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等智能制造計劃。物聯(lián)網(wǎng)（IoT）帶來的行業(yè)動力也對制造業(yè)自動化產(chǎn)生了重大影響。實際上，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)自動化系統(tǒng)已在工廠實施。在那個階段，使用了許多專有通信協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵?a href="http://www.socialnewsupdate.com/v/tag/1687/" target="_blank">自動化設(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，盡管許多缺點使其在工廠自動化項目中的應(yīng)用受到限制。

標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的主要挑戰(zhàn)是MAC層無法支持實時低延遲數(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，不適合移動工業(yè)控制所需的相對少量的信息。例如，控制閥門需要非常少的信息才能使其轉(zhuǎn)動，并且傳感器需要報告其當(dāng)前的打開/關(guān)閉狀態(tài)。另一方面是，對于以太網(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)測什么時候會傳輸。對于時間關(guān)鍵的制造過程而言，這是一個主要問題。

制造機器人，閥門，執(zhí)行器等的控制必須以確定的方式進(jìn)行。運行中的自動化設(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，診斷的重點不僅在于受控設(shè)備（例如電動機，致動器或閥門）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)用于控制自動化技術(shù)），現(xiàn)在已成為開放標(biāo)準(zhǔn)，已被數(shù)千家自動化設(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“即時處理”方法，該方法允許網(wǎng)絡(luò)上的每個節(jié)點在數(shù)據(jù)傳遞到下一個節(jié)點時讀取數(shù)據(jù)。星形拓?fù)溥€具有內(nèi)置冗余，可補償布線中的潛在中斷，從診斷的角度來看，可以向EtherCAT主站報告。圖2顯示了EtherCAT從站配置示例。此外，由于強調(diào)時序和確定性行為，EtherCAT符合IEEE 1588精確時間協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，并具有低抖動率。發(fā)送時主設(shè)備和接收設(shè)備上的從設(shè)備對每個數(shù)據(jù)幀的時間戳記允許主設(shè)備自我校準(zhǔn)以準(zhǔn)確地知道向從設(shè)備發(fā)送消息的可能時間。 EtherCAT幀通過從設(shè)備的傳播以獨特的順序進(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EtherCAT數(shù)據(jù)報的最后是一個稱為工作計數(shù)器的16位計數(shù)器，它允許檢測錯誤，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)，向主站突出顯示錯誤以采取相應(yīng)措施行動。這為數(shù)據(jù)通信和從站操作提供了內(nèi)置診斷功能。在診斷級別，如果其中一個軸的從控制器沒有響應(yīng)其正確的值響應(yīng)，則工作計數(shù)器的示例將立即停止多軸電機運動控制器。另一個例子是從機中的時鐘同步失敗，導(dǎo)致整個過程中實時確定性行為的丟失。工作計數(shù)器還將指示一組從站的丟失，可能是由于網(wǎng)絡(luò)電纜故障或主要機器的電源故障。從機將始終在數(shù)據(jù)報中給出響應(yīng)，因此它們的丟失將使主機能夠標(biāo)記問題。

圖2：示例EtherCAT從機配置

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)計中。兩者都有相對優(yōu)點，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。

獨立EtherCAT從控制器的一個例子是Microchip的LAN9252。提供雙10/100以太網(wǎng)收發(fā)器，LAN喚醒和獨立數(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。它針對廣泛的電機運動控制，液壓和氣動閥門系統(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

并行接口提供對主機MCU/MPU總線以及可用GPIO和串行外設(shè)接口的訪問。這些可用于與主機一起實施機械診斷，但更有可能從主機進(jìn)行。 LAN9252還具有電纜診斷功能，具有兩種操作模式：時域反射計（TDR）和匹配電纜診斷。除了對故障的電纜長度估計之外，TDR模式還可以檢測TX或RX對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，請參見LAN9252數(shù)據(jù)表。

Microchip LAN9252-EVB-LAN9252-HBI提供全面的評估套件。請參見圖4.

圖4：Microchip LAN9252評估板

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

單芯片SoC EtherCAT從站的一個例子是英飛凌的XMC4800系列。采用ARM?Cortex?-M4，浮點單元，運行頻率高達(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)自動化和控制應(yīng)用。除EtherCAT功能外，還包含4和8通道PWM定時器，適用于電機控制應(yīng)用，如圖6所示。

圖6：采用XMC4800的英飛凌雙電機控制

XMC4800具有多種GPIO和串行外設(shè)功能，非常適合連接與受控機械相關(guān)的各種診斷傳感器。溫度傳感器，振動檢測器以及安全聯(lián)鎖和限位開關(guān)可輕松集成到終端設(shè)計中，以便提供對設(shè)備的監(jiān)控，確?？煽窟\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CPU的資源就可以增強IO功能。針對電機運動控制應(yīng)用，該器件集成了PWM和Step/Dir IO外設(shè)，無需通過主機MCU的固件進(jìn)行路由，因此可顯著減少數(shù)據(jù)報，從而控制延遲并適應(yīng)盡可能接近真實應(yīng)用的應(yīng)用 - 需要時間操作。通過添加一組可從MCU或EtherCAT主站訪問的綜合外設(shè)，8460包含一個獨立模式，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模塊模式運行的TMC8460的原理圖，它可以降低軟件開銷并為主機MCU提供實時硬件支持。

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)控數(shù)據(jù)，可以近乎實時地響應(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操作的方法。

維持生產(chǎn)資產(chǎn)可靠運行的能力，以最短的停機時間，需要實時監(jiān)控整個制造過程各級設(shè)施。本文中提到的設(shè)備與相關(guān)傳感器一起為機器本身以及連接它們的EtherCAT網(wǎng)絡(luò)的所有方面提供了實現(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)和從站的運行情況。在更高層次上，診斷構(gòu)成維護(hù)，維修和運營（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)。機器對機器通信和物聯(lián)網(wǎng)的最初概念源于許多MRO功能的自動化，而今天的IIoT將有助于進(jìn)一步推動智能工廠計劃。