Profinet
通訊技術/設備維護/資安保障缺一不可 全方位實現工業聯網應用
在工業4.0概念的概念出現後,設備聯網便成為工廠的基本需求,因此通訊及網路在工業現場所扮演的角色日益重要,同時可以預期未來工業網路設備對低延遲的要求越來越高。除了聯網能力,還需搭配資料擷取與控制,達到機台設備之間的協作及溝通效果,實現工業物聯網與智慧製造的藍圖。
而智慧製造與工業4.0是未來製造業發展的終極目標,許多業者已經從機台設備、工廠基礎設施、生產管理系統等層面開始部署,加上今年受到新冠肺炎疫情影響,數位化、自動化和智慧化的應用也變得更加迫切,因此本研討會邀請產業內的廠商,分別從工業網路、工業物聯網、設備預測維護及資訊安全四個面向探討如何落實工業4.0。
PROFINET建立跨廠生態系
網路在工業4.0中扮演不可缺少的角色,甚至可說是其核心,因此通訊技術的演進便帶動工業自動化的發展。同時近日熱門的人工智慧(AI)、物聯網(IoT)議題,背後代表的便是數位化與數據化,需要即時、穩定的工業網路才能落地。西門子產品經理朱軒逸(圖1)提及,過去舊型的網路技術以RS-485/RS-232為主,現在乙太網路則成為新趨勢,在2018年出廠的元件中占58%,推估今年的占比將會達到六成以上。
圖1 西門子產品經理朱軒逸認為,現在乙太網路則成為新趨勢,在2018年出廠的元件中占58%,推估今年的占比將會達到六成以上
十年前乙太網路發展出工業級版本,常見的分別是主導美洲市場的EtherNet/IP,歐洲及大陸市場廣泛採用的PROFINET、EtherCAT、Modbus等,皆是奠基於乙太網路的技術。全球市場70%的工業乙太網路由PI、EtherCAT、ODVA三個協會主導,不同協會分別代表不同的廠商,進行不一樣的開發計畫。
以西門子為例,作為PI協會的一員,其九成以上的產品採用PROFINET。PROFINET可以做到一網到底,概念上,所有的設備到控制器、雲端皆能使用同一種通訊、相同的網路線與安裝方式即可。朱軒逸分析,目前PROFINET有幾個優勢,一是減少安裝成本,且方便診斷。PROFINET系統架構的設定簡潔,一條網路就可以架設,還能透過無線傳輸。此外,經過西門子的實驗室測試,證明PROFINET具有足夠的穩定性,相比RS-485,PROFINET具10倍以上的抗電磁相容(EMC)能力。同時易於診斷也增加PROFINET應用的方便性,若是運作時出現問題,工作人員只要打開架構中的其中一台電腦,就可以知道線對線、點對點之間的流速。如果中間有問題發生,例如線被扯斷,便能即時知道在哪個位置及發生什麼問題,立刻找出斷線的地方及有問題的機器,或者診斷出網路受到來自何處的干擾,都能迅速找到問題並解決,解決舊型網路常見的痛點。
2018年起,西門子開始研發PROFINET with TSN方案,期望建立PROFINET生態系,致力於整合新舊系統,並且同樣看好OPC UA的技術。朱軒逸表示,以後使用的乙太網路技術,不管是西門子或是任何一家廠商,都會使用PROFINET with TSN with OPC UA,代表系統中有OPC UA以後,就可以做到跨廠牌、跨通訊無縫接軌,達到直接溝通的目標。
為原有設備加入聯網功能
將聯網產品導入工廠的過程中,因應即時、低功耗等不同的使用情境,需要挑選相應的工業物聯網產品或方案。針對不同的需求,泓格科技推出從入門到進階的物聯網方案。其中IoTstar即為進階的雲端管理平台,用於設備管理。
泓格科技處長何坤鑫(圖2)說明,IoTstar以方便使用為主,搭配WISE/PMC控制器,採用邊緣運算,客戶購買後只需要透過網頁式的介面進行設定,不需要寫程式,並將資料存進標準資料庫,方便管理。泓格採用標準通訊協定如RS-485或Ethernet整合不同廠商間的感測器、流量計等設備,客戶則可以透過網頁設定控制器將資料存入雲端,或者選擇使用自家的公有雲。為了維持穩定性與降低維護成本,IoTstar可執行遠端維護,使用介面一樣是網頁,由網頁遠端連線裝置,即可更新裝置內的邏輯運算。
