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工业乙太网路的崛起与趋势
最隹化整合OT与IT的工业通讯标准
[作者 黃弘毅]   2020年03月03日 星期二 浏览人次: [4665]

在数位汇流的大趋势下,工业用的通讯也会走向同一汇流标准,应该是无庸置疑的结果,所以用乙太网路TCP/IP作为实体层与连结层的共同协定,就自然而然地顺势而起了。


在数位汇流的大趋势下,工业用的通讯也会走向同一汇流标准,应该是无庸置疑的结果,所以用乙太网路TCP/IP作为实体层与连结层的共同协定,就自然而然地顺势而起了。然而一般商用环境下的乙太网路,对於工业通讯而言既太复杂,也不够稳定,工业通讯需要更稳定可靠的连接器、电缆,以及更高的确定性,尤其後者最为重要,因此工业乙太网路也必须有一套自己的模式,以及设备标准。


然而传统工业设备机台种类繁多,而且也已运作多年,因此新的协定必须与原有设备相容连接,也是目前的工作要务。但是,不论是传统或乙太工业通讯标准,并没有统一制定标准的组织,原有开发工业设备的各大公司便成为这一阶段的主导者,他们直接从为PLC发展的通讯协定衍生出新的工业乙太网路标准,主要有EtherCAT、PROFINET、Ethernet/IP、Modbus TCP与Ethernet Powerlink等五种。


工业通讯结合乙太网路的优势

在本文里并没有要为五大工业乙太网路做评论或背书,其实他们只要都是遵循IEEE 802.3的标准,将来要互相连接运作应该也没有什麽困难,顶多在应用层上开放应用程式介面(API)即可。


所以,工业乙太网路最主要优势就是能轻易整合操作科技(OT)与资讯科技(IT)的应用,PLC上的OT通讯很单纯,通常只要传送简单的指令或叁数,传统设备机台用一般序列埠RS232或RS485来连结传送即可。但是,应用乙太网路就不一样了,它能连结更多IT的设备与资讯,未来可发展的功能与效率都会大大地增加。


在此就从效率与功能两方面来具体说明其优势,至於工业乙太网路的标准问题,也会从中得到了解答:


成本与环境带来更高的效率

因为商用的乙太网路从1970年代出现以来,不断地创新发展,各种设备既现成又齐全,更重要的是都在同一标准下运作且相容。所以工业乙太网路可以使用标准的路由器、网路交换器、集线器、线材、无线接取器及光纤等设备,不仅经济实惠,在维护与器材供应上也都更简便有效率。


至於工业环境要求的稳定度与可靠性,其实是不用太担心的事,因为乙太网路的技术已相当成熟,只要用高档的设备器材就能达到此一目的,那些标榜合??工业环境的网路交换器等等设备,应该也是用更高级的材料与更严谨的工程所制造的产品而已。


另外在乙太网路的整体通讯环境中,由於有线、无线,短距、远程的通讯设备装置五花八门,只要做好一个优质的App,几??随时随地都能跨平台的来操控机台,提高生产效率。


CT促进OT与IT的最隹化运作

应用工业乙太网路重点还是在提升工厂运作的新境界,在工厂自动化精益求精的原则下,整合OT、IT与CT(通讯科技),发展更多功能,才能达到智慧化与最隹化的效果。简单来说,工业CT就是OT与IT之间的媒介,也是工厂智能化与机动化必要的条件。(图1)



图1 : 工业乙太网路是当前结合IT与OT的最隹通讯科技。(CTIMES制图)
图1 : 工业乙太网路是当前结合IT与OT的最隹通讯科技。(CTIMES制图)

工业乙太网路比传统RS232或RS485来说速率要快很多,不过处理TCP/IP封包会比处理串列资料要复杂,或许对旧有处理简单指令的机台不需要,也不必更换。但未来智能化的机台就不一样了,加上嵌入式系统的OT可以做更多功能的应用,配上乙太网路来与外部连结交换资讯也很方便,而最重要的是乙太网路持续在随着资讯科技进步发展,所以才能与IT做更好的结合。


另外,使用乙太网路就能做远距与云端连线,可以让数据交换更无远弗届,办公室与工厂资源得以整合,也方便ERP、CRM等系统做更精密的决策依据。所以,要有与时俱进与装置齐全的通讯科技,才能使OT与IT得到最隹化的结合与运作,而使用乙太网路的CT则是目前最隹的选择。


在工业物联网方面的应用

工业乙太网路在工业物联网(IIoT)上面的应用当然也是不可或缺的角色。从名词的定义上就知道,IIoT(Industry Internet of Things)的第二个I就是Internet,工业物联网的核心与基础仍是网际网路,必须以TCP/IP的协定来串连所有的东西。


