EtherCAT网络技术完整版.docx

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EtherCAT网络技术

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谢稳+罗华+周圣岳

摘要：半导体设备制造商或采用基于微处理器的控制器直连I/O的方式，或采用工业通信网络实现过程控制。然而这些方式的弊端显而易见：每个网络有限的节点数量、较低的波特率、受限的IO性能、低带宽、非确定性的命令和I/O时间。以上这些问题是几年前的半导体工业面对的技术挑战，并且业内一直在寻找一种能满足前述的控制系统要求的新的通信系统。

关键词：EtherCAT；半导体工业；以太网通信

：TP393：A：1009-3044（2016）21-0053-02

1概述

多年前的某一天，本人受邀参加一个基于以太网的网络技术推介会，当时我们对于该网络技术知之甚少。那就是EtherCAT技术——由一家德国公司BECKHOFF（毕孚）研发的基于以太网的网络通信技术。年轻而充满活力的演讲者就是现今EtherCAT技术协会中国区经理范斌女士。在这场技术推介会后，我深刻的意识到该技术很可能是下一代半导体设备高端过程管控的最好的备选技术。

在此之前，半导体设备制造商或采用基于微处理器的控制器直连I/O的方式，或采用工业通信网络（如：LonWorks，Seriplex，DeviceNet，SDS或者其他基于CAN的网络）实现过程控制。这些方式的弊端逐渐显现：每个网络有限的节点数量、较低的波特率、受限的I/O性能、低带宽、非确定性的命令和I/O时间。除了过程控制面临的挑战，设备上应用的多种运动控制方案也面临问题。典型的运动轴的性能区间从低性能步进电机驱动轴到真空机器人的高动态伺服轴，很多应用要求多轴之间以及轴与系统中的控制信号间协同工作。当市场上很多定制的运动方案和I/O方案都因普遍应用而方便采购时，这种控制器和运动控制软件却非常昂贵。对于运动控制提供商来说，将每个运动控制软件的授权费用按照轴数销售是不可能的。

2适用于半导体工业发展的网络技术

针对半导体工业技术的发展，EtherCAT网络技术的架构无疑应用前景广阔。但是，在2007年的技术推介会上，由于EtherCAT网络技术是一项刚引入中国的新技术，在国内没有接受过市场的洗礼和成功应用的案例，况且业内设计经验缺乏，当时的与会者存在诸多问题和疑虑。推介会上充斥着各种提问：可靠性和EMI数据如何？有没有像ODVA的SEMISIG那样的设备行规？有没有设备交互性的保障？然而，在持续的几个月中，我公司的技术团队对该技术进行了详细的评估。坚固的技术架构，高速的通信，理论上无限的节点数和I/O空间，对运动控制的支持和智能设备要求的时间确定性命令和响应——EtherCAT网络协议满足了所有的需求。团队成员为此感到兴奋，我们认为终于找到了一个非常可靠的备选技术，来满足半导体设备的过程控制中隐约出现的高端需求。也许这个技术甚至可以在未来用于高端的过程和运动控制。基于对该技术的详尽评估，公司决定签署一份成为EtherCAT技术协会应用会员的协议，全力支持EtherCAT技术在中国机械制造业特别是在半导体设备制造业的推广和应用。

3技术和经济方面的挑战

技术推广应用的势头非常迅猛，EtherCAT作为TwinCATPLC软件包的扩展被全球诸多客户和行业评估并接受。随着越来越多的工业设备实施EtherCAT通信接口，该技术获得了广泛的应用，并且具有自动化设计方案的所有必要特征。在半导体工业界要求降低制造设备成本的同时，对设备的性能提出了更高的要求。设备不仅要求更快的速度和更高的精确度，而且还要求尽可能低的成本。多个运动控制器，软件授权，每个I/O点的成本，网络拓扑结构和互联成本都成为寻找一种更高的解决方案所关注的细节问题。

通常，旧技术受限于在传统的控制方案和构架的基础上降低成本。摩尔定律主导半导体工业，半导体晶圆上的单元的最为微小的尺寸缩小都会对过程控制产生更加严格的要求。对虚拟传感器，基于模块的控制，高速过程控制的原型机制造是现今高端应用的实际而基础的需求，而EtherCAT网络控制技术的出现给半导体设备制造行业技术创新提供了足够的技术支撑。高可靠性的网络和微秒级的实时刷新时间，出色的网络时间确定性对系统循环时间和大数据的吞吐量正是解决半导体设备当前技术瓶颈所急需的。如LED照明生产线设备、全自动单晶制绒酸洗综合设备、高转换效率新型晶硅太阳能电池生产设备等国产半导体设备都可以引入EtherCAT网络控制技术，这将给整个国产半导体设备行业加快自主创新，迅速淘汰落后生产设备、扩大产能带来新的发展机遇。目前，EtherCAT网络技术已经成为SEMIE54的标准网络规范，这也为该技术在半导体行业的发展开辟了道路。

4全球认可的标准

为了使EtherCAT技术稳固立足于晶圆制造设备领域，为过程控制专用设备和组件（如：射频发生器、真空控制器、节流阀、压力