摘要
随着现代工业逐步地向工业4.0时代迈进，对自动化设备的性能要求也越来越高，传统的交流伺服系统由于其一些弊端，逐渐难以满足客户的需求，为了克服传统的脉冲型伺服带来的各种弊端，市面上很多伺服厂家正在积极研发现场总线型伺服驱动器。目前市面上零零总总已经出现了数十种较成熟的现场总线技术，其中EtherCAT现场总线以其优异的性能，开放式的通讯协议得到了世界上绝大部分伺服厂家的青睐。本文将以“EtherCAT现场总线技术在胶带高速分条机上的应用案例”来简单说明EtherCAT现场总线技术的发展现状以及在实际现场中的应用经验。
关键词
伟创总线型伺服、EtherCAT、超高速分条机
EtherCAT简介及发展现状
●EtherCAT现场总线的优点
通讯速度快：相比其他现场总线，EtherCAT现场总线采用以太网传输技术，在数据传输的速度上有显著地提升，达到了100Mbps的通讯速率，而且采用的是全双工传输方式，使数据传输效率得到了进一步提高。
支持的拓扑结构类型多：EtherCAT总线支持星型，总线型，树型等大多数总线拓扑结构，在布线上具有更大的灵活性，而且支持地址自动分配，无需设置IP地址。
分布式时钟功能：分布式时钟功能使得两个伺服轴间同步时间误差不超过1微秒，在伺服轴同步控制上起到了至关重要的作用。
安全性高：由于使用了TwinSAFE安全技术，现在可以使用EtherCAT安全协议，在同一网络上进行安全相关通讯和控制通讯，这样使得EtherCAT总线安全性可达到安全集成级别SIL3，在采取相关措施后甚至可达到SIL4。
●EtherCAT现场总线的发展现状
EtherCAT现场总线自从推出以来在世界上已经得到了非常广泛的应用，去年年底倍福公司进一步推出第二代EtherCAT现场总线技术-EtherCAT G。EtherCAT G采用千兆以太网通讯技术，将EtherCAT性能提升到了一个全新的高度。EtherCAT G不仅完全兼容上一代百兆EtherCAT技术，这使得客户在不修改主站参数的前提下进行可靠地通讯，而且也具有同样简单易用的优势。此外，EtherCAT G的分支控制器模式可以并行实现多个子网段的高效运行。在倍福公司推出EtherCAT G千兆级EtherCAT的时候，同时也提出了万兆级别EtherCAT 10G的设计构想，万兆级别的EtherCAT 10G具有更高的通讯速率（100Gbit/s），因此支持高密度数据密集型应用。
EtherCAT现场总线在超高速胶带分条机上的应用
●胶带的生产过程
封箱胶带不仅在我们日常生活中是必不可少的日用品，在工业生产中也具有十分广泛的用途，特别是在物流，包装等行业使用量十分巨大。胶带的制作从原材料到成品胶带要经过以下数十道复杂的工序：
封箱胶带生产工艺流程图
（1）添加原料：在胶带生产工艺流程当中首先要做的就是添加胶带原材料，比如：丙烯酸。
（2）乳化槽：然后将丙烯酸这种胶带原材料添加到乳化槽进行乳化。
（3）反应锅：丙烯酸加入到乳化槽里面进行乳化后，再将其放到反应锅里面进行加热。
（4）胶水：通过以上胶带生产工艺步骤后生产出胶水成品。
（5）涂布机：将刚制成的胶水放在薄膜进行上胶。
（6）半成品：通过这些胶带生产工艺就制成的胶带半成品—母卷。
（7）切管机：将刚刚制成的胶带母卷采用切管机进行切管工序。
（8）分条机：胶带母卷切管成功后采用分条机进行分条的胶带生产工艺。
（9）纸箱：母卷胶带经过分切后就成了我们平常使用的胶带卷，胶带卷还必须经过打包与装箱后，然后就成了我们平常使用的胶带了。
