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EtherCAT Vs TSN 工控通訊標準掀起戰火
 

【作者: 王明德】   2017年06月14日 星期三

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智慧化成為全球製造業的熱門議題,由於智慧製造系統以工業物聯網為主架構,物聯網的首要條件是系統中各物件的鏈接,在此前提下,通訊就成為系統建構的關鍵技術,過去製造現場的通訊模式以Fieldbus (現場總線)為主,不過在互通性不足的態勢下,工業乙太網路逐漸崛起,近年來德國Beckhoff公司制定出EtherCAT標準後,快速為市場接受,過去幾年各工業展會中,都可看到廠商推出相關產品。



圖一 : NI國家儀器技術行銷工程師吳維翰指出,TSN在乙太網路頻寬中切出專屬通道,同時保存了IT、OT兩種系統的特色,不必因為製造系統的網路更換。(攝影/王明德)
圖一 : NI國家儀器技術行銷工程師吳維翰指出,TSN在乙太網路頻寬中切出專屬通道,同時保存了IT、OT兩種系統的特色,不必因為製造系統的網路更換。(攝影/王明德)

EtherCAT這幾年掀起熱潮,讓多數人認識工業乙太網路,不過其實乙太網路在工業領域的布局已至少10年,不過由於即時性的問題未解決,且智慧製造概念仍未成熟,因此市場仍然選擇已發展多年、具有高穩定的Fieldbus,2012年德國提出工業4.0概念,各國紛紛跟進,制定智慧製造政策與時程,在智慧製造系統中,Fieldbus的封閉性缺點被突顯出來,各廠商紛紛制定自己的工業乙太網路標準,EtherCAT就是其一。


與其他多數自動化大廠相較,EtherCAT的是以軟體為控制核心,搭配單一線路,克服了傳統工業通訊的複雜配線問題,此外EtherCAT資料同步過程的訊號抖動量小、資訊傳輸延遲時間少(小於1微秒)、硬體成本低,再加上相對於其他自動化大廠,Beckhoff的規模較小產品線較少,導入EtherCAT的產品更願意使用Beckhoff以外的自動化設備,這加強了市場上設備製造商投入研發的意願,在技術與市場情勢的相互拉抬下,EtherCAT的發展速度逐漸加快。


隨著導入企業的快速增加,NI國家儀器技術行銷工程師吳維翰指出,設備製造產業已形成EtherCAT生態圈,包括馬達、I/O、switch、hub…等,包括NI本身的PXI、cRIO、PAC,也都已可支援,不過吳維翰也點出EtherCAT的隱憂所在,他指出EtherCAT雖然根基於乙太網路技術,不過其通訊格式仍與一般商用乙太網路不同,兩者的基礎架構無法共用,在此狀況下若製造現場沿用既有網路,且安規均已申請驗證完成,要再導入EtherCAT,則所有線路就必須重佈,因此除了原有的EtherCAT,NI也開始推動AVnu聯盟制定的另一乙太網路標準「TSN」。


TSN異軍突起


TSN也是近年來相當火熱的乙太網路通訊標準,與EtherCAT不同的是,TSN並非專為工業領域所設計,而是透過現有的IEEE 802.1與IEEE 802.3標準,


增加一系列的擴展功能,進一步確保其確定性效能,例如車用領域就是其一,一直以來汽車製造商都希望可以制定出專屬的車用乙太網路,透過TSN延伸的IEEE 802.3 Etherne不僅擁有新的實體層(PHY)標準100BASE-T1與Gb級PHY,並可為車用乙太網路骨幹使用較輕的非屏蔽雙絞線(UTP)銅纜。


在工業領域,IEEE也制定出TSN的相關規範,例如在頻寬管理部分,過去乙太網路要跨入工業領域,最為業者詬病處無疑是訊號的延遲問題,製造系統不像一般家用或商用環境,對訊號傳輸有一定程度的延遲容忍度,製造系統的設備運作必須高度精準,方能創造出最佳產能,因此設備之間的訊息傳遞必須即時,目前大多數工業乙太網路標準的即時性,都已可達到製造業者的要求,然而在智慧製造概念下,工廠端的OT系統必須與企業端的IT系統互聯,吳維翰表示,IT系統中的乙太網路建置與OT系統大為不同,IT系統的建置需求為大量資料傳輸,可容許稍微延遲,OT系統的傳輸量不大,不過必須穩定、即時,兩者功能需求不同的乙太網路要互聯,OT端所受到的干擾勢必高於IT端。


在此一問題上,TSN由頻寬管理著手,在乙太網路頻寬中切出專屬通道,系統設計者可自行定義此一通道的封包類型,例如馬達控制器的封包,方可經由此通道傳送,此一作法同時保存了IT、OT兩種系統的特色,不必因為製造系統的網路更換,而將原有的網路系統砍掉重練,此外融合了標準網路規格的TSN,未來可以延續標準網路架構,當底層的實體層佈建完成,上層的應用層也可隨時跟上,整體網路的速度可同步提升,而EtherCAT目前仍緊守IEEE 802.3規範。


EtherCAT強化IT鏈結


不過EtherCAT陣營也了解OT與IT整合的重要性,目前已經開始著手補強這方面的布局,2016年就與OPC基金會合作,進一步強化工廠製程到企業資訊系統之間的傳輸技術,OPC基金會所主導的技術,即是為業界熟悉的OPC UA(Unified Architecture),此技術承襲過去的OPC,所不同之處在於大幅強化了可靠性、安全性與互通性,由此看來,OPC UA與定位在即時工業乙太網現場匯流排技術的EtherCAT,可望形成優勢互補局面,企業可利用EtherCAT進行機台設備的控制,同時透過EtherCAT自動化協議(EAP),非常簡單地在EtherCAT主站之間進行資料交換,接著借重OPC UA平台,經由資料加密傳輸的方式,將工業現場的資訊安全可靠地傳遞到MES、ERP等企業資訊系統,甚至是雲端。


從目前發展來看,EtherCAT無疑是現在的主流趨勢,因此吳維翰也指出,NI在這這兩類標準都有產品支援,NI並不會刻意押寶在某一特定標準上,而NI的態度也與多數台灣設備製造商相同,目前台灣廠商均看好EtherCAT在工控領域的發展,在此技術的佈局逐漸加深,觀察過去幾屆的台灣的自動化大展,大約在2012年左右,開始有廠商展出EtherCAT產品,前幾年多數參觀者仍屬觀望性質,不過業者指出在2016年就已可看到EtherCAT的相關實例,預計今年發展將會更樂觀。


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