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运动控制器的未来已经开始了! !
TSN与边缘控制器引领自动控制迈入IIoT时代

【作者: 盧傑瑞】2021年09月08日 星期三

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自动化生产已经跨入了物联网,自然就要将自动化能力提升到一个新的境界,包括随时互相传输资讯、制造数位化、智慧工厂和自动运转等,因此互联性是重要的一个基础,这也带动了对於更高的速度、高灵活性和低成本效益的要求。


为什麽过去20年工业网络上极少存在的互联性技术,突然变得重要?


今天,自动化生产已经跨入了物联网(IoT),自然就要将自动化能力提升到一个新的境界,包括随时互相传输资讯、制造数位化、智慧工厂和自动运转等,因此互联性是重要的一个基础,这也带动了对於更高的速度、高灵活性和低成本效益的要求。


在过去的几十年里,工业网络的连接,特别是在因应制造业不断变化的要求,有了相当大的发展(图1)。



图1 : 在过去20年间,工业网络互联的演变。(source: Cybersecurity Partner、智动化整理)
图1 : 在过去20年间,工业网络互联的演变。(source: Cybersecurity Partner、智动化整理)

网路已是先进工业自动化一部分

这些年来工业通讯技术的提升,已经在三个层次获得相当多的成果,分别是路由层次、控制层次和感测器层次。而这些层次提升别都需要克服不同数量和类型的要求,包括讯息传输、碰撞检测和确定性(提前确定任意两个节点之间的路线)等。因此发展到现在的工业以太网,大约有20个以IEEE 802.3 标准为基础的协定被发表出来。


工业用乙太网路(EtherCAT)技术,大约是在40年前第一次出现在自动控制领用。直到今天,基於乙太网路的现场汇流排系统(Fieldbus System)已经在IEC 61158中标准化,并成为先进工业自动化中广泛应用的一个部分。


这是因为80年代中期,一些自动化业者在观察了乙太网路的兴起後,就开始研究透过其优势性,考量是否有可能应用在工厂生产线与自动控制设备。然而,一些对基於PC的控制系统有经验的人都知道,逐渐成为电脑网路通讯主流技术的乙太网,并没有强化其物理硬体架构来满足工业应用的需要。再来更大的问题是,即使是导入了先进自动化设运的硬体,这对当时工业乙太网所需要的高速计算效能需求而言,还是是太缓慢了。


即便是如此,需多工程师仍旧认为,如果能克服其局限性,对於自动控制设备来说,乙太网技术将是一个比当时所使用的现场汇流排(Fieldbus)技术更便宜、更实用的结构。


因此在2003年首次发表EtherCAT後,就迅速成为工厂自动化的首选网路和控制架构,因为它是所有基於乙太网的通讯技术中,拥有最快的周期时间。但是为了充分发挥EtherCAT的优势,汇流排必须有高速控制硬体作为基础。因此许多业者大胆地采用积体电路或ASIC,来作为控制单元中EtherCAT运算核心。


在工业自动化架构里,被网路所连接,和分布在不同空间的感测器,所侦测到的讯号,都必须同步、无误的传送到各个相关设备,来预测事件发生的相对时间,并计算出事件中的相关模式。特别是在封闭环境运动控制中,例如在包装、印刷、对称焊接等,设备都需要同步执行预定的即时任务。


TSN将自动控制网路带向全新境界

为了满足上述的要求,新一代的通讯标准时间敏感网路(Time-Sensitive Networking;TSN)就被提出。TSN是一种将乙太网通信频宽划分为时间段,并根据设定的传输讯框(Communication Frame)的优先顺序控制通信频宽的技术。TSN是基於IEEE 802以太网子标准,由IEEE TSN任务组定义,支援确定性的即时通讯能力。在定义的时间内,提供具保证性的数据传输;也就是有着极低延迟、低延迟变化,和极低的数据遗失,此外TSN还可以支援不同 QoS 要求的各种应用。


