劉艷強(qiáng)，黃 帥，馬秋霞

LIU Yan-qiang1, HUANG Shuai1, MA Qiu-xia2

（1. 北京航空航天大學(xué) 機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，北京 100191；2. 北京和利時(shí)電機(jī)有限公司，北京 100085）

基于工業(yè)以太網(wǎng)EtherCAT的DCS控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

Design of DCS system based on the industrial Ethernet ethercat

劉艷強(qiáng)1，黃 帥1，馬秋霞2

LIU Yan-qiang1, HUANG Shuai1, MA Qiu-xia2

（1. 北京航空航天大學(xué) 機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，北京 100191；2. 北京和利時(shí)電機(jī)有限公司，北京 100085）

EtherCAT是一種新型的工業(yè)以太網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，在工廠自動(dòng)化和流程自動(dòng)化領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。文章介紹EtherCAT現(xiàn)場(chǎng)總線的技術(shù)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一套基于EtherCAT的DCS實(shí)例系統(tǒng)。該系統(tǒng)中主控制器單元和現(xiàn)場(chǎng)輸入輸出設(shè)備之間使用EtherCAT實(shí)現(xiàn)高速、大容量的數(shù)據(jù)通信，并使用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)與中央控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

EtherCAT；工業(yè)以太網(wǎng)；DCS

0 引言

基于以太網(wǎng)的通訊系統(tǒng)已經(jīng)成為工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。其更快的通訊性能可以獲得更短、更緊湊的控制循環(huán)，更好的和更高的產(chǎn)品品質(zhì)。EtherCAT（Ethernet for Control Automation Technology）技術(shù)于2003年由德國(guó)BECKHOFF自動(dòng)化公司提出，2007年12月被國(guó)際電工委員會(huì)制定為IEC61158-12（Type12）國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，并在短短幾年內(nèi)獲得了巨大的發(fā)展。其更高的性能，更低的成本，靈活的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使得EtherCAT技術(shù)在工廠自動(dòng)化和流程自動(dòng)化領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用。

北京和利時(shí)電機(jī)技術(shù)有限公司和北京航空航天大學(xué)用EtherCAT通信實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層數(shù)據(jù)通信，開(kāi)發(fā)出DCS（Distributed Control System，集散型控制系統(tǒng)）系統(tǒng)設(shè)備層現(xiàn)場(chǎng)總線，可以大幅度提高DCS系統(tǒng)設(shè)備層現(xiàn)場(chǎng)總線的數(shù)據(jù)傳輸能力，并設(shè)計(jì)了一套實(shí)例系統(tǒng)。

圖1 EtherCAT工作原理圖

1 EtherCAT技術(shù)

EtherCAT使用主從模式介質(zhì)訪問(wèn)機(jī)制（MAC Media Access Control），主站發(fā)送以太網(wǎng)幀到各從站，數(shù)據(jù)幀遍歷所有的從站設(shè)備，如圖1所示。從站并不是存儲(chǔ)數(shù)據(jù)包之后再進(jìn)行處理，而是在數(shù)據(jù)幀傳輸?shù)倪^(guò)程中從數(shù)據(jù)幀中抽取數(shù)據(jù)或?qū)?shù)據(jù)插入數(shù)據(jù)幀，同時(shí)將數(shù)據(jù)幀傳輸?shù)较乱粋€(gè)EtherCAT從站。最后一個(gè)EtherCAT從站發(fā)回經(jīng)過(guò)完全處理的數(shù)據(jù)幀，并由第一個(gè)從站作為響應(yīng)報(bào)文發(fā)送給控制單元。整個(gè)過(guò)程只有幾納秒的延遲。

EtherCAT數(shù)據(jù)直接使用以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀傳輸，數(shù)據(jù)幀使用以太類(lèi)型0x88A4，也可以用UDP/ IP協(xié)議格式數(shù)據(jù)傳輸EtherCAT數(shù)據(jù)，使用UDP端口0x88A4。EtherCAT數(shù)據(jù)包括2個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)頭和44～1498字節(jié)的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)區(qū)由一個(gè)或多個(gè)EtherCAT子報(bào)文組成，報(bào)文結(jié)構(gòu)如圖2所示。

