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運動控制器的未來已經開始了! !
TSN與邊緣控制器引領自動控制邁入IIoT時代
[作者 盧傑瑞]   2021年09月08日 星期三 瀏覽人次: [1250]

自動化生產已經跨入了物聯網,自然就要將自動化能力提升到一個新的境界,包括隨時互相傳輸資訊、製造數位化、智慧工廠和自動運轉等,因此互聯性是重要的一個基礎,這也帶動了對於更高的速度、高靈活性和低成本效益的要求。


為什麼過去20年工業網絡上極少存在的互聯性技術,突然變得重要?


今天,自動化生產已經跨入了物聯網(IoT),自然就要將自動化能力提升到一個新的境界,包括隨時互相傳輸資訊、製造數位化、智慧工廠和自動運轉等,因此互聯性是重要的一個基礎,這也帶動了對於更高的速度、高靈活性和低成本效益的要求。


在過去的幾十年裡,工業網絡的連接,特別是在因應製造業不斷變化的要求,有了相當大的發展(圖1)。



圖1 : 在過去20年間,工業網絡互聯的演變。(source: Cybersecurity Partner、智動化整理)
圖1 : 在過去20年間,工業網絡互聯的演變。(source: Cybersecurity Partner、智動化整理)

網路已是先進工業自動化一部分

這些年來工業通訊技術的提升,已經在三個層次獲得相當多的成果,分別是路由層次、控制層次和感測器層次。而這些層次提升別都需要克服不同數量和類型的要求,包括訊息傳輸、碰撞檢測和確定性(提前確定任意兩個節點之間的路線)等。因此發展到現在的工業以太網,大約有20個以IEEE 802.3 標準為基礎的協定被發表出來。


工業用乙太網路(EtherCAT)技術,大約是在40年前第一次出現在自動控制領用。直到今天,基於乙太網路的現場匯流排系統(Fieldbus System)已經在IEC 61158中標準化,並成為先進工業自動化中廣泛應用的一個部分。


這是因為80年代中期,一些自動化業者在觀察了乙太網路的興起後,就開始研究透過其優勢性,考量是否有可能應用在工廠生產線與自動控制設備。然而,一些對基於PC的控制系統有經驗的人都知道,逐漸成為電腦網路通訊主流技術的乙太網,並沒有強化其物理硬體架構來滿足工業應用的需要。再來更大的問題是,即使是導入了先進自動化設運的硬體,這對當時工業乙太網所需要的高速計算效能需求而言,還是是太緩慢了。


即便是如此,需多工程師仍舊認為,如果能克服其局限性,對於自動控制設備來說,乙太網技術將是一個比當時所使用的現場匯流排(Fieldbus)技術更便宜、更實用的結構。


因此在2003年首次發表EtherCAT後,就迅速成為工廠自動化的首選網路和控制架構,因為它是所有基於乙太網的通訊技術中,擁有最快的週期時間。但是為了充分發揮EtherCAT的優勢,匯流排必須有高速控制硬體作為基礎。因此許多業者大膽地採用積體電路或ASIC,來作為控制單元中EtherCAT運算核心。


在工業自動化架構裡,被網路所連接,和分布在不同空間的感測器,所偵測到的訊號,都必須同步、無誤的傳送到各個相關設備,來預測事件發生的相對時間,並計算出事件中的相關模式。特別是在封閉環境運動控制中,例如在包裝、印刷、對稱焊接等,設備都需要同步執行預定的即時任務。


TSN將自動控制網路帶向全新境界

為了滿足上述的要求,新一代的通訊標準時間敏感網路(Time-Sensitive Networking;TSN)就被提出。TSN是一種將乙太網通信頻寬劃分為時間段,並根據設定的傳輸訊框(Communication Frame)的優先順序控制通信頻寬的技術。TSN是基於IEEE 802以太網子標準,由IEEE TSN任務組定義,支援確定性的即時通訊能力。在定義的時間內,提供具保證性的數據傳輸;也就是有著極低延遲、低延遲變化,和極低的數據遺失,此外TSN還可以支援不同 QoS 要求的各種應用。


