即時 EtherCAT 自動化應用的優勢

通常在設備控制器中，我們會要在品質、性能與價格之間做取捨。然而在工業4.0與全球化的時代，設備製造商正尋求突破性的技術，使他們能夠在工業控制系統中同時提升設備的性能、品質和成本這三個面向。領先的設備製造商發現，採用純軟體且開放的設備自動化控制器，可以消除像是運動控制工業應用裡對專用和昂貴硬體的依賴。藉由移除專用硬體，不僅成本大幅降低，同時透過新的工業標準仍能達成並提升性能與品質。

在這革命性的自動化控制架構中，有一個重要的組成來自於新的數位總線標準。雖然許多工業系統可以使用標準 TCP/IP 乙太網路與控制面板、HMI 或 ERP 系統進行通訊，但 TCP/IP 無法提供設備執行所需要的準確性來確保精準度和品質。

然而，由於 TCP/IP 在工廠、辦公室和全球各地的家庭中都非常普及，因此像 CAT5 網路線和網卡（NIC）這類的乙太網組件可以同時具備高品質和低成本的優勢。為了善用這些低成本且開放的高品質硬體，像是西門子、洛克威爾自動化和倍福等幾家大公司因而致力於創建一種新的準確性協定。這種協定不僅適用於需要準確性（或硬即時）的高精密設備，還能重複使用 CAT5 網路線和網卡，而不是專用的纜線和 I/O 卡。

事實上，已經有五種工業總線協議能夠透過基於乙太網的硬體提供一定程度的準確性，同時滿足高精密機械和設備的需求。這些競相成為最佳「事實上」標準的規範包括：Ethernet/IP、Ethernet Powerlink、EtherCAT、PROFINET IRT 和 SERCOS III。

然而，由於卓越的性價比特性，以及目前獲得最多伺服驅動器製造商採用，EtherCAT 已毫無疑問地成為領先的數位總線標準。如需進一步了解，請參考這篇標題為《比較5種即時並以乙太網為基礎的現場總線》的文章。

這裡我們探討幾個對 EtherCAT 驅動器和 I/O 製造商來說具有價值的特點。EtherCAT 是一種開放式、即時且具準確性的乙太網總線標準，被廣泛認為是目前最優秀的工業網路之一。自動化設備製造商可以在自己的設備中使用 EtherCAT以提升性能和靈活性，而終端使用者與自動化系統設計師也能實作自己的EtherCAT 相容裝置。以下這些額外優勢也是 EtherCAT 在運動控制和自動化應用中快速普及的原因：

EtherCAT 的速度與準確性操作

EtherCAT 採用乙太網快速通過（on the fly）的處理方式。在傳統的乙太網路中，Ethernet frames（或資料封包）會被傳送到每個裝置，裝置讀取數據後再將回應傳回主站。這個過程會在網路中的每個裝置上重複執行，直到所有裝置都更新完成。整體網路的循環時間是所有回應時間的總和，並且不具有準確性。有時候，多個裝置的訊息還會互相干擾，迫使主站根據優先順序進行仲裁和組織，進而增加了循環時間的延遲。

相比之下，EtherCAT 網路運作得更有效率：當主站發送一個封包時，第一個從站裝置接收後就會立即擷取帶有地址的資料並寫入所有回應。這表示封包有效地穿過所有從站（僅有極微小的延遲），然後返回主站。

除了即時處理功能外，EtherCAT 還透過將多個裝置的發送與接收資料合併到單一Ethernet frames來提升頻寬，而不需要為了每個網路裝置分別傳送封包。對於有許多驅動器、I/O和裝置的網路，這種方法大幅降低了傳輸負擔，同時特別適用於像是多軸伺服機械控制的高頻寬應用，對 64 個驅動器及多個 I/O 裝置的抽樣和更新還能在不到250微秒內就可以完成。

EtherCAT：精準同步

多軸運動控制網路高度依賴各個獨立裝置的同步性，以準確執行多維運動軌跡。要同步網路上所有的裝置，就必須計算並補償裝置之間的傳輸時間和不同裝置時鐘的漂移。為此，EtherCAT 使用分散式時鐘模式（DC），所有分散式時鐘之間的相位偏移能小於 0.1 微秒。

低成本 — EtherCAT 利用所有 PC 廣泛使用的量產乙太網通訊裝置和纜線來降低成本。從站裝置也只需要一個低成本的專用控制器。最重要的是，EtherCAT 之所以能達到低成本的原因在於已有許多從站廠商採用 EtherCAT 標準，因此供應商之間的競爭狀況大幅壓低了從站裝置的成本。

總而言之，設備製造商發現 EtherCAT 帶來了極大的價值，因為可以滿足所有準確性的需求，提供最佳性能與同步性，同時還能維持最低且突破性的成本。