账号:
密码:
智动化 / 文章 /

运用工业乙太网路加速转移至工业4.0
[作者 Fiona Treacy]   2020年12月01日 星期二 浏览人次: [1961]

随着制造与加工厂房积极推动数位化,第四波工业革命正改变我们制造产品的方式。过去数十年来,我们见识了自动化带来的种种利益,如今包括增强资料(enhanced data)、机器学习、以及人工智慧等力量,都促使着这些系统的继续发展。现今各种自主运算系统之间的联系越来越紧密,并对资料进行通讯、分析、解读,以协助人员在工厂的其他领域做出明智决策与行动。智慧工厂计画透过提高产出、资产使用率、以及整体生产力,从而创造出许多新的商业价值。它们除了运用新的资料流促成弹性与重新定义品质,还能协助减少消耗能源以及产生的废弃物。从边界到云端全面连结着各种智慧系统,加上其可支援大规模客制化,使得制造环境更有效率。


藉由运用越来越资料做出更好的决策,即可预测出工业4.0的各种利益。在自动化系统的各部分及时存取资料以及供应资料,这些都须依赖连结网路。网路技术和制造商采用的流程与作业方法一样,都必须持续演进以容纳增加的资料量。智慧连网的自动化环境要求数位连结的系统、机具、机器人,都能创造与分享资讯。这意谓着,这些机器的通讯以及工厂的通讯网路不仅是企业的核心,也是促成我们对於工业4.0之弘远目标的力量。


想要让工厂内每个感测器与制动器之间的无缝连结,包含位在远端元件的通讯,光是透过现有基础设施基本上是不可能办到的。未来,倘若资料以及整个企业层级的融合能提供做为决策依据的情资,那麽当前的挑战就是寻找适合途径,让前所未有的庞大资料能顺畅流动,而不会使传输网路瘫痪。然而衍生问题则是如何规划、组建、以及部署工业通讯网路,能因应现今自动化环境以及未来虚拟工厂的各种需求。



图1 : 云端基础设施
图1 : 云端基础设施

为何选择工业乙太网路?

随着连结成为工业4.0愿景的核心关键,因此必须先实现三个目标才能成为真正连网企业。第一,更高层级的资讯科技(IT)或企业基础设施必须覆盖厂区的控制网路。第二,厂区各种现有的网路或制造单元必须能并存与互通。第三,我们需要安全无虞地无缝连结到流程环境,从流程边界一直到企业云端。


为解决这些挑战,我们需要采用一种能支援互通、扩充、以及传输距离等目标的基础网路技术。乙太网路就是理想的解决方案,因为其广泛部署,使得各界对它都已经极为了解。由於提供高频宽以及能快速启用,因此也被广泛部署在所有制造环境的IT基础设施之中。



图2 : 逐渐融合的两个世界:资讯科技(IT)与营运技术 (OT)
图2 : 逐渐融合的两个世界:资讯科技(IT)与营运技术 (OT)

然而对於要求即时运作的工业控制基础设施而言,标准乙太网路并不是可行的解决方案。营运技术(OT)控制网路必须确保讯息能在有需要的时候及时传到,让任务或程序能正确运行。用来绕送资料流的TCP/IP通讯协定其本质并无法保证达到这样程度的确定性。和标准乙太网路支援档案分享或存取像是印表机在内的网路装置一样,工业乙太网路也允许控制器能存取资料以及将指令从PLC传送到工厂各处的感测器、制动器、以及机器人。两者之间关键差别在於延迟的影响或没有传递的讯息。在非即时应用中,若是网页过慢更新,其产生的影响很轻微,但若是在制造环境,则影响就非常严重,包括从导致废料的产生,一直到人员意外受伤等。讯息必须每次都可靠、即时地传抵目的地,控制系统才能正常运行。


因此,工业乙太网路成为营运技术在控制层面的理想选择。目标不光是在IT与高层次OT网路之间建构无缝连结,还要让工厂OT网路的各个分层能连结到终端节点感测器,如图3所示。目前业界需要复杂且耗电的闸道器使OT网路的较低层级元件能连结较高层级的乙太网路,在较高层级部分还需要IT/OT网路的汇整。以乙太网路为基础,建构覆盖全工厂的可互通自动化网路,即可替换掉这些闸道器,进而简化网路。事实上,通讯协定闸道器的作用包括协定的转译,以及连结到OT网路的上层部分,但这部分并无法直接连结,因而形成网路中的孤岛。这样的资料孤岛限制了工厂各处分享资讯的能力。这种情况和先前提及的工业4.0愿景相违背,制造商希??从OT搜集遥测资料,然後在IT进行分析以及各种商业流程。



