổng riêng, vì lưu lượng lớn và liên tục.
Cộng lại rồi đối chiếu với máy thật. Advantech UNO-2484G có sẵn 4 cổng GbE và 4 cổng RS-232/422/485, đủ cho phần lớn bài toán tủ điện. Khi vẫn thiếu, cả hai hãng đều có đường mở rộng: Advantech dùng module iDoor như PCM-24R2GL-AE (2 cổng Gigabit) hoặc PCM-24R1TP-BE (1 cổng 2,5 GbE) qua khe mPCIe, còn Cincoze dùng module CMI lắp vào thân máy.
Khi thiết bị và máy tính không cùng một giao thức
Tình huống rất thường gặp ở nhà máy Việt Nam: PLC của dây chuyền nói PROFINET, còn đồng hồ điện, biến tần cũ và bộ đo nhiệt độ chỉ nói Modbus RTU qua RS-485. Có hai cách nối.
Cách một: để máy tính làm cầu nối. Máy công nghiệp có sẵn cả cổng COM lẫn cổng LAN, phần mềm đọc Modbus RTU qua RS-485 rồi đẩy dữ liệu lên mạng. Linh hoạt, nhưng phụ thuộc vào máy tính còn chạy; máy khởi động lại là dữ liệu gián đoạn.
Cách hai: dùng gateway chuyển giao thức. Advantech có dòng EKI-1242IEIMS chuyển Modbus RTU/TCP sang ba giao thức EtherNet/IP, PROFINET hoặc OPC UA, bản dải nhiệt rộng. Ưu điểm là thiết bị chuyên dụng, chạy độc lập với máy tính, dễ thay thế.
Khi chỉ cần đưa vài tín hiệu số lên mạng — đèn báo, công tắc hành trình, tiếp điểm báo lỗi — mô-đun vào ra Ethernet là cách gọn nhất. Advantech ADAM-6060 có 6 kênh vào số và 6 kênh ra rơ-le dạng Form A, nguồn 10 – 30 VDC, tiêu thụ 2 W ở 24 VDC, cách ly 2.000 VDC, dải nhiệt −40 đến 70 °C, gắn thanh DIN 35, kích thước 70 x 120 x 30 mm. Module này hỗ trợ đồng thời Modbus/TCP, TCP/IP, UDP, DHCP, SNMP, RESTful và MQTT — cùng một thiết bị vừa nói chuyện với SCADA theo Modbus, vừa đẩy dữ liệu lên nền tảng đám mây theo MQTT. Thời gian đóng tiếp điểm 7 ms, nhả 3 ms, tổng thời gian chuyển mạch 10 ms — con số cần nhớ khi tính chu kỳ điều khiển.
Chữ "công nghiệp" ở đây nghĩa là gì
Bài toán giao thức dễ khiến người ta chỉ nghĩ tới phần mềm. Nhưng thiết bị mạng trong nhà máy vẫn phải sống trong tủ điện nóng, cạnh biến tần phát nhiễu, trên lưới điện hay sụt áp. Ba chi tiết sau nên xem cùng lúc với giao thức:
- Cách ly tín hiệu. ADAM-6060 cách ly 2.000 VDC; Advantech UNO-410 cách ly 2.500 VDC cho 8 kênh DI, 8 kênh DO và 2 cổng COM. Cách ly giữ cho một sự cố ở hiện trường không lan vào bo mạch chủ.
- Chip mạng. Nhiều phần mềm EtherCAT master chỉ hỗ trợ một số chip Ethernet nhất định. Cincoze DS-1400 dùng Intel i219 và i210, Advantech UNO-410 dùng Intel i210-IT — cần đối chiếu datasheet với danh sách tương thích của phần mềm trước khi mua.
- Dải nhiệt của cả chuỗi. Một switch dân dụng treo trong tủ 55 °C là điểm yếu nhất của hệ thống, dù máy tính có tốt đến đâu.
Bài mạng truyền thông công nghiệp nói rộng hơn về cấu trúc mạng trong nhà máy, còn bài so sánh máy tính công nghiệp và PLC giúp quyết định phần nào nên để PLC làm và phần nào nên để máy tính làm. Nếu cần lọc nhanh máy theo số cổng và điều kiện lắp đặt, công cụ chọn máy theo tiêu chí giúp thu hẹp danh sách.
Câu hỏi thường gặp
Một cổng LAN chạy được mấy giao thức cùng lúc?
Modbus TCP, EtherNet/IP và PROFINET RT về nguyên tắc cùng chạy trên một cổng được, vì đều nằm trên Ethernet tiêu chuẩn. Nhưng chia sẻ làm tăng độ trễ và khó chẩn đoán khi có sự cố. EtherCAT thì không chia sẻ được: cổng đó thuộc về EtherCAT master hoàn toàn.
Có cần card mạng chuyên dụng cho EtherCAT không?
Theo tài liệu của EtherCAT Technology Group, thiết bị chủ chỉ cần một cổng Ethernet với MAC tiêu chuẩn. Thực tế, phần mềm master thường công bố danh sách chip mạng được hỗ trợ; đối chiếu danh sách đó với chip trong datasheet máy là bước bắt buộc trước khi đặt hàng.
Modbus TCP có bảo mật không?
Bản thân giao thức không có xác thực hay mã hoá; nó ra đời cho mạng nội bộ tin cậy. Cách xử lý thực tế là tách mạng bằng cổng vật lý riêng, dùng tường lửa ở ranh giới, và không để cổng 502 lộ ra Internet. Các thiết bị mới như ADAM-6060 bổ sung MQTT có TLS và chứng chỉ X.509 cho đường lên đám mây.
Máy tính có thay được PLC trong điều khiển thời gian thực không?
Có trong một số kiến trúc — đó là mô hình PLC mềm chạy trên máy tính công nghiệp với mạng EtherCAT. Nhưng nó đòi hệ điều hành thời gian thực hoặc lớp mở rộng thời gian thực, phần cứng nằm trong danh sách tương thích, và quy trình bảo trì khác hẳn PLC truyền thống. Xem thêm bài PLC là gì.
Khi nào nên dùng gateway thay vì để máy tính tự chuyển đổi?
Khi việc chuyển đổi phải chạy liên tục kể cả lúc máy tính bảo trì, khi cần giảm tải cho máy tính, hoặc khi nhà thầu chỉ nhận bàn giao thiết bị tiêu chuẩn.
IPC247 làm được gì cho bạn
Gửi cho kỹ thuật IPC247 danh sách thiết bị cần kết nối kèm giao thức của từng thiết bị, số mạng phải tách, phần mềm điều khiển hoặc SCADA đang dùng và điều kiện lắp đặt tại tủ. Chúng tôi đối chiếu với tài liệu hãng để xác định số cổng LAN và COM cần có, kiểm tra chip mạng có nằm trong danh sách tương thích của phần mềm master hay không, đề xuất module mở rộng hoặc gateway khi cần, cho mượn máy chạy thử theo thoả thuận từng dự án để thử kết nối thật trước khi đặt, và hỗ trợ kỹ thuật trong quá trình lắp đặt. Tham khảo thêm Advantech UNO-2484G, Advantech ADAM-6060 và Beckhoff C61xx trên trang sản phẩm.