浅谈EtherCAT现场总线技术在冲压线上的应用

赵有玲,徐文江,栾庆顺,李强

摘要：现场总线已成为自动化技术的集成组件，通过大量的实践试验和测试，如今已获得广泛应用。正是由于现场总线技术的普及，才使基于PC的控制系统得以广泛应用。然而，虽然控制器CPU的性能（尤其是IPC的性能）发展迅猛，但传统的现场总线系统正日趋成为控制系统性能发展的“瓶颈”，在这个背景下，德国BECKHOFF公司研发了实时以太网EtherCAT技术，目前该技术已应用于风力发电，灌装线、汽车制造等领域，本人自毕业起一直致力于汽车制造冲压线电气自动化设备的维修工作，对EtherCAT实时以太网技术产生了浓厚的兴趣，针对于此，我做出了本论题，旨在对EtherCAT实时以太网在冲压线的应用进行简单的探讨。

关键词:  EtherCAT技术；实时以太网；现场总线，自动化冲压线；

Application of EtherCAT Fieldbus Technology in Stamping Line

Zhao Youling, Xu Wenjiang, Luan Qingshun, Li Qiang

Absrtact: Fieldbus has become an integrated component of automation technology. Through a large number of practical experiments and tests, it has now been widely used. It is precisely because of the popularity of field bus technology that PC based control systems can be widely used. However, although the performance of the controller CPU (especially the performance of IPC) is developing rapidly, the traditional fieldbus system is becoming the "bottleneck" of the development of the control system performance. Under this background, German BECKHOFF Company has developed the real-time Ethernet EtherCAT technology, which has been applied to wind power generation, filling lines, automobile manufacturing and other fields, Since graduation, I have been committed to the maintenance of the electrical automation equipment of the automobile manufacturing press line, and have a strong interest in the EtherCAT real-time Ethernet technology. For this, I have made this topic, aiming to briefly discuss the application of EtherCAT real-time Ethernet in the press line.

Keywords: EtherCAT technology; Real time Ethernet; Fieldbus, automatic stamping line;

一、引言

一汽大众成都分公司冲压车间目前拥有4条世界领先技术的德国Shuler压机线，其高速自动化机械手的控制全部采用了EtherCAT实时以太网技术，2ms的扫描周期使冲压线的生产效率得到了一定的提高，本人进入冲压车间工作之后，一直努力琢磨EtherCAT技术，经过长期观察学习并查阅相关资料、同时多次被公司委派到BECKHOFF上海总部学习EtherCAT技术，颇有自己心得，于是写下了本论文EtherCAT实时以太网在冲压线的应用！

二、EtherCAT简介与其特性

EtherCAT（以太网控制自动化技术）是一个以以太网为基础的开放架构的现场总线系统，EtherCAT名称中的CAT为Control Automation Technology（控制自动化技术）首字母的缩写。最初由德国倍福自动化有限公司(Beckhoff Automation GmbH) 研发。EtherCAT为系统的实时性能和拓扑的灵活性树立了新的标准，同时，它还符合甚至降低了现场总线的使用成本。EtherCAT的特点还包括高精度设备同步和功能性安全协议(SIL3)。

EtherCAT是对传统的以太网协议进行修改，完全符合以太网标准。因此可以与其他以太网协议并存于统一总线。EtherCAT网络中也可以使用普通的以太网设备，例如以太网线、以太网卡、交换机、路由器等设备。此外，任何具有标准以太网控制器的设备都可以作为EtherCAT 主站，包括PC计算机、带有以太网控制器的嵌入式设备。

EtherCAT是基于以太网技术，数据传输速度可以达到100Mbit/s，是最快的工业以太网技术。EtherCAT最大利用以太网带宽进行数据传输，有效数据利用率高，可达90%以上。另外EtherCAT数据帧处理的实时性很高，数据刷新周期小于100us，满足对实时性要求高的场合。此外，EtherCAT使用高精度的分布式时钟，能保证各个从站节点设备的同步精度小于1us。

EtherCAT结构简单，而无需交换机或集线器，复杂功能的节点设备或简单的I/O节点都可以用作EtherCAT从站。此外EtherCAT在网络拓扑方面没有限制，支持多种网络拓扑结构，如线型、星型、树型拓扑结构，以及各种拓扑结构的组合，从而使得设备连接非常灵活。

三、EtherCAT技术在冲压线上的应用

对于高速运行的冲压线而言，自动化机械手与压机的互相配合就显得尤为重要，自动化机械手（SpeedBar）运动的每一步都需要精准且实时了解到压机的角度，实时性的不佳都会引起机械手与压力机的碰撞危险，更不能完成自动化机械手与机械手之间的实时沟通。图5所示的是EtherCAT在一汽大众成都冲压线自动化机械手（SpeedBar）上应用的原理框图，我们将根据这张原理框图简单了解EtherCAT技术在冲压线上是如何应用的。

在冲压线自动运行期间，为了防止相互碰撞，自动化机械手的PC机需要通过EtherCAT总线实时读取压力机角度编码器的值，以此来监控压机的角度，由于EtherCAT总线传输速率快，自动化机械手读取到的压机角度数据几乎可以认为是与压机实际角度是完全同步的，与此同时，自动化机械手将读取到的压机角度值通过高速EtherCAT实时以太网传送给相邻单元的自动化机械手，这样就保证了相邻自动化机械手之间的实时通话，换言之，也就避免了因现场总线的延迟而导致相邻机械手之间的碰撞现象发生；

以上只是体现了EtherCAT现场总线传输速率快的特性应用，那么EtherCAT协议的数据处理能力又会怎样呢，这一点在冲压自动化机械手运动轨迹计算与处理方面可以进行验证说明；

冲压线的高速自动化机械手的任务是抓起前一序压机内的工件传递给下一台压机，那么它的运动轨迹是如何快速计算与处理的呢，首先，自动化机械手使用了一种名为SERCOS（串行实时通讯协议）的总线进行电机编码器数据的读取并传递给计算机，（此总线在此不做探讨），然后由EtherCAT进行计算，通常上位机都会根据当前压机的冲程次数，在2ms以内完成自动化机械手当前位置的数据采集与下一位置的计算输出工作，而压机在西门子PLC的控制下，通常都需要几百ms的扫描周期（Profibus网络），EtherCAT技术相对于Profibus网络而言，其处理数据的能力得到了质的飞越。不仅如此，其数据在报文传送期间可以修改或添加，而无需堆栈、缓存或分解/组合。

EtherCAT现场总线技术在冲压的应用主要在高速自动化机械手的控制方面，其余方面也有应用，比如液压拉伸垫、主驱动控制、拆垛皮带机的控制等，此论文内我们只探讨了EtherCAT现场总线技术在高速自动化机械手控制方面的应用，由于本人才疏学浅，此论文中可能存在不足之处还请各位老师多多包涵与指导！          

参考文献：

[1] 谢香林. EtherCAT网络及其伺服运动控制系统研究[D];大连理工大学;2008年

[2] 邓梧鹏. 基于赫优讯嵌入式模块EtherCAT从站设备的设计[J];国内外机电一体化技术  2009年01期

[3] 杜品胜. 工业以太网技术的介绍与比较 [ 期刊论文 ] – 仪器仪表标准化与计量 2005（05）

[4] 单春荣，刘艳强 工业以太网现场总线EtherCAT及驱动程序设计[J].制造业自动化  2007

[5] 王仁祥、王小曼 主编 《S7300/400入门与进阶》  中国电力出版社 2009年3月第一版