自200多年前產(chǎn)業(yè)革命肇興以來，人類社會(huì)中新技術(shù)、新發(fā)明層出不窮，不斷地改變著人類的生活方式。在經(jīng)歷3次工業(yè)革命之后，人類文明發(fā)展到歷史空前的高度。如今，隨著網(wǎng)絡(luò)與智能化的突飛猛進(jìn)，第四次工業(yè)革命又悄然而至。在這種背景下，美國(guó)等西方國(guó)家制造業(yè)回流的趨勢(shì)已經(jīng)顯現(xiàn)，制造業(yè)最為發(fā)達(dá)的德國(guó)也在推行所謂的“工業(yè)4.0”運(yùn)動(dòng)。作為制造業(yè)第一大國(guó)的中國(guó)，已經(jīng)感受到“工業(yè)4.0”帶來的挑戰(zhàn)。那么究竟什么是工業(yè)4.0呢？

“工業(yè)4.0”概念包含了由集中式控制向分散式增強(qiáng)型控制的基本模式轉(zhuǎn)變，目標(biāo)是建立一個(gè)高度靈活的個(gè)性化和數(shù)字化的產(chǎn)品與服務(wù)的生產(chǎn)模式。在這種模式中，傳統(tǒng)的行業(yè)界限將消失，并會(huì)產(chǎn)生各種新的活動(dòng)領(lǐng)域和合作形式。創(chuàng)造新價(jià)值的過程正在發(fā)生改變，產(chǎn)業(yè)鏈分工將被重組。

“工業(yè)4.0”旨在通過充分利用信息通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)空間虛擬系統(tǒng)相結(jié)合的手段，推進(jìn)信息技術(shù)與制造業(yè)深度融合，促使工業(yè)領(lǐng)域的設(shè)備、生產(chǎn)與系統(tǒng)以網(wǎng)絡(luò)化的形式向互聯(lián)網(wǎng)邁進(jìn)，將制造業(yè)向智能化轉(zhuǎn)型。“工業(yè)4.0”之所以備受矚目，就在于它形成一個(gè)智能網(wǎng)絡(luò)，使人與人、人與機(jī)器、機(jī)器與機(jī)器以及服務(wù)與服務(wù)之間能夠互聯(lián)互通，實(shí)現(xiàn)橫向、縱向的全價(jià)值鏈集成。生產(chǎn)的每一領(lǐng)域都被賦予了“智慧”。

在這些互聯(lián)互通的過程中，通訊協(xié)議處在了至關(guān)重要的位置上。在歷史上，曾經(jīng)出現(xiàn)了若干種現(xiàn)場(chǎng)通訊協(xié)議，但大多數(shù)協(xié)議存在一些固有問題，大大限制了現(xiàn)代工業(yè)對(duì)實(shí)時(shí)性，高動(dòng)態(tài)性的需求。

在現(xiàn)代自動(dòng)化生產(chǎn)中，Ethernet技術(shù)逐漸取代第一代現(xiàn)場(chǎng)總線已經(jīng)成為一種趨勢(shì)。因此，德國(guó)米銥公司將實(shí)時(shí)Ethernet技術(shù)集成到眾多位移傳感器和控制器中。不同于傳統(tǒng)總線系統(tǒng)，Ethernet通訊協(xié)議安裝更為簡(jiǎn)單快捷。

源于Ethernet更高的帶寬和實(shí)時(shí)通訊功能，采用這種技術(shù)的傳感器可以實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸，方便測(cè)量數(shù)據(jù)的讀取和分析，且允許隨時(shí)隨地對(duì)傳感器進(jìn)行設(shè)置。與傳統(tǒng)模擬量信號(hào)輸出不同，Ethernet通訊不受由于輸出電路接地不良，插頭電阻質(zhì)量問題帶來的噪音影響，源于其采用數(shù)字量數(shù)據(jù)傳輸，即使很長(zhǎng)的傳感器電纜也不會(huì)導(dǎo)致信號(hào)衰減。

此外，現(xiàn)代制造過程要求更加高速，更加自動(dòng)化。因此要求傳感器滿足更加快速和動(dòng)態(tài)的測(cè)量。作為高精密測(cè)量領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者，德國(guó)米銥公司正在致力于提供更多可以滿足未來工業(yè)需求的精密傳感器和測(cè)量系統(tǒng)。

近些年來，EtherCAT通訊協(xié)議已經(jīng)成為市場(chǎng)中的標(biāo)準(zhǔn)通訊協(xié)議，可以為自動(dòng)化生產(chǎn)提供更加可靠的實(shí)時(shí)性?；诖?，德國(guó)米銥公司已經(jīng)開發(fā)出了若干系列傳感器和測(cè)量系統(tǒng)，采用EtherCAT協(xié)議，使它們可以無縫集成到現(xiàn)有的控制系統(tǒng)和自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)內(nèi)什么是EtherCAT？