不过短距离的感知传输,才是机台装置接触各类物体的通讯需要,例如Zigbee或现场汇流排等方式,有些感知则是直接解译後当场处理,乙太网路在这里派不上用场。所以,乙太网路是负责将这些机台装置串联起来的作用,每个机台装置则是这个节点的子网路伺服器。


机台之间的连结也就是所谓的M2M平台,由於是机器之间的自主管理,在用乙太网路串连起来之後,还需要遵循其他层面的协定标准,特别是应用层上的登录与安全技术,这样才能建构出一个完整的IIoT平台。


因为从理论上而言,每个「物」都会有它独一无二的IP位址,而这些物平时并不会串连在一起,而且会散落各地,但一旦透过乙太网路连接之後,对於该物的履历也就会一目了然,并且可以做进一步的应用或追踪处理。


工业安全与时间敏感网路的问题

工安问题一直是工厂自动化首要考虑的项目,本来自动化可以减少人为的疏失或环境对人员的伤害,但在网路数位化之後,相关的伤害却可能来自外部的侵入或数据的错乱,一个环节出错,所有连结的机器可能像骨牌效应一样应声而倒。所以,笔者认为起码有三个环节要特别注意,一是网路安全,二是时效掌握(TSN),三是容错设计,以下将分别说明。


开放性网路的安全保护

当工厂自动化应用乙太网路串连之後,虽然方便的与其他IT系统整合,也可以做远距与无线的遥控,但因为TCP/IP的资料封包属於开放分散式的传送协定,在网路安全上就必须特别注意,要防备任何刻意或不刻意的系统侵入。


在网际网路上的骇客行为都是24小时自动化地在执行着,工厂机器一旦被骇客操控或瘫痪,可以想见引发的危机或损失会是多麽的严重,因此工业乙太网路也必须这方面提供更多的保障。当然,业者在应用层上可以设计一些安全措施,例如资料加密或防火墙,但最好是在乙太网路的各类装置上就提供这些保障,并且由工厂可以做自主设定,许多工业乙太网路的供应商也意识到这一点,所以都会 另外提供诸如工业安全路由器或安全远端存取平台等设备。(图2)



图2 : 供应商标榜的各类工业级乙太网路设备
图2 : 供应商标榜的各类工业级乙太网路设备

然而网路安全是一个复杂的问题,对於资料数据的保密、完整、可用等都必须做好积极的保护。有业者表示,应尽早实施适当的安全功能,最好是在系统讯号链开始的时候,也就是从实际的物理世界转向数位世界的时候,这个节点通常由感测器或控制器构成,在此点上可直接要求硬体身分识别及资料完整性,如此才能实现最高级别的资料安全。


时间敏感网路的建构

时间敏感网路或者也称作时效性网路,涉及多个子标准,是IEEE 802.1工作小组中的Time-Sensitive Networking(TSN)工作小组发展的系列标准,其定义为在乙太网路上以最低延迟或高可用性进行资料传输的机制。所谓时间敏感就是为了能做到即时反应,除了是机器之间的有效运作外,也牵涉到品质与安全的问题。


前面曾经说过,乙太网路要处理TCP/IP封包要比处理序列资料要复杂很多,资料越多时间延迟就可能越多,另外TCP要做及时控制也有许多不便,因此建构TSN是工业乙太网路非常迫切需要的措施。然而TSN网路基础为无数的感测器、装置及系统,当智能化运作越来越重要时,必须依靠人工智慧的演算处理,未来让各类机台当下就能自行决策。


各类环节的容错设计

这个问题是笔者叁考IT软硬体整合时所应考虑事项而特别强调的一点,也就是在资讯科技里不管多麽精良的系统,仍然会有不可预知的冲突或bug。造成系统错误的节点当然要立刻收集资料反应回管理端,而既然错误难免,也要马上透过容错设计,让现场操作人员因应。


出现系统bug,也许是小问题可忽略,也许是停机检查,也可能是立刻启用备援系统来因应。总之,有了容错设计会让整个工厂自动化作业更让人安心,也不至於耽误生产的流程与效率。


结语

工业通讯选择乙太网路从成本考量、方便性、自动化功能发展,乃至於串联工业物联网的需求而言,都是必然的趋势应用;而随着资讯科技与时俱进的乙太网路标准,现今作为IT、OT之间智能化与最隹化的运作媒介,也是顺理成章的一件事。同时,各个领域如果都能早一点布局工业乙太网路,也是实现工业4.0让多方都能叁与生产与运销的重要途径。


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