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一次看懂五大工業通訊標準

圖1 : EtherCAT
圖1 : EtherCAT

[作者 籃貫銘]

在工業通訊的應用場景中,存在著許多不同的標準與協議,儘管這些標準在設計的思維和所欲解決的問題非常相似,但各自的運作原理與技術架構卻是大相逕庭。

本文即針對目前主要的五大工業通訊標準:EtherCAT、PROFINET、Ethernet/IP、Modbus、POWERLINK的運作原理與技術特性進行說明,讓讀者們一次看懂這些標準各自的優勢,以及其在應用與導入時的不同。

EtherCAT是一種即時乙太網路技術,最早由Beckhoff Automation所提出。該協議是在IEC標準裡的IEC61158中揭露,為針對有即時連線需求的自動化技術軟硬體所設計。

EtherCAT在2003年被提出,同年EtherCAT工作小組(ETG)就成立,並迅速成為全球主要的工業乙太網路與現場總線(Fieldbus)組織。

這項協議的提出,主要聚焦在縮短週期時間(Cycle Times),使之小於100毫秒(μs),同時具備低抖動的特性,以達成更精確的同步(Synchronization)(低於1毫秒),此外,降低硬體成本也是其專注的特性之一。

運作原理

相較於一般工業通訊方案,EtherCAT利用一種「快速通過」(on the fly)的技術,以改善網路傳輸的延遲與不同步的問題。它基本的運作原理是EtherCAT網路上的主裝置(Master)端所傳送的訊號,會通過網路上所有的節點(Node),而網路上所有的從屬裝置(Slave)會以「快速通過」的形式,讀取這個訊號後,同時在這個訊框(Frame)往下游移動時,再插入它的資料在訊框之內。

而這個訊框只會被硬體的運作延遲所影響,區間中最後一個節點會偵測到一個開放的埠,並以乙太網路技術的全雙工(Duplex)特性,把傳送訊息回給主裝置。

主裝置所傳送的訊號的最大有效資料率超過90%,而且由於全雙工的特性,理論上的有效資料率超過100 Mbit/s(位元每秒)。

不過EtherCAT網路的主端是唯一允許主動傳送訊框的節點,其它的節點只能往下游傳遞而已。而這個概念避免了非預期的延遲,並確保即時傳訊的能力。

而主端使用標準的乙太網路媒體存取控制(MAC),而不需要外加的通訊處理器,此設計讓主端可以在任何硬體平台上實施乙太網路埠,不理會其所運行的硬體平台和或者應用軟體。

EtherCAT的從屬端則使用ESC(EtherCAT Slave Controller),以在整個硬體中來處理訊框的快速通過,讓網路的效能可預測,並在從屬端的獨立性可以的實施。

技術特性

EtherCAT將其負載(Payload)嵌入到標準乙太網路訊框中,而這個訊框被視為EtherType字段中的標識符(0x88A4)。由於EtherCAT協議針對短數據運算週期進行了優化,因此可以不必使用協定堆疊(Protocol stacks),例如TCP/IP或UDP/IP。

EtherCAT還提供了在不接觸控制器或不更新從屬設備的情況下,讓現有系統增加雲端連接的彈性,例如邊緣閘道(Edge Gateway)可以通過EtherCAT主端的電子郵件閘道(Mailbox Gateway)功能,讀取所有EtherCAT從屬設備中的任何資料。

此外,使用開放式介面,允許在主設備內或直接在從屬設備中整合任何基於IT的協議,包括OPC UA、MQTT、AMQP或任何其他協議,從而為IoT提供直接連接,而沒有從感測器到雲端設備的協議不連續性的問題。

圖2 : PROFINET
圖2 : PROFINET

PROFINET是一種開放式的工業乙太網標準,涵蓋了自動化技術所有的需求。 無論是生產自動化、製程自動化,還是驅動應用,PROFINET都具備相應的支援。這項技術已經是汽車產業的標準,並在機械製造中廣泛應用,也在食品和包裝、物流和加工產業得到了廣泛驗證。

