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智慧製造推動 工業乙太網路已成主流
 

【作者: 王明德】   2017年06月14日 星期三

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相較於Fieldbus有連結數量、頻寬及距離的限制,乙太網路的開放特性,也成為自動化設備商的優先選擇,市場認為,乙太網路受青睞的最重要的原因,就是可以將現場端開放連結到Internet,產生了無限寬廣的想像。


傳統Fieldbus僅能針對點對點的連結,不管如何只能透過線路的連結;對乙太網路來說,相對而言就有更多的想像,不過,現況上在商用環境中被廣泛應用的乙太網路,運用到工業環境,則仍有一些限制。



圖一 : 工業乙太網路可讓工廠端的OT系統與企業端的IT系統緊密互聯,落實工業4.0願景。
圖一 : 工業乙太網路可讓工廠端的OT系統與企業端的IT系統緊密互聯,落實工業4.0願景。

舉例來說,如果一般在網際網路上查詢資料,花個十幾秒還是可以忍受的延遲,因為這並不影響得到資料的品質;但在工業環境上,因為自動化必須考量資訊整合,以及命令下達與反應的即時性,稍微延遲就成為資訊傳輸甚或控制的極大障礙,因此在工業環境下應用乙太網路就成為一大賭注。


工規乙太網路頻寬管理設計


也因此,在發展工業乙太網路時,原先應用於商業環境的規格,就受到相當大的挑戰,因此如何達到穩定地即時傳輸,是目前各個工業通訊廠商都在強化的技術,傳統商規的乙太網路設計,在一定程度中允許資訊封包碰撞,但此一設計進入要求較嚴格的工業環境,就變的較為尷尬;在工業環境中封包碰撞之時,誰來決定資訊重送以及以什麼頻率重送,就成為巨大挑戰。


此外,傳統的商規乙太網路設備的設計,主要針對較為環境較為單純的辦公空間,因此無需針對干擾與環境限制進行防護設計,甚至關鍵的網路設備更隔離於資料中心機房內;當乙太網路由商規轉換到工規時,這些部分則必須重新考量。在工業環境中,網路設備可能會暴露於各種危險環境,包括高溫、高水氣與潮濕、灰塵、粉塵、油污、化學污染品、設備震動、電源品質、電壓及電磁干擾等,工業級乙太網路就必須針對這些部分重新設計,才能抵禦這些會損害網路穩定性的因素。


基本上工業環境使用的通訊產品,在機構設計上就必須特別注意,包括散熱、抗震及抗干擾部分,就必須要作非常仔細的測試,比起商規的網路交換器僅須抽測,工業乙太網路的交換器更須每一件作完整的安全測試,因為比起商業環境的容錯程度,工業乙太網路的錯誤發生,在生產線上就是莫大的損失,與Fieldbus整合 工業乙太網路更具競爭力


進入工業控制,由於傳統的Fieldbus通訊模式,多是單一由控制端直接下指令給現場端,讓現場根據指令來進行動作,在封閉而單向的環境中,導入乙太網路的確不會造成相當的混亂,但這樣的設備提升效果相當有限;不過由於可整合Internet,讓控制從現場延伸到遠端,適度提升了控制的能力,這已是不可避免的趨勢,當優勢大於劣勢,自然仍讓廠商持續投入工業乙太網路的研發。但最基本的環節,一般工業通訊的應用仍然是讓Fieldbus與工業乙太網路整合應用。


正如前言,在現場端基本上仍是多以「單向控制指令」為最基礎的應用形式,因為現場端設備的使用壽命較長,基本上仍以傳統Fieldbus的通訊I/O為主;而到後端則應用乙太網路與Internet連結,進行系統的整合應用,這樣的交叉運用兼具成本與技術考量,針對不同需求達成的最佳化,所以多數台灣廠商均認為,短期內Fieldbus仍然不會退出工業通訊市場,而且因其成本較低、應用簡單,短期之內還會有小幅成長。


此外,像在包括影像監控等應用模式上,對於點對點對應時間並非極端嚴格,利用現有乙太網路造成的微小延遲亦並非無可忍受,加上乙太網路頻寬並非隨時都很繁忙,發生延遲的機會並不常見,對於資訊傳遞上並非「無法忍受」,因此這類資訊傳遞的工作,讓頻寬較寬的乙太網路處理,成為自動化廠商的選擇。


工業乙太網路標準出爐


此一選擇,多是針對現況乙太網路的限制而發展出來的解決方案,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,目前全球大廠已制定出多種推出針對高速、高確定性與低干擾性的工業等級乙太網路協議,包括像是EtherCAT、CC-Link Ie或是西門子主推的ProfiNet,這些工業等級乙太網路,基本上是透過網路交換器將網路的「敏感」部分隔離開來,當有涉及即時性控制的指令訊息需要傳遞,交換器的控制晶片則會讓訊息「走」隔離的頻寬,一般的資訊串則走一般通用的頻寬,如此即可解決針對工業乙太網路的即時控制的問題。


就目前發展來看,工業乙太網路的聲勢日隆,原因在於智慧製造的概念逐漸擴散到製造產業,工業乙太網路可讓工廠端的OT系統與企業端的IT系統緊密互聯,落實工業4.0願景,因此放眼未來,工業乙太網路將逐漸成為工業通訊主流。


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