基于工业4.0 的创新技术实现智能工厂的无缝连接
在2015年的上海工博会上，研华科技以九大主题展示了智能工厂的全新蓝图，其中首次重磅推出的“新一代运动控制总线EtherCAT完整解决方案”更是赢得了业界的广泛关注。融合先进以太网技术与PC-based的传统优势，研华将如何帮助用户实现智能工厂的透明管控？研华科技工业自动化事业群资深协理黄怡家先生认为，实现从设备层、控制层到企业层的无缝连接，是打造工业4.0智能工厂架构的重要一步。
让隐藏的设备层真实可见
工业4.0，其实就是大数据驱动的智能工业。通过对工厂大量数据的采集和分析，企业可以进一步实现对于能耗的优化和效率的提升，大数据是一切智能制造的基础。现实中的很多中国制造企业在谈到工业4.0时常感到无处着手，其实往往忽略了来自最底层的设备所隐藏的数据。
以运动控制最核心的伺服电机为例，以前采用模拟量信号控制伺服电机，用户在远端是不可能看到这些伺服电机的状态和参数。“如果在一个工厂里有5000个电机，按照目前的状况，当我们发现有任何一个伺服电机有问题的时候，唯一的办法就是到现场，拿一根USB线和一台笔记本接到伺服电机上面，去查看它的参数。想想看5000个电机的话将是多么庞大的工作量！”研华科技工业自动化事业群资深协理黄怡家谈道。
“而现在，通过EtherCAT可以很容易与控制层接入，将底层信息传到远端，从而实现对伺服电机参数和状态的远程监控。这不管对于维护人员、还是设计人员来说，都让工作变得更便捷。这是一个质的飞跃，我们说的智能工厂，其实就是将以前看不到的底层信息，传到控制层和企业层。”
实时监控，是工厂里面维护工程师们的心声。“其实德国的工业4.0计划里面，到最后谈到的就是以人为本，希望可以通过更多智能化的设备来减少人们做重复无聊的工作。”黄怡家坦言，“相信很快，我们都可以通过智能手机来监控电机。我们可以在手机上查看每一台电机的参数，比较是否有设置错误等，甚至我们可以监控它们里面的参数，虽然这看起来可能只是一个很小的变化，但是对于现场的工程师们来说却能带来非常大的帮助。”
纵向集成加速智能互联
基于PC-based的传统技术优势，与开放式EtherCAT协议的完美融合，研华帮助用户实现了可实时监测状态的透明设备层。这也是全球知名的伺服电机制造商松下电器决定与研华科技开展深入合作的原因。双方在2015年8月正式签订了“工业4.0”合作备忘录，宣布将针对智能控制技术和“开放式therCAT伺服电机”展开进一步合作。
目前研华的EtherCAT轴卡已经可以支持松下的A5B系列伺服电机，双方也不约而同在本届工博会上重点展出了最新的EtherCAT运动控制解决方案。在研华展出的“EtherCAT雨之舞”模型中，实现了12同步轴进行水滴模拟和512个 IO点同步闪烁。研华的全方位EtherCAT解决方案，不仅支持Common Motion软件开发工具包及图形化的公用程序，同时，也不受限于伺服及步进马达品牌。完整的数字、模拟和计数IO模块，支持分布式时钟模式，满足了工业4.0架构下智慧工厂高效能与高速的控制应用需求。
据黄怡家介绍，除已经合作的松下之外，包括安川、三洋电机、台达、汇川、南京埃斯顿等在内的很多伺服电机制造商也在和研华进行接洽，并将陆续针对不同机型做出相关测试。“虽然EtherCAT是一个标准型的总线，但根据我们的测试，每一家的伺服电机的设置和参数还是有很多不同，达到的最终效果也参差不齐。因此我们希望通过与松下的合作，先给用户提供一个最优质的方案。接下来再与其他伺服厂家制定的伺服电机去做测试。” 黄怡家说道。研华未来的构想是希望将生产线设备透过开放式架构的EtherCAT规格串连起来后，研华的云端监控技术可监管整个自动化生产线，达成完整的工业4.0及智慧自动化生产应用。
