中文简体版   English   星期三 ,5月 24日, 2017 (台北)
登入  加入會員  MY DIGITIMES
 
DTF0601
DTF0531

工業4.0與物聯網火熱 助長EtherCAT聲勢

  • DIGITIMES企劃

緣起於德國Beckhoff公司所發明的EtherCAT技術,迄今已成為廣受採用的工業乙太網路通訊標準。來源:Beckhoff

隨著工業自動化、工業4.0、工業物聯網等議題延燒,諸多技術辭彙應運而生,它們未必此刻才初出茅廬,多數在過去還未嶄露頭角,仍在與許多同質技術互爭長短,直至最近才脫穎而出,EtherCAT便是典型之例,頗值得工業應用開發者多加研究學習。

許多關注工業4.0發展的人們,都慢慢發現到,相關技術標準逐漸形成大一統趨勢,以網路通訊標準而論,以往在所謂的車間(Shop Floor)部份,立基於乙太網路的現場匯流排通訊技術協定可謂百家爭鳴,光是比較經常為人所聽聞的,便有PROFINET、POWERLINK、EtherNET I/P、Modbus/TCP、EtherCAT等不同項目;但在近幾年,整個大勢明顯朝向EtherCAT靠攏。

不僅如此,EtherCAT技術協會還積極向OPC基金會爭取合作,期望透過兩個組織的力量,共同定義適用在工業4.0及物聯網的通用介面,最終基於EtherCAT將工業應用環境的機台設備予以整合,加速邁進工業4.0願景。

其中由OPC基金會所主導的技術,即是為人熟悉的OPC UA(Unified Architecture),主要是基於工廠或製程到企業資訊系統之間的傳輸需求所設計,該項技術承襲過去的OPC,所不同之處在於大幅強化了可靠性、安全性與互通性。

EtherCAT結合OPC UA  統合工業物聯網通訊標準

由此看來,OPC UA與定位在即時工業乙太網現場匯流排技術的EtherCAT,可望形成優勢互補局面,企業可利用EtherCAT進行機台設備的控制,同時透過EtherCAT自動化協議(EAP),非常簡單地在EtherCAT主站之間進行資料交換,接著借重OPC UA平台,經由資料加密傳輸的方式,將工業現場的資訊安全可靠地傳遞到MES、ERP等企業資訊系統,甚至是雲端。

既然EtherCAT未來能見度如此看漲,身為工業控制應用或產品的開發者,即有必要認真研究這套通訊技術。

眾所皆知,傳統工業控制走的是集中化路線,藉助諸如PLC、運動控制卡等高階昂貴的硬體裝置,搭配專屬封閉的通訊協定,據以滿足運動控制、視覺、通訊I/O等等不同方面的運作需求,功能需求愈多,所需部署的硬體數量就愈大,不僅徒增成本支出,也容易導致系統複雜性升高、維護負擔加重,無可避免地會遭到特定廠商「綁架」。

更值得憂心的是,假使在偌大的集中化控制架構當中,有任何環節發生故障,將牽一髮動全身,致使整個系統為之癱瘓,進而對生產線構成極其不利的影響。不難想像,隨著工業4.0、IoT、雲端世代來臨,驅使製造業必須走向智慧生產、彈性製造的新格局,遂讓控制需求水漲船高,而需要連動控制的軸數也大幅激增,此時依舊一味沿用傳統擴展彈性較低的控制模式,唯恐走入進退失據的窘境。

值此時刻,分散式控制系統於是趁勢崛起。伴隨電腦運算能力愈趨強勁,且體積尺寸愈趨小巧,使得工業電腦得以被安裝在機台設備旁邊,肩負起製程控制任務,再經由網路連結到所有個別機台設備的控制器,如此一來,不僅讓過往集中式架構中關於安裝、擴展、升級、維護等難題迎刃而解,也拜所用設備與佈線相對精簡所賜,使得總體持有成本應聲驟降。基於這些理由,分散式架構逐漸躍居工業控制市場的主流。

事實上,不少大廠早已看出少量多樣及客製化生產趨勢來臨,製造業者在佈建自動化控制系統時,對於成本控制、擴充彈性的重視程度,必然節節高漲,於是亟思打造串列通訊技術方案,讓旗下的I/O、驅動器、伺服馬達等各式元件得以有效串聯,藉此降低對於高階電腦裝置的仰賴性,然而這般做法終將面臨阻礙,此乃由於,單一廠商就算規模再大、產品再多,也不可能包山包海,100%滿足用戶的所有工業控制應用需求,用戶終究有採用他牌產品的需要,這些後進的設備,都無法整合到這個控制體系。