CC-Link IE TSN

CC-Link IE TSN是首批將納入TSN功能工業網路的產品之一,其規範已於2018年11月發佈。CC-Link IE TSN的主要特點,是以時間共用的方式實現了即時性的能力,可以讓數個不同的網路通續,同時在同一架構下進行通訊。在以前,這是必須分別在不同網路上傳輸I/O控制、運動控制以及TCP/IP通信,而今天可以透過CC-Link IE TSN的技術整合在同一網路中,實現了OT和IT的整合(圖2)。



圖2 : CC-LINK IE TSN示意圖。(source: CC-Link協會、智動化整理)
圖2 : CC-LINK IE TSN示意圖。(source: CC-Link協會、智動化整理)

在透過同步的能力連接到網路後,可以允許傳輸訊框進行雙向傳送,這樣一來,通訊週期又比傳統標準短得多,實現了高速和高精度的控制。


PROFINET over TSN

除了CC-Link IE之外,在德國西門子等的支持下,PROFINET也發佈了一個與TSN相容的規範「PROFINET over TSN」。PROFINET是由PI(PROFIBUS & PROFINET國際組織)所開發和推廣的工業乙太網,目前在全球市場上也有相當高的市場佔有率。


PROFINET還有一個優點是,它是一個通用系統,不僅實體層和資料連結層與標準乙太網相容,在網路層也與標準乙太網相容,只需在資料連結層增加TSN即可支援(圖3)。因此PROFINET支持TSN的理由是,除了不同的工業乙太網間能相容傳輸之外,IEC標準更可以實現運動控制所需的確定性(deterministic),這在OT中很重要。



圖3 : PROFINET over TSN 示意圖。(source:日本PROFIBUS協會、智動化整理)
圖3 : PROFINET over TSN 示意圖。(source:日本PROFIBUS協會、智動化整理)

OPC UA over TSN

此外TSN還與B&R工業自動化合作,透過了技術整合,可以在同一TSN框架網路內導入了標準化的OPC UA over TSN,可在所有通信層上更靈活地管理工業網路,包括控制器到控制器,和控制器到現場設備,使工業網路的管理更加靈活(圖4)。



圖4 : 整合網路上,控制器到控制器的傳輸,和控制器到設備的傳輸。(source: MOXA Japan、智動化整理)
圖4 : 整合網路上,控制器到控制器的傳輸,和控制器到設備的傳輸。(source: MOXA Japan、智動化整理)

OPC UA提供了標準化的資料結構方式,可以為任何種類的環境增加語意(semantic),並以安全的方式提供。如果沒有OPC UA在TSN上提供的互通性,多業者將必須採用死碼(Hard-Coded)的方式進行傳輸,這也就意味著將會增加高昂的開發成本,並抵消任何靈活性方面的優勢。最重要的是,OPC UA over TSN保證了持續的監視能力而不干擾設備的運作。


OPC UA over TSN透過擴展OPC UA資訊模型的語意自我描述,可以將大量的感測器、執行器和其他自動化設備新增到可用的資訊庫中。再透過工業物聯網,可以設計出高效和有效的生產過程,同時更容易進行調試和維護。


而由Acontis Technologies GmbH所提供的TSN軟體,也將邊緣智慧整合到框架中發揮了關鍵作用。TSN軟體可將資料的即時傳輸,從硬體擴展到應用層,讓邊緣運算設備實現智慧網路。


TSN透過使用TDMA(分時多工)方法,將時間拆分為重複週期,來實現確定性數據傳輸。在這些時間段內,會建立一個虛擬通道形成時槽(time slot),這是為了高優先級數據流傳輸而設計的,避免緊急或傳輸重要數據時,受到其他網絡傳輸的影響。同時為了實現時間同步的高精度,TSN也使用了符合IEEE1588的精確時間協定(PTP)。


無線通訊即將現身在工業自動控制網路

一般而言,TSN大多是針對有線網絡,因為它需要非常低的延遲。因此TSN專注於網絡的鏈路層,這不同於3GPP 5G標準,或802.11 Wi-Fi專注於網絡的通信層。


