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工業物聯網來勢洶洶 通訊整合已成製造業重要課題
 

【作者: 王明德】   2019年07月04日 星期四

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工業物聯網被視為製造業未來的主要運作架構,透過通訊技術整合製造現場中各類型設備,再將設備訊息傳送至上層雲端平台,分析制定出最佳化生產策略,打造出智慧製造願景。不過,由於製造系統的控制端對即時性需求甚高,現在IT系統慣用的乙太網路技術難以滿足,因此商規乙太網路在製造體系中仍以設備狀態的監控為主,實質控制仍以工業廠商推出的各類工業乙太網路為主,不過現行工廠中要整合工業通訊系統有一定的難度。



圖1 :  工業物聯網是製造業重要趨勢,作為架構中的重要連網技術,工業通訊也必須全面整合,方能使系統發揮既有效益。(source:Siemens)
圖1 : 工業物聯網是製造業重要趨勢,作為架構中的重要連網技術,工業通訊也必須全面整合,方能使系統發揮既有效益。(source:Siemens)

泓格科技研發七處副處長楊琮華指出,就製造系統市場來看,整個產業可分為建廠前、後兩端,前端整廠建置都由業者本身的建廠團隊搭配大型自動化廠商,台灣製造設備商的機會主要以建廠後的擴充需求為主,而建廠後在擴充通訊設備時,往往會遇到幾個痛點,包括現場總線的整合介接、設備安裝對製造現場的影響、後續安裝通訊設備的安全認定等。



圖2 : 泓格科技研發七處副處長楊琮華指出,針對不同的現場總線,泓格科技提供了各種產品,讓工廠中不同通訊標準可以輕鬆轉換。(攝影/陳念舜)
圖2 : 泓格科技研發七處副處長楊琮華指出,針對不同的現場總線,泓格科技提供了各種產品,讓工廠中不同通訊標準可以輕鬆轉換。(攝影/陳念舜)

通訊佈建成痛點 廠商積極找出路

工廠會遇到的第一個問題是產線上的多種現場總線規格。工業通訊是自動化系統的一環,主要用來作為作業現場中設備之間的鏈接,不過自動化系統一直以來都為國際型大廠各自發展,系統規格各自不同無法相容,因此扮演工業通訊要角的現場總線(Fieldbus)也出現各種規格,例如西門子的PROFINET、MITSBISHI的CC-LINK都是其一,長期以來這些現場總線稱職的扮演了現場的訊息傳遞角色,也讓製造設備的聯繫更為緊密。


自動化系統一路演進,為追求更高效率與附加價值,系統整合已然成為市場重要趨勢,就架構來看,過去的自動化製造系統只分為現場與控制兩層,而現場總線就做為這兩層之間的訊息傳遞橋樑,然而若就效率面來看,只有現場層與控制層的自動化架構,其效率已達飽和,要提升附加價值,必須再擴大系統層次,在此概念下,長期以來在消費端的IT技術被延用到工業領域,整體架構也多了IT層,其中IT層對下負責整合控制端設備,對上則與企業e化軟體如MES或ERP鏈結,由於IT架構,不再用現場總線鏈接,而是採用乙太網路,這也是工業通訊發展到後期,工業乙太網路成長迅速的主因。


過去各工業大廠為了確保自身系統的效能與利益,各自推出自有的工業通訊協定,而這些協定彼此之間無法相連,不過製造業者在擴廠時,不一定會援用既有標準,長期下來,廠內有多種不同標準的通訊設備成為常態,即便是半導體、面板業者大多採用自身產業的專用通訊標準,但整體系統中仍會參雜其他通訊規格,而如果要再擴充,異系統之間的整合將會困難重重。


第二個問題是新設備要上線時,工廠必須停工的問題。此一問題並不只發生在通訊設備上。多數製造設備在上線階段,既有系統往往必須停機等待,另外如果更換的機台數量不多,往往僅需要數天的時間即能完成,企業主還能接受,新設備若採有線通訊模式,還要再加上佈線工程,這時停機時間就會拉長,企業主往往會因此考量讓新機換裝時間一再延後。第三個問題是資安考量,隨著機聯網概念的落實,現在設備聯網越來越普及,範圍越來越大,未經認證的設備一旦連網,將有可能帶來巨大的災害。上述這些問題都是目前製造業者架構工業通訊的難題。


善用既有技術 快速整合製造系統

針對這些問題,可透過不同方式因應解決,在現場總線部分,制定各種現場總線的廠商已提出解決方案,其方式是不再使用現場總線,而將乙太網路直接貫穿到現場端,也就是工業乙太網路。


乙太網路過去在工業控制的應用瓶頸主要來自於即時性不足,由於乙太網路的訊息為隨機碰撞,無法預期下次的碰撞時間,因此在傳遞時間上會有所延遲,為了改善此一問題,大廠重新制定封包型態,並於頻寬中切割出一條控制封包專用頻帶,讓此封包不再採碰撞式傳遞,而達到自動控制系統的即時要求。



圖3 : 工廠環境複雜,工業通訊架構需要高度專業。(source:Portavoce PR)
圖3 : 工廠環境複雜,工業通訊架構需要高度專業。(source:Portavoce PR)

除了工業乙太網路外,台灣廠商則是以橋接、轉換方式整合,楊琮華以泓格科技為例指出,自動化系統架構的擴展,讓通訊標準成為難題,工廠中的OT系統使用現場總線,而IT系統使用乙太網路,要使這兩層成為一體,彼此之間的通訊必須能互連,在此狀況下,就出現了專門生產各種現場總線與乙太網路的轉換器廠商,泓格科技就針對上述困境提出多款解決方案。


針對不同的現場總線(Fieldbus),泓格科技提供了各種橋接器、轉換器、I/O、表頭,讓工廠中不同通訊標準可以輕鬆轉換,不會因採用單一規格就因此受限。另外,為了解決現場佈線問題,泓格也推出了無線無源節能產品,透過無線傳輸模組,將電力數據傳輸至後端管理平台,模組也採免接電源,並可直接吸附於鐵製箱體上,其安裝使用非常適合需要快速上線的製造業者。最後則是安全性問題,對此泓格的通訊產品設有認證識別機制,通過泓格系統認證後的產品才能與系統連結,以此保障系統安全。


作為工業物聯網中,串連不同環節的主要技術,工業通訊的重要性不言可喻,而觀察目前的發展,除了整廠導入大廠西門子的PROFITNET、洛克威爾的EtherNet/IP或三菱的CC-Link IE…等可串聯至控制端的工業乙太網路外,其他的製造現場仍需透過橋接與轉換整合廠內系統,而要讓系統整合趨於完善,除了選擇適用產品外,楊琮華也建議廠商可借助設備供應商經驗,讓系統整合更快速順暢。


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