?????? 自 2010 年以來，庫卡一直采用 EtherCAT 技術(shù)作為所有庫卡機器人控制系統(tǒng)中的系統(tǒng)總線。最新的 KR AGILUS 機器人和 LBR iiwa 輕型機器人的緊湊型控制器也是在 EtherCAT 基礎(chǔ)上實施的。Beckhoff 基于工業(yè)以太網(wǎng)的 EtherCAT因而可以作為整個當前庫卡控制系統(tǒng)范圍內(nèi)的基礎(chǔ)技術(shù)集成。

?????? 1996 年，庫卡機器人有限公司成為第一家引進完全基于 Windows PC的機器人控制系統(tǒng)的機器人制造商。第一代控制系統(tǒng)的成功很大程度上可以歸因于使用了廣為辦公室用戶所熟悉和客戶接受的 Windows技術(shù)實現(xiàn)了直觀操作指導(dǎo)，以及 PC 技術(shù)的高性能。憑借消費品市場中的 IT 產(chǎn)品，能夠以較低的成本實現(xiàn)高創(chuàng)新能力和高性能。就新一代的庫卡機器人控制系統(tǒng)的設(shè)計而言，除了 Windows 和 PC — 即通過以太網(wǎng)實現(xiàn)的通用通信，還采用了 IT 領(lǐng)域里更加成熟的技術(shù)，這不得不說是一個巨大的進步。需要一個功能非常強大、高速、高確定性的總線系統(tǒng)來實現(xiàn)控制器內(nèi)的內(nèi)部通信。為此，自 2010 年以來，庫卡一直采用 EtherCAT 作為 KR C4 系列控制系統(tǒng)的系統(tǒng)總線，以確保高性能和開放性。

?????? 一個標準現(xiàn)場總線通常用于機器人控制系統(tǒng)在 I/O、蜂巢和設(shè)備層的外部通信，從而將機器人完全集成到自動化系統(tǒng)中。現(xiàn)場總線系統(tǒng)通常由客戶指定，而機器人控制系統(tǒng)則必須能夠與所選擇的技術(shù)連接。

?????? 然而，在一個機器人控制系統(tǒng)內(nèi)不同組件（如驅(qū)動器和位置編碼器）之間也需要進行復(fù)雜的數(shù)據(jù)傳輸，以便能夠?qū)嵤崟r性能要求較高的控制和調(diào)節(jié)任務(wù)。此外，內(nèi)部設(shè)備必須為安全技術(shù)和控制基礎(chǔ)設(shè)施進行信息交換，更不用說顯示和操作。為此在上一版本的 KR C4 機器人控制系統(tǒng)中要用到不同的通信技術(shù)，從而導(dǎo)致使用大量不同的插頭和電纜。

????? 在規(guī)劃目前這套庫卡控制系統(tǒng)時詳細考慮了這個問題，同時也考慮到當前以太網(wǎng)技術(shù)的能力能否以較高的數(shù)據(jù)傳輸速率滿足實時和安全性，所有這些都具有 IT 領(lǐng)域所熟悉特點。此外，以太網(wǎng)的優(yōu)點是不同的協(xié)議可以通過一根線傳輸，這將大大降低系統(tǒng)中使用的電纜數(shù)量。

????? 該項目開發(fā)的一個重要目標是使用盡可能少的數(shù)量的不同通信技術(shù)，實現(xiàn)與現(xiàn)場總線層的外部通信和內(nèi)部通信，以實現(xiàn)精益化設(shè)計。庫卡的目標是避免使用專有技術(shù)，而是能夠使用最廣為接受和開放的行業(yè)標準。此外，性能受限的硬件需要用智能軟件功能取代，而這之所以成為可能，是由于現(xiàn)代多核 PC 具有很高的計算能力。更少的硬件意味著可以延長 MTBF（平均無故障時間）以及降低開發(fā)成本、單價及物流成本。這些標準化使得所需的硬件組件的數(shù)量減少了 33％，使用的插頭連接器和電纜數(shù)量減少了 50％ 之多。

