คู่มือการเชื่อมต่ออีเธอร์เน็ตอุตสาหกรรมและการเชื่อมต่อไร้สายอุตสาหกรรม

ปัญญาประดิษฐ์ (AI) และการประมวลผลประสิทธิภาพสูง (HPC) กำลังเปลี่ยนแปลงโครงสร้างพื้นฐานของศูนย์ข้อมูลสมัยใหม่ การฝึกอบรมโมเดล AI แอปพลิเคชันการเรียนรู้ของเครื่อง การวิเคราะห์ขั้นสูง และสภาพแวดล้อม HPC ต้องการแบนด์วิดท์ที่สูงขึ้น ความหน่วงต่ำลง และความน่าเชื่อถือของเครือข่ายที่มากกว่าเวิร์กโหลดองค์กรแบบดั้งเดิมอย่างมาก

เนื่องจากองค์กรต่างๆ ยังคงขยายขีดความสามารถด้าน AI อย่างต่อเนื่อง ผู้บูรณาการระบบจึงเผชิญกับแรงกดดันที่เพิ่มขึ้นในการออกแบบโครงสร้างพื้นฐานที่ปรับขนาดได้ ซึ่งสามารถรองรับสภาพแวดล้อมที่ต้องใช้การประมวลผลสูงและการเคลื่อนย้ายข้อมูลจำนวนมหาศาลระหว่างเซิร์ฟเวอร์ ระบบจัดเก็บข้อมูล และอุปกรณ์เครือข่าย การปรับขนาดโครงสร้างพื้นฐานศูนย์ข้อมูลสำหรับเวิร์กโหลด AI และ HPC จำเป็นต้องมีโซลูชันการเชื่อมต่อทางกายภาพที่เชื่อถือได้ ซึ่งรับประกันประสิทธิภาพที่สม่ำเสมอ การเติบโตในอนาคต และประสิทธิภาพการดำเนินงานในสภาพแวดล้อมที่มีความหนาแน่นสูง

1. เทคโนโลยีไร้สายทางอุตสาหกรรมหลักๆ มีอะไรบ้าง?

ระบบไร้สายในภาคอุตสาหกรรมไม่ใช่เทคโนโลยีเดียว แต่เป็นชุดของโปรโตคอลที่ออกแบบมาเพื่อการใช้งานที่แตกต่างกันอย่างมาก การเลือกโปรโตคอลที่ไม่ถูกต้องอาจส่งผลเสียอย่างร้ายแรง

1. Wi-Fi 6 และ Wi-Fi 6E (IEEE 802.11ax)

Wi-Fi 6 เป็นโซลูชันที่เหมาะสมที่สุดเมื่อต้องการอัตราการรับส่งข้อมูลสูงสำหรับอุปกรณ์เคลื่อนที่ภายในสภาพแวดล้อม RF ที่ควบคุมได้ โรงงานประกอบรถยนต์สมัยใหม่ที่ใช้งาน AGV, HMI แบบเคลื่อนที่ และระบบวิชั่นแมชชีน มักติดตั้ง Wi-Fi 6 บนย่านความถี่ 5 GHz โดยมีการวางแผนตำแหน่งจุดเชื่อมต่ออย่างรอบคอบ

โดยทั่วไปแล้ว ค่าความหน่วงจะอยู่ระหว่าง 2–20 มิลลิวินาที ขึ้นอยู่กับปริมาณการใช้งานเครือข่ายและความใกล้ชิดกับจุดเชื่อมต่อ ซึ่งเหมาะสมสำหรับการใช้งานด้านโลจิสติกส์และการตรวจสอบส่วนใหญ่ แต่โดยทั่วไปแล้วไม่เพียงพอสำหรับการควบคุมการเคลื่อนไหว

Wi-Fi 6E ขยายช่วงความถี่ที่ใช้งานได้โดยการแนะนำย่านความถี่ 6 GHz ซึ่งยังคงมีการใช้งานค่อนข้างน้อยในสภาพแวดล้อมทางอุตสาหกรรม สำหรับสถานที่ที่ประสบปัญหาการใช้งานความถี่ 2.4 GHz และ 5 GHz ที่แออัด การลงทุนเพิ่มเติมใน Wi-Fi 6E มักคุ้มค่า

2. โลราวัน

LoRaWAN ถูกออกแบบมาสำหรับเครือข่ายเซ็นเซอร์ระยะไกล อัตราการส่งข้อมูลต่ำ และใช้พลังงานจากแบตเตอรี่ มันไม่ได้มาทดแทน Wi-Fi แต่เป็นแอปพลิเคชันที่แตกต่างกันโดยสิ้นเชิง

ตัวอย่างการใช้งานทั่วไป ได้แก่:

