EtherCAT：半导体行业的全球标准

获得半导体行业的特别认可：EtherCAT 成为 SEMI™ 国际标准

2003 年，倍福向市场引入了其最新的 EtherCAT 技术。同年，EtherCAT 技术协会 （ETG）宣布成立，最初有包括应用材料公司在内的 33 家创始成员。ETG 旨在将 EtherCAT 进行标准化及维持该技术发展。协会目前已成为全球最大的工业现场总线用户组织，拥有 6000 多家会员单位。2005 年，ETG 发布了基于 EtherCAT 的 功能安全标准 Safety over EtherCAT 协议，拓展了 EtherCAT 规范，以实现安全相关控制数据的安全传输。精简的协议采用一种被称作黑色通道的方式，使得安全数据的传输完全独立于通信系统。2007 年，EtherCAT 成为 IEC 和 SEMI™ 国际标准。2011 年，ETG 组建了半导体技术工作组，其中，11 个任务组中的用户和制造商联合定义和维护半导体行业的特定设备行规和实施准则。这不仅保证了系统的开放性，也充分表明了 EtherCAT 技术受到了半导体行业的高度认可。目前，EtherCAT 协议仍然保持稳定不变；但是该技术仍在不断扩展并保持兼容性。因此，即使是在 2003 年开发的 EtherCAT 设备，仍然可与今天最新开发的 EtherCAT 设备兼容，并运行在同一个网络中，不会存在版本问题。

2016 年发布的 EtherCAT P 技术是 EtherCAT 发展历程中的又一个里程碑，采用 EtherCAT P 可以将供电（2 x 24 V）和 EtherCAT 通信集成在一根标准电缆中。该技术为不需要设备控制柜的机器应用提供了可能。2018 年发布的 EtherCAT G/G10 可提供更高的数据传输速率。与现有的百兆 EtherCAT 技术兼容是首要要求，因此需要采取措施实现集成，包括引入分支控制模型。

卓越的性能
EtherCAT 是迄今为止速度最快的工业以太网技术，同时它还可提供纳秒级精度的同步。目标系统由总线系统控制或监测的所有应用都将从此大大获益。响应时间的显著缩短减少了处理步骤中的状态转换等待时间，从而显著提高了应用的效率。此外，相对于设定了相同循环时间的其它总线系统，EtherCAT 系统结构通常能减少 25%-30% 的 CPU 负载。如果使用恰当，EtherCAT 的出色性能可以带来更高的精度和更高的数据吞吐量，从而降低成本。

简单且耐用
配置、诊断以及维护都与系统的成本息息相关。EtherCAT 工业以太网现场总线线使得所有这些任务变得异常简单：EtherCAT 可以自动配置地址，而无需手动配置。低总线负载和点对点的物理层增强了抗电磁干扰的能力。网络可以可靠、准确地检测和定位所有潜在干扰，从而显著缩短故障排除时间。在系统启动时，网络会对目标拓扑与现实拓扑进行对比以检测差异。与其它系统相比，EtherCAT 出色的性能消除了系统配置时的网络调试需求。高带宽可以将其它的 TCP/IP 与控制数据同时传输。然而，由于 EtherCAT 本身并不是基于 TCP/IP 的，因此无需使用 MAC 地址或 IP 地址，更不需要 IT 专家来配置交换机或路由器。

集成安全
将功能性安全作为网络结构的一个不可或缺的部分？这对于 FSoE（Functional Safety over EtherCAT）来说不是问题。FSoE 是一项久经实际验证的成熟技术，自 2005 年就有了通过 TÜV 认证的 FSoE 设备。协议满足 SIL 3 安全等级和 SEMI™ S2 标准要求，适用于集中控制和分散控制系统。由于采用了黑色通道的方式及特别精简的安全容器（Safety Container），FSoE 也可以应用于其它总线系统。该集成方案及精简的协议可降低系统成本。此外，一个对安全等级要求不高的控制系统也可以“监听”并分析安全相关的数据。

Safety over EtherCAT：功能性安全是网络结构中一个不可或缺的部分

Safety over EtherCAT（FSoE，Fail Safe over EtherCAT）协议定义了开放、安全的数据传输，能够实现比传统硬件互锁更灵活的安全解决方案。该协议已经经过 TÜV 认证，符合 IEC 61784-3 国际标准以及 IEC 61508（达到 SIL 3 安全等级）和 SEMI™ S2 半导体制程设备安全准则中规定的安全要求。在 Safety over EtherCAT 通信协议中，传输介质被认为是“黑色通道”；这意味着可以使用任何通信技术传输 FSoE 协议 — 通过 EtherCAT 或 Ethernet，也可以通过标准现场总线系统（如 CAN）和无线网络。FSoE 是开放式 EtherCAT 技术的理想补充，通过同一个通信系统保证高性能传输控制和安全信息。

