1986 年推出的第一臺(tái)基于 PC 的控制器已經(jīng)是高能性控制器。它采用了快速 PC 處理器，其功能和速度已經(jīng)顯著地超過同一時(shí)期所謂的硬件控制器。盡管如此，將這種具備強(qiáng)大計(jì)算能力的“落地”，即，向下延伸至需要控制的設(shè)備——傳感器和執(zhí)行器，在當(dāng)時(shí)卻是一個(gè)挑戰(zhàn)性問題。插入式 I/O 曾是一種解決方案。這種方案的輸入輸出最大數(shù)量取決于可用卡槽數(shù)量;且本質(zhì)上會(huì)產(chǎn)生自各個(gè)外設(shè)至中央控制柜中的 PC 出現(xiàn)多線連續(xù)且布線不靈活等問題。其結(jié)果則是出現(xiàn)了對(duì)串行現(xiàn)場總線的需求 – 但是，直到上世紀(jì)八十年代末，仍然沒有出現(xiàn)令人信服的系統(tǒng)：Interbus、SERCOS 和 co. 仍不成熟，僅剛剛實(shí)現(xiàn)對(duì)I/O 或者驅(qū)動(dòng)的支持。PROFIBUS DP 和 CANopen 此時(shí)尚未問世。Beckhoff 出于美德開發(fā)了 Lightbus協(xié)議，為當(dāng)今實(shí)時(shí)以太網(wǎng)現(xiàn)場總線 EtherCAT 奠定了基礎(chǔ)。
1989 年，Lightbus 配合優(yōu)先級(jí)控制和邏輯通信信息的報(bào)文實(shí)時(shí)處理工作原理，已經(jīng)在當(dāng)時(shí)產(chǎn)生了令人印象深刻的性能數(shù)據(jù)：采用 Lightbus 每一毫秒可以尋址 1000 多個(gè)分布式 I/O，與此同時(shí)，還可以以 100μs 的速度完成某些高速驅(qū)動(dòng)控制器的更新。因此，相較于同一時(shí)期的快速 PC CPU，Lightbus 的性能更高強(qiáng)大，并為這種光纖現(xiàn)場總線技術(shù)的長期盛行奠定了基礎(chǔ)。Lightbus 的問世已經(jīng)有 20 多年，其速度仍然基本上超過其它現(xiàn)場總線以及大多數(shù)代表著最新一代現(xiàn)場總線技術(shù)的各種不同工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)。盡管 Lightbus 的速度是如此的快，但仍然無法和當(dāng)今工廠外設(shè)中的 PC CPU 的計(jì)算能力完全匹配。因此，Beckhoff 開發(fā)了 EtherCAT。該技術(shù)在某種意義上是 Lightbus 的下一代技術(shù)。EtherCAT 同樣使用了實(shí)時(shí)處理原理，并可以支持任意數(shù)量的邏輯通信信道，但其使用的介質(zhì)，即 100 Mbit/s 高速以太網(wǎng)，比之前快 40 倍。例如，EtherCAT每 100 毫秒可與 100 個(gè)伺服軸完成通信。即使是最快的工業(yè)PC，也無法在 100 毫秒的周期內(nèi)完成如此多軸的控制算法的運(yùn)算。因此，Beckhoff 再一次研發(fā)了一種“面向未來的”總線系統(tǒng)，該總線系統(tǒng)在可以預(yù)見的未來中不會(huì)成為控制系統(tǒng)的瓶頸。
直達(dá)終端的以太網(wǎng)：全雙工環(huán)形以太網(wǎng)，報(bào)文會(huì)經(jīng)過大量設(shè)備，連接直達(dá)標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)端口
現(xiàn)場總線已經(jīng)成為基于 PC 的控制技術(shù)的瓶頸
傳統(tǒng)現(xiàn)場總線無法與基于 PC 的控制技術(shù)相匹配。因此，如果選用了慢速現(xiàn)場總線或工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)，則除了高性能控制器外，還常常需要額外采用部分專用控制器和調(diào)節(jié)器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行局部預(yù)處理。這些控制器的編程和配置必須單獨(dú)地進(jìn)行。在半導(dǎo)體制造廠中，專用的液壓控制器、集成式驅(qū)動(dòng)定位控制器或質(zhì)量流量控制器即是典型的實(shí)例。這些需要使用大量硬件和工具，強(qiáng)制性地推高了采購、工程設(shè)計(jì)和維護(hù)等方面的成本。