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採用乙太網路進行運動控制的三個理由
[作者 ADI]   2019年02月21日 星期四 瀏覽人次: [2399]

乙太網路在工業應用成為日趨重要的網路

在運動控制領域中,乙太網路、現場匯流排(fieldbus)、以及諸如週邊組件互連(PCI)等其他技術,長久以來一直相互競爭,希望成為業界標準,以用在工業自動化與控制系統中運行各種要求最嚴苛的作業負載。運動控制應用要求確定性(網路須保證能將作業負載即時傳至指定的節點),因此需要確保位置保持(position retention)的表現,停位必須精準,驅動器必須適切加速/減速,其他作業也須精確配合。


IEEE 802.3 Ethernet一直無法迎合這方面的要求。即使到了CSMA/CD資料鏈結層,由於全雙工切換與隔離碰撞網域的緣故逐漸遭到淘汰,仍然缺少可預測性。另外由於TCP/IP在執行典型堆疊時的複雜性,無法進行最佳化來為即時傳輸作業提供可靠的傳送機制。因此,包括現場匯流排以及PC導向控制架構搭配ASIC晶片建構的PCI介面卡,就成為運動控制的熱門解決方案。


從EtherNet/IP到EtherCAT,這些乙太網路解決方案各自透過自己的方式克服著上述的缺點。但到目前為止,工業乙太網路儘管有著領先其他替代方案的優勢,不過在運動控制領域上,離主導地位還有很遙遠的距離。以下我們將分別檢討三項理由,以分析為何其於未來幾年的競爭優勢將會漸趨鞏固。


一、統合而不複雜

企業IT與工廠之間的互連隨著時間推進不斷增加,導致系統複雜化,經常混用標準/工業乙太網路以及現場匯流排。舉例來說,機具可能會使用:


‧ SERCOS 和伺服系統通訊[1]


‧ PROFIBUS為可變頻率驅動器建構網路


‧ SafetyBUS 進行故障自動防護的現場匯流排通訊


‧ DeviceNet 用來連結感測器


‧ Ethernet透過閘道器存取,將資料傳給終端使用者


然而這類網路在安裝與維護上既複雜又昂貴。每種通訊協定都必須用自己專屬的排程器、安裝人員、以及訓練。反觀乙太網路則提供統合不同網路的可能性,將運算、安全等元素整合到具成本效益的基礎設施,而且相對而言具有容易佈線、各家廠商廣泛支援、以及符合未來需求等優點。


乙太網路提供統合各網路的可能性

EtherNet/IP協定就是實務面上統合的例證。一個整合式交換系統能容納商務與工業領域的應用,運用諸如TCP/IP與UDP/IP這類標準式乙太網路技術,以及像CIP Sync等功能,可建置IEEE 1588精準時間協定的分散時脈同步化。


二、運動控制應用的確定性

運動控制依賴精準的通訊。過去這類的精準度都是透過時槽式排程機制實現,每個裝置分配到一個時段來和其他元件進行通訊。透過控制函式計算出delta-T值,讓這些伺服驅動與控制器能了解自己的時序。但如果資料供應變得無法預測,這種機制也將無法發揮作用-因此需要維持確定性(determinism)以確保迴路的穩定度。


乙太網路能支援工廠環境中要求嚴苛的運動控制應用

以EtherNet/IP建置IEEE 1588,在某些情況中將加速器電路直接安裝在英特爾晶片上,許多乙太網路解決方案藉由這種常用的機制來達到確定性。另一個例子是EtherCAT的傳輸過程即時處理,讓運動控制應用達到持續可預測的效能。EtherCAT超越集中式PCI通訊的許多嚴苛物理限制,這些通訊雖然快速,但仍要求機器處理單元與伺服處理器之間的距離必須夠近。


Jason Goerges在2010年為《Machine Design》雜誌撰寫專文中提到,EtherCAT的分散式處理器架構擁有頻寬、同步、以及物理方面的彈性,配合集中控制以及分散式網路的各項優點。事實上,某些採用這種技術的處理器能以20 kHz的取樣與更新率,同時控制多達64個高度協調的運動軸-包括位置、速度、電流迴路,以及通訊作業。


三、工業物聯網的長期可行性

從最初作為一種區域網路技術以來,乙太網路已經度過未成熟階段的歷練。舊型現場匯流排元件至今仍有小規模生產,PCI的風險則是重蹈工業標準架構(ISA)被淘汰的路徑,反觀乙太網路,仍持續演進著,並做好準備推動以IP為中心的工業物聯網。


包括時效性網路方面的改進,除了將重新定義IEEE 1588,還將促進網路統合的可能性,並使乙太網路成為當前與未來運動控制的理想選擇。但這並不是說現場匯流排與PCI將被摒棄-隨著自動化產業朝工業物聯網邁進,只有乙太網路的各項優勢會持續累積,且更為彰顯。


參考資料

[1] Paul Brooks. “Using EtherNet/IP for Motion Control.” Industrial IP Advantage, October 2015.


[2] “Working Successful Motion Control via Standard Ethernet.” Industrial Ethernet Book, Vol. 48, No. 71.


[3] Jason Goerges. “EtherCAT Enables High Performance Motion Control.” Machine Design, November 2010.


刊頭圖(source:Linksys)


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