工業自動化網路技術的發展趨勢
- DIGITIMES企劃
-
自工業革命以來，人類開始以機械動力來取代大量的人力與獸力，隨著科技的發展與進步，各種電機、電子與光學儀器紛紛出現，改善製造業的生產效率與產品品質。
然而這些儀器或機器的操作方式越來越複雜，尤其電子精密產品大多無法以單純人力來完成，為減少人力、增加效率，自動化已漸漸成為趨勢，於是結合機器控制、物品輸送、自動檢測、狀況回饋、良率判定等以程式或程序指令來操控的工業自動化系統，逐漸成為工廠設備的主流。
而為了達到中央控制與管理的目的，自動化機器也開始走向網路化、規格標準化，以便相容於各種工業應用領域中，接下來就來看看工業網路的發展趨勢...
從類比到數位控制 從專屬到網路架構
工業自動化儀器種類繁多，操作方式各有不同，通訊介面也大不相同。以工業自動化與通訊網路(以下簡稱工業網路)的發展史，可追溯到20世紀初期的年代，當時製程控制與生產系統，都是採用機械科技搭配類比(Analog)裝置，隨後氣動控制技術、液壓動力技術被發展出來，當時已經可以透過中控系統來遙控。這些技術至今仍很普遍。
到了1960年代，工業自動化便從類比時代進入數位(Digital)時代。由於數位化電腦的出現，廠商使用這種電腦來當成各種工具機的數位控制器，並配置DDC (Direct Digital Control直接數位控制)的專屬面板，成為工業自動化儀器的主要操控模式。
不過由於當時迷你電腦太過於昂貴，因此比較便宜的PLC(Programmable Logic Controller；可程式邏輯控制器)被開發出來，用以取代傳統功能相對較少的中繼控制器(relay-based controller)。
另外，NC(Numerical Control；數控工具機)以及後來搭配電腦的CNC (Computer NC；電腦數控工具機)的出現，更被廣泛地應用在各行各業，機器人更在此時被開發出來。
隨著各種技術的演進以及數位電腦的普及，工業通訊網路也開始轉而朝向數位傳輸(digital transmission)的方向發展。1970年代，美國Honeywell公司發表了DCCS (分散式電腦控制系統)的產品，於是這種使用多顆微控制器(microcontroller)搭配分級控制(hierarchical control)的觀念與技術，被廣泛使用在各種工業自動化系統中，成為新興工廠自動化控制的主流。
到了1980年代，區域網路(Local Area Network；LAN)技術的出現，不僅讓電腦之間可以互相連接、傳遞資料，同時也可以連接各種自動化設備以便控制。而LAN的標準中，又以DEC、Intel和Xerox共同開發出來的Ethernet(乙太網)為主流。當時最早的工業網路，主要是應用在各種生產過程的資料蒐集，到了1990年代，自動化控制網路逐漸蔓延開來。
近20年來，在資訊科技、通訊技術與工業技術的進步之下，工業自動化已經躍升到嶄新的階段，以工業網路來說，各種光纖、無線網路技術的應用也陸續導入工廠環境。
如今，透過各種整合的解決方案，已經可以架構出一套完整的工業自動化系統，透過有線的直接連線或無線的遙控方式，達到各種工業智慧化控制、獨立完成設定程序、控制、運動等功能，並可連接到後端的ERP(企業資源規劃)軟體，以提供產(生產)、銷(銷售)、人(人資)、發(研發)、財(財務)等各部門的需求。
不同層級的工業網路標準
工業自動化根據不同產業特性與需求，其所衍生出來的自動控制系統也有所不同，例如以輸入量的變化規律，就可區分為：恆定值控制、隨機控制、程序控制等系統；若按照系統傳遞的訊號對應時間的關係，就可分成：連續控制、離散控制等系統；若照系統輸出與輸入量的關係，就可分出：線性、非線性控制系統。而不同系統有不同的通訊標準。
以目前的工業自動化網路技術來說，我們可以分成5個層級，從低至高分別是：場域(Field)層、控制(Control)層、監控(Supervisory)層、計畫(Planning)層、管理(Management)層。
