張立文，方江龍，周耀綱，梁德春

(1.上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 200093；2.上海電氣集團(tuán)中央研究院，上海 200070；3.德國(guó)倍福自動(dòng)化有限公司，上海200436)

基于TwinCAT軟件的EtherCAT診斷應(yīng)用

張立文1，方江龍2，周耀綱3，梁德春3

(1.上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 200093；2.上海電氣集團(tuán)中央研究院，上海 200070；3.德國(guó)倍福自動(dòng)化有限公司，上海200436)

針對(duì)EtherCAT現(xiàn)場(chǎng)總線中臨時(shí)從站關(guān)機(jī)插拔帶來(lái)的低效問(wèn)題，基于TwinCAT軟件提出一種支持實(shí)時(shí)檢測(cè)和反饋的可靠解決方案。在分析EtherCAT報(bào)文的基礎(chǔ)上，采用設(shè)置同步單元和分配工作狀態(tài)字的方法，以不影響其他設(shè)備EtherCAT通訊為前提，最大化地降低關(guān)機(jī)插拔對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的影響，縮減EtherCAT的整體診斷時(shí)間，提高生產(chǎn)效率，在現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)中具有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

EtherCAT；TwinCAT；實(shí)時(shí)檢測(cè)；同步單元

針對(duì)自動(dòng)化系統(tǒng)通訊發(fā)展的需求，傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)總線已不能滿(mǎn)足現(xiàn)階段高速、高精度、遠(yuǎn)距離傳輸?shù)囊?。為了?yīng)對(duì)這種情況，各大自動(dòng)化廠商提出了不同的解決方案，包括SERCOS3通訊協(xié)議、PROFINET通訊協(xié)議、EtherCAT通訊協(xié)議[1]等。這些都符合實(shí)時(shí)以太網(wǎng)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)[2-3]，因此，實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)是控制網(wǎng)絡(luò)未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)。

作為上述解決方案之一的EtherCAT是一種基于以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線通信協(xié)議和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，它摒棄原有以太網(wǎng)交換機(jī)的帶寬利用率低、堆棧延遲等諸多缺點(diǎn)，同時(shí)提高傳輸過(guò)程響應(yīng)速度、降低自動(dòng)化傳輸組件的成本，另一方面，支持多種物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)?；谶@些特點(diǎn)，EtherCAT技術(shù)被工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)廣泛接受，并進(jìn)入了高速發(fā)展期，大量符合EtherCAT通訊協(xié)議的產(chǎn)品正在接受考驗(yàn)，EtherCAT通訊診斷能力[4-5]對(duì)保障產(chǎn)品的正常運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。原因在于：一方面，診斷特性直接影響產(chǎn)品的可靠性；另一方面，可靠的診斷能力有利于增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)可用性，并縮短調(diào)試時(shí)間。而可靠的診斷能力主要包括錯(cuò)誤檢測(cè)和錯(cuò)誤定位。只有及時(shí)發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，并且快速精確地定位錯(cuò)誤原因和位置，才能夠在最短的時(shí)間內(nèi)將其排除。

在一些特殊的生產(chǎn)過(guò)程中，部分從站會(huì)被應(yīng)用在檢測(cè)局部控制網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境，這需要對(duì)這一部分的從站進(jìn)行頻繁插拔，而直接插拔對(duì)EtherCAT協(xié)議來(lái)說(shuō)，會(huì)認(rèn)為是設(shè)備出現(xiàn)故障，進(jìn)而導(dǎo)致從站無(wú)法接收新的指令。針對(duì)上述問(wèn)題，本文基于TwinCAT軟件設(shè)計(jì)一種EtherCAT通訊診斷的解決方案，在準(zhǔn)確識(shí)別通訊出錯(cuò)原因的基礎(chǔ)上，滿(mǎn)足從站設(shè)備的熱插拔[6-7]要求。

1 EtherCAT通訊原理及數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

EtherCAT通訊技術(shù)突破了其他以太網(wǎng)解決方案[8]的系統(tǒng)限制，即不需要接收以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包并將其解碼之后，再將過(guò)程數(shù)據(jù)復(fù)制到各個(gè)設(shè)備。它具有主從數(shù)據(jù)交換特性，由主站和從站配合完成工作，因而，EtherCAT非常適合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜的主從控制器之間的通訊。

