談?wù)凟therCAT應(yīng)用于工業(yè)機(jī)械制造

摘 要：EtherCAT擁有杰出的通訊性能，接線非常簡(jiǎn)單，并對(duì)其它協(xié)議開(kāi)放。EtherCAT擁有多種機(jī)制，支持主站到從站、從站到從站以及主站到主站之間的通訊。它實(shí)現(xiàn)了安全功能，采用技術(shù)可行且經(jīng)濟(jì)實(shí)用的方法，使以太網(wǎng)技術(shù)可以向下延伸至I/O級(jí)。EtherCAT功能優(yōu)越，可以完全兼容以太網(wǎng)，可將因特網(wǎng)技術(shù)嵌入到簡(jiǎn)單設(shè)備中，并最大化地利用了以太網(wǎng)所提供的巨大帶寬，是一種實(shí)時(shí)性能優(yōu)越且成本低廉的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

關(guān)鍵詞：EtherCAT；鋼板；成形工藝；控制技術(shù)

中圖分類號(hào)：TP273

隨著我國(guó)人口結(jié)構(gòu)改變，勞動(dòng)力成本飛快上漲及缺工問(wèn)題日益嚴(yán)重，導(dǎo)致各個(gè)企業(yè)都必須加重產(chǎn)線自動(dòng)化投資，并朝無(wú)人智慧工廠發(fā)展。在現(xiàn)今工業(yè)4.0時(shí)代，制造業(yè)者必須隨時(shí)面臨少量多樣的生產(chǎn)，以及彈性庫(kù)存壓力等問(wèn)題，生產(chǎn)流程管理不能只是自動(dòng)化，更需智能化。

EtherCAT分散式設(shè)備控制器解決方案以NISE無(wú)風(fēng)扇電腦為基礎(chǔ)，采用Windows Embedded Standard 7加上Intervalzero RTX2012的架構(gòu)下開(kāi)發(fā)出NexECM 1.0；EtherCAT主站解決方案：NexECM 1.0，自動(dòng)化設(shè)備制造商將可以很快速的設(shè)計(jì)出各種產(chǎn)業(yè)應(yīng)用自動(dòng)化機(jī)臺(tái)。同時(shí)，透過(guò)以太網(wǎng)為基礎(chǔ)的現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)EtherCAT，所有程序資料都是由從站控制器的硬體來(lái)處理，并可以進(jìn)一步成為高性能的分散式I/O系統(tǒng)。透過(guò)以太網(wǎng)絡(luò)技術(shù)享有快速的響應(yīng)時(shí)間與精準(zhǔn)的實(shí)時(shí)性（Real-time）的特性，且NexECM本身采用開(kāi)放式架構(gòu)，使的系統(tǒng)整合加值商可以在開(kāi)放架構(gòu)上開(kāi)發(fā)出與整合更多的功能與產(chǎn)品。同時(shí)，因?yàn)樾聺h電腦提供CiA402函數(shù)庫(kù)API，有狀態(tài)控制函數(shù)，驅(qū)動(dòng)器基本操作函數(shù)，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)（Profile Position mode），速度運(yùn)動(dòng)（Profile Velocity mode），以及歸零運(yùn)動(dòng)（Homing mode），所以客戶可以更方便進(jìn)行多種運(yùn)動(dòng)控制，并提供快速除錯(cuò)功能而不需要去了解復(fù)雜的CANopen通訊協(xié)議。

EtherCAT分散式設(shè)備控制器不僅向下可控制機(jī)臺(tái)，向上又可聯(lián)系工廠與網(wǎng)絡(luò)世界，更藉由完整功能，彈性界面與精確實(shí)時(shí)等特性，幫助自動(dòng)化設(shè)備制造商大幅節(jié)省各種配線，線材建制與維護(hù)成本，并且達(dá)到相當(dāng)于其他頂級(jí)控制器的效能，產(chǎn)生最大彈性生產(chǎn)，提高生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)智慧工廠，智慧機(jī)械，智慧產(chǎn)品三者串聯(lián)的工業(yè)4.0生產(chǎn)模式！

1 可升級(jí)的控制技術(shù)