FSoE 在半导体行业应用中的优势：

• 与传统的硬件互锁相比，FSoE 协议能够满足 SIL 3 等更高的安全功能等级要求；同时，它也更加灵活：
  • 只需修改软件，无需对硬件进行改动：实现更快的原型设计
  • 可以安全地分析和使用模拟量信号
  • 对于驱动：安全降速，而不是关闭和重新启动
  • 可通过任何介质传输
  • 可扩展
• 功能安全可以集成到现有的控制架构中，无需用昂贵的安全控制器替换现有的控制器
• 现有的控制系统可以“监听”，即它能够根据需要对安全相关的信号和情况做出响应，并将这些信号和情况传达给用户或晶圆厂网络
• FSoE 是得到最多元件制造商支持的现场总线安全标准之一

针对半导体行业的 I/O 专有技术：EtherCAT 插拔式模块

作为基于 PC 和 EtherCAT 的自动化解决方案专家，倍福推出的 EJ 系列 EtherCAT 插拔式模块可以帮助半导体厂商显著降低成本：紧凑、大容量的 I/O 模块取代了专用的 I/O 信号板，而信号分配则由易于开发的无源电路板实现。同时，系统集成了功能安全和小型驱动控制器，从而为更紧凑、更简单、更灵活的设计开辟了新的可能性。

EJxxxx 系列 EtherCAT 插拔式模块在电气上基于成熟的 EtherCAT I/O 系统，而它们的设计让插拔式模块能够直接接在电路板上。电路板是一个专用的信号分配板，可以将信号和电源供电分配给各个独立的专用接头上。EJ 模块可以使用预制电缆线束取代传统控制柜结构中常见的昂贵、耗时的人工接线，降低单位成本，并通过编码好的组件大幅减少接线错误。

即插即用
EtherCAT 插拔式模块在电气上基于成熟的 EtherCAT I/O 系统，提供包括功能安全（FSoE、TwinSAFE）在内的多种信号。即使是用于功率高达 200 W 的伺服电机和步进电机的驱动控制器也可以采用这种设计。EJ 系列采用独特的机电设计，可以直接插入专用的信号分配电板，并可将接线层重新定位到 PCB 背板上。PCB 电路板将信号和电源分配给各个专用的连接器。始终采用即插即用的方式将 I/O 模块、信号分配板、预制电缆结合为一体。

紧凑设计
EJ 模块结构非常紧凑，尺寸仅为 12 x 55 x 66 mm。与其它 EtherCAT 端子模块相比，它们的体积几乎小了 50%，可以显著减少设备的占地面积。EJ 模块底部有编码引脚，结合信号分配板上的编码孔，可以防止不正确接线，从而大大降低装配和维修时接线出错的风险。

针对半导体行业进行优化
EJ 系列 EtherCAT 插拔式模块和传感器执行器的插接层可以灵活布置在信号分配板上。信号分配板既可由用户自己开发，也可以由倍福作为定制解决方案开发。EJ 模块可以集成到一个非常紧凑的壳体中，甚至可以放置在设备中可用的最小安装空间中。

EJ1101-0022 耦合器模块可以连接外部 RJ45 接口以进行 EtherCAT 连接，并可连接到可选的 ID 开关上进行地址设置。因此，所连接的元件可以定位在信号分配板上的任意位置，用作壳体穿通装置，进行外部连接或地址设置。结合为 E-bus 供电的插拔式电源模块，E-bus 电流可由 2.5 A（EJ9400）和12 A（EJ9404）这两个不同性能等级的电源模块分别提供。

EJ 系统的电路板提供一个预制的、可插拔的 EtherCAT I/O 系统，可以全面满足半导体行业的各种需求：设计更加紧凑；采用模块化方案，与之前的解决方案相比，未使用的 I/O 通道大大减少；集成安全功能和驱动技术；缩短系统安装时间，减少测试工作。而所有这些高品质电子元件都由领先的 I/O 制造商一站式提供。

TwinSAFE：开放且可扩展的 EtherCAT 安全解决方案

TwinSAFE 集成式安全解决方案是倍福所追求的基于 PC 的开放式控制理念的逻辑延伸。由于 TwinSAFE 端子模块采用模块化设计，具有很好的通用性，因此它们能够无缝集成到倍福控制系统中。

有了 TwinSAFE 就可以在所有应用领域实现系统集成，有效地打破了历史上严格的“安全功能”和“非安全功能”分离局面。同时，TwinSAFE 所具备的高大灵活性和可扩展性给人留下了深刻印象。所有安全功能都能够被集成到任何 可以想得到的设备架构中：从独立的控制系统到紧凑型控制系统，从“传统的”解决方案到分布式控制系统和基于软件的控制系统，甚至可以满足非常复杂的要求。因此，倍福可以根据最终用户的需求量身定制完整的安全解决方案，同时避免了尺寸过大的安全解决方案造成的不必要成本。

