邁向智慧工廠 工業乙太網路架構
- DIGITIMES企劃
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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。
