串列式数位伺服运动控制及工业控制自动化乙太网路-机械所EPCIO.PDF

串列式數位伺服運動控制及工業控制自動化乙太網路技術簡介 Introduction of Digital Servo Motion Control and EtherCAT Technology 工業技術研究院 機械所 汪曙峰 吳承學 關鍵字 串列式數位伺服運動控制，分散式控制，工業控制自動化乙太網路技術 Keywords Digital Servo Motion Control, Distributed Control, Ethernet for Control Automation Technology (EtherCAT) 摘要 本文針對了 ProfiNET, SERCOS, SynqNet 等數種業界既有的開放性串列伺 服運動控制技術之規格架構、通訊協議、傳輸媒介做一綜觀性之說明簡述，並對 新一代以乙太網路架構為基礎的現場匯流排技術 EtherCAT做了概括性之介紹。 Abstract The article presents a survey of fully digital servo control technology and illustrates their system architecture, protocol, and communication interfaces, etc. Moreover, the next generation Ethernet-based field bus system technology, EtherCAT, is introduced in the second half of this article. 前言 資訊產業的持續進步與網路通訊技術的大幅提升，使得以即時通訊介面為基 礎的新世代工業自動化設備快速而蓬勃地發展。傳統的自動化設備與工具機台所 使用的伺服控制技術因面臨了多軸同步與即時性能不佳、解析度不足，並受限於 配線繁多及雜訊干擾等問題，因而利用串列式伺服控制透過即時通訊系統，並經 由網路媒介傳遞純數位訊號與控制參數，應用於工業自動化控制系統中的各式通 訊傳輸協定，遂於近年來逐一被提出。諸如 CANopen 、Real-Time Ethernet 、 SERCOS 而至EtherCAT 等新一代開放性技術甚或 SSCNET 、F2 等自訂之封閉式 獨立規格，採用此類串列式伺服控制之通訊協定而應用於工業自動化設備的網路 系統是一個共通的趨勢，其主要優點為配線容易、節省成本、抗干擾性、遠端控 制，並可發展更高速度高精度的運動控制技術，進而帶動新的控制架構─分散式 控制 (Distributed control) 伺服驅動系統。 所謂的分散式控制就是將系統中各個獨立的控制單元，利用串列式伺服運動 控制技術的概念加以整合，以取代一個大型的單一控制系統。因此分散式控制有 以下之優點[1~3] ： 1. 系統中的每個單元均具獨立性，易於模組化的建立與設計，達到更好的系統 整合控制效果。 2. 系統的彈性增加，減低系統建構和維護的困難，達到更靈活的系統應用。 3. 系統的強韌性增加，當一控制單元損壞時，不至於影響到整個控制系統。 4. 配合高速之微處理器，建構具平行處理能力的系統，提升整體效能。 串列式伺服運動控制通訊協定 有鑑於上述之發展趨勢，全球控制器廠商或是相關學界也都致力於開發具有 即時通訊伺服功能的通訊介面和產品。其中如 SERCOS 、ProfiNET 、SynqNet 、 Device Net 、Ethernet Powerlink 、Modbus 、CAN bus… 等均是具公開標準或推廣 協會所開發之開放式網路通訊協定，然許多世界性之伺服器大廠並不採用此類開 放式標準協議，如日本三菱電機 (MITSUBISHI) 的 SSCNET 、松下電器 (Panasonic)的 F2 、日本安川 (Yaskawa)的 MechatroLink… 等仍就採獨立開發而 自行定義的封閉式通訊協定。雖然沒有共通的通訊協定標準，但是對於技術需求 與目標均是一致的[4] ，即期望達到：一、即時性：必須在固定的週期時間內完