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工業乙太網路的崛起與趨勢
最佳化整合OT與IT的工業通訊標準

【作者: 黃弘毅】   2020年03月03日 星期二

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在數位匯流的大趨勢下,工業用的通訊也會走向同一匯流標準,應該是無庸置疑的結果,所以用乙太網路TCP/IP作為實體層與連結層的共同協定,就自然而然地順勢而起了。


在數位匯流的大趨勢下,工業用的通訊也會走向同一匯流標準,應該是無庸置疑的結果,所以用乙太網路TCP/IP作為實體層與連結層的共同協定,就自然而然地順勢而起了。然而一般商用環境下的乙太網路,對於工業通訊而言既太複雜,也不夠穩定,工業通訊需要更穩定可靠的連接器、電纜,以及更高的確定性,尤其後者最為重要,因此工業乙太網路也必須有一套自己的模式,以及設備標準。


然而傳統工業設備機台種類繁多,而且也已運作多年,因此新的協定必須與原有設備相容連接,也是目前的工作要務。但是,不論是傳統或乙太工業通訊標準,並沒有統一制定標準的組織,原有開發工業設備的各大公司便成為這一階段的主導者,他們直接從為PLC發展的通訊協定衍生出新的工業乙太網路標準,主要有EtherCAT、PROFINET、Ethernet/IP、Modbus TCP與Ethernet Powerlink等五種。


工業通訊結合乙太網路的優勢

在本文裡並沒有要為五大工業乙太網路做評論或背書,其實他們只要都是遵循IEEE 802.3的標準,將來要互相連接運作應該也沒有什麼困難,頂多在應用層上開放應用程式介面(API)即可。


所以,工業乙太網路最主要優勢就是能輕易整合操作科技(OT)與資訊科技(IT)的應用,PLC上的OT通訊很單純,通常只要傳送簡單的指令或參數,傳統設備機台用一般序列埠RS232或RS485來連結傳送即可。但是,應用乙太網路就不一樣了,它能連結更多IT的設備與資訊,未來可發展的功能與效率都會大大地增加。


在此就從效率與功能兩方面來具體說明其優勢,至於工業乙太網路的標準問題,也會從中得到了解答:


成本與環境帶來更高的效率

因為商用的乙太網路從1970年代出現以來,不斷地創新發展,各種設備既現成又齊全,更重要的是都在同一標準下運作且相容。所以工業乙太網路可以使用標準的路由器、網路交換器、集線器、線材、無線接取器及光纖等設備,不僅經濟實惠,在維護與器材供應上也都更簡便有效率。


至於工業環境要求的穩定度與可靠性,其實是不用太擔心的事,因為乙太網路的技術已相當成熟,只要用高檔的設備器材就能達到此一目的,那些標榜合乎工業環境的網路交換器等等設備,應該也是用更高級的材料與更嚴謹的工程所製造的產品而已。


另外在乙太網路的整體通訊環境中,由於有線、無線,短距、遠程的通訊設備裝置五花八門,只要做好一個優質的App,幾乎隨時隨地都能跨平台的來操控機台,提高生產效率。


CT促進OT與IT的最佳化運作

應用工業乙太網路重點還是在提升工廠運作的新境界,在工廠自動化精益求精的原則下,整合OT、IT與CT(通訊科技),發展更多功能,才能達到智慧化與最佳化的效果。簡單來說,工業CT就是OT與IT之間的媒介,也是工廠智能化與機動化必要的條件。(圖1)



圖1 : 工業乙太網路是當前結合IT與OT的最佳通訊科技。(CTIMES製圖)
圖1 : 工業乙太網路是當前結合IT與OT的最佳通訊科技。(CTIMES製圖)

工業乙太網路比傳統RS232或RS485來說速率要快很多,不過處理TCP/IP封包會比處理串列資料要複雜,或許對舊有處理簡單指令的機台不需要,也不必更換。但未來智能化的機台就不一樣了,加上嵌入式系統的OT可以做更多功能的應用,配上乙太網路來與外部連結交換資訊也很方便,而最重要的是乙太網路持續在隨著資訊科技進步發展,所以才能與IT做更好的結合。


另外,使用乙太網路就能做遠距與雲端連線,可以讓數據交換更無遠弗屆,辦公室與工廠資源得以整合,也方便ERP、CRM等系統做更精密的決策依據。所以,要有與時俱進與裝置齊全的通訊科技,才能使OT與IT得到最佳化的結合與運作,而使用乙太網路的CT則是目前最佳的選擇。


在工業物聯網方面的應用

工業乙太網路在工業物聯網(IIoT)上面的應用當然也是不可或缺的角色。從名詞的定義上就知道,IIoT(Industry Internet of Things)的第二個I就是Internet,工業物聯網的核心與基礎仍是網際網路,必須以TCP/IP的協定來串連所有的東西。


