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智慧製造強調整合 運動控制通訊走向開放性架構
 

【作者: 王明德】   2019年10月29日 星期二

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製造市場競爭態勢日益激烈,精準的運動控制成為新世代自動化系統的建構要因,而負責傳輸控制數據的現場匯流排(Fieldbus),就成為各工業大廠的兵家必爭之地,從市場發展來看,EtherCAT、Ethernet/IP、ProfiNet、Modbus/TCP、Ethernet/PowerLink、MechatroLink與CC-Link IE是目前七大主流標準,這些標準背後都有大型自動化廠商的身影,其中多數標準的前身也都是封閉式架構,近年來智慧製造強調OT與IT整合後,這些大廠開始加入整合元素,讓標準具備開放性特色。


廠商布局有別 工業通訊主流不一

就應用區域來看,各區域的工業通訊標準市占率,會因制定廠商所在與佈局深淺而有不同,西門子運動控制產品經理朱軒逸以PROFINET為例,PROFINET的使用者多為歐系自動化業者,再加上西門子全力拓展大陸市場,因此PROFINET成為歐洲與大陸兩大市場的主流標準,而美國市場則以美商洛克威爾的EtherNet/IP為主。



圖1 : 在各廠商的技術開發下,現在各類型標準的速度與精度都已能滿足市場絕大多數要求,至於開放性則考驗各廠商的整體市場布局。(source:Vogel Italia)
圖1 : 在各廠商的技術開發下,現在各類型標準的速度與精度都已能滿足市場絕大多數要求,至於開放性則考驗各廠商的整體市場布局。(source:Vogel Italia)

至於由三菱電機所制定的CC-Link IE,除了是日本市場的主流標準外,三菱電機深耕70年的台灣市場,早期也多使用其自動化設備,一路下來,至今仍有大量製造業者採用其產品,因此CC-Link IE在台灣也有高度市佔率。


除了CC-Link IE之外,由於台灣自動化產業沒有可主導標準的大型業者,再加上產業特性向來訴求彈性服務,因此在工業通訊領域發展出可橋接各種標準的設備,近年來強調開放性的EtherCAT成為產業熱門技術,台灣多家工業電腦廠商也紛紛推出EtherCAT架構的運動控制器。



圖2 : EtherCAT由德國自動化大廠Beckhoff所制定,目前已是運動控制市場的重要通訊標準。(source:Design News)
圖2 : EtherCAT由德國自動化大廠Beckhoff所制定,目前已是運動控制市場的重要通訊標準。(source:Design News)

觀察脈衝式與匯流排兩種運動控制架構成本,發展多年的脈衝式因技術成熟、投入者眾,因此成本較低。不過由於其精度與速度偏低,因此在匯流排架構出現後,高階製造業者就逐漸捨脈衝式,而採用匯流排運動控制產品,而隨著匯流排市場的擴大,市場上產品漸多,兩者的價差也逐漸拉近,再加上其效能優勢,越來越多自動化設備業者願意採用匯流排運動控制產品,EtherCAT就是其一。


EtherCAT成運動控制重要標準

從架構面來看,EtherCAT總線網段只是一個可接收和發送乙太網路封包的大型乙太網路設備。但是該設備不包含帶著下游微處理器的單一乙太網路控制器,而只包含大量的EtherCAT從站,與其它任何乙太網路一樣,EtherCAT不需要透過交換機就可以建立通訊,因而產生一個純粹的EtherCAT系統。


EtherCAT協議優化了過程數據進行,它被直接傳送到乙太網路,或被壓縮到UDP/IP數據訊息中,UDP協議在其它子網中的EtherCAT網段由路由器進行尋址的情況下使用,乙太網路可能包含數個EtherCAT訊息,每個訊息專門用於特定儲存區域,該儲存區域可編制大小達4GB的邏輯過程鏡像。由於數據鏈獨立於EtherCAT端子物理順序,因此可以對EtherCAT端子進行任意編址,從站之間可進行多點傳送和通訊。


除了符合主站/從站原理的數據交換外,EtherCAT還非常適用於控制器之間的通訊,可自由編址的過程數據網絡變量以及各種參數化、診斷、編程和遠程控制服務,可以滿足眾多要求。



圖3 : 西門子運動控制產品經理朱軒逸指出,速度、精度、開放性兼具的PROFINET,適用於智慧製造系統。(攝影/王明德)
圖3 : 西門子運動控制產品經理朱軒逸指出,速度、精度、開放性兼具的PROFINET,適用於智慧製造系統。(攝影/王明德)

在網路拓墣方面,EtherCAT支援絕大多數拓墣結構,因此現場總線的總線形結構也可用於乙太網路,將總線和分支結構相結合特別有助於系統佈線,由於其通訊埠都位於耦合器上,無需使用附加交換機,此外也可使用以傳統交換機為主的星形乙太網路拓墣結構。


採用不同的傳輸電纜可以大幅發揮佈線的靈活性,靈活而低價的標準乙太網路插接電纜可透過乙太網路模式或總線傳輸訊號,光纖則可以用於特殊的應用場合,乙太網路頻寬可以結合交換機或媒介轉換器使用。快速乙太網路的物理特性可以使設備之間的距離達到100 M,而且EtherCAT系統最多可容納65535個設備,因此整個網絡幾乎是無限制擴充。


藉由EtherCAT,系統可以落實用傳統現場總線系統所無法達到的控制,讓總線也可以形成超高速控制迴路,以前需要本地專用硬體支援的功能,即可在軟體中運作,大量的頻寬資源使任何數據可並行傳輸,EtherCAT技術使得通訊技術與高效能的工業電腦無縫相容,總線系統不再是控制系統的瓶頸。


不過EtherCAT的高網速走向,市場也出現不同聲音,朱軒逸就指出,現在多數工業通訊標準所提供的傳輸速度,已能滿足目前工控市場需求,而在智慧化趨勢下,市場要的是與IT系統更高的相容性,這也是西門子全力發展PROFINET的主因。


PROFINET以開放性滿足智慧化需求

朱軒逸坦言,PROFINET的傳輸速度略慢於EtherCAT,不過此速度已能符合市場需求,而在與IT系統的開放性與整合性方面,PROFINET則遠勝EtherCAT。他進一步指出,智慧製造系統要求OT系統與IT系統互聯,藉此傳輸大量機台數據,而此一傳輸必須透過TCP/IP,這時PROFINET就會是運動控制系統的最佳選擇之一,而如果要再往上一層,做到機台全面鏈結的工業物聯網,就必須以採用另一種通訊標準TSN強化其傳輸效能。


為了拓展PROFINET的應用,由西門子強力支持的ProfiBus & ProfiNet International-台灣工業網路協會,近期也動作頻頻,透過技術與資源兩方面的協助,強化會員廠商的競爭力。同時也任職台灣工業網路協會秘書長的朱軒逸指出,協會會邀請廠商前往漢諾威工業展等大型展會參展,一般企業要參加這類型展會,參展資格、布置會場、人員出差等環節都需要大筆費用,台灣工業網路協會則在會場有專題展區,讓廠商在裡面設攤,除了大幅降低參展費用外,也可借助協會的知名度吸引與會者參觀。


放眼未來走向,速度、精度與開放性,會是運動控制既定趨勢,在各廠商的技術開發下,現在各類型標準的速度與精度都以能滿足市場絕大多數要求,至於開放性則考驗各廠商的整體市場布局,現在各標準之間或有落差,不過隨著智慧製造趨勢的啟動,市場需求將快速浮現,因此各廠商都必須全力開發高相容性運動控制架構,以強化自身產品競爭力,進而掌握龐大商機。


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