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技术专题 | 如何在数据爆炸的时代实现工业超高速通信?-倍福
来源:倍福 作者: 浏览次数:0
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?  良好有序的现代生活,离不开自动控制技术。从舞台技术到风力发电,从楼宇智能化到过程控制,控制技术在不动声色地影响着人类生产生活的方方面面。
  控制技术的发展总是体现为通信技术和计算技术的交替突破。从传统 PLC 到 PC 控制是计算技术的突破,其后从现场总线到 EtherCAT 是通信技术的突破。Beckhoff 最新推出的控制软件 TwinCAT 3 支持多核 CPU 和 64 位 OS,支持 OOP、C/C++ 和 MATLAB?/Simulink? 建模,意味着计算技术再上新台阶。
01 当计算技术飞跃时,通信技术如何应对?
  基于强大的 TwinCAT 3 平台和广泛的软硬件资源,Beckhoff 将 PC 控制技术拓展到了传统的工厂自动化之外:机器测量、机器视觉、导轨及平面磁悬浮输送系统等,通信技术再次成为瓶颈。以机器测量为例,假定系统包含 200 个通道,要求采样率 100 kHz,任务周期 1 ms,就需要 322 Mbps 的通信带宽。对于磁悬浮输入系统,要实现基本的运动控制,每米导轨大约占用 25 Mbps 的通信带宽,如果导轨周长 18 米,就需要 450 Mbps 的带宽。至于机器视觉要传送高速采集的高精度图片、平面磁悬浮系统要在稍微大一点的平面区间内规划路径或者定位,无不是需要占用大量的通信带宽。
  对于这些应用,以前在传统领域“惊为天人”的 EtherCAT 性能也显得捉襟见肘。此时,IT 领域的千兆以太网已经趋于成熟并普及,万兆以太网技术也初露端倪。2018 年 11 月的德国纽伦堡 SPS 展会上,Beckhoff 发布 EtherCAT G 和 EtherCAT G10 技术:将千兆网和万兆网引入了 EtherCAT,在兼容现有标准 EtherCAT 设备的基础上,实现了千兆、万兆的 EtherCAT 主干网络,以覆盖过程数据量巨大、通信周期极短的应用场合。比如前面所述的机器测量、机器视觉和磁悬浮系统。
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02 如何搭建一个千兆 EtherCAT 主干网络呢?
  主站中,千兆网卡、千兆网线的硬件要求是必不可少的,这些已经是 IPC 和嵌入式控制器的标配,本文不必赘述。这里主要回答市场最关心的是标准 EtherCAT 设备只有 100 Mbit/s 的网络接口,能否集成到千兆 EtherCAT?答案是肯定的。Beckhoff 推出了若干 “Branch Controller”,用于把 10 G 的主干网降速成并行的 1 G 支干网,或者把 1 G 的支干网降速成并行的 100 Mbit/s 标准 EtherCAT 网络。除了独立的 Branch Controller 之外,还有一种耦合器形式的 Branch Controller — EK1400,后面挂的是标准 EL 模块,而对外的接口却是千兆 EtherCAT 。典型的 EtherCAT G 和 EtherCAT G10 网络结构图如下:
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  图中的 EtherCAT G 伺服驱动器只是示意,即使将来 EtherCAT G 也不会是驱动器的主流接口。EtherCAT G 提升传输速度的主要手段不是让所有从站都具备千兆网接口,而是通过 Branch Controller 实现千兆 EtherCAT 转到百兆 EtherCAT 的并行处理。以一个含 128 个伺服轴的 EtherCAT 网络为例,假定每个轴包含 8 字节输入和 8 字节输出数据,不同速率不同传输方式的官方公布总线通信时间如下:
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  可见,串行改并行的传输方式相比于标准伺服改千兆伺服,对性能提升要显着得多。这个可以实现 128 轴 49 μs 通信时间的网络结构如下:
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 上图与标准的 EtehrCAT 网络相比,唯一增加的硬件就是 1 个 Branch Controller。
  同样道理,耦合器形式的 Branch Controller 即 EK1400,可以实现 I/O 信号数据传输性能的大幅提升。以机器测量为例:200 个通道,采样率 100 kHz,任务周期 1 ms,占用 322 Mbps 的通信带宽。如果使用标准 EtherCAT 和 EK1100 ,需要 4 条 EtherCAT 网络,占用率 80% 以上。如果用 EK1400 替换 EK1100,只需要 1 个 EtherCAT G 网络,通信时间只要 812 μs 。其网络结构如下:
结语
EtherCAT G 和 EtherCAT G10 的发布,突破了此前 PC 控制的高端应用所面临的通信技术瓶颈。Beckhoff 结合 TwinCAT 3 控制软件技术与最新的 EtherCAT G 和? EtherCAT G10 技术,让自动化控制技术整体上了一个新的台阶。我们期待工控同仁们在这一技术的基础上进一步创新,开拓更多的应用场景,挖掘更多技术潜能。同时,也期待 Beckhoff 公司为大家带来更多的技术创新“惊喜”。
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