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運動控制同步更精準
工業乙太網路全面串連
[作者 王明德]   2016年04月29日 星期五 瀏覽人次: [5883]

智慧化是製造業近年來的重要趨勢,過去製造系統以自動化技術為根基,將單調、重複與所謂的3K(骯髒、危險、辛苦)等工作交給機器,不過隨著消費性產品市場需求的改變,與自動化技術的快速提昇,傳統的自動化技術已無法滿足現有製造業者,智慧化成為製造業的重要課題。


就發展現況來看,智慧化的定義廠商之間雖各有不同,不過對智慧化系統主架構的看法卻相當一致,無論軟硬體供應商或使用者,市場上的供需兩端都認為物聯網將會是智慧工廠的主幹,物聯網主要是透過網路串連散置各處的製造設備,將設備訊息傳送至後端,加以儲存、分析,讓管理者可依此制定出精準策略,工業物聯網中,底層設備的感測、中層網路架構的傳輸穩定、後層管理分析平台的建置,三者同等重要,在中層路架構中,工業乙太網路近來技術逐漸成熟,包括運動控制在內的自動化設備,都已開始大量導入。



圖1 : 工具機已走向高精度、高效率加工能力,作為精密加工機械上最關鍵核心的運動控制,在技術面也須同步成長。 (Source: Prodrive Technologies)
圖1 : 工具機已走向高精度、高效率加工能力,作為精密加工機械上最關鍵核心的運動控制,在技術面也須同步成長。 (Source: Prodrive Technologies)

精度速度同步提昇

運動控制是自動化系統的核心技術之一,其應用相當廣泛,這幾年工具機相關產業為政府近年來全力扶植的產業之一,台灣相關在工具機製造廠商與學術研究單位的共同努力下,目前已躍升成為全球第4大工具機出口國,目前工具機已走向高精度、高效率加工能力,作為精密加工機械上最關鍵核心的運動控制,在技術面也須同步成長,以因應其需求。


不過工具機以往因受限於伺服控制架構的性能,加工時必須在精度與速度間做取捨,反而導致整體效能無法提升,有鑑於此,近年來,對於伺服控制架構相關的改善課題一直是產官學界所努力的目標,目前台灣的CNC工具機在精度與速度兩方面,都已獲得大幅改善。


觀察整體趨勢,可以看出目前運動控制有幾個技術趨勢,包括:


1.高精度、高效能、高穩定度

受制於伺服控制的架構,必須在精度與速度上有所取捨,導致整體性能無法提升,因此,提高精度與效能除了在機構的改善外,增加伺服系統的頻寬亦是相當重要,另一方面,生產線的設備投資相當龐大,生產的速度與交貨日期等因素,均不容許機台有任何的意外停機與元件損壞,因此穩定度的加強是所有設備製造商必須努力追求的目標。


2.多軸運動控制

因應自動化系統的普及,使得在單一機台上的軸數增加,一台設備幾十軸數、一條生產線上幾百軸都是有可能的,因此,在軸數增加的情況下,如何協調各軸之動作、監控機台的運作,與配線的方式將是重要的議題。


3.綠色環保科技

溫室效應的影響,環保意識的抬頭,如何節省更多的能源更是當今最熱烈討


論的話題。因此,從運動控制系統的角度,降低功率的消耗、減少線材的使


用、縮小控制器的體積,以綠色科技的方式實行節能減碳。


工業乙太網路打造精準架構


圖2 : 運動控制廠商近來積極導入各類工業乙太網路技術。(Source: Beckhoff)
圖2 : 運動控制廠商近來積極導入各類工業乙太網路技術。(Source: Beckhoff)

因應這些技術趨勢,運動控制廠商近來積極導入各類工業乙太網路技術,目前市場上主流的工業乙太網路包括PROFINET、POWERLINK、Ethernet/IP、EtherCAT、SERCOSIII等5種,介紹如下:


