西安航天自動(dòng)化股份公司 王平利 何國(guó)鵬 張 進(jìn)

?

Ether CAT總線在智能倉(cāng)儲(chǔ)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

西安航天自動(dòng)化股份公司 王平利 何國(guó)鵬 張 進(jìn)

【摘要】本文簡(jiǎn)要介紹了EthereCAT總線的原理、協(xié)議、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和性能參數(shù)，智能倉(cāng)儲(chǔ)的基本構(gòu)成和控制要求，給出了EthereCAT總線在智能倉(cāng)儲(chǔ)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】Ether CAT；總線；智能倉(cāng)儲(chǔ)

近年來(lái)，在自動(dòng)化控制技術(shù)領(lǐng)域，EtherCAT總線已經(jīng)成為一種全球范圍內(nèi)先進(jìn)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。這種技術(shù)支持標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)，以最小的硬件成本，實(shí)現(xiàn)高速、動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)的自動(dòng)控制，穩(wěn)定性高。特別適合分布式的自動(dòng)化及時(shí)間同步要求。

1　Ether CAT總線

Ether CAT是Ethernet for Control Automation Technology 的縮寫，意即以太網(wǎng)控制自動(dòng)化技術(shù)。 所以，Ether CAT總線就是一個(gè)以以太網(wǎng)為基礎(chǔ)的，開放結(jié)構(gòu)的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)。對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線而言，系統(tǒng)的快速響應(yīng)性，即實(shí)時(shí)性是關(guān)鍵，Ether CAT總線是目前最快的現(xiàn)場(chǎng)總線。

1.1Ether CAT總線的運(yùn)行原理

基于以太網(wǎng)的總線，包括在主從系統(tǒng)中，接收器通常由發(fā)送器分配一個(gè)地址。數(shù)據(jù)包被發(fā)送到接收器，接收器必須在能夠發(fā)送任何應(yīng)答之前，接收全部的數(shù)據(jù)。在網(wǎng)絡(luò)中的每一個(gè)用戶都要遵循這樣的過程。相比之下，當(dāng)主站發(fā)送的數(shù)據(jù)報(bào)文傳輸經(jīng)過其節(jié)點(diǎn)時(shí)，EtherCAT從站設(shè)備僅接收為其發(fā)送的數(shù)據(jù)，此外在報(bào)文傳輸過程中輸入數(shù)據(jù)即被添加到報(bào)文中。因此，一幀數(shù)據(jù)可以不必等到接收完才進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，相反地，數(shù)據(jù)處理可以盡早開始。此過程是在從站控制器中由硬件實(shí)現(xiàn)的，網(wǎng)段中最后一個(gè)從站將報(bào)文作為響應(yīng)返回到主站。

1.2Ether CAT總線協(xié)議

Ether CAT是用于過程數(shù)據(jù)的優(yōu)化協(xié)議，它即可以在以太網(wǎng)幀內(nèi)直接傳送，也可以封裝為UDP/IP數(shù)據(jù)報(bào)文。UDP協(xié)議在其它子網(wǎng)中的Ether CAT網(wǎng)段由路由器進(jìn)行尋址的情況下使用。Ether CAT幀可包括幾個(gè)Ether CAT報(bào)文，每個(gè)報(bào)文都服務(wù)于一塊邏輯過程映像區(qū)的特定內(nèi)存區(qū)域，該區(qū)域最大可達(dá)4GB。數(shù)據(jù)順序不依賴于網(wǎng)絡(luò)中以太網(wǎng)端子的物理順序，可以任意編址。從站間可進(jìn)行廣播、多播和通訊。

除了符合主站/從站原理的數(shù)據(jù)交換，Ether CAT還非常適合于實(shí)現(xiàn)控制器之間的通訊。自由編址的網(wǎng)絡(luò)變量可用于過程數(shù)據(jù)、參數(shù)、診斷、編程和各種服務(wù)。主站/主站與主站/從站的之間的數(shù)據(jù)通訊接口也相同。

1.3Ether CAT總線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

Ether CAT在布線上具有最大的靈活性，支持幾乎任何類型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。即無(wú)論是總線形、樹形，還是星型或者任意的選配組合。自動(dòng)分配地址，無(wú)需設(shè)置IP地址。一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)最多可容納65535臺(tái)設(shè)備，系統(tǒng)規(guī)模幾乎無(wú)限，靈活經(jīng)濟(jì)的標(biāo)準(zhǔn)超五類以太網(wǎng)電纜，兩臺(tái)設(shè)備之間電纜長(zhǎng)度最大可達(dá)100米。

1.4Ether CAT總線的性能參數(shù)

--12us內(nèi)處理256個(gè)數(shù)字量I/O

--30us內(nèi)處理1000個(gè)數(shù)字量I/O

--50us內(nèi)處理200個(gè)模擬量I/O（16位），采樣率20KHz

--100us內(nèi)處理100個(gè)伺服軸

--350us內(nèi)處理12000個(gè)數(shù)字量I/O

2　智能倉(cāng)儲(chǔ)的基本結(jié)構(gòu)和控制要求

智能倉(cāng)儲(chǔ)是物流過程的一個(gè)環(huán)節(jié)，智能倉(cāng)儲(chǔ)的應(yīng)用，保證了貨物倉(cāng)庫(kù)管理各個(gè)環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)輸入的速度和準(zhǔn)確性，確保企業(yè)及時(shí)準(zhǔn)確地掌握庫(kù)存的真實(shí)數(shù)據(jù)，合理保持和控制企業(yè)庫(kù)存。通過科學(xué)的編碼，還可方便地對(duì)庫(kù)存貨物的批次、保質(zhì)期等進(jìn)行管理。利用系統(tǒng)的庫(kù)位管理功能，更可以及時(shí)掌握所有庫(kù)存貨物當(dāng)前所在位置，有利于提高倉(cāng)庫(kù)管理的工作效率。

