隨著各領域經濟高速發展，帶來的是產品必須是高質量高精度，從而對生產過程的控制技術提出了新的要求，也就是說要具有能全方位提升控制性能的新型技術及其構建控制系統所特有的組件。為此本文以將對其作分析研討。應該說當今己有這方的方面的技術與產品問世，值此以XFC技術與基于動態以太網的EtherCAT電子端子模塊為例作說明。首先應了解什么是XFC技術。

1、全方位提升控制性能的XFC技術

XFC代表著一種速度極快且時間確定性極高的控制技術。它包括控制領域所涉及的所有硬件和軟件組件：優化的輸入輸出組件，可高精度檢測信號或使任務初始化；超高速EtherCAT通訊網絡；高性能工業PC；整合所有系統組件的TwinCAT自動化軟件。

過去，控制周期時間一般都在10-20m5左右，但通訊接口無約束地運行，其確定性誤差會影響與之相關聯的過程信號響應。隨著高性能工業PC控制器的實用性技術迅猛發展，周期時間可降至1-2m5，幾乎縮減了10倍。因此，很多特殊的控制回路被轉移到中央設備控制器中處理，既節省了成本，同時也極大地提高了智能化算法應用的靈活性。

XFC則可以便響應時間再縮減10倍，即周期時間達到100μs ，而不會對中央智能化和相關的高性能算法產任何影響。此外，XFC技術不僅可以縮短周期時間，而且還可以提高時間精度和分辨率。用戶完全可以從提高設備品質及縮小響應時間的全新選擇中獲益。例如，預防性維護測試任務，空閑時間監視或部件質量文件歸檔等功能都可被輕松地集成到設備控制中去，而無需再附加昂貴的專用設備。

XFC技術不僅完全兼容已有的解決方案，而且還可以在相同的硬件和軟件中與已有的解決方案同時使用。

XFC基于高效的控制和通訊架構，包括高性能工業PC，帶有實時特性的超高速I／0端子模塊，EtherCAT高速工業以太網系統和TwinCAT自動化軟件。采用XFC技術，可以實現I／0響應時間≤100μs。而I／0響應時間包括所有硬件的處理時間（工業PC，EcherCAT和I／0系 統），涵蓋廠從物理輸入觸發到輸出響應的整個過程，見圖1所示。

圖1為集成XFC技術的EtherCAT端子模塊所構建的I/O控制系統。XFC技術能實現小于100μs抖動的I／0響應時間，因此，PLC編程人員可以輕松實現以前只有伺服控制器在配備數字信號處理器的條件下才有可能達到的控制性能。

1.1基本架構-能優化控制和通訊架構并實現最佳性能

TwinCAT-品質超群的實時控制軟件：MicrosoftWindows環境下實現實時性，周期時間最小50μs；實時任務支持標準的IEC（61131-3編程規范；兼容Windows“TwinCAT的標準特性。

EtherCAT-極快的控制通訊技術：30μs 內可處理1000個分布式數字量I／0；基于分布時鐘的高級實時特性，即同步性、時間戳、超采樣；EtherCAT通訊直達每一個I／0端子模塊，無需子網支持；優化標準以太網控制器，如Intel@PC芯片架構。

EtherCAT端子模塊，極快的I／0技術：為所有信號類型提供完整的I／0產品線；高速數字量、模擬量I／0；時間戳和超采樣特性實現極高的時間分辨率（10ns）。

工業PC—極快的主控CPU；基于高性能實時主板的工業PC；結構緊湊是優化控制應用的要素。

1.2 XFC的性能指標：

極短的控制周期時間：100μs （最小50μs）；全方位提升PLC應用的性能：100μs的控制環；

極快的I／0響應時間：85μs（最小約50μs）；時間確定的同步輸入和輸出信號轉換，僅有細小的處理時間抖動；處理時間抖動獨立于通訊和CPU抖動；全方位提升PLC應用的性能，即100μs 的控制環。

超采樣信號：單控制周期實現多次信號轉換；通過分布時鐘實現硬實時同步；適用于數字量輸入／輸出信號；適用于模擬量輸入／輸出信號；支持EtherCAT模擬量I／O端子模塊，其信號轉換頻率最高可達200kHz而最高分辨率可達5μs ；應用上可在快速信號作監視，作快速函數發生器輸出，其信號采樣與周期時間無關，又作快速回路控制。

時間戳信號（分辨率10ns）：數字信號單次事件觸發的瞬時測量；分辨率10ns，精度分布時鐘：CPU、I／0和驅動設備的分布式絕對系統時間同步；分辨率為10ns；

2、XFC技術特征

分布時鐘，使I／0實現精確同步在一個普通的離散式控制環中，輸入組件在某個特定的時間獲取實際數據，并通過通訊組件將結果傳輸到控制系統。控制組件計算響應，輸出組件將結果發送給設置值輸出模塊，并發布給被控制系統處理。

控制過程的關鍵要素是：響應時間最小，實際數據獲取的時間確定（即，必須盡可能地精確計算時間），以及相應時間確定的設定值輸出。從時域上看，通訊和計算同時發生，互不相關。只要結果在輸出單元中有效，并可以持續到下一次輸出即可，即要求I／0組件具備時間精確度，而不是要求通訊或者運算單元具備時間精確度。

