德國在2012年喊出工業4.0，至今已將近5年，這5年來工業4.0所帶動的智慧製造浪潮，熱度持續攀升，智慧製造成長不斷加速的原因，除了外在因素如消費型態改變、缺工…之外，製造系統中各環節技術與相關廠商的不斷投入也是主因之一，近年來已成工業通訊主流趨勢的EtherCAT就是其一。

通訊技術在製造現場的應用已久，過去的工業通訊都以Fieldbus(現場總線)為主，但在全球大廠商的把持下，不同標準的Fieldbus無法直接互連，必須透過橋接器層層轉接，後期雖有廠商推出工業乙太網路標準，不過由於乙太網路的即時性與穩定性備受質疑，因此市場始終難以打開。

圖一 : 凌華科技醫療與娛樂資訊智能工業事業處市場開發經理楊家瑋指出，EtherCAT可協助製造業者降低成本、提升產能。(攝影／王明德)

然而隨著消費性產品型態的轉變，過去少樣多量的生產型態開始改變，多樣多量甚至是多樣少量的需求出現，傳統生產機台難以因應這類需要高彈性需求，新世代的機種以工業物聯網為架構，系統中所有設備都必須鏈結到後端，傳輸所產生的數據，並加以彙整、分析，在此態勢下，Fieldbus已難負荷新世代製造系統需求，在此同時，不斷改善的工業乙太網路逐漸為市場重視，EtherCAT的出現，更讓此一趨勢明朗化。

EtherCAT打造精準工業通訊架構

EtherCAT已超過10年，由德國自動化大廠Beckhoff推動，2003年底ETG（Ethernet Technology Group）組織成立，負責技術推廣和宣傳，目前ETG已經擁有700多個成員。

EtherCAT是即時工業乙太網路標準協定，此一協定將控制程序的數據加以優化傳輸，EtherCAT協議可包括數個工業通訊封包，其發送和接收的數據先後順序可任意編址，不像一班的乙太網路需依架構內部的物理順序，根據ISO國際標準組織所定義的開放系統，乙太網路共有7層，其中物理層為網絡訊號的傳輸提供了物理通路，數據鏈結層負責網路尋址、錯誤偵測和改錯，應用層的作用是處理數據鏈結層的請求，並作出適當的反應。

相較於一般的乙太網路，EtherCAT則放此標準無需進行乙太網路網的數據封包接收、解碼與將過程數據複製到各個設備等動作，EtherCAT為主從數據交換，由主站和從站配合完成工作，因此非常適合主從控制器之間的通訊，EtherCAT主站傳遞的網路封包包含了所有的I/O從站數據，封包在I/O從站間傳遞，每個從站用極短的時間獲取數據，並將發出的數據寫入其對應位置，然後再將封包傳遞給下一個從站，最後一個從站處理結束後，將傳遞回EtherCAT主站。

由於發送和接收的封包壓縮了大量的設備數據，EtherCAT充分利用了I/O頻寬，採用EtherCAT協定進行數據傳輸，其可用的數據傳輸速率可達90%以上，100 Mbit/s的全雙工(Full-Duplex)特色可完全利用，根據業界資料，EtherCAT處理1000個數位I/O只需30微秒，處理200個l6位元模擬量訊號只需50微秒，取樣頻率可達20kHz，此一特色非常適合大型、多控制點、即時的製造系統，EtherCAT可以落實感測器與驅動器的乙太網路架構願景，在拓墣部分，EtherCAT幾乎可支援所有的乙太網路的拓墣類型，包括Bus、Ring、Sta、Tree等，並且不受限於交換機與集線器的數量，在故障診斷方面，EtherCAT通過CRC校驗，可檢測出數據傳送期間的錯誤，EtherCAT通過匹配性檢查可以進行斷線檢測和故障定位，另外，EtherCAT的系統協議，還可對各個傳輸段分別進行品質監測，也可精確定位關鍵的網段。

EtherCAT成本與效能俱佳

在智慧製造概念的推動下，投入EtherCAT的設備製造商逐漸增多，原已投入的廠商則開始加碼研發，從市場反應來看，市場對EtherCAT已從過去幾年的觀望進入嘗試導入的階段，凌華科技醫療與娛樂資訊智能工業事業處市場開發經理楊家瑋指出，一般製造業者導入新機台的動機只有兩個，一是降低成本，二是提升效率，他以凌華科技的客戶為例，該客戶製造設備的運動控制軸數為64軸，如果是使用8軸控制卡，就會需要8張，而凌華的EtherCAT解決方案，可讓每一軸都成本只需原有的30％，雖然如此驚人的成本縮減必須佐以特定條件，不過在其他條件下，也會有相當幅度的成本減少，這對資金需求向來龐大的製造商而言，相當具有吸引力，另一個則是效率的提升，若使用者目前使用脈衝式運動控制卡或傳統的RS-422、RS-485序列式介面卡片，這些類型的運動控制卡無法做到精準的同步控制，為了提升產線效率，製造業者就會導入EtherCAT產品。

除了上述兩種導入動機外，在設備製造商的研發下，系統升級的成本大幅下降、難度降低、時間縮短，也是使用者願意導入EtherCAT的動機之一，楊家瑋以凌華本身為例，楊家瑋表示，凌華在EtherCAT投入大量資源研發，如果原有的客戶已使用凌華的APS函數庫，則系統可在最多2 周內快速導入EtherCAT。

至於更換EtherCAT與否的考量，楊家瑋建議同樣可從成本與效能來看，EtherCAT的主訴求是可以在乙太網路架構下多軸精準同步，因此業者可計算每一軸數的單一成本，通常來說，8軸以下的系統並不會考慮導入EtherCAT，16軸以上則不需考慮，因此8軸到16軸之間通常會是兩難，如果使用生產線均使用同一廠牌的馬達，則只需要更換驅動器，若使用不同馬達，就須視整體系統狀況，例如從站I/O點的數量與分布，就會影響導入的成本與時間。

建構未來競爭力

目前市場的智慧製造趨勢已然形成，未來製造設備必須具有高精度、高整合能力，才能談到高效率的彈性生產，就技術面來看，EtherCAT雖然並非無懈可擊的技術，但就整體而言，它已可滿足現有智慧製造系統的需求，在中長期來看，EtherCAT在工業通訊市場的重要性將會逐漸提高，目前絕大多數廠商也都早已提出相關解決方案，在有多元選擇的狀況下，製造業者已可積極考慮EtherCAT的導入，提升本身競爭力。