歡迎來到新通訊元件網站
新電子首頁 | 加入會員 | 忘記密碼 | 設為首頁 | 加入書籤 | 訂閱雜誌  
首頁 | 有線通訊 | 無線通訊 | 車載通訊 | 關鍵零組件 | 電源管理 | 傳輸介面 | 量測儀器 | 精選影音 | 資源下載
本期目錄
各期雜誌
訂電子報
2018年版物聯網創新應用開發攻略
2018年版工業4.0實戰寶典
2018年版通訊產業關鍵報告
更多
轉寄列印
通訊技術漸趨完備 工業物聯網協定新舊並行
新通訊 20185 月號 207 期《 封面故事 》
文.王明德
工業物聯網(IIoT)成為智慧製造的核心系統,由於其系統龐大、應用多元,單一的通訊標準已難因應全部需求,因此在不同的子系統中,必須各自採用適合的通訊技術,方能提升整體效能。
智慧化在製造業掀起巨大浪潮,將改變未來製造系統的面貌。新一波的工業革命之所以能吸引向來保守的製造業者投入,主要基於外在需求與內在技術的雙雙成熟。在需求面,近幾年消費性市場型態改變,尤其是經過2008年的金融海嘯後,客戶端在資金壓力下,開始將備貨成本轉嫁給製造商,訂單從過去的長單轉變為急單,但金融海嘯過後,此一下單模式卻成為常態而未回復成過去的模式,導致「快速且彈性製造的產線」成為製造業維持競爭力所必須。在此同時,消費性市場中的IT技術也已然成熟,並積極尋找新的藍海應用市場,尤其是發展多年的物聯網技術積極延伸觸角,製造業作為全球產值最大的產業,順理成章被視為商機最龐大的領域。在需求與技術皆備的狀況下,以IT技術為根基,整合OT系統的工業物聯網概念於是浮現。 

以彈性化因應新舊混用過渡期 

工業物聯網的核心是透過資料分析,讓系統更加可靠、更有效率及收益。過去雖已有類似雲端連結的系統來處理所有的分析,不過在智慧化趨勢的演變下,其架構也開始改變。如今工業架構的雲端平台已開始強化終端設備,在終端與雲端運算之間找到平衡點,這種做法被視為最具擴展性的方式,因其不僅將網路安全及隱私最大化,也連結了傳統與下一世代的製造模式。 

過去傳統的純OT工業領域匯流排、工業乙太網路標準,大多是工業資產製造商的產物,例如洛克威爾(Rockwell)、西門子(SIEMENS)、三菱等廠商,都各自有推廣的專利技術,從而架構出自有產業生態體系,這導致工業通訊標準方面成為極度分裂的市場。不過在工業物聯網體系中,這種分裂狀態將被打破,工業物聯網需要單一且統一的通訊標準,而且此標準必須同時支援IT及OT。 

過去工業產品的使用週期較為特殊,資產往往被預期持續使用20~30年,才能達到可獲利的投資報酬率,因此設備必須避免過早更換,生產過程中也必須盡可能減少預期外的狀況;在這兩個條件下,即便智慧製造的效益可觀,製造系統也不可能一夕之間全面換新。現在工業物聯網在製造業的布局,是讓新舊系統混用,用新產品逐次更換舊元件,不過此一模式也會有問題,在接下來的10年間,將因舊的工業通訊技術無法支援所有新資產,而有更嚴重的分裂,要解決此一問題,可用嵌入式硬體及軟體中具備一定程度的可編程彈性,來因應所有組合。 

圖1 西門子資深產品經理林瑞媛表示,在OT系統的乙太網路領域中,PROFINET是目前制定最完整、且市場占有率最高的標準。
就整體發展來看,目前工業物聯網的通訊標準是新舊並用,以下就針對現在已然成熟或具有潛力的標準分別介紹。 

