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EtherCAT发展迅速 TSN/IO-Link紧追在後
工业通讯战火日炽

【作者: 王明德】2017年07月26日 星期三

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智慧化成为全球制造业的热门议题,由於智慧制造系统以工业物联网为主架构,物联网的首要条件是系统中各物件的链接,因此通讯成为系统建构的关键技术,过去制造现场的通讯模式以Fieldbus(现场总线)为主,不过在互通性不足的态势下,工业乙太网路逐渐崛起,近年来德国Beckhoff公司制定出EtherCAT标准後,快速为市场接受,过去几年各工业展会中,都可看到厂商推出相关产品。


EtherCAT发展速度加速

事实上,乙太网路在工业领域的布局已至少10年,不过由於即时性的问题未解决,且智慧制造概念仍未成熟,因此市场仍然选择已发展多年、具有高稳定的Fieldbus,2012年德国提出工业4.0概念,各国纷纷跟进,制定智慧制造政策与时程,在智慧制造系统中,Fieldbus的封闭性缺点被突显出来,各厂商纷纷制定自己的工业乙太网路标准,EtherCAT就是其一。


EtherCAT以软体为核心,搭配单一线路,克服传统工业通讯的复杂配线问题;且EtherCAT资料同步过程的讯号抖动量小、资讯传输延迟时间少(小於1微秒)、硬体成本低,相对於其他大厂Beckhoff的规模较小产品线较少,导入EtherCAT产品更愿意使用Beckhoff外的自动化设备,加强市场上设备制造商投入研发意愿,在技术与市场情势的相互拉抬下,EtherCAT发展速度逐渐加快。


随着导入企业的快速增加,NI国家仪器技术行销工程师吴维翰(图1)指出,设备制造产业已形成EtherCAT生态圈,包括马达、I/O、switch、hub…等,包括NI本身的PXI、cRIO、PAC,也都可支援。


不过吴维翰也坦言,EtherCAT虽然根基於乙太网路技术,不过其通讯格式仍与一般商用乙太网路不同,两者的基础架构无法共用,在此状况下若制造现场沿用既有网路,且安规均已申请验证完成,要再导入EtherCAT,则所有线路就必须重布,因此除了原有的EtherCAT,NI也开始推动AVnu联盟制定的另一乙太网路标准「TSN」。


TSN异军突起

TSN也是近年来相当火热的乙太网路通讯标准,相较於EtherCAT,TSN并非专为工业领域所设计,而是透过现有的IEEE 802.1与IEEE 802.3标准,


增加一系列的扩展功能,进一步确保其确定性效能。


在工业领域,IEEE也制定TSN相关规范,例如在频宽管理部分,过去乙太网路要跨入工业领域,最为业者诟病处无疑是讯号延迟问题,制造系统不像一般家用或商用环境,对讯号传输有一定程度的延迟容忍度,制造系统的设备运作必须高度精准,方能创造出最隹产能,因此设备间的讯息传递必须即时,目前大多数工业乙太网路标准的即时性,都已可达到制造业者的要求,然而在智慧制造概念下,工厂端的OT系统必须与企业端的IT系统互联。



图1 : NI国家仪器技术行销工程师吴维翰指出,TSN在乙太网路频宽中切出专属通道,同时保存了IT、OT两种系统的特色,不必因为制造系统的网路更换。(摄影/王明德)
图1 : NI国家仪器技术行销工程师吴维翰指出,TSN在乙太网路频宽中切出专属通道,同时保存了IT、OT两种系统的特色,不必因为制造系统的网路更换。(摄影/王明德)

吴维翰表示,IT系统中的乙太网路建置与OT系统大为不同,IT系统的建置需求为大量资料传输,可容许稍微延迟,OT系统的传输量不大,不过必须稳定、即时,两者功能需求不同的乙太网路要互联,OT端所受到的干扰势必高於IT端。


在此一问题上,TSN由频宽管理着手,在乙太网路频宽中切出专属通道,系统设计者可自行定义此一通道的封包类型,例如马达控制器的封包,方可经由此通道传送,此一作法同时保存了IT、OT两种系统的特色,不必因为制造系统的网路更换,而重制原有网路系统,此外融合标准网路规格的TSN,未来可以延续标准网路架构,当底层的实体层布建完成,上层的应用层也可随时跟上,整体网路的速度可同步提升,而EtherCAT目前仍紧守IEEE 802.3规范。


EtherCAT强化IT链结

不过EtherCAT阵营也了解OT与IT整合的重要性,2016年与OPC基金会合作,进一步强化工厂制程到企业资讯系统间的传输技术,OPC基金会所主导的技术,即是为业界熟悉的OPC UA,此技术承袭过去的OPC,所不同之处在於大幅强化可靠、安全与互通性,由此看来,OPC UA与定位在即时工业乙太网现场汇流排技术的EtherCAT,可??形成优势互补局面,企业可利用EtherCAT进行机台设备的控制,同时透过EtherCAT自动化协议(EAP),轻松於EtherCAT主站间交换资料,再藉由OPC UA平台,经由资料加密传输的方式,将工业现场的资讯安全可靠地传递到MES、ERP等企业资讯系统,甚至是云端。


智慧制造带动IO-Link崛起

全球市场消费型态近年来快速转变,以往大量化的标准化产品逐渐被少量客制化取代,此一转变顺势带动了制造业智慧化的浪潮,面对此一变革,意法半导体(ST)技术行销经理Giuseppe Di Stefano(图2)指出,ST长期深耕工业领域,近年来各类工业乙太网路通讯标准竞逐市场,在众多标准中,ST看好IO-Link,并已有相关布局。



图2 : 意法半导体技术行销经理Giuseppe Di Stefano(左)与Natale Testa(右),均相当看好IO-Link的发展。(摄影/邱??芯)
图2 : 意法半导体技术行销经理Giuseppe Di Stefano(左)与Natale Testa(右),均相当看好IO-Link的发展。(摄影/邱??芯)

Giuseppe Di Stefano表示,第3次工业革命带动IT技术的导入,让生产管理更容易,目前正发生的则是利用实体网路、通讯与物联网控制生产,同时也让生产数据更即时、透明、完整;工业4.0大幅提升生产效率与和善的管理介面、回??与需求更具弹性、更好与更友善的使用者操作经验、收集更多的产线资料以达成大数据与资料分析。


IO-Link将成工业物联网新宠

IO-Link由各大型感测器、致动器和控制器制造商所研发制定,是一种标准化且与现场总线无关的介面,适用於自动化领域,因此毋须复杂寻址即可实现点对点连接,以前仅限用於简单地开关类比信号的二进制开关,也可透过IO-Link应用於智慧感测器中,Natale Testa指出,IO-Link的优点包括容易与现有的的现场总线链接、可全面执行感测器和执行器功能、不需要更改现有网路架构,只需在架构中导入IO-Link就可改善系统。


Natale Testa表示,在智慧制造概念下系统中的所有设备都必须具备感测与连网功能,感测器撷取设备讯号後,再经由通讯技术将相关讯息传送至後端,而自动化与智慧化的最大区别,就是OT与IT系统的链接,过去工业自动化的讯息撷取的连接,由於通讯标准不同,多仅止於制造端的OT系统,并未与企业管理端的IT系统连接,但在工业4.0架构下,OT与IT的整合势为必然,而两者要互连,通讯标准必须相同,这也是近年来乙太网路标准成为工业领域显学的原因。


**刊头图(Source:iyTimg)


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