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              進博會專題
              現場儀表

              精準測量!虹科EtherCAT編碼器為運動控制保駕護航

                2022年09月28日  

              EtherCAT總線協議

              1、EtherCAT系統組成

              EtherCAT(以太網控制自動化技術)是一個以太網為基礎的開放架構的現場總線系統,由一個主站設備和多個從站設備組成。主站設備使用標準的以太網控制器,具有良好的兼容性,任何具有網絡接口卡的計算機和具有以太網控制的嵌入式設備都可以作為EtherCAT的主站。

              對于PC計算機而言,主站控制器可采用EtherCAT Master協議棧開發。EtherCAT從站使用專門的從站控制器(ESC),如專用集成芯片ET1100和ET1200,或者是利用FPGA集成EtherCAT通信功能的的IP-Core。EtherCAT物理層使用標準的以太網物理層器件,如傳輸介質通常使用100BASE-TX規范的5類UTP線纜。

              2、EtherCAT運行原理

              實時工業以太網EtherCAT充分利用了以太網技術的全雙工傳輸特性。使用主從模式進行訪問控制,主站把數據幀發送給各個從站,每個從站從數據幀中讀取自己的數據或把需要輸入的數據插入數據幀中。

              從以太網的角度來看,一個EtherCAT網段就是一個以太網設備,它接收和發送標準的ISO/IEEE 802-3以太網數據幀。但是,這種以太網設備并不局限于一個以太網控制器及響應的微處理器,它可以由多個EtherCAT從站組成。這些從站可以直接處理接收的報文,并從報文中提取或者插入相關的用戶數據,然后將該報文傳輸到下一個EtherCAT從站。最后一個EtherCAT從站發回經過完全處理的報文,并由第一個從站作為響應報文將其發送給控制單元。

              EtherCAT從站設備在報文經過其節點時讀取相應的編址數據,同樣,輸入數據也是在報文經過時插入至報文中,如下圖所示。這種傳輸方式能夠在一個周期內實現數據通訊,還改善了帶寬利用率,最大有效數據利用率達90%以上。整個過程中,報文只有幾納秒的時間延遲。

              圖1 過程數據插入至報文中

              3、EtherCAT總線拓撲

              EtherCAT支持多種拓撲結構:線形、樹形、菊花鏈形等等。從物理鏈接層面上來看,基本的線型、樹型、星型、菊花鏈型等拓撲以及多種拓撲結構的組合都可以用于 EtherCAT 網絡。同時其拓撲結構不受級聯交換機或集線器數量的限制,從而大大提高了不同場合布線的靈活性。從數據通信角度來講,最有效的網絡連接方式是線型、樹型結構以及這兩種結構的復合拓撲。因為很多設備中和 I/O 模塊都已存在所需接口,所以無需附加交換機。

              由于EtherCAT基于傳統以太網,因此可以使用標準以太網電纜或光纜進行連接,使用100Base-TX電纜時,每個站之間距離可達100米,整個網絡最多可以連接65535個設備。不僅如此,EtherCAT還支持熱連接、熱插拔、冗余、安全等功能。

              虹科HK-MK5-5002編碼器

              1、編碼器概述

              編碼器是將信號或數據進行編制、轉換為可用以通訊、傳輸和存儲的信號形式的設備。編碼器把角位移或直線位移轉換成電信號,前者稱為碼盤,后者稱為碼尺。按照讀出方式編碼器可以分為接觸式和非接觸式兩種;按照工作原理編碼器可分為增量式和絕對式兩類。增量式編碼器是將位移轉換成周期性的電信號,再把這個電信號轉變成計數脈沖,用脈沖的個數表示位移的大小。絕對式編碼器的每一個位置對應一個確定的數字碼,因此它的示值只與測量的起始和終止位置有關,而與測量的中間過程無關。