因此，EtherCAT分布時鐘代表基本的XFC技術，同時也是EtherCAT通訊的一個通用組件。所有的EtherCAT設備都配備自身的本地時鐘，并通過EtherCAT通訊自動連續地與其他所有的時鐘保持同步。通訊運行時間偏差可以得到補償，因此，通常情況下，所有時鐘之間的最大偏差都小于100ns。而且，分布時鐘的當前時間也被作為系統時間，因為它可以始終跨越整個系統而被使用。

時間戳數據類型

通常，過程數據以其各自的數據格式傳輸（例如，一個數字量值用一個位表示，一個模擬量值用一個字表示）。因此，當記錄被傳輸時，過程記錄的時間相關性在通訊周期中是固定的。它表明時間分辨率和精度也會受通訊周期的限制。

時間戳數據類型除用戶數據之外還包含一個時間戳。該時間戳-一般采用普遍存在的系統時間表示一能夠為過程記錄提供值得關注的高精度時間信息。時間戳可以用于輸入（例如，識別一個已發生事件的時間）和輸出（例如，計時一個響應）。

超采樣數據類型

何謂超采樣？通常，過程數據在每一個通訊周期中被準確地傳遞一次。與此相反，一個過程記錄的時間分辨率直接取決于通訊周期時間。只有通過縮短周期時間，才有可能獲得更高的時間分辨率，但周期時間又往往受到相關的實際條件限制。而超采樣數據類型能夠實現在一個通訊周期內對一個過程記錄以及對包含在一個數組中隨后產生的（輸入）或之前已產生的（輸出）的所有傳輸的數據進行多次采樣，超采樣系數描述了在一個通訊周期中采樣的次數，因此是1的倍數。即使是在一般的通訊周期時間條件下，也可以輕松地達到200kHz的采樣率，見圖2所示為超采樣數據類型特性曲線。

圖2為超采樣數據類型特性曲線

I／0組件中的采樣觸發受本地時鐘控制（或受全局系統時鐘控制），因此，它可以使跨越整個網絡的分布信號之間的時間關系得以關聯。

極短的周期時間可優化的I／O通訊快速的物理響應要求相關聯的控制系統具備相應的較短控制周期。只有當控制系統已經檢測并處理一個事件時，才會產生一個響應。

傳統的方法要達到100 μs的周期時間，需要依賴專用的、獨立的控制器，這些控制器必須擁有直接控制的I／0。這種方法有明顯的缺陷，因為這些獨立的控制器對系統總體而言只包含了極其有限的信息，而且也不能制定更高層次的決策。此外，參數重整定（例如加工新工件）也受到限制。另一個明顯的缺陷是固定的I／0配置，一般情況下，不能對其進行擴展。

3、實現XFC技術的組件

I／0組件-集成XFC技術的EtherCAT端子模塊。標準的EtherCAT端子模塊（見圖3a所示）全方位地支持XFC技術。所有的端子模塊都支持I／0轉換同步通訊，以及已成為EtherCAT技術標準的、精度更高的分布時鐘功能。

圖3（a） I／0組件-集成XFC技術的EtherCAT端子模塊

最新的XFC端子模塊還提供了額外的特殊功能，尤其適合高速或高精度的應用場合：數字量EtherCAT端子模塊具有極短的開通／關斷時間特性；或模擬量端子模塊具有非常短的轉換時間;帶有時間戳功能的EtherCAT端子模塊可以精確鎖定某個數字量或者模擬量事件發生時的系統時間。數字量或者模擬量的值也可以在預定義的時間精確輸出;帶有超采樣功能的端子模塊可以使實際值獲取或設定值輸出的分辨率大大高于通訊周期時間。

圖3（b）

通訊組件-充分利用EtherCAT（見圖3b所示）

由于其擁有高速通訊和高數據利用率，EtherCAT為實現XFC提供了基本的前提條件。然而，網絡通訊速度并不能代表一切。作為一種選擇，可以使用總線方式交換幾個獨立排列的過程映像，并結合控制應用類型的特點，同時應用XFC和標準的控制技術。中央控制系統可以從復制和映射任務所耗費的時間中解脫出來，從而將一切可以利用的計算能力用于控制算法。

EtherCAT分布時鐘構成了XFC技術的高速時間鏈路，并已集成到所有的通訊設備中。

XFC技術至關重要的特點是可以選擇性地將所有的I／0組件都直接集成到EtherCAT通訊中，因此，無需任何下級總線系統（子網）。在很多XFC端子模塊內部，數／模、模／數轉換器都是直接與EtherCAT芯片相連，因此避免了信號延遲。

控制組件-高性能工業PC

在要求運行速度更快、控制算法更強的條件下，中央控制技術相對多個分布式的小型控制器而言具有明顯的優勢。現代工業PC所提供的計算和存儲能力遠遠高于多個小型控制器之和，而前者的價格卻要便宜得多。

