工業乙太網路的演進與發展

隨著網路技術的不斷進步以及門禁安全保全高度維護，寬帶的全面普及，網路視頻監控的應用系統成為監控市場的新的發展方向。劉家任攝

前言：
自動化系統一直以來都為國際型大廠各自發展，系統規格各自不同無法相容，因此扮演工業通訊要角的Fieldbus也出現各種規格，不過由於Fieldbus規格紛亂，廠商紛紛提出解決方案，不過與台灣廠商不同的是，例如將乙太網路直接貫穿到Field level、Control level，稱之為工業乙太網路。

本文：
工業通訊是自動化系統的一環，主要用來作為作業現場中設備之間的鏈接，不過自動化系統一直以來都為國際型大廠各自發展，系統規格可能出現各自無法相容的限制問題，而扮演工業通訊整合關鍵的現場總線(Fieldbus)，自然也發展出多樣規格，如西門子堆出的PROFITBUS、MITSBISHI所提出的CC-LINK，都是相當常用的方法。而長期以來，這些現場總線亦稱職扮演工作現場設備訊息傳遞角色。

工業通訊網路快速演進

自動化系統一路演進，為追求更高效率與附加價值，系統整合已然成為市場重要趨勢，Siemens產品經理吳順裕指出，就架構來看，過去的自動化製造系統只分為Field level、Control level兩層，而現場總線就做為這兩層之間的訊息傳遞橋樑。

若從效率的觀點檢視，目前僅有Field level和Control level自動化架構效率已達飽和，若要再提升其附加價值，則必須再進行擴大系統層次。在這個發展概念下，以長期在消費端的PC技術擴張應用於工業領域，讓整體網路架構多了Operation level、Management level。

其中Operation level肩負整合控制端作業設備，而Management level是企業e化軟體(如MES、ERP)，至於Operation level、Management level則多數沿用PC架構進行建構，整體網路不再採取透過現場總現進行鏈接，而改使用乙太網路處理網路需求。

除了利用乙太網路原本的技術優勢外位系統加分外，近年來乙太網路另外發展出來的相關技術，若應用到工業控制領域，也會產生不同的附加價值，最近的案例就是PoC(Power over Cable)。

Power over Cable顧名思義，就是經由纜線輸送電力，傳統機器視覺所使用的攝影機，後面至少都有兩條線，一條用來傳送所拍攝的影像，另一條則負責供應攝影機電力，在以往，這種作法被視為理所當然，不過隨著市場對機器視覺解析度的提升，電力線與影像傳輸線並存的作法開始出現缺陷。

兩線合一 架構更精簡

隨著量測物品的體積漸小與數量漸多，機器視覺的工作量越來越大，如果仍然使用傳統的類比式攝影機將訊號回傳，資料量會過於龐大，對傳輸線頻寬對後端DVR主機而言，都是過重的負荷，因此當解析度超過100Mega時，目前多採數位攝影機，由於數位攝影機的資料傳輸僅存在於兩種電壓狀態中，不會受到電力傳輸的EMI干擾，反觀類比攝影機，雖然是使用有遮蔽的同軸電線提供訊號傳輸，但EMI仍可能會對其中包含的1伏特峰對peak-to-peak峰視頻訊號造成影響，因此就數位攝影機來說，將電力與影像傳輸並存於同一纜線中，在技術上是可行的。

不僅可行外，兩線合一更為有利，攝影機建置兩條纜線，就代表維修成本是單一纜線的兩倍，同時故障率也是兩倍，除了維修成本降低外，少了電源線連接埠的設計也可縮小攝影機的體積，在建置成本方面，光是不需變壓器(Adaptor)，就漸少了30~50美元，這還不計算電源纜線的成本。

Power over Cable介面種類

目前Power over Cable的標準介面大致有下列幾種：
●PoCL(Power over Camera Link®，供電型Camera Link®)

Camera Link是針對機器視覺應用的相機以及影像擷取卡而開發的開放式規格。Camera Link介面規格是在2000年由AIA協會(Automate Imaging Association)所定義，AIA協會是一個產業團體，成員包括工業用攝影機、纜線以及影像擷取卡製造商，而Camera Link則是運用低電壓差異信號(LVDS)技術傳輸數位資料。

PoCL是近期才加入Camera Link規格的標準，可為Camera Link數位介面以及攝影機電源提供單一纜線解決方案。PoCL能與目前的Camera Link標準相容，且具有可防止因不慎連接不相容產品，而導致攝影機和影像擷取卡損壞的「Safe Power」模式。Safe Power在影像擷取卡上結合了攝影機感應電路，能在確認連接的攝影機是否能與PoCL相容後，再行供電，因此能夠與現有的Camera Link標準相容。
PoCL系統與設備除了都必須維持標準的Camera Link資料與控制介面外，每一部PoCL設備還需要具備Camera Link標準規格以外的功能。

●IEEE1394(FireWire)

IEEE1394(由Apple, Inc.登記為Fire Wire商標)介面為序列匯流排介面標準，可用於傳輸高速通訊與等時的即時資料，最高可提供45W的功率。目前IEEE1394除了由1394貿易協會(1394 Trade Association)開發的相關的IIDC(DCAM)通訊協定規格外，也常見於影像擷取應用部署，但是更優異的影像擷取應用介面，則是可提供可靠的資料傳輸、最小化CPU負載以及單一纜線連接的IEEE1394b。

●PoE(Power over Etherne，乙太網路供電)

Gigabit Ethernet(乙太網路)攝影機可透過現有的乙太網路技術與電腦進行通訊，提供影像擷取應用。PoE擁有許多乙太網路傳輸的優勢，如遠距傳輸與高頻寬，但除了資料傳輸線外，Gigibit Ethernet攝影機通常還需要使用另一條獨立的纜線供電。
IEEE協會發表IEEE802.3a乙太網路供電(PoE)標準，用以定義如何透過標準的乙太網路線供電，以便可透過八線的Cat5及Cat6纜線，為PoE相容設備提供最高達48V的DC電源。

PoE電源透過LAN網路基礎設備來傳送，當確認了設備相容時會被自動開啟供電，在不相容時並不會開啟電源傳送。這一特性可以讓使用者隨時地將傳統的設備和與PoE相容的設備結合在一起。

隨著網路技術的不斷進步以及門禁安全保全高度維護，寬帶的全面普及，網路視頻監控的應用系統成為監控市場的新的發展方向。目前的視頻監控行業應用呈現兩大需求特點。一是需要實施視頻監控的範圍越來越廣，由傳統的安防監控向管理監控和生產經營監控發展，更廣的佈建監控範圍和實施距離。二是要求監控系統與管理資訊系統、網路系統的緊密結合，實現對大量視頻數據的壓縮存儲、傳輸和自動處理，從而達到資源共享，為各級管理人員和決策者提供方便、快捷、有效的服務。

Power over Cable已成標準配備

隨著機器視覺跨入數位化，Power over Cable成為大勢所趨，在機器視覺領域，目前類比攝影機的出貨量雖仍較高，而數位系統已急起直追，目前市場比例約為60：40，不過從種類來細比，類比攝影機的主要出貨都為80萬畫素以下，高於100萬畫素則主要為數位攝影機，而數位攝影機現在幾乎都把Power over Cable作為標準配備，放眼未來，在工業無線乙太網方面，Power over Cable將會成為主流應用，至於在工廠的生產設備端，傳統的工業乙太網路架構，短時間仍不會有大幅度變動。