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次世代工業通訊協定串連OT+IT
加速AIoT雲地端資訊交換
[作者 陳念舜]   2024年05月29日 星期三 瀏覽人次: [829]

面對當前工業製造數位轉型階段,陸續融入了資通訊(ICT)科技和人工智慧(AI)的應用和發展,以即時並充份利用大數據加值。促使各家設備製造、FA自動化系統整合商紛紛尋求新一代工業通訊標準,包含TSN、umati也應運而生,並透過合縱連橫加速落地。


為了在「數位轉型」方面導入數位、智慧化技術,實現生產流程自動化和數位化來實現工具機的高效生產、更精準的加工以提高生產效率和品質;應用大數據、人工智慧(AI)、umati等技術,對生產過程和產品品質進行數據分析,或透過雲端計算技術實現生產數據管理與應用,優化生產製程,期能迎接科技進步所帶來的挑戰與機會。


繼2011年工業4.0問世以來,工業物聯網(IIoT)正逐漸改變工業製造的日常運營模式,包含藉此感測蒐集資料、實現設備之間M2M的高速通訊,再經由雲端或邊緣運算處理、AI模擬解析,實現各種不同的加值應用。


進而利用預測分析來檢測零組件運行狀態及壽命,提高生產效率、產品品質,削減整體成本;或是將營運和服務大數據資料,反饋到產品設計週期等各種面向;實現變種變量生產,符合用戶需求多樣化的世界製造業潮流,打造可自主生產的智慧工廠。


然而,由於工業乙太網協定的低延遲、互通性有限,加上眾多專屬(Proprietary)標準充斥在IIoT環境,使得工業4.0發展受阻。卻也促成TSN、umatti等新一代通訊協定,在2018~2019年間正式被導入工業領域,並吸引歐美日大國的設備製造業(Maker)、FA自動化系統整合商(SI)紛紛尋求夥伴合縱連橫並加速落地,以率先推出硬體、模組和解決方案。



圖一 : 由於工業乙太網協定的低延遲、互通性有限,促成TSN、umatti等新一代通訊協定陸續被導入工業領域,並吸引設備製造、FA自動化系統整合商紛紛尋求加速落地。(source:umati.org)
圖一 : 由於工業乙太網協定的低延遲、互通性有限,促成TSN、umatti等新一代通訊協定陸續被導入工業領域,並吸引設備製造、FA自動化系統整合商紛紛尋求加速落地。(source:umati.org)

TSN合縱連橫加速落地 與EtherCAT競逐IIoT主流標準

其中TSN(Time-Sensitive Networking)技術源自於IEEE在2004年成立了小組,開發了一系列Ethernet車用音訊/影像橋接(Audio Video Bridging;AVB)標準,是在乙太網上追加了時間同步、A/V設備控制、頻寬預約等功能的通訊規範,減輕電池以外排線重量、又避免封包碰撞疑慮,而影響行車安全性。


等到2018年逐漸成熟後,再由IEEE將之推廣到製造業/車載等方面,擴展了Ethernet AVB標準,於2012年改名為TSN,現在正在進行各項擴展規範的審議;在與IEEE及IEC國際標準制定的同時,各網路推廣組織也在推進TSN在開放網路中的應用,包含TIACC制定單一通用型的一致性測試計劃。


TSN的優點在於使用乙太網可以保證即時通訊,於通過時間同步精度1μsec以下進行高精度同步通訊,有效利用通訊頻寬;可共用時間,藉時間戳記保持連接設備的時間一致,可混在IP通訊等多種協定,將現場設備數據陸續發送到SCADA、MES和ERP系統以及雲端系統。


雖然TSN與EtherCAT皆屬於乙太網的通訊標準,但因為EtherCAT使用專屬拓撲架構,還須透過閘道器(Gateway)切換網路協定。反觀TSN則可以使用現有的乙太網路架構與布線,串聯各式工業物聯網裝置並快速完成IT+OT整合。


