Ether CAT總線在自動印刷機中的應用

喬文遠，魏紅飛，楊子元

(中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京 100176)

現(xiàn)場總線（Field bus）是一種工業(yè)數(shù)據(jù)總線，是工業(yè)自動化領(lǐng)域中的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)。它解決了智能化儀器、控制器、運動機構(gòu)等眾多工業(yè)自動化設(shè)備的數(shù)字通信以及設(shè)備和控制系統(tǒng)之間的信息交互。由于現(xiàn)場總線具有簡單、可靠、經(jīng)濟實用等一系列突出的優(yōu)點，近年來在工業(yè)自動化領(lǐng)域中得到了迅速發(fā)展。目前常用的現(xiàn)場總線技術(shù)有EtherCAT、Profibus、CANopen、ControlNet、Interbus、Lightbus、Modbus等。EtherCAT由德國的倍福公司于2003年開發(fā)的，是一種以工業(yè)以太網(wǎng)為基礎(chǔ)的現(xiàn)場總線系統(tǒng)。國際標準組織（ISO）將EtherCAT納入ISO15745標準。EtherCAT總線技術(shù)具有高抗干擾、高響應、精確同步、拓撲結(jié)構(gòu)靈活開放、系統(tǒng)配置簡單等眾多優(yōu)點。全自動印刷機主要用于高溫共燒陶瓷（HTCC）的生產(chǎn)加工。使用EtherCAT總線作為自動印刷機的控制系統(tǒng)，通過設(shè)備調(diào)試和客戶現(xiàn)場工藝驗證，設(shè)備運行穩(wěn)定可靠，可以滿足客戶需求。

1 EtherCAT總線的原理

EtherCAT是一種用于確定性以太網(wǎng)的高性能通信協(xié)議，使用了OSI模型（開放式系統(tǒng)互聯(lián)通信參考模型）其中的三層：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應用層。EtherCAT使用標準的以太網(wǎng)幀（IEEE802.3），可以在以太網(wǎng)內(nèi)直接傳送。為了區(qū)別于其他類型網(wǎng)絡(luò)，EtherCAT使用了0x88A4H特殊幀類型。該數(shù)據(jù)幀包括幾個EtherCAT報文，每個報文都用于一塊邏輯過程映像區(qū)域的特定內(nèi)存區(qū)域，數(shù)據(jù)順序不依賴于從站的物理順序，可隨意排序[1]。EtherCAT幀結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 EtherCAT幀結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的以太網(wǎng)協(xié)議要實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控，主站發(fā)送數(shù)據(jù)包到每個從站后，需等待每個從站對數(shù)據(jù)包進行處理，再發(fā)送回主站。而一般工業(yè)領(lǐng)域傳送的數(shù)據(jù)大部分都是開關(guān)量和模擬量，多半小于以太網(wǎng)幀的最小長度。每個從站每一次進行數(shù)據(jù)交互，都要送出一個幀。這勢必造成帶寬的低利用率，降低了網(wǎng)絡(luò)的整體性能。EtherCAT采用了新的數(shù)據(jù)傳遞機制，只有主站允許發(fā)送數(shù)據(jù)幀，各個從站只允許轉(zhuǎn)發(fā)，多個從站共用一個數(shù)據(jù)幀。該數(shù)據(jù)幀從主站發(fā)出，經(jīng)過所有從站，每個從站接收自己對應的數(shù)據(jù)，同時插入需返回的數(shù)據(jù)，從而大大優(yōu)化了數(shù)據(jù)的傳輸速率和網(wǎng)絡(luò)帶寬[2]。數(shù)據(jù)傳輸過程如圖2所示。

