湯 輝，劉 喆

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所 機(jī)械傳動(dòng)與控制工程實(shí)驗(yàn)室，合肥 230088)

實(shí)時(shí)以太網(wǎng)EtherCAT在某大型機(jī)動(dòng)雷達(dá)伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用

湯 輝，劉 喆

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所 機(jī)械傳動(dòng)與控制工程實(shí)驗(yàn)室，合肥 230088)

對EtherCAT總線技術(shù)在某大型機(jī)動(dòng)雷達(dá)自動(dòng)架設(shè)系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行了描述。與傳統(tǒng)總線技術(shù)相比，列舉了EtherCAT的特點(diǎn)及系統(tǒng)需求，并對EtherCAT的環(huán)網(wǎng)冗余技術(shù)及時(shí)鐘同步技術(shù)進(jìn)行了分析。著重介紹了該自動(dòng)架設(shè)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法、功能組成和EtherCAT的組網(wǎng)方法。所討論的內(nèi)容和涉及的方法均來源于實(shí)際工程系統(tǒng)，對自動(dòng)架設(shè)控制系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)人員具有一定的參考價(jià)值。

EtherCAT；冗余環(huán)網(wǎng)；時(shí)鐘同步

0 引 言

目前，地面機(jī)動(dòng)雷達(dá)伺服系統(tǒng)普遍采用CAN總線用于數(shù)據(jù)傳輸，克服了傳統(tǒng)的如RS232、RS485、RS422等串行接口方式傳輸距離短、速率低、不具備硬件故障診斷功能等缺點(diǎn)，為雷達(dá)總線型伺服系統(tǒng)中可靠穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸發(fā)揮了重要作用。但是，隨著大型地面機(jī)動(dòng)雷達(dá)的規(guī)模不斷增大，對伺服系統(tǒng)的點(diǎn)數(shù)和數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性要求都提出了更高的要求，外部傳感器的輸出信號數(shù)量、種類以及物理布局都具有較大的隨機(jī)性，伺服驅(qū)動(dòng)以及速度、位置閉環(huán)數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性更是伺服高性能實(shí)現(xiàn)的保證。而CAN總線最高數(shù)據(jù)率1Mbps、不具備時(shí)鐘同步和環(huán)路冗余的缺陷，以及現(xiàn)場總線的多樣性給總線設(shè)備的統(tǒng)一性和可維護(hù)性帶來的困難，導(dǎo)致了CAN總線在雷達(dá)伺服系統(tǒng)中應(yīng)用的局限性。

工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)成為工業(yè)控制領(lǐng)域中的一個(gè)研究熱點(diǎn)，其中EtherCAT(Ethernet for Control Automation Technology)是開放的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)通信協(xié)議。它基于標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)技術(shù)，支持多種設(shè)備連接拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，具有配置簡單、有效數(shù)據(jù)率高、全雙工、數(shù)據(jù)傳輸容量大、傳輸速度快、時(shí)鐘同步性高、成本低、開放性好等特點(diǎn)，是一種用于工業(yè)自動(dòng)化的實(shí)時(shí)、高速以太網(wǎng)通信協(xié)議。

1 EtherCAT特點(diǎn)及系統(tǒng)總體需求分析

EtherCAT將底層通信協(xié)議嵌入硬件中實(shí)現(xiàn)，大大減少了操作系統(tǒng)、CPU資源的占用，使得應(yīng)用軟件在現(xiàn)有軟硬件平臺(tái)下發(fā)揮最大性能。EtherCAT采用了基于IP組播通信的IEEE1588時(shí)間同步機(jī)制，其采用的“主時(shí)鐘”、“從時(shí)鐘”能夠提供信號誤差在1 μs內(nèi)的精確時(shí)鐘基準(zhǔn)。EtherCAT技術(shù)信號處理速率非常高，在30 μs內(nèi)能夠完成1 000個(gè)I/O節(jié)點(diǎn)刷新，一個(gè)以太網(wǎng)幀每次最多可以完成1 468個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)傳輸，而完成這樣數(shù)據(jù)量的傳輸僅需300 μs。數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和巨大的帶寬資源實(shí)現(xiàn)了很好的結(jié)合，突破了以往實(shí)時(shí)性網(wǎng)絡(luò)帶寬資源的瓶頸。

