沈陽機床，中國最大的數控機床生產廠商，選擇EtherCAT作為其最新的i5智能數控機床控制平臺的內部總線，并在伺服驅動器和IO設備上全面實施了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模最大的綜合性機床制造廠和國家級數控機床開發制造基地，其工藝手段、裝備實力達到國際先進水平，主導產品300多種，規格千余種，市場覆蓋全國，并出口80多個國家和地區，機床產銷量多年來始終居國內同行業首位。
沈陽機床（集團）設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域進行探索設計和大膽創新，致力于面向機床行業的運動控制技術及云制造技術的產品研發和技術儲備，為客戶及相關行業帶來切實的利益和創新的動力。
迄今為止，上海研究院針對沈陽機床集團所涵蓋的業務領域內研發了一系列的產品，包括數控系統、HSHA系列伺服驅動器及WIS車間信息系統等產品。
i5智能數控機床采用EtherCAT通信
在中國數控機床展（CCMT） 2014上，沈陽機床自主研發的i5智能數控機床整體亮相，具有特征編程、圖形診斷、機床實時監控、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展需求，為用戶提供個性化的解決方案。預計“十二五”規劃末期,I5智能機床數控機床將實現訂單1萬臺。
i5實現了5大功能：Industry、Information、Internet、Integrate、Intelligent，即工業化、信息化、網絡化、智能化、集成化的有效集成。
圖1：i5平臺架構圖。注：在此圖中EtherCAT縮寫為ECAT
圖2：i5機床的數控系統架構
i5控制平臺由三類設備組成：NC控制器，HSHA系列伺服驅動器和I/O設備，沈陽機床上海研究院負責整個控制平臺的研發和實施。
圖3： I5的數控面板——EtherCAT主站
i5控制平臺采用基于PC的理念，并搭載了由德國倍福（Beckhoff）研發開放的先進的實時工業以太網技術EtherCAT（Ethernet for Control Automation Technology），使用EtherCAT通信總線建立了數控系統與外部伺服驅動器，IO和操作面板之間的高速實時數據交換通信。i5數控系統使用公司自主開發的使用EtherCAT通信的高性能伺服驅動器和通用IO操作單元，以全部國產化的價格為用戶提供高檔總線式控制解決方案。
為何選用EtherCAT？
除了設備本身功能的實施，在研發初期，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進行云端管理，而基于以太網技術的物理層使得車間信息化的成本變得可以接受，現場設備間的互聯變得很簡單。因此，將目標鎖定了工業以太網的通信技術。
圖4： HSHA系列伺服驅動器——EtherCAT從站
圖5：I/O設備——EtherCAT從站
而對于i5來說，雖然數控算法是最核心的技術。但是因為設計高端運動控制，因此對總線的要求也甚為苛刻。快速的傳輸時間，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在同步性方面，因為基礎的過程數據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計和代碼編寫，加快了開發速度，縮短了產品上市時間。該機制直接集成在協議中，方便實施和應用。
因為i5中很多算法的know how開發，而EtherCAT支持的郵箱協議使得面向復雜應用和互聯的高級功能開發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動器的所有參數，并且支持標準Ethernet數據幀的傳輸，實現標準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一樣，數控系統供應商在研發可以提供高性能能加工的功能的同時，還希望能降低研發成本。EtherCAT通信不需要交換機、路由器等有源基礎設施組件，也不需要復雜的IT知識。在數控系統上無需專用的昂貴的通信卡，而只需要一個標準的以太網端口即可實現數據通信。而在外部設備從站上只需要價格低廉的ASIC芯片，或者可以把實現EtherCAT從站鏈路層的IP核集成到本來也需要的FPGA上。I5數控系統為了綜合低的成本和開發的方便，在伺服驅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；
面對復雜的數控系統使用現場，用戶對于設備現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通信替代傳統的模擬量控制方式，取消了模擬量受到干擾和衰減的現象，極大提高了數控系統的可靠性。尤其在中國目前的工廠條件下，用戶要求設備應用現場對環境溫濕度容限極高，中國南方夏季高溫高濕環境下無環控可直接運行；生產現場對電源/電磁環境無需額外提供任何保障。
總結
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約時間：可以將插補周期從4ms縮短到0.5ms，大大提高了數控系統的加工速度和精度；快速的通信系統也使得數控系統的PLC響應時間縮短為原來的十分之一，提高了外部設備的響應性，縮短了加工時間；
■ 降低生產的時間和成本：傳統的模擬量控制方式下，每個伺服驅動器都需要由數控系統發出模擬量控制信號，并反饋編碼器信號，這就需要在數控系統上為每個伺服驅動器設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，因此需要生產廠家投入大量的人力物力進行生產。而現在從數控系統到伺服系統和其他外設都使用標準的以太網線纜，可以直接從專業廠家采購，降低了生產時間和成本。
■ 機床使用方便：EtherCAT靈活方便靈活的拓撲結構，易于配置和診斷。一個EtherCAT網絡最多可支持65,535個設備，而不受在拓撲結構中放置位置的限制，可以很方便地連接i5數控系統需要的伺服驅動器、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”。從站設備也不需要專門的撥碼開關進行地址配置，協議診斷可以定位到出錯的設備。
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