圖2 泓格科技處長何坤鑫表示,依照預算、使用情境及現有設備的不同考量,可選擇相應的物聯網方案,便能達到較大的應用效益
IoTstar曾應用在印度政府的水利管理系統中水閘門的控制。何坤鑫說道,當時客戶已經有現成的機櫃,且原先的PLC沒有物聯網功能,無法透過4G基地台回傳資訊至手機中。對此,泓格提供物聯網Gateway裝在超過250個機櫃中,便達到維持原運作,同時加上通訊功能的目的。
另一方面,泓格設計入門的4G通訊方案,藉由虛擬網路的方式建立通訊功能。如農業溫室無法設置網路線與機台,便使用手機基地台及4G路由器布建虛擬串口(Virtual COM),除了可遠端與RS-485通訊,其他不同廠商的設備皆可以透過標準通訊協定直接加入。軟體則放在電腦端,搭配RS-485虛擬化的COM Port,由於只需要做到遠端連線,因此軟體不需要更動即可執行遠端控制。何坤鑫認為,依照預算、使用情境及現有設備的不同考量,可選擇相應的物聯網方案,便能達到較大的應用效益。
震動感測實現設備異常預警
工業4.0與前幾代工業發展的重點,最大的差異在於透過網路來實現各方應用,範圍包含設備、製程,以及如何安全的聯網,因此系統需要整合生產人員與其他資訊,協助管理者藉由遠端控制了解生產狀況。安馳技術應用工程經理高富華(圖3)以ADI機器手臂為例說明,ADI傳統的應用市場包含了最普遍的放大器、資料轉換器、RS-232/485的通訊協定,或者CAN Bus等傳統應用。新興市場的應用則包含LiDAR、ToF,可以透過鏡頭進行物體的景深、形狀等特徵的判讀,應用上可以做機器手臂的電子圍籬,或者從感測器得知馬達現在的速度位置,其他還有EtherNET等無線通訊的產品應用。
圖3 安馳技術應用工程經理高富華說明,除了感測器,機器的預測維護需要AI演算法的協助
在機器的預測維護方面,ADI採用以MEMS為核心的感測器,有別於壓電式感測,而是透過壓變、形變產生震動數據,優點在於能夠用半導體的製程方式執行感測功能,所以在整合上更有彈性,可以把資料轉換器,甚至DSP引擎整合在裡面,做成All in One的模組。針對MEMS感測器的訊號傳輸,若要直接數位輸出,加上一個資料轉換器,即可透過SPI的通訊介面讀取及傳輸資料。
高富華進一步說明,除了感測器,機器的預測維護需要AI演算法的協助。經由感測器蒐集資料後,須要把時域上的資料轉到頻域上,並在頻域上根據不同的分量分析。以工業產品常見的馬達風扇、鼓風機、壓縮機為例,這些產品的故障原因多半以培林為主,因為培林負責移動、轉動或是線性軸承等等,整個設備重量壓在培林上,導致培林的故障率相對高。因此設備狀態監測會針對培林的內圈及外圈破損等狀況,進行基本頻率的演算分析。
工業資安不可輕忽
工業設備聯網以後,資訊安全議題隨之出現。相對IT領域對資訊安全的重視,OT方面在資安的概念起步較晚,防範攻擊的方式也與IT不同。Moxa亞太區產品行銷經理郭彥徵(圖4)以工業自動化/控制系統的安全標準,IEC-62443為主軸,說明工業資安的重要性與系統設計概念(圖5)。首先,資安有三個面向:機密性、完整性及可用性。機密性代表資料不會遭到竊取,完整性則確保資料不會被竄改,可用性則表示資料能夠即時傳輸。對IT人員而言,機密性與完整性是資安防護的兩大重點,避免金融資料、帳號等敏感資訊外流或遭到竄改。而在OT領域,可用性則是最重要的項目,需要防止因為系統遭到攻擊而影響產線運作。
圖4 Moxa亞太區產品行銷經理郭彥徵強調,建立工業資安防護的第一步,是使用經過市場檢驗的方式
圖5 IEC-62443概觀 資料來源:Moxa
