邁向智慧工廠 工業乙太網路架構
工業自動化儀器設備種類繁多,每種儀器的操作、控制、設定方式皆不同,且採用各自的通訊協定,使得各種機台的整體掌控上難度增加、維護不易,更讓生產各項資訊的整合困難重重。為讓各機台的控制、傳輸方式,有統一的協定,產業正推廣工業乙太網路的通訊標準,讓電腦、控制器、機台設備、感測器等工業自動化儀器,都能有統一的標準,來互向溝通,以邁向建構新一代智慧工廠的目標…
工業自動化設備的導入,不僅可以減少人力、物力,提升製造業的生產效率與產品品質,更可以節省生產成本。不過,傳統工廠的儀器設備,資料大多透過序列埠/匯流排(Serial Port/Bus)、以其封閉?疊層的通訊協定來傳輸,這些工業通訊協定大多是廠商自己的規格,沒有共通的標準,當然也缺乏與其他設備的互通性。
因此在這樣的工業網路架構之下,其機台站點數、網路拓墣、傳送距離、資料傳輸率等因素就被限制住,因此要擴廠的時候,往往會因為這些限制,而增加擴充的便利性,甚至影響產能的提升。
由於各產業所使用的工業自動化設備皆不相同,因此控制方式、匯流排設計、通訊協定等規格也有所不同。以工業網路?匯流排技術的層級來看,我們可以分成4個層級,也就是:第一層以位元級感應器(bit-level sensor)場域端,就有CAN、SerialPlex、LonWorks、ASI等協定,第二層裝置端(device)就有DeviceNet、InterBus、PROFIBUS PA與H1 Fieldbus等,第三層的控制端(control)則有HSE Fieldbus、ControlNet和PROFIBUS DP,而最上層的企業端(enterprise)則是採用Ethernet(乙太網路)。
上述的每個層級中,由於通訊協定皆不同,而離散控制類和程序控制類的生產儀器,其通訊協定更是兩個世界。也因為控制、驅動、運動控制等工業自動化儀器的驅動器?控制系統,有各種不同通訊協定,往往增加資訊在跨層傳輸上的困難度,且由於硬體設備的不同,接口不一,使得工業控制網路的設計上,必須提供各種不同的連接埠,種造成生產人員在產出報表、生產履歷等資訊蒐集上的困難度。
為讓資訊能夠透通,業界推動使用乙太網路(Ethernet)來應用在工業環境,以提升工廠內不同供應商之間機器的互連性。乙太網路為資通訊產業的標準,當工廠設備紛紛採用乙太網路來做為通訊協定標準之後,上述各層級之間的資訊就能完全串起來,使工廠設備到管理者的電腦都能資訊透通,達到即時控制、監控、管理等目標,以提升企業整體競爭力。
工業乙太網的通訊協定簡介
工業乙太網路(Industrial Ethernet)運用IT產業所流行的乙太網路(Ethernet)做為標準,取其TCP/IP通訊協定,可相容於IEEE 802.3的標準。由於各工業設備的應用不同,因此應用層(Application Layer)也加入了不同的協定,讓主控電腦仍可控制傳統的機台。
在速度上,傳統的RS-485只提供9.6k、19.2k、93.75k、187.5k、500k、1.5M、3M、6M、12M bps不等的傳輸速度,而Ethernet基本盤就從10M bps起跳,主流的是100M bps,而現在更有1Gigabit、10 Gigabit的超快傳輸速度。
在相容性方面,傳統序列埠的機台,必須加裝轉換器才行,且線材有多種樣式,維護困難。而Ethernet只要使用一般CAT-5e、CAT-6網路線即可(速度可達1Gbps),不僅容易取得,成本低廉,且可以使用的路由器(Router)、網路交換器(Switch)、集線器(Hub)、網路線?光纖(Fiber Optic)等裝置或線材來做連接,連接的節點可以更多,傳輸距離也可以拉得更長,使得管理、維護、擴充上更加方便、容易。
由於以往的PLC採用開放或封閉的通訊協定(如Modbus、Profibus等等),做為主從站之間的通訊,當越來越多設備改用工業乙太網做為MAC(媒體存取控制)層和Data Link Layer(資料連結層)的通訊協定,其Application Layer(應用層)仍採用這些協定,並延伸出新的協定,這些通訊協定,包括Modbus TCP/IP、EtherCAT、Ethernet POWERLINK、PROFINET、EtherNet/IP、Sercos III等等。
