車間數(shù)字化工程中EtherCAT總線技術(shù)的研究

梁宇

摘 要：該文首先介紹數(shù)字化車間工業(yè)環(huán)境中，利用EtherCAT以太網(wǎng)協(xié)議完成工業(yè)自動(dòng)化控制的工作原理以及現(xiàn)狀。相信隨著工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的迅速蔓延，工業(yè)以太網(wǎng)必將取代傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線通信方式，創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會效益。

關(guān)鍵詞：EtherCAT 工業(yè)以太網(wǎng) 數(shù)字化工廠

中圖分類號：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2019）02（b）-0041-02

工業(yè)以太網(wǎng)是目前工業(yè)控制發(fā)展的一個(gè)新的方向，其本質(zhì)就是將計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合傳統(tǒng)工業(yè)控制技術(shù)，來實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化控制領(lǐng)域構(gòu)成的交叉應(yīng)用學(xué)科。它有力地改造了傳統(tǒng)的控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，即現(xiàn)場總線已經(jīng)成為自動(dòng)化設(shè)備行業(yè)的標(biāo)志性技術(shù)，也引領(lǐng)了信息化帶動(dòng)工業(yè)化將來的發(fā)展研究方向。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展和以工業(yè)以太網(wǎng)為典型的新型現(xiàn)場總線技術(shù)的迅速蔓延，為生產(chǎn)自動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)化奠定了基礎(chǔ)。其中基于EtherCAT的工業(yè)以太網(wǎng)總線以其良好的同步性和實(shí)時(shí)性、系統(tǒng)配置簡單、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)靈活、數(shù)據(jù)傳輸率高速高效，以及實(shí)現(xiàn)成本低廉等特點(diǎn)成為當(dāng)今和未來工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的重要方向。開展基于EtherCAT總線相關(guān)接口技術(shù)的研究開發(fā)，對于提升我國工業(yè)自動(dòng)化水平具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 EtherCAT技術(shù)概況

EtherCAT是由德國BECKHOFF自動(dòng)化公司提出的一種最新的國際開放性的高速工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，它是一個(gè)開放源代碼、高速率、高性能的系統(tǒng)，同時(shí)具有高數(shù)據(jù)、有效率的特點(diǎn)。其憑借高速傳輸、數(shù)據(jù)有效性、實(shí)時(shí)性等特點(diǎn)得到世界上很多工控公司的支持。EtherCAT使通訊技術(shù)和現(xiàn)代工業(yè)Pc所具有的超強(qiáng)計(jì)算能力相適應(yīng)，總線系統(tǒng)不再是控制理念的瓶頸，分布式系統(tǒng)I/O已經(jīng)比大多數(shù)本地系統(tǒng)I/O接口運(yùn)行速度更快。EtherCAT對硬件并沒有特殊要求適用性廣泛，任何控制單元只要具有以太網(wǎng)通信控制器，均可作為其主站。其具有良好的兼容性及同步性，拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)便捷完全符合以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。EtherCAT的實(shí)施并不需要特殊的總線，利用以太網(wǎng)交換機(jī)，就可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的多種物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。EtherCAT使網(wǎng)絡(luò)性能達(dá)到了新境界，1000多個(gè)I/O的更新時(shí)間只需30μs，其中還包括I/O周期時(shí)間。與100個(gè)伺服軸的通訊每100μs執(zhí)行一次。并可在這一周期時(shí)間內(nèi)更新帶有命令值和控制數(shù)據(jù)的所有軸的實(shí)際位置及狀態(tài)，分布式時(shí)鐘技術(shù)使軸的同步偏差小于1μs。通過總線也可以形成超高速控制回路。EtherCAT具有高性能的通信診斷能力，能迅速排除故障。同時(shí)還支持網(wǎng)絡(luò)冗余檢錯(cuò)功能，提高了可靠性。在EtherCAT以太網(wǎng)控制中的節(jié)點(diǎn)和拓?fù)淇筛鶕?jù)生產(chǎn)和維護(hù)改造的要求，方便地進(jìn)行擴(kuò)充和重組，為用戶節(jié)省人力、物力資源。工業(yè)控制以太網(wǎng)使用全數(shù)字化通信，模擬量由自身進(jìn)行數(shù)字量化，網(wǎng)絡(luò)上傳遞的信息全部采用數(shù)字的方式。功能實(shí)現(xiàn)模塊化，不同的節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)不同的功能，這樣用戶就簡化了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。

