XFC技术特征与组件的应用研究

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。

图2为超采样数据类型特性曲线

I／0组件中的采样触发受本地时钟控制（或受全局系统时钟控制），因此，它可以使跨越整个网络的分布信号之间的时间关系得以关联。

极短的周期时间可优化的I／O通讯快速的物理响应要求相关联的控制系统具备相应的较短控制周期。只有当控制系统已经检测并处理一个事件时，才会产生一个响应。

传统的方法要达到100 μs的周期时间，需要依赖专用的、独立的控制器，这些控制器必须拥有直接控制的I／0。这种方法有明显的缺陷，因为这些独立的控制器对系统总体而言只包含了极其有限的信息，而且也不能制定更高层次的决策。此外，参数重整定（例如加工新工件）也受到限制。另一个明显的缺陷是固定的I／0配置，一般情况下，不能对其进行扩展。

3、实现XFC技术的组件

I／0组件-集成XFC技术的EtherCAT端子模块。标准的EtherCAT端子模块（见图3a所示）全方位地支持XFC技术。所有的端子模块都支持I／0转换同步通讯，以及已成为EtherCAT技术标准的、精度更高的分布时钟功能。

图3（a） I／0组件-集成XFC技术的EtherCAT端子模块

最新的XFC端子模块还提供了额外的特殊功能，尤其适合高速或高精度的应用场合：数字量EtherCAT端子模块具有极短的开通／关断时间特性；或模拟量端子模块具有非常短的转换时间;带有时间戳功能的EtherCAT端子模块可以精确锁定某个数字量或者模拟量事件发生时的系统时间。数字量或者模拟量的值也可以在预定义的时间精确输出;带有超采样功能的端子模块可以使实际值获取或设定值输出的分辨率大大高于通讯周期时间。

图3（b）

通讯组件-充分利用EtherCAT（见图3b所示）

由于其拥有高速通讯和高数据利用率，EtherCAT为实现XFC提供了基本的前提条件。然而，网络通讯速度并不能代表一切。作为一种选择，可以使用总线方式交换几个独立排列的过程映像，并结合控制应用类型的特点，同时应用XFC和标准的控制技术。中央控制系统可以从复制和映射任务所耗费的时间中解脱出来，从而将一切可以利用的计算能力用于控制算法。

EtherCAT分布时钟构成了XFC技术的高速时间链路，并已集成到所有的通讯设备中。

XFC技术至关重要的特点是可以选择性地将所有的I／0组件都直接集成到EtherCAT通讯中，因此，无需任何下级总线系统（子网）。在很多XFC端子模块内部，数／模、模／数转换器都是直接与EtherCAT芯片相连，因此避免了信号延迟。

控制组件-高性能工业PC

在要求运行速度更快、控制算法更强的条件下，中央控制技术相对多个分布式的小型控制器而言具有明显的优势。现代工业PC所提供的计算和存储能力远远高于多个小型控制器之和，而前者的价格却要便宜得多。

新一代创新技术的工业PC可以非常好地应用于控制领域。快速的双核处理器可以十分理想地同时用于控制任务和设备的人机操作。而新一代CPU所具备的超大容量高速缓存对于XFC技术而言也是非常有利的，因为快速算法正是在此缓存中运行，从而使处理的速度更加快捷。

软件组件-TwinCAT自动化软件包

TwinCAT是一款高性能的自动化控制软件，它在全面支持XFC技术的同时，还保留了所有的常用功能。TwinCAT实时核以不同的周期时间支持不同的任务。现代工业PC可以轻而易举地使周期时间达到100μs，甚至更低，而不会出现任何问题。多个（不同的）现场总线可以被集成在一个主干网络里混合使用，相关的配置和通讯周期也可以根据现场总线的性能得到优化。在TwinCAT软件环境中，EtherCAT可以充分利用通讯系统，并可以在应用中使用多个独立的时间等级，即分布时钟。不同的时间等级可以使XFC和普通的控制任务共存于同一个系统之中，决不会因满足XFC的需求而出现“瓶颈效应”。