目前已可看到如西門子PROFINET、三菱CC-LINK IE(Control & Communication Link Industrial Ethernet)等基於乙太網路架構支援,並積極推出相關產品上市,與在傳統工業總線配線滲透率較高的EtherCAT分庭抗禮,第一波產品將以交換產品與終端控制類型為主。


CC -linkIE TSN結合三菱電機 率先推出FA全系列產品

日本也通過數位化及IoT技術,以熟悉現場知識為基礎、隨機應變的問題解決能力,持續性改善活動為優勢,實現特有的「萬物互聯(Connected Industries)」模式,創建出一個利用技術和智慧、以人為本,具有新型附加價值的產業社會。


其中實現智慧工廠的關鍵,要求能融合IT系統和FA生產現場不同工業網路,並具備高速、大容量、高精度通訊,以提高生產效率和品質;經由設備、裝置應用的效率化,還有數量種類豐富的連接產品陣容,得以簡單連結各種設備,進行簡單的工程與保養。


2000年首先將源於日本的現場網路「CC-Link」開放化,2008年將業界首個1Gbps的基於乙太網的「CC-Link IE」開放化;2018年將率先採用基於標準乙太網規範的TSN(Time-Sensitive Networking)技術的「CC-Link IE TSN」開放化,包括對廠商的相容產品開發支援;會員產品的CC-Link一致性測試實施等。截至2023年底CC-Link IE TSN相關認證設備產品數205件、安全設備產品數35件,並推薦如交換機HUB等網路配線部品的認證產品數159件。


如今CC-LinkIE TSN則已率先將TSN技術導入工業開放網路,通過以時間分割實現即時性,使多種不同的網路通訊協定,可以在同一鏈路同時存在,將FA生產現場和IT系統無縫結合;與其他協議可按時間帶區分,在同一條線上混合存在,促成既有I/O控制、運動控制、安全通訊,可與TCP/IP普通乙太網通訊整合。


另有別於現行CC-Link IE Field採用令牌環輪詢方式,包括運動控制的各個設備均依次進行通訊處理;各設備可雙向同時通訊,以縮短通訊週期與大幅縮短節拍時間。再利用CC-LinkIE TSN分割具即時性的迴圈通訊,或混合使用普通的IP通訊等非即時通訊並確保定時性,保證控制及通訊的即時性,或通過高效的網路通訊協定,實現高速?高精度的控制。


還可在控制通訊內組合高/低速週期通訊最優化控制,維持要求高速性的運動控制性能,提高裝置性能。通過高精度的時間戳記同步記錄資料,可準確分析發生故障時刻,以正確的時間序列追溯解析事件歷史,容易特定出錯原因。


CC-Link協會事務局長陳重光表示,CC-LinkIE TSN在日本三菱電機FA自動化控制部門奧援下,2019年起率先推出支援涵括PLC、HMI、伺服驅動/變頻器等一系列產品;未來也希望協助會員廠商協力開發、測試新品,讓台製機電設備有機會替代進口,甚至回銷日本。


進而擴大製造業豐富的應用場景,開始削減上線、使用、保養的工時,並使用普通軟體工具進行診斷,通過多樣的診斷方法、診斷範圍的擴大、正確的診斷資訊,在網路故障發生時可迅速進行原因分析和系統重定。豐富的對應產品組合,即再通過多樣的開發方式,可使用按照要求規格的對應產品進行靈活的構成組合。



圖二 : CC-LinkIE TSN在2019年起率先推出支援涵括PLC、HMI、伺服驅動/變頻器等一系列產品。
圖二 : CC-LinkIE TSN在2019年起率先推出支援涵括PLC、HMI、伺服驅動/變頻器等一系列產品。

OPCUA打造工具機專屬通訊標準umati

此外,有別於TSN主要進行現場總線的調度控制,OPC UA(開放式平台通訊統一架構)標準則是負責應用層的控管,加強M2M之間的交流,後者可說是目前工業網路最具突破性的變革,進而針對不同產業需求提出專用通訊標準格式。