1.PROFINET

PROFINET由工業大廠Siemens主導,為PROFIBUS用戶組織PNO的成員公司共同開發,為了覆蓋不同系統的效能需求,PROFINET讓各協議和服務可自行決定採用工業或消費等級的網路型態,高優先等級的負載數據透過\乙太網路協定並以VLAN的優先次序發送,而診斷和配置數據發送使用UDP/IP,可使系統的I/O循環週期時間縮短至10毫秒。


對要求同步時脈週期時間低於毫秒的運動控制,PROFINET陣營以PROFINET IRT因應,PROFINET IRT的DFP以分時復用的硬體同步開關,提供了用戶新的PROFINET變化設計。


2.POWERLINK

POWERLINK由B&R(貝加萊)公司開發,為完全免專利費的工業乙太網路,POWERLINK分為即時和非即時,在異步階段得數據傳輸支援標準的IP Frame,透過路由器將即時域和非即時域的數據隔離,以確保數據安全,POWERLINK適合用於各種自動化應用,包括I/O、運動控制、機器人、PLC之間的通訊。


3.Ethernet/IP

此標準為當年的控制器大廠Allen-Bradley所制定,後來Allen-Bradley為Rockwell併購,因此Ethernet/IP目前多應用於Rockwell的系統,在美國應用較為普及,Ethernet/IP在標準的乙太網路硬體上運作,並同時使用TCP/IP和UDP/IP傳輸數據,由於Ethernet/IP通過CIP(通用工業協議),該協議支援工業與消費性網路模式,對此Ethernet/IP採用不同的通訊機制來處理,Ethernet/IP的時脈週期約為10ms左右,CIP Sync和CIP Motion的節點同步,透過IEEE1588標準定義的分佈時脈方式,可達到極低的循環週期與抖動,這使得Ethernet/IP可被應用於伺服電機的控制與驅動。


4.EtherCAT

EtherCAT為德國Beckhoff公司所研發,其名稱的CAT為控制自動化技術(Control Automation Technology)字首的縮寫,由此可知此協定是專為控制之類而設計,EtherCAT的運作方式是由主站發送包含網路所有從站數據的封包,此一Frame按照順序通過網路上的所有節點,當最後一個Frame送達後,Frame再次返回。


在同步化方面,EtherCAT每個從站由主站提供一個類似IEEE1588時時脈技術進行同步,從站這被可以因應硬體決定其即時性,若為即時機制,控制訊號可以高精度同步,在物理層,EtherCAT協定不只在乙太網路上運作,也可採用LVDS,此一標準被Beckhoff應用於端子技術,相較於POWERLINK與PROFINET,EtherCAT僅貫穿OSI 7層模型中的1~3層,因此若要與其他系統有相同功能,必須另外加載如CoE或EoE之類的協定層。


5.SERCOSIII

SERCOSIII為免費提供的數位驅動介面即時通訊標準,SERCOSIII在主站和從站均採用特定硬體,這些硬體減輕了主CPU的通訊負擔,並讓數據可快速即時處理與硬體同步,SERCOSIII用戶組織提供了SERCOSIII的IP Core給使用FPGA的相關硬體開發商,SERCOSIII採用集束幀方式傳輸,網路節點須採用菊花鏈或封閉的環狀拓樸,由於乙太網路具有全雙工能力,菊花鏈實際尚以構成獨立的環狀拓樸,因此對一個環狀拓樸,實際上等於提供了雙環,使其具有備援能力。


在軸數增加的情況下,如何協調各軸之動作、監控機台的運作,與配線的方式將是重要的議題。

其每個節點上的兩個端口具有直接交叉通訊能力,在菊花鏈和環形網路,即時傳遞會經過其前後兩個節點,因此節點具有在每個通訊週期中互相通訊兩次而無須經過主站的能力。


**刊頭圖片來源(Source: HANNOVER MESSE)


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