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工業乙太網路積極擴張應用
智慧化需求浮現
[作者 王明德]   2018年05月04日 星期五 瀏覽人次: [325]

工業乙太網路的蓬勃發展,在自動化設備與其充分的整合上,獲得了證實。為什麼工業乙太網路如此受到青睞,其實與其特性的確有相當的關係。雖然仍有即時性問題必須克服,但工業乙太網路在開放性整合的實力,讓影響力急速擴增。


相較於現場匯流排有連結數量、頻寬及距離的限制,工業乙太網路的開放特性,也成為自動化設備商的優先選擇,業界人士指出,工業乙太網路受青睞的最重要的原因,就是可以將現場端開放連結到企業端的乙太網路,進而打造出工業4.0、智慧製造等系統架構,產生了無限寬廣的想像。


傳統現場匯流排僅能針對點對點的連結,不管如何只能透過線路的連結;對工業乙太網路來說,相對而言就有更多的想像,不過,現況上在商用環境中被廣泛應用的工業乙太網路,運用到工業環境,則仍有一些限制,舉例來說,如果一般在網路上查詢資料,花個十幾秒還是可以忍受的延遲,因為這並不影響得到資料的品質;但在工業環境上,因為自動化必須考量資訊整合,以及命令下達與反應的即時性,稍微延遲就成為資訊傳輸甚或控制的極大障礙,因此在工業環境下應用工業乙太網路就成為一大賭注。


工業乙太網路須抗嚴苛環境

也因此,在發展工業乙太網路時,原先應用於商業環境的規格,就受到相當大的挑戰,如何達到穩定地即時傳輸,是目前各個工業通訊廠商都在強化的技術,傳統商規的工業乙太網路設計,其實是允許資訊封包碰撞,但這樣的設計進入要求較嚴格的工業環境,就變的較為尷尬;在工業環境中遇到封包碰撞時,誰來決定資訊重送以及以什麼頻率重送,就成為很大的挑戰。


此外,傳統的商規工業乙太網路設備的設計,主要針對較為環境較為單純的辦公空間,因此無需針對干擾與環境限制進行防護設計,甚至關鍵的網路設備更隔離於資料中心機房內;當工業乙太網路由商規轉換到工規時,這些部分則必須重新考量。在工業環境中,網路設備可能會暴露於各種危險環境,包括高溫、高水氣與潮濕、灰塵、粉塵、油污、化學污染品、設備震動、電源品質、電壓及電磁干擾等,工業級工業乙太網路就必須針對這些部分重新設計,才能抵禦這些會損害網路穩定性的因素。


基本上工業環境使用的通訊產品,在機構設計上就必須特別注意,包括散熱、抗震及抗干擾部分,就必須要做非常仔細的測試,比起商規的網路交換器僅須抽測,工業乙太網路的交換器更須每一件做完整的安全測試,因為比起商業環境的容錯程度,工業乙太網路的錯誤發生,在生產線上就是莫大的損失。



圖1 : 工業乙太網路如何達到穩定地即時傳輸,是目前各個工業通訊廠商都在強化的技術(攝影/王明德)
圖1 : 工業乙太網路如何達到穩定地即時傳輸,是目前各個工業通訊廠商都在強化的技術(攝影/王明德)

進入工業控制,由於傳統的現場匯流排通訊模式,多是單一由控制端直接下指令給現場端,讓現場根據指令來進行動作,在封閉而單向的環境中,導入工業乙太網路的確不會造成相當的混亂,但這樣的設備提升效果相當有限;不過由於可整合網路,讓控制從現場延伸到遠端,適度提升了控制的能力,已成不可避免的趨勢,當優勢大於劣勢,自然仍讓廠商持續投入工業乙太網路的研發。但最基本的環節,一般工業通訊的應用仍然是讓現場匯流排與工業乙太網路整合應用。


與現場匯流排整合 工業乙太網路更具競爭力

就如前文,在現場端基本上仍是多以「單向控制指令」為最基礎的應用形式,因為現場端設備的使用壽命較長,基本上仍以傳統現場匯流排的通訊I/O為主;而到後端則應用工業乙太網路與網路連結,進行系統的整合應用,這樣的交叉運用兼具成本與技術考量,針對不同需求達成的最佳化,所以多數的國內廠商均認為,在五到十年之內,現場匯流排仍然不會退出工業通訊市場,而且因其成本較低、應用簡單,短期之內還會有小幅成長。


此外,像在包括影像監控等應用模式上,對於點對點對應時間並非極端嚴格,利用現有工業乙太網路造成的微小延遲亦並非無可忍受,加上工業乙太網路頻寬並非隨時都很繁忙,發生延遲的機會並不常見,對於資訊傳遞上並非「無法忍受」,因此這類資訊傳遞的工作,讓頻寬較寬的工業乙太網路處理,成為自動化廠商的選擇。