PROFINET延伸工業乙太網路優勢 

PROFINET堪稱目前工控領域市占率最高的通訊標準,由於此一標準中最多數的產品,都由工控大廠西門子推出,因此市場多將此視為西門子主導的標準,不過西門子資深產品經理林瑞媛(圖1)指出,此一說法並不正確,PROFINET與PROFIBUS一樣,最初都是先由眾多廠商加入的協會推動,西門子評估該標準適合發展自動化控制,才採用為主力標準並推出大量控制器產品,以致於後來被錯認為是西門子主導,事實上現在PROFINET與PROFIBUS協會仍由多數不同類型廠商組成。但也由於西門子技術與產品在市場上的強勢地位,讓PROFINET與西門子幾乎畫上等號,其他製造設備廠商自忖難以匹敵而降低投入意願,導致此標準呈現一家獨大、從者甚寡的狀態。 

近年來智慧化成為製造業的重要趨勢,工業物聯網更是未來製造業的運作骨幹,由於工業物聯網必須讓通訊網路貫穿IT與OT兩端,因此可與乙太網路直接鏈接的OT端通訊標準,更成為智慧製造系統必備技術。但其實早在IIoT趨勢成形前,工控領域就已開始發展PROFINET之類的工業乙太網路。 

林瑞媛表示,過去一般商用的乙太網路之所以無法運用於OT系統,主要問題在於即時性不足,由於商用乙太網路會因封包碰撞而產生延遲,若應用在OT系統,將出現如馬達無法同步等精準不足問題,系統良率難以維持。為了讓OT系統可與IT系統整合以提高效能,各廠商紛紛投入研發工業乙太網路,解決其即時性與穩定性問題,例如PROFINET作法就是在頻寬中切出保留給OT設備的專屬通道,負責傳送OT設備的指令,藉此解決即時性等問題。 

除了即時性問題外,林瑞媛指出智慧製造時代對OT系統的需求,還包括可靠度、資安、行動應用等部分,PROFINET也針對這些需求強化設計。可靠度方面主要是在實體纜線上包覆金屬材質,避免大型馬達之類大動力設備的電磁干擾;行動應用方面,則可透過手機或其他裝置遠端監控現場設備;資安方面,PROFINET可針對不同使用者設定權限,現場人員只會看到操作權限內的部分,經過層層節制,提升系統的安全等級。 

圖2 意法半導體亞太區微控制器和數位IC產品部NFC/RFID策略行銷經理黃鐙誼表示,製造業的RFID應用模式主要包括生產製程管理與倉儲物流管理兩種。
她指出,在OT系統的乙太網路領域中,PROFINET是目前制定最完整且市場占有率最高的標準,在西門子的全力支持下,新產品也不斷問世,就目前來看,未來此一標準的發展將更加蓬勃,並在智慧製造趨勢中,持續占有重要地位。 

RFID/NFC將是IIoT辨識利器 

RFID問世已久,原先主要為取代條碼而設計,後來由於其射頻傳輸特色,被製造業的OT系統大量應用,意法半導體(ST)亞太區微控制器和數位IC產品部NFC/RFID策略行銷經理黃鐙誼(圖2)表示,RFID應用模式可依作業流程來分類,目前在製造業的應用模式主要分成兩種:生產製程管理與倉儲物流管理。 

生產是OT系統的核心業務,如何做好產線管理,成為管理者最重視的課題之一,生產管理的終極目標就是讓生產效率最大化,在最短時間內,產出正確且有品質的產品,而RFID系統具備讀取、寫入資料及辨識的特性,成為落實目標的最佳途徑。 

黃鐙誼指出,RFID在製程上的應用模式有兩種,第一是使用RFID標籤取代紙本工單;第二則是延伸第一種應用模式,將紀錄工單內容的RFID標籤貼附在產品載具上,並整合生產機台或工廠自動化設備(如PLC或機械手臂),讓製程更有彈性。 

所謂工單就是把要生產的項目一一列出的清單,倘若要生產的產品為鏡子,在工單上就會列出鏡子所需使用的材料及加工方式,再交付予作業員據以進行生產。一般來說,工單的用途除了讓作業員依據其上所載步驟逐步生產,避免疏漏一些程序造成損失,同時還會紀錄生產過程所有資訊,包含工作站生產機台編號、生產開始與結束時間、作業員姓名等等。 