在第一層的場域層中，以Sensors(感應器)、Actuators(致動器)部分，就有CAN(控制器區域網路)、DeviceNet、Honeywell SDS、ASI、Bitbus、Interbus、P-Net、Seriplex、Sercos Interface等Sensorbus的工業匯流排標準。
再往上的控制層，就可分成PC(以PC為主的控制系統)、PLC控制器、DCS(分散式控制系統)等控制系統，再加上CNC機台，就有Profibus、LonWorks、World FIP、EtherCAT等Fieldbus(領域匯流排)的工業通訊標準。
到了第三層，這些以PC為主的工業電腦，來做監視、控制、處理、蒐集，因此所使用的工業網路通訊協定標準，則涵蓋了Ethernet、MAP、TCP/IP、EtherNet/IP、Modbus/TCP等LAN (區域網路)的通訊標準。而更上層則包含了計畫與管理層使用一般或商業PC，則使用有線Ethernet標準，並建構WAN(廣域網路)的環境。
工業網路標準的演進 工業乙太網將成主流
傳統的工廠環境中，每個生產設備大多是採用獨立的系統與工業標準，因此每個機台都只能獨立作業，其顯示的數值、產生報表等各種資訊，是無法與其他機台共享的，這是因為早期的機台並未有標準的通訊協定，使得各廠商各自開發自己的通訊協定或標準，讓工廠機台的資訊整合不易。
雖然有些機台提供傳統、速度慢的傳輸介面(例如RS232、RS422、RS485、LIN Bus、CAN Bus等通訊標準)，讓人可以連線進入該機台做資料存取或控制的動作，但這類機台仍採用專屬封閉系統，使得機台的擴充上有限制。
隨著資通訊科技的進步、網際網路流行，帶領著Ethernet(乙太網路)與Wi-Fi無線通訊技術的發展成熟，加上近年來雲端應用、物聯網等新興議題，促使各產業的上下游資訊走向透通化，產業鏈的資訊整合成為企業的發展趨勢，促使工業領域吹起採用開放的Ethernet網路標準，以利於資訊整合，以提供給供應商或客戶，創造更多價值。
工業乙太網路(Industrial Ethernet)採用乙太網路(Ethernet)的TCP/IP通訊協定，相容於IEEE 802.3標準，並會搭配不同的應用層來加入各自特有的協定(例如Modbus-TCP、PROFINET、EtherNet/IP、EtherCAT、SERCOS III、SafetyNET p、VARAN、Ethernet Powerlink等)，讓硬體設備廠商捨棄傳統Serial Port而改用Ethernet Port，使用者就能利用一般CAT-5e網路線，來與工控電腦做連線，不需額外的硬體配備。
此外，使用乙太網路的機台，不僅速度比傳統通訊埠還快，且既有的網路中繼器(Hub)、交換器(Switching Hub)、路由器(Router)、甚至無線基地台(Wi-Fi AP)等網通裝置都可以直接沿用，省下特製工廠集線設備的購置成本，因此工業乙太網路勢必將成為整合工廠內所有設備的開放標準。
物聯網、雲端應用 催生工業網路邁向無線發展
德國喊出工業4.0，催生工廠導入Cyber-Physical智動化量產系統，並結合物聯網+巨量資料+雲端服務等技術，來提升企業整體競爭力，此舉也將推動工廠自動化機台朝向無線通訊(Wireless Communication)來發展。雖然無線通訊仍面臨可靠度、即時性、資訊安全、穩定性等挑戰，但卻是跨越工業3.5建構彈性的通訊管道必經之路。
也由於工廠的各式資訊將從封閉走向更開放的空間，管理者以往必須在工廠的機台內才能做設備管控，未來可能發展到能夠利用手機或平板App，透過無線網路或4G行動網路，連接至雲端入口網站或公司內部的MES系統，以便對工廠的設備進行遠端操作，達到運籌帷幄的工廠自動化設備管控與監督。
因此，未來的工業網路標準發展，除了提升傳輸效能、可靠度、穩定性之外，也必須提供加密能力，以保障工廠的各項營運機密不至於外流，或遭駭客攻擊。
