沈陽機床，中國最大的數(shù)控機床生產(chǎn)廠商，選擇EtherCAT作為其最新的 i5 智能數(shù)控機床控制平臺的內(nèi)部總線，并在伺服驅(qū)動器和 IO 設(shè)備上全面實施了 EtherCAT 主站和EtherCAT 從站。
沈陽機床
沈陽機床(集團)有限公司擁有中國規(guī)模最大的綜合機床制造廠和國家級數(shù)控機床開發(fā)制造基地，其工藝手段、裝備實力達到國際先進水平，主導產(chǎn)品 300 多種，規(guī)格千余種，市場覆蓋全國，并出口 80 多個國家和地區(qū)，機床產(chǎn)銷量多年來始終居國內(nèi)同行業(yè)首位。
沈陽機床(集團)設(shè)計研究院有限公司上海分公司(以下簡稱上海研究院)是沈陽機床(集團)有限公司的子公司。自 2007 年立以來，上海研究院一直在運動控制及云制造領(lǐng)域進行探索設(shè)計和大膽創(chuàng)新，致力于面向機床行業(yè)的運動控制技術(shù)及云制造技術(shù)的產(chǎn)品研發(fā)和技術(shù)儲備，為客戶及相關(guān)行業(yè)帶來切實的利益和創(chuàng)新的動力。
迄今為止，上海研究院針對沈陽機床集團所涵蓋的業(yè)務領(lǐng)域內(nèi)研發(fā)了一系列的產(chǎn)品，包括數(shù)控系統(tǒng)、HSHA 系列伺服驅(qū)動器及 WIS 車間信息系統(tǒng)等產(chǎn)品。
i5 智能數(shù)控機床采用 EtherCAT 通信
在中國數(shù)控機床展(CCMT) 2014 上，沈陽機床自主研發(fā)的 i5 智能數(shù)控機床整體亮相，具有特征編程、圖形診斷、機床實時監(jiān)控、遠程診斷、三維仿真、STEP 編程等智能化功能，能夠更好滿足市場的發(fā)展需求，為用戶提供個性化的解決方案。預計“十二五”規(guī)劃末期,I5 智能機床數(shù)控機床將實現(xiàn)訂單1 萬臺。
i5 實現(xiàn)了 5 大功能：Industry、Information、Internet、Integrate、Intelligent，即工業(yè)化、信息化、網(wǎng)絡化、智能化、集成化的有效集成。
圖 1：i5 平臺架構(gòu)圖。(注：在此圖中EtherCAT縮寫為ECAT。)
i5 控制平臺由三類設(shè)備組成：NC 控制器，HSHA 系列伺服驅(qū)動器和 I/O 設(shè)備，沈陽機床上海研究院負責整個控制平臺的研發(fā)和實施。
圖 2：i5 機床的數(shù)控系統(tǒng)架構(gòu)
i5 控制平臺采用基于 PC 的理念，并搭載了由德國倍福(Beckhoff)研發(fā)開放的先進的實時工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)EtherCAT ( Ethernet for Control AutomationTechnology)，使用 EtherCAT 通信總線建立了數(shù)控系統(tǒng)與外部伺服驅(qū)動器，IO 和操作面板之間的高速實時數(shù)據(jù)交換 通信。i5 數(shù)控系統(tǒng)使 用公司自主 開發(fā)的使 用EtherCAT 通信的高性能伺服驅(qū)動器和通用 IO 操作單元，以全部國產(chǎn)化的價格為用戶提供高檔總線式控制解決方案。
圖 3： I5 的數(shù)控面板——EtherCAT 主站
圖 4： HSHA 系列伺服驅(qū)動器——EtherCAT 從站
圖 5：IO 設(shè)備——EtherCAT 從站
為何選用 EtherCAT?