图3 : 自动化的金字塔
图3 : 自动化的金字塔

图4 : 时效性网路的特色
图4 : 时效性网路的特色

在控制应用方面,封包传递与时序的确定性都是强制性的要求,为此许多厂商针对营运技术(OT)网路规划各种即时通讯协定。结果发展出许多解决方案,在各厂商的通讯协定中融入确定性机制。然而这也导致解决方案之间彼此不相容,不同制造单元运行无法相容的通讯协定。这种情况形成资料独立,或资料孤岛的现象。因此业界需要一解决方案,能让运行不同协定的制造单元得以并存,并以理想的方式共用网路,在这种方式下保证控制讯号流不会受到影响。解决方法就是时间敏感网路(TSN),这种不会被特定厂商绑死的厂商中立、即时性乙太网路标准以IEEE 802.1规格为基础。如其名称所述,时间敏感网路着重传输的时效性。这项标准改造标准乙太网路通讯协定,藉以为各种关键任务应用提供时序的保证性。它设计用来确保资讯能在固定且可预测的时间内从某点传至另一点。藉由这种方式,TSN保证传输的及时性。对於可预测的通讯,网路上的装置必须有一致的时间概念。这项标准制定多种方法,用来及时传送某些TSN乙太网路讯框,而非TSN讯框则以尽力传送(best effort)的方式传递(如图4所示)。TSN藉由这种方式在同一个网路中传递即时与非即时资料流。由於所有装置共用相同传输时间,因此系统能在低延迟与低抖动的模式下传递重要资料,且能达到gigabit的水准。


而其目的,则是建构一种汇整网路,使多种通讯协定能以确定且可靠的方法共用线路进行传输。TSN是结合多种标准的工具箱,这些标准提供系统所需的确定性。它象徵着转移至一种可靠且标准化的连结架构,透过多种专利现场汇流排来消弭资料孤立。这种网路的汇整透过网路本身的可扩充性,促成产生更多资料,支援的频宽从10 Mbps到1Gbps甚至更高。


当前可能出现的状况是TSN将被各种新安装环境持续采纳,但并非全面替代,而是逐步增建在现有厂区的各单元或区域。对於现场装置的制造商而言,这意谓着在可预见的未来,必须同时支援工业乙太网路解决方案以及TSN两种产品。


延伸至流程边界

最後、而且也许是最具影响力的一项改变,就是流程控制应用中边界节点到企业云端之间的无缝连结,如图5所示。直到现今为止,与边界之间的连结一直受限於现有4 mA至20 mA的电流,或是可用的现场汇流排技术。在许多情况中采用的是硬体接线的点对点连结,但也限制了网路日後演进与扩充的弹性。这些非乙太网路通讯技术面临许多挑战。第一是极为受限的频宽(像是 HART 协定采用4 mA 至20 mA电流仅提供1.2 kbps) ,进而限制了资讯流的传输量以及速度。第二,输送到仪器的供电受限,进而限制了仪器的功能。最後一点,控制端的闸道器以及IT层面都是无法持续的负荷。另外想要在零区(Zone 0)这类本质安全环境中运行,并尝试运用现有布线网路去支援更快、更低成本的营运,也会面临艰钜的挑战。


这些挑战使业界体认到必须针对10BASE-T1L全双工通讯制定IEEE 802.3cg-2019?标准。这项标准最近通过审核,规范10 Mbps全双工通讯机制,其功率足以透过一条双绞线将讯号传递至1公里远。从感测器传出的资料,都是以乙太网路封包的格式在OT与IT基础设施上传递,因此不需要转译(转译过程会导致延迟、消耗电力、以及衍生成本负荷)。现有网路架构未来将会改变,如图5所示,远端I/O单元转换成乙太网路现场交换器。乙太网路指令现在可透过10BASE-T1L多埠现场交换器从控制器和现场仪器进行往返通讯。从现场节点搜集到的情资可透过乙太网路封包(较高频宽)经由现场交换器网路连结到PLC/DCS控制器,最终传到云端。



图5 : 从边界到云端无缝连结
图5 : 从边界到云端无缝连结

许多明确的优点将促使业界从既有现场汇流排转移至工业乙太网路。第一,能重复使用现有布线基础设施(长度最高可达1公里),故能简化部署流程以及减少翻新成本。第二,透过网路线传至仪器的供电,以往受限於36毫瓦(最隹状况,电流为4 mA 至20 mA),现在可提高到60瓦 (依使用缆线种类而定) 或在Zone 0这类本质安全应用中则为500 mW。额外增加的供电将促成各种功能更强的仪器,带来终端节点的智能。再加上10 Mbit上链速度,即可发挥工业4.0快速传递情资的效率。


目前有哪些成果?

