迈向智能工厂 工业以太网络架构
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工业自动化仪器设备种类繁多，每种仪器的操作、控制、设定方式皆不同，且采用各自的通讯协定，使得各种机台的整体掌控上难度增加、维护不易，更让生产各项信息的整合困难重重。为让各机台的控制、传输方式，有统一的协定，产业正推广工业以太网络的通讯标准，让电脑、控制器、机台设备、传感器等工业自动化仪器，都能有统一的标准，来互向沟通，以迈向建构新一代智能工厂的目标…
工业自动化设备的导入，不仅可以减少人力、物力，提升制造业的生产效率与产品品质，更可以节省生产成本。不过，传统工厂的仪器设备，数据大多透过序列埠/汇流排(Serial Port/Bus)、以其封闭？叠层的通讯协定来传输，这些工业通讯协定大多是厂商自己的规格，没有共通的标准，当然也缺乏与其他设备的互通性。
因此在这样的工业网络架构之下，其机台站点数、网络拓墣、传送距离、数据传输率等因素就被限制住，因此要扩厂的时候，往往会因为这些限制，而增加扩充的便利性，甚至影响产能的提升。
由于各产业所使用的工业自动化设备皆不相同，因此控制方式、汇流排设计、通讯协定等规格也有所不同。以工业网络？汇流排技术的层级来看，我们可以分成4个层级，也就是：第一层以位元级感应器(bit-level sensor)场域端，就有CAN、SerialPlex、LonWorks、ASI等协定，第二层装置端(device)就有DeviceNet、InterBus、PROFIBUS PA与H1 Fieldbus等，第三层的控制端(control)则有HSE Fieldbus、ControlNet和PROFIBUS DP，而最上层的企业端(enterprise)则是采用Ethernet(以太网络)。
上述的每个层级中，由于通讯协定皆不同，而离散控制类和程序控制类的生产仪器，其通讯协定更是两个世界。也因为控制、驱动、运动控制等工业自动化仪器的驱动器？控制系统，有各种不同通讯协定，往往增加信息在跨层传输上的困难度，且由于硬件设备的不同，接口不一，使得工业控制网络的设计上，必须提供各种不同的连接埠，种造成生产人员在产出报表、生产履历等信息蒐集上的困难度。
为让信息能够透通，业界推动使用以太网络(Ethernet)来应用在工业环境，以提升工厂内不同供应商之间机器的互连性。以太网络为资通讯产业的标准，当工厂设备纷纷采用以太网络来做为通讯协定标准之后，上述各层级之间的信息就能完全串起来，使工厂设备到管理者的电脑都能信息透通，达到实时控制、监控、管理等目标，以提升企业整体竞争力。
工业以太网的通讯协定简介
工业以太网络(Industrial Ethernet)运用IT产业所流行的以太网络(Ethernet)做为标准，取其TCP/IP通讯协定，可兼容于IEEE 802.3的标准。由于各工业设备的应用不同，因此应用层(Application Layer)也加入了不同的协定，让主控电脑仍可控制传统的机台。
在速度上，传统的RS-485只提供9.6k、19.2k、93.75k、187.5k、500k、1.5M、3M、6M、12M bps不等的传输速度，而Ethernet基本盘就从10M bps起跳，主流的是100M bps，而现在更有1Gigabit、10 Gigabit的超快传输速度。
在兼容性方面，传统序列埠的机台，必须加装转换器才行，且线材有多种样式，维护困难。而Ethernet只要使用一般CAT-5e、CAT-6网络线即可(速度可达1Gbps)，不仅容易取得，成本低廉，且可以使用的路由器(Router)、网络交换器(Switch)、集线器(Hub)、网络线？光纤(Fiber Optic)等装置或线材来做连接，连接的节点可以更多，传输距离也可以拉得更长，使得管理、维护、扩充上更加方便、容易。
由于以往的PLC采用开放或封闭的通讯协定(如Modbus、Profibus等等)，做为主从站之间的通讯，当越来越多设备改用工业以太网做为MAC(媒体存取控制)层和Data Link Layer(数据连结层)的通讯协定，其Application Layer(应用层)仍采用这些协定，并延伸出新的协定，这些通讯协定，包括Modbus TCP/IP、EtherCAT、Ethernet POWERLINK、PROFINET、EtherNet/IP、Sercos III等等。
