工業4.0與物聯網火熱 助長EtherCAT聲勢
- DIGITIMES企劃
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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。
