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工业乙太网路 让自动化系统不再叠床架屋
 

【作者: 王明德】2014年03月06日 星期四

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工业通讯是自动化系统的一环,主要用来作为作业现场中设备之间的链接,不过自动化系统一直以来都为国际型大厂各自发展,系统规格各自不同无法相容,因此扮演工业通讯要角的现场总线(Fieldbus)也出现各种规格,例如Siemens的PROFITBUS、MITSBISHI的CC-LINK都是其一,长期以来这些Fieldbus称职的扮演了现场的讯息传递角色,也让制造设备的联系更为紧密。


自动化系统一路演进,为追求更高效率与附加价值,系统整合已然成为市场重要趋势,就架构来看,过去的自动化制造系统只分为Field level、Control level两层,而Fieldbus就做为这两层之间的讯息传递桥梁,然而若就效率面来看,只有Field level与Control level的自动化架构,其效率已达饱和,要提升附加价值,必须再扩大系统层次,在此概念下,长期以来在消费端的PC技术被延用到工业领域,整体架构也多了Operation level、Management level,其中Operation level负责整合Control端设备,Management level则是企业e化软体如MES或ERP,由于Operation level、Management level采用PC架构,不再用Fieldbus来链接,而采用Ethernet,这也是这几年工业Ethernet成长迅速的主因。


不过自动化系统架构的扩展,也让通讯标准成为问题,Field level、Control level使用Fieldbus,而Operation level、Management level使用Ethernet,要使这四层成为一体,彼此之间的通讯必须能互连,在此状况下,就出现了专门生产各种Fieldbus与Ethernet的Converter厂商,Fieldbus纷乱也规格造就了台湾工业通讯厂商的竞争优势。


要解决四层架构中的通讯问题,除了台湾厂商提出的各种产品外,制定各种Fieldbus的厂商也纷纷提出解决方案,不过与台湾厂商不同的是,这些原厂的方案是不再使用Fieldbus,而将Ethernet直接贯穿到Field level、Control level,称之为工业乙太网路,例如Modbus TCP、EtherCAT、Ethernet powerlink等,而Siemens则在近期大力推广PROFITNET。


Ethernet过去在工业控制的应用瓶颈主要来自于即时性不足,由于Ethernet的讯息为随机碰撞,无法预期下次的碰撞时间,因此在传递时间上会有所延迟,为了改善此一问题,Siemens重新制定封包型态,并于频宽中切割出一条控制封包专用频带,让此封包不再采碰撞式传递,而达到自动控制系统的即时要求。


图一
图一

PROFITNET解决了自动化通讯​​系统不同层次之间的隔阂问题,除了减少以往需另购的Converter成本外,也透过单一通讯标准,让系统整合更为紧密,这种工业专用的Ethernet架构,将是未来自动化系统的既定趋势。


除了利用Ethernet原本的技术优势外位系统加分外,近年来Ethernet另外发展出来的相关技术,若应用到工业控制领域,也会产生不同的附加价值,最近的案例就是PoE(Power over Ethernet)。


根据维基百科的解释,PoE是一个可以在Ethernet中透过双绞线来传输电力到装置上的技术,透过这项技术,可以供电给网络电话、无线基地台、网络摄影机、集线器、电脑……等等不方便另外架设电源线的装置,这项技术常常被跟同样也是在同一条电缆上接收电源与资料的传统电话网络(POTS)来对照,POE不需要更改乙太网络的缆线架构即可运作。


以往PoE都被应用消费领域,如前述的网络电话、无线基地台、网络摄影机等,不过最近也有厂商将PoE应用到自动化领域, PoE在工业领域的应用虽仍不多,不过如果找到适合领域仍大有可为,只要能重新定义市场,就可发现蓝海市场。


PoE在自动化环境里的蓝海市场,主要是监控摄影机与制造现场的无线AP,监控摄影机过去都是Cable式的传统CCTV架构,供电不成问题,但现在IP式架构快速崛起,电源问题马上浮现,透过PoE正可解决此一问题,另外则是近年开始问世的工厂无线传输系统,利用PoE来提供多组无线AP也将解决工场环境的布线问题。


不过工业架构和一般消费产品的使用环境不同,在设计上也必须有所区隔,生产系统首重稳定,一切的设计考量必须以此为优先,因此惠通除了强调防水、防震、防尘等强固性外,在供电稳定度上也有特别设计,对制造设备来说,一但系统当机要重开,将可能带来重大损失,因此可将讯号与电源结合,只要后端系统接收不到讯号,则代表电源被关闭,系统会先主动重新开机,再通知厂管人员,降低生产损失。


PoE与PROFINET都只是Ethernet在工业领域的应用案例之一,随着使用的普及,Ethernet的应用将会越来越广、越来越深,有意导入的厂商可多注意工业Ethernet的发展动态,随时调整架构,以提升系统价值。


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