4、XFCEtherCAT端子模块例举型号与指标

系统提供了200种以上各种不同的信号端子模块。标准的EtherCAT端子模块全面支持XFC技术。通讯过程中的I／O同步转换，或精度更高的分布时钟已成为EtherCAT的标准功能，因此，所有端子模块都支持该项技术。最新研发的XFC端子模块，其新增的专有特性非常适用于快速和高精度的应用场合：

4.1 XFCEtherCAT超采样端子模块与特性

ELl262：2通道24VD仁数字量输入；通过跨越系统的分布时钟同步时间；抖动最大转换时间5μs。EL2262：2通道24VD正数字量输出；通过跨越系统的分布时钟同步时间；抖动超采样端子模块采样特性

使用EL2262超采样数字量输出端子模块，输出可以在10μs时间帧内进行开通与关断切换，非常适合高精度应用场合。其采样特性见图4（a）所示。

图4（a）

ELl262超采样数字量输入端子模块可提供仅相当于总线周期时间十分之一的采样率，因此，即使是很短暂的信号也能被精确记录、测量或计数，其采样特性见图4（b）所示。

图4（b）

4.2 XFCEtherCAT时间戳端子模块与特性

ELl252：2通道24VDC数字量输入；高精度边沿信号采集；系统精度1μs；与EL2252配合使用，绝对同步响应；EL2252：2通道24VDC数字量输出；高精度边沿信号采集；系统精度1μs；与ELl252配合使用，绝对同步响应。

同步响应通过时间戳输入端子模块和时间戳输出端子模块米实现；而在过去，总线系统很难实现小于1μs的同步精度。全新的XFC技术取代了传统的硬件连线方式，其特性见图4C。

图4C

4.3 XFCEtherCAT快速I／0端子模块与特性

ELl202：2通道24VDC数字量输入；开通／关断输入延迟1μs；最小响应时间几乎无延迟；EL2202：2通道24VDC数字量输出；开通／关断输入延迟1μs ；最小响应时间几乎无延迟KFC性能指标。采用1202和EL2202XFC端子模块，端子模块的硬件延迟缩减至

图4（d）

5、XFC技术与组件应用

5.1 在高端注塑机设备上的应用

高端注塑机设备对控制系统的性能要求非常苛刻。I／O组件、通讯系统、工业PC和控制软件都将直接影响到整个控制过程的品质和重复一致性，所以高端注塑机设备是XFC技术应用的理想场所。正是因为看到了XFC技术的应用潜力，率先将这项技术应用到设备的控制系统中。在注模生产过程中，控制系统的任务首先是控制融胶被压入模腔的速度，开始注射以后，模腔会产生一定的反压力，此时要求控制系统快速切换压力控制，并将其精确控制在一个定义值范围之内。为了确保注模效果的重复一致性，切换过程中压力的波动必须做到最小。为了完全注满模腔，必须在—定时间内保持压力恒定，然后按预置的压力曲线减小，见图5所示。为了避免产品出现裂痕，压力不宜过大，而压力过小又会导致壁厚刁；均匀或者产生气泡。

对注靶机来说，注模过程的控制越精确，产品的壁厚就能做到越薄。采用XFC技术以后，传统的注塑机上为了避免气泡而使用的“原料储藏”就不再需要了。产品重量的波动范围体现了控制水平的高低：波动范围越小表明控制水平越高。

XFC能带来什么好处？

通过最小化响应时间和死区时间来达到优化控制的过程本身是没有止境的。除提高产品质量之外，其目的是通过减小壁厚，从而节省原材料。单件产品重量仅仅减轻2克，就可使最终用户显著降低成本。

6.2 XFC技术与组件在其应它领域应用

其应它领域应用包括：印刷机定位控，制部件跟踪，线性路径控制，闭环控制，数字凸轮和粘合应用等，这此控制系统全方位控制性能提升，以达到产品质量大大提高之目的。

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