然而,支持超可靠低延遲通信(URLLC)的最新5G和802.11ax Wi-Fi (Wi-Fi 6)標準,就在不久之前被發表出來,這個重大的突破,使得TSN可以開始應用在無線網絡上。


這些標準導入了與先前無線標準不同的排程機制(scheduling mechanisms),允許更有效地安排來自多個設備的同步傳輸。為了消除延遲的問題,可以在無線通信中,提供有限的延遲和高可靠性。


5G NR定義了多種參數集,以支援不同QoS要求,如增強型行動寬頻 (eMBB)、海量機器類型 (mMTC) 通信,和超可靠低延遲通信 (uRLLC)。並且在4G或LTE中,定義了固定的時槽可持續時間。另一方面,5G NR也定義了不同的時槽長度,可以同時支援不同的參數集來服務於多種應用。



圖5 : 5G NR中無線電資源的靈活使用。(source:Cybersecurity Partner、智動化整理)
圖5 : 5G NR中無線電資源的靈活使用。(source:Cybersecurity Partner、智動化整理)

邊緣控制器提供更靈活的IIoT環境應用

邊緣控制器整合了先進的計算和軟體功能,已經逐漸成為自動控制中主流模組。與傳統I/O硬體一樣,傳統工業控制器的範圍有限,需要中間系統才能將過程數據連接到組織的其餘部分。而現代邊緣可編程工業控制器 (EPIC)則是利用新技術來吸收比前幾代更多的自動化功能。憑藉工業強化組件、安全網絡選項、多語言編碼和多核心處理,邊緣控制器可以提供傳統的即時I/O 控制,同時還可以處理通信、可視化機能,甚至數據庫。


在IIoT的應用下,可以利用這種靈活性,與其他數據產生終端進行通訊,在有意義的模式下,轉換彼此的數據,並將其安全地傳送到決策者。並可在機器控制層提供本地分析並產生觀測能力。透過本地感測器高階感測能力,和設備高速處理能力來強化設備操作性,讓現場人員可以快速發現和評估問題,並採取適當的對策。


此外,從各種現場定位的本地感測器,和其他控制設備(例如 VFD)所收集的數據,可在本地對其進行分析後,即時將結果送出。並允許器設備將分析結果,和相關訊息傳輸到任何類型的顯示器、儲存系統,或其他平台。


因此較先進的工業邊緣控制器,除了具有獨立運行的獨立虛擬化操作系統 (OS)外,還可以透過OPC UA安全地與其他模組系統或設備進行通訊,將來自現場的小量數據傳輸到更高階的大數據系統,是進行初步數位化轉型基礎。


由於工業邊緣控制器具有獨特的裝備和定位,因此可以連接所有類型的現場設備,進行數據的收集和處理,並安全地傳輸到其他系統平台。在架構上,可以利用一個可編程邏輯控制器,提供即時確定性的控制操作系統,再透過另一個操作系統進行分析,和高性能計算,這是為了確保設備效能運轉的流暢性。


與大多數設備一樣,邊緣控制器也有提供以太網和其他介面,來連接其他的硬體或網路,每個邊緣控制器都設置了專用通訊介面,可以充分支援各種工業網絡、IIoT 和其他高級協定,例如 OPC UA、MQTT、PROFINET 和 SRTP,來確保設備網絡與工業物聯網 (IIoT) 連接之間的傳輸效能。


未來將須考慮實完全整合的工程

現代運動系統不再被視為獨立平台。今天的電機和驅動技術,必須與整個設備控制環境完全整合,這樣可以增強的垂直連接,和IIoT提供高效率的配置。因此,工程師不僅要考慮單一組件的功能,還要考慮實現完全整合的工程,和運行時的自動化軟體,並且尋找能夠在同一個系統下處理盡可能編寫多種程式的軟體平台架構,包括 PLC、運動控制、安全、HMI、測量和監控、機器視覺,當然還有物聯網。


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