萬物聯網2017.08.09

EtherCAT發展迅速 TSN、IO-Link緊追在後

物聯網

本文轉載自SmartAuto智動化,作者王明德

 

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,因此通訊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。

 

EtherCAT發展速度加速

事實上,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。

 

EtherCAT以軟體為核心,搭配單一線路,克服傳統工業通訊的複雜配線問題;且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,相對於其他大廠Beckhoff的規模較小產品線較少,導入EtherCAT產品更願意使用Beckhoff外的自動化設備,加強市場上設備製造商投入研發意願,在技術與市場情勢的相互拉抬下,EtherCAT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(圖1)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,也都可支援。

 

不過吳維翰也坦言,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,相較於EtherCAT,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。

 

在工業領域,IEEE也制定TSN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。


圖1 : 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)


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,而重製原有網路系統,此外融合標準網路規格的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,2016年與OPC基金會合作,進一步強化工廠製程到企業資訊系統間的傳輸技術,OPC基金會所主導的技術,即是為業界熟悉的OPC UA,此技術承襲過去的OPC,所不同之處在於大幅強化可靠、安全與互通性,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),輕鬆於EtherCAT主站間交換資料,再藉由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。

 

智慧製造帶動IO-Link崛起

全球市場消費型態近年來快速轉變,以往大量化的標準化產品逐漸被少量客製化取代,此一轉變順勢帶動了製造業智慧化的浪潮,面對此一變革,意法半導體(ST)技術行銷經理Giuseppe Di Stefano(圖2)指出,ST長期深耕工業領域,近年來各類工業乙太網路通訊標準競逐市場,在眾多標準中,ST看好IO-Link,並已有相關布局。

圖2 : 意法半導體技術行銷經理Giuseppe Di Stefano(左)與Natale Testa(右),均相當看好IO-Link的發展。(攝影/邱倢芯)


Giuseppe Di Stefano表示,第3次工業革命帶動IT技術的導入,讓生產管理更容易,目前正發生的則是利用實體網路、通訊與物聯網控制生產,同時也讓生產數據更即時、透明、完整;工業4.0大幅提升生產效率與和善的管理介面、回饋與需求更具彈性、更好與更友善的使用者操作經驗、收集更多的產線資料以達成大數據與資料分析。

 

IO-Link將成工業物聯網新寵

IO-Link由各大型感測器、致動器和控制器製造商所研發制定,是一種標準化且與現場總線無關的介面,適用於自動化領域,因此毋須複雜尋址即可實現點對點連接,以前僅限用於簡單地開關類比信號的二進制開關,也可透過IO-Link應用於智慧感測器中,Natale Testa指出,IO-Link的優點包括容易與現有的的現場總線鏈接、可全面執行感測器和執行器功能、不需要更改現有網路架構,只需在架構中導入IO-Link就可改善系統。

 

Natale Testa表示,在智慧製造概念下系統中的所有設備都必須具備感測與連網功能,感測器擷取設備訊號後,再經由通訊技術將相關訊息傳送至後端,而自動化與智慧化的最大區別,就是OT與IT系統的鏈接,過去工業自動化的訊息擷取的連接,由於通訊標準不同,多僅止於製造端的OT系統,並未與企業管理端的IT系統連接,但在工業4.0架構下,OT與IT的整合勢為必然,而兩者要互連,通訊標準必須相同,這也是近年來乙太網路標準成為工業領域顯學的原因。

 

 

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