Ether CAT总线在自动印刷机中的应用

2022-02-17乔文远魏红飞杨子元

电子工业专用设备 2022年6期

乔文远，魏红飞，杨子元

(中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京 100176)

现场总线（Field bus）是一种工业数据总线，是工业自动化领域中的数据通信网络。它解决了智能化仪器、控制器、运动机构等众多工业自动化设备的数字通信以及设备和控制系统之间的信息交互。由于现场总线具有简单、可靠、经济实用等一系列突出的优点，近年来在工业自动化领域中得到了迅速发展。目前常用的现场总线技术有EtherCAT、Profibus、CANopen、ControlNet、Interbus、Lightbus、Modbus等。EtherCAT由德国的倍福公司于2003年开发的，是一种以工业以太网为基础的现场总线系统。国际标准组织（ISO）将EtherCAT纳入ISO15745标准。EtherCAT总线技术具有高抗干扰、高响应、精确同步、拓扑结构灵活开放、系统配置简单等众多优点。全自动印刷机主要用于高温共烧陶瓷（HTCC）的生产加工。使用EtherCAT总线作为自动印刷机的控制系统，通过设备调试和客户现场工艺验证，设备运行稳定可靠，可以满足客户需求。

1 EtherCAT总线的原理

EtherCAT是一种用于确定性以太网的高性能通信协议，使用了OSI模型（开放式系统互联通信参考模型）其中的三层：物理层、数据链路层和应用层。EtherCAT使用标准的以太网帧（IEEE802.3），可以在以太网内直接传送。为了区别于其他类型网络，EtherCAT使用了0x88A4H特殊帧类型。该数据帧包括几个EtherCAT报文，每个报文都用于一块逻辑过程映像区域的特定内存区域，数据顺序不依赖于从站的物理顺序，可随意排序[1]。EtherCAT帧结构如图1所示。

图1 EtherCAT帧结构

传统的以太网协议要实现数据的实时监控，主站发送数据包到每个从站后，需等待每个从站对数据包进行处理，再发送回主站。而一般工业领域传送的数据大部分都是开关量和模拟量，多半小于以太网帧的最小长度。每个从站每一次进行数据交互，都要送出一个帧。这势必造成带宽的低利用率，降低了网络的整体性能。EtherCAT采用了新的数据传递机制，只有主站允许发送数据帧，各个从站只允许转发，多个从站共用一个数据帧。该数据帧从主站发出，经过所有从站，每个从站接收自己对应的数据，同时插入需返回的数据，从而大大优化了数据的传输速率和网络带宽[2]。数据传输过程如图2所示。

图2 EtherCAT数据传输过程

2 EtherCAT的优势

工业通信的要求是高响应、低延时、高可靠性，同时配置尽可能的简单便捷。在这些方面EtherCAT总线技术具有一定的优势。

（1）高传输效率。EtherCAT总线可以使用双绞线或者光缆，配合本身的机能原理，能够压缩大量的设备数据，这使得EtherCAT网络有效数据率可达到90%以上，经官方测试，其处理1 000个分散式数字输入输出信号只需要30μs。单个以太网帧最多可以进行1 486字节的过程数据交换，几乎相当于12 000个数字输入和输出，而传送这些数据耗时仅为300μs。EtherCAT还能以10 kHz的更新速率处理100个伺服轴系统[3]。

（2）优秀的同步性能，它采用精确排列分布时钟，可以精确地确定主从站之间的延迟偏移，并基于该值进行调整，使得同步精度可以小于1μs。

（3）灵活的拓扑结构。EtherCAT采用全双工的以太网实体层，可以使用交换机或介质转换器，几乎支持所有的拓扑类型，包括线型、树型、星型等。

（4）广泛的应用场景。普通以太网相关的技术都可以应用于EtherCAT网络中。EtherCAT设备可以与其他的以太网设备共存于同一网络中。普通的以太网卡、交换机、路由器等标准组件都可以在EtherCAT中使用。并且不受限于采用级联技术的交换机或集线器的数量。

（5）优秀的安全性。EtherCAT安全协议已经由德国技术监督局评估为满足IEC61508定义的SIL3等级的安全设备之间传输过程数据的通信协议。

（6）强大的兼容性。EtherCAT拥有多种应用层协议接口，可以方便的支持其他类型的现场总线。如CoE(CANopen over EtherCAT)用来支持CANopen协议，SOE(SERCOE over EtherCAT)用来支持SERCOE协议，EOE(Ethernet over Ether-CAT)用来支持普通的以太网协议，FOE(File over EtherCAT）用于上传和下载固件程序或文件；AOE(ADS over EtherCAT)用于主从站之间非周期的数据访问服务。

