德國在2012年喊出工業(yè)4.0，至今已將近5年，這5年來工業(yè)4.0所帶動(dòng)的智慧製造浪潮，熱度持續(xù)攀升，智慧製造成長(zhǎng)不斷加速的原因，除了外在因素如消費(fèi)型態(tài)改變、缺工…之外，製造系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)技術(shù)與相關(guān)廠商的不斷投入也是主因之一，近年來已成工業(yè)通訊主流趨勢(shì)的EtherCAT就是其一。

通訊技術(shù)在製造現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用已久，過去的工業(yè)通訊都以Fieldbus(現(xiàn)場(chǎng)總線)為主，但在全球大廠商的把持下，不同標(biāo)準(zhǔn)的Fieldbus無法直接互連，必須透過橋接器層層轉(zhuǎn)接，後期雖有廠商推出工業(yè)乙太網(wǎng)路標(biāo)準(zhǔn)，不過由於乙太網(wǎng)路的即時(shí)性與穩(wěn)定性備受質(zhì)疑，因此市場(chǎng)始終難以打開。

圖一 : 凌華科技醫(yī)療與娛樂資訊智能工業(yè)事業(yè)處市場(chǎng)開發(fā)經(jīng)理?xiàng)罴椰|指出，EtherCAT可協(xié)助製造業(yè)者降低成本、提升產(chǎn)能。(攝影／王明德)

然而隨著消費(fèi)性產(chǎn)品型態(tài)的轉(zhuǎn)變，過去少樣多量的生產(chǎn)型態(tài)開始改變，多樣多量甚至是多樣少量的需求出現(xiàn)，傳統(tǒng)生產(chǎn)機(jī)臺(tái)難以因應(yīng)這類需要高彈性需求，新世代的機(jī)種以工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)為架構(gòu)，系統(tǒng)中所有設(shè)備都必須鏈結(jié)到後端，傳輸所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，並加以彙整、分析，在此態(tài)勢(shì)下，F(xiàn)ieldbus已難負(fù)荷新世代製造系統(tǒng)需求，在此同時(shí)，不斷改善的工業(yè)乙太網(wǎng)路逐漸為市場(chǎng)重視，EtherCAT的出現(xiàn)，更讓此一趨勢(shì)明朗化。

EtherCAT打造精準(zhǔn)工業(yè)通訊架構(gòu)

EtherCAT已超過10年，由德國自動(dòng)化大廠Beckhoff推動(dòng)，2003年底ETG（Ethernet Technology Group）組織成立，負(fù)責(zé)技術(shù)推廣和宣傳，目前ETG已經(jīng)擁有700多個(gè)成員。

EtherCAT是即時(shí)工業(yè)乙太網(wǎng)路標(biāo)準(zhǔn)協(xié)定，此一協(xié)定將控制程序的數(shù)據(jù)加以優(yōu)化傳輸，EtherCAT協(xié)議可包括數(shù)個(gè)工業(yè)通訊封包，其發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)先後順序可任意編址，不像一班的乙太網(wǎng)路需依架構(gòu)內(nèi)部的物理順序，根據(jù)ISO國際標(biāo)準(zhǔn)組織所定義的開放系統(tǒng)，乙太網(wǎng)路共有7層，其中物理層為網(wǎng)絡(luò)訊號(hào)的傳輸提供了物理通路，數(shù)據(jù)鏈結(jié)層負(fù)責(zé)網(wǎng)路尋址、錯(cuò)誤偵測(cè)和改錯(cuò)，應(yīng)用層的作用是處理數(shù)據(jù)鏈結(jié)層的請(qǐng)求，並作出適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)。

相較於一般的乙太網(wǎng)路，EtherCAT則放此標(biāo)準(zhǔn)無需進(jìn)行乙太網(wǎng)路網(wǎng)的數(shù)據(jù)封包接收、解碼與將過程數(shù)據(jù)複製到各個(gè)設(shè)備等動(dòng)作，EtherCAT為主從數(shù)據(jù)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(wǎng)路封包包含了所有的I/O從站數(shù)據(jù)，封包在I/O從站間傳遞，每個(gè)從站用極短的時(shí)間獲取數(shù)據(jù)，並將發(fā)出的數(shù)據(jù)寫入其對(duì)應(yīng)位置，然後再將封包傳遞給下一個(gè)從站，最後一個(gè)從站處理結(jié)束後，將傳遞回EtherCAT主站。