EtherCAT的通訊原理示意如圖1所示，EtherCAT總線網(wǎng)段是一個(gè)可接收和發(fā)送以太網(wǎng)幀的大型以太網(wǎng)設(shè)備。但是，該“設(shè)備”不包含帶下游微處理器的單個(gè)以太網(wǎng)控制器，而只包含大量的EtherCAT從站。與其它任何以太網(wǎng)一樣，EtherCAT不需要通過(guò)交換機(jī)就可以建立通訊，因而產(chǎn)生一個(gè)純粹的EtherCAT系統(tǒng)。EtherCAT主站傳遞的數(shù)據(jù)幀包含了所有的I/O從站數(shù)據(jù)，每一個(gè)從站接收?qǐng)?bào)文，并在報(bào)文中提取命令或者插入反饋狀態(tài)字，然后將報(bào)文傳送給下一個(gè)從站設(shè)備，最后一個(gè)EtherCAT從站將經(jīng)過(guò)充分處理的報(bào)文返回，這樣該報(bào)文就作為一個(gè)響應(yīng)報(bào)文由第一個(gè)從站返回到主站。整個(gè)通訊過(guò)程在全雙工模式下，利用了以太網(wǎng)設(shè)備獨(dú)立處理雙向傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，報(bào)文只有幾納秒的時(shí)間延遲。

圖1 EtherCAT通訊原理

EtherCAT數(shù)據(jù)[9-10]是直接使用以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀傳輸，其中數(shù)據(jù)部分包括2 Byte的數(shù)據(jù)頭和44～1 498字節(jié)的數(shù)據(jù)區(qū)。數(shù)據(jù)區(qū)由一個(gè)或多個(gè)EtherCAT子報(bào)文組成，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，EtherCAT數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)如圖2所示，表1給出了EtherCAT數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)定義。

圖2 EtherCAT數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

名稱(chēng)含義備注Ethernet.H以太網(wǎng)幀頭包含目的地址、源地址、幀類(lèi)型接收方MAC地址,發(fā)送方MAC地址,0x88A4Len數(shù)據(jù)長(zhǎng)度EtherCAT數(shù)據(jù)區(qū)長(zhǎng)度1類(lèi)型表示與從站通信FCS幀校驗(yàn)序列WKC工作計(jì)數(shù)器記錄子報(bào)文被從站操作的次數(shù)Cmd命令尋址方式及讀寫(xiě)方式Idx索引幀編碼續(xù)表Address地址區(qū)從站地址R保留位M后續(xù)報(bào)文標(biāo)志IRQ狀態(tài)位中斷到來(lái)標(biāo)志

一般設(shè)備啟動(dòng)時(shí)，EtherCAT報(bào)文會(huì)按照順序?qū)ぶ返姆绞桨l(fā)送一個(gè)周期性的報(bào)文，報(bào)文在經(jīng)過(guò)每一個(gè)從站設(shè)備時(shí)，從站將通過(guò)EtherCAT.H子報(bào)文頭中Address地址區(qū)為自身更新設(shè)定地址。TwinCAT軟件通過(guò)使用以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀頭的MAC地址尋址到網(wǎng)段，然后使用EtherCAT子報(bào)文頭中的32位地址尋址到段內(nèi)設(shè)備，繼而得到硬件拓?fù)鋱D。

每一個(gè)EtherCAT子報(bào)文由子報(bào)文頭、數(shù)據(jù)域和相應(yīng)的工作計(jì)數(shù)器(WKC)組成。WKC記錄了子報(bào)文被從站操作的次數(shù)，主站為每個(gè)通訊服務(wù)子報(bào)文設(shè)置了預(yù)期的WKC。其中WKC對(duì)不同通訊服務(wù)的計(jì)數(shù)方式也是不同的，關(guān)于EtherCAT通信命令與WKC計(jì)數(shù)對(duì)方關(guān)系如表2所示。

表2 EtherCAT通信命令與WKC計(jì)數(shù)對(duì)方關(guān)系

子報(bào)文經(jīng)過(guò)某一個(gè)從站時(shí)，如果是單獨(dú)的讀或?qū)懖僮鳎琖KC加1，如果是讀寫(xiě)操作，讀成功WKC加1，寫(xiě)成功時(shí)WKC加2，讀寫(xiě)全部完成WKC加3；子報(bào)文由多個(gè)從站處理時(shí)，WKC是各個(gè)從站處理結(jié)果的累加。發(fā)送子報(bào)文的WKC初值為0，子報(bào)文被正確處理后，WKC的值將累加；同時(shí)，主站在發(fā)送子報(bào)文時(shí)，預(yù)先分析得出一個(gè)WKC的理論預(yù)期值，通過(guò)比較返回子報(bào)文中的WKC和理論預(yù)期值來(lái)判定子報(bào)文是否被正確處理，進(jìn)而判斷錯(cuò)誤原因并定位錯(cuò)誤源頭。

