EtherCAT科普系列（18）：EtherCAT技术在智能传送带领域的应用

目前，工厂内物流主要通过叉车、传送带、自动引导小车（AGV）以及人力等方式实现。其中，传送带是目前最常用的物料搬运方式，可以实现物料连续搬运，效率高。

传送带是指一种利用电机带动皮带等牵引装置，依靠静摩擦牵引物品前进的搬运装置，如一般传送带、扶梯、索道等。这类传送带通过牵引装置间接带动所需搬运物品匀速直线前进，整个过程中牵引装置与被搬运物品基本相对静止。

高效的生产物流管理可以合理调控原材料供给，均衡设备负载，缓解供给和消耗矛盾，可以将碎片化的过程数据接入信息化系统，为决策提供依据，最大化提高经济效益。智能传送带可以实现物料在传送带的运动姿态可控，而这极大地增加传送带的灵活性，带来许多传统传送带无法实现的功能。

智能传送带突破传统传送带使用输送带进行整体牵引的物料传输方式，采用分布式模块化的驱动模块，通过多个驱动模块的同步配合，控制物料在智能传送带上任意轨迹运动从而满足生产过程中物料的搬运、分类、整理等需求，降低甚至消除人员依赖。Interact Analysis研究表明，全球智能输送技术市场2022年销售额已超过4亿美金（合人民币28亿元），2023年销售额超过30亿人民币。随着传统输送系统被取代，智能输送技术在新行业和应用中的采用率不断提高，其增长前景远超全球机械制造业的整体预期。

▲智能传送带驱动模块和整体示意图

控制的模块化必然对数据通信提出新的要求，传统电机控制一般采用模拟量接口和脉冲量接口，模拟量接口存在易受电磁干扰问题，脉冲量接口仅能单向通信、信息量低，且随驱动模块的增加，布线和接线难度倍增。

目前，企业一般采用传统传送带加辅助装置定制传送系统实现特定的传输任务，设计周期长，必要时还需要对工厂环境进行改造，成本较高，仅仅适用于长期固定运行的生产线，灵活性较差。为了让整个传送带正常运行，需要多个驱动模块协同运作，控制信息的实时送达，状态信息的及时采集反馈，让总线技术成为制约智能传送带的瓶颈之一。因此，有必要引入一款高带宽、低时延、便于拓展的通信总线。

EtherCAT 总线是德国倍福于2003年推出的工业以太网标准，单个网段的通信节点最大可达65535个，带宽高达100M，通过分布时钟以及同步管理器机制可以保证仅us级的时间抖动，并在物理层、链路层以及应用层都有相应机制保证通信的可靠性。采用EtherCAT总线作为智能传送带控制系统的通信总线，对企业降低生产成本，优化自身传送带系统结构，提高核心竞争力有关键作用。同时可作为智能物流的一环，对提高包裹分拣效率有着至关重要的作用，EtherCAT通信技术将在智能传送带领域崭露头角。

基于EtherCAT的智能传送带控制系统

基于EtherCAT的智能传送带控制系统中，系统采用一主多从的链式拓扑结构，控制系统主站和从站之间采用以太网线连接，通过 EtherCAT总线协议进行通信。系统采用PC 机作为 EtherCAT 主站，PC 机上安装具有DMA功能标准的以太网卡作为网络接口，在PC 机上采用倍福公司的TwinCAT 软件实现PLC、编程及实时监测等主站功能。主站向从站发送包含控制指令的EtherCAT数据帧，从站接收到数据帧后，对命令进行解析，驱动各电机及执行机构, 实现多个驱动模块的协调配合。同时，从站将运行信息和输人采集信号发送回主站。

从站主要由微处理器和ESC组成。微处理器实现EtherCAT从站应用层和逻辑链路控制功能，通过MII接口实现ESC和物理层芯片PHY通信，PHY最终将 EtherCAT 数据帧通过与RJ45接头相连的通信介质发送到EtherCAT总线中。串口UART以及视频接口HDMI可以用于后续程序调试或者主站状态显示，额外的USB 接口用于配置文件的输入。

一个完整的智能传送带控制系统还包括晶振、电源模块、复位以及调试下载接口等基础模块，采用 QSPI Flash 保存系统固件并引导系统启动，增加 DDR SDRAM用于弥补微处理器片上RAM不足。

▲基于EtherCAT的智能传送带控制系统

基于 EtherCAT的智能传送带控制系统从站

智能传送带EtherCAT控制系统从站主要完成 EtherCAT通信控制和设备驱动控制两个任务。其中，设备驱动控制由微处理器实现，驱动电路根据不同的被控对象选择成熟的驱动电路,如交流伺服电机驱动电路、步进电机驱动电路、电磁继电器驱动电路等。EherCAT通信控制由专门的EherCAT从站控制器(ESC)来实现，ESC在数据链路层起重要作用, 用于实现数据链路层和完成数据的收发，同时实现EtherCAT 主站和从站的以太网通信。ESC 通过 I2C 和外部EEPROM 连接，EEPROM 中存储ESC基本配置信息。

▲基于EtherCAT的智能传送带控制系统从站

智能传送带控制系统主站和从站通信数据可以划分为两类，一类为周期性数据，如智能传送带中的驱动模块的位移量、旋转角度等周期性控制数据或者传感器数据，用于控制该从站功能实现；另一类为非周期数据，如电机的运行状态、驱动模块累计运行时间等状态数据。

码灵半导体智能传送带EtherCAT控制系统解决方案

码灵半导体推出的CF110x系列是一款高性价比 EtherCAT从站控制器芯片。CF110x系列最多支持3个EtherCAT 接口，支持32位数字量IO接口用于传输数据。内置8个FMMU单元，8个SM通道，4KB控制寄存器，8KB过程数据存储区，支持64位分布式时钟功能，其中8KB过程数据存储区是DPRAM，用于和从站微控制器交换数据。适用于整体性能要求较高、结构复杂的智能传送带系统设计。

▲码灵半导体CF110x系列芯片实物图

▲码灵半导体CF110x系列芯片结构框图

另外，CF1106内部集成2个10M/100Mbps以太网PHY，兼容IEEE 802.3u 100Base-TX、100Base-FX（仅电压型PHY支持光纤），支持Auto-Negotiation自动协商、Auto-MDIX自动交叉识别，可使用直连或交叉线缆。不需要额外设计PHY电路和 PHY芯片，电路简洁、布线简单，即可实现高性价比的智能传送带系统从站方案。

将EherCAT技术引入智能传送带的运动控制系统，发挥其优异的同步性、实时性优势，可以有效提升智能传送带系统的性能。码灵半导体推出的CF110x系列EtherCAT从站控制器芯片定义行业新标杆，并为智能传送带系统领域客户提供一站式解决方案，使得客户可以更加便捷地进行二次开发，快速推出符合市场需求的产品，可以更加灵活地应用于实际生产中。

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