■謝坤松/ 波菲格
解決製造問題,就是解決成本壓力
自古以來,人們就一直致力於解決人力問題,從人力拉車、馬匹到今日的汽車,工業革命的進程也是像我們展示了這件事情;如何使用機器取代人力的工作。一來可排除掉人員的不安定因素,再者更能達到所謂的標準化、高良率、資料化。當生產效率提高,也就舒緩了製造端沉重的成本壓力。
工業4.0 所帶來的改變
網路從90 年代開放給民間使用後,已與人們密不可分;所謂工業4.0,就是透過乙太網來做資料獲取,通過工業網路系統,連接至一般網路系統,搭配上柔性製造,可達到隨時監看工廠狀態、物料狀況、生產工單、製造時間、良率…. 等等資訊,並用最小人力達到最高生產效率。
圖1: 工業革命進程
工業以太網
在4.0 的發展過程中,現場端工業網路為非常重要的一環,與一般家用網路不同,它的要求更加嚴謹,速度也要求更加快、更加穩定,以免造成工安意外時,無法在第一時間獲得妥善的處理。
目前較主流的工業乙太網有EtherNet/IP、ProfiNet、ProfiBUS、EtherCAT、CC-Link,在HMS 工業網路公司發佈的工業網路市場年度分析中,可以比較2015與2017 年工業網路市占率的變化,屬於乙太網型態的工業網路逐年爬升,根據HMS 所言,工業乙太網的增長速度比往年更快增長率為22%。工業乙太網現在占全球市場的46%,而去年為38%。EtherNet/IP和ProfiNET 份額最大,其中ProfiNET 主要市場在中歐,EtherNET/IP 在北美占主導地位。緊跟在後的是EtherCAT、Modbus-TCP 和Ethernet Powerlink。在亞洲,網路市場碎片化,沒有作為真正主導性的網路, 但ProfiBUS、ProfiNET、EtherNET/IP、Modbus和CC-link 應用較廣。EtherCAT 繼續自成一種重要網路,而CC-link IE Field 也在獲得關注。
工業以太網EtherCAT
在此我們來介紹近年來成長的EtherCAT 網路,以及它所擁有的特點,讓他能在這幾年來跟上ProfiNET 與EtherNET/IP 的腳步,以及在市場上慢慢應用越來越廣。EtherCAT 是一個以乙太網為基礎的開放架構現場匯流排系統,由德國倍福公司研發。
EtherCAT 為系統的即時性能和拓朴靈活性樹立了新的標準;其中還包含了它所特有的高速、高精度同步,線纜冗餘和功能性安全協議。傳統的乙太網通信在發送網偵時,即使要發送一個非常小的資料量,也必須要發送 個完整的乙太網偵,這造成頻寬的利用率很低。舉例:最小乙太網偵:84 bytes,當發送8 bytes 資料時,8/84 = 9.52% 的利用率。通過採用EtherCAT 技術,Beckhoff 突破了其他乙太網解決方案的這些系統限制。當EtherCAt 網偵通過每一個設備( 包括底層端子台設備),EtherCAT 從站會讀取對於該設備重要的資料;同樣的,輸入資料也可以在封包通過時插入至封包中,此過程是在從站的控制器中透過硬體做實現的,因此與協定堆疊運行系統或處理器的性能無關。
EtherCAT 性能
因EtherCAT 獨特的處理方式,在通信的速度上非常的快;1000 個分散式I/O 資料的刷新週期僅為30μs、一個乙太網偵可以交換高達1486 bytes 的過程資料,相當於12000 個數位I/O,而這一資料傳輸僅用300μs。200 個模擬訊號(16bit):50μs, 20kHz的取樣率。與100 軸伺服軸的通信只需100μs。分散式時鐘的技術保證了軸之間的同步時間偏差小於1 微秒。
EtherCAT 應用
在新加坡樟宜機場裡,有個雨之舞的裝置藝術就是使用了EtherCAT 系統達到了1216 軸伺服馬達的同步控制。在4.0 的應用中,如同右圖的整廠三角形說明,在最底層的部分使用通性型的端子台來抓取實體I/O資訊,並轉換成EtherCAT 的網路信號,再由上層控制器整理資料給MES,進而上傳至ERP 系統,達到整廠使用網路系統隨時能監看所需的資訊。
而現在MES 與ERP 系統的發展已經非常成熟,所以底層工業網路這塊就是現今許多公司想做整合的部分,所以迴圈速度快的EtherCAT 自然就會顯現出它自身的價值,而ODEAR 的Spider 系列端子台,在底層的網路控制與實體的I/O 應用搭配上,更能靈活的在現場車間做應用。
利用EtherCAT 網路串接的特性,再加上傳統的I/O端子台,做到能將單站的網路端子台再做一次實體I/O 分散控制。
波菲格(上海)國際貿易有限公司/台灣歐迪爾股份有限公司
於1995 年創立於臺灣,主要從事自動化的週邊設備,端子台、傳輸線及自動化控制的教學機制作。為強化與各客戶之間良好的合作關係及默契, 及提高服務品質及效率, 本公司更擴大與各大自動化廠,IT 產業廠之業務,于2004 年創立了上海分公司,就近為大中國地區的台資、中資、外資企業服務,公司到受廣大客戶群的支援與肯定,相信在未來的國際市場上更能發輝我們的企業理念及服務精神,深信本公司優良的服務團隊和健全的經營體系,未來必能提供客戶最優良的產品與服務品質波菲格產品介紹。
圖2: 乙太網偵格式
參考文獻
中華工控網 :http://www.gkong.com/item/news/2017/02/89929.html
控制工程網:http://article.cechina.cn/15/0228/09/20150228095055.htm ■
圖3:EtherCAT 網偵,從站會自己抓取所需資料
圖4:ODEAR Spider 系列分散控制示意圖