流程自動化的可靠通訊解決方案

工業4.0與工業物聯網(IIoT)所帶動的數位化趨勢已經充分反映在工業自動化科技上。生產工廠的面貌逐漸改變,工業生產場所開始網路化,除了廠房彼此之間會進行通訊,連網的範疇還擴及廠房和公司其他部門或甚至跨公司。各界可以透過狀態監控以及機具安裝與技術系統的最佳化來提高整體生產效率。而若是想要落實這些作為,企業所有參與各方,包括人員和機具都需要持續通訊,以及交換龐大的資料以及各式各樣的參數。

圖1. 網路化工廠各參與方的應用範例

以往連結功能的規劃相對較為容易 – 各種系統的類比感測器訊號先傳送到一個中央控制器,然後進行數位化 – 在工業4.0時代,數位化的工作逐漸轉移到感測器。建置所謂聰明智慧型感測器,並整合在複雜網路的任何位置,它們就能在網路上傳遞數位格式的物理數據。如圖2所示,除了感測各種量測參數,這種智慧感測器還整合了大部分的訊號調節以及處理功能,並全部裝入在一個元件外殼內。

圖2. 從簡單類比感測器轉型到智慧型感測器。智慧型類比感測器包含完整的訊號鏈以及處理單元

此外,智慧感測器通常已配備匯流排介面。量測參數經過數位化,系統就能以更快的速度傳送更多的資料。另一項優點,則是其更強固的訊號傳輸。透過數位訊號傳輸,即可減少、甚至完全避免訊號內容變動或干擾。此外,在理想狀況下,支援匯流排的感測器還能透過隨插即用(plug and play)的模式連上網路,這意謂著,控制單元會自動偵測到感測器。如果有某個感測器失效,其他感測器仍可繼續運作。

然而,上述目標全都需要一個全面覆蓋、高度可靠、即時性的網路,從個別感測器與致動器一路涵蓋到機具以及最後的完整系統。乙太網路 – 特別是工業乙太網路 – 已成為通訊標準的其中一個關鍵環結。相較於先前的現場匯流排,工業乙太網路提供許多關鍵性的優點,像是透過共用傳輸媒體高效率與同步傳輸大量資料。此外,工業乙太網路營造出了新的可能性,建構出一致性的通訊傳輸,並針對確定性傳輸制定出各種即時延伸規範,進而補強既有乙太網路的功能。

針對這種類型應用,ADI (Analog Devices)推出了即時乙太網路多重協定(REM)交換器晶片系列,fido5000已於去年問市。此系列產品嵌入型處理器兩個支援TSN的乙太網路埠,能組建包括線型、環狀、以及冗餘星型等網路拓撲。此外,任何host主控端處理器都能透過其可設定記憶體匯流排介面連到交換器晶片。fido5000 REM交換器具備充裕彈性,能支援每一版現有的工業乙太網路協定,讓開發業者設計的產品能符合未來的需求,因應持續演化的標準規範。

JUMO Group是一家位於德國富爾達(Fulda)市家族經營的國際企業,該公司成功實現上述以及其他優點。JUMO為包括食品、空調、機械工程、化學與製藥、包裝、水資源與廢水等產業的物理/化學數值量測、控制、分析等應用研發與製造各種產品以及系統解決方案。這些產業必須透過大型網路傳遞各式各樣的流程資料。而這方面正是fido5000的理想應用,同時也為此它會用在JUMO最新開發的DICON touch。

JUMO DICON Touch

DICON touch是一款雙通道處理與程式控制器,能透過TFT彩色圖形螢幕輸出影像,以及透過觸控介面直覺操作。除了提供RS-422/RS-485 MODBUS® RTU、乙太網路、以及PROFIBUS® DP等這些先前已配備的介面外,最新推出的DICON touch還能透過PROFINET控制器進行連結與通訊。這項功能歸功於其內部整合fido5000雙埠交換器,其讓用戶能採用各種簡單的網路拓撲進行組建。網路應用已整合的功能,包括評估登錄資料、設定組態、以及線上視覺化的網頁伺服器功能,可配合PROFINET進行即時資料交換。遵循PROFINET標準加上和各家製造商的應用程式相容,都確保產品能通過驗證。

