基于EtherCAT現(xiàn)場總線的物料傳輸控制系統(tǒng)

孫 敏，符 瑤，譚立杰

(中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京 100176)

在工業(yè)控制的發(fā)展過程中，工業(yè)控制系統(tǒng)向智能化、網(wǎng)絡化和分散化發(fā)展，同時自動化系統(tǒng)和現(xiàn)場設備要求以多分支結構、雙向傳輸和全數(shù)字式的通信控制網(wǎng)絡相連。EtherCAT（Ethernet for Control Automation Technology）是 由 德 國 倍 福（BECKHOFF）自動化公司于2003年提出的實時工業(yè)以太網(wǎng)技術。它具有大數(shù)據(jù)、高速、有效的特點，支持多種設備連接拓撲結構。以往現(xiàn)場總線技術通信速率和串行通信方式引起同步性差，運動控制失真。并且各種總線技術之間缺乏開放性，互通和互操作性差，且價格昂貴，已經不能滿足現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的需求。EtherCAT網(wǎng)絡有效地解決了這些不足，為高精度、同步控制系統(tǒng)提供了強有力的保障[1]。EtherCAT的優(yōu)點主要體現(xiàn)在五個方面：（1）刷新周期短；（2）同步性能好，能實現(xiàn)精確同步；（3）拓撲結構靈活，幾乎能支持任何拓撲類型；（5）可靠性高，雙網(wǎng)卡的冗余電纜可保證系統(tǒng)可靠性。

基于EtherCAT現(xiàn)場總線的物料傳輸控制系統(tǒng)作為大型半導體工藝設備的核心模塊，其傳輸功能及性能指標直接影響工藝設備的效率、產能以及產品的質量。所以該物料傳輸系統(tǒng)的運動控制精度高和響應速度快的性能成為提高傳輸可靠性、穩(wěn)定性和效能的保障。

1 運動控制系統(tǒng)組成與運動控制器類型

典型的運動控制系統(tǒng)主要由運動控制器、驅動器、電機、執(zhí)行機構以及檢測反饋系統(tǒng)等構件組成，如圖1所示。其中運動控制器是系統(tǒng)的核心，是決定自動控制系統(tǒng)性能的主要器件。

圖1 典型運動控制系統(tǒng)構成

目前常見的EtherCAT網(wǎng)絡運動控制器從結構上主要分為3類：

（1）基于計算機總線的運動控制器如圖2(a)所示，其具有開放的系統(tǒng)結構，采用微處理芯片作為MPU，可實現(xiàn)運動路徑規(guī)劃、高速實時插補運算、伺服驅動和專業(yè)或通用I/O功能，而且具有開放的函數(shù)庫供用戶根據(jù)不同需求調用，使用高級面向對象軟件開發(fā)應用軟件接口，組成實現(xiàn)用戶各種需求場景的運動控制系統(tǒng)；

（2）Soft型開放式運動控制器如圖2(b)所示，其軟件全部安裝在上位機PC中，硬件只是上位機與伺服驅動器和外部擴展I/O之間的標準化接口，運動控制內核開放給用戶，具有極大的靈活性，給用戶提供更多的選擇空間和更靈活的運動控制方式；

（3）嵌入式結構的運動控制器如圖2(c)所示，這種控制器以計算機總線為基礎，將上位機PC嵌入到運動控制器中，其具有低功耗、節(jié)省空間、通訊性能更可靠的特點，適用于側重運動控制性能、軸數(shù)量相對少的運功控制系統(tǒng)[2]。

圖2 三種運動控制器系統(tǒng)組成示意圖

采用EtherCAT運動控制器作為運動控制核心的控制系統(tǒng)，使用上位機的程序調用運動控制自帶的庫函數(shù)和底層固件編寫的分散型運動模塊接口程序，完成復雜的多軸物料傳輸系統(tǒng)運動控制。

2 物料傳輸系統(tǒng)組成

物料傳輸系統(tǒng)由傳輸機械手、內部緩存物料庫、物料交換機械手、氣動氣浴環(huán)境和3個外部物料庫等模塊組成；每個模塊的運動執(zhí)行機構使用絕對值編碼器、光柵尺閉環(huán)反饋，簡化了底層固件尋找原點位置的運行程序，使復雜運動系統(tǒng)減少了冗余動作，提高了運行速度、穩(wěn)定性和可靠性；每個模塊在相互交接位置都具有安全防護系統(tǒng)，保證在同步并行的過程中物料和設備的安全。安全防護系統(tǒng)由硬件和軟件組成，傳感器、編碼器、機械互鎖機構等屬于硬件部分，底層高頻率響應的控制器固件程序以及上位機的流程互鎖程序屬于安全防護系統(tǒng)的軟件部分。這些傳感器和簡單驅動執(zhí)行器都由外部擴展I/O模塊完成檢測和輸出。

