工業乙太網路使用專用協定強化網路穩定性,5G IIoT網路布建上雖較有線系統簡易,但是應用穩定性則有待時間進一步檢驗,
AOI這類對5G有高度需求的應用,與新興的AMR可能是第一波導入的亮點。
5G工業物聯網(IIoT)可以有效提升生產效率,並強化產業競爭力,不僅電信營運商積極推動,產業界對導入也有高度興趣,不過受到新冠肺炎疫情影響,3GPP R16技術標準制定並不順利,晶片與系統解決方案預計要到2022年以後才會陸續問世,工業環境對於穩定性的要求極高,不僅需要進行耗時繁瑣的驗證,可以進入產線實際運作要考慮的環節也很多,如何兼顧穩定與效能提升,也是這個階段產業關注的熱點。
工業物聯網穩定/可靠性為首要
IIoT的發展已經有一段時間,早期以有線的工業乙太網路為主,與一般網路相較通常需要使用更穩定的連接器、電纜並要求高可靠性。而為了獲得更高的可靠度,工業乙太網路會使用專用協定,目前較受歡迎的工業乙太網路協定包括:PROFINET、EtherNet/IP、EtherCAT、SERCOS III以及POWERLINK等。工業乙太網路協定會修改標準乙太網路的協定,以確保不但能正確發送和接收特定的製造資料,還能在需要執行特定操作時,準時發送和接收資料。
工業乙太網路對於效能的要求除了高可靠性與低時間延遲之外,德州儀器半導體行銷與應用產品應用經理林家賢提到,電磁干擾(EMI)、電磁相容(EMC)與靜電放電(ESD)也是工業應用很重要的考量因素。抗電磁干擾性差的系統會輻射大量能量,擾亂周遭的敏感裝置並降低效率,因為能量在輻射中被浪費。電磁相容差的設計會使系統高度敏感並導致性能問題。而靜電放電是一種突然進入系統的電流,並與帶電體接觸,靜電放電事件很短,但其會對系統注入大量能量。如果裝置的設計不能承受這類事件,對裝置來說是具毀滅性的,通常會導致裝置毀壞。
林家賢強調,工業級乙太網路實體層應具有低確定性延遲,符合工業等級EMI/EMC標準,並能抵抗ESD事件。TI的乙太網路產品組合包括DP83867工業Gigabit乙太網路實體層和DP83826E 10/100乙太網路實體層等,能滿足這些要求。而西門子製程監測系統資深產品經理林瑞媛(圖1)也指出,工業應用環境複雜,有很多場域如礦場、油田、化學工廠、煉鋼廠等高溫、高濕、高壓的惡劣作業環境,使用無線網路有其便利性,但是有線網路運作的可靠性,對於廠商而言信賴度更高。
西門子在工業領域已經有悠久的經驗,隨著智慧製造的發展,也提供工業網路解決方案,林瑞媛表示,在導入相關服務的廠商中,穩定、可靠性是最基本的要求,但是時間延遲卻是最能發揮網路效能的指標,目前該公司的網路服務以工業乙太網路搭配工業等級Wi-Fi為主,有線網路時延最低可達2ms,無線網路時延也可低達17ms。
5G IIoT提升現有應用能力/導入新應用
5G IIoT在網路布建上較有線系統簡易,尤其是在戶外大範圍且環境惡劣的場域,URLLC技術指標可以達成工業等級的要求,但是應用穩定性則有待時間進一步檢驗,林瑞媛認為,工業網路朝5G發展是趨勢之一,但是應用導入應該是漸進式的。同時對於希望透過5G強化產線智慧化與核心競爭力的廠商,她建議要先了解5G特性,接著體檢自己的產業特性與應用需求,最後找到市場上可靠的廠商以導入5G IIoT應用解決方案。
現有已經導入工業網路應用的廠商,可能要花上多年時間逐步汰換舊有的網路架構,所以現有應用中對5G有高度需求的應用可能率先採用,u-blox業務開發經理陳曉誾(圖2)說,像是即時光學檢測(Automated Optical Inspection, AOI)需要利用高速、高畫質影像搭配機器視覺技術找出產線上的瑕疵品,5G的高頻寬與低延遲特性就有很大的發揮空間;另外一類為5G帶動的新應用,如自主移動機器人(Autonomous Mobile Robot, AMR),可以遠端即時控制並自主避障,不用依靠地上的磁條可自由移動,除了是智慧製造的好幫手之外,還可以應用在餐廳、醫院、飯店等,也是最熱門的防疫概念零接觸應用。
而透過與廣泛布建蒐集特定溫度、濕度、氣壓等訊息的物聯網終端合作,大範圍廠區的巡檢可以更加智慧化與自動化,過去許多工安意外通常肇因於人為疏失,陳曉誾強調,導入5G IIoT除了讓環境監控更輕鬆、聰明之外,機器設備可以進行24小時全年無休的監控,還可以節省人力,並避免因為惡劣環境造成的危險,同時維修不僅更即時,也可以預先了解問題所在。