運作原理

作為一個工業通用的標準,PROFINET提供了大量的功能,而這些功能被以明確的規劃為「一致性等級」(Conformance Classes,CC),它提供了各種不同的最小屬性值的實作簡述。

PROFINET一致性等級(CC)是一種基於應用需求的分類,對Profinet系統的功能的分類分級標準。CC分類不僅規定了Profinet設備的基本功能、可選功能,以及相對應的功能測試規範,以及如何取得CC等級的認證。

目前PROFINET CC分級標準中,分為CC-A、CC-B與CC-C三類。

 CC-A:提供PROFINET IO基本功能,以及即時通訊(Real-time)的規範。原則上所有的IT服務都可以使用而沒有限制,典型的應用如商業自動化,都在此層次,而無線通訊則是被指定至此一等級。

* CC-B:除CC-A提供功能外,還擴展了其他基於IT網路機制與拓樸資訊的診斷功能。

* CC-C:描述了具有硬體支援的頻寬預留和同步的等時性即時通訊(Isochronous Real-Time,IRT)通信的設備的基本功能,它也是等時應用的基礎。

而這個分類級別也是作為認證和佈線準則的基礎,而依據這個分級,目前已有七個應用類別整合了某些應用所需的功能範圍。

技術特性

PROFINET雖已進入各種應用領域,但許多新的領域仍不斷湧現,例如船舶和鐵路應用,甚至是飲料店等日常的民生運營。

目前PROFINET自詡為工業4.0的通信骨幹,借助其開放式體系結構,所有基於乙太網的IT功能,都能在PROFINET網路上運行,也可以對設備進行開放式存取,並易於整合其他標準,例如OPC UA等。而PROFINET也已在IEC 61158和IEC 61784中被標準化。

另外,乙太網路設備都會使用唯一的MAC地址進行通訊。但在PROFINET系統中,每個現場設備都會收到一個唯一的獨特符號名稱,而I/O系統裡的現場設備就透過這個獨特的名稱,在工業應用的過程中被識別與配置。啟動PROFINET應用程序時,使用此名稱就可以解析確切的MAC和IP地址。

對於系統和機器製造商而言,使用PROFINTE標準能將安裝、工程設計與試運行的成本降至最低;對於系統操作員來說,PROFINET則透過自動運行的系統單元和較低的維護要求,簡化了系統擴展,並提高了系統可用性。

圖3 : EtherNet/IP
圖3 : EtherNet/IP

EtherNet/IP標準是在2001年推出,隸屬於通用工業協議(Common Industrial Protocol,CIP)的其中一員,但專注於上層的規範。而CIP廣泛涵蓋了各種製造和製程自動化應用的完整訊息與服務套件,包括控制、安全、同步、運動、配置和訊息,它也號稱是真正的媒體訊息獨立(media independence)的標準。

運作原理

EtherNet/IP採用了CIP的乙太網技術,而基於乙太網路在商業市場的普遍性,

EtherNet/IP為用戶提供了合乎標準乙太網路規範的工具,使之易於部署於製造和製程應用之中,從而改善了工業應用場域中的人員、合作夥伴、設備、部門和系統之間的連結性,並為生產力、效率和靈活性開啟了新的機會。

EtherNet/IP為製造和製程自動化應用提供了許多獨特的優勢,例如:可透過單個網路,或將單個網絡作為多個分散式CIP網路的骨幹,以即時無縫的控制,配置和收集智能設備的數據;以及與標準Internet協議(如HTTP、FTP、SNMP和DHCP)相容;與標準的工業數據存取和交換協議相容(如OPC)。

