EtherCAT结合了以太网的带宽资源优势和现场总线的传输优势,打破了现场总线的瓶颈,因此实现了高速传输,高实时性、同步性,加之其拓扑灵活,应用研发简单,且成本低等特点,逐渐成为自动化领域最终用户和设备开发商的首选协议。
而Beckhoff(德国倍福)作为EtherCAT技术最早的研发者,在EtherCAT的应用和研发方面更是先行一步,提出了基于EtherCAT的最新技术:XFC技术(eXtreme Fast Control Technology,极速控制技术)。
XFC代表着一种速度极快且时间确定性极高的控制技术。它包括控制领域所涉及的所有硬件和软件组件:优化的输入输出组件,可高精度检测信号或使任务初始化;超高速EtherCAT通讯网络;高性能工业PC;整合所有系统组件的TwinCAT自动化软件。采用XFC技术,可以实现I/O响应时间≤100 μs。因此,该技术为以前由于受技术限制而无法满足性能要求的用户提供了一种全方位提升控制性能的新理念。
过去,控制周期时间一般都在10-20 ms左右,但通讯接口无约束地运行,其确定性误差会影响与之相关联的过程信号响应。随
着高性能工业PC控制器的实用性技术迅猛发展,周期时间可降至1-2 ms,几乎缩减了10倍。因此,很多特殊的控制回路被转移到中央设备控制器中处理,既节省了成本,同时也极大地提高了智能化算法应用的灵活性。
XFC则可以使响应时间(响应时间包括所有硬件的处理时间,涵盖了从物理输入触发到输出响应的整个过程)再缩减10倍,即周期时间达到100 μs,而不会对中央智能化和相关的高性能算法产生任何影响。此外,XFC技术不仅可以缩短周期时间,而且还可以提高时间精度和分辨率。
用户完全可以从提高设备品质及缩小响应时间的全新选择中获益。例如,预防性维护测试任务,空闲时间监视或部件质量文件归档等功能都可被轻松地集成到设备控制中去,而无需再附加昂贵的专用设备。
在实际的自动化解决方案中,并不是所有的任务都必须达到超高速或者高精度——很多任务仍然可以采用“普通的”解决方案进行处理。因此,XFC技术不仅完全兼容已有的解决方案,而且还可以在相同的硬件和软件中与已有的解决方案同时使用。
Beckhoff除了采用EtherCAT通讯外,还采用了三类产品共同实现XFC技术:由EtherCAT端子模块组成的I/O系统,硬件平台IPC,和TwinCAT控制软件。所有的组件都基于开放的标准,它表明任何一位工程师或程序员都可以开发基于标准组件的、高性能的快速控制解决方案(即,无需特殊硬件支持)。
I/O组件-集成XFC技术的EtherCAT端子模块
标准的EtherCAT端子模块全方位地支持XFC技术。所有的端子模块都支持I/O转换同步通讯,以及已成为EtherCAT技术标准的、精度更高的分布时钟功能。
最新开发的XFC端子模块还提供了额外的特殊功能,尤其适合高速或高精度的应用场合:
- 数字量EtherCAT端子模块具有极短的开通/关断时间特性;或模拟量端子模块具有非常短的转换时间。
- 带有时间戳功能的EtherCAT端子模块可以精确锁定某个数字量或者模拟量事件发生时的系统时间。数字量或者模拟量的值也可以在预定义的时间精确输出。
- 带有超采样功能的端子模块可以使实际值获取或设定值输出的分辨率大大高于通讯周期时间。
通讯组件-充分利用EtherCAT
由于其拥有高速通讯和高数据利用率,EtherCAT为实现XFC提供了基本的前提条件。然而,网络通讯速度并不能代表一切。作为一种选择,可以使用总线方式交换几个独立排列的过程映像,并结合控制应用类型的特点,同时应用XFC 和标准的控制技术。中央控制系统可以从复制和映射任务所耗费的时间中解脱出来 ,从而将一切可以利用的计算能力用于控制算法。
EtherCAT分布时钟构成了XFC技术的高速时间链路,并已集成到所有的通讯设备中。
XFC技术至关重要的特点是可以选择性地将所有的I/O组件都直接集成到EtherCAT通讯中,因此,无需任何下级总线系统(子网)。在很多XFC端子模块内部,数/模、模/数转换器都是直接与EtherCAT芯片相连,因此避免了信号延迟。
控制组件-高性能工业PC
在要求运行速度更快、控制算法更强的条件下,中央控制技术相对多个分布式的小型控制器而言具有明显的优势。现代工业PC所提供的计算和存储能力远远高于多个小型控制器之和,而前者的价格却要便宜得多。
新一代创新技术的工业PC可以非常好地应用于控制领域。快速的双核处理器可以十分理想地同时用于控制任务和设备的人机操作。而新一代CPU所具备