本文研究的EtherCAT診斷就是利用TwinCAT軟件處理返回主站的報(bào)文，檢查數(shù)據(jù)幀子報(bào)文中的各項(xiàng)數(shù)值來(lái)診斷EtherCAT是否報(bào)錯(cuò)，具體數(shù)值包括WKC、關(guān)鍵狀態(tài)字等。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

本實(shí)驗(yàn)是利用TwinCAT2軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)EtherCAT通訊過(guò)程的診斷。該TwinCAT2軟件是一款基于Windows系統(tǒng)，帶有實(shí)時(shí)核，同時(shí)集成硬件配置和軟件編寫(xiě)的軟件，實(shí)驗(yàn)中使用該軟件對(duì)EtherCAT設(shè)備做實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并且做硬件配置。

實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括：型號(hào)為CP6201的面板式工業(yè)PC，EK1100耦合器，I塊(兩個(gè)EL1004，兩個(gè)EL2024，兩個(gè)EL7041)，AX5203伺服驅(qū)動(dòng)器。

硬件連接的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

3 EtherCAT診斷的實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中是按照在EtherCAT網(wǎng)絡(luò)中，主站發(fā)出的報(bào)文按照拓?fù)漤樞蛲瓿梢惠喬幚聿⒎祷亟o主站后，TwinCAT軟件讀取并分析返回主站的報(bào)文這一過(guò)程進(jìn)行設(shè)計(jì)的，通過(guò)對(duì)比預(yù)期理論反饋值和實(shí)際結(jié)果，完成對(duì)整個(gè)EtherCAT通訊過(guò)程的診斷[11-12]，如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖

在TwinCAT軟件中按照系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖，根據(jù)不同CMD命令對(duì)應(yīng)的WC計(jì)數(shù)預(yù)期值，編寫(xiě)程序并創(chuàng)建HMI可視化界面。當(dāng)出現(xiàn)通訊報(bào)錯(cuò)，如圖5所示。

圖5 通訊報(bào)錯(cuò)HMI界面顯示

分析：從圖5得知，WcState值為120，轉(zhuǎn)化成為八進(jìn)制為0x78，CMD命令為8，即為全部丟失，這意味著報(bào)文發(fā)送過(guò)程的每一個(gè)CMD命令都沒(méi)有被成功接收。分析原因，當(dāng)主站識(shí)別從站缺失后，主站主動(dòng)拋棄這些報(bào)文數(shù)據(jù)，只反饋報(bào)錯(cuò)信息。同時(shí)可以看出，從站可正常通訊個(gè)數(shù)為4。根據(jù)設(shè)備拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖3所示，本次設(shè)備為串行拓?fù)錂C(jī)構(gòu)，可以分析出僅有分站1中模塊處于正常通訊狀態(tài)，但因?yàn)橹髡咀R(shí)別到從站缺失后會(huì)主動(dòng)拋棄反饋回來(lái)的所有報(bào)文數(shù)據(jù)，在子報(bào)文中的從站W(wǎng)cState返回信息也認(rèn)定為無(wú)效數(shù)據(jù)。所以TwinCAT軟件通過(guò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)逐個(gè)檢測(cè)從站的WcState，除EK1100耦合器不具有診斷功能外，其他帶有診斷功能的IO模塊全部都報(bào)錯(cuò)。分析結(jié)果：產(chǎn)生報(bào)錯(cuò)的原因——通訊線纜2出現(xiàn)故障，或者通訊線纜2接入分站2的EK1100端子耦合器的1口出現(xiàn)故障。

4 臨時(shí)從站的熱插拔解決方案

現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)當(dāng)中部分從站作為檢測(cè)分站，需要隨時(shí)插拔接入到控制網(wǎng)絡(luò)中的任何一個(gè)連接點(diǎn)上，它們不需要保持常連接的狀態(tài)。但是普通從站在設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)下，熱插拔會(huì)使EtherCAT通訊報(bào)錯(cuò)，如圖6所示，如果停止整臺(tái)設(shè)備后插拔，需再次啟動(dòng)檢查，則會(huì)大幅影響工作效率[13]。

