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整合加速 工業乙太網路後勢看漲
 

【作者: 王明德】   2014年03月06日 星期四

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相較於Fieldbus有連結數量、頻寬及距離的限制,乙太網路的開放特性,也成為自動化設備商的優先選擇。廠商認為,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Internet,產生了無限寬廣的想像。


傳統Fieldbus僅能針對點對點的連結,不管如何只能透過線路的連結;對乙太網路來說,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Internet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乙太網路就成為一大賭注。


與商規環境不同 乙太網路須抗嚴苛環境


圖一
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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,泓格科技認為,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;在工業環境中封包碰撞之時,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,就必須要作非常仔細的測試,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作完整的安全測試,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。


進入工業控制,由於傳統的Fieldbus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,導入乙太網路的確不會造成相當的混亂,但以泓格科技的角度來看,這樣的設備提升效果相當有限;不過由於可整合Internet,讓控制從現場延伸到遠端,適度提升了控制的能力,業界認為這是一個「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Fieldbus與工業乙太網路整合應用。


前面說過,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Fieldbus的通訊I/O為主;而到後端則應用乙太網路與Internet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。所以大多數的國內廠商均認為,在五到十年之內,Fieldbus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,利用現有乙太網路造成的微小延遲亦並非無可忍受,加上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,讓頻寬較寬的乙太網路處理,成為自動化廠商的選擇。


即時性是致命傷 廠商紛提解決方案克服


這樣的選擇,多是針對現況乙太網路的限制而發展出來的解決方案。從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。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,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。


但也有廠商指出,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。」郭策也同意這樣的說法。


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,「這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。


至於國內廠商多在乙太網路開放環境著墨,像泓格科技針對工業乙太網路,推出被稱「WISE」的乙太網路I/O,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。


雖然在即時性的克服上,工業乙太網路仍有一點距離,廠商的努力下,也讓工業乙太網路與其它工業通訊系統的整合,存在了更多的可能性,也讓工業乙太網路在市場上奪得一片天。


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