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工業通訊標準百家爭鳴 乙太網路漸成主流

  • 謝敏怡

因工業環境特殊所產生的需求,讓工業乙太網路設備的要求比商用設備更嚴苛,也因此,工業通訊產品並不是任何一個廠商都能跨足進入的市場。劉家任攝
因工業環境特殊所產生的需求,讓工業乙太網路設備的要求比商用設備更嚴苛,也因此,工業通訊產品並不是任何一個廠商都能跨足進入的市場。劉家任攝

前言:
工業通訊在目前的業界應用,已經是自動化的重要環節,此技術主要用以連接製造現場中各項設備,但是,由於自動化系統設計,向來均以各家廠商自行發展為主,而所使用的匯流規格亦自成一套系統,相容性方面的系統問題不容易克服,在系統整合聲浪高漲氣氛下,具開放、高速、便宜特性的工業乙太網路,遂成為工業通訊的明日之星。

本文:
當網際改變人類生活,其影響也包括企業營運型態與思考模式,產業、企業體都面臨前不得不改變的變革。隨著設備日趨複雜,單機作業維護與相關人力成本提升,越來越多企業將廠區或廠務系統網路化,應用網路達到集中控管與監視的目的。

工業控制領域中,網路中斷很可能造成無法彌補的損失,因此,工業乙太網路設備最重要的就是斷線自動回復功能,當遇到故障斷線時,系統必須在幾個微秒(uS)的時間內排除故障恢復連線。劉家任攝

工業控制領域中,網路中斷很可能造成無法彌補的損失,因此,工業乙太網路設備最重要的就是斷線自動回復功能,當遇到故障斷線時,系統必須在幾個微秒(uS)的時間內排除故障恢復連線。劉家任攝

乙太網路不僅具備高速傳輸、價格便宜的特性,同時還能享有建構在TCP?UDP?IP下的各種應用,例如Web service、FTP、E-mail等,這些優勢正好填補了傳統現場匯流排技術的不足。劉家任攝

乙太網路不僅具備高速傳輸、價格便宜的特性,同時還能享有建構在TCP?UDP?IP下的各種應用,例如Web service、FTP、E-mail等,這些優勢正好填補了傳統現場匯流排技術的不足。劉家任攝

舉凡設備間傳輸資料,蒐集現場作業資料、資料備份、即時警示訊息…等等,都可以透過網路進行。

工業網路標準百家爭鳴 系統整合大不易

與商業網路不同,工業網路使用的是現場匯流排(Fieldbus)技術。

現場匯流排是90年代的工業控制技術,現場匯流排將網路管理與通訊觀念導入控制應用領域,簡單地說,Fieldbus是具備多節點式、數位化、雙向串列特性匯流排技術,負責連接各類自動化設備或自動化系統。例如:可編程邏輯控制器(PLC)、感測器、執行器、電動控制器或其他I/O設備。

現場匯流排用來連接各類生產設備,對傳輸效率、穩定性要求相對較高。工控設備廠商針對此需求,也各自發展專用於自家產品的網路通訊標準,這也造成工業網路通訊標準多元化發展的現況。在比較常見的工控通訊標準中,常見的有工業乙太網路、DeviceNet、Interbus、Profibus、Modbus、Hart、As-介面、CAN、Foundation Fieldbus、LonWorks通訊協定。

而觀察這些由各個公司自行發展的匯流排通訊標準,其實會發現,這些規格通常是針對特定應用領域設計,不僅在傳輸效率表現不俗,應用於目標產業的特性表現也相當不錯,但若是遇到需進行不同通訊標準的相互串連設計,上就會顯得困難重重,在推廣與維護作業都顯得十分不容易。

在專用、封閉型工業網路在邁向開放的過程中,其實還有兩個方向可以發展,第一是成立組織,將網路標準規範開放給組織中的參與成員或業者,例如,設備製造商必須為該組織成員,而產品也必須經該組織測試與認證,才能在工業網路系統中被使用;至於第二的發展方向則是透過申請通過國際標準,讓技術應用得到標準背書。

觀察目前工業網路的國際標準,主要為IEC61158,現今共認可了Foundation Fieldbus HSE(Foundation Fieldbus HSE是高速乙太網路或100Mbit/s乙太網路)、WorldFIP、SwiftNet、Interbus、ControlNet、Profibus、P-NET、Foundation Fieldbus H1等八種現場匯流排標準。

而工廠整合需求日益增加,這類專用用途、封閉設計工業網路,發展的途徑則有多種不同方向。例如,通訊標準會持續維持封閉系統架構,維持穩固市場佔有率;其次,是搭配專用設計的閘道器(Gateway)與開放型網路相連;而最常見的發展趨勢,是直接將通訊標準改向開放方向發展,促使其成為業界通用標準。

工廠整合需求日益高漲 工業乙太網路成明日之星

工廠自動化架構不只要整合現場層與控制層,另還需向上擴增至操作與管理層。像是企業資源規劃系統(ERP)、生產製造執行系統(MES)等架構,都要能彼此互相連接溝通生產設備與管理資訊,至於乙太網路在商業環境不斷普及,也讓工廠自動化的向上整合趨勢顯得更加容易。

乙太網路從商用領域開始,但針對特殊環境與惡劣條件的工業應用狀況,現場條件是架構於相對不穩定的基礎,在開發應用時必然還需面對環境適應性進行最佳化設計。就目前來看,多數廠商強調的差異在於穩定、即時性及斷線回復時間(Recovery Time),其中又以斷線回復時間尤為重要。

在工業控制領域中,網路中斷很可能造成損失,工業乙太網路設備最重要的就是斷線自動回復,而當生產場所遭遇故障斷線,工控網路系統必須在幾微秒(uS)時間內排除故障,並同時恢復原有或備援連線,就算現有故障無法完全排除,完整的系統規劃也要以能自動切換至備援網路運作的目標進行開發。

另外,工業用網路設備在設計上會更重視環境的適應度,包括寬溫、抗震、抗電磁波干擾、防潮、防塵、抗壓等,這些因工業環境特殊所產生的需求,讓工業乙太網路設備的要求比商用設備更嚴苛。

工業通訊產品並不是任何一個廠商都能跨足進入的市場,而乙太網路(Ethernet)近年被大舉導入工業領域,是基於過去工業通訊應用中,各家設備商多選擇發展自己的網路標準,在系統、介面規格搭配總是為了相容性而傷腦筋,此時發展成熟的乙太網路,就成為解決各式系統轉接、整合的最佳選擇方案。

隨著工業乙太網路的普及應用,工廠內每具生產設備各自為政,宛如孤島般相互無法連結的時代已逐漸過去,享有建構在TCP/UDP/IP下的各種應用,例如Web service、FTP、E-mail等,這些優勢正好填補傳統現場匯流排技術不足。乙太網路不僅具備高速傳輸、價格便宜特性,同時還能與未來工業乙太網路結合。

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