圖3. DICON touch 雙通道流程與程式控制器-首款配備PROFINET介面的JUMO產品

ADI 與JUMO長年持續合作。ADI在2016年藉由併購Innovasic拓展本身在工業乙太網路的版圖。ADI藉此讓客戶跨入各種工業乙太網路應用-證明與JUMO的合作對兩家企業的關係產生了正面影響。在JUMO的協助下,ADI的角色從原本個別元件供應商轉型成真正的設計夥伴。ADI協助JUMO以高度專業的模式針對旗下多通道流程與程式控制器JUMO DICON touch著手開發PROFINET介面。這類的合作為夥伴提供工業4.0領域的全方位專業,因應最新技術趨勢,以及在初期階段及早克服各種艱鉅挑戰。

透過跳脫各界對傳統半導體廠商的認知,突破矽晶技術的疆界,在軟體、系統專才、以及專業知識領域挹注可觀投資。這些知識進一步結合到無與倫比的功能組合,從感測器到雲端,涵蓋完整的訊號鏈。各種挑戰都能在系統層面有效解決,因此不僅能加快開發流程,產品上市時程也會隨之縮短,廠商能提前開發下一代產品藉以取得競爭優勢。

在DICON touch研發過程中,ADI特別推出一款解決方案,在乙太網路協定PROFINET的基礎上著手設計所有元件。當時面對的挑戰是元件必須盡可能通用,為顧客創造大量的可能性。為此DICON touch開發成一項功能強大的模組化概念:簡單的擴充卡,內建標準乙太網路的實體層元件,或是配備PROFINET功能的延伸外掛介面卡。Klaus Otto指出,在研發過程中,我們特別專注在一種PROFINET解決方案,當時市面上還沒有具備這種功能的產品。

除了fido5000 REM 交換器晶片,整合式RapID平台還用來開發DICON touch。這款以fido5000為基礎的完整解決方案展現嵌入式設計的能力。它結合fido5000交換器晶片、通訊處理器、JTAG介面、實體層元件、以及各種記憶體,包括像快閃、SDRAM EEPROM等,所有元件全部嵌在一片機板。下一代的RapID平台還將搭載更強大且更省電的ARM® Cortex®-M4作為通訊協定處理器,用戶可根據本身需求在這個晶片上建置額外的處理功能。在DICON touch的開發方面,RapID平台的現有屬性,像是預先驗證工業乙太網路協定,都是JUMO注重的特性。能在RapID平台下載包括電路圖與佈線資料等所有相關資訊,讓用戶省下可觀的研發時間。RapID另一項有趣功能,同時也出現在DICON touch的功能就是整合式網頁伺服器,能用來輕易讀取或修改各種網路參數以及輸入/輸出資料。另外,用戶還能透過RMII 與I²C介面設定實體層元件。此外,由於韌體已鏡射複製到DICON touch,因此在開機後系統就能更新PROFINET模組。

因此,RapID平台針對DICON推出的彈性組態,讓客戶能進行韌體更新以及網路存取。此外,在DICON touch的研發方面,創意空間完全沒有限制。舉例來說,PROFINET其中一項重要功能標準LED閃光,該功能並非建置在電子元件。DICON touch配備完整的LCD顯示器就具備閃光功能。

在DICON touch的研發方面,網路安全也扮演關鍵觸角。對於工業控制器而言,沒有辦法用萬用型解決方案來維護網路安全。防護較全面的作法必須對系統進行風險評估。ADI的安全策略側重在盡可能讓所有乙太網路元件都安全無虞。因此目前的工業乙太網路以及TSN時效性網路解決方案成為公司安全研發的其中一項焦點。以fido5000為基礎的RapID平台補強多項安全功能,提供包括密鑰管理、安全開機、安全更新、以及安全記憶體存取等機制,協助抵禦各種網路攻擊。

圖4. 採用fido5000的RapID平台已推出評估套件

總結

透過fido5000 使用以及RapID 平台為夥伴的各種應用提供解決方案,以因應未來的各種需求,包括即時功能、可靠度、安全等。藉此不僅為客戶提供產品,更促成合作或支援其研發工作的可能性。這樣合作的優點已展現在新推出的JUMO DICON touch流程控制器。這項專案的成功,見證業界能在可控管的時間內聯手開發出安全、可靠、具前瞻性的解決方案。


Author

Thomas Brand

Thomas Brand

Thomas Brand began his career at Analog Devices in Munich in 2015 as part of his master's thesis. After graduating he was part of a trainee program at Analog Devices. In 2017, he became a field application engineer. Thomas supports large industrial customers in Central Europe and also specializes in the field of Industrial Ethernet. He studied electrical engineering at the University of Cooperative Education in Mosbach before completing his postgraduate studies in international sales with a master's degree at the University of Applied Sciences in Constance.