XFC技術(shù)特征與組件的應(yīng)用研究

隨著各領(lǐng)域經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，帶來的是產(chǎn)品必須是高質(zhì)量高精度，從而對生產(chǎn)過程的控制技術(shù)提出了新的要求，也就是說要具有能全方位提升控制性能的新型技術(shù)及其構(gòu)建控制系統(tǒng)所特有的組件。為此本文以將對其作分析研討。應(yīng)該說當(dāng)今己有這方的方面的技術(shù)與產(chǎn)品問世，值此以XFC技術(shù)與基于動(dòng)態(tài)以太網(wǎng)的EtherCAT電子端子模塊為例作說明。首先應(yīng)了解什么是XFC技術(shù)。

1、全方位提升控制性能的XFC技術(shù)

XFC代表著一種速度極快且時(shí)間確定性極高的控制技術(shù)。它包括控制領(lǐng)域所涉及的所有硬件和軟件組件：優(yōu)化的輸入輸出組件，可高精度檢測信號或使任務(wù)初始化；超高速EtherCAT通訊網(wǎng)絡(luò)；高性能工業(yè)PC；整合所有系統(tǒng)組件的TwinCAT自動(dòng)化軟件。

過去，控制周期時(shí)間一般都在10-20m5左右，但通訊接口無約束地運(yùn)行，其確定性誤差會影響與之相關(guān)聯(lián)的過程信號響應(yīng)。隨著高性能工業(yè)PC控制器的實(shí)用性技術(shù)迅猛發(fā)展，周期時(shí)間可降至1-2m5，幾乎縮減了10倍。因此，很多特殊的控制回路被轉(zhuǎn)移到中央設(shè)備控制器中處理，既節(jié)省了成本，同時(shí)也極大地提高了智能化算法應(yīng)用的靈活性。

XFC則可以便響應(yīng)時(shí)間再縮減10倍，即周期時(shí)間達(dá)到100μs ，而不會對中央智能化和相關(guān)的高性能算法產(chǎn)任何影響。此外，XFC技術(shù)不僅可以縮短周期時(shí)間，而且還可以提高時(shí)間精度和分辨率。用戶完全可以從提高設(shè)備品質(zhì)及縮小響應(yīng)時(shí)間的全新選擇中獲益。例如，預(yù)防性維護(hù)測試任務(wù)，空閑時(shí)間監(jiān)視或部件質(zhì)量文件歸檔等功能都可被輕松地集成到設(shè)備控制中去，而無需再附加昂貴的專用設(shè)備。

XFC技術(shù)不僅完全兼容已有的解決方案，而且還可以在相同的硬件和軟件中與已有的解決方案同時(shí)使用。

XFC基于高效的控制和通訊架構(gòu)，包括高性能工業(yè)PC，帶有實(shí)時(shí)特性的超高速I／0端子模塊，EtherCAT高速工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)和TwinCAT自動(dòng)化軟件。采用XFC技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)I／0響應(yīng)時(shí)間≤100μs。而I／0響應(yīng)時(shí)間包括所有硬件的處理時(shí)間（工業(yè)PC，EcherCAT和I／0系 統(tǒng)），涵蓋廠從物理輸入觸發(fā)到輸出響應(yīng)的整個(gè)過程，見圖1所示。

圖1為集成XFC技術(shù)的EtherCAT端子模塊所構(gòu)建的I/O控制系統(tǒng)。XFC技術(shù)能實(shí)現(xiàn)小于100μs抖動(dòng)的I／0響應(yīng)時(shí)間，因此，PLC編程人員可以輕松實(shí)現(xiàn)以前只有伺服控制器在配備數(shù)字信號處理器的條件下才有可能達(dá)到的控制性能。

1.1基本架構(gòu)-能優(yōu)化控制和通訊架構(gòu)并實(shí)現(xiàn)最佳性能

TwinCAT-品質(zhì)超群的實(shí)時(shí)控制軟件：MicrosoftWindows環(huán)境下實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)性，周期時(shí)間最小50μs；實(shí)時(shí)任務(wù)支持標(biāo)準(zhǔn)的IEC（61131-3編程規(guī)范；兼容Windows“TwinCAT的標(biāo)準(zhǔn)特性。

EtherCAT-極快的控制通訊技術(shù)：30μs 內(nèi)可處理1000個(gè)分布式數(shù)字量I／0；基于分布時(shí)鐘的高級實(shí)時(shí)特性，即同步性、時(shí)間戳、超采樣；EtherCAT通訊直達(dá)每一個(gè)I／0端子模塊，無需子網(wǎng)支持；優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)控制器，如Intel@PC芯片架構(gòu)。