得益于 Safety over EtherCAT（FSoE）的灵活性，无需将目前使用的设备控制器设计成安全控制器：安全应用程序可在各种 TwinSAFE 逻辑端子模块中执行。在 I/O 组件方面，TwinSAFE 系统可以提供合适的安全输入、输出以及混合组件选择，让解决方案可以轻松满足用户的具体要求。可以满足所有要求的各种 TwinSAFE 组件包括适合安装在控制柜内的 EtherCAT 端子模块、可以在现场直接使用的 EtherCAT 端子盒和在批量机器生产中使用的 EtherCAT 插拔式模块。

在驱动技术领域，几乎不再会有无安全功能的解决方案。因此，倍福很早就在其驱动解决方案中集成了安全功能，包括标准和紧凑型驱动产品。在开发方面，倍福的安全和非安全工具已经合并，能够实现所有应用程序的通用配置和编程。TwinCAT Safety Editor 通过经 TÜV 认证的功能块简化了安全应用程序的实施工作。倍福自己编写的应用手册使得从概念设计到实现等过程变得更加简单。

设备制造商和用户将受益于倍福博大精深的安全专业知识。倍福所有的安全技术都是自主研发出来的，可以为每个客户定制合适的 TwinSAFE 解决方案。倍福技术典型的开放性原则在这里也是个重点。安全通讯协议 Safety over EtherCAT（FSoE，Fail Safe over EtherCAT）已获得国际认证，另一方面对传输介质没有任何限制。

通过全集成为您带来成功优势：

• 一致性：标准控制和安全控制的统一平台
• 连接性：可以从一个集成式控制系统中获取所有信息
• 适应性：模块化性和可扩展性助力满足当前和未来需求

使用 TwinSAFE 灵活实施安全解决方案：

• 全面的软件支持
• 可提供各种外形尺寸的高性能安全控制器
• 针对不同环境条件的安全组件
• 尺寸多样化的安全组件，具有很高适应性
• 支持功能安全等级 SIL 3，用户也可为未来需求做好准备

倍福测量模块：适用于任何应用的设备类型

近年来，倍福不断完善其测量产品系列，可以全方位满足半导体行业的所有测量需求：从每秒测量一次到每秒测量数千次，从电压和电流测量到振动和力测量。IP20 组件用于读取控制柜内的传感器数据。通过无缝集成到 EtherCAT I/O 系统中，基本系列中的高端测量组件甚至可以读取标准型 EL 模拟量端子模块无法读取的过程关键测量通道数据。基本系列设计用于以高测量精度采集所有通道和模块上的高动态过程的信号，而经济型系列则设计用于动态性较差的过程。集成的 24 V 传感器电源和 24 V 电源触点可以减少控制柜中的接线数量。在一般的控制柜条件下，经济型系列出色的 100 ppm 温度稳定性甚至超过基本系列。当然，这两款产品系列都能够用于测量半导体行业中常见的信号形式，它们都支持成熟的 EtherCAT 功能，例如纳秒范围内的分布式时钟时间戳和总线诊断功能。

这些模块可以由系统组件（如 EKM1101 耦合器）供电。集成式诊断功能能够确保可靠的测量操作。

倍福测量技术：适用于任何应用的设备类型：

• 在数据库或云端记录运行和诊断数据
• 可靠的数据分析
• 提高诊断能力
• 提高系统可用性；延长使用寿命
• 节省维护费用，降低系统成本

XPlanar 平面磁悬浮输送系统高效完成单件产品输送任务

XPlanar 系统是一款集传统输送技术诸多优点于一身的平面磁悬浮产品输送系统，可为在一个工具内以及在几台设备之间处理晶圆及其它产品提供了各种全新的选择：XPlanar 系统的动子/托盘运动是非接触式的，不会产生机械磨损。

与自动导引车系统类似，用户可以从物料小车（动子）的自由运动中获益：可以通过任何路线将工件输送到任何地点。XPlanar 将这种灵活性与传统直线电机的高动态性高效结合于一体，并通过优化各个生产工序之间节拍带来附加值。XPlanar 系统将机器人技术领域为人们所熟悉的自由度和高精度应用于产品输送，因此可以显著简化各个生产步骤。产品定位方案被应用于加工过程中的输送系统。动子/托盘可以悬浮运动，无需使用机械导轨，从而大大降低了清洁和维护成本。

