快訊

永和分屍命案第一現場疑在住處頂樓 先勒斃父親再肢解棄屍

運動控制器的未來已經開始了

圖5 : 5G NR中無線電資源的靈活使用。(source:Cybersecurity Partner、智動化整理)
圖5 : 5G NR中無線電資源的靈活使用。(source:Cybersecurity Partner、智動化整理)

[作者 盧傑瑞]

自動化生產已經跨入了物聯網,自然就要將自動化能力提升到一個新的境界,包括隨時互相傳輸資訊、製造數位化、智慧工廠和自動運轉等,因此互聯性是重要的一個基礎,這也帶動了對於更高的速度、高靈活性和低成本效益的要求。

為什麼過去20年工業網絡上極少存在的互聯性技術,突然變得重要?

今天,自動化生產已經跨入了物聯網(IoT),自然就要將自動化能力提升到一個新的境界,包括隨時互相傳輸資訊、製造數位化、智慧工廠和自動運轉等,因此互聯性是重要的一個基礎,這也帶動了對於更高的速度、高靈活性和低成本效益的要求。

在過去的幾十年裡,工業網絡的連接,特別是在因應製造業不斷變化的要求,有了相當大的發展(圖1)。

圖1 : 在過去20年間,工業網絡互聯的演變。(source: Cybersecurity Partner、智動化整理)
圖1 : 在過去20年間,工業網絡互聯的演變。(source: Cybersecurity Partner、智動化整理)

網路已是先進工業自動化一部分

這些年來工業通訊技術的提升,已經在三個層次獲得相當多的成果,分別是路由層次、控制層次和感測器層次。而這些層次提升別都需要克服不同數量和類型的要求,包括訊息傳輸、碰撞檢測和確定性(提前確定任意兩個節點之間的路線)等。因此發展到現在的工業以太網,大約有20個以IEEE 802.3 標準為基礎的協定被發表出來。

工業用乙太網路(EtherCAT)技術,大約是在40年前第一次出現在自動控制領用。直到今天,基於乙太網路的現場匯流排系統(Fieldbus System)已經在IEC 61158中標準化,並成為先進工業自動化中廣泛應用的一個部分。

這是因為80年代中期,一些自動化業者在觀察了乙太網路的興起後,就開始研究透過其優勢性,考量是否有可能應用在工廠生產線與自動控制設備。然而,一些對基於PC的控制系統有經驗的人都知道,逐漸成為電腦網路通訊主流技術的乙太網,並沒有強化其物理硬體架構來滿足工業應用的需要。再來更大的問題是,即使是導入了先進自動化設運的硬體,這對當時工業乙太網所需要的高速計算效能需求而言,還是是太緩慢了。

即便是如此,需多工程師仍舊認為,如果能克服其局限性,對於自動控制設備來說,乙太網技術將是一個比當時所使用的現場匯流排(Fieldbus)技術更便宜、更實用的結構。

因此在2003年首次發表EtherCAT後,就迅速成為工廠自動化的首選網路和控制架構,因為它是所有基於乙太網的通訊技術中,擁有最快的週期時間。但是為了充分發揮EtherCAT的優勢,匯流排必須有高速控制硬體作為基礎。因此許多業者大膽地採用積體電路或ASIC,來作為控制單元中EtherCAT運算核心。

在工業自動化架構裡,被網路所連接,和分布在不同空間的感測器,所偵測到的訊號,都必須同步、無誤的傳送到各個相關設備,來預測事件發生的相對時間,並計算出事件中的相關模式。特別是在封閉環境運動控制中,例如在包裝、印刷、對稱焊接等,設備都需要同步執行預定的即時任務。

TSN將自動控制網路帶向全新境界

為了滿足上述的要求,新一代的通訊標準時間敏感網路(Time-Sensitive Networking;TSN)就被提出。TSN是一種將乙太網通信頻寬劃分為時間段,並根據設定的傳輸訊框(Communication Frame)的優先順序控制通信頻寬的技術。TSN是基於IEEE 802以太網子標準,由IEEE TSN任務組定義,支援確定性的即時通訊能力。在定義的時間內,提供具保證性的數據傳輸;也就是有著極低延遲、低延遲變化,和極低的數據遺失,此外TSN還可以支援不同 QoS 要求的各種應用。