前述實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，普通從站的熱插拔造成EtherCAT通訊報(bào)錯(cuò)，整臺(tái)設(shè)備無(wú)法繼續(xù)正常運(yùn)行?，F(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)中，第二排的IO模塊以及第三排的伺服驅(qū)動(dòng)器作為臨時(shí)分站，需要在運(yùn)行狀態(tài)下進(jìn)行插拔，同時(shí)不能影響其他設(shè)備的正常運(yùn)行。

針對(duì)這一要求，這里給出一種解決方案：將需熱插拔的分站模塊設(shè)置為同步單元Sync unit。

首先，劃分同步單元[14-15]。將分站1放在同步單元1內(nèi)，分站2以及AX5000伺服驅(qū)動(dòng)器放在同步單元 2內(nèi)。為了后續(xù)實(shí)驗(yàn)方便，這里設(shè)定同步單元2為臨時(shí)分站。設(shè)置同步單元成功后，CMD命令的WC預(yù)期值發(fā)生改變，并被分成兩組。

其次，對(duì)臨時(shí)分站(分站2)進(jìn)行熱插拔。TwinCAT軟件分析主站收到的報(bào)文給出的HMI界面如圖6所示，其中WcState值為960，轉(zhuǎn)化成為八進(jìn)制為0x03C0，即同步單元2中的數(shù)據(jù)幀全部被丟棄，同步單元1中的數(shù)據(jù)幀均正常反饋，換句話說(shuō)，分站1依然處于正常工作狀態(tài)。因此，臨時(shí)分站(分站2)的熱插拔未影響其他設(shè)備(分站1)的正常運(yùn)行。

第三步，再次接入臨時(shí)分站(分站2)。經(jīng)過(guò)一個(gè)PLC掃描周期后，所有從站的狀態(tài)字在HMI界面上顯示如圖10所示，熱插拔的臨時(shí)分站(分站2)再次正常運(yùn)行。

圖6 分站2熱插拔后的HMI界面

至此，臨時(shí)從站的熱插拔解決方案驗(yàn)證完畢。此方案尤其適用于現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模龐大、設(shè)備模塊數(shù)量繁多、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜的場(chǎng)合，不僅最大化地降低了關(guān)機(jī)插拔對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的影響，而且大幅縮減了EtherCAT診斷的時(shí)間。

5 結(jié)束語(yǔ)

工業(yè)以太網(wǎng)因其具有高可靠性、高時(shí)效性、高擴(kuò)展性以及低成本等特點(diǎn)，必將成為未來(lái)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的主流，在工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)際運(yùn)用中，EtherCAT診斷是不可以缺少的一部分。

本文在描述EtherCAT通訊原理和數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，基于TwinCAT軟件構(gòu)建了完整的EtherCAT診斷機(jī)制，主站僅需少量命令即可實(shí)現(xiàn)對(duì)從站的診斷；同時(shí)，根據(jù)EtherCAT的診斷特性，給出一種臨時(shí)從站的熱插拔解決方案，既能夠不影響其他設(shè)備的EtherCAT通訊，又避免了因關(guān)機(jī)插拔從站而引起的時(shí)間浪費(fèi)，一定程度上提高了現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的生產(chǎn)效率。

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EtherCAT Diagnois Base on TwinCAT

ZHANG Liwen1，F(xiàn)ANG Jianglong2，ZHOU Yaogang3，LIANG Dechun3

(1.School of Mechanical Engineering, University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093, China; 2. Shanghai Electric Central Research Institute, Shanghai 200070, China;3. Beckhoff Automation (Shanghai) Co., Ltd., Shanghai 200436, China)

Interim stations need to turn them off and plug on EtherCAT fieldbus, leading to poor efficiency. A reliable solution based on TwinCAT software that supports real-time detection and feedback is proposed. The frames of the EtherCAT are analyzed. The impact of shutdown and plug on the process of production is reduced by setting a synchronization unit and assigning working counter without affecting the communication of other EtherCAT equipment, thus faster EtherCAT diagnosis and higher efficiency of production.

EtherCAT; TwinCAT; real-time diagnosis; synchronization unit

2016- 04- 06

張立文(1991-)，女，碩士研究生。研究方向：數(shù)控 EtherCAT 自動(dòng)化。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.02.036

TP393.11

A

1007-7820(2017)02-138-04