每個(gè)子報(bào)文對(duì)應(yīng)獨(dú)立的設(shè)備或從站存儲(chǔ)區(qū)域，包括子報(bào)文頭、數(shù)據(jù)域和相應(yīng)的工作計(jì)數(shù)器（WKC，Working Counter）。子報(bào)文結(jié)構(gòu)如圖3所示。子報(bào)文結(jié)構(gòu)定義如表1所示。

圖2 EtherCAT數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

圖3 子報(bào)文結(jié)構(gòu)

表1 子報(bào)文結(jié)構(gòu)定義

EtherCAT主站可由PC計(jì)算機(jī)或者其它嵌入式計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)，使用PC計(jì)算機(jī)構(gòu)成EtherCAT主站時(shí)，通常用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)網(wǎng)卡NIC（Network Interface Card）作為主站硬件接口。主站功能一般由軟件實(shí)現(xiàn)。從站使用專(zhuān)門(mén)的EtherCAT從站控制器ESC（EtherCAT Slave Controller）。借助于從站中的EtherCAT專(zhuān)用芯片和主站中讀取網(wǎng)卡數(shù)據(jù)的DMA（Direct Memory Access， 直接存儲(chǔ)器訪問(wèn)）技術(shù)，整個(gè)協(xié)議處理過(guò)程都在硬件中進(jìn)行。EtherCAT主站最多可以在30μs內(nèi)刷新1000個(gè)I/O點(diǎn)，可以在300μs內(nèi)交換一幀多達(dá)1486個(gè)字節(jié)的協(xié)議數(shù)據(jù)，這相當(dāng)于12000個(gè)數(shù)據(jù)量的輸入輸出?？刂?00個(gè)輸入輸出數(shù)據(jù)均為8字節(jié)的伺服軸只需用100μs。EtherCAT的數(shù)據(jù)幀處理機(jī)制允許在EtEtherCAT網(wǎng)段內(nèi)的任一位置使用分支結(jié)構(gòu)，同時(shí)不打破邏輯環(huán)路。分支結(jié)構(gòu)可以構(gòu)成各種物理拓?fù)?，如線型、樹(shù)型、星型、菊花鏈型，以及各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的組合。

EtherCAT物理層使用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)物理層器件，如100BASE-TX雙絞線，100BASE-FX光纖或LVDS（Low Voltage Differen-Tial Signaling，低壓差分信號(hào)傳輸）。使用100BASE-TX電纜時(shí)站間距離可以達(dá)到100米，而LVDS的物理層只能保障10米的傳輸間距。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)最多可以連接65535臺(tái)設(shè)備，可以認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)的容量是無(wú)限的。

2 基于EtherCAT的DCS演示系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該DCS遵循經(jīng)典DCS的硬件體系結(jié)構(gòu)，分為中央控制器、主控制器單元和輸入輸出設(shè)備三層硬件網(wǎng)絡(luò)。其中，中央控制器作為人機(jī)接口(Human Machine Interface, HMI)設(shè)備，可以管理和操作整個(gè)控制系統(tǒng)；主控制器單元（Main Control Unit, MCU）包括了EtherCAT主站功能，向輸入輸出設(shè)備發(fā)送控制指令、采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)并與中央控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；輸入輸出設(shè)備，即EtherCAT從站，分別具有控制不同現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的能力，包括I/O開(kāi)關(guān)量控制、伺服電機(jī)控制和模擬量輸入輸出控制。中央控制器與主控制器單元間的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)Ethernet完成通信，實(shí)現(xiàn)面向DCS的集成要求；主控制器單元與現(xiàn)場(chǎng)的輸入輸出設(shè)備間的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層采用EtherCAT總線技術(shù)，可以進(jìn)行具有實(shí)時(shí)處理性能的高速大容量通信控制。

圖4 演示系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

2.1 主控制器(EtherCAT主站)

主控制器單元是現(xiàn)場(chǎng)控制站的中央處理單元，實(shí)現(xiàn)演示系統(tǒng)中EtherCAT的主站功能。主控制器使用嵌入式計(jì)算機(jī)PCM-3353采用LX800/500MHz處理器，擁有512 MB內(nèi)存空間，承擔(dān)輸入輸出設(shè)備的控制邏輯運(yùn)算等任務(wù)。主站功能完全由軟件實(shí)現(xiàn)。其主要任務(wù)有：

