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整合加速 工业以太网络后势看涨
 

【作者: 王明德】2014年03月06日 星期四

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相较于Fieldbus有链接数量、带宽及距离的限制,以太网络的开放特性,也成为自动化设备商的优先选择。厂商认为,以太网络受青睐的最重要的原因,就是可以将现场端开放链接到Internet,产生了无限宽广的想象。


传统Fieldbus仅能针对点对点的链接,不管如何只能透过线路的链接;对以太网络来说,相对而言就有更多的想象。


不过,现况上在商用环境中被广泛应用的以太网络,运用到工业环境,则仍有一些限制。举例来说,如果一般在Internet上查询数据,花个十几秒还是可以忍受的延迟,因为这并不影响得到数据的质量;但在工业环境上,因为自动化必须考虑信息整合,以及命令下达与反应的实时性,稍微延迟就成为信息传输甚或控制的极大障碍,因此在工业环境下应用以太网络就成为一大赌注。


与商规环境不同 以太网络须抗严苛环境


图一
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也因此,在发展工业以太网络时,原先应用于商业环境的规格,就受到相当大的挑战,泓格科技认为,如何达到稳定地实时传输,是目前各个工业通讯厂商都在强化的技术。传统商规的以太网络设计,其实是允许信息封包碰撞,但这样的设计进入要求较严格的工业环境,就变的较为尴尬;在工业环境中封包碰撞之时,谁来决定信息重送以及以什么频率重送,就成为很大的挑战。


此外,传统的商规以太网络设备的设计,主要针对较为环境较为单纯的办公空间,因此无需针对干扰与环境限制进行防护设计,甚至关键的网络设备更隔离于数据中心机房内;当以太网络由商规转换到工规时,这些部分则必须重新考虑。在工业环境中,网络设备可能会暴露于各种危险环境,包括高温、高水气与潮湿、灰尘、粉尘、油污、化学污染品、设备震动、电源质量、电压及电磁干扰等,工业级以太网络就必须针对这些部分重新设计,才能抵御这些会损害网络稳定性的因素。


基本上工业环境使用的通讯产品,在机构设计上就必须特别注意,包括散热、抗震及抗干扰部分,就必须要作非常仔细的测试,比起商规的网络交换器仅须抽测,工业以太网络的交换器更须每一件作完整的安全测试,因为比起商业环境的容错程度,工业以太网络的错误发生,在生产在线就是莫大的损失。


进入工业控制,由于传统的Fieldbus通讯模式,多是单一由控制端直接下指令给现场端,让现场根据指令来进行动作,在封闭而单向的环境中,导入以太网络的确不会造成相当的混乱,但以泓格科技的角度来看,这样的设备提升效果相当有限;不过由于可整合Internet,让控制从现场延伸到远程,适度提升了控制的能力,业界认为这是一个「不可避免的趋势」,当优势大于劣势,自然仍让厂商持续投入工业以太网络的研发。但最基本的环节,一般工业通讯的应用仍然是让Fieldbus与工业以太网络整合应用。


前面说过,在现场端基本上仍是多以「单向控制指令」为最基础的应用形式,因为现场端设备的使用寿命较长,基本上仍以传统Fieldbus的通讯I/O为主;而到后端则应用以太网络与Internet链接,进行系统的整合应用,这样的交叉运用兼具成本与技术考虑,针对不同需求达成的优化。所以大多数的国内厂商均认为,在五到十年之内,Fieldbus仍然不会退出工业通讯市场,而且因其成本较低、应用简单,短期之内还会有小幅成长。


此外,像在包括影像监控等应用模式上,对于点对点对应时间并非极端严格,利用现有以太网络造成的微小延迟亦并非无可忍受,加上以太网络带宽并非随时都很繁忙,发生延迟的机会并不常见,对于信息传递上并非「无法忍受」,因此这类信息传递的工作,让带宽较宽的以太网络处理,成为自动化厂商的选择。


实时性是致命伤 厂商纷提解决方案克服


这样的选择,多是针对现况以太网络的限制而发展出来的解决方案。从以太网络进展到工业以太网络,最必须解决的困境就是「实时性」的问题。国际厂商多推出针对高速、高确定性与低干扰性的要求设计基于以太网络的工业级协议,像是EtherCAT、CC-Link Ie或是西门子主推的ProfiNet,前述提到的工业级协议,基本上是透过网络交换器将网络的「敏感」部分隔离开来,当有涉及实时性控制的指令讯息需要传递,交换器的控制芯片则会让讯息「走」隔离的带宽,一般的信息串则走一般通用的带宽,如此即可解决针对工业以太网络的实时控制的问题。


但也有厂商指出,前述高规格的工业以太网络协议,必须使用专属的芯片组与硬件,对于自动化系统的创新与发展将造成阻碍,「如果在规划时就将系统限定在一定范围,工业以太网络的实时性与稳定性即可兼顾。」郭策也同意这样的说法。


工业以太网络的开放性保持,是自动化厂商必须强调的特性,因此洛克威尔针对工业以太网络所支持的EtherNet/IP的模式,就是从仪器设备层级一路联机到IT基础设施的通讯协议,「这是唯一可跨越包括分布式、制程、安全性、运动即驱动控制等不同运用,且具备足够技术稳定性的工业通讯协议。


至于国内厂商多在以太网络开放环境着墨,像泓格科技针对工业以太网络,推出被称「WISE」的以太网络I/O,可针对现场端较基础的信息直接作出反应,也被业界认为工业以太网络的实时性解决方案;WISE是将传统I/O加上逻辑控制器功能,让它变得「智能化」,能直接处理一些较为明确的指令需求,由于毋须传递至后端的系统判别,直接可以在现场实时处理以争取时间。


举例来说,像是生产线异常必须在现场发出警报,WISE可以一边把异常讯息送到后端给中控室判断后续处置,一方面自己的逻辑控制器可直接指示发出异常警报,相较传统的规划更为实时,也受到系统整合商的青睐。


虽然在实时性的克服上,工业以太网络仍有一点距离,厂商的努力下,也让工业以太网络与其它工业通讯系统的整合,存在了更多的可能性,也让工业以太网络在市场上夺得一片天。


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