新型XFC技术与EtherCAT电子端模块的特征及应用

随着各领域经济高速发展，带来的是产品必须是高质量高精度，从而对生产过程的控制技术提出了新的要求，也就是说要具有能全方位提升控制性能的新型技术及其构建控制系统所特有的组件。为此本文以将对其作分析研讨。应该说当今己有这方的方面的技术与产品问世，值此以XFC技术与基于动态以太网的EtherCAT电子端子模块为例作说明。首先应了解什么是XFC技术。  

1、全方位提升控制性能的XFC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。  

过去，控制周期时间一般都在10-20m5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1-2m5，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则可以便响应时间再缩减10倍，即周期时间达到100μs ，而不会对中央智能化和相关的高性能算法产任何影响。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。  

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。  

XFC基于高效的控制和通讯架构，包括高性能工业PC，带有实时特性的超高速I／0端子模块，EtherCAT高速工业以太网系统和TwinCAT自动化软件。采用XFC技术，可以实现I／0响应时间≤100μs。而I／0响应时间包括所有硬件的处理时间(工业PC，EcherCAT和I／0系 统)，涵盖厂从物理输入触发到输出响应的整个过程，见图1所示。  


  
图1为集成XFC技术的EtherCAT端子模块所构建的I/O控制系统。XFC技术能实现小于100μs抖动的I／0响应时间，因此，PLC编程人员可以轻松实现以前只有伺服控制器在配备数字信号处理器的条件下才有可能达到的控制性能。  

1.1基本架构-能优化控制和通讯架构并实现最佳性能  

TwinCAT-品质超群的实时控制软件：MicrosoftWindows环境下实现实时性，周期时间最小50μs；实时任务支持标准的IEC(61131-3编程规范；兼容Windows"TwinCAT的标准特性。  

EtherCAT-极快的控制通讯技术：30μs 内可处理1000个分布式数字量I／0；基于分布时钟的高级实时特性,即同步性、时间戳、超采样；EtherCAT通讯直达每一个I／0端子模块，无需子网支持；优化标准以太网控制器，如Intel@PC芯片架构。  

EtherCAT端子模块，极快的I／0技术：为所有信号类型提供完整的I／0产品线；高速数字量、模拟量I／0；时间戳和超采样特性实现极高的时间分辨率(10ns)。  

工业PC—极快的主控CPU；基于高性能实时主板的工业PC；结构紧凑是优化控制应用的要素。  

1.2 XFC的性能指标：  

极短的控制周期时间：100μs (最小50μs)；全方位提升PLC应用的性能：100μs的控制环；  

极快的I／0响应时间：85μs(最小约50μs)；时间确定的同步输入和输出信号转换,仅有细小的处理时间抖动；处理时间抖动独立于通讯和CPU抖动；全方位提升PLC应用的性能,即100μs 的控制环。  

超采样信号：单控制周期实现多次信号转换；通过分布时钟实现硬实时同步；适用于数字量输入／输出信号；适用于模拟量输入／输出信号；支持EtherCAT模拟量I／O端子模块,其信号转换频率最高可达200kHz而最高分辨率可达5μs ；应用上可在快速信号作监视，作快速函数发生器输出，其信号采样与周期时间无关，又作快速回路控制。  

时间戳信号(分辨率10ns)：数字信号单次事件触发的瞬时测量；分辨率10ns，精度分布时钟：CPU、I／0和驱动设备的分布式绝对系统时间同步；分辨率为10ns；

2、XFC技术特征  

分布时钟，使I／0实现精确同步在一个普通的离散式控制环中，输入组件在某个特定的时间获取实际数据，并通过通讯组件将结果传输到控制系统。控制组件计算响应，输出组件将结果发送给设置值输出模块，并发布给被控制系统处理。  

控制过程的关键要素是：响应时间最小，实际数据获取的时间确定(即，必须尽可能地精确计算时间)，以及相应时间确定的设定值输出。从时域上看，通讯和计算同时发生，互不相关。只要结果在输出单元中有效，并可以持续到下一次输出即可，即要求I／0组件具备时间精确度，而不是要求通讯或者运算单元具备时间精确度。  

因此，EtherCAT分布时钟代表基本的XFC技术，同时也是EtherCAT通讯的一个通用组件。所有的EtherCAT设备都配备自身的本地时钟，并通过EtherCAT通讯自动连续地与其他所有的时钟保持同步。通讯运行时间偏差可以得到补偿，因此，通常情况下，所有时钟之间的最大偏差都小于100ns。而且，分布时钟的当前时间也被作为系统时间，因为它可以始终跨越整个系统而被使用。
  
时间戳数据类型  

通常，过程数据以其各自的数据格式传输(例如，一个数字量值用一个位表示，一个模拟量值用一个字表示)。因此，当记录被传输时，过程记录的时间相关性在通讯周期中是固定的。它表明时间分辨率和精度也会受通讯周期的限制。  

时间戳数据类型除用户数据之外还包含一个时间戳。该时间戳-一般采用普遍存在的系统时间表示一能够为过程记录提供值得关注的高精度时间信息。时间戳可以用于输入(例如，识别一个已发生事件的时间)和输出(例如，计时一个响应)。  

超采样数据类型  

何谓超采样？通常，过程数据在每一个通讯周期中被准确地传递一次。与此相反，一个过程记录的时间分辨率直接取决于通讯周期时间。只有通过缩短周期时间，才有可能获得更高的时间分辨率，但周期时间又往往受到相关的实际条件限制。而超采样数据类型能够实现在一个通讯周期内对一个过程记录以及对包含在一个数组中随后产生的(输入)或之前已产生的(输出)的所有传输的数据进行多次采样，超采样系数描述了在一个通讯周期中采样的次数，因此是1的倍数。即使是在一般的通讯周期时间条件下，也可以轻松地达到200kHz的采样率，见图2所示为超采样数据类型特性曲线。