新开发的强固、低延迟、低功耗实体层技术结合可扩充交换核心(switch fabric)是推动自动化网路演进的必备要素。作为工业乙太网路发展的先锋,ADI运用本身在自动化领域累积的丰富专业以及各种先进技术,并开发出阵容齐备的解决方案,设计用来确保时间关键资料能可靠地传递到各种工业应用,确保无缝连结以及营运效率。ADI Chronous系列可扩充乙太网路解决方案包含实体层元件(PHY)、嵌入式交换器、完整平台解决方案、以及多重通讯协定软体。这些元件都已通过测试与验证,能协助产品快速问市。



图6 : 的工业乙太网路解决方案ADI Chronous
图6 : 的工业乙太网路解决方案ADI Chronous

图7 : 促成信任资料的网路安全机制
图7 : 促成信任资料的网路安全机制

此系列中值得一提的解决方案包括:


--ADIN1200 10 Mbps/100 Mbps 工业乙太网路实体层元件,具备增强功能集以及通过验证的强固性


--ADIN1300 业界最低延迟、最低功耗的gigabit 实体层元件,能在各种严苛环境提供通过验证的强固性


--fido5200/fido5100 即时、嵌入式、双埠型多协定交换元件,支援许多TSN功能。而新的TSN功能开发出时,则可透过韧体升级的方式加入到元件。另外还可透过ADI Chronous开发者入囗网站将新释出的多协定软体升级方案加入产品的支援功能之中。


通过验证的强固、可扩充、且完整的乙太网路解决方案,能协助简化系统设计与缩短开发时间,为此,我们特别和客户一同合作研发ADI Chronouss。这款可扩充乙太网路方案具备臻於完美的时序设计。


为支援转移并提供能桥接既有装置的网路,ADI并开发出一项名为软体可设定I/O(AD74413R)之新技术。这项技术让客户能开发现场可设定的远端I/O单元,用来衔接既有仪器以及较高层的乙太网路。


安全方面有何着墨?

乙太网路存在许多防御弱点,因此安全是其中一项最关键的考量因素,影响到各界采纳工业4.0的速度。在企业环境的OT与IT之间建立开放资讯流,从边界一路覆盖到云端,这会让安全破囗造成的潜在冲击形成致命性的打击。


在规划工业4.0策略时,安全应是风险管理的一项基本考量因素。将安全融入到现今日趋复杂的网路绝非易事; 需要多层面着手,让安全融入到系统的各层面 - 深入到边界装置、控制器、闸道器、一直到堆叠的各分层。ADI的Chronous系列不仅能在系统内每个节点上提供安全防护,还将耗电、效能、以及延迟等方面的影响减至最低程度。


部署的进程蓝图

工业乙太网路近几年来有长足的成长,但各界仍持续部署各种现场汇流排与其他既有网路技术。我们都认同以工业乙太网路为基础的汇整网路带来的许多优点,其中包括简化网路架构、省去闸道器使成本降低、消弭硬体接线、改进系统最隹化、以及提高正常运作时间等。新标准浮现以及即将通过审核,是加快各界等待这波转移的必要催化剂。促成这波转移的动力,是各界需要更高新功能的连结网路,以及OT与IT系统之间更紧密的整合。TSN是促成汇整网路的力量,在结合10BASE-T1L之後,将实现边界至云端无缝连结的理想。这样的转移不会在一夜之间便完成,但各种潜在利益相当吸引人,因此预料采纳的速度将超越以往的工业标准。


工业4.0愿景的核心就是让各种流程自动化,运用连网装置以及搜集/传送/接收资讯的能力。ADI Chronous正释放资料的潜能,从边界节点装置取得以往无法获得的情资,进而为资料分析以及营运情资开发许多新的可能性。工业乙太网路将唤醒这方面的潜力,无缝传递现在与未来的资料流,连结自动化网路与云端环境。


目前仍有许多资料孤岛无法解决情资无法掌握的问题,但随着工业乙太网路的部署逐渐普及,工业4.0的挑战未来将逐渐转移到安全层面,我们的任务,是善用资料并发挥其最大的商业价值。明智的选择应是和可依赖的夥伴合作,选择在工业市场经营数十年的专家。Analog Devices累积雄厚的专业实力、技术、以及解决方案,将能协助客户加速转移至未来的智慧工厂。


(本文作者Fiona Treacy为ADI 策略行销经理)


相关文章
直接透过汽车电池输入进行DC-DC转换
机械业公协会偕法人衍生在地龙脉
测距精准不用愁 飞行时间感测器持续进化
21世纪是数位双生之世纪
数位转型要求简便快捷 流体控制续向电控整合
comments powered by Disqus
  相关新闻
» 「台北智慧城市1+7领域徵案」最终审查结果出炉
» 采用u-blox多频GNSS技术 电动车ADAS实现公分级高精准度
» 耀登集团采用是德5G测试方案 协助认证天线模组法规
» [CES 2021]工研院多元创新研发技术吸引多国业者跨国洽询
» 以承诺和热情相伴 浩亭持续赞助德国国家手球队
  相关产品
» ST推出低压专用闸极驱动器IC 改善无刷马达控制设计
» 安森美采用先进定位技术 增强IoT资产管理的追踪即时性与精确度
» 圆展推出升级版摄影机管理系统 管理云端视讯更便利
» ST推出首款STM32无线微控制器模组 提升IoT开发效率
» 中美万泰推出模组化触控电脑系列 强化工业应用影像处理方案


刊登廣告 新聞信箱 读者信箱 著作權聲明 隱私權聲明 本站介紹

Copyright ©1999-2021 远播信息股份有限公司版权所有 Powered by O3
地址:台北市中山北路三段29号11楼 / 电话 (02)2585-5526 / E-Mail: webmaster@hope.com.tw