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开放性与即时性兼具 EtherCAT市场潜力十足
 

【作者: 王明德】2018年08月22日 星期三

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现场汇流排(Fieldbus)一直是运动控制的重要环节,相较於其他系统,运动控制对即时性的要求非常高,也因此此一领域的通讯标准向来封闭,近年来由德商BeckhoFF所制定的EtherCAT,凭藉其开放、高速与即时性,在自动化市场声势惊人,多数业者都看好此标准的前景,纷纷投入发展。


业者表示,就成本来看,过去现场汇流排的成本比脉冲式传输模组高,因此即便精度与速度都更为理想,但使用者仍多选择脉冲式,不过现场汇流排近年来售价逐渐下跌,尤其是EtherCAT在供需齐步上扬後,价格与脉冲式模组的价差,已然让厂商愿意选择EtherCAT。


在架构方面,脉冲式与现场汇流排的主要差异在於内部的布线,现场汇流排的布线较为复杂,因此需要一定的技术,不过台湾工程师的技术水准都不差,可以克服这部分的难度,只要具有相关技术,现场汇流排的布线并不是难题,而虽然内部布线复杂,但是现场汇流排对外连接只有一条缆线,因此抗干扰的能力,要比脉冲式更高。



图1 : 脉冲式与现场汇流排的主要差异在於内部的布线,现场汇流排的布线较为复杂,因此需要一定的技术。(摄影/王明德)
图1 : 脉冲式与现场汇流排的主要差异在於内部的布线,现场汇流排的布线较为复杂,因此需要一定的技术。(摄影/王明德)

观察目前的趋势发展,现场汇流排已逐渐取代脉冲式,而其中EtherCAT又是声势最强的标准,EtherCAT在中国市场的应用越来越高,未来有可能取代日商安川主导的MECHATROLINK标准,至於西门子的PROFINET,虽然目前仍多使用於该公司的系统,但其市场占有率仍然最高,预估此一趋势仍将持续,不过EtherCAT的市场潜力也相当值得期待。


开放性与效能俱优

从架构面来看,EtherCAT总线网段只是一个可接收和发送乙太网路封包的大型乙太网路设备。但是该设备不包含带下游微处理器的单个乙太网路控制器,而只包含大量的EtherCAT从站,与其它任何乙太网路一样,EtherCAT不需要通过交换机就可以建立通讯,因而产生一个纯粹的EtherCAT系统。


EtherCAT协议优化了过程数据进行,它被直接传送到乙太网路,或被压缩到UDP/IP数据讯息中,UDP协议在其它子网中的EtherCAT网段由路由器进行寻址的情况下使用,乙太网路可能包含数个EtherCAT讯息,每个讯息专门用於特定储存区域,该储存区域可编制大小达4GB的逻辑过程镜像。由於数据链独立於EtherCAT端子物理顺序,因此可以对EtherCAT端子进行任意编址,从站之间可进行多点传送和通讯。


除了符合主站/从站原理的数据交换外,EtherCAT还非常适用於控制器之间的通讯,可自由编址的过程数据网络变量以及各种叁数化、诊断、编程和远程控制服务,可以满足众多要求。


透过EtherCAT,系统可以落实用传统现场总线系统所无法达到的控制,让总线也可以形成超高速控制??路,以前需要本地专用硬体支援的功能,即可在软体中运作,大量的频宽资源使任何数据可并行传输,EtherCAT技术使得通讯技术与高效能的工业电脑无缝相容,总线系统不再是控制系统的瓶颈。


在网路拓??方面,EtherCAT支持几??所有拓??结构,因此现场总线的总线形结构也可用於乙太网路,将总线和分支结构相结合特别有助於系统布线,由於其通讯埠都位於耦合器上,无需使用附加交换机,此外也可以使用以传统交换机为主的星形乙太网路拓??结构。


采用不同的传输电缆可以大幅发挥布线的灵活性,灵活而低价的标准乙太网路??接电缆可通过乙太网路模式或通过E总线传输讯号,光纤则可以用於特殊的应用场合,乙太网路频宽可以结合交换机或媒介转换器使用。快速乙太网路的物理特性可以使设备之间的距离达到100米,而且EtherCAT系统最多可容纳65535个设备,因此整个网络几??是无限制扩充。


市场从观??期迈向导入期

就整体市场发展来看,在智慧制造概念的推动下,投入EtherCAT的设备制造商逐渐增多,原已投入的厂商则开始加码研发,从市场反应来看,市场对EtherCAT已从过去几年的观??进入尝试导入的阶段。


业者指出,一般制造业者导入新机台的动机只有两个,一是降低成本,二是提升效率,例如制造设备的运动控制轴数为64轴,如果是使用8轴控制卡,就会需要8张,而现在市场的解决方案,可让每一轴成本都只需原有的30%,虽然如此惊人的成本缩减必须佐以特定条件,不过在其他条件下,也会有相当幅度的成本减少,这对资金需求向来庞大的制造商而言,相当具有吸引力,另一个则是效率的提升,若使用者目前使用脉冲式运动控制卡或传统的RS-422、RS-485序列式介面卡片,这些类型的运动控制卡无法做到精准的同步控制,为了提升产线效率,制造业者就会导入EtherCAT产品。


除了上述两种导入动机外,在设备制造商的研发下,系统升级的成本大幅下降、难度降低、时间缩短,也是使用者愿意导入EtherCAT的动机之一,目前台湾多数工控设备厂商都已在EtherCAT投入大量资源研发,并强化产品上市时间。



图2 : EtherCAT已可满足现有智慧制造系统的需求,在中长期来看,EtherCAT在工业通讯市场的重要性将会逐渐提高。(摄影/王明德)
图2 : EtherCAT已可满足现有智慧制造系统的需求,在中长期来看,EtherCAT在工业通讯市场的重要性将会逐渐提高。(摄影/王明德)

至於更换EtherCAT与否的考量,同样可从成本与效能来看,EtherCAT的主诉求是可以在乙太网路架构下多轴精准同步,因此业者可计算每一轴数的单一成本,通常来说,8轴以下的系统并不会考虑导入EtherCAT,16轴以上则不需考虑,因此8轴到16轴之间通常会是两难,如果使用生产线均使用同一厂牌的马达,则只需要更换驱动器,若使用不同马达,就须视整体系统状况,例如从站I/O点的数量与分布,就会影响导入的成本与时间。


目前市场的智慧制造趋势已然形成,未来制造设备必须具有高精度、高整合能力,才能谈到高效率的弹性生产,就技术面来看,EtherCAT虽然并非无懈可击的技术,但就整体而言,它已可满足现有智慧制造系统的需求,在中长期来看,EtherCAT在工业通讯市场的重要性将会逐渐提高,目前绝大多数厂商也都早已提出相关解决方案,在有多元选择的状况下,制造业者已可积极考虑EtherCAT的导入,提升本身竞争力。


**刊头图(Source:CTIMES)


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