EtherCAT端子模塊，極快的I／0技術(shù)：為所有信號類型提供完整的I／0產(chǎn)品線；高速數(shù)字量、模擬量I／0；時(shí)間戳和超采樣特性實(shí)現(xiàn)極高的時(shí)間分辨率（10ns）。

工業(yè)PC—極快的主控CPU；基于高性能實(shí)時(shí)主板的工業(yè)PC；結(jié)構(gòu)緊湊是優(yōu)化控制應(yīng)用的要素。

1.2 XFC的性能指標(biāo)：

極短的控制周期時(shí)間：100μs （最小50μs）；全方位提升PLC應(yīng)用的性能：100μs的控制環(huán)；

極快的I／0響應(yīng)時(shí)間：85μs（最小約50μs）；時(shí)間確定的同步輸入和輸出信號轉(zhuǎn)換，僅有細(xì)小的處理時(shí)間抖動(dòng)；處理時(shí)間抖動(dòng)獨(dú)立于通訊和CPU抖動(dòng)；全方位提升PLC應(yīng)用的性能，即100μs 的控制環(huán)。

超采樣信號：單控制周期實(shí)現(xiàn)多次信號轉(zhuǎn)換；通過分布時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)硬實(shí)時(shí)同步；適用于數(shù)字量輸入／輸出信號；適用于模擬量輸入／輸出信號；支持EtherCAT模擬量I／O端子模塊，其信號轉(zhuǎn)換頻率最高可達(dá)200kHz而最高分辨率可達(dá)5μs ；應(yīng)用上可在快速信號作監(jiān)視，作快速函數(shù)發(fā)生器輸出，其信號采樣與周期時(shí)間無關(guān)，又作快速回路控制。

時(shí)間戳信號（分辨率10ns）：數(shù)字信號單次事件觸發(fā)的瞬時(shí)測量；分辨率10ns，精度分布時(shí)鐘：CPU、I／0和驅(qū)動(dòng)設(shè)備的分布式絕對系統(tǒng)時(shí)間同步；分辨率為10ns；

2、XFC技術(shù)特征

分布時(shí)鐘，使I／0實(shí)現(xiàn)精確同步在一個(gè)普通的離散式控制環(huán)中，輸入組件在某個(gè)特定的時(shí)間獲取實(shí)際數(shù)據(jù)，并通過通訊組件將結(jié)果傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)?？刂平M件計(jì)算響應(yīng)，輸出組件將結(jié)果發(fā)送給設(shè)置值輸出模塊，并發(fā)布給被控制系統(tǒng)處理。

控制過程的關(guān)鍵要素是：響應(yīng)時(shí)間最小，實(shí)際數(shù)據(jù)獲取的時(shí)間確定（即，必須盡可能地精確計(jì)算時(shí)間），以及相應(yīng)時(shí)間確定的設(shè)定值輸出。從時(shí)域上看，通訊和計(jì)算同時(shí)發(fā)生，互不相關(guān)。只要結(jié)果在輸出單元中有效，并可以持續(xù)到下一次輸出即可，即要求I／0組件具備時(shí)間精確度，而不是要求通訊或者運(yùn)算單元具備時(shí)間精確度。

因此，EtherCAT分布時(shí)鐘代表基本的XFC技術(shù)，同時(shí)也是EtherCAT通訊的一個(gè)通用組件。所有的EtherCAT設(shè)備都配備自身的本地時(shí)鐘，并通過EtherCAT通訊自動(dòng)連續(xù)地與其他所有的時(shí)鐘保持同步。通訊運(yùn)行時(shí)間偏差可以得到補(bǔ)償，因此，通常情況下，所有時(shí)鐘之間的最大偏差都小于100ns。而且，分布時(shí)鐘的當(dāng)前時(shí)間也被作為系統(tǒng)時(shí)間，因?yàn)樗梢允冀K跨越整個(gè)系統(tǒng)而被使用。

時(shí)間戳數(shù)據(jù)類型

通常，過程數(shù)據(jù)以其各自的數(shù)據(jù)格式傳輸（例如，一個(gè)數(shù)字量值用一個(gè)位表示，一個(gè)模擬量值用一個(gè)字表示）。因此，當(dāng)記錄被傳輸時(shí)，過程記錄的時(shí)間相關(guān)性在通訊周期中是固定的。它表明時(shí)間分辨率和精度也會受通訊周期的限制。