建立工業資安防護的第一步,是使用經過市場檢驗的方式,郭彥徵強調。如果使用自創的方式保護系統,在沒有經過市場檢驗的情況下,有經驗的駭客便能輕易破解。在IEC-62443的規範中,從高維度到低維度,包含設備系統的選用到系統設計,都已經有完善規範,只要基於規範的內容執行,全世界的用戶都會共同測試這個系統有沒有被攻擊的可能性。另一方面,IT的領域中有ISO 27000相關的資安認證,但是其涵蓋的面向只有人員組織的規範,例如當公司受資安攻擊,需要哪些小組處理資安事件。而IEC-62443規範的制定,便是為了工業應用制定,其內容涵蓋更多系統的設計建議。
在系統設計方面,IEC-62443建議IT跟OT之間不要只放防火牆或單向閘道,雖然可以阻擋IT遇到的攻擊病毒影響OT運作,但是若是病毒直接在OT系統中擴散便難以預防。所以IEC-62443推薦使用工業DMZ架構,當病毒跟駭客攻擊系統時,會經過層層關卡,降低受資安攻擊的風險。
智慧製造落地的過程中,通訊方面在工業級乙太網路及廠商的物聯網方案下,逐漸依循標準通訊協定,走向未來跨廠牌、跨通訊溝通的目標,彈性的物聯網方案更提供使用者彈性選擇,滿足即時或低功耗等需求。設備預測維護方面,則透過震動感測分析機台狀況,避免設備臨時損壞而影響產線運作。同時資安是工業聯網時代不可忽視的議題,若是依照IEC-62443的規範進行系統設計,便能有效防範控制系統遭受攻擊。
工業網路延遲要求趨嚴 實體層元件性能提升不可免
智慧製造是未來製造業發展的大趨勢,設備聯網則是智慧製造不可或缺的骨幹。乙太網路(Ethernet)具有低成本、容易布署的優勢,在工業生產現場已經存在多年。但隨著新一代工業乙太網對網路延遲提出更嚴格的要求,負責收發網路訊號的乙太網實體層(PHY)元件,必須在規格上有所升級。
德州儀器(TI)半導體行銷與應用產品應用經理林家賢表示,乙太網是目前世界上應用最廣的有線網路技術之一,應用領域遍及資料中心、個人電腦(PC)、工業甚至汽車等不同市場。但資料中心、PC等資訊應用對乙太網的要求,跟工業應用的要求是不同的。資通訊應用對乙太網的需求,多半聚焦在頻寬上,但在工業應用領域,網路延遲、抗干擾與訊號傳輸距離,是比網路頻寬更重要的規格要求。
因此,工業界在標準乙太網的基礎上,發展出許多不同的衍生標準,如EtherCAT、Ethernet/IP、Profinet等,以確保重要的資訊封包能在指定時間內送達,並滿足其他工業環境特有的要求。而隨著工業自動化、智慧化的程度不斷增加,網路在工業現場所扮演的角色更加吃重,負責制定乙太網標準的IEEE也跟著與時俱進,發展出時效性網路(TSN)標準;既有的工業乙太網標準陣營,也大多宣布將採納TSN,發展出新的工業乙太網標準。可以預期的是,未來工業網路設備對延遲的要求,只會比現在更加嚴格。
為滿足工業網路設備對延遲、網路強固性與傳輸距離的要求,TI近期發表一系列乙太網實體層元件,其中包含專為工業乙太網設計的方案,不僅將最大延遲壓到40ns(Tx)與170ns(Rx),同時還內建符合IEC 61000-4-2規範要求的靜電防護能力,且最遠傳輸距離可超過150公尺。此外,這款PHY元件可支援多種現有的工業乙太網標準,因此工業設備或網通設備業者,可以將此元件應用在不同產品線中。
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工業聯網技術一路演進 TSN將成未來主流
工業自動化由來已久 聯網技術代代相傳
工業自動化與通訊網路(簡稱工業網路)的發展史,可追溯到20世紀初期。當時製程控制與生產系統,都是採用機械科技搭配類比裝置,以透過中控系統來遙控,這些技術至今仍非常普遍。到了1960年代,工業自動化便從類比時代進入數位時代。由於數位化電腦的出現,廠商開始使用數位化電腦來當作各種工具機的數位控制器,並配置直接數位控制(Direct Digital Control, DDC)的專屬面板,成為工業自動化儀器的主要操控模式。
