从现场网络到TSN,工厂通信基础设施的进化的主要图片

让制造业DX成为现实的智能工厂

从现场网络到TSN,工厂通信基础设施的进化

在智能工厂,一边在工厂内的各种装置和设备以及企业基干信息系统和云端之间交换数据,一边进行有效和高效的产品制造。而且,在工厂内外进行交换数据时,使用了一种被称为“工业网络”的网络技术,它与一般的办公室和家庭中使用的网络技术不同。工业网络是一种根据处理的数据量、内容、在工厂的使用目的和使用环境提高了数据通信质量、可靠性、实时性和安全性等的通信技术。

近年来,以太网和Wi-Fi®等网络已经变得足够快,可以实时传输高清视频数据。即便如此,从通信质量、可靠性、实时性等方面来看,还有一些在工厂中难以使用的地方。

例如,尽管在视频网站上单击了要观看的视频的缩略图,但视频却长时间未显示,让人感到焦急。但是,在工厂可能会导致出现更严重的问题。例如,装置发生了故障,尽管发送了紧急停机信号,但信号延迟了,如果发生了这样的情况怎么办?现场可能会继续生产有缺陷的产品,导致遭受巨大的损失。在工业网络中,网络技术融入了防止这种情况发生的功能。而现在,考虑到智能工厂的进一步进化,工业网络技术已经从被称为“现场网络”的传统控制通信技术进化为更高速、更易于使用的、基于以太网的“TSN(Time-Sensitive Networking)”。

从装置控制到生产线管理和企业整体的运营优化

在工厂使用的工业网络主要有两种类型(图1)。一种是现场网络,它通过PLC(Programmable Logic Controller)进行传感器的数据交换,传感器检测生产线上的装置和设备的控制数据和在制品的状态。另一种是“控制器间网络”,它连接多个PLC和生产线监控系统。

工业网络的构成图片
图1 工业网络的构成

近年来,除了工厂内部的工业网络之外,还开始与管理多个工厂的运营状况、整个公司的零部件和材料采购以及库存信息等的基干系统合作。由于构建基干系统的信息网络与工厂内的工业网络相距较远,因此两者在很多情况下通过公共网络连接。因此,为了保护高度机密的生产信息免受网络攻击等而通过防火墙进行连接。

工业网络有多种不同特点的标准

工业网络协议有多种标准,在特点、使用场景和兼容设备上各不相同。

在工厂自动化发展之初,现场总线使用车载网络标准“CAN(Controller Area Network)”和串行通信标准“RS-485”等。之后,为了发展成为可以应用于更先进的FA的、高速、高可靠性标准,FA设备制造商和制造业的行业团体提出了几个独自的标准。在全球范围内,由德国的行业团体PROFIBUS & PROFINET International策定的“Profibus”等被广泛使用,而在日本,“CC-Link”和“MECHATROLINK”等得到了广泛使用。

控制器间网络也有许多标准,例如“PROFINET”、“EtherNet/IP”、“EtherCAT”、“Modbus TCP/IP”、“CC-Link IE Field”和“Sercos III”等。在该领域,基于以太网的方式正在被越来越多地采用。上面列出的所有标准都是基于以太网的技术。基于以太网的方式之所以得到普及,是因为人们希望与信息网络合作。通过使用被称为“OPC UA”的数据交换规格标准,可以用IP地址对所有连接的设备进行一气呵成式管理和控制。

在工厂也被越来越多地使用的无线通信

随着智能工厂的建设和企业数字化转型(DX)不断推进,越来越多的机器和设备现在通过网络连接起来。因此,现在需要可以应用于更多种类的设备并支持更多使用场景的新网络技术。

为了满足这些需求,已经出现了各种标准能够在以太网环境中进行实时通信的标准技术。那就是TSN(图 2)。它是一种在用于OA等的以太网中融入时间同步、确保能够实时通信的频带、通过冗余提高可靠性以及通过断开信息泄露节点来提高安全性等满足时代要求的各种功能,使其能够应用到工业方面并且仅用以以太网为基础的标准就能将智能工厂内的通信统一的技术。

通过TSN将工厂内的网络统一为基于以太网的网络图片
图2 通过TSN将工厂内的网络统一为基于以太网的网络

而且,使用无线LAN和Bluetooth® 等短距离无线通信将工厂中设置的装置和设施连接到网络的动向越来越活跃。如果将传感器通过无线连接,就可以将它设置在迄今为止无法设置的地方,线路的布局变更也变得更加容易。但是,Wi-Fi®和Bluetooth®的通信质量和可靠性不如工业网络。因此,有人开始尝试使用实现“超高速”、“超低延迟”和“多数同时连接”的第五代移动通信系统(5G)来代替工业网络。在日本,已经启动了仅在特定区域内为5G基站授予许可的“本地5G”制度,有望用于智能工厂。在5G中,预计也可使用TSN技术,使工厂的数据利用更加有效和高效。

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