時(shí)間戳數(shù)據(jù)類型除用戶數(shù)據(jù)之外還包含一個(gè)時(shí)間戳。該時(shí)間戳-一般采用普遍存在的系統(tǒng)時(shí)間表示一能夠?yàn)檫^程記錄提供值得關(guān)注的高精度時(shí)間信息。時(shí)間戳可以用于輸入（例如，識別一個(gè)已發(fā)生事件的時(shí)間）和輸出（例如，計(jì)時(shí)一個(gè)響應(yīng)）。

超采樣數(shù)據(jù)類型

何謂超采樣？通常，過程數(shù)據(jù)在每一個(gè)通訊周期中被準(zhǔn)確地傳遞一次。與此相反，一個(gè)過程記錄的時(shí)間分辨率直接取決于通訊周期時(shí)間。只有通過縮短周期時(shí)間，才有可能獲得更高的時(shí)間分辨率，但周期時(shí)間又往往受到相關(guān)的實(shí)際條件限制。而超采樣數(shù)據(jù)類型能夠?qū)崿F(xiàn)在一個(gè)通訊周期內(nèi)對一個(gè)過程記錄以及對包含在一個(gè)數(shù)組中隨后產(chǎn)生的（輸入）或之前已產(chǎn)生的（輸出）的所有傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行多次采樣，超采樣系數(shù)描述了在一個(gè)通訊周期中采樣的次數(shù)，因此是1的倍數(shù)。即使是在一般的通訊周期時(shí)間條件下，也可以輕松地達(dá)到200kHz的采樣率，見圖2所示為超采樣數(shù)據(jù)類型特性曲線。

圖2為超采樣數(shù)據(jù)類型特性曲線

I／0組件中的采樣觸發(fā)受本地時(shí)鐘控制（或受全局系統(tǒng)時(shí)鐘控制），因此，它可以使跨越整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的分布信號之間的時(shí)間關(guān)系得以關(guān)聯(lián)。

極短的周期時(shí)間可優(yōu)化的I／O通訊快速的物理響應(yīng)要求相關(guān)聯(lián)的控制系統(tǒng)具備相應(yīng)的較短控制周期。只有當(dāng)控制系統(tǒng)已經(jīng)檢測并處理一個(gè)事件時(shí)，才會產(chǎn)生一個(gè)響應(yīng)。

傳統(tǒng)的方法要達(dá)到100 μs的周期時(shí)間，需要依賴專用的、獨(dú)立的控制器，這些控制器必須擁有直接控制的I／0。這種方法有明顯的缺陷，因?yàn)檫@些獨(dú)立的控制器對系統(tǒng)總體而言只包含了極其有限的信息，而且也不能制定更高層次的決策。此外，參數(shù)重整定（例如加工新工件）也受到限制。另一個(gè)明顯的缺陷是固定的I／0配置，一般情況下，不能對其進(jìn)行擴(kuò)展。

3、實(shí)現(xiàn)XFC技術(shù)的組件

I／0組件-集成XFC技術(shù)的EtherCAT端子模塊。標(biāo)準(zhǔn)的EtherCAT端子模塊（見圖3a所示）全方位地支持XFC技術(shù)。所有的端子模塊都支持I／0轉(zhuǎn)換同步通訊，以及已成為EtherCAT技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的、精度更高的分布時(shí)鐘功能。

圖3（a） I／0組件-集成XFC技術(shù)的EtherCAT端子模塊

最新的XFC端子模塊還提供了額外的特殊功能，尤其適合高速或高精度的應(yīng)用場合：數(shù)字量EtherCAT端子模塊具有極短的開通／關(guān)斷時(shí)間特性；或模擬量端子模塊具有非常短的轉(zhuǎn)換時(shí)間;帶有時(shí)間戳功能的EtherCAT端子模塊可以精確鎖定某個(gè)數(shù)字量或者模擬量事件發(fā)生時(shí)的系統(tǒng)時(shí)間。數(shù)字量或者模擬量的值也可以在預(yù)定義的時(shí)間精確輸出;帶有超采樣功能的端子模塊可以使實(shí)際值獲取或設(shè)定值輸出的分辨率大大高于通訊周期時(shí)間。

