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乙太网路跃居工业通讯主流
智慧制造引爆商机

【作者: 王明德】2018年05月04日 星期五

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随着智慧工厂与工业物联网的快速启动,工业乙太网路已成为全球自动制造的标准通讯技术之一,在与现有的现场汇流排技术整合下,工业乙太网路将为使用者提供了更高的效率、更多的功能和更强大的相容性,让制造业从管理到现场层的通讯数据有了统一标准,在介面相容的情况下,只要是使用Web Based的设备,都能轻易连上网路,浏览或使用相关数据。


工业乙太网路满足管理与控制需求

目前工业乙太网路最主要的使用在管理层和控制层,藉由特殊的即时乙太网路技术,在运动控制应用中,可以满足回应时间少于1ms的应用要求,因此即时性的问题可以被认为已经解决,资安问题也一样,乙太网路传输的安全协定,像是PROFINET的Profisafe、EtherNet∕IP的CIPSafety都已开始有实际应用,目前在制造现场应用中,由于大型自动化厂商所使用的自动乙太网路应用协定,如EtherNet∕IP,PROFINET或Modbus∕TCP,这些协定都支援标准的TCP∕IP,因此标准的工业乙太网路交换器也可以使用。



图1 : 工业乙太网路技术繁多,各大厂均推出自有标准。(source: Automation World)
图1 : 工业乙太网路技术繁多,各大厂均推出自有标准。(source: Automation World)

至于在安全层级方面,工业乙太网路可使管理级到现场级的资料传输规格一致,使用者只需要掌握单一网路技术即可互连,只是标准化网路结构也因其透明度而带来风险,例如生产线中的机器手臂,IP位址就有可能被有心人士骇入,在此情况下,必须有明确规则来定义通讯的时间和物件,目前有部份厂商的作法,是在网路出口端安置防火墙来抵制外部攻击,然而业界人士认为,只从外部做控管仍然不够,多数致命性错误甚至停机事故,往往来自内部的错误操作,因此业者指出,分散式安全体系在自动化领域非常重要,透过分散设计设计,整个系统与系统元件将被分割成各个独立安全单元,各个安全的单元之间通过各自定义的规则来互连,进一步提升安全性。


除了有线之外,无线技术也逐渐应用于工业环境中,无线技术在工业环境,主要是作为传统有线网路的补充,典型应用是在生产物流的移动终端上,操作、监控生产线或提供线上资料的快速交换,例如将预定资料从监控中心直接送到仓库的运输车上。


现在已有相当多的工业级无线技术设备上市,可提供约100Mbit/s的资料传输速度,传输距离方面,如果在5GHz频率下使用合适的天线,可以达到20公里,接下来扩展的协定IEEE802.11n会进一步规范WLAN在工业环境中的标准,速率可达640Mbit∕s。


需求刺激频宽成长

对工业应用来说,网路频宽的要求愈来愈高,特别是在控制层,高速乙太网路(100Mbit∕s)已成主流之一,不过在商用环境中,Gigabit Ethernet早已普及,未来工业乙太网路也极有可能导入,其原因可以归纳为三点,首先,愈来愈多的现场设备通过乙太网路连接,随着设备数量的增加,频宽需求也会同步成长。第二,网路功能与服务项目快速成长,除了控制资讯外,影音都会在同一缆线上传输,对频宽要求会愈来愈高。第三是Gigabit Ethernet有十倍于高速乙太网路的交换能力,许多即时应用可以落实在标准的Gigabit Ethernet环境中,虽然与无线解决方案面临的问题一样,更高传输速率意味着高功率的消耗和高成本晶片,但是随着晶片成本的降低,Gigabit Ethernet将会在工业环境中日益普及。



图2 : 工业乙太网路最主要的使用在管理层和控制层,藉由特殊的乙太网路技术,落实制造系统的智慧化愿景。(source: Robotic Industries Association)
图2 : 工业乙太网路最主要的使用在管理层和控制层,藉由特殊的乙太网路技术,落实制造系统的智慧化愿景。(source: Robotic Industries Association)

另外一个趋势则是QoS的强化,乙太网路应用经过十几年的发展,新业务和新应用的不断出现意味着更多网路资源的耗费,仅仅保证高频宽已经无法满足应用的要求,如何保证网路应用端到端的QoS成为现在乙太网路面临的最大挑战,采用传统的建网模式已经无法满足应用的QoS要求,网路应用迫切需要设备对QoS的支援向边缘和接入层次发展,在过去,网路中高QoS意味着高价格,但是随着ASIC技术的发展,使终端设备具备强大的QoS能力成为可能。


