谈谈EtherCAT应用于工业机械制造

摘 要：EtherCAT拥有杰出的通讯性能，接线非常简单，并对其它协议开放。EtherCAT拥有多种机制，支持主站到从站、从站到从站以及主站到主站之间的通讯。它实现了安全功能，采用技术可行且经济实用的方法，使以太网技术可以向下延伸至I/O级。EtherCAT功能优越，可以完全兼容以太网，可将因特网技术嵌入到简单设备中，并最大化地利用了以太网所提供的巨大带宽，是一种实时性能优越且成本低廉的网络技术

关键词：EtherCAT；钢板；成形工艺；控制技术

中图分类号：TP273

随着我国人口结构改变，劳动力成本飞快上涨及缺工问题日益严重，导致各个企业都必须加重产线自动化投资，并朝无人智慧工厂发展。在现今工业4.0时代，制造业者必须随时面临少量多样的生产，以及弹性库存压力等问题，生产流程管理不能只是自动化，更需智能化。

EtherCAT分散式设备控制器解方案以NISE无风扇电脑为基础，采用Windows Embedded Standard 7加上Intervalzero RTX2012的架构下开发出NexECM 1.0；EtherCAT主站解决方案：NexECM 1.0，自动化设备制造商将可以很快速的设计出各种产业应用自动化机台。同时，透过以太网为基础的现场总线系统EtherCAT，所有程序资料都是由从站控制器的硬体来处理，并可以进一步成为高性能的分散式I/O系统。透过以太网络技术享有快速的响应时间与精准的实时性（Real-time）的特性，且NexECM本身采用开放式架构，使的系统整合加值商可以在开放架构上开发出与整合更多的功能与产品。同时，因为新汉电脑提供CiA402函数库API，有状态控制函数，驱动器基本操作函数，点对点运动（Profile Position mode），速度运动（Profile Velocity mode），以及归零运动（Homing mode），所以客户可以更方便进行多种运动控制，并提供快速除错功能而不需要去了解复杂的CANopen通讯协议。

EtherCAT分散式设备控制器不仅向下可控制机台，向上又可联系工厂与网络世界，更藉由完整功能，弹性界面与精确实时等特性，帮助自动化设备制造商大幅节省各种配线，线材建制与维护成本，并且达到相当于其他顶级控制器的效能，产生最大弹性生产，提高生产效率，实现智慧工厂，智慧机械，智慧产品三者串联的工业4.0生产模式！

1 可升级的控制技术

借助可升级的模块化Beckhoff产品，在考虑到计算能力、复杂性及成本预算等方面的前提下为客户量身打造解决方案。与传统的控制系统相比，它们能够极大地提升金属板材加工机械的生产效率和灵活性。Beckhoff基于PC的控制技术将诸如控制、调整、运动控制及HMI等所有工艺集成到一台PC上，在全球各种冲压、切割、折弯及焊接系统应用中得到广泛运用，具有极强的竞争优势。PC技术具有较高的处理器能力，无需使用专用硬件。例如，液压阀的位置和压力控制器可以用软件来代替。PC能够毫不费力地处理最为复杂的控制运算，为其它功能（如测量任务）提供附加的处理能力。因此，不再需要那些编程灵活度有限的复杂、昂贵的专用控制器和硬PLC。

Beckhoff的产品系列包括高性能的紧凑型工业PC和嵌入式PC、适用于所有信号类型的各种电子I/O端子模块、伺服驱动产品、经济高效的步进电机系列、EtherCAT高速现场总线、TwinCAT自动化软件以及专用于钢板加工机械的特殊控制面板。

2 适用于每个应用场合的最佳控制系统

Beckhoff为钢板加工机械提供带Windows操作系统的工业PC，囊括各种尺寸和性能。若与TwinCAT自动化软件相结合，Beckhoff工业PC可为PLC、NC以及CNC功能提供一个高性能的控制系统。附加的程序，例如可视化程序，可轻松集成到系统中。

Beckhoff工业PC系列包括各种外观设计和性能等级的面板型PC、抽拉式PC、控制面板PC和适用于DIN导轨安装的嵌入式PC。例如，由Beckhoff控制柜工业PC C69xx提供的复杂精密的减振器系统，要求用来将工业PC安装到受强振和冲击负荷（如压机、冲床和刀具）的机身上。

工业显示器是工业PC的辅助设备，Beckhoff控制面板是钢板加工系统的可视化前端。可为客户提供一款最佳的控制单元，该控制单元是根据各个应用的具体要求量身定制的。显示器/操作单元和控制计算机的空间分离提供了最大可能的灵活性。Beckhoff自行设计、制造和生产所有的工业主板。这样可确保使用的都是最新、最完善的技术，解决方案可根据具体的应用进行调整，并可长期提供备件。

3 通过EtherCAT实现高性能

钢板加工工艺必须具有快速、高精度及重复性好等特点。与传统的现场总线技术相比，这些针对EtherCAT快速实时工业自动化以太网技术的理想条件可缩短更新和响应时间至少10倍。在PC控制器中，除了标准的以太网端口之外，EtherCAT无需任何专用插卡。传统的现场总线系统，例如PROFIBUS或CANopen可通过网关轻松集成到EtherCAT I/O系统中。简单、可靠的连接技术可显著减少布线时间，从而节约成本。EtherCAT与以太网完全兼容，可最大限度地利用以太网带宽，具有出色的实时特性。EtherCAT现场总线系统中固有的冗余增加了断线情况下的安全性。

EtherCAT应用于钢板加工系统的优点有：更快速的冲孔、冲压或激光处理，带精确定义额定时间的时间戳执行器使得开关精度

4 TwinCAT将所有功能集成到同一个软件中

TwinCAT是一种针对PC的纯粹的软PLC和运动控制解决方案。通过该软件可精确、有效地控制钢板加工的各个工艺阶段。TwinCAT PLC编程符合国际IEC 61131-3标准。开放式通讯接口可以集成到现有的可视化、控制和数据库系统中。过程跟踪或远程维护也由此较容易实现。通过开放式接口和各个TwinCAT抽象层，应用程序可以与由不同制造商所提供的几乎所有现场总线、I/O组件和驱动技术一起运行，无需额外改装。

通过折弯、冲孔、冲压、切割或焊接完成的精确金属板材加工需要以高重复精度用多根轴实现同步。TwinCAT NC和TwinCAT CNC取代了整套运动控制硬件，可用于所有的伺服轴，包括进给、碰撞或传送零件。机械制造商能够根据他们的系统相关专业控制经验，定制金属板材加工工艺。即使是复杂的弯曲算法也可轻松在TwinCAT中编程。借助TwinCAT，日后的升级和改造及金属板材切割或步冲所需的灵活度不再是问题。

全面的TwinCAT功能库包括温度、凸轮和液压控制器、飞锯及凸等功能，编程简单。从能够通过运动控制功能库编程的PLC驱动器，根据VDI 2143指南用TwinCAT NC编程的凸，直到通过TwinCAT PLC温度控制器根据PLCopen编程的温度补偿。TwinCAT使得系统制造商能够创建他们自己的工业和系统专用功能库，让他们能够在激烈的竞争中脱颖而出，即使他们使用的控制组件都是相同的。

参考文献：

[1]王磊.数控加工中宏程序的应用[J].价值工程，2011（21）.

[2]陈思涛，陈林.基于NX4.0数控编程工艺系统的研究应用[J].工具技术，2011（08）.

[3]彭健钧.基于特征的复杂工件数控加工关键技术研究[D].中国科学院研究生院，2012.

作者单位：国营九六三一厂，湖南株洲 412007