2 EtherCAT數(shù)字化的應(yīng)用及前景

數(shù)字化進(jìn)程中，網(wǎng)絡(luò)控制的理念越來越被用戶所接受，而傳統(tǒng)的基于RS485、CAN等總線的各種集散控制系統(tǒng)已經(jīng)很難滿足現(xiàn)代工業(yè)控制的要求。在數(shù)字化工廠及一些制造業(yè)的領(lǐng)域中，利用以太網(wǎng)協(xié)議完成工業(yè)自動(dòng)化控制，如機(jī)械設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)控制，或利用機(jī)器人和其他裝備線上的技術(shù)等應(yīng)用，具有巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會效益，這也是EtherCAT工業(yè)控制以太網(wǎng)快速發(fā)展及應(yīng)用的必然因素。在各種大型工業(yè)控制環(huán)境、機(jī)床加工、半導(dǎo)體、工業(yè)機(jī)器人、印刷機(jī)械、包裝機(jī)械、安裝生產(chǎn)線、液壓傳動(dòng)等幾乎所有自動(dòng)化領(lǐng)域行業(yè)，EtherCAT都取得了廣泛的應(yīng)用。在美國和日本，有EtherCAT技術(shù)認(rèn)證實(shí)驗(yàn)室和眾多的產(chǎn)品提供商?？罩锌蛙嚬揪驮谄滹w機(jī)制造生產(chǎn)線中，利用了EtherCAT來做機(jī)翼強(qiáng)度的驗(yàn)證和測試。在中國，用戶對EtherCAT以太網(wǎng)的應(yīng)用研發(fā)也開始起步，高鐵建設(shè)項(xiàng)目和世界第一高塔廣州電視塔項(xiàng)目中都有EtherCAT技術(shù)為其保駕護(hù)航。展望未來面對著工業(yè)4.0熱潮所帶來的發(fā)展機(jī)遇，以EtherCAT為基礎(chǔ)面向未來的基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)時(shí)應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)必將蓬勃發(fā)展起來，進(jìn)一步將EtherCAT的應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展到異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，實(shí)現(xiàn)智能制造的靈活性和實(shí)時(shí)性。其將廣泛地應(yīng)用于機(jī)器控制、測量設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備、汽車和移動(dòng)設(shè)備及無數(shù)的嵌入系統(tǒng)中，特別是運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域。工業(yè)自動(dòng)化進(jìn)一步擺脫過去的自動(dòng)化模式，單片機(jī)自動(dòng)化、工廠自動(dòng)化，向著系統(tǒng)自動(dòng)化迅速發(fā)展，借助上層的信息網(wǎng)絡(luò)，將底層的自動(dòng)控制信息相結(jié)合將會現(xiàn)實(shí)，形成管理控制一體化的集成控制系統(tǒng)，擺脫過去的自動(dòng)化模式，自動(dòng)化與信息化的融合，實(shí)現(xiàn)整個(gè)企業(yè)信息的無縫銜接，未來的現(xiàn)場總線將與企業(yè)級網(wǎng)絡(luò)，甚至云端緊密相連，從而使得工業(yè)控制領(lǐng)域不再是信息的孤島，極大地推動(dòng)工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展。

3 結(jié)語

EtherCAT總線有效地提高了通行的速度和精度，因此對于實(shí)現(xiàn)高速、高效、高精控制提供了很大的方便，依靠其傳輸速率快、兼容性好、資源共享能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，受到了各大工業(yè)自動(dòng)化公司的青睞。在工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中，已經(jīng)在控制層與信息層占據(jù)著主導(dǎo)地位了。因此，我們可以預(yù)測基于開放式EtherCAT總線的車間數(shù)字化工程發(fā)展前景是非常廣闊的。

參考文獻(xiàn)

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