由於工廠需求要更穩定耐用,因此可程式邏輯控制器(Programmable Logic Controller, PLC)被開發出來,並大量應用於工廠自動化。到了1980年代,區域網路(Local Area Network, LAN)技術的出現,不僅讓電腦之間可以互相連接、傳遞資料,同時也可以連接各種自動化設備以便控制。而LAN的標準中,又以迪吉多(DEC)、英特爾(Intel)和全錄(Xerox)共同開發出來的乙太網(Ethernet)為主流。當時最早的工業網路,主要是應用在各種生產過程的資料蒐集,到了1990年代,自動化控制網路逐漸蔓延開來。
因應不同需求 工業網路走向多層架構
近20年來,在資訊科技、通訊技術與工業技術的進步之下,工業自動化已經躍升到嶄新的階段,以工業網路來說,各種光纖、無線網路技術的應用也陸續導入工廠環境。工業自動化根據不同產業特性與需求,其所衍生出來的自動控制系統也有所不同,若照系統輸出與輸入量的關係,可分出線性、非線性控制系統,不同系統有不同的通訊標準。以目前的工業自動化網路技術來說,可以分成5個層級,從低至高分別是:場域(Field)層、控制(Control)層、監控(Supervisory)層、計畫(Planning)層、管理(Management)層。
在第一層的場域層中,主要是由感測器(Sensors)和致動器(Actuators)組成,採用的通訊技術則有控制器區域網路(CAN)、DeviceNet、Honeywell SDS、ASI、Bitbus、Profinet、P-Net、Seriplex、Sercos Interface等Sensorbus的工業匯流排標準。再往上的控制層,就可分成PC(以PC為主的控制系統)、PLC控制器、DCS(分散式控制系統)等控制系統,再加上CNC機台,就有Profibus、World FIP、EtherCAT以及 Profinet等領域匯流排(Fieldbus)的工業通訊標準。
到了第三層,這些以PC為主的工業電腦,來做監視、控制、處理、蒐集,因此所使用的工業網路通訊協定標準,則涵蓋了Ethernet、MAP、TCP/IP、EtherNet/IP、Modbus/TCP、Profinet等區域網路的通訊標準。而更上層則包含了計畫與管理層使用一般或商業PC,則使用有線乙太網標準,並建構廣域網路(WAN)的環境。工業網路標準的演進 工業乙太網將成主流,傳統的工廠環境中,每個生產設備大多是採用獨立的系統與工業標準,因此每個機台都只能獨立作業,其顯示的數值、產生報表等各種資訊,是無法與其他機台共享的,這是因為早期的機台並未有標準的通訊協定,使得各廠商各自開發自己的通訊協定或標準,讓工廠機台的資訊整合不易。
開放特性有助資訊整合 乙太網漸成主流
雖然有些機台提供傳統、速度慢的傳輸介面,例如RS232、RS422、RS485、
Modbus、CC-Link等。隨著資通訊科技的進步、網際網路流行,促使乙太網與Wi-Fi無線通訊技術發展成熟,加上近年來雲端應用、物聯網等新興議題,促使各產業的上下游資訊走向透通化,產業鏈的資訊整合成為企業的發展趨勢,促使工業領域吹起採用開放的乙太網路標準,以利於資訊整合,以提供給供應商或客戶,創造更多價值。
工業乙太網路(Industrial Ethernet)採用乙太網路的TCP/IP通訊協定,相容於IEEE 802.3標準,並會搭配不同的應用層來聯繫各自特有的協定,例如PROFINET 、Modbus-TCP、EtherCAT、EtherNet/IP、SERCOS III、SafetyNET p、VARAN以及Ethernet Powerlink等,讓硬體設備廠商捨棄傳統Serial Port而改用Ethernet Port,使用者就能利用一般CAT-5e網路線,來與其他設備或工業電腦做連線,不需額外的硬體配備。
此外,使用乙太網路的機台,不僅速度比傳統通訊埠還快,且既有的網路中繼器(Hub)、交換器(Switching Hub)、路由器(Router)、甚至無線基地台(Wi-Fi...