由於發(fā)送和接收的封包壓縮了大量的設(shè)備數(shù)據(jù)，EtherCAT充分利用了I/O頻寬，採用EtherCAT協(xié)定進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，其可用的數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)90%以上，100 Mbit/s的全雙工(Full-Duplex)特色可完全利用，根據(jù)業(yè)界資料，EtherCAT處理1000個(gè)數(shù)位I/O只需30微秒，處理200個(gè)l6位元模擬量訊號(hào)只需50微秒，取樣頻率可達(dá)20kHz，此一特色非常適合大型、多控制點(diǎn)、即時(shí)的製造系統(tǒng)，EtherCAT可以落實(shí)感測(cè)器與驅(qū)動(dòng)器的乙太網(wǎng)路架構(gòu)願(yuàn)景，在拓墣部分，EtherCAT幾乎可支援所有的乙太網(wǎng)路的拓墣類型，包括Bus、Ring、Sta、Tree等，並且不受限於交換機(jī)與集線器的數(shù)量，在故障診斷方面，EtherCAT通過CRC校驗(yàn)，可檢測(cè)出數(shù)據(jù)傳送期間的錯(cuò)誤，EtherCAT通過匹配性檢查可以進(jìn)行斷線檢測(cè)和故障定位，另外，EtherCAT的系統(tǒng)協(xié)議，還可對(duì)各個(gè)傳輸段分別進(jìn)行品質(zhì)監(jiān)測(cè)，也可精確定位關(guān)鍵的網(wǎng)段。

EtherCAT成本與效能俱佳

在智慧製造概念的推動(dòng)下，投入EtherCAT的設(shè)備製造商逐漸增多，原已投入的廠商則開始加碼研發(fā)，從市場(chǎng)反應(yīng)來看，市場(chǎng)對(duì)EtherCAT已從過去幾年的觀望進(jìn)入嘗試導(dǎo)入的階段，凌華科技醫(yī)療與娛樂資訊智能工業(yè)事業(yè)處市場(chǎng)開發(fā)經(jīng)理?xiàng)罴椰|指出，一般製造業(yè)者導(dǎo)入新機(jī)臺(tái)的動(dòng)機(jī)只有兩個(gè)，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(shè)備的運(yùn)動(dòng)控制軸數(shù)為64軸，如果是使用8軸控制卡，就會(huì)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(huì)有相當(dāng)幅度的成本減少，這對(duì)資金需求向來龐大的製造商而言，相當(dāng)具有吸引力，另一個(gè)則是效率的提升，若使用者目前使用脈衝式運(yùn)動(dòng)控制卡或傳統(tǒng)的RS-422、RS-485序列式介面卡片，這些類型的運(yùn)動(dòng)控制卡無法做到精準(zhǔn)的同步控制，為了提升產(chǎn)線效率，製造業(yè)者就會(huì)導(dǎo)入EtherCAT產(chǎn)品。

除了上述兩種導(dǎo)入動(dòng)機(jī)外，在設(shè)備製造商的研發(fā)下，系統(tǒng)升級(jí)的成本大幅下降、難度降低、時(shí)間縮短，也是使用者願(yuàn)意導(dǎo)入EtherCAT的動(dòng)機(jī)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(fā)，如果原有的客戶已使用凌華的APS函數(shù)庫，則系統(tǒng)可在最多2 周內(nèi)快速導(dǎo)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(wǎng)路架構(gòu)下多軸精準(zhǔn)同步，因此業(yè)者可計(jì)算每一軸數(shù)的單一成本，通常來說，8軸以下的系統(tǒng)並不會(huì)考慮導(dǎo)入EtherCAT，16軸以上則不需考慮，因此8軸到16軸之間通常會(huì)是兩難，如果使用生產(chǎn)線均使用同一廠牌的馬達(dá)，則只需要更換驅(qū)動(dòng)器，若使用不同馬達(dá)，就須視整體系統(tǒng)狀況，例如從站I/O點(diǎn)的數(shù)量與分布，就會(huì)影響導(dǎo)入的成本與時(shí)間。

建構(gòu)未來競(jìng)爭(zhēng)力

目前市場(chǎng)的智慧製造趨勢(shì)已然形成，未來製造設(shè)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(chǎn)，就技術(shù)面來看，EtherCAT雖然並非無懈可擊的技術(shù)，但就整體而言，它已可滿足現(xiàn)有智慧製造系統(tǒng)的需求，在中長(zhǎng)期來看，EtherCAT在工業(yè)通訊市場(chǎng)的重要性將會(huì)逐漸提高，目前絕大多數(shù)廠商也都早已提出相關(guān)解決方案，在有多元選擇的狀況下，製造業(yè)者已可積極考慮EtherCAT的導(dǎo)入，提升本身競(jìng)爭(zhēng)力。