CC-Link IE TSN

CC-Link IE TSN是首批將納入TSN功能工業網路的產品之一,其規範已於2018年11月發佈。CC-Link IE TSN的主要特點,是以時間共用的方式實現了即時性的能力,可以讓數個不同的網路通續,同時在同一架構下進行通訊。在以前,這是必須分別在不同網路上傳輸I/O控制、運動控制以及TCP/IP通信,而今天可以透過CC-Link IE TSN的技術整合在同一網路中,實現了OT和IT的整合(圖2)。

圖2 : CC-LINK IE TSN示意圖。(source: CC-Link協會、智動化整理)
圖2 : CC-LINK IE TSN示意圖。(source: CC-Link協會、智動化整理)

在透過同步的能力連接到網路後,可以允許傳輸訊框進行雙向傳送,這樣一來,通訊週期又比傳統標準短得多,實現了高速和高精度的控制。

PROFINET over TSN

除了CC-Link IE之外,在德國西門子等的支持下,PROFINET也發佈了一個與TSN相容的規範「PROFINET over TSN」。PROFINET是由PI(PROFIBUS & PROFINET國際組織)所開發和推廣的工業乙太網,目前在全球市場上也有相當高的市場佔有率。

PROFINET還有一個優點是,它是一個通用系統,不僅實體層和資料連結層與標準乙太網相容,在網路層也與標準乙太網相容,只需在資料連結層增加TSN即可支援(圖3)。因此PROFINET支持TSN的理由是,除了不同的工業乙太網間能相容傳輸之外,IEC標準更可以實現運動控制所需的確定性(deterministic),這在OT中很重要。

圖3 : PROFINET over TSN 示意圖。(source:日本PROFIBUS協會、智動化整理)
圖3 : PROFINET over TSN 示意圖。(source:日本PROFIBUS協會、智動化整理)

OPC UA over TSN

此外TSN還與B&R工業自動化合作,透過了技術整合,可以在同一TSN框架網路內導入了標準化的OPC UA over TSN,可在所有通信層上更靈活地管理工業網路,包括控制器到控制器,和控制器到現場設備,使工業網路的管理更加靈活(圖4)。

圖4 : 整合網路上,控制器到控制器的傳輸,和控制器到設備的傳輸。(source: MOXA Japan、智動化整理)
圖4 : 整合網路上,控制器到控制器的傳輸,和控制器到設備的傳輸。(source: MOXA Japan、智動化整理)

OPC UA提供了標準化的資料結構方式,可以為任何種類的環境增加語意(semantic),並以安全的方式提供。如果沒有OPC UA在TSN上提供的互通性,多業者將必須採用死碼(Hard-Coded)的方式進行傳輸,這也就意味著將會增加高昂的開發成本,並抵消任何靈活性方面的優勢。最重要的是,OPC UA over TSN保證了持續的監視能力而不干擾設備的運作。

OPC UA over TSN透過擴展OPC UA資訊模型的語意自我描述,可以將大量的感測器、執行器和其他自動化設備新增到可用的資訊庫中。再透過工業物聯網,可以設計出高效和有效的生產過程,同時更容易進行調試和維護。

而由Acontis Technologies GmbH所提供的TSN軟體,也將邊緣智慧整合到框架中發揮了關鍵作用。TSN軟體可將資料的即時傳輸,從硬體擴展到應用層,讓邊緣運算設備實現智慧網路。

TSN透過使用TDMA(分時多工)方法,將時間拆分為重複週期,來實現確定性數據傳輸。在這些時間段內,會建立一個虛擬通道形成時槽(time slot),這是為了高優先級數據流傳輸而設計的,避免緊急或傳輸重要數據時,受到其他網絡傳輸的影響。同時為了實現時間同步的高精度,TSN也使用了符合IEEE1588的精確時間協定(PTP)。

無線通訊即將現身在工業自動控制網路

一般而言,TSN大多是針對有線網絡,因為它需要非常低的延遲。因此TSN專注於網絡的鏈路層,這不同於3GPP 5G標準,或802.11 Wi-Fi專注於網絡的通信層。

然而,支持超可靠低延遲通信(URLLC)的最新5G和802.11ax Wi-Fi (Wi-Fi 6)標準,就在不久之前被發表出來,這個重大的突破,使得TSN可以開始應用在無線網絡上。

這些標準導入了與先前無線標準不同的排程機制(scheduling mechanisms),允許更有效地安排來自多個設備的同步傳輸。為了消除延遲的問題,可以在無線通信中,提供有限的延遲和高可靠性。