CC-Link IE TSN

CC-Link IE TSN是首批将纳入TSN功能工业网路的产品之一,其规范已於2018年11月发布。CC-Link IE TSN的主要特点,是以时间共用的方式实现了即时性的能力,可以让数个不同的网路通续,同时在同一架构下进行通讯。在以前,这是必须分别在不同网路上传输I/O控制、运动控制以及TCP/IP通信,而今天可以透过CC-Link IE TSN的技术整合在同一网路中,实现了OT和IT的整合(图2)。



图2 : CC-LINK IE TSN示意图。(source: CC-Link协会、智动化整理)
图2 : CC-LINK IE TSN示意图。(source: CC-Link协会、智动化整理)

在透过同步的能力连接到网路後,可以允许传输讯框进行双向传送,这样一来,通讯周期又比传统标准短得多,实现了高速和高精度的控制。


PROFINET over TSN

除了CC-Link IE之外,在德国西门子等的支持下,PROFINET也发布了一个与TSN相容的规范「PROFINET over TSN」。PROFINET是由PI(PROFIBUS & PROFINET国际组织)所开发和推广的工业乙太网,目前在全球市场上也有相当高的市场占有率。


PROFINET还有一个优点是,它是一个通用系统,不仅实体层和资料连结层与标准乙太网相容,在网路层也与标准乙太网相容,只需在资料连结层增加TSN即可支援(图3)。因此PROFINET支持TSN的理由是,除了不同的工业乙太网间能相容传输之外,IEC标准更可以实现运动控制所需的确定性(deterministic),这在OT中很重要。



图3 : PROFINET over TSN 示意图。(source:日本PROFIBUS协会、智动化整理)
图3 : PROFINET over TSN 示意图。(source:日本PROFIBUS协会、智动化整理)

OPC UA over TSN

此外TSN还与B&R工业自动化合作,透过了技术整合,可以在同一TSN框架网路内导入了标准化的OPC UA over TSN,可在所有通信层上更灵活地管理工业网路,包括控制器到控制器,和控制器到现场设备,使工业网路的管理更加灵活(图4)。



图4 : 整合网路上,控制器到控制器的传输,和控制器到设备的传输。(source: MOXA Japan、智动化整理)
图4 : 整合网路上,控制器到控制器的传输,和控制器到设备的传输。(source: MOXA Japan、智动化整理)

OPC UA提供了标准化的资料结构方式,可以为任何种类的环境增加语意(semantic),并以安全的方式提供。如果没有OPC UA在TSN上提供的互通性,多业者将必须采用死码(Hard-Coded)的方式进行传输,这也就意味着将会增加高昂的开发成本,并抵消任何灵活性方面的优势。最重要的是,OPC UA over TSN保证了持续的监视能力而不干扰设备的运作。


OPC UA over TSN透过扩展OPC UA资讯模型的语意自我描述,可以将大量的感测器、执行器和其他自动化设备新增到可用的资讯库中。再透过工业物联网,可以设计出高效和有效的生产过程,同时更容易进行调试和维护。


而由Acontis Technologies GmbH所提供的TSN软体,也将边缘智慧整合到框架中发挥了关键作用。TSN软体可将资料的即时传输,从硬体扩展到应用层,让边缘运算设备实现智慧网路。


TSN透过使用TDMA(分时多工)方法,将时间拆分为重复周期,来实现确定性数据传输。在这些时间段内,会建立一个虚拟通道形成时槽(time slot),这是为了高优先级数据流传输而设计的,避免紧急或传输重要数据时,受到其他网络传输的影响。同时为了实现时间同步的高精度,TSN也使用了符合IEEE1588的精确时间协定(PTP)。


无线通讯即将现身在工业自动控制网路

一般而言,TSN大多是针对有线网络,因为它需要非常低的延迟。因此TSN专注於网络的链路层,这不同於3GPP 5G标准,或802.11 Wi-Fi专注於网络的通信层。


