近年來，制造業(yè)中電子產(chǎn)品的使用取得了巨大的飛躍，主要得益于德國政府領(lǐng)導(dǎo)的工業(yè)4.0等智能制造計(jì)劃。物聯(lián)網(wǎng)（IoT）帶來的行業(yè)動(dòng)力也對(duì)制造業(yè)自動(dòng)化產(chǎn)生了重大影響。實(shí)際上，采用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IoT）這一短語，體現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)的基本概念，這些概念與大量數(shù)據(jù)收集和分析高度相關(guān)，即任何智能工廠實(shí)施的控制方面都需要。在許多方面，IIoT被認(rèn)為是一種連接和控制方法，能夠比其他基于物聯(lián)網(wǎng)的項(xiàng)目更快地提供生產(chǎn)力和利潤。

自21世紀(jì)初以來，工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)已在工廠實(shí)施。在那個(gè)階段，使用了許多專有通信協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵?a href="http://www.asorrir.com/v/tag/1687/" target="_blank">自動(dòng)化設(shè)備連接在一起。這幾乎沒有影響制造商的互操作性，并將工廠的實(shí)施與潛在的供應(yīng)商聯(lián)系起來。除此之外，以太網(wǎng)已經(jīng)成為IT世界中的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，盡管許多缺點(diǎn)使其在工廠自動(dòng)化項(xiàng)目中的應(yīng)用受到限制。

標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的主要挑戰(zhàn)是MAC層無法支持實(shí)時(shí)低延遲數(shù)據(jù)傳輸。該協(xié)議專為在企業(yè)網(wǎng)絡(luò)中傳輸大量信息而設(shè)計(jì)，不適合移動(dòng)工業(yè)控制所需的相對(duì)少量的信息。例如，控制閥門需要非常少的信息才能使其轉(zhuǎn)動(dòng)，并且傳感器需要報(bào)告其當(dāng)前的打開/關(guān)閉狀態(tài)。另一方面是，對(duì)于以太網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)的控制權(quán)歸屬于與之相連的設(shè)備，因此很難預(yù)測什么時(shí)候會(huì)傳輸。對(duì)于時(shí)間關(guān)鍵的制造過程而言，這是一個(gè)主要問題。

制造機(jī)器人，閥門，執(zhí)行器等的控制必須以確定的方式進(jìn)行。運(yùn)行中的自動(dòng)化設(shè)備的診斷還需要在控制指令過程中的非常確定的響應(yīng)，使得可以在執(zhí)行任何其他指令之前立即停止操作。還應(yīng)注意，診斷的重點(diǎn)不僅在于受控設(shè)備（例如電動(dòng)機(jī)，致動(dòng)器或閥門）的操作，而且還涉及網(wǎng)絡(luò)和相關(guān)網(wǎng)絡(luò)硬件的操作。德國制造商Beckhoff已經(jīng)看到了以太網(wǎng)的廣泛應(yīng)用潛力，并開發(fā)了自己的現(xiàn)場總線協(xié)議，以糾正標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)中的低帶寬和確定性。這被稱為EtherCAT ?（以太網(wǎng)用于控制自動(dòng)化技術(shù)），現(xiàn)在已成為開放標(biāo)準(zhǔn)，已被數(shù)千家自動(dòng)化設(shè)備供應(yīng)商采用。

圖1：典型的EtherCAT主/從安排

EtherCAT拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是主/從配置，主設(shè)備不需要特殊硬件，標(biāo)準(zhǔn)PC是合適的。主/從配置的示例如圖1所示。該協(xié)議具有“即時(shí)處理”方法，該方法允許網(wǎng)絡(luò)上的每個(gè)節(jié)點(diǎn)在數(shù)據(jù)傳遞到下一個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)讀取數(shù)據(jù)。星形拓?fù)溥€具有內(nèi)置冗余，可補(bǔ)償布線中的潛在中斷，從診斷的角度來看，可以向EtherCAT主站報(bào)告。圖2顯示了EtherCAT從站配置示例。此外，由于強(qiáng)調(diào)時(shí)序和確定性行為，EtherCAT符合IEEE 1588精確時(shí)間協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，并具有低抖動(dòng)率。發(fā)送時(shí)主設(shè)備和接收設(shè)備上的從設(shè)備對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)幀的時(shí)間戳記允許主設(shè)備自我校準(zhǔn)以準(zhǔn)確地知道向從設(shè)備發(fā)送消息的可能時(shí)間。 EtherCAT幀通過從設(shè)備的傳播以獨(dú)特的順序進(jìn)行，提供輸出/控制數(shù)據(jù)，但也在返回主設(shè)備之前收集輸入數(shù)據(jù)。在每個(gè)EtherCAT數(shù)據(jù)報(bào)的最后是一個(gè)稱為工作計(jì)數(shù)器的16位計(jì)數(shù)器，它允許檢測錯(cuò)誤，例如從站是否已正確讀取數(shù)據(jù)以及是否能夠?qū)懭霐?shù)據(jù)，向主站突出顯示錯(cuò)誤以采取相應(yīng)措施行動(dòng)。這為數(shù)據(jù)通信和從站操作提供了內(nèi)置診斷功能。在診斷級(jí)別，如果其中一個(gè)軸的從控制器沒有響應(yīng)其正確的值響應(yīng)，則工作計(jì)數(shù)器的示例將立即停止多軸電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制器。另一個(gè)例子是從機(jī)中的時(shí)鐘同步失敗，導(dǎo)致整個(gè)過程中實(shí)時(shí)確定性行為的丟失。工作計(jì)數(shù)器還將指示一組從站的丟失，可能是由于網(wǎng)絡(luò)電纜故障或主要機(jī)器的電源故障。從機(jī)將始終在數(shù)據(jù)報(bào)中給出響應(yīng)，因此它們的丟失將使主機(jī)能夠標(biāo)記問題。