谈到未来的运动控制发展趋势，除了EtherCAT技术的不断普及，黄怡家认为更多的集成也是方向之一。用户可以通过集成一些感测器，监控电机的温度等其他参数是否有异常，以便提早进行预防和维护。随着EtherCAT技术在伺服电机上大量应用后 ，将意味着可以在设备层上采集更多的信息，通过大数据分析，进而制定出更完善的工业4.0解决方案，更好地优化企业的生产效率。
智能控制迎来EtherCAT时代
作为目前运行速度最快的开放式工业以太网技术，EtherCAT这两年呈现出应用爆发的趋势，尤其是得到了众多自动化厂商和用户群的认可，这一点从业界不断推出的EtherCAT控制系统、伺服驱动、运动控制等解决方案中就不难发现。作为在自动控制与电机测试领域潜心研发多年的专家，黄怡家认为EtherCAT近年来的快速发展正是呼应了工业4.0时代对于少量多样、客制化和弹性灵活生产的需求。
采用EtherCAT的数字串行式伺服电机能够为用户带来很多明显的优势。首先，布线简洁，减少了配线工时。以前控制器与伺服间每轴约需10~20条配线，现在只需要一根以太网网线就可以，减少的配线工时及线材使得整体配线成本可降低90%以上。其次，采用数字信号传输也大大减少了噪声干扰。在工厂里面有非常多的杂线以及干扰源，通过串列式数字传输，能够有效防止现场干扰。
由于配线简单，增加控制轴仅需将网络线延伸，EtherCAT运动控制解决方案使得系统扩充更为容易且更具弹性。在工业4.0大背景下，人工成本的上升以及熟练技术工人的缺乏，加速了机械手和机器人的应用。“现在，企业想在原有生产线加装机械手，只需要在原来的机台旁边，再接一条网线，就可以把机械手的功能接进来了。而过去我们要在这个机台里做很多配线。”黄怡家深有感触地说，“这对工程师来说是非常人性化的考量，省去了重新设计的麻烦，相信这也是未来的一个趋势。”
对于需要高精度运动控制的应用，最重要的一个特性就是在高速通信中能够同时实现多种控制方式。过去，伺服电机各个轴之间的精准同步是很难做到的，可能需要用一些封闭的专用总线才能做到多轴的同步运动。“EtherCAT不但能实现多轴同步，甚至还提供了比市场上主流的协议更快的速度，而且还是一个基于开放架构的技术。” 黄怡家坦言。
为了给用户提供更完善的工业4.0解决方案，研华也在积极研制基于开放式以太网现场总线EtherCAT的产品。据悉，研华即将在下个月正式发布EtherCAT轴卡PCI-1203。与市场上其他轴卡相比，PCI-1203可支持高达32轴的同步控制，双以太网接口可以同时实现IO控制和运动控制功能。高效能的双核芯片，使运算时间减少一半，仅用0.5微妙就可以处理最多32轴的运算。 “这是非常大的突破，新轴卡速度变快了，轴数还可以支持更多。”黄怡家说道，“而且，分摊到每个轴的成本也降低了。”除了EtherCAT轴卡之外，据悉研华也在加紧研发基于EtherCAT的机器人控制器和可编程自动化控制器（PAC）产品。
作为全球最大的工控机（IPC）领导厂商，研华从物联网的推手到布局工业4.0智能系统产业链，始终以创新的思维引领行业前行。据悉， 2015年研华以29.5%的新纪录继续领跑全球IPC市场，相信基于PC-based控制领域的传统技术优势，加上先进的WebAccess组态软件，与开放式以太网总线EtherCAT技术的无缝集成，必将为研华带来新的增长动力。从硬件到软件，从设备端到云端，研华将为转型期的中国制造企业带来更完善的工业4.0解决方案。