• การตรวจจับการรั่วไหลของท่อส่ง
• การตรวจสอบระดับถังเก็บในโรงงานอุตสาหกรรมขนาดใหญ่
• การตรวจสอบสภาพสำหรับสินทรัพย์ระยะไกล
• การประยุกต์ใช้ในการตรวจวัดทางการเกษตรและสาธารณูปโภค

แม้ว่าอัตราการรับส่งข้อมูลจะจำกัดอยู่ที่ประมาณ 50 kbps แต่เกตเวย์เพียงตัวเดียวก็สามารถครอบคลุมพื้นที่ได้หลายกิโลเมตร ในขณะที่โหนดที่ใช้พลังงานจากแบตเตอรี่สามารถใช้งานได้นานหลายปีโดยไม่ต้องเปลี่ยน

3. ISA100.11a และ WirelessHART

ISA100.11a และ WirelessHART เป็นมาตรฐานไร้สายที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมกระบวนการผลิต เช่น น้ำมันและก๊าซ เคมีภัณฑ์ และการบำบัดน้ำ

ทั้งสองระบบทำงานในย่านความถี่ ISM 2.4 GHz และใช้เทคโนโลยีการกระจายสเปกตรัมแบบกระโดดความถี่เพื่อเพิ่มความต้านทานต่อการรบกวน

WirelessHART รองรับการใช้งานร่วมกับระบบ HART แบบใช้สายที่มีอยู่เดิม ทำให้การเปลี่ยนผ่านทำได้ง่ายขึ้นสำหรับสถานพยาบาลที่ใช้งานอุปกรณ์ภาคสนามที่รองรับ HART อยู่แล้ว

ISA100.11a ให้ความยืดหยุ่นและฟังก์ชันการทำงานที่มากกว่า แต่โดยทั่วไปแล้วต้องใช้ความพยายามในการกำหนดค่ามากกว่า

เทคโนโลยีทั้งสองได้รับการออกแบบมาโดยเฉพาะสำหรับสภาพแวดล้อมทางอุตสาหกรรมและด้านความปลอดภัยที่สำคัญต่อภารกิจ

2. อีเธอร์เน็ตสำหรับงานอุตสาหกรรมแตกต่างจากอีเธอร์เน็ตมาตรฐานอย่างไร?

เครือข่ายอีเธอร์เน็ตสำหรับงานอุตสาหกรรมใช้เลเยอร์ทางกายภาพมาตรฐาน IEEE 802.3 เดียวกันกับเครือข่ายสำนักงาน รวมถึงหลักการเดินสายอีเธอร์เน็ต โปรโตคอล TCP/IP และอินเทอร์เฟซ RJ45 เหมือนกันด้วย

อย่างไรก็ตาม Industrial Ethernet มีคุณสมบัติที่สำคัญเพิ่มเติมอีกสามประการที่ Ethernet สำหรับสำนักงานทั่วไปไม่สามารถรับประกันได้:

• การสื่อสารแบบกำหนดได้
• ฮาร์ดแวร์ที่ทนทาน
• ส่วนขยายโปรโตคอลระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรม

หลักการกำหนดชะตากรรมคือปัจจัยสำคัญที่ทำให้เกิดความแตกต่าง

เมื่อระบบควบคุมสั่งการให้เซอร์โวไดรฟ์เคลื่อนที่ในเวลาที่แน่นอน ความล่าช้าที่ไม่สามารถคาดเดาได้แม้เพียงไม่กี่มิลลิวินาทีก็เป็นสิ่งที่ยอมรับไม่ได้ โปรโตคอลอีเธอร์เน็ตสำหรับอุตสาหกรรมแก้ไขปัญหานี้ด้วยเทคโนโลยีต่างๆ เช่น โปรโตคอลเวลาแม่นยำ IEEE 1588 (PTP) การจัดลำดับความสำคัญของตารางการรับส่งข้อมูล และวงจรการสื่อสารเฉพาะ

1. โปรฟิเน็ต

PROFINET ซึ่งพัฒนาโดย Siemens และดูแลรักษาโดย PI (PROFIBUS & PROFINET International) เป็นมาตรฐาน Industrial Ethernet ที่แพร่หลายในภาคการผลิตของยุโรป

PROFINET IRT (Isochronous Real Time) รองรับ:

• เวลาวงจรต่ำกว่า 1 มิลลิวินาที
• ค่าความคลาดเคลื่อนต่ำกว่า 1 ไมโครวินาที

คุณสมบัติเหล่านี้ทำให้เหมาะสำหรับระบบอัตโนมัติที่มีการซิงโครไนซ์ในระดับสูง

2. อีเธอร์เน็ต/ไอพี

EtherNet/IP ซึ่งบริหารจัดการโดย ODVA เป็นโปรโตคอล Industrial Ethernet ที่ได้รับความนิยมในสภาพแวดล้อมการผลิตแบบแยกส่วนในอเมริกาเหนือ และมีการใช้งานอย่างแพร่หลายในระบบของ Rockwell Automation (Allen-Bradley)

