PLC通訊規範

為什麼PLC通訊規範如此重要？

想像一下，如果工廠裡的每台設備都說著不同的「語言」，那麼它們之間就無法協調合作。PLC通訊規範就解決了這個問題，它帶來以下好處：

• 互通性： 讓來自不同製造商的PLC、感測器、執行器等設備能夠相互「理解」並協同工作。

• 數據交換： 定義了數據的格式、傳輸方式和錯誤處理機制，確保數據能夠準確、可靠地傳輸。

• 控制與監控： 使得中央控制系統（如SCADA）能夠遠端監控設備狀態、發送控制指令，實現自動化和智慧化管理。

• 系統整合： 方便將不同的自動化元件整合到一個統一的控制系統中，簡化系統架構和維護。

• 擴展性： 許多通訊規範都考慮了未來擴展的需求，方便增加新的設備或功能。

常見的PLC通訊規範 (協定)

PLC通訊規範種類繁多，根據其物理層、傳輸速率、應用領域和製造商偏好等因素，可以分為幾大類：

1. 串列通訊協定 (Serial Communication Protocols)

這是最早期的通訊方式，成本較低，但速度和傳輸距離有限。

• RS-232:

  • 特點： 點對點通訊，單一主機連接單一設備。傳輸距離短（約15公尺），速度較慢。

  • 應用： 通常用於PLC與電腦、印表機或HMI的短距離直接連接。

• RS-485:

  • 特點： 多點通訊，可連接多個設備（通常最多32個，但可透過中繼器擴展），傳輸距離較遠（可達1200公尺），抗干擾能力較強。半雙工通訊。

  • 應用： 廣泛用於連接現場儀器、感測器和多個PLC之間的通訊。

• Modbus RTU/ASCII:

  • 特點： Modbus 是工業自動化領域最普及的開放式通訊協定之一，由Modicon（現為施耐德電機旗下）開發。Modbus RTU 使用緊湊的二進位訊息，而 Modbus ASCII 則使用 ASCII 字符。簡單、易於部署和維護。

  • 應用： 廣泛用於各種儀器儀表、感測器、變頻器與PLC之間的數據交換，尤其適用於簡單的資料讀取和寫入。

2. 工業乙太網路協定 (Industrial Ethernet Protocols)

隨著乙太網路技術在工業領域的普及，工業乙太網路協定成為主流，提供更高的速度、頻寬和更強的整合能力。

• Modbus TCP/IP:

  • 特點： 將傳統 Modbus 協定封裝在 TCP/IP 協定中，透過乙太網路進行通訊。速度更快，傳輸距離更遠，可利用現有的IT基礎設施。

  • 應用： 常用於PLC與SCADA系統、MES 系統、或其他網路設備之間的高速資料交換。

• PROFINET (Process Field Network):

  • 特點： 由 Siemens 主導開發，用於取代 PROFIBUS。它是一種高效率、實時的工業乙太網路協定，具備高速度、高同步精度和高度模組化等特性。

  • 應用： 廣泛應用於工廠自動化、過程控制、運動控制和機器人等需要實時通訊和複雜控制的應用場景。

• EtherNet/IP (Ethernet Industrial Protocol):

  • 特點： 由 ODVA (Open DeviceNet Vendors Association) 開發，基於標準乙太網路和通用工業協定 (CIP)。提供高速數據傳輸、廣泛的兼容性，並易於與企業級系統整合。

  • 應用： 在北美地區特別流行，用於PLC、感測器、執行器和HMI之間的高速通訊，以及與企業資訊系統的整合。

• EtherCAT (Ethernet for Control Automation Technology):

  • 特點： 由 Beckhoff Automation 開發，專為高速、低延遲和高同步精度應用而設計。其獨特的「即時處理」原理使其在運動控制等應用中表現出色。

  • 應用： 主要用於機器人控制、運動控制、精密製造等對同步性要求極高的應用。

3. 其他現場匯流排協定 (Other Fieldbus Protocols)

這類協定介於串列通訊和工業乙太網路之間，提供中等速度和多點通訊能力。

• PROFIBUS (Process Field Bus):

  • 特點： 由 Siemens 和其他領先自動化公司開發的現場匯流排標準。主要分為 PROFIBUS DP (Decentralized Peripherals，用於快速數據交換) 和 PROFIBUS PA (Process Automation，用於過程自動化，可在本質安全環境中使用)。

  • 應用： 廣泛用於工廠自動化和過程自動化領域，連接PLC與分散式I/O、變頻器、儀器儀表等。

• DeviceNet:

  • 特點： 基於 CAN (Controller Area Network) 匯流排技術，由 Allen-Bradley (現為 Rockwell Automation) 開發。可在同一纜線上傳輸數據和供電，簡化了佈線。

  • 應用： 常用於連接簡單的現場設備，如感測器、執行器和小型PLC。

• CANopen:

  • 特點： 也是基於 CAN 匯流排，但定義了更上層的應用層協定。提供標準化的設備描述，方便不同廠商設備的互操作。

  • 應用： 廣泛用於汽車電子、醫療設備、軌道交通和一些工業自動化領域。

4. 資料交換與資訊整合協定

• OPC UA (Open Platform Communications Unified Architecture):

  • 特點： 一種獨立於平台的機器對機器 (M2M) 和機器對企業 (M2E) 通訊協定。它不僅能傳輸實時數據，還能傳輸複雜的資料模型、歷史數據和警報事件，並具備內建的安全性（加密、認證）。

  • 應用： 實現PLC、SCADA、MES、ERP 等不同層級系統之間的無縫、安全的數據交換，是實現工業4.0和智慧製造的關鍵技術。

• MQTT (Message Queuing Telemetry Transport):

  • 特點： 一種輕量級的發布/訂閱訊息協定，專為低頻寬、不穩定網路環境下的物聯網 (IoT) 應用設計。

  • 應用： 常用於將PLC或邊緣設備的數據上傳到雲端平台，實現遠端監控、數據分析和物聯網應用。

如何選擇合適的PLC通訊規範？

選擇PLC通訊規範需要考慮多個因素：

• 應用場景： 需要高速實時控制還是簡單的數據採集？點對點通訊還是多點網路？

• 數據傳輸速率與頻寬需求： 應用對響應速度的要求。

• 實時性要求： 是否需要嚴格的時間同步和確定性傳輸？

• 網路拓撲： 星型、匯流排、環形或樹狀？

• 設備兼容性： 現場已有的設備支援哪些協定？

• 成本預算： 不同協定對硬體和軟體的投資要求不同。

• 製造商偏好： 不同PLC品牌對某些協定有更強的支援或自有協定。

• 未來擴展性與整合性： 是否容易與其他系統整合，是否方便未來擴充。

在台灣，隨著智慧製造和工業4.0的推動，基於乙太網路的工業通訊協定如 PROFINET、EtherNet/IP 和 Modbus TCP/IP 越來越普及，而 OPC UA 和 MQTT 則成為實現OT (營運技術) 和 IT (資訊科技) 整合的關鍵。然而，在許多既有設備中，傳統的 Modbus RTU/ASCII 和 RS-485 依然被廣泛應用。