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EtherCAT啟動 未來工廠成型
 

【作者: 王明德】   2017年06月14日 星期三

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德國在2012年喊出工業4.0,至今已將近5年,這5年來工業4.0所帶動的智慧製造浪潮,熱度持續攀升,智慧製造成長不斷加速的原因,除了外在因素如消費型態改變、缺工…之外,製造系統中各環節技術與相關廠商的不斷投入也是主因之一,近年來已成工業通訊主流趨勢的EtherCAT就是其一。


通訊技術在製造現場的應用已久,過去的工業通訊都以Fieldbus(現場總線)為主,但在全球大廠商的把持下,不同標準的Fieldbus無法直接互連,必須透過橋接器層層轉接,後期雖有廠商推出工業乙太網路標準,不過由於乙太網路的即時性與穩定性備受質疑,因此市場始終難以打開。



圖一 : 凌華科技醫療與娛樂資訊智能工業事業處市場開發經理楊家瑋指出,EtherCAT可協助製造業者降低成本、提升產能。(攝影/王明德)
圖一 : 凌華科技醫療與娛樂資訊智能工業事業處市場開發經理楊家瑋指出,EtherCAT可協助製造業者降低成本、提升產能。(攝影/王明德)

然而隨著消費性產品型態的轉變,過去少樣多量的生產型態開始改變,多樣多量甚至是多樣少量的需求出現,傳統生產機台難以因應這類需要高彈性需求,新世代的機種以工業物聯網為架構,系統中所有設備都必須鏈結到後端,傳輸所產生的數據,並加以彙整、分析,在此態勢下,Fieldbus已難負荷新世代製造系統需求,在此同時,不斷改善的工業乙太網路逐漸為市場重視,EtherCAT的出現,更讓此一趨勢明朗化。


EtherCAT打造精準工業通訊架構


EtherCAT已超過10年,由德國自動化大廠Beckhoff推動,2003年底ETG(Ethernet Technology Group)組織成立,負責技術推廣和宣傳,目前ETG已經擁有700多個成員。


EtherCAT是即時工業乙太網路標準協定,此一協定將控制程序的數據加以優化傳輸,EtherCAT協議可包括數個工業通訊封包,其發送和接收的數據先後順序可任意編址,不像一班的乙太網路需依架構內部的物理順序,根據ISO國際標準組織所定義的開放系統,乙太網路共有7層,其中物理層為網絡訊號的傳輸提供了物理通路,數據鏈結層負責網路尋址、錯誤偵測和改錯,應用層的作用是處理數據鏈結層的請求,並作出適當的反應。


相較於一般的乙太網路,EtherCAT則放此標準無需進行乙太網路網的數據封包接收、解碼與將過程數據複製到各個設備等動作,EtherCAT為主從數據交換,由主站和從站配合完成工作,因此非常適合主從控制器之間的通訊,EtherCAT主站傳遞的網路封包包含了所有的I/O從站數據,封包在I/O從站間傳遞,每個從站用極短的時間獲取數據,並將發出的數據寫入其對應位置,然後再將封包傳遞給下一個從站,最後一個從站處理結束後,將傳遞回EtherCAT主站。


由於發送和接收的封包壓縮了大量的設備數據,EtherCAT充分利用了I/O頻寬,採用EtherCAT協定進行數據傳輸,其可用的數據傳輸速率可達90%以上,100 Mbit/s的全雙工(Full-Duplex)特色可完全利用,根據業界資料,EtherCAT處理1000個數位I/O只需30微秒,處理200個l6位元模擬量訊號只需50微秒,取樣頻率可達20kHz,此一特色非常適合大型、多控制點、即時的製造系統,EtherCAT可以落實感測器與驅動器的乙太網路架構願景,在拓墣部分,EtherCAT幾乎可支援所有的乙太網路的拓墣類型,包括Bus、Ring、Sta、Tree等,並且不受限於交換機與集線器的數量,在故障診斷方面,EtherCAT通過CRC校驗,可檢測出數據傳送期間的錯誤,EtherCAT通過匹配性檢查可以進行斷線檢測和故障定位,另外,EtherCAT的系統協議,還可對各個傳輸段分別進行品質監測,也可精確定位關鍵的網段。


EtherCAT成本與效能俱佳


在智慧製造概念的推動下,投入EtherCAT的設備製造商逐漸增多,原已投入的廠商則開始加碼研發,從市場反應來看,市場對EtherCAT已從過去幾年的觀望進入嘗試導入的階段,凌華科技醫療與娛樂資訊智能工業事業處市場開發經理楊家瑋指出,一般製造業者導入新機台的動機只有兩個,一是降低成本,二是提升效率,他以凌華科技的客戶為例,該客戶製造設備的運動控制軸數為64軸,如果是使用8軸控制卡,就會需要8張,而凌華的EtherCAT解決方案,可讓每一軸都成本只需原有的30%,雖然如此驚人的成本縮減必須佐以特定條件,不過在其他條件下,也會有相當幅度的成本減少,這對資金需求向來龐大的製造商而言,相當具有吸引力,另一個則是效率的提升,若使用者目前使用脈衝式運動控制卡或傳統的RS-422、RS-485序列式介面卡片,這些類型的運動控制卡無法做到精準的同步控制,為了提升產線效率,製造業者就會導入EtherCAT產品。


除了上述兩種導入動機外,在設備製造商的研發下,系統升級的成本大幅下降、難度降低、時間縮短,也是使用者願意導入EtherCAT的動機之一,楊家瑋以凌華本身為例,楊家瑋表示,凌華在EtherCAT投入大量資源研發,如果原有的客戶已使用凌華的APS函數庫,則系統可在最多2 周內快速導入EtherCAT。


至於更換EtherCAT與否的考量,楊家瑋建議同樣可從成本與效能來看,EtherCAT的主訴求是可以在乙太網路架構下多軸精準同步,因此業者可計算每一軸數的單一成本,通常來說,8軸以下的系統並不會考慮導入EtherCAT,16軸以上則不需考慮,因此8軸到16軸之間通常會是兩難,如果使用生產線均使用同一廠牌的馬達,則只需要更換驅動器,若使用不同馬達,就須視整體系統狀況,例如從站I/O點的數量與分布,就會影響導入的成本與時間。


建構未來競爭力


目前市場的智慧製造趨勢已然形成,未來製造設備必須具有高精度、高整合能力,才能談到高效率的彈性生產,就技術面來看,EtherCAT雖然並非無懈可擊的技術,但就整體而言,它已可滿足現有智慧製造系統的需求,在中長期來看,EtherCAT在工業通訊市場的重要性將會逐漸提高,目前絕大多數廠商也都早已提出相關解決方案,在有多元選擇的狀況下,製造業者已可積極考慮EtherCAT的導入,提升本身競爭力。


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