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高整合微處理器奧援 乙太網路打造智慧工廠

2013-07-24
現今諸多工業通訊變革已掀起自動化製造革命。這些變革的關鍵在於工業乙太網路具備決定性傳遞(Deterministic Delivery)、時間觸發支援(Time-triggered Support)、長距離與安全穩定運作等優點。
由於工業乙太網路有許多專屬的實作方式,加上存在舊式序列通訊協定,因此矽產品及軟體解決方案必須提供基本的相容技術,才能使設計更便利,並達到全面通訊的效果。

目前整體產業中,自動化製造正在進行重大進展,成熟網路技術提供快速彈性的廠區通訊,提高製造商生產效率,並加速因應不斷變化的市場情況。以往獨立的控制網路現已可連結至行政部門(Front Office)與現場,傳輸資料可即時影響生產決策。「智慧工廠」其隱含的意義具有革命性,因此德國特別成立一個辦事處,專門因應「第四次工業革命」新時代來臨,顯見其重要性不亞於前三次由蒸氣、大量生產及早期自動化所引發的工業革命。

讓工廠更有智慧的技術創新須投資在控制智慧與基礎架構,而且公司須在投資前堅信未來必定獲得報酬,且進階自動化的新解決方案須兼顧通訊與成本效益。如今,這類解決方案已出現在市面上。乙太網路與處理器晶片商已率先提供這項技術,持續對未來的需求不斷開發。

智慧工廠具備眾多優勢

工廠間已大幅利用網路串聯帶來的資訊優勢。企業透過資料庫了解客戶偏好、產品優劣、運送資訊、維修回報、材料庫存變化,以及其他影響設計與製造的因素,該資訊影響辦公室作業程序並間接影響生產。但為何不能直接藉由網路將資訊傳送到自動化工廠呢?倘若銷售額顯示56%客戶偏好綠色商品,僅有44%偏好紅色,為何還要花一週的時間調整生產比例呢?網路自動化即能夠直接改變這些生產決策。

進階通訊已在繁複的現代生產製造中扮演舉足輕重的角色。舉例來說,一般有十萬多個節點的電子通訊汽車工廠,馬達、感測器、致動器(Actuator)、攝影機、掃描器、機器人,以及各種控制設備皆須互相協調,實現最低成本與最大產能。工廠的精密通訊可迅速回報問題,並維持機器持續運作,使智慧工廠可用最少電力大量製造產品。從宏觀角度來看,成本效率等同於能源效率,廠區設備間精密的通訊與控制實現更節能與更節省成本的製造。

工業通訊製造商引進網路化控制的系統設備已有幾十年的時間,然而技術與市場情況顯示,這些專屬或是不相容的網路必須相互連結,並回應更集中化控制(圖1)。目前乙太網路已廣泛用於工業通訊資料網路,乙太網路為人所熟知並支援廣大位址範圍,並可藉由比舊式序列通訊更高的位元速率進行傳輸,進行更精確控制。乙太網路也可簡化工廠與資料網路的介面,此為進階自動化重要的功能。

圖1 微處理器內建工業通訊子系統可連結至廣泛應用

然而,工業乙太網路必須經過調整,才能滿足應用需求。製造商將連接網路的控制系統引進設備的時間已有幾十年,對於工業通訊,資料網路廣泛使用的乙太網路也相當適用。乙太網路為人所熟知且廣受支援,可提供相當大的位址範圍,並且藉由比許多設備所用的舊式序列通訊更高的位元速率進行傳輸,因此能夠進行更精準的控制。使用乙太網路也能夠簡化廠區與資料網路之間的接合,這是進階自動化相當重要的一項功能。

工業用乙太網路指定因素包含決定性資料傳遞、時間觸發事件(Time-triggered Events)支援、工廠間連線、安全與可靠的拓撲(Topologies)結構等。直到現在,設備製造商才找到支援上述特性的方法,該挑戰來自於基本硬體與軟體科技,簡化許多用於工業及串聯網路通訊的乙太網路實作發展。

決定性傳遞機制避免延遲

由於封包傳輸取決於碰撞偵測(Collision Detection)與重新傳輸,傳統乙太網路可提供指定時段內非確定性傳遞機制。然而,工業設備封包通訊須在短暫時間內確保運作,如傳動帶驅動的裝配線馬達須依照裝配線感測器同步運作,否則整條裝配線將中斷作業。由於工業乙太網路需決定性傳遞,開發人員須取得資料連結層的重要參數,才能控制封包流向與排程。基於與資料連結層的關聯,時間傳輸應設定為奈秒(ns),才可確保傳送與接收訊息不出現不確定性延遲。

時間觸發可提高生產效能

在某些情況下,乙太網路運作架構須指定資料處理速度,因為許多工業事件皆為時間觸發。例如,控制依照讀取一組輸入並傳送一組輸出的方式進行。精準指定這些觸發事件的時間,表示可更準確界定製程時間,提高生產量。除提供確定傳輸時間外,工業乙太網路解決方案也須支援指定時間觸發事件,例如讀取特定數量的感測器發出的資料。