圖3（b）

通訊組件-充分利用EtherCAT（見圖3b所示）

由于其擁有高速通訊和高數(shù)據(jù)利用率，EtherCAT為實(shí)現(xiàn)XFC提供了基本的前提條件。然而，網(wǎng)絡(luò)通訊速度并不能代表一切。作為一種選擇，可以使用總線方式交換幾個(gè)獨(dú)立排列的過程映像，并結(jié)合控制應(yīng)用類型的特點(diǎn)，同時(shí)應(yīng)用XFC和標(biāo)準(zhǔn)的控制技術(shù)。中央控制系統(tǒng)可以從復(fù)制和映射任務(wù)所耗費(fèi)的時(shí)間中解脫出來，從而將一切可以利用的計(jì)算能力用于控制算法。

EtherCAT分布時(shí)鐘構(gòu)成了XFC技術(shù)的高速時(shí)間鏈路，并已集成到所有的通訊設(shè)備中。

XFC技術(shù)至關(guān)重要的特點(diǎn)是可以選擇性地將所有的I／0組件都直接集成到EtherCAT通訊中，因此，無需任何下級總線系統(tǒng)（子網(wǎng)）。在很多XFC端子模塊內(nèi)部，數(shù)／模、模／數(shù)轉(zhuǎn)換器都是直接與EtherCAT芯片相連，因此避免了信號延遲。

控制組件-高性能工業(yè)PC

在要求運(yùn)行速度更快、控制算法更強(qiáng)的條件下，中央控制技術(shù)相對多個(gè)分布式的小型控制器而言具有明顯的優(yōu)勢?，F(xiàn)代工業(yè)PC所提供的計(jì)算和存儲能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于多個(gè)小型控制器之和，而前者的價(jià)格卻要便宜得多。

新一代創(chuàng)新技術(shù)的工業(yè)PC可以非常好地應(yīng)用于控制領(lǐng)域?？焖俚碾p核處理器可以十分理想地同時(shí)用于控制任務(wù)和設(shè)備的人機(jī)操作。而新一代CPU所具備的超大容量高速緩存對于XFC技術(shù)而言也是非常有利的，因?yàn)榭焖偎惴ㄕ窃诖司彺嬷羞\(yùn)行，從而使處理的速度更加快捷。

軟件組件-TwinCAT自動(dòng)化軟件包

TwinCAT是一款高性能的自動(dòng)化控制軟件，它在全面支持XFC技術(shù)的同時(shí)，還保留了所有的常用功能。TwinCAT實(shí)時(shí)核以不同的周期時(shí)間支持不同的任務(wù)。現(xiàn)代工業(yè)PC可以輕而易舉地使周期時(shí)間達(dá)到100μs，甚至更低，而不會出現(xiàn)任何問題。多個(gè)（不同的）現(xiàn)場總線可以被集成在一個(gè)主干網(wǎng)絡(luò)里混合使用，相關(guān)的配置和通訊周期也可以根據(jù)現(xiàn)場總線的性能得到優(yōu)化。在TwinCAT軟件環(huán)境中，EtherCAT可以充分利用通訊系統(tǒng)，并可以在應(yīng)用中使用多個(gè)獨(dú)立的時(shí)間等級，即分布時(shí)鐘。不同的時(shí)間等級可以使XFC和普通的控制任務(wù)共存于同一個(gè)系統(tǒng)之中，決不會因滿足XFC的需求而出現(xiàn)“瓶頸效應(yīng)”。

4、XFCEtherCAT端子模塊例舉型號與指標(biāo)

系統(tǒng)提供了200種以上各種不同的信號端子模塊。標(biāo)準(zhǔn)的EtherCAT端子模塊全面支持XFC技術(shù)。通訊過程中的I／O同步轉(zhuǎn)換，或精度更高的分布時(shí)鐘已成為EtherCAT的標(biāo)準(zhǔn)功能，因此，所有端子模塊都支持該項(xiàng)技術(shù)。最新研發(fā)的XFC端子模塊，其新增的專有特性非常適用于快速和高精度的應(yīng)用場合：

4.1 XFCEtherCAT超采樣端子模塊與特性

ELl262：2通道24VD仁數(shù)字量輸入；通過跨越系統(tǒng)的分布時(shí)鐘同步時(shí)間；抖動(dòng)最大轉(zhuǎn)換時(shí)間5μs。EL2262：2通道24VD正數(shù)字量輸出；通過跨越系統(tǒng)的分布時(shí)鐘同步時(shí)間；抖動(dòng)超采樣端子模塊采樣特性

使用EL2262超采樣數(shù)字量輸出端子模塊，輸出可以在10μs時(shí)間幀內(nèi)進(jìn)行開通與關(guān)斷切換，非常適合高精度應(yīng)用場合。其采樣特性見圖4（a）所示。

