新連線技術如何降低工業 4.0 的障礙

現今工廠的網路架構持續演進,帶來更高效率、安全性和永續性

8月 30, 2023

過去數十年來,網路智慧已經充斥在我們的城市、住家和辦公室中,強化了從恆溫器到交通號誌燈的一切事項。隨著製造商考量如何透過連線能力和數位化或工業 4.0 的進化來提高生產,這種演變已經蔓延到工廠車間的製程當中。

高速資料 (HSD) 副總裁兼總經理 Ahmed Salem 表示:「大多數人都在家中藉由將邊緣節點或終端連線到網際網路來體驗自動化。同樣地,工業 4.0 涉及將資訊技術創新與營運技術相結合,使製造系統變得更加智慧,且更具有自主性。」

工業 3.0 是由傳統重工業使用的籠式機器人所定義,其往往只執行有限數量的可重複任務,而工業 4.0 則與具有足夠智慧的機器人相關,該機器人可以與人類一起安全、自主地工作,包括組裝從汽車和飛機機翼到智慧型手機和筆記型電腦的任何物品。

解決速度和可靠性之間的取捨

透過持續開發時效性網路 (TSN)、EtherCAT 和 Profinet 等業界標準和協定,現代工廠的網路架構趨勢是提高效率、安全性和永續性。

Ahmed 說道:「在您家中,當發生同步處理問題或資料遺失問題時,只是會令人沮喪。但就工業自動化而言,可靠性和可靠的通訊卻極其重要,因為資料遺失的後果可能須付出高昂代價,甚至造成災難。」

即使是發生像控制訊號傳輸時意外延遲幾毫秒這樣簡單的問題,也可能導致壓縮天然氣機器不同步,進而造成永久性損壞。在最壞的情況下,連線中斷可能導致機器人手臂操作失控,造成危害狀況。

由於這些原因,工廠傳統上須依賴經過嘗試和測試的通訊技術及確定性通訊,保證在設定好的時段內傳送所有控制訊號。然而,這些技術大多數具有速度慢的缺點,這阻礙了從以感測器為主的智慧控制系統中受益所需的快速和大量資訊流。

相比之下,乙太網路長期以來不斷提供先進自動化所需的頻寬,最高速度可達數十、數百甚至數千 MB。EtherCAT 和 Profinet 是專為克服工業環境挑戰而設計的工業乙太網路通訊協定範例。使用工業乙太網路的新工業通訊裝置百分比,已從 2016 年1的 38%,增加到今年2的 68%。

此外,TSN 標準的發展使乙太網路成為控制網路的一部分,具有像高準確分散式時鐘和時效性控制訊息自動優先等出色功能,可保證在指定時段內傳輸。

我們的產品組合廣度涵蓋這些連線能力解決方案及其他更多內容,無論是有線還是無線,都通過實證和測試,符合最高工業、汽車和監管標準。

使用傳統基礎架構

雖然較新的通訊協定和 TSN 可能使乙太網路適合在工業控制環境中使用,但安裝成本仍是造成其滯礙難行的主要障礙。

傳統上,乙太網路是圍繞多條雙絞線電纜所設計,最大長度可達 100 公尺。這表示希望採用乙太網路的製造商不僅需要更換所有佈線,而且可能必須變更圍繞較舊的單對技術建造的整個工廠佈線圖,這些技術允許電纜長度達好幾公里。

大多數製造商都承受不起將生產線停止數週以更換昂貴基礎架構的高昂代價,因此單對乙太網路 (可透過工廠現有電纜運作) 的開發一直是採用的關鍵。

乙太網路聯盟產業聯盟主席 Peter Jones 表示:「單對乙太網路是一種易於採用的乙太網路版本,無需從根本變更製造廠的建構方式。與其期望工廠符合現代資訊技術的要求,不如主動找他們並當面詢問:你們需要什麼,我們能提供什麼協助?」

身為乙太網路聯盟成員的 TI,致力於利用支援單對、多對或光纖佈線的實體層收發器系列,協助開發多種形式的工業乙太網路。這些產品使自動化系統設計師能夠選擇我們的 10/100Mbps 和 10/100/1000Mbps DP838x 工業乙太網路收發器的高速和低延遲,或我們單對 DP83TD510 收發器的 2 公里電纜範圍。所有收發器都能抵禦工廠環境的高溫和電磁雜訊。

TI 專家討論互連工廠的最新趨勢,包括預測性維護、時效性網路,以及乙太網路如何繼續引領工廠轉型以達成工業 4.0 的數位化及連線需求。

製造業精簡高效的未來

打造工業的未來是一個持續的進程。隨著複雜感測器的價格日益經濟實惠,人工智慧 (AI) 功能變得越來越複雜,對更高通訊頻寬的要求也不斷在增加。

但伴隨這些挑戰而來的卻是可創造更永續、更高效製程的機會。

專為支援邊緣 AI 而設計的處理器 (例如我們的 AM6xA 處理器產品組合) 可能完全不需要與集中式可編程邏輯控制器進行通訊。在本機執行機器視覺演算法讓機器人不僅能夠與人類一起工作,甚至可以向人類學習;例如,透過適應來支援個人以偏好方式執行一系列組裝任務。

從長遠來看,工業 4.0 還涉及對關鍵系統 (包括感測器、致動器和連接它們的通訊基礎架構) 的持續監控,以及對預測性分析的部署,可自動預測何時需要進行維護或維修工作。

對於較新的視覺型機器人系統,V3Link 等技術可實現低延遲、同步且可擴展的未壓縮視訊傳輸,有助於避免在工廠車間發生事故。

加強人類和其他機器人之間的協調性,需要進階本機處理和無線連線,以實現可靠的室內定位系統 (請參閱 Wi-Fi藍牙低功耗 (BLE) 和 Sub-1Ghz/BLE 的重要選項)。

Ahmed 說道:「為進行維護而關閉工廠的成本代價過高。如果按照定期計畫操作,那麼無論有無需要,都必須定期進行此操作。相反地,預測性維護是指您可以僅在需要時執行維護工作,進而避免掉不必要的停機和浪費。」

對於個別製造商來說,這些安全性、效率和永續性的改進,比選擇性的優勢更加重要。處理器副總裁兼總經理 Roland Sperlich 曾表示,在我們尋求最佳化系統以更強勢應對 21 世紀的挑戰時,這些對於整個社會來說都是極其重要的步驟。

他說道:「在接下來的 10 年裡,我認為我們將開始看到感測器技術和邊緣 AI 展現改變功耗的能力;例如,允許我們動態關閉工廠的部分功能,然後當我們需要它們時,快速將它們上線。由於世界各國都面臨著必須適應不斷增加的人口數和過度消耗的電網,這些創新對於實現我們客戶想要的和我們所有人都需要的節能,實在是太重要了。」

1請參閱「2016 年工業網路市場佔有率2016  6  30  (控制驅動器和自動化)

2請參閱「2023 年工業網路市場佔有率2023  5  5  (HMS)