由於符合IEEE乙太網路標準,EtherNet/IP為用戶提供了多種網路介面速度選擇,例如10、100 Mbps、1 Gbps,或者更高的速度,此外,還有彈性的網路結構,可與商用乙太網路安裝選項相容,包括銅纜、光纖、光纖環和無線網絡,以及拓撲,包括星形、線性和環形。同時也支援有IP67等級連接器(RJ45或M12)的工業設備,包含模組,或附有設備標籤的網絡狀態LED,以便於使用。

技術特性

與其他CIP網路一樣,EtherNet/IP也遵循開放系統互連(OSI)模型,與所有CIP網路一樣,EtherNet/IP在會議層及以上實現CIP,並在傳輸層及以下,使CIP適應特定的EtherNet/IP技術。

乙太網路具有主動式基礎架構網路的獨特特徵。因此,與典型的工業網路不同,EtherNet/IP網路基礎結構可容納幾乎無限數量的點對點連接,並且具有嵌入式交換機技術,可以支援線性和環形拓撲,為用戶設計網路提供了更佳的靈活性,以滿足當前的需求,同時也保留了未來拓展的彈性與經濟效益。

為了進一步降低複雜性,EtherNet/IP還提供了用於配置和控制的單點連接,因為EtherNet/IP支援兩種I/O訊息,通常包含對反應時間非常要求的控制數據和顯式的訊息,以及包含數據欄位中用於配置和資料收集的典型用戶和伺服交易的協議訊息。

而與使用嚴格的來源-目的模型的其他設備網路相比,EtherNet/IP能更有效的利用頻寬,EtherNet/IP系統可以被配置為以主/從類型的關係,或者使用點對點(P2P)分佈式控制體系結構進行操作。

圖4 : Modbus
圖4 : Modbus

Modbus是一種串行通信協定,於1979年由Modicon公司(現在為施耐德電氣)提出,是作為可程式化邏輯控制器(PLC)的通訊。現在Modbus已經成為工業領域通訊協定的產業標準之一,它具有公開且無著作權要求、易於部署和維護、靈活的修改彈性等優勢。

運作原理

該協議由Modbus協會所管理,他們是一群獨立的自動化設備用戶與供應商,致力於推動Modbus通訊協議套件的採用,以及推動跨市場的分散式自動化系統架構的發展。它也是一個會員制的貿易協會,並組成「Modbus協會」,是一個非營利組織。

Modbus協定允許多個 (大約240個) 裝置連接在同一個網路上進行通訊。在資料採集與監視控制系統(SCADA)中,Modbus通常用來連接監控電腦和遠端終端控制系統(RTU)。

依據其定義,Modbus是位於OSI模型第7層的應用層訊息傳遞協議,它提供客戶/伺服端在不同類型的總線或網路上的設備之間的通訊。在網路上的群體可以在TCP/IP堆疊上的保留系統埠502上存取Modbus。

Modbus協定也是一個Master/Slave架構的協定。有一個master節點,其他使用Modbus協定參與通訊的就是slave節點。每一個slave裝置都有一個唯一的位址。在串行和MB+網路中,只有被指定為主節點的節點可以啟動一個命令。

技術特性

Modbus是一個請求/回應的協定,並提供功能代碼指定的服務。它使用的實施方式如下:

* TCP/IP over Ethernet

* 透過各種媒介進行異步串行傳輸(有線:EIA/TIA-232-E、EIA-422、EIA/TIA-485-A;光纖、無線電等)

* Modbus PLUS,高速權杖傳遞(Token Passing)網路

Modbus協議定義了獨立於底層通訊層的簡單協議資料單元(PDU)。Modbus協議在特定匯流排或網路上的資料對應(Data mapping),可在應用數據單元(ADU)上加入一些其他的資料欄位。

Modbus應用數據單元由啟動Modbus傳遞的客戶端建立,這個功能向伺服端指名要執行哪種操作。Modbus應用端協議建立由客戶端發起的請求的格式。

Modbus數據單元的功能代碼字段欄位為一個byte。有效代碼的範圍是十進位制從1到255(保留的範圍是128–255,用以額外的回應)。當從客戶端向伺服端設備發送訊息時,功能代碼欄位會告訴伺服端執行哪些操作。