2.1智能倉(cāng)儲(chǔ)的基本構(gòu)成

智能倉(cāng)儲(chǔ)的規(guī)模大小不一，受空間影響，其布局也不盡相同。從機(jī)械功能劃分，基本由以下幾大部分組成，即入庫(kù)系統(tǒng)（含入庫(kù)貨物信息讀取及貨物的平面輸送）、出庫(kù)系統(tǒng)（含出庫(kù)貨物信息讀取及貨物的平面輸送）、從貨架上存取貨物的升降移動(dòng)小車（每?jī)闪胸浖荛g一臺(tái)）、儲(chǔ)存貨物的貨架。從智能倉(cāng)儲(chǔ)的實(shí)現(xiàn)來(lái)說(shuō)，主要由貨物的信息管理系統(tǒng)和貨物的出入庫(kù)輸送及存取貨物升降移動(dòng)小車運(yùn)行的控制系統(tǒng)組成。智能倉(cāng)儲(chǔ)的基本構(gòu)成見圖1。

圖1　智能倉(cāng)儲(chǔ)的基本構(gòu)成

2.2智能倉(cāng)儲(chǔ)的控制要求

智能倉(cāng)儲(chǔ)的出入庫(kù)系統(tǒng)控制與一般的物料傳輸系統(tǒng)沒有任何區(qū)別，只是根據(jù)信息系統(tǒng)的指令，決定入庫(kù)貨物傳輸?shù)侥囊粋€(gè)上卸料臺(tái)或者從哪一個(gè)上卸料臺(tái)取出出庫(kù)貨物。而存取貨物的升降移動(dòng)小車根據(jù)信息系統(tǒng)的指令負(fù)責(zé)準(zhǔn)確地將入庫(kù)貨物從上卸料臺(tái)輸送放置到指定的貨架，或者將要出庫(kù)的貨物從指定的貨架取出輸送放置到相應(yīng)的上卸料臺(tái)。對(duì)于大型的智能倉(cāng)儲(chǔ)而言，貨架長(zhǎng)度可能上百米，高度也有幾十層。因此，快速準(zhǔn)確地存取貨物就成了對(duì)智能倉(cāng)儲(chǔ)控制系統(tǒng)的基本要求，而這一要求通過升降移動(dòng)小車的高速平穩(wěn)運(yùn)行和高精度定位（含貨架的長(zhǎng)度方向和高度方向及貨叉伸出退回的位置）來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

2.3升降移動(dòng)小車的控制

升降移動(dòng)小車的結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。

圖2　升降移動(dòng)小車的結(jié)構(gòu)

一般而言，升降移動(dòng)小車具有三個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)。整個(gè)小車延貨架長(zhǎng)度方向的運(yùn)動(dòng)；貨叉延貨架高度方向的運(yùn)動(dòng)；貨叉存取貨物時(shí)的伸縮運(yùn)動(dòng)。所有運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，控制方式為位置控制模式。由于行程大，前二者的傳動(dòng)均為非剛性傳動(dòng)，只有貨叉伸縮的傳動(dòng)為剛性傳動(dòng)。因此，為了定位的準(zhǔn)確，對(duì)于前二者運(yùn)動(dòng)，需在外部增加位置檢測(cè)裝置，和伺服電機(jī)構(gòu)成全閉環(huán)位置反饋驅(qū)動(dòng)。

圖3　智能倉(cāng)儲(chǔ)Ether CAT總線控制系統(tǒng)

3　Ether CAT總線在智能倉(cāng)儲(chǔ)控制系統(tǒng)的應(yīng)用

德國(guó)倍福自動(dòng)化有限公司是國(guó)際上最早提出并研發(fā)開放實(shí)時(shí)以太網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議Ether CAT工業(yè)總線的公司，其產(chǎn)品豐富多樣。包含了支持Ether CAT的自動(dòng)化控制軟件TwinCAT，這一軟件是基于PC的PLC和運(yùn)動(dòng)控制軟件、安裝于DIN導(dǎo)軌上的模塊化嵌入式控制器、Ether CAT端子模塊、總線端子盒、適用于高動(dòng)態(tài)定位任務(wù)的Ether CAT伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、人機(jī)界面的控制面板。圖3示出了用倍福產(chǎn)品所構(gòu)成的智能倉(cāng)儲(chǔ)Ether CAT總線控制系統(tǒng)。

王平利（1964－），男，陜西西安人，碩士，高級(jí)工程師，現(xiàn)供職于西安航天自動(dòng)化股份有限公司，研究方向：自動(dòng)控制。

何國(guó)鵬（1967－），女，河南洛陽(yáng)人，大學(xué)本科，高級(jí)工程師，現(xiàn)供職于西安航天自動(dòng)化股份有限公司，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)。

張進(jìn)（1973－），男，陜西西安人，大學(xué)本科，高級(jí)工程師，現(xiàn)供職于西安航天自動(dòng)化股份有限公司，研究方向：自動(dòng)控制。

作者簡(jiǎn)介：