3 物料傳輸控制系統(tǒng)結構設計

物料傳輸系統(tǒng)的控制架構如圖3所示。

圖3 物料傳輸系統(tǒng)架構圖

物料傳輸系統(tǒng)的運行流程為：首先通過人工或者天車系統(tǒng)給外部物料庫的上物料LOAD接口放入物料盒，通過外部物料庫的多種傳感器讀取物料盒信息、物料盒內物料是否存在狀態(tài)、正確存儲的狀態(tài)以及每個物料的條形碼信息；然后通過取放物料機械手根據(jù)上位機的指令從外部物料庫中獲取指定物料盒中的指定插槽中的物料，接著將此塊物料放入內部緩存物料庫；最后根據(jù)信息記錄和流程需求，將換下的物料重新放入外部物料庫中的對應物料盒中。內部緩存物料庫的作用，是將需要的物料和出口接口處的物料交換時，做一個快速交替的暫存位置，縮短出口處交換物料的間隔時間。在內部緩存物料庫里，交換物料機械手通過多工位旋轉物料叉，快速更換傳輸出接口處的物料。

在該系統(tǒng)傳輸控制架構中，上位機PC和運動控制器通過Ethernet網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)通訊，運動控制器和各個組成模塊的運動驅動器還有外部擴展I/O模塊則是通過EtherCAT網(wǎng)絡進行通訊，達到實時響應的數(shù)據(jù)傳輸效果，保證了各個電機的同步性能和高響應頻率。

主站通過XML文件完成網(wǎng)絡配置、識別從站設備等工作，從站的作用是將捕捉到的多軸伺服運動控制系統(tǒng)的實際編碼器位置信號、速度信號及轉矩信號反饋到控制器，并通過網(wǎng)絡傳送到伺服驅動器。利用一主站多從站的格局，達到實時和同步傳輸動態(tài)命令、收取反饋狀態(tài)的目的，從而實現(xiàn)多軸相互之間高精度同步控制。EtherCAT支持各種拓撲結構，如總線型、樹型、星型[3]。

4 物料傳輸系統(tǒng)控制軟件構成

軟件設計主要由底層控制器和上位機PC程序兩部分組成。底層固件中包括運動控制功能模塊、讀取編碼器反饋轉換、A/D轉換傳感器數(shù)據(jù)采集、功能傳感器邏輯組合狀態(tài)讀取、中斷處理、底層安全判斷和處理等。上位機PC主要處理與下位控制器的接口程序、流程調用、故障處理等。

5 物料傳輸系統(tǒng)的控制算法

5.1 經典PID算法

采用經典的PID算法對控制系統(tǒng)進行控制，PID控制策略是以經典控制理論為基礎，因其結構簡單、易于實現(xiàn)、可靠性高等優(yōu)點，常用于擁有簡單的控制目標或易于確定其模型的系統(tǒng)中[4]。最常見的PID控制原理如圖4所示。

圖4 經典PID控制原理圖

電機或是其它的執(zhí)行元件以及用于檢測的傳送的結構都屬于廣義的被控對象，圖4中被虛線包圍的式PID的控制器，其輸入值式給定值r(t)和檢測到的實際值有y(t)之差e(t)：

對偏差e(t)分別進行比例變換、積分變換和微分變換，再將所得的3個結果進行線性組合，該組合就是PID的控制規(guī)律：

式(2)中，Kp為比例系數(shù)，T1為積分的時間常數(shù)，TD為微分的時間常數(shù)，將上面的控制規(guī)律轉換為傳遞函數(shù)的格式，即：

在計算機處理的數(shù)字信號下，將此模擬化的PID算法進行離散處理，使之成為數(shù)字化PID的算法，得到離散化的PID算法：

其中，KP為比例增益，KI=為積分系數(shù)，KD=為微分系數(shù)。比例系數(shù)KP、積分的時間常數(shù)TI和微分的時間常數(shù)TD的選取和PID調節(jié)器的性能休戚相關。通過上述內容可知傳統(tǒng)意義上誤差的現(xiàn)實因素(P)和過去因素(I)、將來因素(D)之間是有一定關系的[5]。

采用自帶速度和位置環(huán)整定的控制器，自動整定的PID參數(shù)可根據(jù)最終精度需求做微調整，對于運動過程中負載相對變化不大的軸來說，手動微調再加頻域響應整定后的參數(shù)基本滿足精度和穩(wěn)定性要求。

5.2 模糊自適應PID控制

物料本身質量不可忽略，而且物料材質不同，質量差別也很大。2個機械手垂向控制，夾取和未夾取物料2個狀態(tài)的負載變化相對大，2種狀態(tài)下穩(wěn)定的控制狀態(tài)，固定PID參數(shù)不符合在負載不同、加速度不同情況下對精度控制的要求。由于被控對象的不確定性和非線性性，本文結合PID控制算法，設定以偏差信號（e）和偏差變化率（ec）2個變量為輸入量，PID控制器輸出作為系統(tǒng)輸出量的模糊自適應PID。具體控制模型如圖5所示，其中模糊控制器是模糊控制系統(tǒng)的核心部分。

圖5 模糊自適應PID控制模型圖

首先確定模糊控制器的輸入、輸出變量，即模糊控制器的維數(shù)。輸入變量取位置控制模式下的位置偏差e和偏差變化率ec，輸出變量為PID參數(shù)Kp、Ki、Kd或 者 是PID參 數(shù) 的 增 量ΔKp、ΔKi、ΔKd。本文選擇前者作為輸出變量[6]。