然而,支持超可靠低延迟通信(URLLC)的最新5G和802.11ax Wi-Fi (Wi-Fi 6)标准,就在不久之前被发表出来,这个重大的突破,使得TSN可以开始应用在无线网络上。


这些标准导入了与先前无线标准不同的排程机制(scheduling mechanisms),允许更有效地安排来自多个设备的同步传输。为了消除延迟的问题,可以在无线通信中,提供有限的延迟和高可靠性。


5G NR定义了多种叁数集,以支援不同QoS要求,如增强型行动宽频 (eMBB)、海量机器类型 (mMTC) 通信,和超可靠低延迟通信 (uRLLC)。并且在4G或LTE中,定义了固定的时槽可持续时间。另一方面,5G NR也定义了不同的时槽长度,可以同时支援不同的叁数集来服务於多种应用。



图5 : 5G NR中无线电资源的灵活使用。(source:Cybersecurity Partner、智动化整理)
图5 : 5G NR中无线电资源的灵活使用。(source:Cybersecurity Partner、智动化整理)

边缘控制器提供更灵活的IIoT环境应用

边缘控制器整合了先进的计算和软体功能,已经逐渐成为自动控制中主流模组。与传统I/O硬体一样,传统工业控制器的范围有限,需要中间系统才能将过程数据连接到组织的其馀部分。而现代边缘可编程工业控制器 (EPIC)则是利用新技术来吸收比前几代更多的自动化功能。凭藉工业强化组件、安全网络选项、多语言编码和多核心处理,边缘控制器可以提供传统的即时I/O 控制,同时还可以处理通信、可视化机能,甚至数据库。


在IIoT的应用下,可以利用这种灵活性,与其他数据产生终端进行通讯,在有意义的模式下,转换彼此的数据,并将其安全地传送到决策者。并可在机器控制层提供本地分析并产生观测能力。透过本地感测器高阶感测能力,和设备高速处理能力来强化设备操作性,让现场人员可以快速发现和评估问题,并采取适当的对策。


此外,从各种现场定位的本地感测器,和其他控制设备(例如 VFD)所收集的数据,可在本地对其进行分析後,即时将结果送出。并允许器设备将分析结果,和相关讯息传输到任何类型的显示器、储存系统,或其他平台。


因此较先进的工业边缘控制器,除了具有独立运行的独立虚拟化操作系统 (OS)外,还可以透过OPC UA安全地与其他模组系统或设备进行通讯,将来自现场的小量数据传输到更高阶的大数据系统,是进行初步数位化转型基础。


由於工业边缘控制器具有独特的装备和定位,因此可以连接所有类型的现场设备,进行数据的收集和处理,并安全地传输到其他系统平台。在架构上,可以利用一个可编程逻辑控制器,提供即时确定性的控制操作系统,再透过另一个操作系统进行分析,和高性能计算,这是为了确保设备效能运转的流畅性。


与大多数设备一样,边缘控制器也有提供以太网和其他介面,来连接其他的硬体或网路,每个边缘控制器都设置了专用通讯介面,可以充分支援各种工业网络、IIoT 和其他高级协定,例如 OPC UA、MQTT、PROFINET 和 SRTP,来确保设备网络与工业物联网 (IIoT) 连接之间的传输效能。


未来将须考虑实完全整合的工程

现代运动系统不再被视为独立平台。今天的电机和驱动技术,必须与整个设备控制环境完全整合,这样可以增强的垂直连接,和IIoT提供高效率的配置。因此,工程师不仅要考虑单一组件的功能,还要考虑实现完全整合的工程,和运行时的自动化软体,并且寻找能够在同一个系统下处理尽可能编写多种程式的软体平台架构,包括 PLC、运动控制、安全、HMI、测量和监控、机器视觉,当然还有物联网。


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