智慧化是製造業(yè)近年來的重要趨勢，過去製造系統(tǒng)以自動化技術為根基，將單調、重複與所謂的3K(骯髒、危險、辛苦)等工作交給機器，不過隨著消費性產(chǎn)品市場需求的改變，與自動化技術的快速提昇，傳統(tǒng)的自動化技術已無法滿足現(xiàn)有製造業(yè)者，智慧化成為製造業(yè)的重要課題。
就發(fā)展現(xiàn)況來看，智慧化的定義廠商之間雖各有不同，不過對智慧化系統(tǒng)主架構的看法卻相當一致，無論軟硬體供應商或使用者，市場上的供需兩端都認為物聯(lián)網(wǎng)將會是智慧工廠的主幹，物聯(lián)網(wǎng)主要是透過網(wǎng)路串連散置各處的製造設備，將設備訊息傳送至後端，加以儲存、分析，讓管理者可依此制定出精準策略，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中，底層設備的感測、中層網(wǎng)路架構的傳輸穩(wěn)定、後層管理分析平臺的建置，三者同等重要，在中層路架構中，工業(yè)乙太網(wǎng)路近來技術逐漸成熟，包括運動控制在內的自動化設備，都已開始大量導入。
| 圖1 : 工具機已走向高精度、高效率加工能力，作為精密加工機械上最關鍵核心的運動控制，在技術面也須同步成長。 (Source: Prodrive Technologies) |
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精度速度同步提昇
運動控制是自動化系統(tǒng)的核心技術之一，其應用相當廣泛，這幾年工具機相關產(chǎn)業(yè)為政府近年來全力扶植的產(chǎn)業(yè)之一，臺灣相關在工具機製造廠商與學術研究單位的共同努力下，目前已躍升成為全球第4大工具機出口國，目前工具機已走向高精度、高效率加工能力，作為精密加工機械上最關鍵核心的運動控制，在技術面也須同步成長，以因應其需求。
不過工具機以往因受限於伺服控制架構的性能，加工時必須在精度與速度間做取捨，反而導致整體效能無法提升，有鑑於此，近年來，對於伺服控制架構相關的改善課題一直是產(chǎn)官學界所努力的目標，目前臺灣的CNC工具機在精度與速度兩方面，都已獲得大幅改善。
觀察整體趨勢，可以看出目前運動控制有幾個技術趨勢，包括：
1.高精度、高效能、高穩(wěn)定度
受制於伺服控制的架構，必須在精度與速度上有所取捨，導致整體性能無法提升，因此，提高精度與效能除了在機構的改善外，增加伺服系統(tǒng)的頻寬亦是相當重要，另一方面，生產(chǎn)線的設備投資相當龐大，生產(chǎn)的速度與交貨日期等因素，均不容許機臺有任何的意外停機與元件損壞，因此穩(wěn)定度的加強是所有設備製造商必須努力追求的目標。
2.多軸運動控制
因應自動化系統(tǒng)的普及，使得在單一機臺上的軸數(shù)增加，一臺設備幾十軸數(shù)、一條生產(chǎn)線上幾百軸都是有可能的，因此，在軸數(shù)增加的情況下，如何協(xié)調各軸之動作、監(jiān)控機臺的運作，與配線的方式將是重要的議題。
3.綠色環(huán)保科技
溫室效應的影響，環(huán)保意識的抬頭，如何節(jié)省更多的能源更是當今最熱烈討
論的話題。因此，從運動控制系統(tǒng)的角度，降低功率的消耗、減少線材的使
用、縮小控制器的體積，以綠色科技的方式實行節(jié)能減碳。
工業(yè)乙太網(wǎng)路打造精準架構
| 圖2 : 運動控制廠商近來積極導入各類工業(yè)乙太網(wǎng)路技術。(Source: Beckhoff) |
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因應這些技術趨勢，運動控制廠商近來積極導入各類工業(yè)乙太網(wǎng)路技術，目前市場上主流的工業(yè)乙太網(wǎng)路包括PROFINET、POWERLINK、Ethernet/IP、EtherCAT、SERCOSIII等5種，介紹如下：
1.PROFINET