在智慧识别技术的发展方面,随着晶片技术的进步,使用者对网路设备的应用需求逐步扩大,使用者不再满足使用交换器来完成基本的二层桥接和三层转发任务,而会更关注网路业务的需求,希望崭新的交换器具有智慧转发的特点,这些设备会根据不同的文件类型、业务优先顺序、安全性需求等对不同用户群和不同的应用级别∕层次进行识别,区别进行转发,满足不同用户的大范围需求,智慧识别技术会逐步在乙太网路交换器中得到应用。


管理走向智慧化

至于在管理维修方面也会有大幅进展,Web管理开始出现,接取层设备由于价格低廉、对制造业者提供了更方便的管理方式,而在Web的管理介面下,将使得网路维护管理变得更加人性化,对大型制造业者来说,由于接取层设备数量众多、维护工作量巨大,因此对设备提供统一管理与维修的手段需求殷切,采用Web统一介面,将使管理更为简洁,例如透过制造执行系统(Manufacturing Execution System;MES)的制具管理功能,让各设备的维修时间与状况可透明化呈现在Web介面上,借以提升管理效能。


乙太网路在工业领域的发展前景十分乐观,然而却也并非毫无缺陷,就技术面来看,目前工业乙太网路在相容性与即时性两部份尚待解决,相容性方面,多数人会认为乙太网路技术是标准统一,不会有相容性问题,其实乙太网路虽然标准统一,不过在通讯协定方面,各厂商会依据自身产品而有不同设定,如果是异系统整合,就会出现相容问题,要解决此问题,可在系统整合前告知设备厂商,或直接挑选系统相容性高的产品。


在即时性方面,由于设备层控制需要即时控制,乙太网路会有封包碰撞的问题,即时性不如序列式技术,目前乙太网路在工业领域多建置在管理层,底层如感测器、仪表,还是使用序列技术,不过也有厂商尝试将乙太网路延伸到控制层,例如PROFINET在频宽中切出专为传送制造设备控制指令的通道,避免因与其他封包碰撞产生延迟,进而提高即时性。


EtherCAT将成运动控制新主流

除了PROFINET外,EtherCAT也是近年来被研发制定出来,可应用于控制领域的乙太网路技术,泓格科技副总经理郑树发就指出,EtherCAT在运动控制部分已经逐渐取代过去的RS-485、CANOpen技术,这些串列式标准在传输速度上都落后一个等级,尤其是EtherCAT不须另外布线,用原有的网路线即可传输,对这些串列式技术来说,更是致命一击,虽然EtherCAT目前多定位于高阶运动控制,驱动器产品并不多,不过成为业界主流标准的态势已然浮现。


目前自动化业界各从本身所长投入EtherCAT发展,泓格以I/O卡起家,因此在EtherCAT就先以I/O卡切入,之后也推出EtherCAT闸道器,郑树发表示,现在多数制造业者的现场汇流排仍采用Modbus,但主站已采用EtherCAT,两者之间的就必须透过闸道器转换讯号,另外在主站端,泓格也推出相关产品,泓格的EtherCAT PC Master主卡让用户建立运动控制应用,此一产品透过内建的CPU提供多轴运动和I/O控制等功能,可大幅减少PC的CPU负载,此外泓格也提供多种I/O Slave模组供客户选用,由于 EtherCAT 技术是开放性标准,因此这些模组可与第三方 EtherCAT Slaves顺利的协同工作。



图3 : 泓格科技副总经理郑树发指出,EtherCAT成为业界主流标准的态势已然浮现。 (摄影/王明德)
图3 : 泓格科技副总经理郑树发指出,EtherCAT成为业界主流标准的态势已然浮现。 (摄影/王明德)

虽然从整体趋势来看,EtherCAT将会成为主流,不过郑树发也不认为现有的现场汇流排如Modbus会快速从市场消失,他指出EtherCAT的定位以运动控制为主,过去运动控制的配线是最大成本,过长的配线也会造成稳定性不足,以乙太网路为技术基础的EtherCAT,就可解决此一问题,不过稳定性有两面,虽然EtherCAT解决了传统运动控制因配线导致的稳定性问题,但目前多数制造业者对于新技术仍持观望心态,而Modbus这类型旧标准的稳定性因已受过长期的使用考验,多数设备仍以此为介面,因此郑树森认为中短期内要被完全替换的可能性不大,以泓格本身为例,虽然EtherCAT已经快速启动,不过Modbus产品仍占有90%的销售比例。


对于运动控制的通讯技术发展,郑树森认为EtherCAT仍会定位在高阶领域,不过制造系统不会只有高阶部分,在少轴数的控制系统中,传统的序列式通讯标准如RS-232、RS-485、Modbus等,还是性价比较高的选择,若轴数较少的系统需要与EtherCAT主站连结,也可透过闸道器等设备作为桥接,而也由于现在工业通讯的技术繁多,仍无统一标准,因此此一市场相当适合具有高弹性产品设计足的台湾厂商,未来发展潜力十足。


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