深度丨EtherCAT——驶入智能制造时代的“高速列车”

2019-05-07

EtherCAT专题导读

        EtherCAT(以太网控制自动化技术)作为当前工业总线领域最受瞩目的通讯协议之一,受到了全球设备提供商和最终用户的青睐与重视。基于EtherCAT协议的控制系统、伺服驱动、运动控制等解决方案和产品不断被推出。

据统计:

>全球提供EtherCAT主站产品的供应商官方登记的有201家;

>提供EtherCAT伺服驱动器的供应商有163家,共500多个种类

>提供EtherCAT模块(I/O)的有116家,共1000多个种类

        EtherCAT总线,2003年由德国倍福公司研发并应用于自动化领域,2007年成为国际标准(IEC/PAS62407)随后进入中国市场,2014年正式转化为中国推荐性国家标准(即GB/T31230.1-.6-2014《工业以太网现场总线EtherCAT》 )。历经十余年的发展,EtherCAT技术协会(ETG),在中国大陆及台湾地区累计会员已达788家。目前可谓是EtherCAT高速发展阶段。

开放性和一致性成为EtherCAT的“绝杀技”

        无论是全球还是在中国市场,EtherCAT都极其成功的。除却产品本身的技术优势以外,EtherCAT业绩取得如此迅猛增长的驱动力主要是其开放性和一致性,这也是其它以太网技术所无法比拟的。

        EtherCAT的开放性不仅体现在从站层面,且主站技术也是对外开放的,EtherCAT主站供应商已达到200多家。不管是设备制造商、集成商还是最终用户都可以将EtherCAT技术引入到其主站控制器和从站产品中,从而增强产品的竞争力和制造力。与此同时,EtherCAT开放的接口允许集成任何在主站内部或直接进入从站设备的基于IT的协议,最终实现从传感器到云的直接链路而不会有协议间断。

        在一致性方面,EtherCAT技术尽管在不断地进行细节完善和革新,但自2003年面世以来始终只有一个版本。后续引入到EtherCAT协议中的新特性都会保证与之前EtherCAT协议中的一致性和持续性,避免了不同版本的不兼容性。

        基于以上两项优势有效地促进了EtherCAT技术实现更广泛的应用。

EtherCAT直击竞争力提升的有力武器

        EtherCAT是一种直达I/O级的实时以太网自动化技术,无需下挂子系统,没有网关延时,包括输入输出、传感器、驱动器及显示单元等所有设备都位于同一条总线上。

EtherCAT的主要优点:

1.   高带宽利用率:EtherCAT针对控制过程数据,优化以太网帧的消息传送格式,过程数据可实时提取和插入,使得带宽利用率超过90%;

2.   周期时间短:每帧数据周期发送的最小值可以达到12.5μs;

3.   同步时钟精度高:EtherCAT协议提供了分布式时钟控制技术,低抖动可以保证同步时钟误差≦1μs;

4.   拓扑结构灵活:支持线性、环形、星形和菊花链拓扑,最多可支持65535个从器件;

5.   线路故障诊断:EtherCAT可以有效检测出位故障从而可以精确诊断线路和定位故障点;

6.   硬件简单成本低:在网络系统中不需要外部以太网开关、集线器和路由器,整个系统开发简单,硬件及维护成本都比较低。

        卓越的系统性能为实现控制网络的大数据提供了先决条件。也正是基于EtherCAT的高性能、拓扑灵活、易用、低成本(EtherCAT是唯一成本等于或小于现场总线成本水平的工业以太网系统)等特点,使其在机器人控制、机床、汽车制造、自动化仓储、焊接领域得到了广泛的应用。特别实在运动控制领域,据悉全球四大机器人厂商均采用了EtherCAT总线通讯。

TSN与EtherCAT的完美融合

        随着市场需求的升级,EtherCAT技术也在不断地进化与完善中。2017年11月,ETG将时间敏感网络(TSN)技术补充到EtherCAT现有标准中,使得EtherCAT的应用领域拓展至异构网络环境,同时进一步提升了控制器到控制器通信的实时性。通过利用TSN,多个工业控制器可以通过以太网网络与多个不同的EtherCAT网段进行实时通讯。在此过程中,无需对EtherCAT从站设备进行更改:具备所有高性能特性的EtherCAT设备协议将被完整保留。由于EtherCAT通常只需要一个帧即可扫描整个网络,因此这种访问比其他任何现场总线或工业以太网技术更为精简有效。

领跑智能制造——研华打造完整EtherCAT运动控制解决方案

        物联网(IOT)、工业4.0、中国制造2025,工业价值链中均提到:各个层级普遍都需要实现无缝的、持续且标准化的通信。研华牢牢把握智能制造时代发展趋势,深耕用户市场,借助EtherCAT总线技术,从根本上满足数字传输的需求,打造研华完整的EtherCAT运动控制解决方案,帮助用户实现智能化的先进制造。

        研华EtherCAT运动控制解决方案产品主要包括PCI-1203主站控制卡、以及AMAX-3245从站脉冲模块、AMAX-4800系列从站I/O模块,与最新PC-Base架构处理器相结合,提供灵活主流的以太网现场总线,为设备制造商和系统集成商提供完整解决方案。在支持EtherCAT开放的标准协议下,用户可以利用快速通讯周期来实现高性能的同步运动控制。


研华EtherCAT运动控制解决方案的应用案例

——PCI-1203在LED晶粒挑拣机上的应用

        LED后段制程会依照光电特性做分选,而LED芯片分选的关键是在LED芯片与底部黏附LED晶圆的蓝色角膜分离的过程中,因为底部顶针需快速定位,顶住胶膜向上,让将被吸取的LED芯片向上脱离后,再由上方吸盘吸取后移走。

        用户在此过程中主要面临两大问题:一是,在高速运行过程中,顶针的力道过大有可能造成LED芯片的局部残缺破裂;二是,为缩短整个动作的循环周期,摆臂会需要做短距离高速运动,这种情形会产生急加/减速的振动。为了使机器可以承受,多数机台会减速而降低产能。

        针对芯片毁损情况:研华PCI-1203主站控制卡提供扭矩线指表功能可防止LED芯片的毁损。扭矩限制表可以在预先设定好的位置表中定义每一个位置爱的马达最大扭力限制值,于每一个DDA周期重新计算扭力值并传送给EtherCAT伺服马达。

        针对高加/减速条件下做振动抑制,PCI-1203提供PT/PVT功能的规划,透过PT/PVT功能来设定离散位置、速度及时间,PCI-1203为自动插补形成平滑、连续的轨迹。

        在该应用案例中,研华PCI-1203的扭矩限制表功能,让整体设备动作所需要时间大幅缩短;PT/PVT功能,根据几台特性做规划,达到抑制振动的效果;同时支持32轴的同步控制,充分发挥EtherCAT高速高精度的控制特性;基于研华Softmotion软件核心,提供强大且富有弹性的API开发工具,满足客户快速开发需求。


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