圖2 EtherCAT數(shù)據(jù)傳輸過程

2 EtherCAT的優(yōu)勢

工業(yè)通信的要求是高響應、低延時、高可靠性，同時配置盡可能的簡單便捷。在這些方面EtherCAT總線技術(shù)具有一定的優(yōu)勢。

（1）高傳輸效率。EtherCAT總線可以使用雙絞線或者光纜，配合本身的機能原理，能夠壓縮大量的設(shè)備數(shù)據(jù)，這使得EtherCAT網(wǎng)絡(luò)有效數(shù)據(jù)率可達到90%以上，經(jīng)官方測試，其處理1 000個分散式數(shù)字輸入輸出信號只需要30μs。單個以太網(wǎng)幀最多可以進行1 486字節(jié)的過程數(shù)據(jù)交換，幾乎相當于12 000個數(shù)字輸入和輸出，而傳送這些數(shù)據(jù)耗時僅為300μs。EtherCAT還能以10 kHz的更新速率處理100個伺服軸系統(tǒng)[3]。

（2）優(yōu)秀的同步性能，它采用精確排列分布時鐘，可以精確地確定主從站之間的延遲偏移，并基于該值進行調(diào)整，使得同步精度可以小于1μs。

（3）靈活的拓撲結(jié)構(gòu)。EtherCAT采用全雙工的以太網(wǎng)實體層，可以使用交換機或介質(zhì)轉(zhuǎn)換器，幾乎支持所有的拓撲類型，包括線型、樹型、星型等。

（4）廣泛的應用場景。普通以太網(wǎng)相關(guān)的技術(shù)都可以應用于EtherCAT網(wǎng)絡(luò)中。EtherCAT設(shè)備可以與其他的以太網(wǎng)設(shè)備共存于同一網(wǎng)絡(luò)中。普通的以太網(wǎng)卡、交換機、路由器等標準組件都可以在EtherCAT中使用。并且不受限于采用級聯(lián)技術(shù)的交換機或集線器的數(shù)量。

（5）優(yōu)秀的安全性。EtherCAT安全協(xié)議已經(jīng)由德國技術(shù)監(jiān)督局評估為滿足IEC61508定義的SIL3等級的安全設(shè)備之間傳輸過程數(shù)據(jù)的通信協(xié)議。

（6）強大的兼容性。EtherCAT擁有多種應用層協(xié)議接口，可以方便的支持其他類型的現(xiàn)場總線。如CoE(CANopen over EtherCAT)用來支持CANopen協(xié)議，SOE(SERCOE over EtherCAT)用來支持SERCOE協(xié)議，EOE(Ethernet over Ether-CAT)用來支持普通的以太網(wǎng)協(xié)議，F(xiàn)OE(File over EtherCAT）用于上傳和下載固件程序或文件；AOE(ADS over EtherCAT)用于主從站之間非周期的數(shù)據(jù)訪問服務(wù)。

3 基于EtherCAT總線技術(shù)的自動印刷機

全自動印刷機由印刷上料機、印刷主機和印刷下料機3個部分組成，結(jié)構(gòu)如圖3所示。設(shè)備工藝流程為將裝有基片的料盒放入最左側(cè)的上料機，通過伺服電機控制料盒逐層升降。每一層的基片被推片機構(gòu)從料盒中逐一推出，到達料盒右側(cè)的傳輸機構(gòu)。傳輸機構(gòu)使用電機控制，配合離子風棒去除靜電，再經(jīng)粘輥清潔后運送到印刷主機左側(cè)。印刷主機抓手采用SMC電缸，利用真空吸盤將基片抓取到工作臺面上，通過臺面真空固定。相機、光源和圖像控制器組成的視覺對位系統(tǒng)對基片的Mark點進行識別運算，配合工作臺三維電機運動系統(tǒng)進行移動，從而實現(xiàn)基片的自動對位流程。對位成功后工作臺由伺服電機控制運行至印刷主機后側(cè)的印刷區(qū)域進行印刷，印刷完成經(jīng)主機抓手和下料傳輸機構(gòu)運送到右側(cè)下料機進行收料，整個工藝流程結(jié)束。

