EtherCAT總線在閘門裝配線控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

徐小楠

摘? ?要：該文簡(jiǎn)要介紹了EtherCAT總線的工作原理、總線協(xié)議、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和性能參數(shù)，并對(duì)閘門裝配線的基本要求、基本構(gòu)成以及控制進(jìn)行了闡述，給出了EtherCAT總線在閘門總裝線控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：現(xiàn)場(chǎng)總線;EtherCAT;閘門裝配線

中圖分類號(hào)：TP29? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

將計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的以太網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于自動(dòng)化控制領(lǐng)域，其構(gòu)成的工業(yè)控制以太網(wǎng)簡(jiǎn)稱為工業(yè)以太網(wǎng)或以太網(wǎng)工業(yè)總線。近年來，EtherCAT總線已經(jīng)成為自動(dòng)化控制領(lǐng)域內(nèi)的一種先進(jìn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

1 EtherCAT總線

EtherCAT總線是一種具有良好開放性的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，與以太網(wǎng)完全兼容，可以和路由器以及交換機(jī)相連，且能混合運(yùn)行其他協(xié)議，兼容現(xiàn)有的總線端子模塊產(chǎn)品，并且協(xié)議規(guī)范完全公開。其最早是由德國倍福自動(dòng)化公司研發(fā)的，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)指標(biāo)中，系統(tǒng)的同步性、實(shí)時(shí)性是非常關(guān)鍵的，EtherCAT總線是當(dāng)前現(xiàn)場(chǎng)總線中傳輸速度最快的。

1.1 EtherCAT工作原理

EtherCAT是一種主從式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，擁有以太網(wǎng)全雙工的通信傳輸特性。主站與從站之間的信息交互是通過主站的網(wǎng)卡進(jìn)行的，將主站的數(shù)據(jù)報(bào)文發(fā)送到從站設(shè)備上，當(dāng)數(shù)據(jù)報(bào)文通過每一個(gè)從站設(shè)備時(shí)，這些從站設(shè)備可在制定好的位置直接對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫，數(shù)據(jù)報(bào)文經(jīng)過最后一個(gè)從站，處理完數(shù)據(jù)后，發(fā)送回主站，通信結(jié)束。該通信傳輸過程是通過從站設(shè)備內(nèi)部的硬件來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)高速交換的。

1.2 Ether CAT總線協(xié)議

EtherCAT是用于過程數(shù)據(jù)的協(xié)議，數(shù)據(jù)可以直接使用以太網(wǎng)幀進(jìn)行傳輸，使用以太網(wǎng)幀的數(shù)據(jù)類型可匹配標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)控制器。EtherCAT沒有IP協(xié)議，但是可以把其封裝在UDP/IP協(xié)議里。與傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)總線相比，EtherCAT節(jié)點(diǎn)地址為自動(dòng)設(shè)置，不需要進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)調(diào)試，軟件具有的診斷信息可以精確定位錯(cuò)誤。網(wǎng)絡(luò)中可以不做交換機(jī)配置，不用處理復(fù)雜的MAC和IP地址。EtherCAT有設(shè)備尋址和邏輯尋址2種尋址方式。設(shè)備尋址是對(duì)從站設(shè)備進(jìn)行讀和寫的操作，而邏輯尋址是對(duì)過程數(shù)據(jù)的讀寫操作，從而實(shí)現(xiàn)同一個(gè)報(bào)文在多個(gè)從站設(shè)備上讀寫的多播功能。

EtherCAT總線可以實(shí)現(xiàn)主站與從站之間的數(shù)據(jù)通信，還可以實(shí)現(xiàn)主站與主站之間的數(shù)據(jù)通信，2種數(shù)據(jù)通信方式具有相同的數(shù)據(jù)通信接口。

1.3 Ether CAT總線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

EtherCAT支持線型、總線型、星型、樹形或者任意組合的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，每個(gè)EtherCAT網(wǎng)段內(nèi)可容納65 535臺(tái)設(shè)備[1]。網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大于500 km，可以帶或者不帶交換機(jī)工作。2臺(tái)設(shè)備之間采用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)屏蔽電纜，電纜長(zhǎng)度最大可達(dá)100 m。采用光纖電纜，2臺(tái)設(shè)備之間的距離最大可達(dá)2 000 m，并且可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)段間的熱連接及熱斷開。

1.4 Ether CAT的性能參數(shù)

吞吐量高達(dá)10 KB/ms，分布至1 500個(gè)設(shè)備。

對(duì)應(yīng)20 kHz的采樣率，30 us可處理1 000個(gè)數(shù)字量I/O。50 us可處理200個(gè)模擬量I/O。100 us可處理100個(gè)伺服軸[2]。

