深度丨EtherCAT——駛?cè)胫悄苤圃鞎r(shí)代的“高速列車”
2019-9-5新聞
EtherCAT（以太網(wǎng)控制自動(dòng)化技術(shù)）
作為當(dāng)前工業(yè)總線領(lǐng)域最受矚目的通訊協(xié)議之一，受到了全球設(shè)備提供商和最終用戶的青睞與重視?；?/span>EtherCAT協(xié)議的控制系統(tǒng)、伺服驅(qū)動(dòng)、運(yùn)動(dòng)控制等解決方案和產(chǎn)品不斷被推出。
據(jù)統(tǒng)計(jì)：
>全球提供EtherCAT主站產(chǎn)品的供應(yīng)商官方登記的有201家;
>提供EtherCAT伺服驅(qū)動(dòng)器的供應(yīng)商有163家，共500多個(gè)種類；
>提供EtherCAT模塊（I/O）的有116家，共1000多個(gè)種類。
EtherCAT總線，2003年由德國(guó)倍福公司研發(fā)并應(yīng)用于自動(dòng)化領(lǐng)域，2007年成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)（IEC/PAS62407）隨后進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)，2014年正式轉(zhuǎn)化為中國(guó)推薦性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（即GB/T31230.1-.6-2014《工業(yè)以太網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)總線EtherCAT》 ）。歷經(jīng)十余年的發(fā)展，EtherCAT技術(shù)協(xié)會(huì)（ETG），在中國(guó)大陸及臺(tái)灣地區(qū)累計(jì)會(huì)員已達(dá)788家。目前可謂是EtherCAT高速發(fā)展階段。
開(kāi)放性和一致性成為EtherCAT的“絕殺技”
無(wú)論是全球還是在中國(guó)市場(chǎng)，EtherCAT都極其成功的。除卻產(chǎn)品本身的技術(shù)優(yōu)勢(shì)以外，EtherCAT業(yè)績(jī)?nèi)〉萌绱搜该驮鲩L(zhǎng)的驅(qū)動(dòng)力主要是其開(kāi)放性和一致性，這也是其它以太網(wǎng)技術(shù)所無(wú)法比擬的。
EtherCAT的開(kāi)放性不僅體現(xiàn)在從站層面，且主站技術(shù)也是對(duì)外開(kāi)放的，EtherCAT主站供應(yīng)商已達(dá)到200多家。不管是設(shè)備制造商、集成商還是最終用戶都可以將EtherCAT技術(shù)引入到其主站控制器和從站產(chǎn)品中，從而增強(qiáng)產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力和制造力。與此同時(shí)，EtherCAT開(kāi)放的接口允許集成任何在主站內(nèi)部或直接進(jìn)入從站設(shè)備的基于IT的協(xié)議，最終實(shí)現(xiàn)從傳感器到云的直接鏈路而不會(huì)有協(xié)議間斷。
在一致性方面，EtherCAT技術(shù)盡管在不斷地進(jìn)行細(xì)節(jié)完善和革新，但自2003年面世以來(lái)始終只有一個(gè)版本。后續(xù)引入到EtherCAT協(xié)議中的新特性都會(huì)保證與之前EtherCAT協(xié)議中的一致性和持續(xù)性，避免了不同版本的不兼容性。
基于以上兩項(xiàng)優(yōu)勢(shì)有效地促進(jìn)了EtherCAT技術(shù)實(shí)現(xiàn)更廣泛的應(yīng)用。
EtherCAT直擊競(jìng)爭(zhēng)力提升的有力武器
EtherCAT是一種直達(dá)I/O級(jí)的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)自動(dòng)化技術(shù)，無(wú)需下掛子系統(tǒng)，沒(méi)有網(wǎng)關(guān)延時(shí)，包括輸入輸出、傳感器、驅(qū)動(dòng)器及顯示單元等所有設(shè)備都位于同一條總線上。
EtherCAT的主要優(yōu)點(diǎn)：
1.高帶寬利用率：EtherCAT針對(duì)控制過(guò)程數(shù)據(jù)，優(yōu)化以太網(wǎng)幀的消息傳送格式，過(guò)程數(shù)據(jù)可實(shí)時(shí)提取和插入，使得帶寬利用率超過(guò)90%；
2.周期時(shí)間短：每幀數(shù)據(jù)周期發(fā)送的最小值可以達(dá)到12.5μs；
3.同步時(shí)鐘精度高：EtherCAT協(xié)議提供了分布式時(shí)鐘控制技術(shù)，低抖動(dòng)可以保證同步時(shí)鐘誤差≦1μs；
4.拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)靈活：支持線性、環(huán)形、星形和菊花鏈拓?fù)?，最多可支?/span>65535個(gè)從器件；
5.線路故障診斷：EtherCAT可以有效檢測(cè)出位故障從而可以精確診斷線路和定位故障點(diǎn)；
6.硬件簡(jiǎn)單成本低：在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中不需要外部以太網(wǎng)開(kāi)關(guān)、集線器和路由器，整個(gè)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單，硬件及維護(hù)成本都比較低。