EtherNet/IP ใช้โปรโตคอล Common Industrial Protocol (CIP) บนเครือข่าย TCP/UDP/IP มาตรฐาน ทำให้สามารถผสานรวมเข้ากับโครงสร้างพื้นฐานด้านไอทีที่มีอยู่ได้อย่างราบรื่นโดยไม่จำเป็นต้องใช้สวิตช์อีเธอร์เน็ตแบบพิเศษ

3. อีเธอร์แคท

EtherCAT ซึ่งพัฒนาโดย Beckhoff เป็นหนึ่งในโปรโตคอล Industrial Ethernet ที่เร็วที่สุดที่มีอยู่ในปัจจุบัน

คุณลักษณะสำคัญด้านประสิทธิภาพ ได้แก่:

• เวลาในการทำงานแต่ละรอบต่ำกว่า 100 ไมโครวินาที
• การซิงโครไนซ์ที่แม่นยำอย่างยิ่ง
• การประมวลผลเฟรมอย่างมีประสิทธิภาพผ่านแต่ละโหนด

แทนที่จะรับและส่งเฟรมอีเธอร์เน็ตซ้ำ อุปกรณ์ EtherCAT จะประมวลผลข้อมูลแบบเรียลไทม์ขณะที่เฟรมผ่านเข้ามา

ด้วยเหตุนี้ EtherCAT จึงเหมาะอย่างยิ่งสำหรับ:

• การควบคุมการเคลื่อนที่หลายแกน
• หุ่นยนต์หยิบและวาง
• ระบบทดสอบอัตโนมัติ
• อุปกรณ์การผลิตความเร็วสูง

ระบบฮาร์ดแวร์ที่รองรับ—รวมถึงชุดสายเคเบิลอีเธอร์เน็ตอุตสาหกรรมแบบมีฉนวนหุ้ม ขั้วต่ออีเธอร์เน็ตอุตสาหกรรม M12 และสวิตช์ PoE อุตสาหกรรม—ได้รับการออกแบบให้ทนทานต่ออุณหภูมิสูง การสั่นสะเทือน และข้อกำหนดการป้องกันการเข้าถึงของเหลวและฝุ่นในระดับสูงมาก

3. ถาม-ตอบสั้นๆ

คำถามที่ 1: อีเธอร์เน็ตอุตสาหกรรมคืออะไร และแตกต่างจากอีเธอร์เน็ตมาตรฐานอย่างไร?

อีเธอร์เน็ตอุตสาหกรรมใช้มาตรฐานทางกายภาพ IEEE 802.3 เดียวกันกับอีเธอร์เน็ตเชิงพาณิชย์ แต่ขยายขอบเขตด้วยโปรโตคอลการสื่อสารแบบกำหนดได้ เช่น PROFINET, EtherNet/IP และ EtherCAT พร้อมด้วยขั้วต่อที่ทนทานยิ่งขึ้น ช่วงอุณหภูมิที่กว้างขึ้น และระดับการป้องกันการเข้าถึงที่สูงขึ้น

ความแตกต่างที่สำคัญที่สุดคือเรื่องเวลาที่แน่นอน อีเธอร์เน็ตอุตสาหกรรมสามารถทำเวลาต่อรอบได้ต่ำกว่ามิลลิวินาที โดยมีค่าความคลาดเคลื่อนระดับไมโครวินาที ซึ่งอีเธอร์เน็ตแบบดั้งเดิมไม่สามารถทำได้อย่างน่าเชื่อถือ

Q2: ระบบไร้สายระดับอุตสาหกรรมสามารถใช้แทน Industrial Ethernet สำหรับการควบคุมการเคลื่อนไหวได้หรือไม่?

ยังไม่เหมาะสำหรับแอปพลิเคชันควบคุมการเคลื่อนไหวแบบเรียลไทม์ขั้นสูง

ตัวเลือกไร้สายที่ทันสมัยที่สุด รวมถึงการใช้งาน 5G ส่วนตัวด้วยการกำหนดค่า URLLC สามารถลดความหน่วงได้ระหว่าง 1 ถึง 5 มิลลิวินาที อย่างไรก็ตาม การใช้งานที่ได้รับการรับรองสำหรับการควบคุมการเคลื่อนไหวที่สำคัญต่อความปลอดภัยยังคงมีจำกัด

เทคโนโลยีไร้สายเหมาะสำหรับ:

• อินพุต/เอาต์พุตของสายพานลำเลียง
• ระบบตรวจสอบ
• ระบบอัตโนมัติที่ไม่เกี่ยวข้องกับความปลอดภัยโดยตรง

สำหรับการควบคุมเซอร์โวแบบซิงโครไนซ์ ระบบ Industrial Ethernet แบบใช้สายยังคงเป็นโซลูชันที่ได้รับความนิยมมากที่สุด

คำถามที่ 3: เทคโนโลยีไร้สายสำหรับอุตสาหกรรมแบบใดให้การครอบคลุมพื้นที่ได้ดีที่สุด?