當製造業使用RFID標籤取代紙本工單時,RFID標籤的形式多為一張信用卡大小的卡片;或者也有採取直接將標籤貼在紙本工單上,但形式就各有不同。其導入效益包括響應環保、生產效率化及降低錯誤率等三種效益。 

除了RFID外,黃鐙誼指出NFC在工業物聯網的應用也逐漸增加,尤其是在設備溝通部分,現已有業者利用NFC提昇效率,在製造設備中,配置NFC標籤,用以紀錄設備的相關資料,工程師只要用讀取器就可以在現場進行巡檢,相較於過去必須將整部設備帶到電腦旁進行檢測的做法,NFC模式顯然更快。 

圖3 意法半導體技術行銷專案經理林進裕指出,IO-Link由各大型感測器、致動器和控制器製造商所研發制定,是一種標準化且與現場總線無關的介面。
曾有業者在研發階段做過實驗,分別測試內建電源才能傳送設備狀態的RS-485傳輸技術,與無須電源的RFID設計,在設備數量為5台時,前者的數據讀取需時8分鐘,後者僅需30秒,速度差到16倍,而在實務上,如果設備數量進一步增加,其差距將會更大,黃鐙誼指出,RFID與NFC的技術都漸臻成熟,在智慧工廠的應用案例也逐漸浮現,未來在工業物聯網中,將成為主流通訊技術之一。 

IO-Link打造數位感測網路 

感測網路位居工業物聯網的第一層,負責偵測設備狀態,並將擷取之數據傳送至後端平台運算,就運作面來看,感測器扮演了整體系統的啟動角色。ST技術行銷專案經理林進裕(圖3)指出,過去感測器的通訊傳輸模式,主要以類比技術為主,不過在智慧製造概念中,所有的數據都必須轉化為數位模式,以利於傳輸、儲存、運算、分析,在此需求下,IO-Link標準崛起,可望成為工業物聯網的主要感測通訊技術。 

IO-Link由各大型感測器、致動器和控制器製造商所研發制定,是一種標準化且與現場總線無關的介面,適用於自動化領域,因此,無需複雜的尋址,即可實現點對點連接,就連以往僅限用於簡單地開關類比訊號的二進制開關,也可透過IO-Link應用於智慧感測器中。林進裕表示,IO-Link的優點包括容易與現有的現場總線鏈接、可全面執行感測器和執行器功能、不需要更改現有網路架構,只須在架構中導入IO-Link就可改善系統。 

林進裕進一步指出,相較於現有的感測通訊技術,IO-Link更容易安裝,可節省安裝時間,各種感測器和執行器只需要一種統一的接線,不需要更新系統或更換非遮罩的工業電纜;另外IO-Link也可自動設定參數,控制器定義好必要的設置後,儲存在控制器中的參數即可被發送,在加工過程中有資料交換時,感測器和執行器也能即時接受配置。 

ST目前已開始推出IO-Link的相關產品,林進裕指出,在智慧製造概念下,系統中的所有設備都必須具備感測與聯網功能,感測器擷取設備訊號後,再經由通訊技術將相關訊息傳送至後端,而自動化與智慧化的最大區別,就是OT與IT系統的鏈接,過去工業自動化的訊息擷取的連接,由於通訊標準不同,多僅止於製造端的OT系統,並未與企業管理端的IT系統連接,但在工業4.0架構下,OT與IT的整合勢為必然,而兩者要互聯,通訊標準必須相同,這也是近年來乙太網路標準成為工業領域顯學的原因,IO-Link可作為現場設備與乙太網路的互通橋梁,未來ST將持續研發此一技術,為業界提供最佳的技術後盾。 

