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实时工业以太网EtherCAT 树立自动化通讯新标准

作者:范斌2011.03.07阅读 1944

        随着IT技术的发展,CPU的速度越来越快,网络越来越发达,那么自动化控制系统是否也可借力得到提高或改善呢? 其实,控制系统提供商一直在提高着PLC的CPU速度,有效提高了PLC的运算时间和处理复杂算法的能力www.cechina.cn,但却有限提高了系统的性能——我们在应用中发现,无论CPU的速度如何提高,PLC的算法如何改善,但对整个系统响应的影响微乎其微。这是因为现场总线通讯是瓶颈,阻碍了系统性能的提升。因此www.cechina.cn,更充分地利用IT技术成果,改善自动化通讯技术,才是解决方案。
        借助以太网现有协议框架及其100M的带宽资源,行业领先的自动化厂家根据自动化数据传输的要求,在现有的以太网协议上进行相应的修改,推出了不同的工业以太网技术,比较流行的有EtherCAT、Sercos III、Profinet、Powerlink、Ethernet/IP等。其中EtherCAT因其高性能、高灵活性、使用方便及其完全开放性尤其引人注目。美国《控制工程》杂志2010年五月发布的读者调查反映了实时高性能工业以太网的市场认可度和应用状况,其中EtherCAT占据头名,在选择要素里面性能指标占据了最重要的位置,而应用行业中物料搬运、机器人、数控、包装机械比较集中。
        EtherCAT是工业以太网通讯技术CONTROL ENGINEERING China版权所有,它有更快的通讯速度,如1000个开关点的数据刷新周期仅为30微秒,而100个伺服轴(每个轴8byte IN+OUT)的刷新周期也仅为100微秒。此外,EtherCAT还可优化系统结构,使原来传统的现场总线四层循环结构改善为仅有两层的结构——PLC运算循环及EtherCAT总线循环(见图1)。相对于传统的现场总线系统,底层I/O的响应时间大大缩减,最多仅需两个PLC循环周期就可以实现数据的刷新。因此www.cechina.cn,EtherCAT打破了传统现场总线的通讯瓶颈,解放了PLC或PC的CPU性能,从而大大提高了系统性能。同时,EtherCAT的“一网到底”的特性也是其亮点之一。从主站到系统最末端的所有从站设备均实现EtherCAT通讯,系统中无需再有协议转换,一个通讯系统满足了主控,I/O,伺服驱动,甚至功能性安全等需要数据交换的所有设备的通讯需求。
        EtherCAT并不仅仅是一个高速传输数据的通讯技术,它还有最优的硬实时性能——远小于1微秒的出色同步性能。这是诸多主流伺服驱动器供应商选择EtherCAT接口的原因之一。根据2010年5月“SPS Magazine”采集的数据看来,EtherCAT是伺服厂商实施最多的工业以太网协议——58家伺服驱动器厂商选择EtherCAT作为新一代伺服产品的通讯接口。在2010年11月德国纽伦堡的SPS/IPC/Drive展会的ETG联合展台上,来自于24个主流伺服驱动供应商的35种EtherCAT伺服轴协同在一个EtherCAT主控器下同步运行的展示系统惊艳亮相,充分展示了EtherCAT技术的开放性,一致性及在制造商中的广泛认可度。
        当然,EtherCAT还有诸多其他优势,如灵活的拓扑结构、支持多种物理层、成本低廉、应用简单(自动化工程师甚至无需任何IT相关技术培训即可轻松应用该技术)、无缝兼容不同现场总线协议(取代PCI方式)、支持功能性安全、线缆冗余等等。因此www.cechina.cn,自2003年底推出该技术以来,EtherCAT在全球自动化的各个领域都得到了迅速而广泛的推广和应用,并获得了诸多客户的赞许。目前在国内,多家主流数控系统提供商都已经或正在开发基于EtherCAT的数控系统,很多研究院所都在积极研究和研发EtherCAT在机器人领域的应用,甚至在电力行业EtherCAT也有卓越的应用。此外,EtherCAT系统应用的场合更为广泛,如包装机械,注塑机,轮胎机械,焊接机械,风力发电机的主控和变桨、变流系统,市政工程,半导体制造等。EtherCAT技术协会还与多个高校合作,共同在校园推广该技术的实施和应用。在这些应用中,绝大多数场合是因为EtherCAT能提供更高的性能,系统可以达到从前传统的PLC系统无法达到的性能要求,同时设备成本降低,从而提高最终产品的市场竞争力;也有些应用是因为EtherCAT具有更灵活的拓扑结构及方便集成各种不同传统现场总线的特性。
        此外,EtherCAT是一个完全开放的通讯技术,由中立的EtherCAT技术协会(ETG)推广和完善。任何对该技术感兴趣的单位都可以申请加入EtherCAT技术协会,从而共享所有技术相关的规范,并开发EtherCAT主站和从站产品。事实上,EtherCAT技术协会已经发展成为全球最大的现场总线组织,目前有1500多名会员单位,其中包括来自于中国大陆地区的106家本土企业。这些来自世界自动化各领域领先的供应商及用户共同支持EtherCAT协会的发展和EtherCAT技术的不断完善。
        EtherCAT的活跃还表现在ETG会员公司陆续推出了相关的EtherCAT产品,不仅有欧美、日本的自动化厂商推出了基于EtherCAT的HMI、IO、伺服驱动器、变频器、阀控制器、PLC、电机等;在2010年11月上海的工博会上,ETG联合展台还展示了来自于中国本土企业开发的基于EtherCAT的数控系统,PC 104板卡及EtherCAT研发套件等产品。这表明,在国内,领先的自动化本土厂商坚信EtherCAT技术及其未来的市场,并已经在EtherCAT的技术实施方面取得了一定的成果。
        在北京,ETG设有EtherCAT技术协会中国代表处,该机构为本土的会员提供咨询和服务。ETG中国代表处积极组织参与了诸多市场活动,希望帮助更多本土供应商和最终用户了解工业通讯的发展趋势和EtherCAT技术如何帮助他们改善目前的应用。2010年,EtherCAT联合展台参展了广州、上海和北京的大型自动化展览会,并结实了很多国内领先的自动化厂商和最终用户,为其提供小型EtherCAT讲解交流会、研发培训等。此外,代表处还组织了“EtherCAT登录中国”的路演活动,在北京、深圳、上海举办,160多名用户主动报名并参与了这个路演活动,那么,通过这些市场活动和直接面向最终客户及产品提供商的活动,EtherCAT技术逐渐在国内高端应用中得到广泛的认可。2011年,ETG中国将参与更多的活动,面向国内越来越活跃的OEM机械制造行业控制工程网版权所有,为其在提高效率CONTROL ENGINEERING China版权所有,节能减排,提高运营效益和功能安全方面提供咨询和服务。
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