分布式本地控制器對(duì)于模塊化機(jī)器來說可能代表著久經(jīng)測試，但是，在大量應(yīng)用中，它們僅僅只是通信瓶頸的必然產(chǎn)物。利用 EtherCAT 和 TwinCAT，也可以在總線上構(gòu)成封閉的極速控制回路：復(fù)雜的專用控制器及其專用編程工具變得多余，且可以替代為高速 I/O 終端和 TwinCAT 控制器功能塊。這不僅減少了成本;而且，還打開了專用控制器的“黑盒子”：必要時(shí)，機(jī)器制造商或系統(tǒng)集成商可以針對(duì)自己的應(yīng)用，對(duì)控制器軟件進(jìn)行優(yōu)化，甚至于將其徹底替換為自己的控制算法，從而在競爭中脫穎而出。對(duì)于 TwinCAT 3，用戶也可利用 Matlab?/ Simulink? 或 C/C++ 從容地開發(fā)這些算法，并對(duì)其進(jìn)行在線調(diào)試。
EtherCAT 架構(gòu)使緊湊型 IPC 設(shè)計(jì)成為可能
EtherCAT 卓越的性能不僅簡化了控制架構(gòu)，而且，還簡化了IPC 本身的硬件結(jié)構(gòu)：現(xiàn)場總線接口 – 出于投資保護(hù)、從容轉(zhuǎn)換為 EtherCAT，或者，出于連接鄰近系統(tǒng)等原因，對(duì)于大量設(shè)備來說仍然具有必要性– 可以實(shí)現(xiàn)為 EtherCAT 終端，從而在本地完成連接。本地 PC總線上的插槽數(shù)量對(duì)于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和可擴(kuò)展性不再具備決定性作用。IPC 的結(jié)構(gòu)更加緊湊?，F(xiàn)場總線電纜長度變得更短，從而實(shí)現(xiàn)更高波特率 – 進(jìn)一步提高了工作性能。
值得指出的是，高性能控制器和高性能通信的這種結(jié)合不僅僅只是惠及閉環(huán)控制回路型應(yīng)用：所有基于事件驅(qū)動(dòng)型控制的應(yīng)用都可據(jù)此實(shí)現(xiàn)更高工作效率。
下一工作步驟常常取決于某個(gè)事件是否發(fā)生。一旦到達(dá)，例如，氣缸到達(dá)其目標(biāo)位置、需要監(jiān)控的零件已經(jīng)位于夾具中，或者已出現(xiàn)期望的壓力等，下一工作步驟將繼續(xù)執(zhí)行。為此需要持續(xù)不斷地循環(huán)掃描相應(yīng)的傳感器。對(duì)出現(xiàn)的事件進(jìn)行響應(yīng)的時(shí)間，完全取決于掃描頻率和通信效率。例如EtherCAT 等極速總線、高速 I/O 模塊、TwinCAT 和 PC 控制器等可以顯著地縮短這類等待時(shí)間。其結(jié)果是，相較于傳統(tǒng)的控制技術(shù)，這種技術(shù)可以顯著地提高工廠的生產(chǎn)效率。例如，對(duì)于每秒出現(xiàn) 2 個(gè)此類事件的裝配廠，僅僅只是將“采用傳統(tǒng)現(xiàn)場總線的某個(gè) PLC”換成“采用 EtherCAT的某個(gè)軟 PLC”即可實(shí)現(xiàn)約 3% 的產(chǎn)量提升。
EtherCAT – 更快、更靈活、性價(jià)比高
EtherCAT 是速度最快的現(xiàn)場總線技術(shù)，因而常常被簡稱為“高性能”現(xiàn)場總線技術(shù)。然而，這種簡稱過于簡化!僅僅是采用了 TwinCAT 的“PC 技術(shù)”就不僅意味著極速，而且還意味著可擴(kuò)展性、高靈活性、高集成性、易用性和經(jīng)濟(jì)性等。盡管不需要全部這些性能優(yōu)勢，大量用戶還是部署或采用了 EtherCAT 技術(shù)。對(duì)于他們來說，重點(diǎn)關(guān)注的是成本經(jīng)濟(jì)性、無需有源基礎(chǔ)設(shè)施組件的靈活性拓?fù)浜头奖愕呐渲?。這一切都源于 EetherCAT 技術(shù)的自動(dòng)地址分配、卓越的診斷功能和故障定位性能，或者，全球已經(jīng)廣泛認(rèn)可并選用了大量 EtherCAT 設(shè)備。簡而言之，EtherCAT 主站設(shè)備實(shí)現(xiàn)了這些優(yōu)勢完全不需要任何輔助硬件;PC 機(jī)上已有的任何以太網(wǎng)接口足以滿足 EtherCAT 所需。僅憑這一點(diǎn)，EtherCAT 技術(shù)就可以成為基于 PC 的控制技術(shù)的天生搭檔，而且，這兩者無論在哪方面都是真正的“高性能”技術(shù)。
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