這樣的選擇,多是針對現況工業乙太網路的限制而發展出來的解決方案。從工業乙太網路進展到工業乙太網路,最必須解決的困境就是「即時性」的問題。



圖2 :  工業乙太網路的開放特性,成為自動化設備商的優先選擇。(Source: Bachmann)
圖2 : 工業乙太網路的開放特性,成為自動化設備商的優先選擇。(Source: Bachmann)

國際廠商多推出針對高速、高確定性與低干擾性的要求設計基於工業乙太網路的工業級協議,像是EtherCAT、CC-Link IE或是西門子主推的ProfiNet,西門子就指出,前述提到的工業級協議,基本上是透過網路交換器將網路的「敏感」部分隔離開來,當有涉及即時性控制的指令訊息需要傳遞,交換器的控制晶片則會讓訊息「走」隔離的頻寬,一般的資訊串則走一般通用的頻寬,如此即可解決針對工業乙太網路的即時控制的問題。


不過也有業者提出不同看法,洛克威爾就認為,前述高規格的工業乙太網路協定,必須使用專屬的晶片組與硬體,對於自動化系統的創新與發展將造成阻礙,如果在規劃時就將系統限定在一定範圍,工業乙太網路的即時性與穩定性即可兼顧。


即時性是致命傷 廠商紛提解決方案克服

由於工業乙太網路的開放性保持,是自動化廠商必須強調的特性,因此洛克威爾針對工業乙太網路所支援的EtherNet/IP的模式,就是從儀器設備層級一路連線到IT基礎設施的通訊協定,洛克威爾認為這也是唯一可跨越包括分散式、製程、安全性、運動即驅動控制等不同運用,且具備足夠技術穩定性的工業通訊協定。


至於台灣廠商多在工業乙太網路開放環境著墨,像泓格科技針對工業乙太網路,推出的「WISE」的工業乙太網路I/O,就可針對現場端較基礎的資訊直接作出反應,也被業界認為工業乙太網路的即時性解決方案;WISE是將傳統I/O加上邏輯控制器功能,讓它變得「智慧化」,能直接處理一些較為明確的指令需求,由於毋須傳遞至後端的系統判別,直接可以在現場即時處理以爭取時間。


舉例來說,像是生產線異常必須在現場發出警報,WISE可以一邊把異常訊息送到後端給中控室判斷後續處置,一方面自己的邏輯控制器可直接指示發出異常警報,相較傳統的規劃更為即時,也受到系統整合商的青睞。



圖3 : 乙太網路以往在工控應用時,會有即時性不足的缺點,不過近年來各廠商採取不同作法解決此問題,西門子的PROFITNET就是一例。(Source: SIEMENS)
圖3 : 乙太網路以往在工控應用時,會有即時性不足的缺點,不過近年來各廠商採取不同作法解決此問題,西門子的PROFITNET就是一例。(Source: SIEMENS)

就技術的標準趨勢來看,乙太網路可說近年工業通訊的當紅炸子雞,主要原因在於整合概念的普及,過去工廠內每具生產設備各自為政,宛如孤島般無法相互連結的時代已逐漸過去,隨著Field bus、Ethernet甚至無線通訊技術的成熟,工業網路逐漸成為自動化設備業界顯學,尤其是乙太網路憑藉著高速與便宜的特性,加上建構在TCP/UDP/IP下的各種應用如Web service、FTP、eMail正好填補了現有工業網路的不足等種種優勢。


國際組織積極推動標準

除了上述的業界廠商全力推動外,不少國際組織也積極推動工業乙太網路進入控制領域,如IEEE著手制定工業網路與乙太網路通信的新標準,不過就目前看來,這個夢想離現實還有點距離,短期內多種版本共存的情況仍難以打破。


有業者指出,乙太網路走入工業領域並不會把所有的工業網路都變成它,就像前面提到,工業乙太網路的重點在於TCP/UDP/IP,而非乙太網路的物理層,它將原本工業網路應用層定義的資訊,封包在乙太網路的網路層與傳輸層內,因此工業乙太網路規範了三件事,1.為了讓資訊封包的定義與解釋有基準,它制定了一套共用的應用層標準;2.原來商用的乙太網路RJ45接頭不適用於工業環境,工業規格的連接器成為許多場合所必需,因此適用於工業環境的網路設備開始被發展出來;3.乙太網路只能保證資料可以送達,但它無法保證何時到達,換言之,它並不是一個即時性的網路,而有些應用必須要求即時性,因此特殊用途的通訊模式也被制定出來。


就目前發展來看,除了像Profinet之類的工業乙太標準,因有特殊的頻寬設計,可解決即時性問題外,多數工業物聯網中的乙太網路應用仍將以上層的管理層為主,下層則仍為各式現場匯流排,中間再透過橋接器進行轉換,此一狀況目前在智慧製造系統中仍難打破,仍將會維持一段時間。


刊頭(source:Phoenix Contact)


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