新一代創新技術的工業PC可以非常好地應用于控制領域。快速的雙核處理器可以十分理想地同時用于控制任務和設備的人機操作。而新一代CPU所具備的超大容量高速緩存對于XFC技術而言也是非常有利的，因為快速算法正是在此緩存中運行，從而使處理的速度更加快捷。

軟件組件-TwinCAT自動化軟件包

TwinCAT是一款高性能的自動化控制軟件，它在全面支持XFC技術的同時，還保留了所有的常用功能。TwinCAT實時核以不同的周期時間支持不同的任務。現代工業PC可以輕而易舉地使周期時間達到100μs，甚至更低，而不會出現任何問題。多個（不同的）現場總線可以被集成在一個主干網絡里混合使用，相關的配置和通訊周期也可以根據現場總線的性能得到優化。在TwinCAT軟件環境中，EtherCAT可以充分利用通訊系統，并可以在應用中使用多個獨立的時間等級，即分布時鐘。不同的時間等級可以使XFC和普通的控制任務共存于同一個系統之中，決不會因滿足XFC的需求而出現“瓶頸效應”。

4、XFCEtherCAT端子模塊例舉型號與指標

系統提供了200種以上各種不同的信號端子模塊。標準的EtherCAT端子模塊全面支持XFC技術。通訊過程中的I／O同步轉換，或精度更高的分布時鐘已成為EtherCAT的標準功能，因此，所有端子模塊都支持該項技術。最新研發的XFC端子模塊，其新增的專有特性非常適用于快速和高精度的應用場合：

4.1 XFCEtherCAT超采樣端子模塊與特性

ELl262：2通道24VD仁數字量輸入；通過跨越系統的分布時鐘同步時間；抖動最大轉換時間5μs。EL2262：2通道24VD正數字量輸出；通過跨越系統的分布時鐘同步時間；抖動超采樣端子模塊采樣特性

使用EL2262超采樣數字量輸出端子模塊，輸出可以在10μs時間幀內進行開通與關斷切換，非常適合高精度應用場合。其采樣特性見圖4（a）所示。

圖4（a）

ELl262超采樣數字量輸入端子模塊可提供僅相當于總線周期時間十分之一的采樣率，因此，即使是很短暫的信號也能被精確記錄、測量或計數，其采樣特性見圖4（b）所示。

圖4（b）

4.2 XFCEtherCAT時間戳端子模塊與特性

ELl252：2通道24VDC數字量輸入；高精度邊沿信號采集；系統精度1μs；與EL2252配合使用，絕對同步響應；EL2252：2通道24VDC數字量輸出；高精度邊沿信號采集；系統精度1μs；與ELl252配合使用，絕對同步響應。

同步響應通過時間戳輸入端子模塊和時間戳輸出端子模塊米實現；而在過去，總線系統很難實現小于1μs的同步精度。全新的XFC技術取代了傳統的硬件連線方式，其特性見圖4C。

圖4C

4.3 XFCEtherCAT快速I／0端子模塊與特性

ELl202：2通道24VDC數字量輸入；開通／關斷輸入延遲1μs；最小響應時間幾乎無延遲；EL2202：2通道24VDC數字量輸出；開通／關斷輸入延遲1μs ；最小響應時間幾乎無延遲KFC性能指標。采用1202和EL2202XFC端子模塊，端子模塊的硬件延遲縮減至

圖4（d）

5、XFC技術與組件應用

5.1 在高端注塑機設備上的應用

高端注塑機設備對控制系統的性能要求非常苛刻。I／O組件、通訊系統、工業PC和控制軟件都將直接影響到整個控制過程的品質和重復一致性，所以高端注塑機設備是XFC技術應用的理想場所。正是因為看到了XFC技術的應用潛力，率先將這項技術應用到設備的控制系統中。在注模生產過程中，控制系統的任務首先是控制融膠被壓入模腔的速度，開始注射以后，模腔會產生一定的反壓力，此時要求控制系統快速切換壓力控制，并將其精確控制在一個定義值范圍之內。為了確保注模效果的重復一致性，切換過程中壓力的波動必須做到最小。為了完全注滿模腔，必須在—定時間內保持壓力恒定，然后按預置的壓力曲線減小，見圖5所示。為了避免產品出現裂痕，壓力不宜過大，而壓力過小又會導致壁厚刁；均勻或者產生氣泡。

對注靶機來說，注模過程的控制越精確，產品的壁厚就能做到越薄。采用XFC技術以后，傳統的注塑機上為了避免氣泡而使用的“原料儲藏”就不再需要了。產品重量的波動范圍體現了控制水平的高低：波動范圍越小表明控制水平越高。

XFC能帶來什么好處？

通過最小化響應時間和死區時間來達到優化控制的過程本身是沒有止境的。除提高產品質量之外，其目的是通過減小壁厚，從而節省原材料。單件產品重量僅僅減輕2克，就可使最終用戶顯著降低成本。

6.2 XFC技術與組件在其應它領域應用

其應它領域應用包括：印刷機定位控，制部件跟蹤，線性路徑控制，閉環控制，數字凸輪和粘合應用等，這此控制系統全方位控制性能提升，以達到產品質量大大提高之目的。

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