圖4（a）

ELl262超采樣數(shù)字量輸入端子模塊可提供僅相當(dāng)于總線周期時(shí)間十分之一的采樣率，因此，即使是很短暫的信號也能被精確記錄、測量或計(jì)數(shù)，其采樣特性見圖4（b）所示。

圖4（b）

4.2 XFCEtherCAT時(shí)間戳端子模塊與特性

ELl252：2通道24VDC數(shù)字量輸入；高精度邊沿信號采集；系統(tǒng)精度1μs；與EL2252配合使用，絕對同步響應(yīng)；EL2252：2通道24VDC數(shù)字量輸出；高精度邊沿信號采集；系統(tǒng)精度1μs；與ELl252配合使用，絕對同步響應(yīng)。

同步響應(yīng)通過時(shí)間戳輸入端子模塊和時(shí)間戳輸出端子模塊米實(shí)現(xiàn)；而在過去，總線系統(tǒng)很難實(shí)現(xiàn)小于1μs的同步精度。全新的XFC技術(shù)取代了傳統(tǒng)的硬件連線方式，其特性見圖4C。

圖4C

4.3 XFCEtherCAT快速I／0端子模塊與特性

ELl202：2通道24VDC數(shù)字量輸入；開通／關(guān)斷輸入延遲1μs；最小響應(yīng)時(shí)間幾乎無延遲；EL2202：2通道24VDC數(shù)字量輸出；開通／關(guān)斷輸入延遲1μs ；最小響應(yīng)時(shí)間幾乎無延遲KFC性能指標(biāo)。采用1202和EL2202XFC端子模塊，端子模塊的硬件延遲縮減至

圖4（d）

5、XFC技術(shù)與組件應(yīng)用

5.1 在高端注塑機(jī)設(shè)備上的應(yīng)用

高端注塑機(jī)設(shè)備對控制系統(tǒng)的性能要求非?？量獭／O組件、通訊系統(tǒng)、工業(yè)PC和控制軟件都將直接影響到整個(gè)控制過程的品質(zhì)和重復(fù)一致性，所以高端注塑機(jī)設(shè)備是XFC技術(shù)應(yīng)用的理想場所。正是因?yàn)榭吹搅薠FC技術(shù)的應(yīng)用潛力，率先將這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用到設(shè)備的控制系統(tǒng)中。在注模生產(chǎn)過程中，控制系統(tǒng)的任務(wù)首先是控制融膠被壓入模腔的速度，開始注射以后，模腔會產(chǎn)生一定的反壓力，此時(shí)要求控制系統(tǒng)快速切換壓力控制，并將其精確控制在一個(gè)定義值范圍之內(nèi)。為了確保注模效果的重復(fù)一致性，切換過程中壓力的波動(dòng)必須做到最小。為了完全注滿模腔，必須在—定時(shí)間內(nèi)保持壓力恒定，然后按預(yù)置的壓力曲線減小，見圖5所示。為了避免產(chǎn)品出現(xiàn)裂痕，壓力不宜過大，而壓力過小又會導(dǎo)致壁厚刁；均勻或者產(chǎn)生氣泡。

對注靶機(jī)來說，注模過程的控制越精確，產(chǎn)品的壁厚就能做到越薄。采用XFC技術(shù)以后，傳統(tǒng)的注塑機(jī)上為了避免氣泡而使用的“原料儲藏”就不再需要了。產(chǎn)品重量的波動(dòng)范圍體現(xiàn)了控制水平的高低：波動(dòng)范圍越小表明控制水平越高。

XFC能帶來什么好處？

通過最小化響應(yīng)時(shí)間和死區(qū)時(shí)間來達(dá)到優(yōu)化控制的過程本身是沒有止境的。除提高產(chǎn)品質(zhì)量之外，其目的是通過減小壁厚，從而節(jié)省原材料。單件產(chǎn)品重量僅僅減輕2克，就可使最終用戶顯著降低成本。

6.2 XFC技術(shù)與組件在其應(yīng)它領(lǐng)域應(yīng)用

其應(yīng)它領(lǐng)域應(yīng)用包括：印刷機(jī)定位控，制部件跟蹤，線性路徑控制，閉環(huán)控制，數(shù)字凸輪和粘合應(yīng)用等，這此控制系統(tǒng)全方位控制性能提升，以達(dá)到產(chǎn)品質(zhì)量大大提高之目的。

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