沈（shěn）陽（yáng）機床，中國最大的數控機床生產廠商（shāng），選擇EtherCAT作為其最新的i5智能數控機床控製平台的內部總線，並在伺服驅動器和IO設備上全麵實施了（le）EtherCAT主站和EtherCAT從站。
   

      沈陽機床
   

      沈陽機床（集（jí）團）有限公司擁有中國規模最大的綜合性（xìng）機床製造廠和國家級數控機床開發製造（zào）基地，其工藝（yì）手段、裝備實力達到國際（jì）先進水（shuǐ）平，主導產品300多（duō）種，規格千餘種，市場覆（fù）蓋全國（guó），並出口80多（duō）個國家和地區，機床產銷量多年來始終居國內同行業首位（wèi）。
   

      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（yǐ）來，上海研究院一直在運動控製及雲製造領域進行探索設計和大膽（dǎn）創（chuàng）新，致力於（yú）麵（miàn）向機床行業的運動控（kòng）製技術及雲製（zhì）造技術的產品研發和技術儲（chǔ）備，為客戶及相關行業帶來切實的利益和（hé）創新的動力。
   

      迄今（jīn）為止，上海研究院（yuàn）針對（duì）沈陽機床集團所涵蓋的業（yè）務領域內研發了一係列的產品，包括數控係統、HSHA係列伺服驅動器及WIS車間信息係統等（děng）產品（pǐn）。
 

      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（zhǔ）研發的i5智能數控（kòng）機床整體亮相，具有特征編程、圖形診斷、機床實時監控、遠（yuǎn）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（zhǎn）需求（qiú），為用（yòng）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（jiāng）實（shí）現訂單1萬台。
   

      i5實現（xiàn）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（huà）的（de）有效集成。
  
    
      
 
      圖（tú）1：i5平台架構圖。注：在此圖中（zhōng）EtherCAT縮寫為ECAT
  
       
      
 
      圖2：i5機床的數控係統架構
   

      i5控製平台由三類設備組成：NC控製器，HSHA係列伺服驅動器和I/O設備，沈陽機（jī）床上海研究院負責整個（gè）控（kòng）製平台的研（yán）發和實施。
    
  
  
      
      圖3： I5的數控麵板——EtherCAT主站
   

      i5控製平台采用基於PC的理念，並搭載（zǎi）了（le）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（lì）了數控係統與外部伺服驅動器，IO和操作麵板之間的高速實時數據（jù）交換通信。i5數控係統使用公司自主開發的（de）使用EtherCAT通信的高性能伺服驅動器和（hé）通用IO操作單元，以全部國產化的價（jià）格為用戶提（tí）供高檔總線式控製解決方案。
   

      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（yán）究院對（duì）總線選擇做出了預言和評估（gū）。因為i5平台要求通過（guò）以太網（wǎng）進行雲端管（guǎn）理，而基（jī）於以太網技術的物理（lǐ）層使得車間信息（xī）化的成本變得可以接受，現場設（shè）備間的互聯變得很簡單（dān）。因此（cǐ），將目標鎖定了工業（yè）以太網的通信技術。
  
    
      
      圖4： HSHA係列伺服驅動器——EtherCAT從（cóng）站
    

      
      圖5：I/O設備——EtherCAT從站
   

      而對於i5來說，雖然（rán）數控算（suàn）法是最核心的技術。但是（shì）因為（wéi）設（shè）計高端運動控製，因（yīn）此對總線的要（yào）求也甚為苛刻（kè）。快速（sù）的傳輸時間，更高的同步性（xìng）是對總線最核心的要求。沈陽機床（chuáng）對此的要求主要體現在同步性方（fāng）麵，因為基礎的過程數據對通信要求盡可能（néng）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（kòng）製和過程控製的需求，無需擔心總（zǒng）線性能會對數控造成的影響。而EtherCAT除了眾所周知的“on the fly”通信機製獲得的幾（jǐ）乎最快的通信（xìn）時間外，其分布式時鍾機製可以為所有的從站提供抖動約50ns的同步硬件時鍾，從而保證多軸（zhóu）軌跡插（chā）補控製時各進（jìn）給軸（zhóu）動作的（de）一致性，大大降低了（le）加工的輪廓誤差；而且，從站支持同步輸出的特（tè）性，簡化了（le）實時從（cóng）站的電路（lù）設（shè）計和代碼編寫，加快了開發速度，縮短了產品上市時（shí）間。該機製直接集成在協議（yì）中，方便實施（shī）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麵向（xiàng）複（fù）雜應用和互聯的高級功能開發的過程變得（dé）相（xiàng）對容易，使用EtherCAT郵箱（xiāng）通信可以隨時傳輸伺服驅動器的所有參數，並且支持標準Ethernet數據幀的傳（chuán）輸，實現標準IT的應用，便於與上層管理軟件的集成；
   