借助可升級(jí)的模塊化Beckhoff產(chǎn)品，在考慮到計(jì)算能力、復(fù)雜性及成本預(yù)算等方面的前提下為客戶量身打造解決方案。與傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)相比，它們能夠極大地提升金屬板材加工機(jī)械的生產(chǎn)效率和靈活性。Beckhoff基于PC的控制技術(shù)將諸如控制、調(diào)整、運(yùn)動(dòng)控制及HMI等所有工藝集成到一臺(tái)PC上，在全球各種沖壓、切割、折彎及焊接系統(tǒng)應(yīng)用中得到廣泛運(yùn)用，具有極強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。PC技術(shù)具有較高的處理器能力，無(wú)需使用專用硬件。例如，液壓閥的位置和壓力控制器可以用軟件來(lái)代替。PC能夠毫不費(fèi)力地處理最為復(fù)雜的控制運(yùn)算，為其它功能（如測(cè)量任務(wù)）提供附加的處理能力。因此，不再需要那些編程靈活度有限的復(fù)雜、昂貴的專用控制器和硬PLC。

Beckhoff的產(chǎn)品系列包括高性能的緊湊型工業(yè)PC和嵌入式PC、適用于所有信號(hào)類型的各種電子I/O端子模塊、伺服驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品、經(jīng)濟(jì)高效的步進(jìn)電機(jī)系列、EtherCAT高速現(xiàn)場(chǎng)總線、TwinCAT自動(dòng)化軟件以及專用于鋼板加工機(jī)械的特殊控制面板。

2 適用于每個(gè)應(yīng)用場(chǎng)合的最佳控制系統(tǒng)

Beckhoff為鋼板加工機(jī)械提供帶Windows操作系統(tǒng)的工業(yè)PC，囊括各種尺寸和性能。若與TwinCAT自動(dòng)化軟件相結(jié)合，Beckhoff工業(yè)PC可為PLC、NC以及CNC功能提供一個(gè)高性能的控制系統(tǒng)。附加的程序，例如可視化程序，可輕松集成到系統(tǒng)中。

Beckhoff工業(yè)PC系列包括各種外觀設(shè)計(jì)和性能等級(jí)的面板型PC、抽拉式PC、控制面板PC和適用于DIN導(dǎo)軌安裝的嵌入式PC。例如，由Beckhoff控制柜工業(yè)PC C69xx提供的復(fù)雜精密的減振器系統(tǒng)，要求用來(lái)將工業(yè)PC安裝到受強(qiáng)振和沖擊負(fù)荷（如壓機(jī)、沖床和刀具）的機(jī)身上。

工業(yè)顯示器是工業(yè)PC的輔助設(shè)備，Beckhoff控制面板是鋼板加工系統(tǒng)的可視化前端?？蔀榭蛻籼峁┮豢钭罴训目刂茊卧摽刂茊卧歉鶕?jù)各個(gè)應(yīng)用的具體要求量身定制的。顯示器/操作單元和控制計(jì)算機(jī)的空間分離提供了最大可能的靈活性。Beckhoff自行設(shè)計(jì)、制造和生產(chǎn)所有的工業(yè)主板。這樣可確保使用的都是最新、最完善的技術(shù)，解決方案可根據(jù)具體的應(yīng)用進(jìn)行調(diào)整，并可長(zhǎng)期提供備件。

3 通過(guò)EtherCAT實(shí)現(xiàn)高性能

鋼板加工工藝必須具有快速、高精度及重復(fù)性好等特點(diǎn)。與傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)相比，這些針對(duì)EtherCAT快速實(shí)時(shí)工業(yè)自動(dòng)化以太網(wǎng)技術(shù)的理想條件可縮短更新和響應(yīng)時(shí)間至少10倍。在PC控制器中，除了標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)端口之外，EtherCAT無(wú)需任何專用插卡。傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)，例如PROFIBUS或CANopen可通過(guò)網(wǎng)關(guān)輕松集成到EtherCAT I/O系統(tǒng)中。簡(jiǎn)單、可靠的連接技術(shù)可顯著減少布線時(shí)間，從而節(jié)約成本。EtherCAT與以太網(wǎng)完全兼容，可最大限度地利用以太網(wǎng)帶寬，具有出色的實(shí)時(shí)特性。EtherCAT現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)中固有的冗余增加了斷線情況下的安全性。

