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)

現場總線（Field bus）是一種工業數據總線，是工業自動化領域中的數據通信網絡。它解決了智能化儀器、控制器、運動機構等眾多工業自動化設備的數字通信以及設備和控制系統之間的信息交互。由于現場總線具有簡單、可靠、經濟實用等一系列突出的優點，近年來在工業自動化領域中得到了迅速發展。目前常用的現場總線技術有EtherCAT、Profibus、CANopen、ControlNet、Interbus、Lightbus、Modbus等。EtherCAT由德國的倍福公司于2003年開發的，是一種以工業以太網為基礎的現場總線系統。國際標準組織（ISO）將EtherCAT納入ISO15745標準。EtherCAT總線技術具有高抗干擾、高響應、精確同步、拓撲結構靈活開放、系統配置簡單等眾多優點。全自動印刷機主要用于高溫共燒陶瓷（HTCC）的生產加工。使用EtherCAT總線作為自動印刷機的控制系統，通過設備調試和客戶現場工藝驗證，設備運行穩定可靠，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的高性能通信協議，使用了OSI模型（開放式系統互聯通信參考模型）其中的三層：物理層、數據鏈路層和應用層。EtherCAT使用標準的以太網幀（IEEE802.3），可以在以太網內直接傳送。為了區別于其他類型網絡，EtherCAT使用了0x88A4H特殊幀類型。該數據幀包括幾個EtherCAT報文，每個報文都用于一塊邏輯過程映像區域的特定內存區域，數據順序不依賴于從站的物理順序，可隨意排序[1]。EtherCAT幀結構如圖1所示。

圖1 EtherCAT幀結構

傳統的以太網協議要實現數據的實時監控，主站發送數據包到每個從站后，需等待每個從站對數據包進行處理，再發送回主站。而一般工業領域傳送的數據大部分都是開關量和模擬量，多半小于以太網幀的最小長度。每個從站每一次進行數據交互，都要送出一個幀。這勢必造成帶寬的低利用率，降低了網絡的整體性能。EtherCAT采用了新的數據傳遞機制，只有主站允許發送數據幀，各個從站只允許轉發，多個從站共用一個數據幀。該數據幀從主站發出，經過所有從站，每個從站接收自己對應的數據，同時插入需返回的數據，從而大大優化了數據的傳輸速率和網絡帶寬[2]。數據傳輸過程如圖2所示。

圖2 EtherCAT數據傳輸過程

2 EtherCAT的優勢

工業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總線技術具有一定的優勢。

（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，能夠壓縮大量的設備數據，這使得EtherCAT網絡有效數據率可達到90%以上，經官方測試，其處理1 000個分散式數字輸入輸出信號只需要30μs。單個以太網幀最多可以進行1 486字節的過程數據交換，幾乎相當于12 000個數字輸入和輸出，而傳送這些數據耗時僅為300μs。EtherCAT還能以10 kHz的更新速率處理100個伺服軸系統[3]。

（2）優秀的同步性能，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，并基于該值進行調整，使得同步精度可以小于1μs。

（3）靈活的拓撲結構。EtherCAT采用全雙工的以太網實體層，可以使用交換機或介質轉換器，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。普通以太網相關的技術都可以應用于EtherCAT網絡中。EtherCAT設備可以與其他的以太網設備共存于同一網絡中。普通的以太網卡、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技術的交換機或集線器的數量。

（5）優秀的安全性。EtherCAT安全協議已經由德國技術監督局評估為滿足IEC61508定義的SIL3等級的安全設備之間傳輸過程數據的通信協議。

（6）強大的兼容性。EtherCAT擁有多種應用層協議接口，可以方便的支持其他類型的現場總線。如CoE(CANopen over EtherCAT)用來支持CANopen協議，SOE(SERCOE over EtherCAT)用來支持SERCOE協議，EOE(Ethernet over Ether-CAT)用來支持普通的以太網協議，FOE(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據訪問服務。

3 基于EtherCAT總線技術的自動印刷機

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，結構如圖3所示。設備工藝流程為將裝有基片的料盒放入最左側的上料機，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從料盒中逐一推出，到達料盒右側的傳輸機構。傳輸機構使用電機控制，配合離子風棒去除靜電，再經粘輥清潔后運送到印刷主機左側。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進行移動，從而實現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的印刷區域進行印刷，印刷完成經主機抓手和下料傳輸機構運送到右側下料機進行收料，整個工藝流程結束。

圖3 設備結構示意圖

設備采用EtherCAT總線技術進行通訊，通信線纜選取常用的以太網線纜?？刂茊卧x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、電磁閥等數字量的輸入輸出工作，輸入輸出模塊的數量可以根據設備所需的輸入輸出點位進行合理裝配。圖像控制系統使用歐姆龍圖像控制器，搭配兩組歐姆龍相機和環形光源。選用歐姆龍品牌的觸摸屏進行上位控制及數據的交換。系統框圖如圖4所示。

圖4 系統框圖

設備設定1個主站和7個從站。印刷主機的歐姆龍PLC設為主站，伺服驅動器、上料機和下料機的耦合器設為從站。通常支持EtherCAT的設備都會自帶兩個EtherCAT通訊端口和數字撥碼。兩個通訊端口分別對應通訊輸入端和輸出端，數字撥碼用于設置自身站號。設備主站站號為0，從站站號從1開始，依次順延。使用普通的以太網電纜將主站和從站按照設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置為對應的從站號，設備物理配置完成。設備正常通電無問題后，需繼續進行相應的軟件設置。通常不同的PLC廠家都有自己的開發軟件，本機使用的PLC對應的軟件是由歐姆龍公司開發的Sysmac Studio。通過軟件設置對應PLC的型號和工程名稱，進入程序界面。打開軟件界面左側的配置和設置選項卡中的EtherCAT設置，選取各個電機和耦合器對應的組件，按實際順序拖入主設備下方依次連接，每個從站可根據實際情況改為對應組件的名稱，主從站的通訊配置完成。節點設置如圖5所示。

圖5 設備從站節點圖

設備通訊配置完成后，根據設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，可以設定作為從站的所有伺服控制器的參數，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控和數據采集，對于由3個設備組成的全自動印刷系統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，控制系統和伺服系統通過以太網線進行連接，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總線是閉環系統，可以在控制系統和伺服系統之間進行位置、速度、狀態等數據交換，且傳遞的是數字量，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，提升了設備精度和穩定性。

4 結束語

介紹了EtherCAT總線的原理和優勢，并將其應用于自動印刷機的控制系統。經客戶實際使用，設備印刷精度滿足要求，運行穩定可靠。隨著現代化工業的發展，具有高抗干擾、高響應、精確同步等優點的EtherCAT總線技術將更廣泛的應用于工業自動化的各個領域中。