EtherCAT总线在闸门装配线控制系统中的应用

    徐小楠

    

    

    摘? ?要：该文简要介绍了EtherCAT总线的工作原理、总线协议、拓扑结构和性能参数，并对闸门装配线的基本要求、基本构成以及控制进行了阐述，给出了EtherCAT总线在闸门总装线控制系统中的应用。

    关键词：现场总线;EtherCAT;闸门装配线

    中图分类号：TP29? ? ? ? ? 文献标志码：A

    将计算机网络中的以太网技术应用于自动化控制领域，其构成的工业控制以太网简称为工业以太网或以太网工业总线。近年来，EtherCAT总线已经成为自动化控制领域内的一种先进技术标准。

    1 EtherCAT总线

    EtherCAT总线是一种具有良好开放性的现场总线技术，与以太网完全兼容，可以和路由器以及交换机相连，且能混合运行其他协议，兼容现有的总线端子模块产品，并且协议规范完全公开。其最早是由德国倍福自动化公司研发的，在工业现场总线技术指标中，系统的同步性、实时性是非常关键的，EtherCAT总线是当前现场总线中传输速度最快的。

    1.1 EtherCAT工作原理

    EtherCAT是一种主从式系统结构的工业以太网技术，拥有以太网全双工的通信传输特性。主站与从站之间的信息交互是通过主站的网卡进行的，将主站的数据报文发送到从站设备上，当数据报文通过每一个从站设备时，这些从站设备可在制定好的位置直接对数据进行读写，数据报文经过最后一个从站，处理完数据后，发送回主站，通信结束。该通信传输过程是通过从站设备内部的硬件来实现数据高速交换的。

    1.2 Ether CAT总线协议

    EtherCAT是用于过程数据的协议，数据可以直接使用以太网帧进行传输，使用以太网帧的数据类型可匹配标准的网络控制器。EtherCAT没有IP协议，但是可以把其封装在UDP/IP协议里。与传统的现场总线相比，EtherCAT节点地址为自动设置，不需要进行网络调试，软件具有的诊断信息可以精确定位错误。网络中可以不做交换机配置，不用处理复杂的MAC和IP地址。EtherCAT有设备寻址和逻辑寻址2种寻址方式。设备寻址是对从站设备进行读和写的操作，而逻辑寻址是对过程数据的读写操作，从而实现同一个报文在多个从站设备上读写的多播功能。

    EtherCAT总线可以实现主站与从站之间的数据通信，还可以实现主站与主站之间的数据通信，2种数据通信方式具有相同的数据通信接口。

    1.3 Ether CAT总线的拓扑结构

    EtherCAT支持线型、总线型、星型、树形或者任意组合的拓扑结构，每個EtherCAT网段内可容纳65 535台设备[1]。网络规模大于500 km，可以带或者不带交换机工作。2台设备之间采用标准的以太网屏蔽电缆，电缆长度最大可达100 m。采用光纤电缆，2台设备之间的距离最大可达2 000 m，并且可以实现网段间的热连接及热断开。

    1.4 Ether CAT的性能参数

    吞吐量高达10 KB/ms，分布至1 500个设备。

    对应20 kHz的采样率，30 us可处理1 000个数字量I/O。50 us可处理200个模拟量I/O。100 us可处理100个伺服轴[2]。

    2 闸门装配线的基本要求

    闸门装配线可通过参数设定适应不同闸板尺寸的（0.4 m、0.5 m、0.6 m、0.8 m、1.0 m、1.2 m）生产。根据尺寸的变化，可适当增加装配产品的规格型号，但增加的规格型号应在现有产品规格的最大尺寸范围以内。根据闸门产品的特点，借助设备、工装、工具等，完成闸门装配中费时、费力、重复的工作，如果设备、工装、工具无法完成，则采用人工组装的方式实现。闸门装配生产线必须有安全设置和提示，确保能够保护参加生产人员的安全。

    2.1 闸门装配线的基本构成

    闸门装配线由循环输送线、滑撬机构、翻转机构、举升机构、自动裁切机、助力机械臂、料架、视频系统、控制系统和管理系统等组成。图1为闸门装配线的基本构成图。

    2.2 闸门装配线的控制

    根据闸门装配生产线现场的实际布局及特点，该控制系统设计本着区域化及可扩展原则，把闸门装配生产线控制系统分为主中控室、装配输送段、检测输送段、移行机构、翻转机构等区域。闸门装配生产线控制系统主要由主控制柜、现场控制箱A1、现场控制箱A2、现场控制箱B1、现场控制箱B2、伺服控制箱A、伺服控制箱B以及若干就地操作箱等组成。主控制柜位于中控室内，现场控制箱A1和现场控制箱A2分别位于装配输送段和一端的移行机构旁，现场控制箱B1和现场控制箱B2分别位于检测输送段和另一端的移行输机构旁，伺服控制箱A和伺服控制箱B分别位于翻转机构的2个机械臂上。

    该控制系统采用EtherCAT现场总线的方式，可以形成一个超高速控制回路，通过EtherCAT总线集成进行各种扩展，其他主站/从站现场总线接口或通信接口和通过总线访问的所有其他信号类型，可直接与总线端子模块连接，实现主控制柜、现场控制箱、伺服控制箱之间的通信。

    3 EtherCAT总线在闸门装配控制系统的应用

    该系统的PLC主控制器选用的是德国倍福公司的CX2030嵌入式控制器，各远程站选用EK1100耦合模块与主控制器相连。驱动器选用AX5200系列产品。自动化控制软件选用支持EtherCAT的倍福控制软件TwinCAT3，该款软件是基于PC的PLC和运动控制软件。

    图2为闸门装配线基于EtherCAT总线控制系统。

    4 结语

    该应用是基于EtherCAT总线的控制系统，主控制器采用EtherCAT总线的通信方式，使用倍福CX2030作为控制核心。EtherCAT总线可以使控制系统拥有良好的实时性、可靠性和可扩展性，采用EtherCAT总线的分布式控制系统，其控制精度高、实时性好，可用于各种自动化工业场合，应用前景广阔。

    参考文献

    [1]安丽荣.基于Ether CAT工业以太网协议的研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2011.

    [2]王平利.Ether CAT总线在智能仓储控制系统中的应用[J].电子世界，2016（5）：118-119.