3 基于EtherCAT总线技术的自动印刷机

全自动印刷机由印刷上料机、印刷主机和印刷下料机3个部分组成，结构如图3所示。设备工艺流程为将装有基片的料盒放入最左侧的上料机，通过伺服电机控制料盒逐层升降。每一层的基片被推片机构从料盒中逐一推出，到达料盒右侧的传输机构。传输机构使用电机控制，配合离子风棒去除静电，再经粘辊清洁后运送到印刷主机左侧。印刷主机抓手采用SMC电缸，利用真空吸盘将基片抓取到工作台面上，通过台面真空固定。相机、光源和图像控制器组成的视觉对位系统对基片的Mark点进行识别运算，配合工作台三维电机运动系统进行移动，从而实现基片的自动对位流程。对位成功后工作台由伺服电机控制运行至印刷主机后侧的印刷区域进行印刷，印刷完成经主机抓手和下料传输机构运送到右侧下料机进行收料，整个工艺流程结束。

图3 设备结构示意图

设备采用EtherCAT总线技术进行通讯，通信线缆选取常用的以太网线缆。控制单元选取日本欧姆龙的可编程逻辑控制器（PLC），深圳行芝达的耦合器及欧姆龙的伺服驱动器。选用行芝达的输入输出(I/O)模块处理传感器、按钮、电磁阀等数字量的输入输出工作，输入输出模块的数量可以根据设备所需的输入输出点位进行合理装配。图像控制系统使用欧姆龙图像控制器，搭配两组欧姆龙相机和环形光源。选用欧姆龙品牌的触摸屏进行上位控制及数据的交换。系统框图如图4所示。

图4 系统框图

设备设定1个主站和7个从站。印刷主机的欧姆龙PLC设为主站，伺服驱动器、上料机和下料机的耦合器设为从站。通常支持EtherCAT的设备都会自带两个EtherCAT通讯端口和数字拨码。两个通讯端口分别对应通讯输入端和输出端，数字拨码用于设置自身站号。设备主站站号为0，从站站号从1开始，依次顺延。使用普通的以太网电缆将主站和从站按照设定的顺序依次首尾连接。需注意伺服电机应接到主站的PLC或者从站的耦合器之后。将各个从站的拨码按照连接顺序依次设置为对应的从站号，设备物理配置完成。设备正常通电无问题后，需继续进行相应的软件设置。通常不同的PLC厂家都有自己的开发软件，本机使用的PLC对应的软件是由欧姆龙公司开发的Sysmac Studio。通过软件设置对应PLC的型号和工程名称，进入程序界面。打开软件界面左侧的配置和设置选项卡中的EtherCAT设置，选取各个电机和耦合器对应的组件，按实际顺序拖入主设备下方依次连接，每个从站可根据实际情况改为对应组件的名称，主从站的通讯配置完成。节点设置如图5所示。

图5 设备从站节点图

设备通讯配置完成后，根据设备实际运行流程编写PLC程序。因为主站和从站均通过Ether-CAT总线连在一起，所以上料机、印刷主机和下料机的程序可以编写在同一个文件中，可以设定作为从站的所有伺服控制器的参数，简化了操作。使用上位机连接主站，便可对所有的主站和从站进行实时监控和数据采集，对于由3个设备组成的全自动印刷系统的控制提供了极大便利。对于伺服电机的控制，之前的印刷设备通常使用脉冲接口或者模拟量接口进行控制。模拟量接口和脉冲接口由于需要大量的接线来满足不同的控制需求，不仅在装配时耗费时间，设备出问题时对于检测故障也会造成一定的困难。模拟量接口容易受到电磁干扰造成波动，脉冲接口是开环的控制方式，受到干扰容易丢失脉冲，无法进行位置补偿，这都会影响到印刷精度。使用EtherCAT总线的印刷机，控制系统和伺服系统通过以太网线进行连接，只需要接供电线，极大简化了接线工作，提升了装配和检修的效率。EtherCAT总线是闭环系统，可以在控制系统和伺服系统之间进行位置、速度、状态等数据交换，且传递的是数字量，解决了模拟量接口和脉冲接口容易受到干扰的问题，同时可以进行位置补偿，提升了设备精度和稳定性。