1）控制任務(wù)：主要實(shí)現(xiàn)用戶程序功能，完成用戶規(guī)定的功能，輸入初始化時(shí)需要設(shè)置的設(shè)備參數(shù)，輸入控制數(shù)據(jù)，進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。并且輸出設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)，返回設(shè)備運(yùn)行結(jié)果；

2）設(shè)備描述：用XML語(yǔ)言描述的從站設(shè)備運(yùn)行環(huán)境，比如從站是以微處理器方式還是以I/O方式等，以及系統(tǒng)配置；

3）系統(tǒng)配置工具：調(diào)用設(shè)備描述，生成過(guò)程映像區(qū)描述的XML文件，以供給控制任務(wù)調(diào)用。并且生成網(wǎng)絡(luò)描述文件，發(fā)送給主站硬件。

2.2 輸入輸出設(shè)備(EtherCAT從站)

輸入輸出設(shè)備完成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集和輸出現(xiàn)場(chǎng)的控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)EtherCAT總線內(nèi)從站與主控制器單元的通信。

從站控制器ESC(EtherCAT Slave Controller)使用BECKHOFF公司開(kāi)發(fā)的ASC從站控制專(zhuān)用芯片ET1100。輸入輸出設(shè)備使用了兩種ESC工作方式，分別是I/0方式和微處理器方式，可以根據(jù)實(shí)際需要設(shè)計(jì)從站設(shè)備。如圖5所示從站硬件原理圖。I/O方式不需要接入微處理器，ESC控制器直接與I/O端子相連，I/O數(shù)據(jù)直接映射到ESC的內(nèi)存空間，刷新速度非?？?。分段伺服電機(jī)控制從站采用微處理器方式，由單片機(jī)通信驅(qū)動(dòng)程序操縱ESC器件實(shí)現(xiàn)從站通信功能，由單片機(jī)應(yīng)用程序同時(shí)控制兩臺(tái)伺服電機(jī)完成定位功能。分段模擬量輸入輸出從站樣機(jī)硬件原理及實(shí)物與伺服電機(jī)控制從站相同，采用微處理器方式，由單片機(jī)應(yīng)用程序控制AD接口及DA外圍器件完成模擬信號(hào)的輸入輸出，實(shí)現(xiàn)控制模擬量輸入輸出設(shè)備。

圖5 從站硬件原理圖

2.3 中央控制器

中央控制器涵蓋了演示、計(jì)算、顯示和發(fā)送控制數(shù)據(jù)等功能。DCS演示系統(tǒng)包括I/O從站、伺服電機(jī)控制從站和模擬量輸入輸出從站各1臺(tái)，其顯示窗口如圖6所示。

I/O從站顯示窗口完成8位數(shù)字量輸出控制以及8位數(shù)字量輸入顯示。伺服電機(jī)控制從站窗口完成對(duì)兩臺(tái)伺服電機(jī)的定位控制。窗口顯示電機(jī)當(dāng)前位置及電機(jī)在位、報(bào)警狀態(tài)。模擬量輸入輸出從站窗口顯示了現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的模擬量輸入值。

3 結(jié)束語(yǔ)

近年來(lái)隨著工業(yè)通訊控制技術(shù)的不斷發(fā)展，EtherCAT已逐漸成為工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的主流。該DCS實(shí)例系統(tǒng)的設(shè)備層現(xiàn)場(chǎng)總線選擇了EtherCAT工業(yè)以太網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，開(kāi)發(fā)了以太網(wǎng)主、從站通信驅(qū)動(dòng)程序，自主開(kāi)發(fā)和研究了軟、硬件技術(shù)，提升了DCS系統(tǒng)水平。

圖6 演示系統(tǒng)界面

[1] EtherCAT技術(shù)協(xié)會(huì).EtherCAT 控制自動(dòng)化技術(shù)以太網(wǎng)[J].可編程控制器與工廠自動(dòng)化,2007,4:18.

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TP311

A

1009-0134(2010)11(上)-0021-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2010.11(上).07

2010-04-26

國(guó)家863計(jì)劃資助項(xiàng)目（2007AA004Z176）

劉艷強(qiáng)（1980 - ），男，山西呂梁人，講師，博士，研究方向?yàn)殚_(kāi)放式控制系統(tǒng)的軟硬件平臺(tái)技術(shù)和用于數(shù)字伺服傳動(dòng)技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)總線和實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)（EtherCAT）技術(shù)研究。