圖4 賽靈思工業物聯網策略暨業務經理Chetan Khona指出,TSN運行的OPC UA互通標準,可應用在各種工控用途。
TSN讓OT與IT進入大整合時代 

目前的工業網路明確、有力地區隔了IT與OT領域,但未來的趨勢是此體系的區別將逐漸弱化,用戶能在同一網路中安全地混合IT與OT資料,賽靈思(Xilinx)工業物聯網策略暨業務經理Chetan Khona(圖4)指出,此目標可透過時效性網路(Time Sensitive Networking, TSN)來達成,其為一個基於IEEE 1588與乙太網路音訊/視訊橋接(Ethernet AVB)所建立而成的標準,但硬體與外觀構型與一般乙太網路相同。 

IEEE制定的TSN規範,強化了頻寬管理,過去乙太網路要跨入工業領域,最為業者詬病處無疑是訊號的延遲問題,製造系統不像一般家用或商用環境,對訊號傳輸有一定程度的延遲容忍度,製造系統的設備運作必須高度精準,方能創造出最佳產能,因此設備之間的訊息傳遞必須即時。目前大多數工業乙太網路標準的即時性,都已可達到製造業者的要求,然而在工業物聯網中,工廠端的OT系統必須與企業端的IT系統互聯,Chetan Khona表示,IT系統中的乙太網路建置與OT系統大為不同,IT系統的建置需求為大量資料傳輸,可容許稍微延遲,OT系統的傳輸量不大,但卻必須穩定、即時,這兩種功能需求不同的乙太網路若要互聯,OT端所受到的干擾勢必高於IT端。 

在此一問題上,TSN由頻寬管理著手,在乙太網路頻寬中切出專屬通道,系統設計者可自行定義此一通道的封包類型,例如馬達控制器的封包,方可經由此通道傳送,此一作法同時保存了IT、OT兩種系統的特色,不必因為製造系統的網路更換,而將原有的網路系統砍掉重練,此外融合了標準網路規格的TSN,未來可以延續標準網路架構,當底層的實體層布建完成,上層的應用層也可隨時跟上,整體網路的速度可同步提升。 

目前TSN運行的OPC UA互通標準,可在製程控制、機器人與智慧電網等其他工業應用,並可進行資料分配服務(DDS),Chetan Khona表示,Xilinx自2016年起支援與展示在TSN運行OPC UA,及在TSN上運行DDS,且於2017年初起,透過賽靈思工程師開發且業界最廣泛採用的TSN端點解決方案,進行OPC UA到DDS雙向橋接(Bi-directional Bridge),在2018年,Xilinx更投資發展OPC UA的衍生技術,透過混合OPC UA的網路安全與情境保存(Context Preservation)功能與DDS的彈性,開發稱為OPC UA Publisher/Subscriber的標準,在TSN上運行OPC UA Pub/Sub,堪稱擁有進一步統一業界標準的潛力,日前在德國登場的Embedded World 2018中,Xilinx已與夥伴廠商展出此一新方案,未來將會陸續推出相關產品。 

短距無線通訊讓IIoT應用更多元 

穩定度一直是製造系統運作的必要條件,而無線通訊由於穩定度不如有線傳輸,再加上容易受到製造現場像是馬達之類大動力設備的電磁波干擾,因此過去無線通訊技術在OT系統的導入並不多,不過隨著技術進化,如今應用漸廣。 

u-blox商業開發經理趙炯皓(圖5)指出,在智慧化趨勢下,OT系統除了強化原有的製造功能外,也開始導入其它技術並延伸出多種功能,像是設備定位追蹤、製程管控、遠端監控等,這些都將提升OT系統的整體效能,進一步改善良率、降低成本,而這些新功能也大量應用了不同類型的IT技術,尤其是短距離無線通訊,這幾年在OT領域的應用比例更是快速拉高。 

圖5 ublox商業開發經理趙炯皓指出,IIoT的應用多元,短距離無線傳輸技術多為混合應用。
現在OT系統常用的短距無線傳輸技術主要包括WLAN、藍牙和近年來因應物聯網應用所制定出來的新標準NB-IoT,這些短距無線傳輸技術在工業物聯網中,都因各自的技術特色而有不同應用,例如同廠區但不同廠房的傳輸,就可透過工業等級的無線網路裝置與信號夠強的天線傳送訊息,至於藍牙與NB-IoT可利用這兩者不同的頻寬與網速,做為工業物聯網的感測數據傳輸之用。趙炯皓表示,單一通訊標準已無法滿足工業物聯網,為因應今日的功能需求,必須同時內建多種通訊技術,例如工業物聯網中的感測網路的閘道器,就必須有NB-IoT接收感測器訊號、有WLAN往上傳送、有GPS讓系統可以追蹤設備位置。 