圖3 設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖

設(shè)備采用EtherCAT總線技術(shù)進行通訊，通信線纜選取常用的以太網(wǎng)線纜。控制單元選取日本歐姆龍的可編程邏輯控制器（PLC），深圳行芝達的耦合器及歐姆龍的伺服驅(qū)動器。選用行芝達的輸入輸出(I/O)模塊處理傳感器、按鈕、電磁閥等數(shù)字量的輸入輸出工作，輸入輸出模塊的數(shù)量可以根據(jù)設(shè)備所需的輸入輸出點位進行合理裝配。圖像控制系統(tǒng)使用歐姆龍圖像控制器，搭配兩組歐姆龍相機和環(huán)形光源。選用歐姆龍品牌的觸摸屏進行上位控制及數(shù)據(jù)的交換。系統(tǒng)框圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)框圖

設(shè)備設(shè)定1個主站和7個從站。印刷主機的歐姆龍PLC設(shè)為主站，伺服驅(qū)動器、上料機和下料機的耦合器設(shè)為從站。通常支持EtherCAT的設(shè)備都會自帶兩個EtherCAT通訊端口和數(shù)字撥碼。兩個通訊端口分別對應通訊輸入端和輸出端，數(shù)字撥碼用于設(shè)置自身站號。設(shè)備主站站號為0，從站站號從1開始，依次順延。使用普通的以太網(wǎng)電纜將主站和從站按照設(shè)定的順序依次首尾連接。需注意伺服電機應接到主站的PLC或者從站的耦合器之后。將各個從站的撥碼按照連接順序依次設(shè)置為對應的從站號，設(shè)備物理配置完成。設(shè)備正常通電無問題后，需繼續(xù)進行相應的軟件設(shè)置。通常不同的PLC廠家都有自己的開發(fā)軟件，本機使用的PLC對應的軟件是由歐姆龍公司開發(fā)的Sysmac Studio。通過軟件設(shè)置對應PLC的型號和工程名稱，進入程序界面。打開軟件界面左側(cè)的配置和設(shè)置選項卡中的EtherCAT設(shè)置，選取各個電機和耦合器對應的組件，按實際順序拖入主設(shè)備下方依次連接，每個從站可根據(jù)實際情況改為對應組件的名稱，主從站的通訊配置完成。節(jié)點設(shè)置如圖5所示。

圖5 設(shè)備從站節(jié)點圖

設(shè)備通訊配置完成后，根據(jù)設(shè)備實際運行流程編寫PLC程序。因為主站和從站均通過Ether-CAT總線連在一起，所以上料機、印刷主機和下料機的程序可以編寫在同一個文件中，可以設(shè)定作為從站的所有伺服控制器的參數(shù)，簡化了操作。使用上位機連接主站，便可對所有的主站和從站進行實時監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集，對于由3個設(shè)備組成的全自動印刷系統(tǒng)的控制提供了極大便利。對于伺服電機的控制，之前的印刷設(shè)備通常使用脈沖接口或者模擬量接口進行控制。模擬量接口和脈沖接口由于需要大量的接線來滿足不同的控制需求，不僅在裝配時耗費時間，設(shè)備出問題時對于檢測故障也會造成一定的困難。模擬量接口容易受到電磁干擾造成波動，脈沖接口是開環(huán)的控制方式，受到干擾容易丟失脈沖，無法進行位置補償，這都會影響到印刷精度。使用EtherCAT總線的印刷機，控制系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)通過以太網(wǎng)線進行連接，只需要接供電線，極大簡化了接線工作，提升了裝配和檢修的效率。EtherCAT總線是閉環(huán)系統(tǒng)，可以在控制系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)之間進行位置、速度、狀態(tài)等數(shù)據(jù)交換，且傳遞的是數(shù)字量，解決了模擬量接口和脈沖接口容易受到干擾的問題，同時可以進行位置補償，提升了設(shè)備精度和穩(wěn)定性。

4 結(jié)束語

介紹了EtherCAT總線的原理和優(yōu)勢，并將其應用于自動印刷機的控制系統(tǒng)。經(jīng)客戶實際使用，設(shè)備印刷精度滿足要求，運行穩(wěn)定可靠。隨著現(xiàn)代化工業(yè)的發(fā)展，具有高抗干擾、高響應、精確同步等優(yōu)點的EtherCAT總線技術(shù)將更廣泛的應用于工業(yè)自動化的各個領(lǐng)域中。