      與其他很多（duō）正在升級的行業一樣，數控係統供應商在研發可以提供高性能能加工的（de）功能的同時，還希望能降（jiàng）低研發（fā）成本。EtherCAT通信不需要交（jiāo）換機（jī）、路（lù）由器等有源基礎設施組件，也不（bú）需要複雜的IT知識。在數控（kòng）係統（tǒng）上無需專用的昂（áng）貴的通信卡，而隻需要一個標準的以太網端口即可實現數據通信。而在（zài）外（wài）部設備（bèi）從站上隻需要價格低廉的ASIC芯片，或者可以把實（shí）現EtherCAT從（cóng）站鏈路層（céng）的IP核集成到本來也需要的FPGA上。I5數控係統為了綜合低的（de）成本和開發的方便，在伺服驅動器上（shàng）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（yòng）EtherCAT技術後，幾乎沒有增加任何硬件成本，性能就得以大大提升；
   

      麵對複雜的數（shù）控係統使用現場，用戶對於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製方式，取消（xiāo）了模擬量受到幹擾和衰減的（de）現象，極大提高了數控係統的可靠性。尤其在中國目前的工廠條件下（xià），用戶要求設備應（yīng）用現場對（duì）環境溫濕度容限極高，中（zhōng）國（guó）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（yuán）/電磁環（huán）境無需額外提供任何保障。
   

      總結

      EtherCAT為機床的最終用（yòng）戶帶來（lái）的最終效益顯而易見，這是沈陽機床源於采用基於PC和EtherCAT控製方式所導致的：
   

      ■ 機（jī）床性能的提升從（cóng）而節約時間：可以將插補周期從4ms縮短到0.5ms，大大提高了數控係統的加工速度和精度；快速的通信（xìn）係統也使得數控係統的PLC響應時間縮（suō）短為原來（lái）的十分之一，提高了外部設備的響應性，縮（suō）短了加工時間；
    

      ■ 降低（dī）生產的時間和成本：傳（chuán）統的模擬量控製方式（shì）下，每個伺服（fú）驅動器都需要由數控係統（tǒng）發出模擬量控製信號，並反饋編碼器信（xìn）號，這就（jiù）需（xū）要在數控係統上為每個伺服驅動器設置一個接（jiē）線端子和相應的電纜。由於電纜都不是標準定義的，因（yīn）此需要生產廠家投入大量（liàng）的人力物力進行生產。而（ér）現在從數控係統（tǒng）到伺服係統和其他外設（shè）都使用標（biāo）準的以太網線纜，可以直接從（cóng）專業廠家采購，降（jiàng）低了（le）生產時間和（hé）成本。
   

      ■ 機（jī）床使用（yòng）方便：EtherCAT靈活方便靈活的拓（tuò）撲結構，易於配置和診（zhěn）斷。一個EtherCAT網絡最多可支持65,535個設備，而（ér）不受在拓撲（pū）結構中放置位（wèi）置的（de）限製，可以很方（fāng）便地連接i5數控係統需要的伺服（fú）驅（qū）動器、IO操作單元、操作麵板（bǎn）、光柵尺、編碼器、各種傳（chuán）感器等，使其真正（zhèng）成為“智能的大腦（nǎo）”。從站設備也不需要專門的撥（bō）碼開（kāi）關進行地（dì）址配置，協議診斷（duàn）可（kě）以定位到出錯的設備。