（10）胶带：将包装好的胶带放置仓库，这就是最后一道胶带生产工艺，这时才能将其称为胶带成品。
分条机主要是完成胶带生产工艺的最后一道工序，客户传统的方案是利用变频器与普通的脉冲型伺服来完成胶带分条过程中的张力控制，贴标等动作。传统的方案存在效率过低，精度较差等缺点，而且在胶带收放卷过程中会产生很大的静电，极易对伺服驱动器接收脉冲造成干扰，从而降低了产品的合格率。
针对客户旧方案的弊端，伟创应用开发团队通过讨论分析制定了一套全新的自动分条机解决方案，通过伟创AC200T张力专业变频器与SD700 EtherCAT总线型伺服的配合，完美解决了老方案效率低，抗干扰差等问题。
●高速分条机的硬件部分设计
胶带生产流程最后一步是利用分条机将生产的母卷胶带分割成成品胶带，本文案例中设计的高速分条机就是完成此步骤的自动化设备。整个控制系统可大概分为三部分进行单独设计，分别为：（1）机械手同步插补运动部分；（2）变频器张力控制部分；（3）贴标电子凸轮运动部分。
1） 机械手同步插补运动部分
为了解决旧方案效率低的问题，我们在新方案中加入了机械手来完成上下料的动作，使得生产效率提高近50%。机械手部分是由两个关节式机械手组成，通过四台伟创SD700 EtherCAT总线型伺服来驱动机械的关节运动，此部分控制的重难点是在运动过程中必须保证左右机械手运动的同步性，同步时间误差不得超过2微秒，而且单个机械手的两个关节的运动还必须有插补算法的参与，所以在保证插补轨迹的前提下还要保证两轴间的同步性就显得十分困难。伟创SD700 EtherCAT总线型伺服驱动器采用分布式时钟同步原理来进行位置环的控制，时间同步周期最短达到125微秒，两轴间的位置同步误差在1微秒左右，所以性能上完全能够满足工艺需求。
2）变频器张力控制部分
老旧方案使用的是普通变频器，由于在分条机运行过程中需要不断地启停，而张力的波动往往就发生在启停阶段，所以系统对于张力控制的要求十分严格，普通变频器的张力控制的精度太差，新方案中我们采取伟创最新款的AC200T张力专用变频器来完成系统的张力控制。伟创AC200-T张力控制专用变频器是专门为了张力控制严格的场所而设计的，即使在频繁启停的场所下对于张力控制的精度也能保证在1.5%波动范围内，而且还提供张力锥度控制，使得加工的产品更完美。
贴标运动部分
系统的贴标部分需要EtherCAT时钟同步功能，伟创SD700 EtherCAT总线型伺服驱动器采用分布式时钟同步算法，使得从轴跟随性更强。在贴标过程中能够完美的与主轴进行连动，完成贴标动作，通过测试得到贴标精度已经达到正负0.1mm。
机械手位置控制部分算法简介
整个系统中较为复杂的部分是机械手部分，由于机械手部分的设计并非采取传统的XYZ直角坐标机械手设计，而是采取双关节式机械手设计，所以对于机械手末端位置的坐标需要利用正反解算法来确定，由于整个系统程序过于庞大，所以在这里笔者只分享下双关节机械手的正解算法以及怎样控制机械手以插补运动的方式运行到指定位置。
由（θ，α）
由：
由上式可解的：
以下为机械手控制的部分算法程序：
现场照片
结束语
通过换用伟创的总线型伺服与张力控制变频器，使得客户设备的性能得到了极大的提升，无论是设备的生产效率还是精度方面在行业内都是较领先的水平。
伟创电气一直致力于研发更具优势的总线型伺服驱动器，目前已经成功研发包括CANopen，EtherCAT，M-II等多种高性能的总线型伺服驱动器，并且已经在市场上得到了大量的实际应用，经过实践的检验，伟创总线型伺服驱动器无论是在性能还是在稳定性方面都已经达到了一个新的高度。