Modbus最早是由Modicon(已成为Schneider子公司)为PLC所发展的通讯协定，透过RS232和RS485来传输，其Modbus RTU(线上终端控制系统)采用紧凑、二进位的传输方式，常见于工厂SCADA(数据采集与监视控制系统)用来监控电脑和RTU。
至于Modbus TCP/IP则是由Modbus RTU所衍生出来的协定，其采用标准TCP/IP堆叠层，因数据模型和功能呼叫上都是相同的，仅有封装方式不同，因此能与既有设备兼容。
EtherCAT是Ethernet for Control Automation Technology的缩写，最早由德国Beckhoff公司研发，现其规范由ETG (EtherCAT Technology Group)协会来统筹管理。EtherCAT主要是针对以太网应用在自动化领域而生的通讯协定，其利用「飞速传输」(on the fly)的传输技术来改善以太网格(64个位元组)的使用效率，能将多个从站数据，封装成一个数据封包后一并丢出，可利用的数据达90%以上，充分利用到整体网络带宽。
在实时性部分，EtherCAT藉由量测各从站设备的返回时间差，能做到误差仅一微秒(1µs)的精确同期控制。EtherCAT在效能、Jitter(抖动)、成本效益、同步性、运动控制等都特别显着，因此获得ABB、BAU、Schneider、三星(Samsung)等大厂的工业设备所支持。
Ethernet POWERLINK则是由B&R Automation公司所提出的专有网络协定，现由EPSG(Ethernet POWERLINK Standardization Group)组织来管理。POWERLINK其本质是采用CANopen over Ethernet搭配定制化的堆叠层，来提升工业网络传输的实时性，且其协会提出的openSAFETY可在架构于其他竞争者的通讯协定上，提供工厂环境更安全的传输与控制需求。
PROFINET最早是由西门子所开发，现为PI (PROFIBUS and PROFINET International)公司来管理。PROFINET提供3种工作层级：TCP/IP的非实时应用、实时应用，以及运动控制的同步实时应用。PROFINET I/O堆叠层可达到最佳化效能。
至于EtherNet/IP则最初是由Rockwell Automation所开发，现由ODVA (Open DeviceNet Vendors Association)协会来统筹制定与管理。EtherNet/IP为CIP(通用工业协定)的延伸协定之一，赋予工业以太网络的实时通讯能力，并能与相同上层CIP协定的DeviceNet和ControlNet通讯协定共存共容。
工业级以太网络 控制与互连兼顾
如今，以太网络(Ethernet)在工业领域的应用范围极广，包括离散生产、食品加工、提炼、挖凿、运输、矿业、发电、废弃物？污水处理等产业。也由于工业环境不同于一般环境，其对湿度、振动？震动、尘垢、EMI/RFI (电磁？射频干扰)、腐蚀、气体的条件，都比一般环境较为，因此工业级以太网络产品，在线材？连接埠的品质设计、抗突波？杂讯？干扰…等用料设计与使用寿命，都比一般IT级产品还高档。
在网络的拓扑设计上，以太网络具备星状、环状、网状(mesh)。可连接网络上的实体、逻辑或虚拟的元件，除了传统的主(master)从(slave)架构外，也可以使用点对点(P2P)技术，应用在数据采集装置或控制装置，会有更佳的互操控性。
以数据采集装置为例，只要将PC连接到工业以太网络交换器(Switch)，再连接到机台的中控PLC、I/O装置、机械手臂等装置，就能采集到温度、湿度、I/O频率等数据；而控制装置部分，将PC连接到Switch之后，可以再连到本地端PLC(以连到中央厂房控制柜)，或连接到其他接线面板、机械手臂、其他I/O装置、无线节点、其他IP装置(如IP摄影机、读卡机、暖通空调控制器等等)。
透过工业以太网络连接到工厂的各式仪器，将有助于控制端中央管控与数据采集，且可连接到企业内部的ERP系统，将工厂数据与财务、运筹、CRM、生产单位做连结，进而将数据授权给上游供应商与下游客户来使用，让产业链夥伴的结合更加密实。