卓越的系統(tǒng)性能為實(shí)現(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò)的大數(shù)據(jù)提供了先決條件。也正是基于EtherCAT的高性能、拓?fù)潇`活、易用、低成本（EtherCAT是唯一成本等于或小于現(xiàn)場(chǎng)總線成本水平的工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)）等特點(diǎn)，使其在機(jī)器人控制、機(jī)床、汽車制造、自動(dòng)化倉(cāng)儲(chǔ)、焊接領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。特別實(shí)在運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域，據(jù)悉全球四大機(jī)器人廠商均采用了EtherCAT總線通訊。
TSN與EtherCAT的完美融合
隨著市場(chǎng)需求的升級(jí)，EtherCAT技術(shù)也在不斷地進(jìn)化與完善中。2017年11月，ETG將時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）技術(shù)補(bǔ)充到EtherCAT現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)中，使得EtherCAT的應(yīng)用領(lǐng)域拓展至異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，同時(shí)進(jìn)一步提升了控制器到控制器通信的實(shí)時(shí)性。通過(guò)利用TSN，多個(gè)工業(yè)控制器可以通過(guò)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)與多個(gè)不同的EtherCAT網(wǎng)段進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊。在此過(guò)程中，無(wú)需對(duì)EtherCAT從站設(shè)備進(jìn)行更改：具備所有高性能特性的EtherCAT設(shè)備協(xié)議將被完整保留。由于EtherCAT通常只需要一個(gè)幀即可掃描整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，因此這種訪問(wèn)比其他任何現(xiàn)場(chǎng)總線或工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)更為精簡(jiǎn)有效。
領(lǐng)跑智能制造——研華打造完整EtherCAT運(yùn)動(dòng)控制解決方案
物聯(lián)網(wǎng)（IOT）、工業(yè)4.0、中國(guó)制造2025，工業(yè)價(jià)值鏈中均提到：各個(gè)層級(jí)普遍都需要實(shí)現(xiàn)無(wú)縫的、持續(xù)且標(biāo)準(zhǔn)化的通信。研華牢牢把握智能制造時(shí)代發(fā)展趨勢(shì)，深耕用戶市場(chǎng)，借助EtherCAT總線技術(shù)，從根本上滿足數(shù)字傳輸?shù)男枨?，打造研華完整的EtherCAT運(yùn)動(dòng)控制解決方案，幫助用戶實(shí)現(xiàn)智能化的先進(jìn)制造。
研華EtherCAT運(yùn)動(dòng)控制解決方案產(chǎn)品主要包括PCI-1203主站控制卡、以及AMAX-3245從站脈沖模塊、AMAX-4800系列從站I/O模塊，與最新PC-Base架構(gòu)處理器相結(jié)合，提供靈活主流的以太網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)總線，為設(shè)備制造商和系統(tǒng)集成商提供完整解決方案。在支持EtherCAT開(kāi)放的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議下，用戶可以利用快速通訊周期來(lái)實(shí)現(xiàn)高性能的同步運(yùn)動(dòng)控制。
研華EtherCAT運(yùn)動(dòng)控制解決方案的應(yīng)用案例
——PCI-1203在LED晶粒挑揀機(jī)上的應(yīng)用
LED后段制程會(huì)依照光電特性做分選，而LED芯片分選的關(guān)鍵是在LED芯片與底部黏附LED晶圓的藍(lán)色角膜分離的過(guò)程中，因?yàn)榈撞宽斸樞杩焖俣ㄎ?，頂住膠膜向上，讓將被吸取的LED芯片向上脫離后，再由上方吸盤吸取后移走。
用戶在此過(guò)程中主要面臨兩大問(wèn)題：一是，在高速運(yùn)行過(guò)程中，頂針的力道過(guò)大有可能造成LED芯片的局部殘缺破裂；二是，為縮短整個(gè)動(dòng)作的循環(huán)周期，擺臂會(huì)需要做短距離高速運(yùn)動(dòng)，這種情形會(huì)產(chǎn)生急加/減速的振動(dòng)。為了使機(jī)器可以承受，多數(shù)機(jī)臺(tái)會(huì)減速而降低產(chǎn)能。
針對(duì)芯片毀損情況：研華PCI-1203主站控制卡提供扭矩線指表功能可防止LED芯片的毀損。扭矩限制表可以在預(yù)先設(shè)定好的位置表中定義每一個(gè)位置愛(ài)的馬達(dá)最大扭力限制值，于每一個(gè)DDA周期重新計(jì)算扭力值并傳送給EtherCAT伺服馬達(dá)。
針對(duì)高加/減速條件下做振動(dòng)抑制，PCI-1203提供PT/PVT功能的規(guī)劃，透過(guò)PT/PVT功能來(lái)設(shè)定離散位置、速度及時(shí)間，PCI-1203為自動(dòng)插補(bǔ)形成平滑、連續(xù)的軌跡。
在該應(yīng)用案例中，研華PCI-1203的扭矩限制表功能，讓整體設(shè)備動(dòng)作所需要時(shí)間大幅縮短；PT/PVT功能，根據(jù)幾臺(tái)特性做規(guī)劃，達(dá)到抑制振動(dòng)的效果；同時(shí)支持32軸的同步控制，充分發(fā)揮EtherCAT高速高精度的控制特性；基于研華Softmotion軟件核心，提供強(qiáng)大且富有彈性的API開(kāi)發(fā)工具，滿足客戶快速開(kāi)發(fā)需求。