EtherCAT完全兼容Ethernet，是真正意義上開放的通訊標(biāo)準(zhǔn)。不僅如此，EtherCAT技術(shù)還克服了其他Ethernet協(xié)議通訊方式所固有的限制。Ethernet數(shù)據(jù)包不再需要在每次連接時(shí)，都完成接收，譯碼和復(fù)制的過程。替代這種傳統(tǒng)方式的Ethernet框架被稱為“飛速寫入”模式。最新開發(fā)出的FMMU(現(xiàn)場(chǎng)總線記憶管理)單元，被集成到每一個(gè)從屬節(jié)點(diǎn)中，讀取發(fā)送給它的數(shù)據(jù)。于此同時(shí)，電文不會(huì)停止，而是繼續(xù)傳送給下一個(gè)設(shè)備或傳感器。與此類似，輸入數(shù)據(jù)錄入的同時(shí)，電文會(huì)繼續(xù)傳輸。這意味著通訊僅會(huì)存在幾個(gè)納秒的延遲。

在主機(jī)端，可以采用經(jīng)濟(jì)型標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)接口卡(NIC)，或者任何便攜Ethernet控制器都可以作為硬件接口使用。這種接口可以滿足數(shù)據(jù)通過直接內(nèi)存訪問(DMA)方式傳輸?shù)絇C端。也就是說，網(wǎng)絡(luò)訪問不再占用CPU資源。

EtherCAT可以提供更高的網(wǎng)絡(luò)性能。源于從屬節(jié)點(diǎn)中的FMMU單元和主機(jī)中的直接內(nèi)存訪問技術(shù)，整個(gè)通訊過程都發(fā)生在硬件中，從而不受協(xié)議堆棧運(yùn)行時(shí)間，CPU性能和軟件運(yùn)行的限制。

在工業(yè)自動(dòng)化環(huán)境中，精確的同步功能至關(guān)重要。對(duì)于需要坐標(biāo)同步移動(dòng)和多傳感器測(cè)量時(shí)，同步功能更為重要。為了實(shí)現(xiàn)精確同步，就需要實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的時(shí)鐘校準(zhǔn)。完全同步通訊中，同步質(zhì)量會(huì)受到通訊錯(cuò)誤的直接影響。時(shí)鐘校準(zhǔn)必須考慮由于通訊系統(tǒng)錯(cuò)誤導(dǎo)致的延遲。

而使用EtherCAT協(xié)議通訊時(shí)，數(shù)據(jù)交換完全基于主機(jī)和從機(jī)硬件時(shí)鐘。每一個(gè)時(shí)鐘可以簡(jiǎn)單而精準(zhǔn)地決定其他時(shí)鐘的運(yùn)行時(shí)間偏移，原因是通訊過程使用了符合邏輯和全雙工的Ethernet環(huán)形物理結(jié)構(gòu)。分布式時(shí)鐘可以基于這種時(shí)間偏移被調(diào)節(jié)，這意味著整個(gè)通訊網(wǎng)絡(luò)可以基于遠(yuǎn)小于1微秒的時(shí)間節(jié)拍。

EtherCAT控制器

過去的很多年，德國(guó)米銥公司一直致力于為客戶提供具備主站從站同步功能的精密位移傳感器。此外，EtherCAT還能為客戶提供真正的實(shí)時(shí)測(cè)量，可以滿足高速處理和自動(dòng)化生產(chǎn)的需要。

所有德國(guó)米銥公司新推出的激光傳感器，光學(xué)傳感器和控制器都采用了EtherCAT通訊協(xié)議，可以被集成到現(xiàn)有的EtherCAT/Ethernet網(wǎng)絡(luò)中。例如，德國(guó)米銥公司推出的高性能，可靈活編程的通用型控制器CSP2008，可以對(duì)6通道輸入輸出信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理（頻率高達(dá)100kHz）。該控制器特別適合厚度，高度，圓度，平面度以及共面度測(cè)量，滿足多個(gè)位移傳感器的測(cè)量信號(hào)被同步和實(shí)時(shí)處理的要求。該控制器可以被用于處理最多六個(gè)通道的數(shù)字量或模擬量輸入信號(hào)，其中兩路內(nèi)部，四路外部信號(hào)，通過可插拔的EtherCAT模塊進(jìn)行收集。EtherCAT還可以被作為外部接口，用來連接更多傳感器和I/O模塊。

EtherCAT激光位移傳感器

激光位移傳感器也配有Ethernet接口，可以被接入到EtherCAT網(wǎng)絡(luò)中。舉例來講，德國(guó)米銥公司推出的optoNCDT2300系列激光位移傳感器是市場(chǎng)中處于領(lǐng)先地位的，獨(dú)立激光位移傳感器，不需要額外的控制器就可以提供高速測(cè)量，測(cè)量頻率高達(dá)50kHz，而分辨率可達(dá)到全量程的0.0015%。因此傳感器特別適合高速動(dòng)態(tài)測(cè)量任務(wù)，如振動(dòng)測(cè)量，不均勻以及快速變化表面的輪廓掃描。

目前市面上也存在很多激光位移傳感器聲稱可以達(dá)到類似的測(cè)量范圍和分辨率，但是optoNCDT2300是唯一一款可以實(shí)現(xiàn)50kHz測(cè)量頻率，且集成控制器的激光位移傳感器。與眾多市場(chǎng)上常見的傳感器不同，optoNCDT2300可以在不對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)平均的情況下，實(shí)現(xiàn)高測(cè)量速度和分辨率。

該系列傳感器還使用了德國(guó)米銥公司獨(dú)有的高級(jí)實(shí)時(shí)表面補(bǔ)光技術(shù)，適合對(duì)特殊被測(cè)表面進(jìn)行測(cè)量時(shí)，需要實(shí)時(shí)自動(dòng)補(bǔ)光的情況。