工業網通需滿足穩定與即時性需求

自動化現場要能確實運作，工業通訊扮演控制、溝通與信息傳遞的重要角色。SIEMENS

隨著網路普及化發展，傳統應用在現場的生產設備，漸漸產生串連網路的需求，連帶促成工業通訊市場的高成長，也由於現代工廠的設備整合需求日益龐大，「通訊」成為系統自動化及智慧化的重要項目。

傳統工業網路多為封閉架構，在1990年代，透過控制技術功能性提升，以及滿足分散式控制的需求，工業通訊因而快速發展，各種通訊技術如雨後春筍般冒出，像是Profibus、DeviceNet、CANopen、FieldbusFundation或HSE等介面，技術相互競逐的態勢也愈發明顯。

但這些介面彼此間無法相容也提升了整合難度，因此原本用於商業環境中的乙太網路，在解決設備對設備間通訊問題後，挾開放、相容優勢進軍工用市場，同時帶動了相關連網設備的需求興起，包括主動式I/O伺服器、嵌入式工業通訊電腦、交換器、串列設備連網伺服器等，都是工業用乙太網路通訊裡的熱門產品。

對整合的需求日殷，讓乙太網路成為工業領域的重要通訊技術，除了共通性的要求之外，連線企業後台資訊系統如製造執行系統(MES)、企業資源規劃(ERP)、產品生命週期管理(PLM)及客戶關係管理(CRM)等的整合性需求，透過系統的整合規劃，靈活調整資源，迅速進行生產作業，達到生產IT化，降低人工作業，催生工業「智慧化」的崛起。

在現在工業乙太網路的應用上，硬體或軟體的整合是最基本的條件。在生產現場可以看到愈來愈多的工業乙太網路接口的HMI、PLC或其他的I/O設備；隨著視頻技術、M2M技術的的逐步深入，系統用戶對工業乙太網路技術也愈來愈注意，甚至各類專業的應用領域如軌道、ITS及電力等其他垂直應用中，也看得到工業乙太網路的出現。而最近IoT的重要性提升，也讓無線通訊與工業級通訊架構整合，形成一個更完整的網絡。

這也造成工業智慧化的新一波熱潮。德國2012年在漢諾威自動化展以第四次工業革命為題，啟動「工業4.0(Industry 4.0)」計畫，提倡物與服務串連(Internet of Things and Services)，旨在M2M的運作架構下，建構生產自動化與IT化，並透過這些技術讓生產模式由批次量產轉向接單後生產，落實智慧生產(Smart Production)、綠色生產(Green Production)、都市生產(Urban Production)。這的確對自動化系統產生相當重大的影響。

規格標準百家爭鳴

當然，這樣的趨勢也不是近期才有的。隨著產業裝備及流程工業之諸多需求的變化，由於設備層控制需要即時控制，乙太網路會有封包碰撞的問題，即時性不如傳統匯流排技術，但匯流排技術在快速生產上已逐漸不符需求，在2001年貝加萊推出的POWERLINK之後，目前工業乙太網路藉由特殊即時技術，整合運動控制等相關控制應用。

接著如SIEMENS的PROFINET技術，Rockwell則在原有的DeviceNet和ControlNet技術上發展了Ethernet/IP技術，而Bosch Rexroth則繼續沿用SERCOS應用層和標準乙太網路的SERCOSIII，除此之外尚有EtherCAT、SyqNet及CC-Link IE等不同工業乙太網路技術百家齊鳴。

就通訊的發展觀察，工業級正式乙太網路導入工業環境，至今的快速發展的確相當驚人，但高頻寬的應用主要仍在影像傳輸部分，工業乙太網路導入系統的最大好處，還是在系統「穩定」上，有相當大的助力。

在工業通訊面向上，即時通訊的確佔據主導地位，但以短期內來看，以乙太網路為架構的即時通訊，仍然不會存在某項技術能夠一統天下的局面。畢竟傳統的匯流排技術仍佔據主流，因此這項技術在目前狀況下，未來幾年繼續存在的可能性仍相當高，整合乙太網路與現場匯流排的技術仍是主要的模式。

目前乙太網路在工業領域多建置在管理層，底層如感測器、儀表，還是使用匯流排技術，不過也有廠商將乙太網路延伸到控制層，例如加大頻寬，降低封包的碰撞機率，或者提供不同的即時技術來滿足即時通訊的需求，像POWERLINK、PROFINET、Ethernet/IP均採用了獨立幀技術，即每個主站和從站均發送標準的乙太網數據包來進行即時溝通，而SERCOSIII和EtherCAT則採用了稱之為集束幀的傳輸機制。

這兩者並無孰優孰劣的問題，選擇即時乙太網路技術必須通盤考慮，不僅考量技術的性能與功能設計，也要基於自身市場的定位來選擇合適的技術，這必須考慮市場的未來動態發展，以及實現的難易、成本、技術的持續創新、以及可以提供的技術支撐。

下一波重點？

但從乙太網路進展到工業乙太網路，最必須解決的困境就是「即時性」的問題。前面說過，市場針對即時性的通訊系統發展，也建構了一些可以符合即時性需求的通訊協定，但即時性的問題解決了，延伸出的卻是共通性的問題。

由於前述高規格的工業乙太網路協定，必須使用專屬的晶片組與硬體，對於自動化系統的創新與發展將造成阻礙，如果在規劃時就將系統限定在一定範圍，工業乙太網路的即時性與穩定性即可兼顧。

由於現階段的應用環境，有線環境並非隨時一定都存在，透過無線系統交換資訊，也是必然的選項，這也是無線通訊進入應用系統的機會。在幾種狀況下，系統整合業者會建議廠商採用無線通信技術，第一是佈線不易，有些地方並非不可佈線，而是無法佈線；第二種是環境問題，由於線路本身就是有形的物體，在容易損壞的場所中，線路的維護往往會是一大問題；第三則是距離，在完全開放的空間內，其實無線的距離會比有線來得長，一般的有線線路傳輸距離大約是70公尺，但在直線距離，無線傳輸可以到400公尺，若加上天線可以達到2公里以上。

至於工廠，設備多為固定設備，加上直接與生產過程相關，因此穩定是工業通訊的第一考量，目前工廠機台設備的線路型態以有線為主，相較於無線技術的方便、低成本優勢，有線架構在現場佈線雖然成本高、作業麻煩，不過訊號傳輸穩定度卻遠優於無線技術，因此在固定設備上，多半採有線方式架構。

此外，在各垂直應用上，不同環境有不同的標準及法規必須克服，像是電廠等環境，包括抵抗EMI、EMS、ESD及RFI等干擾問題，及環境上的溫溼度與其他的嚴苛考驗，均需要設備廠商多加著墨。像這類不同應用環境的專業機種，可以針對不同應用的客製化，其中最重要的問題就是在不同應用層面上的技術改善，如何達到這個領域的最高要求，才能讓設備商產生更大的競爭力。