LoRaWAN ให้ระยะการครอบคลุมที่กว้างที่สุด

โดยทั่วไปแล้ว การบริการจะประกอบด้วย:

• ระยะทางมากกว่า 15 กิโลเมตร ในสภาพแวดล้อมกลางแจ้งโล่ง
• ระยะทางประมาณ 2-5 กิโลเมตร ในพื้นที่โรงงานอุตสาหกรรมที่มีสิ่งกีดขวาง

ด้วยเหตุนี้ LoRaWAN จึงเหมาะอย่างยิ่งสำหรับ:

• การตรวจสอบท่อส่ง
• การวัดปริมาณการใช้สาธารณูปโภค
• การตรวจวัดทางการเกษตร
• การตรวจสอบอุตสาหกรรมขนาดใหญ่

ISA100.11a และ WirelessHART ใช้สถาปัตยกรรมเครือข่ายแบบตาข่าย (mesh networking) ที่ขยายขอบเขตการครอบคลุมผ่านการสื่อสารระหว่างโหนด โดยทั่วไปจะครอบคลุมระยะทางประมาณ 300 เมตรต่อการส่งสัญญาณหนึ่งครั้ง

คำถามที่ 4: เครือข่ายแบบไฮบริดที่ใช้สายและไร้สายมีความปลอดภัยยากกว่าหรือไม่?

สิ่งเหล่านี้ต้องการการดูแลเป็นพิเศษ แต่ไม่จำเป็นต้องมีค่าใช้จ่ายสูงกว่าเสมอไป

แนวปฏิบัติที่ดีที่สุด ได้แก่:

• การปฏิบัติต่อส่วนเครือข่ายไร้สายเสมือนเป็นเครือข่ายที่ไม่น่าเชื่อถือ
• การแบ่งส่วน VLAN
• การตรวจสอบสิทธิ์ WPA3-Enterprise
• การตรวจจับจุดเชื่อมต่อไร้สายที่ไม่ได้รับอนุญาต

สวิตช์อุตสาหกรรมสมัยใหม่จำนวนมากรองรับความสามารถด้านความปลอดภัยเหล่านี้โดยธรรมชาติ ทำให้ไม่จำเป็นต้องใช้อุปกรณ์รักษาความปลอดภัยแยกต่างหากในการติดตั้งที่ออกแบบมาอย่างดี

Q5: เมื่อเลือกเทคโนโลยีการเชื่อมต่อ ควรประเมินอะไรเป็นอันดับแรก?

เริ่มจากการถามว่าสินทรัพย์นั้นเคลื่อนที่ระหว่างการใช้งานหรือไม่

• หากต้องการความคล่องตัว ระบบไร้สายจะเป็นส่วนหนึ่งของทางออกอย่างแน่นอน
• หากไม่จำเป็นต้องมีการเคลื่อนที่ ให้พิจารณาว่าแอปพลิเคชันนั้นต้องการการกำหนดเวลาที่แน่นอนต่ำกว่า 5 มิลลิวินาทีหรือไม่

หากเป็นเช่นนั้น Industrial Ethernet มักจะเป็นตัวเลือกที่ปลอดภัยที่สุด

ปัจจัยอื่นๆ ทั้งหมด ไม่ว่าจะเป็นระยะทาง แบนด์วิดท์ และต้นทุน ล้วนเป็นปัจจัยรองเมื่อเทียบกับคำถามพื้นฐานสองข้อนี้

บทสรุป

ซอฟเทลSoftel สนับสนุนโครงสร้างพื้นฐาน Internet of Things (IIoT) สำหรับภาคอุตสาหกรรมด้วยโซลูชันการเชื่อมต่อที่ทนทานซึ่งออกแบบมาสำหรับสภาพแวดล้อมทางอุตสาหกรรมที่ต้องการประสิทธิภาพสูง ตั้งแต่ส่วนประกอบ Ethernet สำหรับอุตสาหกรรมและสายเคเบิลใยแก้วนำแสงเสริมแรง ไปจนถึงการสนับสนุนเครือข่าย Edge Networking Softel ช่วยให้องค์กรต่างๆ สร้างเครือข่ายระดับกายภาพที่เชื่อถือได้ ซึ่งรับประกันความเสถียร ประสิทธิภาพ และความสามารถในการขยายขนาดของระบบอุตสาหกรรมในระยะยาว