圖2：示例EtherCAT從機(jī)配置

EtherCAT從站設(shè)備可作為單芯片解決方案提供，既包含微處理器，也包含FPGA和EtherCAT從控制器，或者將專用從控制器集成到現(xiàn)有設(shè)計(jì)中。兩者都有相對(duì)優(yōu)點(diǎn)，具體取決于應(yīng)用要求，但單芯片解決方案往往更節(jié)省電路板空間，并且材料成本更低。

獨(dú)立EtherCAT從控制器的一個(gè)例子是Microchip的LAN9252。提供雙10/100以太網(wǎng)收發(fā)器，LAN喚醒和獨(dú)立數(shù)字I/O接口，可輕松連接大多數(shù)嵌入式微控制器或微處理器。它針對(duì)廣泛的電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制，液壓和氣動(dòng)閥門系統(tǒng)，還具有網(wǎng)絡(luò)電纜支持。圖3顯示了LAN9252的框圖。

圖3：Microchip LAN9252內(nèi)部框圖

并行接口提供對(duì)主機(jī)MCU/MPU總線以及可用GPIO和串行外設(shè)接口的訪問。這些可用于與主機(jī)一起實(shí)施機(jī)械診斷，但更有可能從主機(jī)進(jìn)行。 LAN9252還具有電纜診斷功能，具有兩種操作模式：時(shí)域反射計(jì)（TDR）和匹配電纜診斷。除了對(duì)故障的電纜長度估計(jì)之外，TDR模式還可以檢測TX或RX對(duì)上的開路或短路布線。匹配的電纜診斷功能可為最長120米的故障估算提供電纜長度。有關(guān)此技術(shù)的完整技術(shù)說明，請(qǐng)參見LAN9252數(shù)據(jù)表。

Microchip LAN9252-EVB-LAN9252-HBI提供全面的評(píng)估套件。請(qǐng)參見圖4.

圖4：Microchip LAN9252評(píng)估板

評(píng)估板提供對(duì)LAN9252功能的完全訪問權(quán)限，特別是主機(jī)總線接口和GPIO，并使用板載Microchip PIC32單片機(jī)作為主機(jī)。

單芯片SoC EtherCAT從站的一個(gè)例子是英飛凌的XMC4800系列。采用ARM?Cortex?-M4，浮點(diǎn)單元，運(yùn)行頻率高達(dá)144 MHz，閃存和片上RAM，高分辨率PWM通道，支持多達(dá)6個(gè)串行通道，EtherCAT從器件和大量ADC/DAC模擬I/XMC4800是真正的單芯片解決方案。圖5突出顯示了XMC4800的框圖。

圖5：英飛凌XMC4800框圖

該系列設(shè)備的目標(biāo)是高端工業(yè)自動(dòng)化和控制應(yīng)用。除EtherCAT功能外，還包含4和8通道PWM定時(shí)器，適用于電機(jī)控制應(yīng)用，如圖6所示。

圖6：采用XMC4800的英飛凌雙電機(jī)控制

XMC4800具有多種GPIO和串行外設(shè)功能，非常適合連接與受控機(jī)械相關(guān)的各種診斷傳感器。溫度傳感器，振動(dòng)檢測器以及安全聯(lián)鎖和限位開關(guān)可輕松集成到終端設(shè)計(jì)中，以便提供對(duì)設(shè)備的監(jiān)控，確?？煽窟\(yùn)行的可靠性。

提供EtherCAT從站控制器功能以及Trinamic的TMC8460不需要依賴主機(jī)CPU的資源就可以增強(qiáng)IO功能。針對(duì)電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用，該器件集成了PWM和Step/Dir IO外設(shè)，無需通過主機(jī)MCU的固件進(jìn)行路由，因此可顯著減少數(shù)據(jù)報(bào)，從而控制延遲并適應(yīng)盡可能接近真實(shí)應(yīng)用的應(yīng)用 - 需要時(shí)間操作。通過添加一組可從MCU或EtherCAT主站訪問的綜合外設(shè)，8460包含一個(gè)獨(dú)立模式，允許將集成外設(shè)直接映射到總線寄存器。圖7顯示了使用I/O模塊模式運(yùn)行的TMC8460的原理圖，它可以降低軟件開銷并為主機(jī)MCU提供實(shí)時(shí)硬件支持。

圖7：處于I/O模式下的TMC8460

使用EtherCAT主站可訪問的TMC8460寄存器組合并設(shè)備診斷監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，可以近乎實(shí)時(shí)地響應(yīng)設(shè)備故障或故障，并且在極端情況下提供了一種在最小的設(shè)備損壞的情況下停止整個(gè)操作的方法。

維持生產(chǎn)資產(chǎn)可靠運(yùn)行的能力，以最短的停機(jī)時(shí)間，需要實(shí)時(shí)監(jiān)控整個(gè)制造過程各級(jí)設(shè)施。本文中提到的設(shè)備與相關(guān)傳感器一起為機(jī)器本身以及連接它們的EtherCAT網(wǎng)絡(luò)的所有方面提供了實(shí)現(xiàn)此功能的能力。此外，軟件工具可以更深入地分析EtherCAT網(wǎng)絡(luò)和從站的運(yùn)行情況。在更高層次上，診斷構(gòu)成維護(hù)，維修和運(yùn)營（MRO）學(xué)科的基本組成部分，許多制造商使用資本密集型生產(chǎn)資產(chǎn)。機(jī)器對(duì)機(jī)器通信和物聯(lián)網(wǎng)的最初概念源于許多MRO功能的自動(dòng)化，而今天的IIoT將有助于進(jìn)一步推動(dòng)智能工廠計(jì)劃。