除了設(shè)備本身功能的實施，在研發(fā)初期，沈陽機床上海研究院對總線選擇做出了預言和評估。因為 i5 平臺要求通過以太網(wǎng)進行云端管理，而基于以太網(wǎng)技術(shù)的物理層使得車間信息化的成本變得可以接受，現(xiàn)場設(shè)備間的互聯(lián)變得很簡單。因此，將目標鎖定了工業(yè)以太網(wǎng)的通信技術(shù)。
而對于 i5 來說，雖然數(shù)控算法是最核心的技術(shù)。但是因為設(shè)計高端運動控制，因此對總線的要求也甚為苛刻?？焖俚膫鬏敃r間，更高的同步性是對總線最核心的要求。沈陽機床對此的要求主要體現(xiàn)在同步性方面，因為基礎(chǔ)的過程數(shù)據(jù)對通信要求盡可能高的同步性和更低的延遲性能，從而足以滿足基本大類的數(shù)控機床運動控制和過程控制的需求，無需擔心總線性能會對數(shù)控造成的影響。而EtherCAT 除了眾所周知的“on the fly”通信機制獲得的幾乎最快的通信時間外，其分布式時鐘機制可以為所有的從站提供抖動約 50ns 的同步硬件時鐘，從而保證多軸軌跡插補控制時各進給軸動作的一致性，大大降低了加工的輪廓誤差;而且，從站支持同步輸出的特性，簡化了實時從站的電路設(shè)計和代碼編寫，加快了開發(fā)速度，縮短了產(chǎn)品上市時間。該機制直接集成在協(xié)議中，方便實施和應用。
因為 i5 中很多算法的 know how 開發(fā)，而 EtherCAT支持的郵箱協(xié)議使得面向復雜應用和互聯(lián)的高級功能開發(fā)的過程變得相對容易，使用 EtherCAT 郵箱通信可以隨時傳輸伺服驅(qū)動器的所有參數(shù)，并且支持標準 Ethernet數(shù)據(jù)幀的傳輸，實現(xiàn)標準 IT 的應用，便于與上層管理軟件的集成;
與其他很多正在升級的行業(yè)一樣，數(shù)控系統(tǒng)供應商在研發(fā)可以提供高性能能加工的功能的同時，還希望能降低研發(fā)成本。EtherCAT 通信不需要交換機、路由器等有源基礎(chǔ)設(shè)施組件，也不需要復雜的 IT 知識。在數(shù)控系統(tǒng)上無需專用的昂貴的通信卡，而只需要一個標準的以太網(wǎng)端口即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。而在外部設(shè)備從站上只需要價格低廉的 ASIC 芯片，或者可以把實現(xiàn) EtherCAT 從站鏈路層的 IP 核集成到本來也需要的 FPGA 上。I5 數(shù)控系統(tǒng)為了綜合低的成本和開發(fā)的方便，在伺服驅(qū)動器上使用了倍福公司的ASIC芯片，而在IO操作站上使用了FPGA IP核;使其在使用 EtherCAT 技術(shù)后，幾乎沒有增加任何硬件成本，性能就得以大大提升;
面對復雜的數(shù)控系統(tǒng)使用現(xiàn)場，用戶對于設(shè)備現(xiàn)場可使用性的要求非常高——高精靈活加工;極高效;極可靠。而 EtherCAT 完全滿足了這些要求：使用 EtherCAT 通信替代傳統(tǒng)的模擬量控制方式，取消了模擬量受到干擾和衰減的現(xiàn)象，極大提高了數(shù)控系統(tǒng)的可靠性。尤其在中國目前的工廠條件下，用戶要求設(shè)備應用現(xiàn)場對環(huán)境溫濕度容限極高，中國南方夏季高溫高濕環(huán)境下無環(huán)控可直接運行;生產(chǎn)現(xiàn)場對電源/電磁環(huán)境無需額外提供任何保障。
總結(jié)
EtherCAT 為機床的最終用戶帶來的最終效益顯而易見，這是沈陽機床源于采用基于 PC 和 EtherCAT 控制方式所導致的：
■ 機床性能的提升從而節(jié)約時間：可以將插補周期從4ms 縮短到 0.5ms，大大提高了數(shù)控系統(tǒng)的加工速度和精度;快速的通信系統(tǒng)也使得數(shù)控系統(tǒng)的 PLC 響應時間縮短為原來的十分之一，提高了外部設(shè)備的響應性，縮短了加工時間;
■ 降低生產(chǎn)的時間和成本：傳統(tǒng)的模擬量控制方式下，每個伺服驅(qū)動器都需要由數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出模擬量控制信號，并反饋編碼器信號，這就需要在數(shù)控系統(tǒng)上為每個伺服驅(qū)動器設(shè)置一個接線端子和相應的電纜。由于電纜都不是標準定義的，因此需要生產(chǎn)廠家投入大量的人力物力進行生產(chǎn)。而現(xiàn)在從數(shù)控系統(tǒng)到伺服系統(tǒng)和其他外設(shè)都使用標準的以太網(wǎng)線纜，可以直接從專業(yè)廠家采購，降低了生產(chǎn)時間和成本。
■ 機床使用方便：EtherCAT 靈活方便靈活的拓撲結(jié)構(gòu)，易于配置和診斷。一個 EtherCAT 網(wǎng)絡最多可支持 65,535個設(shè)備，而不受在拓撲結(jié)構(gòu)中放置位置的限制，可以很方便地連接 i5 數(shù)控系統(tǒng)需要的伺服驅(qū)動器、IO 操作單元、操作面板、光柵尺、編碼器、各種傳感器等，使其真正成為“智能的大腦”。從站設(shè)備也不需要專門的撥碼開關(guān)進行地址配置，協(xié)議診斷可以定位到出錯的設(shè)備。
（轉(zhuǎn)載）