其中由德國工具機製造公會(VDW)與德國機械設備製造業聯合會(VDMA)共同推動的umati「通用機械技術介面(Universal Machine Technology Interface)」,代表機械設備專用OPC UA的通用規格,主要在OPC UA機器間通訊協定的基礎上,建立全球通用標準,讓不同產業的各種設備,在同一平台上相互連線,呈現跨場域之間的智動化生態系。


今年主辦台灣國際工具機展(TMTS 2024)的工具機暨零組件工業同業公會(TMBA)也特別邀請德國VDW、VDMA來台,首次合作設立「umati 專區」,總計26家工具機與零組件廠商、法人與學校共同參與。



圖三 : 工具機暨零組件工業同業公會今年TMTS特別邀請德國VDW、VDMA來台,首次合作設立「umati 專區」。(source:moea.gov.tw)
圖三 : 工具機暨零組件工業同業公會今年TMTS特別邀請德國VDW、VDMA來台,首次合作設立「umati 專區」。(source:moea.gov.tw)

精密機械研發中心(PMC)專案經理邱禹修表示,適逢今年TMTS 2024期間VDW與TMBA合作推行umati,協助將台灣工具機廠商將現場及各廠區設備資訊上傳數位看板,加入全球各地pin點展示。


未來若邊緣端(Edge)設備內建通訊功能,只要支持OPC UA、umati通訊標準格式,即可協助SI、Maker快速整合,制訂開發規範;甚至是針對End user的老舊設備,亦可加入SMB連網升級、開發加值軟體;與廠內軟硬體介接,實現plug-in(隨插即用)串接包含MES、ERP、AI SaaS應用服務,打造產業共通標準。


PMC副理沈俞靜進一步指出,PMC自2019年開始結合設備端Maker、零組件、SI系統整合商,積極參與推廣umati活動,加深與國際連結、線上交流會員資訊,進而建立SaaS服務標準機制。目前PMC也率先將umati導入SkyMars並支援umati規範,可串連外部SI或與ERP、PaaS服務廠商整合;基於OPC UA的標準架構,進行設備連網和後續派工、監測產品履歷等後續應用,這次TMTS還發表與量測卡尺結合即時量測監控範例。


結語


圖四 : 工研院表示,umati/OPCUA、ERUOMAP77等,支援開發多種類型智能化軟體App;跨產業亦有共通週邊通訊需求,如自動化、倉儲設備等。
圖四 : 工研院表示,umati/OPCUA、ERUOMAP77等,支援開發多種類型智能化軟體App;跨產業亦有共通週邊通訊需求,如自動化、倉儲設備等。

值得一提的是,依工研院智慧機械中心經理王培寧分析,如今工具機產業遇到的問題是各家控制器廠商都有自家通訊協定、軟體取得資料,導致數據格式不一、SaaS無法互通,控制和感測硬體資源衝突,有賴機聯網平台解決。


但不同物聯網平台也需要智慧機械雲加以整合,打造共通地端引擎,應用程式管理平台,促成地端標準Runtime和各家SMB及雲端SaaS服務的資料,都能遵循各產業標準資訊模型互聯。例如umati/OPCUA、ERUOMAP77等,支援開發多種類型智能化軟體App;跨產業亦有共通週邊通訊需求,如自動化、倉儲設備等,


事實上,自從工業4.0問世以來,工具機產業受惠於法人、公協會既利用智慧機械政策補助,推行IIoT萬機聯網上雲有成,已累積蒐集大量數據;並分別透過雲/地端與PaaS、SaaS應用服務商加以分析、管理資訊。


進而於2021年開始推行產業共通標準,開發客製化微服務小程式(App)以來,已陸續實現虛實融合(CPS)、數位分身(Digital twin)等關鍵技術落地,投入組裝銷售前研發設計、售後維運教育訓練及維修等服務;進而提供終端加工業者,導入AI來優化生產製程、創新商務模式,共同實現永續智慧製造。


據TMBA統計迄今已辦理產業規範會議參加廠商逾400家次,參與人數超過700人次,預計2024年底產出產業規範約100件;加上大力推廣umati通信協定,讓工具機和周邊設備連接至客戶特定的IT生態系統,更兼具簡單性、安全性及順暢性。


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