车间数字化工程中EtherCAT总线技术的研究

摘 要：该文首先介绍数字化车间工业环境中，利用EtherCAT以太网协议完成工业自动化控制的工作原理以及现状。相信随着工业以太网技术的迅速蔓延，工业以太网必将取代传统的现场总线通信方式，创造巨大的经济价值和社会效益。

关键词：EtherCAT 工业以太网 数字化工厂

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2019）02（b）-0041-02

工业以太网是目前工业控制发展的一个新的方向，其本质就是将计算机网络结合传统工业控制技术，来实现以太网技术应用于工业自动化控制领域构成的交叉应用学科。它有力地改造了传统的控制网络技术，即现场总线已经成为自动化设备行业的标志性技术，也引领了信息化带动工业化将来的发展研究方向。随着网络技术的飞速发展和以工业以太网为典型的新型现场总线技术的迅速蔓延，为生产自动控制网络化奠定了基础。其中基于EtherCAT的工业以太网总线以其良好的同步性和实时性、系统配置简单、拓扑结构灵活、数据传输率高速高效，以及实现成本低廉等特点成为当今和未来工业以太网技术发展的重要方向。开展基于EtherCAT总线相关接口技术的研究开发，对于提升我国工业自动化水平具有重要的现实意义。

1 EtherCAT技术概况

EtherCAT是由德国BECKHOFF自动化公司提出的一种最新的国际开放性的高速工业以太网协议，它是一个开放源代码、高速率、高性能的系统，同时具有高数据、有效率的特点。其凭借高速传输、数据有效性、实时性等特点得到世界上很多工控公司的支持。EtherCAT使通讯技术和现代工业Pc所具有的超强计算能力相适应，总线系统不再是控制理念的瓶颈，分布式系统I/O已经比大多数本地系统I/O接口运行速度更快。EtherCAT对硬件并没有特殊要求适用性广泛，任何控制单元只要具有以太网通信控制器，均可作为其主站。其具有良好的兼容性及同步性，拓扑网络便捷完全符合以太网标准。EtherCAT的实施并不需要特殊的总线，利用以太网交换机，就可以实现大规模的多种物理拓扑结构。EtherCAT使网络性能达到了新境界，1000多个I/O的更新时间只需30μs，其中还包括I/O周期时间。与100个伺服轴的通讯每100μs执行一次。并可在这一周期时间内更新带有命令值和控制数据的所有轴的实际位置及状态，分布式时钟技术使轴的同步偏差小于1μs。通过总线也可以形成超高速控制回路。EtherCAT具有高性能的通信诊断能力，能迅速排除故障。同时还支持网络冗余检错功能，提高了可靠性。在EtherCAT以太网控制中的节点和拓扑可根据生产和维护改造的要求，方便地进行扩充和重组，为用户节省人力、物力资源。工业控制以太网使用全数字化通信，模拟量由自身进行数字量化，网络上传递的信息全部采用数字的方式。功能实现模块化，不同的节点实现不同的功能，这样用户就简化了系统的设计和实现。

2 EtherCAT数字化的应用及前景

数字化进程中，网络控制的理念越来越被用户所接受，而传统的基于RS485、CAN等总线的各种集散控制系统已经很难满足现代工业控制的要求。在数字化工厂及一些制造业的领域中，利用以太网协议完成工业自动化控制，如机械设计及运动控制，或利用机器人和其他装备线上的技术等应用，具有巨大的经济价值和社会效益，这也是EtherCAT工业控制以太网快速发展及应用的必然因素。在各种大型工业控制环境、机床加工、半导体、工业机器人、印刷机械、包装机械、安装生产线、液压传动等几乎所有自动化领域行业，EtherCAT都取得了广泛的应用。在美国和日本，有EtherCAT技术认证实验室和众多的产品提供商。空中客车公司就在其飞机制造生产线中，利用了EtherCAT来做机翼强度的验证和测试。在中国，用户对EtherCAT以太网的应用研发也开始起步，高铁建设项目和世界第一高塔广州电视塔项目中都有EtherCAT技术为其保驾护航。展望未来面对着工业4.0热潮所带来的发展机遇，以EtherCAT为基础面向未来的基于工业物联网的实时应用网络必将蓬勃发展起来，进一步将EtherCAT的应用领域扩展到异构网络中，实现智能制造的灵活性和实时性。其将广泛地应用于机器控制、测量设备、医疗设备、汽车和移动设备及无数的嵌入系统中，特别是运动控制领域。工业自动化进一步摆脱过去的自动化模式，单片机自动化、工厂自动化，向着系统自动化迅速发展，借助上层的信息网络，将底层的自动控制信息相结合将会现实，形成管理控制一体化的集成控制系统，摆脱过去的自动化模式，自动化与信息化的融合，实现整个企业信息的无缝衔接，未来的现场总线将与企业级网络，甚至云端紧密相连，从而使得工业控制领域不再是信息的孤岛，极大地推动工业生产的发展。

3 结语

EtherCAT总线有效地提高了通行的速度和精度，因此对于实现高速、高效、高精控制提供了很大的方便，依靠其传输速率快、兼容性好、资源共享能力强等优点，受到了各大工业自动化公司的青睐。在工业控制网络中，已经在控制层与信息层占据着主导地位了。因此，我们可以预测基于开放式EtherCAT总线的车间数字化工程发展前景是非常广阔的。

參考文献

[1]陈日东.基于EtherCAT的运动控制器研究与实现[D].华南理工大学，2017.

[2]叶一枝.基于高速工业以太网的EtherCAT应用研究[J].电子测试，2016（13）：19-20.

[3]殷士龙.基于EtherCAT的工业机器人控制系统设计与实现[D].华南理工大学，2017.

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