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EtherCAT 全數位運動控制平台發展與應用

刊登日期：2020/07/01

摘要

從傳統工業演變至自動化工業，廠區自動化設備的擴增提升了製品的產量與精密度，也讓硬體線路配置變得更加繁複，運用乙太網路控制自動化技術(EtherCAT)進行控制與網路通訊，不僅可將原本複雜的佈線改以網路線取代，即可進行高速資料與控制訊息的傳輸，提升資料的正確性與抗干擾能力；在5G來臨的時代，工廠將會迎來重大變革，結合大數據與IoT形成智慧型工廠，使得資料傳輸網路化成為重要的議題。本文將介紹工研院機械所以EtherCAT技術整合運動控制函式庫，開發出全數位運動控制平台(EMP)，並結合開放式通訊協定OPC UA與MQTT之相關應用。

Abstract

The evolution from traditional industry to an automate industry caused the automation equipment to expand, which improved productivity and precision of the product, However it also made the wiring more complicated. By using Ethernet for Control Automation Technology (EtherCAT), we can replace the very complex wiring with Ethernet cable and to reach high-speed control and transmission of data; Thus, data accuracy and anti-interference ability can be enhanced. In the era of 5G, there is an essential revolution in the factory in combining the use of big data and IoT to build a smart factory; Therefore, the data transmission network will be a critical issue. The MMSL in the Industrial Technology Research Institute integrated EtherCAT technology and motion control command library to develop an EtherCAT Motion Control Platform (EMP). This article will introduce the development and application of EMP integrating with open communication protocol OPC UA and MQTT.

乙太網路控制自動化技術EtherCAT
EtherCAT(Ethernet for Control Automation Technology)–乙太網路控制自動化技術最初為德國Beckhoff公司所研發的基於乙太網路通訊協議，並應用於自動化與工業控制領域的開放式即時現場匯流排(Fieldbus)技術。此技術突破了過去其他乙太網路解決方案的系統限制，具有靈活的拓樸結構、系統配置簡單、性能優越、操作簡便以及成本低廉等優勢，使得過去無法以現場匯流排技術應用的領域得以此技術實現，EtherCAT廣泛運用於自動化與工業領域，此技術由EtherCAT技術協會(EtherCAT Technology Group, ETG)負責支援並推廣該技術未來的發展，尤其隨著網路的發展，第五代行動通訊技術(5th Generation mobile networks, 5G)在未來將會改變整個社會型態，物聯網(Internet of Things, IoT)與工業4.0的概念衝擊各個行業，各項資料與控制訊息將會透過網路來傳輸，EtherCAT將會是自動化工業領域與5G聯結的橋樑。
EtherCAT運動控制軟體平台
1. EtherCAT系統架構與運作原理
EtherCAT架構是以主(Master)/從(Slave)式來進行運作，相較於其他的工業通訊，EtherCAT特色為「飛速傳輸」(Processing on the fly)的技術，可改善網路傳輸延遲與不同步的問題。運行的方式是從Master端傳送符合IEEE 802.3標準的資料封包，會通過所有網路架構內的節點，因此Slave端可在封包到達該站時，獲取所需要的資料並且將需要傳送的資料放入訊框(Frame)內，接著再往下遞送，如圖1所示，此訊框只會被硬體的運作延遲所影響，由於乙太網路具有全雙工(Duplex)特性，最後會將訊息回傳給Master端，其有效資料率可以超過100 Mbps，使得EtherCAT可以成為高性能的分散式I/O系統。

圖1 EtherCAT運作原理

EtherCAT透過IEEE 1588標準的分散式時脈計算法來實現精確地同步化作業，藉由將其中一組Slave的設備當作主節點的參考時脈(Reference clock)，因此在每次掃描週期中讀取主節點的時脈，由Master端控制器傳送同步化的電報，便可確保整體絕對的系統時間與一致同步性(可達小於100 ns之差異)。因乙太網物理層具有全雙工與邏輯環狀結構，Slave端節點可於EtherCAT封包通過時使用時間戳記(Timestamp)量測封包離開與回傳的時間差，藉由此方式，主節點時脈可以簡單、精確地確定各個獨立Slave節點時脈的傳播延遲偏移(Propagation offset)，反之亦然。分散式時脈依據延遲偏移進行調整，將可有效降低抖動值(Jitter)以符合IEEE 1588要求，小於1 µs的精確同步控制，達到支援多軸同步運動控制。
在性能部分，藉由Slave端設備的硬體整合與主機網路介面控制器(NIC)的直接記憶體存取功能，整個EtherCAT協定的處理過程都在硬體中進行，I/O的存取不受協定堆疊(Protocol stacks)的執行時間與CPU性能的影響。EtherCAT還具有連接雲端設備的功能，運用邊緣閘道(Edge gateway)可通過EtherCAT Master端的電子郵件閘道(Mailbox gateway)功能，讀取Slave端設備中的任何資料。EtherCAT是一個開放性的通訊協定，可以整合其它基於IT系統的協議，如：OPC UA、MQTT與AMQT等協議，形成IoT的架構。
2.IntervalZero RTX/RTX64
Windows作業系統並不是一個具有即時性的作業系統，一般來說必須搭配使用硬體DSP、FPGA的方式來達成硬即時(Hard real-time)的控制，美國IntervalZero公司針對x86與x64多核心多處理器所提出的硬即時的軟體解決方案：RTX/RTX64，可以將Windows作業系統轉變成即時的作業系統(Real Time Operating System, RTOS)。

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