不過短距離的感知傳輸,才是機台裝置接觸各類物體的通訊需要,例如Zigbee或現場匯流排等方式,有些感知則是直接解譯後當場處理,乙太網路在這裡派不上用場。所以,乙太網路是負責將這些機台裝置串聯起來的作用,每個機台裝置則是這個節點的子網路伺服器。


機台之間的連結也就是所謂的M2M平台,由於是機器之間的自主管理,在用乙太網路串連起來之後,還需要遵循其他層面的協定標準,特別是應用層上的登錄與安全技術,這樣才能建構出一個完整的IIoT平台。


因為從理論上而言,每個「物」都會有它獨一無二的IP位址,而這些物平時並不會串連在一起,而且會散落各地,但一旦透過乙太網路連接之後,對於該物的履歷也就會一目了然,並且可以做進一步的應用或追蹤處理。


工業安全與時間敏感網路的問題

工安問題一直是工廠自動化首要考慮的項目,本來自動化可以減少人為的疏失或環境對人員的傷害,但在網路數位化之後,相關的傷害卻可能來自外部的侵入或數據的錯亂,一個環節出錯,所有連結的機器可能像骨牌效應一樣應聲而倒。所以,筆者認為起碼有三個環節要特別注意,一是網路安全,二是時效掌握(TSN),三是容錯設計,以下將分別說明。


開放性網路的安全保護

當工廠自動化應用乙太網路串連之後,雖然方便的與其他IT系統整合,也可以做遠距與無線的遙控,但因為TCP/IP的資料封包屬於開放分散式的傳送協定,在網路安全上就必須特別注意,要防備任何刻意或不刻意的系統侵入。


在網際網路上的駭客行為都是24小時自動化地在執行著,工廠機器一旦被駭客操控或癱瘓,可以想見引發的危機或損失會是多麼的嚴重,因此工業乙太網路也必須這方面提供更多的保障。當然,業者在應用層上可以設計一些安全措施,例如資料加密或防火牆,但最好是在乙太網路的各類裝置上就提供這些保障,並且由工廠可以做自主設定,許多工業乙太網路的供應商也意識到這一點,所以都會 另外提供諸如工業安全路由器或安全遠端存取平台等設備。(圖2)



圖2 : 供應商標榜的各類工業級乙太網路設備
圖2 : 供應商標榜的各類工業級乙太網路設備

然而網路安全是一個複雜的問題,對於資料數據的保密、完整、可用等都必須做好積極的保護。有業者表示,應儘早實施適當的安全功能,最好是在系統訊號鏈開始的時候,也就是從實際的物理世界轉向數位世界的時候,這個節點通常由感測器或控制器構成,在此點上可直接要求硬體身分識別及資料完整性,如此才能實現最高級別的資料安全。


時間敏感網路的建構

時間敏感網路或者也稱作時效性網路,涉及多個子標準,是IEEE 802.1工作小組中的Time-Sensitive Networking(TSN)工作小組發展的系列標準,其定義為在乙太網路上以最低延遲或高可用性進行資料傳輸的機制。所謂時間敏感就是為了能做到即時反應,除了是機器之間的有效運作外,也牽涉到品質與安全的問題。


前面曾經說過,乙太網路要處理TCP/IP封包要比處理序列資料要複雜很多,資料越多時間延遲就可能越多,另外TCP要做及時控制也有許多不便,因此建構TSN是工業乙太網路非常迫切需要的措施。然而TSN網路基礎為無數的感測器、裝置及系統,當智能化運作越來越重要時,必須依靠人工智慧的演算處理,未來讓各類機台當下就能自行決策。


各類環節的容錯設計

這個問題是筆者參考IT軟硬體整合時所應考慮事項而特別強調的一點,也就是在資訊科技裡不管多麼精良的系統,仍然會有不可預知的衝突或bug。造成系統錯誤的節點當然要立刻收集資料反應回管理端,而既然錯誤難免,也要馬上透過容錯設計,讓現場操作人員因應。


出現系統bug,也許是小問題可忽略,也許是停機檢查,也可能是立刻啟用備援系統來因應。總之,有了容錯設計會讓整個工廠自動化作業更讓人安心,也不至於耽誤生產的流程與效率。


結語

工業通訊選擇乙太網路從成本考量、方便性、自動化功能發展,乃至於串聯工業物聯網的需求而言,都是必然的趨勢應用;而隨著資訊科技與時俱進的乙太網路標準,現今作為IT、OT之間智能化與最佳化的運作媒介,也是順理成章的一件事。同時,各個領域如果都能早一點布局工業乙太網路,也是實現工業4.0讓多方都能參與生產與運銷的重要途徑。


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