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乙太網路躍居工業通訊主流

2018-05-08 16:57CTimes零組件

【作者: 王明德】

2018年5月(第36期)CNC數控系統
2018年5月(第36期)CNC數控系統
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隨著智慧工廠與工業物聯網的快速啟動,工業乙太網路已成為全球自動製造的標準通訊技術之一,在與現有的現場匯流排技術整合下,工業乙太網路將為使用者提供了更高的效率、更多的功能和更強大的相容性,讓製造業從管理到現場層的通訊數據有了統一標準,在介面相容的情況下,只要是使用Web Based的設備,都能輕易連上網路,瀏覽或使用相關數據。

工業乙太網路滿足管理與控制需求

目前工業乙太網路最主要的使用在管理層和控制層,藉由特殊的即時乙太網路技術,在運動控制應用中,可以滿足回應時間少於1ms的應用要求,因此即時性的問題可以被認為已經解決,資安問題也一樣,乙太網路傳輸的安全協定,像是PROFINET的Profisafe、EtherNet∕IP的CIPSafety都已開始有實際應用,目前在製造現場應用中,由於大型自動化廠商所使用的自動乙太網路應用協定,如EtherNet∕IP,PROFINET或Modbus∕TCP,這些協定都支援標準的TCP∕IP,因此標準的工業乙太網路交換器也可以使用。

圖1 : 工業乙太網路技術繁多,各大廠均推出自有標準。(source: Auto...
圖1 : 工業乙太網路技術繁多,各大廠均推出自有標準。(source: Automation World)
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至於在安全層級方面,工業乙太網路可使管理級到現場級的資料傳輸規格一致,使用者只需要掌握單一網路技術即可互連,只是標準化網路結構也因其透明度而帶來風險,例如生產線中的機器手臂,IP位址就有可能被有心人士駭入,在此情況下,必須有明確規則來定義通訊的時間和物件,目前有部份廠商的作法,是在網路出口端安置防火牆來抵制外部攻擊,然而業界人士認為,只從外部做控管仍然不夠,多數致命性錯誤甚至停機事故,往往來自內部的錯誤操作,因此業者指出,分散式安全體系在自動化領域非常重要,透過分散設計設計,整個系統與系統元件將被分割成各個獨立安全單元,各個安全的單元之間通過各自定義的規則來互連,進一步提升安全性。

除了有線之外,無線技術也逐漸應用於工業環境中,無線技術在工業環境,主要是作為傳統有線網路的補充,典型應用是在生產物流的移動終端上,操作、監控生產線或提供線上資料的快速交換,例如將預定資料從監控中心直接送到倉庫的運輸車上。

現在已有相當多的工業級無線技術設備上市,可提供約100Mbit/s的資料傳輸速度,傳輸距離方面,如果在5GHz頻率下使用合適的天線,可以達到20公里,接下來擴展的協定IEEE802.11n會進一步規範WLAN在工業環境中的標準,速率可達640Mbit∕s。

需求刺激頻寬成長

對工業應用來說,網路頻寬的要求愈來愈高,特別是在控制層,高速乙太網路(100Mbit∕s)已成主流之一,不過在商用環境中,Gigabit Ethernet早已普及,未來工業乙太網路也極有可能導入,其原因可以歸納為三點,首先,愈來愈多的現場設備通過乙太網路連接,隨著設備數量的增加,頻寬需求也會同步成長。第二,網路功能與服務項目快速成長,除了控制資訊外,影音都會在同一纜線上傳輸,對頻寬要求會愈來愈高。第三是Gigabit Ethernet有十倍於高速乙太網路的交換能力,許多即時應用可以落實在標準的Gigabit Ethernet環境中,雖然與無線解決方案面臨的問題一樣,更高傳輸速率意味著高功率的消耗和高成本晶片,但是隨著晶片成本的降低,Gigabit Ethernet將會在工業環境中日益普及。

圖2 : 工業乙太網路最主要的使用在管理層和控制層,藉由特殊的乙太網路技術,落實...
圖2 : 工業乙太網路最主要的使用在管理層和控制層,藉由特殊的乙太網路技術,落實製造系統的智慧化願景。(source: Robotic Industries Association)
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另外一個趨勢則是QoS的強化,乙太網路應用經過十幾年的發展,新業務和新應用的不斷出現意味著更多網路資源的耗費,僅僅保證高頻寬已經無法滿足應用的要求,如何保證網路應用端到端的QoS成為現在乙太網路面臨的最大挑戰,採用傳統的建網模式已經無法滿足應用的QoS要求,網路應用迫切需要設備對QoS的支援向邊緣和接入層次發展,在過去,網路中高QoS意味著高價格,但是隨著ASIC技術的發展,使終端設備具備強大的QoS能力成為可能。

在智慧識別技術的發展方面,隨著晶片技術的進步,使用者對網路設備的應用需求逐步擴大,使用者不再滿足使用交換器來完成基本的二層橋接和三層轉發任務,而會更關注網路業務的需求,希望嶄新的交換器具有智慧轉發的特點,這些設備會根據不同的文件類型、業務優先順序、安全性需求等對不同用戶群和不同的應用級別∕層次進行識別,區別進行轉發,滿足不同用戶的大範圍需求,智慧識別技術會逐步在乙太網路交換器中得到應用。