2 閘門裝配線的基本要求

閘門裝配線可通過參數(shù)設(shè)定適應(yīng)不同閘板尺寸的（0.4 m、0.5 m、0.6 m、0.8 m、1.0 m、1.2 m）生產(chǎn)。根據(jù)尺寸的變化，可適當(dāng)增加裝配產(chǎn)品的規(guī)格型號(hào)，但增加的規(guī)格型號(hào)應(yīng)在現(xiàn)有產(chǎn)品規(guī)格的最大尺寸范圍以內(nèi)。根據(jù)閘門產(chǎn)品的特點(diǎn)，借助設(shè)備、工裝、工具等，完成閘門裝配中費(fèi)時(shí)、費(fèi)力、重復(fù)的工作，如果設(shè)備、工裝、工具無法完成，則采用人工組裝的方式實(shí)現(xiàn)。閘門裝配生產(chǎn)線必須有安全設(shè)置和提示，確保能夠保護(hù)參加生產(chǎn)人員的安全。

2.1 閘門裝配線的基本構(gòu)成

閘門裝配線由循環(huán)輸送線、滑撬機(jī)構(gòu)、翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、舉升機(jī)構(gòu)、自動(dòng)裁切機(jī)、助力機(jī)械臂、料架、視頻系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和管理系統(tǒng)等組成。圖1為閘門裝配線的基本構(gòu)成圖。

2.2 閘門裝配線的控制

根據(jù)閘門裝配生產(chǎn)線現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際布局及特點(diǎn)，該控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)本著區(qū)域化及可擴(kuò)展原則，把閘門裝配生產(chǎn)線控制系統(tǒng)分為主中控室、裝配輸送段、檢測(cè)輸送段、移行機(jī)構(gòu)、翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)等區(qū)域。閘門裝配生產(chǎn)線控制系統(tǒng)主要由主控制柜、現(xiàn)場(chǎng)控制箱A1、現(xiàn)場(chǎng)控制箱A2、現(xiàn)場(chǎng)控制箱B1、現(xiàn)場(chǎng)控制箱B2、伺服控制箱A、伺服控制箱B以及若干就地操作箱等組成。主控制柜位于中控室內(nèi)，現(xiàn)場(chǎng)控制箱A1和現(xiàn)場(chǎng)控制箱A2分別位于裝配輸送段和一端的移行機(jī)構(gòu)旁，現(xiàn)場(chǎng)控制箱B1和現(xiàn)場(chǎng)控制箱B2分別位于檢測(cè)輸送段和另一端的移行輸機(jī)構(gòu)旁，伺服控制箱A和伺服控制箱B分別位于翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的2個(gè)機(jī)械臂上。

該控制系統(tǒng)采用EtherCAT現(xiàn)場(chǎng)總線的方式，可以形成一個(gè)超高速控制回路，通過EtherCAT總線集成進(jìn)行各種擴(kuò)展，其他主站/從站現(xiàn)場(chǎng)總線接口或通信接口和通過總線訪問的所有其他信號(hào)類型，可直接與總線端子模塊連接，實(shí)現(xiàn)主控制柜、現(xiàn)場(chǎng)控制箱、伺服控制箱之間的通信。

3 EtherCAT總線在閘門裝配控制系統(tǒng)的應(yīng)用

該系統(tǒng)的PLC主控制器選用的是德國倍福公司的CX2030嵌入式控制器，各遠(yuǎn)程站選用EK1100耦合模塊與主控制器相連。驅(qū)動(dòng)器選用AX5200系列產(chǎn)品。自動(dòng)化控制軟件選用支持EtherCAT的倍?？刂栖浖winCAT3，該款軟件是基于PC的PLC和運(yùn)動(dòng)控制軟件。

圖2為閘門裝配線基于EtherCAT總線控制系統(tǒng)。

4 結(jié)語

該應(yīng)用是基于EtherCAT總線的控制系統(tǒng)，主控制器采用EtherCAT總線的通信方式，使用倍福CX2030作為控制核心。EtherCAT總線可以使控制系統(tǒng)擁有良好的實(shí)時(shí)性、可靠性和可擴(kuò)展性，采用EtherCAT總線的分布式控制系統(tǒng)，其控制精度高、實(shí)時(shí)性好，可用于各種自動(dòng)化工業(yè)場(chǎng)合，應(yīng)用前景廣闊。

參考文獻(xiàn)

[1]安麗榮.基于Ether CAT工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2011.

[2]王平利.Ether CAT總線在智能倉儲(chǔ)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電子世界，2016（5）：118-119.