雖然工業物聯網已然成為無線通訊的新興藍海市場,不過趙炯皓表示,一般消費性或商業用晶片與設備難以打入此市場,以長期深耕工控市場的u-blox為例,其產品有超過一半為此一領域的專用品,在穩定度、效能、電源、抗干擾等部分,都有特殊設計,他也指出,工業物聯網應用於製造系統,設備的穩定度是系統設計的先決條件,因此包括通訊產品在內的所有設備,都必須選擇工控等級,系統效益才會浮現。 

短距離傳輸也是工業通訊近幾年來重要的發展方向,u-blox商業開發經理趙炯皓指出,該公司的產品適用於多數物聯網領域,在智慧城市部分,已有城市將u-blox的產品應用於路燈與智慧電表,至於工廠端則用於設備控制與資產管理,u-blox產品的低功耗特性,在物聯網市場相當有競爭力,可減低整體的電源消耗。而無線產品方面,具有支援藍牙和Zigbee通訊的無線晶片,電子技術的進步,讓不少裝置功能夠越來越強大,而且體積越來越小,成本也低。趙炯皓表示,各項整合讓原先成本太高而不可行的物聯網裝置變成可能,而u-blox也將隨著物聯網的發展而提供各式各樣的產品方案。 

趙炯皓表示,智慧製造系統生成的資料,需要經由快速、穩定的網路進行傳輸和共用,德國的《工業4.0研發白皮書》中將無線技術視為工業4.0網路通訊技術研究的重點項目,不論是工業領域原有的無線協定如WIA-PA、WirelessHART和ISA,或是通用的無線協定如Wi-Fi、Zigbee、NFC、Bluetooth、2G/3G/4G網路通訊,都逐步影響並滲透入工業領域。如何將NB-IoT等新興的LPWAN無線通訊技術融合到工業應用中,也已被列入一些公司的考量重點中。按照計畫,2018年也將實現公共5G網路基礎設施的設計與標準,為工業提供廣域網路服務。 

不過,工業應用對無線通訊有更特殊的要求,特別是在可靠性和即時性等方面,因此,一些通用的無線技術短期內還是只會用於設備和產品資訊的採集、內部資訊交互等非即時控制的場景,未來它們會與即時工業控制網路形成複合式的通訊系統,為資料架設高效可靠的通道。 

無線互聯與感測技術也正走向融合,具有無線資料通訊功能的無線感測器也會成為一個新的市場增長點。無線感測器網路可以擺脫傳統感測器匯流排的束縛,讓資料彙聚的方式更為靈活,成本也更低,在此基礎上,感測器產品還可加疊其他如能量採集等技術,形成更加多元化的產品,擴展應用版圖。 

智慧化已是必然趨勢  商機浮現仍需時間  

從上述通訊技術可以看出,工業物聯網在技術面已然成熟,在不同應用領域,都已有相對應的技術,這幾年在設備供應商的市場教育下,需求也開始浮現,不過由於製造業的腳步向來保守,導入新系統前,多會有一段觀望期,就目前發展來看,現在的製造商動作雖然漸趨積極,但整體而言仍在觀望期的前中段,然而智慧製造已是大勢所趨,通訊技術商機仍會穩定浮現,只是所需時間會比一般消費性市場更長,設備廠商必須耐心深耕等待。

這篇文章讓你覺得?
非常滿意 滿意 普通 不滿意 非常不滿意
Back Top Home
關於新通訊 廣告委刊 聯絡編輯部 聯絡發行部 隱私權政策
城邦文化事業股份有限公司版權所有、轉載必究.Copyright (c) 2018 Cite Publishing Ltd.