5G NR定義了多種參數集,以支援不同QoS要求,如增強型行動寬頻 (eMBB)、海量機器類型 (mMTC) 通信,和超可靠低延遲通信 (uRLLC)。並且在4G或LTE中,定義了固定的時槽可持續時間。另一方面,5G NR也定義了不同的時槽長度,可以同時支援不同的參數集來服務於多種應用。

邊緣控制器提供更靈活的IIoT環境應用

邊緣控制器整合了先進的計算和軟體功能,已經逐漸成為自動控制中主流模組。與傳統I/O硬體一樣,傳統工業控制器的範圍有限,需要中間系統才能將過程數據連接到組織的其餘部分。而現代邊緣可編程工業控制器 (EPIC)則是利用新技術來吸收比前幾代更多的自動化功能。憑藉工業強化組件、安全網絡選項、多語言編碼和多核心處理,邊緣控制器可以提供傳統的即時I/O 控制,同時還可以處理通信、可視化機能,甚至數據庫。

【欲閱讀此篇更豐富的內容及更多精彩報導,詳見《智動化SmartAuto》網站】

2021.9月(第73期)馬達與減速機:與時俱進全面轉型
2021.9月(第73期)馬達與減速機:與時俱進全面轉型

相關新聞

新思擴大與台積電策略合作 擴展3D系統整合解決方案

新思科技宣佈擴大與台積公司的策略技術合作以實現更好的系統整合,並因應高效能運算(high-performance computing,HPC) 應用所要求的效能、功耗和面積目標。透過新思科技的3DIC Compiler平台,客戶能有效率地取得以台積公司3DFabric為基礎的設計方法,從而大幅提升高容量的3D系統設計。

盛達上半年再生能源產品營收躍升 積極布局儲能商機

迎合近年來通訊、再生能源市場蓬勃發展,盛達電業於今(2)日召開法說會,宣告2021年前2季集團合併營收為新台幣4.5億元,上半年累計營收較去年同期成長18%。其中通訊產品線成長12%、再生能源產品線成長51%,尤其是後者在1-9月營收年成長達95%,顯示持續獲得綠能市場青睞。

手足一體精益求精 機器視覺跟隨產業轉型

延續自21世紀初台灣推動兩兆雙星產業以來,不僅成功導入2D/3D自動光學檢測設備,提高產品良率。到了邁向工業4.0時代,機器視覺更扮演了傳感器角色,在製程中蒐集資訊,並結合協作機器人、自動導引車自主移動;如今還可望結合人工智慧,擴大於投入PCB、Mini LED等次世代產業應用來提升價值。

機器視覺開天眼

若要替代更多人力,機器人需要更智慧,必須仰賴視覺與力感應等輔助才能符合所需。本文特別專訪達明機器人營運長黃識忠,剖析機器視覺技術在協作機器人的應用與趨勢。

齒輪螺桿加工有待引進專業能量

即使多年來台灣齒輪及螺桿加工業者陸續透過自製機台、刀具,甚至於PC-based控制器,逐步建立開發能量,進而透過內外併購來提升競爭力。但至今該體系仍相當封閉,並非傳統綜合加工機、CAD/CAM軟體商可涉入,而相當倚重製造加工業者多年累積的數學式資料庫、專用機種,但在應用工法不斷推陳出新及瑞士控制器大廠介入下,可望出現轉機。

齒輪螺桿加工機朝數位轉型

經歷近年來數控技術的成熟發展,在工業4.0及數位分身潮流的推波助瀾下,即使傳統CNC數控系統於齒輪/螺桿加工亦非全無用武之地。包括國內外工具機等OEM設備製造廠商,也紛紛與歐系大廠Siemens、NUM結盟,開發客製化人機介面及模擬軟體,以支援齒輪/螺紋磨削專業加工機增效節能或數位轉型需求。

商品推薦

udn討論區

0 則留言
規範
  • 張貼文章或下標籤,不得有違法或侵害他人權益之言論,違者應自負法律責任。
  • 對於明知不實或過度情緒謾罵之言論,經網友檢舉或本網站發現,聯合新聞網有權逕予刪除文章、停權或解除會員資格。不同意上述規範者,請勿張貼文章。
  • 對於無意義、與本文無關、明知不實、謾罵之標籤,聯合新聞網有權逕予刪除標籤、停權或解除會員資格。不同意上述規範者,請勿下標籤。
  • 凡「暱稱」涉及謾罵、髒話穢言、侵害他人權利,聯合新聞網有權逕予刪除發言文章、停權或解除會員資格。不同意上述規範者,請勿張貼文章。