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工業(yè)以太網(wǎng)向EtherCAT及更高標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展之路

英士達(dá)機(jī)電EtherCAT總線閉環(huán)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器


   在過(guò)去二十年里,工業(yè)系統(tǒng)的通信方式發(fā)生了巨大變化。從這一變化中我們可以看出,許多公司從基于現(xiàn)場(chǎng)總線的系統(tǒng)轉(zhuǎn)向基于以太網(wǎng)的通信系統(tǒng)。基于以太網(wǎng)的工業(yè)通信發(fā)展勢(shì)頭迅猛,預(yù)計(jì)會(huì)繼續(xù)加速,分析機(jī)構(gòu)MarketsandMarkets的最新研究發(fā)現(xiàn),工業(yè)以太網(wǎng)的總體市場(chǎng)份額預(yù)計(jì)將從2020年的92億美元增長(zhǎng)到2026年的137億美元,在研究期間的復(fù)合年增長(zhǎng)率為7.3%。


   工業(yè)以太網(wǎng)在相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)占據(jù)了如此大的市場(chǎng)份額,這并不令人意外。盡管基于現(xiàn)場(chǎng)總線的系統(tǒng)已經(jīng)過(guò)改進(jìn),但仍然存在一些不足。此類系統(tǒng)非常適合簡(jiǎn)單的控制功能,但隨著越來(lái)越多的制造商致力于實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0戰(zhàn)略,這些不足變得難以克服。最明顯的缺點(diǎn)是速度,尤其是對(duì)于需要極其復(fù)雜且精確控制的應(yīng)用,例如機(jī)器人。


   基于以太網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)顯然是一種不錯(cuò)的選擇。以太網(wǎng)可輕松提供足夠的帶寬來(lái)應(yīng)對(duì)絕大多數(shù)工業(yè)用例,即使是要求最苛刻的工業(yè)4.0應(yīng)用。這是一種業(yè)界熟知的標(biāo)準(zhǔn),具備成本效益且在世界各地廣泛應(yīng)用。此標(biāo)準(zhǔn)非常靈活,適合許多不同的應(yīng)用,尤其是能夠以低成本的方式將舊現(xiàn)場(chǎng)總線分支輕松集成到以太網(wǎng)主干。在實(shí)現(xiàn)和維護(hù)方面,并不缺少使用過(guò)并了解以太網(wǎng)技術(shù)的工程師。工業(yè)4.0要求在工業(yè)操作和IT之間建立可靠的連接,因此具有基于相同標(biāo)準(zhǔn)的通信系統(tǒng)非常實(shí)用。但是,在IT系統(tǒng)中采用的以太網(wǎng)具有不確定性,而這是控制系統(tǒng)中最重要的要求之一。


   為滿足這一要求,許多制造商和組織著手開(kāi)發(fā)一種基于以太網(wǎng)且適用于工業(yè)應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)。這些新標(biāo)準(zhǔn)中最常用的是以太網(wǎng)TSN、以太網(wǎng)/IP、PROFINET和EtherCAT。從最初開(kāi)發(fā)之時(shí)起,其中的每個(gè)協(xié)議和其他較小型或?qū)S邢到y(tǒng)都具有其自身適用的地理或技術(shù)場(chǎng)景。


   所有協(xié)議都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。通常,它們采用在IT中應(yīng)用的以太網(wǎng)概念,并相應(yīng)調(diào)整來(lái)提供實(shí)時(shí)操作。其中一種工業(yè)以太網(wǎng)EtherCAT(用于控制自動(dòng)化技術(shù)的以太網(wǎng))的實(shí)現(xiàn)方式略有不同,它保留了標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)物理層并在其基礎(chǔ)上構(gòu)建了全新的確定性協(xié)議。此協(xié)議使用主機(jī)控制器,它是惟一允許創(chuàng)建EtherCAT幀的器件。幀的長(zhǎng)度始終相同,并且網(wǎng)絡(luò)上的每個(gè)器件節(jié)點(diǎn)都有專用的幀可尋址區(qū)域。當(dāng)幀在網(wǎng)絡(luò)中傳輸時(shí),每個(gè)節(jié)點(diǎn)選擇控制數(shù)據(jù)并在其經(jīng)過(guò)時(shí)在其分配的空間中丟棄回復(fù)信息,幀的延時(shí)不超過(guò)硬件傳輸延時(shí),同時(shí)提供接近100 Mbps線路速度的最大有效數(shù)據(jù)速率。


   在其他工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)中,執(zhí)行幀檢查、執(zhí)行CRC檢查和遍歷協(xié)議棧可能需要數(shù)百微秒。EtherCAT的設(shè)計(jì)僅需125 μs即可完成整個(gè)過(guò)程。更快的速度帶來(lái)了更強(qiáng)的系統(tǒng)響應(yīng)能力,而這又有助于提高整個(gè)控制應(yīng)用的效率和安全性。EtherCAT器件節(jié)點(diǎn)也比其他工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單得多,只需要在合適的單片機(jī)上運(yùn)行的協(xié)議棧代碼(SSC),這進(jìn)一步降低了系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本。


   但是,EtherCAT的應(yīng)用并不是最容易實(shí)現(xiàn)的。對(duì)于設(shè)計(jì)人員而言,最困難的障礙是滿足周期時(shí)間的要求。許多制造商(尤其是使用電機(jī)的制造商)希望以每秒8,000次循環(huán)(即125 μs的周期時(shí)間)實(shí)現(xiàn)控制算法。盡管EtherCAT系統(tǒng)很容易達(dá)到這一數(shù)字,但實(shí)踐證明十分困難,而且通常需要大量的軟件編寫(xiě)和優(yōu)化工作。此外,這種方法的成本也十分高昂,在電機(jī)控制器旁邊放置現(xiàn)成的DIN導(dǎo)軌EtherCAT控制器可能要花費(fèi)數(shù)百美元。但是,定制設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)只需不超過(guò)十倍的費(fèi)用。


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