製造作業對於實體連線與時間有嚴格要求。乙太網路節點間的距離最多可達到100公尺,比廣泛使用的控制區域網路(CAN)長,然而節點間的距離限制必須在40公尺以上。由於製造工廠占地廣闊,不同大樓或戶外設備間相互連線,工業乙太網路可將支援距離增加為160公尺,滿足製造工廠需求。

避免單向封包衝突 安全穩定拓撲至關重要

廠區設備網路需要資料網路的拓撲進行不同的安排,確保安全與穩定運作。例如,驅動裝配線的馬達一般是以線狀拓撲連結,所有從屬裝置都連結到主控制單元。兩部馬達間的連線中斷,將導致控制單元下游所有馬達停止通訊,導致整條裝配線停止,須修復後才可進行通訊。工業乙太網路支援環狀拓撲,各個節點皆有兩個雙向連接埠(Bidirectional Port),避免發生單向封包衝突情況,並可在環狀拓撲中同步反向傳輸冗餘資料(Redundant Data)。

在一般環狀運作中,節點會回應來自一個方向的封包,而忽略來自另一個方向的冗餘封包。兩個節點間的環狀運作出現中斷的緊急狀況時,控制系統仍然會朝各個方向傳送相同的資料,直到資料送達中斷處為止。以裝配線為例,中斷處其中一端的馬達會收到來自一個方向的資料,而中斷處另一端的馬達會收到來自另一個方向的資料。因此,所有馬達都將持續運作,裝配線也不會停止。工業乙太網路同時支援安全性與穩定度並非特別重要的線狀拓撲、節點或子網路須直接連結中央系統的星狀拓撲,以及主從(Master-slave)配置匱乏時可使用的點對點配置(Peer-to-peer Configuration)。

IC方案須具備技術相容特性

實際應用中,支援工業乙太網路的IC解決方案必須提供一些功能。工業系統使用的網路通訊協定有一百多種,其中有許多是序列通訊的舊式標準,在這些舊式標準中,29%通訊協定為基於乙太網路的通訊協定,其中包含一些專利工程技術,解決前面文章提出的問題。

現今工業通訊市場,IC解決方案與支援的軟體須提供現有通訊協定通用基本技術,設備製造商才能將裝置加入本身擁有的智慧財產中。另外,多種通訊協定可用於單一工廠,特別是舊式序列通訊可與近期工業乙太網路並存。因此,IC解決方案必須針對單一裝置支援多種通訊協定,才可與舊有裝置進行通訊,並在更新的控制環境中維持運作。一旦低成本解決方案提供這些功能,製造商可在自身產品中增加彈性進階工業乙太網路功能。

微處理器整合乙太網路 成本/功耗問題迎刃解

直到現在,競爭廠商專利的通訊協定依然存在。這表示,企業的工業乙太網路須加入控制電子裝置將另增一個模組,或是增加現場可編程閘陣列(FPGA)與特定應用積體電路(ASIC),將增加系統尺寸、成本與電源需求。

圖2 微處理器結合高效能ARM核心與工業通訊子系統,可支援乙太網路、舊式通訊協定與各種重要介面。
IC開發商推出的微處理器(圖2)藉由整合工業乙太網路核心、周邊與彈性硬體支援來解決這些問題。儘管微處理器屬於高效能與高整合度的產品,但使用便利性與微控制器類似,該款裝置具備整合型工業通訊子系統(ICSS),藉由高速網路通訊專業實現決定性傳遞,並提供不同舊式與專利通訊協定實作開放智慧財產權。

單晶片處理器工業乙太網路解決方案對自動化設備產生極大影響。控制電子裝置以往安裝在電路板上,現在則可安裝在感測器與致動器等小型設備機殼中。

單晶片處理器體積更小且成本更低的控制與高階通訊可供所有機器使用,包括可程式邏輯單元(PLC)、人機介面(HMI)、工業驅動器與感測器等重要設備。製造商可自動化更多功能並加快生產,實現更彈性安全的生產與更可靠的製程。

工業乙太網路應用廣泛

圖3 工業乙太網路適用於工廠外許多智慧型應用層面
工廠之外有許多應用正蓬勃發展(圖3)。工業乙太網路適用於大型運輸船、火車與卡車,考量重點皆與製造業相同,包含速度、可靠度、安全與距離。對於汽車而言,距離並非重要因素,工業乙太網路在速度與可靠度已開始取代CAN等舊式網路。愈來愈多監測與控制資訊可在車用網路中安全傳輸,因此逐漸不需要有線與機械鏈接,使得車輛更輕、更省油。

工業乙太網路也被運用在許多大規模安裝應用中。以一般主題公園為例,需要電子通訊的節點可能有幾萬個,幾乎等於大飯店與賭場所需要的連結數量。變電所和輸電站智慧電網通訊也可改用工業乙太網路,以防各地設置的再生能源設施發生電力中斷情況,並更有效分配能源。

這些設備中加入進階感測器,可提供精密環境互動效果,並可與無線感測節點進行通訊,進一步將功能延伸至廣大範圍區域。

無論工業自動化時代具有革命性意義或僅是重大演進,設備通訊進入重要的新階段已是不爭事實。工廠使用工業乙太網路之後,生產數量與種類不斷增加,並具備更安全與節能的操作。交通運輸、汽車系統、供電與建築設備等因此獲益良多。

(本文作者為德州儀器工業汽車系統應用經理)

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