?????? 與現(xiàn)場層通信：軟件堆棧或網(wǎng)關(guān)？

????? 通過 PC 中業(yè)已存在的以太網(wǎng)設(shè)備，現(xiàn)場總線與基于以太網(wǎng)的現(xiàn)場總線（如 PROFINET 或 EtherNet/IP）的鏈接可以完全通過軟件實現(xiàn)，而不是使用更昂貴的專用硬件。因此，針對傳統(tǒng)現(xiàn)場總線（如 PROFIBUS或 DeviceNet）的接口不是通過在控制器上安裝插卡集成，而是通過I/O 系統(tǒng)中的 EtherCAT 通信網(wǎng)關(guān)集成。

????? 以太網(wǎng)和 EtherCAT 用于實現(xiàn)內(nèi)部通信以及與傳感器、執(zhí)行器和 I/O的通信

????? 所有內(nèi)部通信以及與下位 I/O 之間的通信都通過標準以太網(wǎng)或 EtherCAT實現(xiàn)。因此，KR C4 機器人控制系統(tǒng)的通用總線物理層（電纜、插頭和以太網(wǎng)控制器芯片）中僅使用了兩個不同但標準的通信協(xié)議。標準的以太網(wǎng)在內(nèi)部用于尋址庫卡手持控制器，用于連接和同步庫卡RoboTeam 組內(nèi)的多個機器人控制系統(tǒng)或連接一臺工程筆記本電腦。

除了標準的以太網(wǎng)之外，EtherCAT 通訊技術(shù)的使用是非常必要的，因為標準以太網(wǎng)技術(shù)已不能滿足實時性能力和支持工業(yè)安全協(xié)議的要求。EtherCAT 用作內(nèi)部驅(qū)動總線，用于控制和監(jiān)測機器人和位置編碼器的驅(qū)動器。此外，EtherCAT 還可用于控制針對機器人安全的或SmartPad 安全相關(guān)的操作元件的內(nèi)部安全組件。另外還為用戶集成了一個與傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線連接的 EtherCAT 主站接口，用于給本地 I/O 模塊或網(wǎng)關(guān)尋址。

????? 為什么選擇 EtherCAT？

???? 之所以選擇 EtherCAT 實時工業(yè)以太網(wǎng)和安全通信技術(shù)，主要是因為與其它實時以太網(wǎng)技術(shù)相比較，EtherCAT 具有一系列非常適合庫卡發(fā)展目標的優(yōu)點。例如，EtherCAT 在主站中無需特殊接口，只有在從站中才需要。在主站中，一個標準的以太網(wǎng)控制器就已足夠，在 KR C4 的PC 中使用了大量以太網(wǎng)控制器。所需的插頭和電纜也與標準以太網(wǎng)相同，從而降低成本并提高操作簡單性。

?????? 由于其特殊的“即時處理”技術(shù)，EtherCAT 能夠?qū)崿F(xiàn)非常高的數(shù)據(jù)傳輸率，可以充分利用 100 Mbits/s 最大可能的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)速率。這樣很多功能都能夠用軟件在主控 PC 上執(zhí)行，否則將不得不使用昂貴的專用硬件組件。

?????? EtherCAT 專用的安全協(xié)議 Safety over EtherCAT（FSoE）可以通過 EtherCAT和以太網(wǎng)進行通信。FSoE 使基于 PC 和中央 KR C4 的安全控制系統(tǒng)（同樣也完全用軟件執(zhí)行）控制所有安全相關(guān)的外圍設(shè)備，如針對機器人安全的本地安全模塊或 SmartPad 中安全相關(guān)的操作元件。除了 PROFINET 和 EtherNet/IP 現(xiàn)場總線之外，EtherCAT 是一種應(yīng)用范圍最為廣泛的基于以太網(wǎng)的工業(yè)通信技術(shù)，在全球擁有大量用戶。因此，可以使用市面上 EtherCAT 技術(shù)協(xié)會（ETG）成員提供的 EtherCAT從站設(shè)備。這使得無數(shù)基于 EtherCAT 的新型自動化解決方案能夠使用來自許多廠商的高性能設(shè)備。連續(xù)性也是選擇 EtherCAT 的一個重要原因，因為系統(tǒng)建成后，無需對標準、協(xié)議或 ASIC 進行“版本修改”。

作者：來自庫卡機器人有限公司的高級系統(tǒng)開發(fā)工程師 Bernd Fiebiger 和Heinrich Munz

創(chuàng)作挑戰(zhàn)賽新人創(chuàng)作獎勵來咯，堅持創(chuàng)作打卡瓜分現(xiàn)金大獎

總結(jié)

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