              在實際應用中,EtherCAT編碼器可以將設備的原始信號轉換成EtherCAT通信信號,使得控制系統能夠利用EtherCAT協議在提供納秒級精確的同步、靈活的拓撲等方面的優勢,進而能夠以較低的成本實現精確可靠的控制。

              2、虹科HK-MK5-5002模塊

              虹科HK-MK5-5002 編碼器模塊是一個用于 RS422 差分形式輸出的增量編碼器采集模塊。帶有32 位正交解碼計數器,以及零脈沖、鎖存信號的鎖存器可讀取鎖存位置,并把計數與鎖存結果通過總線通信傳遞給控制器,從而實現分布式的編碼器采集。

              該模塊采用4 倍頻對所有輸入信號的邊沿進行采樣和計算,可以進一步提高分辨率和采集精度。

              HK- MK5-5002的輸入通道與輸出通道,EtherCAT通信接口以及電源接口,都擁有對應的LED指示燈,用于快速觀察和診斷信號與指令狀態。

              3、主要特性

              虹科HK-MK5-5002 編碼器模塊關鍵參數:

              ● 額定電源電壓/V:24(-15%+20%);;

              ● 編碼器輸入:增量型編碼器(A/B);

              ● 通道數:2路(EA+EB+EZ);

              ● 輸入類型:差分;

              ● 信號電壓/V:0~+5;

              ● 脈沖計數倍率:4倍/2倍(默認4倍);

              ● 脈沖計數范圍:-2147483648 +2147483648;

              ● 計數方向反向:支持;

              ● 硬件濾波:支持0-15(默認8);

              ● 電氣隔離:500V;

              ● 防護等級:IP30;

              HK-MK5-5002供電電源輸入為通信系統供電或現場設備端供電,并帶有電氣隔離,其堅固的金屬外殼能夠提供出色的電磁屏蔽和散熱性能,IP30防護等級,確保在苛刻的工業生產環境中也能穩定使用,十分安全可靠。

              虹科HK-MK5-5002模塊現場實施

              1、設備安裝

              該模塊采用緊湊的尺寸設計,可使用35mm DIN導軌直接安裝在機器設備中。

              2、連接電源

              模塊供電設計為Us、Up兩部分,分別對應通信系統與現場負載電源,分開供電可有效保證通訊系統不受現場側供電的影響。Us用于模塊通訊系統供電,Up用于現場設備側供電,用戶使用時,可采用2路相互隔離的電源轉換器分別為Us、Up進行供電。當HK-MK5系列編碼器模塊的現場輸入輸出信號部分電路產生異常情況(如電源異常、負載短路、浪涌)時,能夠保護通信部分電路能夠不受影響,以及防止現場干擾信號影響到通信電路。

              3、應用示例

              使用HK-MK5-5002通道1采集編碼器數值:

              ● 編碼器A/B/Z差分信號分別接入HK-MK5-5002模塊通道1對應的端子;

              ● 編碼器電源線分別接入HK-MK5-5002模塊的5V和0V對應的端子;

              ● 插入網線,連接主站,并給HK-MK5-5002模塊上電;

              ● 主站掃出從站模塊HK-MK5-5002,進入OP狀態;

              ● 轉動編碼器,可以觀察到PDO(6000:08-Counter value)的值隨著編碼器的轉動而變化,默認4倍頻計數;

              ● 若編碼器轉動方向與計數方向相反,可通過設置對象字典0x8000.3(Enable direction inversion)為1,使能反向計數功能。如需通過CoE設置參數,需要先將從站狀態機切換至Pre-OP,設置完畢后,需要通過對象字典F003.01(Save Current Paremeters),賦值0x1234,保存當前參數,掉電不丟失,最后將從站狀態機OP狀態。

              典型應用

              1、包裝行業

              HK-MK5-5002編碼器具有安全、快速、多功能和緊湊的特性,特別適合應用于包裝機械。在高效生產條件下的高產率是包裝行業現代化生產設備經濟運行的關鍵。影響生產經濟效益的關鍵因素有:通過加快各個過程來提高工廠性能,優化生產訂單控制,減少停機時間。

