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開放性與即時性兼具 EtherCAT市場潛力十足
[作者 王明德]   2018年08月22日 星期三 瀏覽人次: [4072]

現場匯流排(Fieldbus)一直是運動控制的重要環節,相較於其他系統,運動控制對即時性的要求非常高,也因此此一領域的通訊標準向來封閉,近年來由德商BeckhoFF所制定的EtherCAT,憑藉其開放、高速與即時性,在自動化市場聲勢驚人,多數業者都看好此標準的前景,紛紛投入發展。


業者表示,就成本來看,過去現場匯流排的成本比脈衝式傳輸模組高,因此即便精度與速度都更為理想,但使用者仍多選擇脈衝式,不過現場匯流排近年來售價逐漸下跌,尤其是EtherCAT在供需齊步上揚後,價格與脈衝式模組的價差,已然讓廠商願意選擇EtherCAT。


在架構方面,脈衝式與現場匯流排的主要差異在於內部的佈線,現場匯流排的佈線較為複雜,因此需要一定的技術,不過台灣工程師的技術水準都不差,可以克服這部分的難度,只要具有相關技術,現場匯流排的佈線並不是難題,而雖然內部佈線複雜,但是現場匯流排對外連接只有一條纜線,因此抗干擾的能力,要比脈衝式更高。



圖1 : 脈衝式與現場匯流排的主要差異在於內部的佈線,現場匯流排的佈線較為複雜,因此需要一定的技術。(攝影/王明德)
圖1 : 脈衝式與現場匯流排的主要差異在於內部的佈線,現場匯流排的佈線較為複雜,因此需要一定的技術。(攝影/王明德)

觀察目前的趨勢發展,現場匯流排已逐漸取代脈衝式,而其中EtherCAT又是聲勢最強的標準,EtherCAT在中國市場的應用越來越高,未來有可能取代日商安川主導的MECHATROLINK標準,至於西門子的PROFINET,雖然目前仍多使用於該公司的系統,但其市場佔有率仍然最高,預估此一趨勢仍將持續,不過EtherCAT的市場潛力也相當值得期待。


開放性與效能俱優

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下游微處理器的單個乙太網路控制器,而只包含大量的EtherCAT從站,與其它任何乙太網路一樣,EtherCAT不需要通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。


透過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。


在網路拓墣方面,EtherCAT支持幾乎所有拓墣結構,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,此外也可以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通過乙太網路模式或通過E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米,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。


市場從觀望期邁向導入期

就整體市場發展來看,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。


業者指出,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,例如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,而現在市場的解決方案,可讓每一軸成本都只需原有的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,目前台灣多數工控設備廠商都已在EtherCAT投入大量資源研發,並強化產品上市時間。



圖2 : EtherCAT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。(攝影/王明德)
圖2 : EtherCAT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。(攝影/王明德)

至於更換EtherCAT與否的考量,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。


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。


**刊頭圖(Source:CTIMES)


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