圖5 : POWERLINK
圖5 : POWERLINK

POWERLINK是即時乙太網解決方案的其中一員,以絕對的開放性和高性能著稱。該標準在2003年釋出,由獨立的乙太網POWERLINK標準化組織(EPSG)所發布。

運作原理

POWERLINK技術是基於開放的IEEE 802.3和IEC 61784-2標準進行開發,且該技術沒有任何專利。開源版本openPOWERLINK於2008年在BSD許可下發布,任何人都可免費取得。

EPSG認為,完全兼容於IEEE 802.3技術是未來的最佳選擇。因為POWERLINK將受益於乙太網技術的長期發展,而無需進一步投資。POWERLINK也完全支援標準TCP/IP協議。由於TCP/IP運行在專用的通訊頻道上,因此可確保TCP/IP的頻寬,而不會影響硬即時資料交換。

與其他即時工業乙太網系統不同,POWERLINK是完全基於軟體的解決方案,並百分之一百符合IEEE 802.3乙太網標準。這種完全與標準緊密看齊且沒有專用硬體的限制,使POWERLINK能夠確保乙太網技術的所有優勢和靈活性,能夠運用到注重即時傳輸的協議上。

因此,用戶可以繼續使用相同的標準硬體元件和診斷工具。為了實現其即時功能,POWERLINK依靠混合輪詢(polling)和時間間隔(Time-slot)的方式,一次僅允許一個節點傳輸數據。

技術特性

POWERLINK網絡使用以下通訊結構:任意指定一個節點(例如PLC、運動控制器或工業PC)充當管理節點(MN),所有其他設備均作為受控節點(CN)運行。MN定義了用於同步所有設備的時鐘脈衝,並且管理數據通訊週期。

在一個週期的過程中,MN使用PollRequest傳訊連續輪詢每個CN,PollRequest也從MN到每個輪詢的CN傳達附加資料。然後,每個CN這次通過PollResponse傳訊,將其自己的數據傳輸到所有其他節點,而一個POWERLINK循環包含三個階段。

在第一階段,MN向所有CN發送「週期開始(SoC)」訊框,以同步設備;接著,在第二階段或同步階段交換有效負載的數據;週期的第三階段是異步階段,在該階段傳輸非時間關鍵型的數據,例如TCP/IP數據或參數配置數據。

透過結合乙太網路、CANopen和硬即時功能,POWERLINK整合了來自三個不同領域的功能。與其他競爭的標準相比,POWERLINK仍然非常接近乙太網標準,保留了原有的乙太網功能,因此能降低在工業環境中的部署成本。

整合了CANopen技術,是此標準的另一大特色,該技術是一種可靠且經過驗證的協議,已在整個自動化領域廣泛使用,最後則是對即時性能的支援,經過EPSG的POWERLINK堆疊,讓此標準的即時能力有極佳的表現。

結語

很明顯的,雖然在技術本身的思考各異,但所欲克服的挑戰卻是非常類似,就是要解決工業通訊領域的延遲問題,以達成即時(Real-time)控制的需求,讓生產可以更加的穩定、安全、有效率。

而在工業4.0與物聯網趨勢的帶動下,在PC領域擁有極高採用率的乙太網路

自然就成為了整合的對象,也因此上述的所有協議都是以此為基礎來進行研發,也可預期這個趨勢仍將會持續的發酵。

至於要選用哪個協議規範,其實也沒有所謂的標準答案,端看整體系統架構與設備的特性來安排,而其依據的準則就是自身建置的經驗與供應商選擇。但這些標準的技術原理與特性仍是必須理解,因為在強調整合與匯流的未來世界,互通互聯是必備的基本思維。

2020 年第 56期3月號工業通訊戰雲密布 五大標準誰勝出
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