管理走向智慧化

至於在管理維修方面也會有大幅進展,Web管理開始出現,接取層設備由於價格低廉、對製造業者提供了更方便的管理方式,而在Web的管理介面下,將使得網路維護管理變得更加人性化,對大型製造業者來說,由於接取層設備數量眾多、維護工作量巨大,因此對設備提供統一管理與維修的手段需求殷切,採用Web統一介面,將使管理更為簡潔,例如透過製造執行系統(Manufacturing Execution System;MES)的製具管理功能,讓各設備的維修時間與狀況可透明化呈現在Web介面上,藉以提昇管理效能。

乙太網路在工業領域的發展前景十分樂觀,然而卻也並非毫無缺陷,就技術面來看,目前工業乙太網路在相容性與即時性兩部份尚待解決,相容性方面,多數人會認為乙太網路技術是標準統一,不會有相容性問題,其實乙太網路雖然標準統一,不過在通訊協定方面,各廠商會依據自身產品而有不同設定,如果是異系統整合,就會出現相容問題,要解決此問題,可在系統整合前告知設備廠商,或直接挑選系統相容性高的產品。

在即時性方面,由於設備層控制需要即時控制,乙太網路會有封包碰撞的問題,即時性不如序列式技術,目前乙太網路在工業領域多建置在管理層,底層如感測器、儀表,還是使用序列技術,不過也有廠商嘗試將乙太網路延伸到控制層,例如PROFINET在頻寬中切出專為傳送製造設備控制指令的通道,避免因與其他封包碰撞產生延遲,進而提高即時性。

EtherCAT將成運動控制新主流

除了PROFINET外,EtherCAT也是近年來被研發制定出來,可應用於控制領域的乙太網路技術,泓格科技副總經理鄭樹發就指出,EtherCAT在運動控制部分已經逐漸取代過去的RS-485、CANOpen技術,這些串列式標準在傳輸速度上都落後一個等級,尤其是EtherCAT不須另外佈線,用原有的網路線即可傳輸,對這些串列式技術來說,更是致命一擊,雖然EtherCAT目前多定位於高階運動控制,驅動器產品並不多,不過成為業界主流標準的態勢已然浮現。

目前自動化業界各從本身所長投入EtherCAT發展,泓格以I/O卡起家,因此在EtherCAT就先以I/O卡切入,之後也推出EtherCAT閘道器,鄭樹發表示,現在多數製造業者的現場匯流排仍採用Modbus,但主站已採用EtherCAT,兩者之間的就必須透過閘道器轉換訊號,另外在主站端,泓格也推出相關產品,泓格的EtherCAT PC Master主卡讓用戶建立運動控制應用,此一產品透過內建的CPU提供多軸運動和I/O控制等功能,可大幅減少PC的CPU負載,此外泓格也提供多種I/O Slave模組供客戶選用,由於 EtherCAT 技術是開放性標準,因此這些模組可與第三方 EtherCAT Slaves順利的協同工作。

圖3 : 泓格科技副總經理鄭樹發指出,EtherCAT成為業界主流標準的態勢已然...
圖3 : 泓格科技副總經理鄭樹發指出,EtherCAT成為業界主流標準的態勢已然浮現。(攝影/王明德)
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雖然從整體趨勢來看,EtherCAT將會成為主流,不過鄭樹發也不認為現有的現場匯流排如Modbus會快速從市場消失,他指出EtherCAT的定位以運動控制為主,過去運動控制的配線是最大成本,過長的配線也會造成穩定性不足,以乙太網路為技術基礎的EtherCAT,就可解決此一問題,不過穩定性有兩面,雖然EtherCAT解決了傳統運動控制因配線導致的穩定性問題,但目前多數製造業者對於新技術仍持觀望心態,而Modbus這類型舊標準的穩定性因已受過長期的使用考驗,多數設備仍以此為介面,因此鄭樹森認為中短期內要被完全替換的可能性不大,以泓格本身為例,雖然EtherCAT已經快速啟動,不過Modbus產品仍佔有90%的銷售比例。

對於運動控制的通訊技術發展,鄭樹森認為EtherCAT仍會定位在高階領域,不過製造系統不會只有高階部分,在少軸數的控制系統中,傳統的序列式通訊標準如RS-232、RS-485、Modbus等,還是性價比較高的選擇,若軸數較少的系統需要與EtherCAT主站連結,也可透過閘道器等設備作為橋接,而也由於現在工業通訊的技術繁多,仍無統一標準,因此此一市場相當適合具有高彈性產品設計足的台灣廠商,未來發展潛力十足。

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零組件雜誌以「全球中文文化性」為編輯觀點,來報導相關電子零組件之設計應用、生產製造與行銷通路,是一份提供電子零組件完整解決方案的產業知識媒體。

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