运行原理
XPlanar 由一个平面电机组成，它和旋转电机一样，由若干个固定的通电线圈（传输平面模块）和可以移动的永磁体（动子托盘）组成。但与旋转电机不同的是，线圈和永磁体都排列在同一个二维平面上。传输平面模块是系统中的电动部件。出色的线圈电流控制性能让动子/托盘可以悬浮在传输平面上。平面模块坚固耐用的外壳在紧凑的安装空间内容纳了控制悬浮运动所需的所有组件。动子托盘是无源的，无需供电，特别耐磨损，且无需外部系统来检测动子托盘位置，也无需使用额外的电源装置。除了平面模块和动子托盘之外，系统运行所需的唯一其它组件是一台安装有相应软件（TwinCAT）的倍福工业 PC。TwinCAT 软件负责指定动子托盘的运动，避免它们之间发生碰撞。

柔性无磨损工件输送系统
动子托盘按照单独定义的路线输送每个工件。各个生产步骤可以根据需要相互衔接，使得固定的工位序列成为过去。每个动子托盘的运动相互间可以完全解耦：产品可以相互超车，并且可以在不影响生产流程的情况下从产品流中撤出或进入等候区（例如，用于冷却）。由于在一个系统中提供了不同尺寸的动子托盘，因此可以同时生产不同规格的产品。XPlanar 系统具有卓越的动态性能和机器人的高精度，是处理不同批量大小和产品规格变化的高效定位系统。动子托盘根据为每个产品单独定义的复杂 XY 几何图形运动。

针对特定应用布局机器设备
XPlanar 系统为用户根据自己的个性化需求布局机器设备提供了很大的自由度。XPlanar 平面模块可以自由拼接成任意几何形状的传输平面，比如矩形、圆形或树状结构，几乎无任何限制。机器设备的布局可以完全根据用户要求的功能设计，XPlanar 系统的大小可以完全根据用户的要求调整，帮助用户避免额外的费用支出，节省宝贵的生产空间。

大幅减少清洁和维护工作量
XPlanar 系统的一大特点就是它能够大幅减少清洁和维护工作量。平面模块和动子托盘的连接无需使用机械部件。与传统的输送系统相比，XPlanar 不需要使用导轨、滑轮或润滑系统。系统所需的定期维护间隔时间大幅减少，从而可以显著提高系统的可用性。系统的另外一个优势是，它无需使用任何机械部件，因此简化了清洁工作。所有平面模块和动子托盘表面都非常光滑，没有死角。为了在特别苛刻的环境中使用，XPlanar 平面模块的表面可以选择玻璃、不锈钢或者塑料材质，方便清洁，无需使用任何清洁剂，也不会影响动子托盘的悬浮性能

高效率和高扭矩

半导体制造系统常常需要配备很多功率较小伺服电机和步进电机。如果使用传统解决方案，这些电机都需要由专用的驱动控制器控制。而倍福将这些功能直接集成到 I/O 模块中，既可以节省空间，又能够降低系统复杂性。

倍福可以电压范围在 48 V DC 以下的应用场合提供结构紧凑的伺服端子模块和步进电机驱动端子模块等解决方案。AM8100 系列电机可以与 EJ72xx 系列 EtherCAT 插拔式模块、 EL72xx 系列伺服端子模块或 EP72xx 系列 EtherCAT 端子盒一起，构成一个超紧凑型高动态伺服轴，适用于采用单电缆技术（OCT）和多圈绝对值编码器的高精度定位应用。安全功能STO（安全扭矩关闭）作为紧凑型驱动技术的一个选项提供。

AS2000 和 AS1000 步进电机可与 EJ70xx 系列插拔式模块或 EL70xx 系列总线端子模块（IP20）或IP67 EtherCAT 端子盒一起作为可调轴运行，可选择带或不带反馈系统。AS2000 步进电机具有防护等级高且集成连接技术等特点。

AMI8100 系列将伺服电机与集成的高效率伺服驱动器整合于一体。作为 EtherCAT 从站设备，AMI8100 可以直接放置在机器上，无需使用控制柜和上游 I/O，从而可以在没有控制柜的情况下实现高度紧凑的机器。集成的状态 LED 用于指示监测到的运行状态。安全功能 STO（安全扭矩关闭）作为紧凑型驱动产品的选件提供。

适用于紧凑型驱动产品和步进电机的行星齿轮减速机

AG2250 系列经济型低背隙行星齿轮减速机，有直齿和斜齿两种型号，有多种传动比可选，是满足所有机械工程要求的经济型解决方案。它们可与倍福的 AM8100 和 AS2000 产品配套使用。特殊的 AG1000 系列行星齿轮减速机可用于 AS1000 步进电机。

倍福可以为所有紧凑型驱动产品系列提供全面且匹配的附件。 运动控制软件产品为设备制造商提供高效支持，为他们的驱动解决方案选择和调试适合的硬件组件。