以太網EtherCAT統領大型壓機

概述： 在一個示范項目中， Schuler 公司率先在其新一代 Profiline 沖壓機中使用了 EtherCAT。 在此項目中，基于以態網的現場總線系統被用于實現系統外設和基于 PC 的控制系統之間的通訊。
　　總部位于德國 Plüderhausen的Schuler Hydrap 是 Schuler 集團專門從事 Profiline 液壓沖壓機的一個分公司， 其用戶主要集中在德國國內的電器制造商和汽車工業的制造商。 一年半之前，當開發160 至 1600 噸的新一代沖壓機提到議事日程上時， Schuler 決定重新考慮他們的控制技術。
　　以前， Schuler Hydrap 使用傳統的 PLC（如 Simatic S7） 及多種特殊硬件，通過 Profibus 來控制液壓系統。 但是， 由于液壓控制是沖壓機的核心部件之一，制造商不愿意將它公之于眾。 據 Schuler 公司控制與驅動技術開發部集團代表Clement Peters 先生說，Schuler 非常希望能擺脫這些特殊的解決方案。 “如果液壓控制模塊的制造商用黑匣子的方式提供他們的 know-how，對我們沒有任何好處?！?BR>　　隨著高性能的基于 PC 的控制技術的發展， Schuler 想直接將液壓控制集成到軟 PLC 中， 換句話說，其目的是以 PLC 軟件的形式提供控制技術和訣竅， 以便將來可以對該控制器直接施加影響。 作此決定的另一個出發點是想采用一個統一的基于 IEC 的控制理念，該控制理念應可滿足 Schuler 集團所有的控制需求， 并且有可能使自己不必依賴于某個硬件平臺。 Peters 先生說: “一個具備絕對尋址而無本地數據管理的系統不可能適應這一要求?！?BR>　　經過全面的市場考察后， Schuler 最終選定了來自 Beckhoff 的 TwinCAT 自動化軟件作為他們用于 Profiline 設備系列的首選系統。 這樣， PLC， 液壓和驅動任務可以在一個平臺上實現。另外， 該解決方案允許所有的設備和工具參數通過 Schuler 的“內部基本監視系統”在用于控制的 PC 機上同時實現可視化操作。 Ralf Sohr先生， Schuler Hydrap 電氣系統的首席設計師， 對新的控制解決方案回顧時說: “將液壓控制技術集成到軟 PLC 中本身已使我們提高了處理能力，同時也提高了產品質量”。
　　但是， 該過程接口 – 即總線系統 – 仍然是一個棘手的問題。 Clement Peters 解釋其原因時說: “在控制方面，可通過 TwinCAT 軟件中相應的 NC 任務映射高品質的運動控制， 例如， 我們使用的循環時間為1到2個毫秒。 能把集成平臺（即 TwinCAT）用于液壓系統的基本先決條件是有一個能滿足液壓控制技術需求的總線系統，這意味該系統完成快速記錄、處理和輸出模擬信號以及運動路徑寄存所需要的時間必須大大小于 1 毫秒?！?
　　使用以前的技術， 即傳統的 PLC 加專用液壓控制器模塊以及 Probibus 作為其總線系統， Schuler 不可能使他們的沖壓機的循環周期達到小于 5 毫秒。 Ralf Sohr 先生說， 這是由于其通訊系統所耗費的時間相對較長所致。 這種情況在采用 PC 技術后大為改觀， 因為 PC 處理器有足夠的能力達到所需要的循環周期。 不過 Ralf Sohr 先生說， 該解決方案并不是完美無缺的: “只要 Profibus 仍被用作通訊介質， TwinCAT 系統僅僅占用了整個循環時間的大約 10 %， 在剩下的 90 % 時間里， 控制器不得不等待 Profibus 的通訊操作。因此該系統的吞吐量仍然十分有限， 這對今后的開發和功能擴展尤其不利。 現在我們采用 EtherCAT， 才有了一個能開通 TwinCAT 全部能力的通訊系統， 因此進入了一個新的境界。”
　　費用大大減少，速度大幅提高
　　2003 年漢諾威博覽會之后形勢有了基本的改觀， 此時 Beckhoff 已經推出了他們基于以太網的EtherCAT 理念。 由于有了這種新的總線系統的選擇，Schuler 決定將 EtherCAT 集成到 Profiline 壓機的控制方案中，并把它作為一個示范項目。Ralf Sohr 評論道：“EtherCAT 的速度和它的低消耗為提高速度創造了很好的條件。這意味著該系統允許我們對目前 Schuler 集團的所有機型都實現快速驅動和液壓控制。 另一個關鍵因素是，由于 EtherCAT 的卓越性能，我們還有足夠的潛力解決將來復雜的控制任務而不會有速度問題?！?BR>　　但是， EtherCAT 的性能數據本身還不足以促使 Schuler 作出這一決定。 Ralf Sohr 先生說，選擇 EtherCAT 的一個關鍵理由是，“我們可以把設備上的組件以相同的品質映射到已有的總線系統中?！?首席設計師進一步解釋說：“在實施階段我們認識到，以太網和 Profibus 解決方案在價格上也存在差別。 Profibus 主站卡的列表價格在 400 到 500 歐元之間。 而以態網卡， 要么已經安裝在 PC 中，要么只需花50到60歐元即可買到。 對于從站來說，其價格比率大約為 1:3，顯然對以態網方案有利?！?BR>　　EtherCAT 雖然有技術和價格的優勢， 但Ralf Sohr 清楚地看到改進以態網連接技術的必要性。 例如，RJ45 連接插頭的工業適應性與根本不需要屏蔽的總線系統相比相距甚遠，并且總線系統只需一個簡單的工具 (如螺絲刀) 即可連接。 在這方面制造商仍然還有很多工作要做。
　　下一步行動
　　在 Schuler 把 EtherCAT 的應用重點放在液壓設備的同時， Clement Peters 已經在計劃將以態網通訊擴展到其它領域：“一個有潛力的應用領域是把多臺壓機鏈接起來，相互通訊。 EtherCAT 應該允許我們為整個系統指定一個中央主站設定點， 并把它作為使各個子系統（如電變送器、傳送帶供料裝置、卸料和堆放設備）達到同步的基礎。 這意味著我們可以消除系統之間的相互等待， 由此可以提高工廠的生產能力。”
　　由于 Profiline 控制方案目前除 EtherCAT 以外仍然需要使用其它的總線系統， Schuler 的目標是用以態網成功地替代這些系統。 原因很清楚：不同的組件、不同的總線系統意味著需要不同的項目設計，不同的配置和調試安裝。 但是， 按照 Clement Peters 的說法， 把以太網作為標準控制技術的唯一通訊系統的基本前提是，“我們的核心供應商們應給我們提供與EtherCAT 兼容的組件”。 目前的狀況是，Schuler 的驅動設備供應商還沒有集成 EtherCAT 接口。 由于這個原因， 驅動軸和 TwinCAT 之間的連接仍然由Sercos 接口來實現。當沖壓機的安全控制器與 TwinCAT 控制器偶合時，情況也是如此。 因此，在這里還需要Profibus 接口。 這些缺點也正是 Schuler 為何要加入最近由 Beckhoff 創立的 EtherCAT 技術集團 (ETG) 的原因之一。 Peters 先生說：“通過 ETG， 我們希望它能對我們的供應商起到某種宣傳推廣作用，促使他們支持 EtherCAT?！?/FONT>