              2、風電行業

              準確的位置和速度信息是風電機組控制回路的重要測量變量。HK-MK5-5002編碼器可提供更高的分辨率,并通過數字信號處理和主動校正信號錯誤來實現高控制質量。靈活的編碼器系統是真正的全能者,它們提供有關位置、速度和加速度的信息,可直接集成到狀態監測系統中,或通過附加輸出集成到系統的安全監測中。

              3、壓力機調模

              壓力機滑塊的裝模高度是通過調節連桿的長度來實現的?;瑝K裝模高度調節方法有兩種:手動調節方式與自動調節方式。

              ● 手動調節是使用工具旋轉調節螺桿來改變裝模高度;自動調節方式是通過調模電機的正轉或反轉進行調節。一般小型壓力機采用手動調節方式,而中大型壓力機尤其是大型閉式壓力機的裝模高度調節量往往很大,手動調節很不方便,需要自動調節。

              ● 所謂自動調節,就是設定目標模高值,控制調模電機正轉或反轉帶動滑塊上升或下降,通過實時讀取編碼器的值監測裝模高度的位置,當到達目標模高值時,自動調節完成。

              HK-MK5-5002 EtherCAT 接口高分辨率增量型編碼器具備智能診斷功能與高速數據傳輸功能,可實現工業自動化應用中的位置與速度的高精度測量。其強大的工作溫度、工作時間等參數的診斷與錯誤及早檢測功能,極大地提升了網絡的穩定性;使用編碼器測量滑塊裝模高度,通過PLC讀取其值或寫入數值,經過處理后獲得滑塊裝模高度的當前值,從而控制調模電機啟停實現滑塊自動調節的功能。

              4、物料搬運

              HK-MK5-5002編碼器可以為自動物料搬運車,也稱自動導引車(AGV)提供速度檢測和精準的轉向角監測,可實現良好的行駛速度和井然有序的貨物存儲和檢索。不同負載的貨物和材料被運送到規定的地點,堆放并放入倉庫或移走。只有當自動導引車被精確引導時,物流中心才會更有效率。傳感器在這里起著至關重要的作用。

              總結

              隨著智能制造2025的不斷推進,社會對工業自動化需求的不斷增加,從工廠自動化到移動機械的控制系統應用日益廣泛。這一運動控制應用需要準確、實時地掌握機械設備物理位置信息。編碼器,作為將信號(如比特流)或數據進行編制、轉換為可用于通訊、傳輸和存儲的信號形式設備,成為業自動控制中重要的反饋環節執行元件。

              實時工業以太網EtherCAT憑借著高性能、低成本、應用簡易等優點在現代控制領域得到了迅速的發展,適用于自動化包裝、物流倉儲、機械工程、光電等多個領域。

              虹科活動預告

              虹科是一家在工業自動化領域,特別是工業總線通訊行業經驗超過15年的高科技公司。虹科智能自動化事業部與歐洲和美國的世界知名工業自動化、能源管理與樓宇自動化專家展開深度合作,提供業內頂尖水平的通信協議的軟硬件解決方案,通信技術類型涉及工業自動化通訊協議【CAN、CANopen、EtherCAT、Profinet、Ethernet/IP、IO-Link、OPC UA、MQTT、TSN】等,能源管理與樓宇自動化通訊協議【ASCII、BACnet、KNX、Modbus】等,解決方案包含:代碼、芯片/模塊、板卡、網關、IO、工控機、繼電器、測試方案、培訓和開發服務等。因此,虹科是國內為數極少的在OT領域深耕多年并技術經驗全面的供應商。

              為加速構建萬物接入自動化網絡的智能化未來,實現多系統協調聯動和能源高效管理,虹科將于10月24日~10月28日圍繞“能源管理與自動化”主題開設一系列免費直播課程,干貨滿滿,不容錯過!

              (來源:虹科供稿)

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