PROFINET由工業(yè)大廠Siemens主導，為PROFIBUS用戶組織PNO的成員公司共同開發(fā)，為了覆蓋不同系統(tǒng)的效能需求，PROFINET讓各協(xié)議和服務可自行決定採用工業(yè)或消費等級的網(wǎng)路型態(tài)，高優(yōu)先等級的負載數(shù)據(jù)透過＼乙太網(wǎng)路協(xié)定並以VLAN的優(yōu)先次序發(fā)送，而診斷和配置數(shù)據(jù)發(fā)送使用UDP/IP，可使系統(tǒng)的I/O循環(huán)週期時間縮短至10毫秒。
對要求同步時脈週期時間低於毫秒的運動控制，PROFINET陣營以PROFINET IRT因應，PROFINET IRT的DFP以分時復用的硬體同步開關，提供了用戶新的PROFINET變化設計。
2.POWERLINK
POWERLINK由B&R(貝加萊)公司開發(fā)，為完全免專利費的工業(yè)乙太網(wǎng)路，POWERLINK分為即時和非即時，在異步階段得數(shù)據(jù)傳輸支援標準的IP Frame，透過路由器將即時域和非即時域的數(shù)據(jù)隔離，以確保數(shù)據(jù)安全，POWERLINK適合用於各種自動化應用，包括I/O、運動控制、機器人、PLC之間的通訊。
3.Ethernet/IP
此標準為當年的控制器大廠Allen-Bradley所制定，後來Allen-Bradley為Rockwell併購，因此Ethernet/IP目前多應用於Rockwell的系統(tǒng)，在美國應用較為普及，Ethernet/IP在標準的乙太網(wǎng)路硬體上運作，並同時使用TCP/IP和UDP/IP傳輸數(shù)據(jù)，由於Ethernet/IP通過CIP(通用工業(yè)協(xié)議)，該協(xié)議支援工業(yè)與消費性網(wǎng)路模式，對此Ethernet/IP採用不同的通訊機制來處理，Ethernet/IP的時脈週期約為10ms左右，CIP Sync和CIP Motion的節(jié)點同步，透過IEEE1588標準定義的分佈時脈方式，可達到極低的循環(huán)週期與抖動，這使得Ethernet/IP可被應用於伺服電機的控制與驅動。
4.EtherCAT
EtherCAT為德國Beckhoff公司所研發(fā)，其名稱的CAT為控制自動化技術（Control Automation Technology）字首的縮寫，由此可知此協(xié)定是專為控制之類而設計，EtherCAT的運作方式是由主站發(fā)送包含網(wǎng)路所有從站數(shù)據(jù)的封包，此一Frame按照順序通過網(wǎng)路上的所有節(jié)點，當最後一個Frame送達後，F(xiàn)rame再次返回。
在同步化方面，EtherCAT每個從站由主站提供一個類似IEEE1588時時脈技術進行同步，從站這被可以因應硬體決定其即時性，若為即時機制，控制訊號可以高精度同步，在物理層，EtherCAT協(xié)定不只在乙太網(wǎng)路上運作，也可採用LVDS，此一標準被Beckhoff應用於端子技術，相較於POWERLINK與PROFINET，EtherCAT僅貫穿OSI 7層模型中的1～3層，因此若要與其他系統(tǒng)有相同功能，必須另外加載如CoE或EoE之類的協(xié)定層。
5.SERCOSIII
SERCOSIII為免費提供的數(shù)位驅動介面即時通訊標準，SERCOSIII在主站和從站均採用特定硬體，這些硬體減輕了主CPU的通訊負擔，並讓數(shù)據(jù)可快速即時處理與硬體同步，SERCOSIII用戶組織提供了SERCOSIII的IP Core給使用FPGA的相關硬體開發(fā)商，SERCOSIII採用集束幀方式傳輸，網(wǎng)路節(jié)點須採用菊花鏈或封閉的環(huán)狀拓樸，由於乙太網(wǎng)路具有全雙工能力，菊花鏈實際尚以構成獨立的環(huán)狀拓樸，因此對一個環(huán)狀拓樸，實際上等於提供了雙環(huán)，使其具有備援能力。
在軸數(shù)增加的情況下，如何協(xié)調各軸之動作、監(jiān)控機臺的運作，與配線的方式將是重要的議題。
其每個節(jié)點上的兩個端口具有直接交叉通訊能力，在菊花鏈和環(huán)形網(wǎng)路，即時傳遞會經(jīng)過其前後兩個節(jié)點，因此節(jié)點具有在每個通訊週期中互相通訊兩次而無須經(jīng)過主站的能力。
**刊頭圖片來源（Source: HANNOVER MESSE）