其次輸出輸入量的模糊化，模糊集合的輸入語言變量選擇為速度的誤差E和誤差變化率Ec，模糊集合輸出語言變量選擇為Kp、Ki、Kd，語言值分別定為“負大（NB）”“負中（NM）”“負?。∟S）”“零（ZO）”“正?。≒S）”“正中（PM）”“正小（PS）”7個等級，并且設定E，Ec的基本論域為[-1，+1]，Kp的基本論域為[-0.5，+0.5]，Ki的基本論域為[-0.01，+0.01]，Kd的基本論域為[-1，+1]。通過匹配適當?shù)牧炕蜃?，可以將實際的輸入量模糊化處理到E、Ec的論域里。

再次制定參數(shù)模糊化整定規(guī)則，模糊控制設計的核心是總結工程設計人員的技術知識和實際操作經驗，建立合適的模糊規(guī)則表，得到針對Kp，Ki，Kd這3個參數(shù)分別整定的模糊控制表。根據(jù)Kp，Ki，Kd這3個參數(shù)分別的作用，可制定模糊控制規(guī)則，以Kp為例如表1所示規(guī)則。Ki，Kd可類似推出。

表1 Kp模糊規(guī)則表

最后，輸出量解模糊，依據(jù)速度模糊控制參數(shù)整定規(guī)則確定出輸出量后，得到的只是一個模糊集合，在實際應用中，必須用一個精確量控制被控對象，在模糊集合中，取一個最能代表這個模糊集合的單值過程稱為解模糊裁決。常用的解模糊算法有最大隸屬度法、加權平均法等，根據(jù)實際情況，采用加權平均法進行解模糊。此時，模糊控制器輸出可表示為μ=∑μ(ui)·μi∑μ(ui)。最后，根據(jù)Kp、Ki、Kd值是由其初始值Kp0、Ki0、Kd0和模糊控制器輸出的修正量ΔKp、ΔKi、ΔKd相加而得，即：

模糊PID控制程序寫入控制固件，流程如圖6所示。

圖6 模糊自適應PID控制程序流程圖

6 系統(tǒng)測試和結論

6.1 物料傳輸系統(tǒng)的驗證檢測

6.1.1 流程功能實現(xiàn)

物料傳輸系統(tǒng)需要完成從入口到出口的物料正向傳輸，從出口到入口的物料反向傳輸，以及在各個模塊之間的物料交換流程。傳輸過程中，物料信息隨物料一起傳遞，不能丟失。物料信息管理系統(tǒng)和物料運動系統(tǒng)屬于設備兩個基本組成系統(tǒng)，有交互接口，最終完成準確無誤的物料傳輸。使用的EtherCAT控制方式可以完整正確實現(xiàn)上述流程功能。

6.1.2 流程時間控制

正向上物料和反向下物料時間根據(jù)不同的系統(tǒng)需求不同，本文驗證的上下物料時間控制在40 s之內，交換物料流程控制在8 s之內。該系統(tǒng)根據(jù)流程的分解，可以得到任何一個傳感器的響應時間，再進行運動曲線規(guī)劃，然后通過硬件選型和網(wǎng)絡同步控制實現(xiàn)對流程時間需求的響應。EtnerCAT網(wǎng)絡通訊方式發(fā)揮優(yōu)勢，實現(xiàn)各個傳感器的從終端狀態(tài)變化到上位機識別響應時間小于等于10 ms。部分流程需求分解如表2所示。

表2 傳輸物料流程時間分解表

該系統(tǒng)傳輸物料時間需求在40 s之內。根據(jù)對該系統(tǒng)流程的分解，可以得到系統(tǒng)對各個傳感器響應時間以及每段運動時間的需求。使用EtnerCAT網(wǎng)絡通訊方式可以實現(xiàn)各個傳感器的從終端狀態(tài)變化到上位機識別響應時間小于等于10 ms。部分流程需求分解如表2所示。

設計的控制系統(tǒng)完成上下物料和交換物料時間均能實現(xiàn)系統(tǒng)需求。

6.1.3 出口處精度控制和穩(wěn)定性控制

通過測試，該系統(tǒng)上物料出口交接位置重復性指標可以達到：x≤0.8 mm，y≤0.6 mm，Rz≤1.3 mrad。各軸的穩(wěn)定時間均能夠控制在50 ms之內，判定標志是位置偏差在行程5%偏差內，到位標志判斷為50 ms內到達目標位置±10 μm偏差范圍內即為到位。

7 結束語

基于EtherCAT現(xiàn)場總線的物料傳輸控制系統(tǒng)采用實時性總線網(wǎng)絡結構，提高了系統(tǒng)的響應頻率、可靠性和穩(wěn)定性，成功地實現(xiàn)了物料傳輸系統(tǒng)的功能和性能需求。該物料傳輸系統(tǒng)能滿足目前大部分半導體設備對物料傳輸系統(tǒng)的需求。