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智慧制造强调整合 运动控制通讯走向开放性架构
[作者 王明德]   2019年10月29日 星期二 浏览人次: [12574]

制造市场竞争态势日益激烈,精准的运动控制成为新世代自动化系统的建构要因,而负责传输控制数据的现场汇流排(Fieldbus),就成为各工业大厂的兵家必争之地,从市场发展来看,EtherCAT、Ethernet/IP、ProfiNet、Modbus/TCP、Ethernet/PowerLink、MechatroLink与CC-Link IE是目前七大主流标准,这些标准背后都有大型自动化厂商的身影,其中多数标准的前身也都是封闭式架构,近年来智慧制造强调OT与IT整合后,这些大厂开始加入整合元素,让标准具备开放性特色。


厂商布局有别 工业通讯主流不一

就应用区域来看,各区域的工业通讯标准市占率,会因制定厂商所在与布局深浅而有不同,西门子运动控制产品经理朱轩逸以PROFINET为例,PROFINET的使用者多为欧系自动化业者,再加上西门子全力拓展大陆市场,因此PROFINET成为欧洲与大陆两大市场的主流标准,而美国市场则以美商洛克威尔的EtherNet/IP为主。



图1 : 在各厂商的技术开发下,现在各类型标准的速度与精度都已能满足市场绝大多数要求,至於开放性则考验各厂商的整体市场布局。(source:Vogel Italia)
图1 : 在各厂商的技术开发下,现在各类型标准的速度与精度都已能满足市场绝大多数要求,至於开放性则考验各厂商的整体市场布局。(source:Vogel Italia)

至于由三菱电机所制定的CC-Link IE,除了是日本市场的主流标准外,三菱电机深耕70年的台湾市场,早期也多使用其自动化设备,一路下来,至今仍有大量制造业者采用其产品,因此CC-Link IE在台湾也有高度市占率。


除了CC-Link IE之外,由于台湾自动化产业没有可主导标准的大型业者,再加上产业特性向来诉求弹性服务,因此在工业通讯领域发展出可桥接各种标准的设备,近年来强调开放性的EtherCAT成为产业热门技术,台湾多家工业电脑厂商也纷纷推出EtherCAT架构的运动控制器。



图2 : EtherCAT由德国自动化大厂Beckhoff所制定,目前已是运动控制市场的重要通讯标准。(source:Design News)
图2 : EtherCAT由德国自动化大厂Beckhoff所制定,目前已是运动控制市场的重要通讯标准。(source:Design News)

观察脉冲式与汇流排两种运动控制架构成本,发展多年的脉冲式因技术成熟、投入者众,因此成本较低。不过由于其精度与速度偏低,因此在汇流排架构出现后,高阶制造业者就逐渐舍脉冲式,而采用汇流排运动控制产品,而随着汇流排市场的扩大,市场上产品渐多,两者的价差也逐渐拉近,再加上其效能优势,越来越多自动化设备业者愿意采用汇流排运动控制产品,EtherCAT就是其一。


EtherCAT成运动控制重要标准

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着下游微处理器的单一乙太网路控制器,而只包含大量的EtherCAT从站,与其它任何乙太网路一样,EtherCAT不需要透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,每个讯息专门用于特定储存区域,该储存区域可编制大小达4GB的逻辑过程镜像。由于数据链独立于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还非常适用于控制器之间的通讯,可自由编址的过程数据网络变量以及各种参数化、诊断、编程和远程控制服务,可以满足众多要求。



图3 : 西门子运动控制产品经理朱轩逸指出,速度、精度、开放性兼具的PROFINET,适用於智慧制造系统。(摄影/王明德)
图3 : 西门子运动控制产品经理朱轩逸指出,速度、精度、开放性兼具的PROFINET,适用於智慧制造系统。(摄影/王明德)

在网路拓墣方面,EtherCAT支援绝大多数拓墣结构,因此现场总线的总线形结构也可用于乙太网路,将总线和分支结构相结合特别有助于系统布线,由于其通讯埠都位于耦合器上,无需使用附加交换机,此外也可使用以传统交换机为主的星形乙太网路拓墣结构。


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插接电缆可透过乙太网路模式或总线传输讯号,光纤则可以用于特殊的应用场合,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 M,而且EtherCAT系统最多可容纳65535个设备,因此整个网络几乎是无限制扩充。


藉由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回路,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。


不过EtherCAT的高网速走向,市场也出现不同声音,朱轩逸就指出,现在多数工业通讯标准所提供的传输速度,已能满足目前工控市场需求,而在智慧化趋势下,市场要的是与IT系统更高的相容性,这也是西门子全力发展PROFINET的主因。


PROFINET以开放性满足智慧化需求

朱轩逸坦言,PROFINET的传输速度略慢于EtherCAT,不过此速度已能符合市场需求,而在与IT系统的开放性与整合性方面,PROFINET则远胜EtherCAT。他进一步指出,智慧制造系统要求OT系统与IT系统互联,借此传输大量机台数据,而此一传输必须透过TCP/IP,这时PROFINET就会是运动控制系统的最佳选择之一,而如果要再往上一层,做到机台全面链结的工业物联网,就必须以采用另一种通讯标准TSN强化其传输效能。


为了拓展PROFINET的应用,由西门子强力支持的ProfiBus & ProfiNet International-台湾工业网路协会,近期也动作频频,透过技术与资源两方面的协助,强化会员厂商的竞争力。同时也任职台湾工业网路协会秘书长的朱轩逸指出,协会会邀请厂商前往汉诺威工业展等大型展会参展,一般企业要参加这类型展会,参展资格、布置会场、人员出差等环节都需要大笔费用,台湾工业网路协会则在会场有专题展区,让厂商在里面设摊,除了大幅降低参展费用外,也可借助协会的知名度吸引与会者参观。


放眼未来走向,速度、精度与开放性,会是运动控制既定趋势,在各厂商的技术开发下,现在各类型标准的速度与精度都以能满足市场绝大多数要求,至于开放性则考验各厂商的整体市场布局,现在各标准之间或有落差,不过随着智慧制造趋势的启动,市场需求将快速浮现,因此各厂商都必须全力开发高相容性运动控制架构,以强化自身产品竞争力,进而掌握庞大商机。


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