Modbus最早是由Modicon(已成為Schneider子公司)為PLC所發展的通訊協定,透過RS232和RS485來傳輸,其Modbus RTU(遠端終端控制系統)採用緊湊、二進位的傳輸方式,常見於工廠SCADA(資料採集與監視控制系統)用來監控電腦和RTU。
至於Modbus TCP/IP則是由Modbus RTU所衍生出來的協定,其採用標準TCP/IP堆疊層,因資料模型和功能呼叫上都是相同的,僅有封裝方式不同,因此能與既有設備相容。
EtherCAT是Ethernet for Control Automation Technology的縮寫,最早由德國Beckhoff公司研發,現其規範由ETG (EtherCAT Technology Group)協會來統籌管理。EtherCAT主要是針對乙太網應用在自動化領域而生的通訊協定,其利用「飛速傳輸」(on the fly)的傳輸技術來改善乙太網格(64個位元組)的使用效率,能將多個從站資料,封裝成一個數據封包後一併丟出,可利用的數據達90%以上,充分利用到整體網路頻寬。
在即時性部分,EtherCAT藉由量測各從站設備的返回時間差,能做到誤差僅一微秒(1µs)的精確同期控制。EtherCAT在效能、Jitter(抖動)、成本效益、同步性、運動控制等都特別顯著,因此獲得ABB、BAU、Schneider、三星(Samsung)等大廠的工業設備所支援。
Ethernet POWERLINK則是由B&R Automation公司所提出的專有網路協定,現由EPSG(Ethernet POWERLINK Standardization Group)組織來管理。POWERLINK其本質是採用CANopen over Ethernet搭配客製化的堆疊層,來提升工業網路傳輸的即時性,且其協會提出的openSAFETY可在架構於其他競爭者的通訊協定上,提供工廠環境更安全的傳輸與控制需求。
PROFINET最早是由西門子所開發,現為PI (PROFIBUS and PROFINET International)公司來管理。PROFINET提供3種工作層級:TCP/IP的非即時應用、即時應用,以及運動控制的同步即時應用。PROFINET I/O堆疊層可達到最佳化效能。
至於EtherNet/IP則最初是由Rockwell Automation所開發,現由ODVA (Open DeviceNet Vendors Association)協會來統籌制定與管理。EtherNet/IP為CIP(通用工業協定)的延伸協定之一,賦予工業乙太網路的即時通訊能力,並能與相同上層CIP協定的DeviceNet和ControlNet通訊協定共存共容。
工業級乙太網路 控制與互連兼顧
如今,乙太網路(Ethernet)在工業領域的應用範圍極廣,包括離散生產、食品加工、提煉、挖鑿、運輸、礦業、發電、廢棄物?污水處理等產業。也由於工業環境不同於一般環境,其對濕度、振動?震動、塵垢、EMI/RFI (電磁?射頻干擾)、腐蝕、氣體的條件,都比一般環境較為,因此工業級乙太網路產品,在線材?連接埠的品質設計、抗突波?雜訊?干擾…等用料設計與使用壽命,都比一般IT級產品還高檔。
在網路的拓撲設計上,乙太網路具備星狀、環狀、網狀(mesh)。可連接網路上的實體、邏輯或虛擬的元件,除了傳統的主(master)從(slave)架構外,也可以使用點對點(P2P)技術,應用在資料採集裝置或控制裝置,會有更佳的互操控性。
以資料採集裝置為例,只要將PC連接到工業乙太網路交換器(Switch),再連接到機台的中控PLC、I/O裝置、機械手臂等裝置,就能採集到溫度、濕度、I/O頻率等資料;而控制裝置部分,將PC連接到Switch之後,可以再連到本地端PLC(以連到中央廠房控制櫃),或連接到其他接線面板、機械手臂、其他I/O裝置、無線節點、其他IP裝置(如IP攝影機、讀卡機、暖通空調控制器等等)。
透過工業乙太網路連接到工廠的各式儀器,將有助於控制端中央管控與資料採集,且可連接到企業內部的ERP系統,將工廠資料與財務、運籌、CRM、生產單位做連結,進而將資料授權給上游供應商與下游客戶來使用,讓產業鏈夥伴的結合更加密實。