EtherCAT應(yīng)用于鋼板加工系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)有：更快速的沖孔、沖壓或激光處理，帶精確定義額定時(shí)間的時(shí)間戳執(zhí)行器使得開(kāi)關(guān)精度<100ns，且軸運(yùn)動(dòng)具有最佳重復(fù)性。時(shí)間戳通過(guò)過(guò)程數(shù)據(jù)提供了有關(guān)時(shí)間關(guān)系的具體信息。它們可以用于輸入信號(hào)（例如，識(shí)別一個(gè)已發(fā)生事件的時(shí)間）和輸出信號(hào)（例如，識(shí)別一個(gè)響應(yīng)計(jì)時(shí)）。通過(guò)高精度測(cè)量的超采樣精確定義信號(hào)曲線，可根據(jù)要求用于焊縫監(jiān)控。超采樣涉及到一個(gè)陣列中通訊周期和數(shù)據(jù)傳輸內(nèi)的過(guò)程數(shù)據(jù)的重復(fù)采樣。例如，超采樣端子模塊采樣分辨率為每個(gè)測(cè)量值10 μs的模擬量值。通過(guò)縮短周期時(shí)間實(shí)現(xiàn)的重現(xiàn)性好的工藝、超采樣和時(shí)間戳使得壓彎?rùn)C(jī)的重復(fù)和平行精度為±0.01 mm。可以更精確地設(shè)置力曲線，從而減少延遲和公差。通過(guò)多軸實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制，通過(guò)分布式時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)同步，重現(xiàn)精度精確到納秒，例如，在折彎剛板時(shí)要用到多根同步軸。分布式時(shí)鐘精確同步EtherCAT設(shè)備，如軸、模具緩沖墊控制器或用于液壓缸的同步控制器。所有的EtherCAT設(shè)備都配備自身的本地時(shí)鐘，并通過(guò)EtherCAT通訊自動(dòng)連續(xù)地與其它所有的時(shí)鐘保持同步。當(dāng)前的分布式時(shí)鐘時(shí)間在整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)總是可用的。通過(guò)分布式時(shí)鐘還能夠同時(shí)讀取所有的測(cè)量系統(tǒng)并同步輸出。EtherCAT測(cè)量系統(tǒng)，比如根據(jù)分布式時(shí)鐘調(diào)整線性標(biāo)度，甚至為位置測(cè)量同步它們的內(nèi)部測(cè)量周期。

4 TwinCAT–將所有功能集成到同一個(gè)軟件中

TwinCAT是一種針對(duì)PC的純粹的軟PLC和運(yùn)動(dòng)控制解決方案。通過(guò)該軟件可精確、有效地控制鋼板加工的各個(gè)工藝階段。TwinCAT PLC編程符合國(guó)際IEC 61131-3標(biāo)準(zhǔn)。開(kāi)放式通訊接口可以集成到現(xiàn)有的可視化、控制和數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)中。過(guò)程跟蹤或遠(yuǎn)程維護(hù)也由此較容易實(shí)現(xiàn)。通過(guò)開(kāi)放式接口和各個(gè)TwinCAT抽象層，應(yīng)用程序可以與由不同制造商所提供的幾乎所有現(xiàn)場(chǎng)總線、I/O組件和驅(qū)動(dòng)技術(shù)一起運(yùn)行，無(wú)需額外改裝。

通過(guò)折彎、沖孔、沖壓、切割或焊接完成的精確金屬板材加工需要以高重復(fù)精度用多根軸實(shí)現(xiàn)同步。TwinCAT NC和TwinCAT CNC取代了整套運(yùn)動(dòng)控制硬件，可用于所有的伺服軸，包括進(jìn)給、碰撞或傳送零件。機(jī)械制造商能夠根據(jù)他們的系統(tǒng)相關(guān)專業(yè)控制經(jīng)驗(yàn)，定制金屬板材加工工藝。即使是復(fù)雜的彎曲算法也可輕松在TwinCAT中編程。借助TwinCAT，日后的升級(jí)和改造及金屬板材切割或步?jīng)_所需的靈活度不再是問(wèn)題。

全面的TwinCAT功能庫(kù)包括溫度、凸輪和液壓控制器、飛鋸及凸輪盤(pán)等功能，編程簡(jiǎn)單。從能夠通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制功能庫(kù)編程的PLC驅(qū)動(dòng)器，根據(jù)VDI 2143指南用TwinCAT NC編程的凸輪盤(pán)，直到通過(guò)TwinCAT PLC溫度控制器根據(jù)PLCopen編程的溫度補(bǔ)償。TwinCAT使得系統(tǒng)制造商能夠創(chuàng)建他們自己的工業(yè)和系統(tǒng)專用功能庫(kù)，讓他們能夠在激烈的競(jìng)爭(zhēng)中脫穎而出，即使他們使用的控制組件都是相同的。

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作者單位：國(guó)營(yíng)九六三一廠，湖南株洲 412007