於是乎,有大廠索性自訂通訊協定,並張開雙臂歡迎所有設備加入支援行列,譬如西門子的PROFINET即是最典型的例子,其旨在化解用戶之於異質廠牌設備難以整合之疑慮,但後續發展卻事與願違,如此宏願,終究不敵商場現實而無法成形。

因為不論是西門子或其他大廠有意開放通訊協定,但他們往往忽略掉,他們已站在產業巨人的位置,供應多不勝數的產品項目,其他廠商即耗費心力來支援這些通訊協定,客戶依舊會傾向自這些大廠購買產品,所以他廠通過協定徒具形式,並無太大實質意義,導致興趣缺缺。

EtherCAT前景看漲  各路大廠競相擁抱

反觀德國的Beckhoff則另闢蹊徑,主張藉由軟體控制器技術,搭配單一線路,用以取代傳統控制器硬體及複雜佈線結構,於焉產生了EtherCAT這項通訊協定;由於Beckhoff角色相對於一干大廠更顯中立,較不涉及商場間利益衝突問題,輔以協定深具資料同步過程的訊號抖動量低、資訊傳輸延遲時間低(小於1微秒),及硬體成本低等諸多優勢,確實甚具誘因,遂讓全世界眾多廠商趨之若鶩,群起加入支援行列,相關產品相繼問市,影響所及,也一步步將EtherCAT推向主流地位。

發展至今,台灣各大工業電腦供應商,都陸續端出EtherCAT解決方案。起步甚早的新漢電腦,不僅推出名為NexECM的EtherCAT主站控制器,也提供EtherCAT從站模組(EtherCAT Save Modules),訴求透過主從搭配,再整合EtherCAT主站函式庫與CiA402函式庫,形成新一代低成本的運動控制方案,不僅可向下控制機台,亦能向上聯繫工廠與網路世界,更透過完整功能、彈性介面與精確即時等特性,協助自動化設備製造商大幅節省各種配線、線材建置與維護成本,也不遜於其他賓士級控制器的效能,發揮最大彈性生產效率。

凌華科技同樣對EtherCAT著力甚深,也推出新一代EtherCAT解決方案,其間含括一組符合IEC 61131-3標準的自動化控制器,具備即時控制功能的I/O,再加上運動控制系統,標榜可提供優異的性能與精準的控制應用。

值得一提的,凌華的EtherCAT方案儘管橫跨主、從兩端,但仍蘊含軟體式PLC訴求的相容開放性,不論「主」或「從」任何一端非屬凌華產品,同樣以相容無虞;舉例而言,客戶欲將凌華提供的運動控制模組,與諸如OMRON等他牌EtherCAT Master串接,若再往後端串接各式步進馬達、DD馬達或泛用伺服馬達,也能予以廣泛支援。

身為工業電腦領導廠商的研華,其EtherCAT解決方案也一樣兼具主從兩端,主站部份是名為PCI-1203的EtherCAT Universal PCI Master Card,從站模組則是ADAM-5000/ECAT I/O系統;研華旗下的研華寶元,已根據這些基礎發展出各式EtherCAT即時控制系統,強調可將各機台設備的控制器,與伺服馬達、I/O、感測器、輸送帶、上下料機器人、檢測模組等種種週邊元件,全都透過EtherCAT加以串接,由研華寶元的系統執行控制。

儘管EtherCAT展現不凡氣勢,開發者很難忽視這一股新興力量,但意欲投入EtherCAT相關產品研發,仍會面臨一些挑戰,除了得費時研究與學習EtherCAT相關知識,後續的實際開發過程,亦觸及頗為繁複的設定需求。

有鑑於此,以提供RTX64即時作業系統著稱的美商英特蒙(IntervalZero),研發出KingStar軟體平台,除了標榜無需藉助ACS Motion、Aerotech、Galil等等任何硬體式運動控制卡,便能廣泛支援各種硬體裝置、I/O或驅動器,以及內含Soft Motion、Soft PLC等完整功能,並支援支援第三方GigE Vision視覺控制技術外,也強調用戶一旦選定所需的EtherCAT硬體設備後,KingStar就會自動協定完成設定,以利客戶加快產品開進程。