車間數字化工程中EtherCAT總線技術的研究

梁宇

摘 要：該文首先介紹數字化車間工業環境中，利用EtherCAT以太網協議完成工業自動化控制的工作原理以及現狀。相信隨著工業以太網技術的迅速蔓延，工業以太網必將取代傳統的現場總線通信方式，創造巨大的經濟價值和社會效益。

關鍵詞：EtherCAT 工業以太網 數字化工廠

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

工業以太網是目前工業控制發展的一個新的方向，其本質就是將計算機網絡結合傳統工業控制技術，來實現以太網技術應用于工業自動化控制領域構成的交叉應用學科。它有力地改造了傳統的控制網絡技術，即現場總線已經成為自動化設備行業的標志性技術，也引領了信息化帶動工業化將來的發展研究方向。隨著網絡技術的飛速發展和以工業以太網為典型的新型現場總線技術的迅速蔓延，為生產自動控制網絡化奠定了基礎。其中基于EtherCAT的工業以太網總線以其良好的同步性和實時性、系統配置簡單、拓撲結構靈活、數據傳輸率高速高效，以及實現成本低廉等特點成為當今和未來工業以太網技術發展的重要方向。開展基于EtherCAT總線相關接口技術的研究開發，對于提升我國工業自動化水平具有重要的現實意義。

1 EtherCAT技術概況

EtherCAT是由德國BECKHOFF自動化公司提出的一種最新的國際開放性的高速工業以太網協議，它是一個開放源代碼、高速率、高性能的系統，同時具有高數據、有效率的特點。其憑借高速傳輸、數據有效性、實時性等特點得到世界上很多工控公司的支持。EtherCAT使通訊技術和現代工業Pc所具有的超強計算能力相適應，總線系統不再是控制理念的瓶頸，分布式系統I/O已經比大多數本地系統I/O接口運行速度更快。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，拓撲網絡便捷完全符合以太網標準。EtherCAT的實施并不需要特殊的總線，利用以太網交換機，就可以實現大規模的多種物理拓撲結構。EtherCAT使網絡性能達到了新境界，1000多個I/O的更新時間只需30μs，其中還包括I/O周期時間。與100個伺服軸的通訊每100μs執行一次。并可在這一周期時間內更新帶有命令值和控制數據的所有軸的實際位置及狀態，分布式時鐘技術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。同時還支持網絡冗余檢錯功能，提高了可靠性。在EtherCAT以太網控制中的節點和拓撲可根據生產和維護改造的要求，方便地進行擴充和重組，為用戶節省人力、物力資源。工業控制以太網使用全數字化通信，模擬量由自身進行數字量化，網絡上傳遞的信息全部采用數字的方式。功能實現模塊化，不同的節點實現不同的功能，這樣用戶就簡化了系統的設計和實現。

2 EtherCAT數字化的應用及前景

數字化進程中，網絡控制的理念越來越被用戶所接受，而傳統的基于RS485、CAN等總線的各種集散控制系統已經很難滿足現代工業控制的要求。在數字化工廠及一些制造業的領域中，利用以太網協議完成工業自動化控制，如機械設計及運動控制，或利用機器人和其他裝備線上的技術等應用，具有巨大的經濟價值和社會效益，這也是EtherCAT工業控制以太網快速發展及應用的必然因素。在各種大型工業控制環境、機床加工、半導體、工業機器人、印刷機械、包裝機械、安裝生產線、液壓傳動等幾乎所有自動化領域行業，EtherCAT都取得了廣泛的應用。在美國和日本，有EtherCAT技術認證實驗室和眾多的產品提供商。空中客車公司就在其飛機制造生產線中，利用了EtherCAT來做機翼強度的驗證和測試。在中國，用戶對EtherCAT以太網的應用研發也開始起步，高鐵建設項目和世界第一高塔廣州電視塔項目中都有EtherCAT技術為其保駕護航。展望未來面對著工業4.0熱潮所帶來的發展機遇，以EtherCAT為基礎面向未來的基于工業物聯網的實時應用網絡必將蓬勃發展起來，進一步將EtherCAT的應用領域擴展到異構網絡中，實現智能制造的靈活性和實時性。其將廣泛地應用于機器控制、測量設備、醫療設備、汽車和移動設備及無數的嵌入系統中，特別是運動控制領域。工業自動化進一步擺脫過去的自動化模式，單片機自動化、工廠自動化，向著系統自動化迅速發展，借助上層的信息網絡，將底層的自動控制信息相結合將會現實，形成管理控制一體化的集成控制系統，擺脫過去的自動化模式，自動化與信息化的融合，實現整個企業信息的無縫銜接，未來的現場總線將與企業級網絡，甚至云端緊密相連，從而使得工業控制領域不再是信息的孤島，極大地推動工業生產的發展。

3 結語

EtherCAT總線有效地提高了通行的速度和精度，因此對于實現高速、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、資源共享能力強等優點，受到了各大工業自動化公司的青睞。在工業控制網絡中，已經在控制層與信息層占據著主導地位了。因此，我們可以預測基于開放式EtherCAT總線的車間數字化工程發展前景是非常廣闊的。

參考文獻

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