某大型機(jī)動(dòng)式雷達(dá)自動(dòng)架設(shè)系統(tǒng)復(fù)雜，共涉及到150個(gè)開關(guān)量輸入點(diǎn)、70個(gè)開關(guān)量輸出點(diǎn)，以及10路模擬輸入信號和4路編碼器信號、4路伺服驅(qū)動(dòng)。系統(tǒng)采用EtherCAT作為數(shù)據(jù)傳輸總線，其系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。以嵌入式PC為EtherCAT主站，通信鏈路中的人機(jī)操作設(shè)備、伺服設(shè)備以及編碼器、遠(yuǎn)程I/O數(shù)據(jù)采集模塊均為EtherCAT從站。該系統(tǒng)不僅對4路伺服驅(qū)動(dòng)的同步控制精度要求較高，對于外部遠(yuǎn)程各類傳感器的信號采集更新率也提出了毫秒級的需求，通過EtherCAT實(shí)時(shí)以太網(wǎng)鏈路的運(yùn)行，完全能夠滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的要求。

圖1 某大型機(jī)動(dòng)式雷達(dá)伺服系統(tǒng)EtherCAT總線架構(gòu)

2 通訊鏈路可靠性設(shè)計(jì)

在總線系統(tǒng)中，單點(diǎn)故障會(huì)造成系統(tǒng)癱瘓，所以通信鏈路的冗余設(shè)計(jì)也越來越受到重視。無論RS422、RS485等串口連接形式，還是CAN通訊，由于其支持的拓?fù)漕愋蛦我?，無法實(shí)現(xiàn)通信鏈路的冗余設(shè)計(jì)，造成控制系統(tǒng)的可靠性無法保證。EK1100是嵌入式PC專門用于組建環(huán)網(wǎng)冗余的具有自動(dòng)環(huán)回功能的通訊模塊，通過它組建的具有雙向環(huán)結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)，可以使信息流在網(wǎng)中沿固定方向流動(dòng)時(shí)，當(dāng)環(huán)型結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)一個(gè)節(jié)點(diǎn)故障而造成的網(wǎng)路故障時(shí)，信息流在斷點(diǎn)處自動(dòng)環(huán)回，保證了通訊鏈路的正常工作。同時(shí)上報(bào)故障節(jié)點(diǎn)信息，以幫助及時(shí)在線排除節(jié)點(diǎn)故障，其環(huán)路連網(wǎng)示意如圖2。[1-2]

3 時(shí)鐘同步設(shè)計(jì)

雙電機(jī)同步驅(qū)動(dòng)或多電機(jī)同步驅(qū)動(dòng)技術(shù)在雷達(dá)伺服控制系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越廣泛。在本文討論的雷達(dá)系統(tǒng)中，要求伺服控制系統(tǒng)完成12 m×16 m天線的雙級雙機(jī)同步舉高驅(qū)動(dòng)，且天線背架剛性較弱。為了保證天線單元及行骨架的位置精度，對雙機(jī)驅(qū)動(dòng)的同步精度提出了較高的要求(同步誤差≤2 mm)。系統(tǒng)采用主從控制模式，形成位置和速度雙閉環(huán)控制回路，其控制原理如圖3所示。為了保證閉環(huán)控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度以及對位置誤差的采樣頻率，要求控制器與伺服驅(qū)動(dòng)器之間的通訊速率較高。

圖2 EtherCAT環(huán)行冗余結(jié)構(gòu)

圖3 雙機(jī)驅(qū)動(dòng)同步控制系統(tǒng)原理

EtherCAT采用分布式時(shí)鐘技術(shù)實(shí)現(xiàn)從站點(diǎn)之間的精確時(shí)鐘同步，特別適用于本系統(tǒng)中驅(qū)動(dòng)同步和角度數(shù)據(jù)采集精確同步的要求。每個(gè)EtherCAT從站都有一個(gè)獨(dú)立運(yùn)行的硬件時(shí)鐘源，所有從站的本地時(shí)鐘相對于系統(tǒng)參考時(shí)鐘各有獨(dú)立的偏移和漂移誤差，經(jīng)過主站的同步算法補(bǔ)償后實(shí)現(xiàn)從站之間精確時(shí)鐘同步。分布式時(shí)鐘技術(shù)保證了遠(yuǎn)程站點(diǎn)端子之間的同步時(shí)間誤差小于1 μs。[3-4]

4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

自動(dòng)架設(shè)系統(tǒng)是機(jī)動(dòng)雷達(dá)的關(guān)鍵系統(tǒng)之一，其設(shè)計(jì)的質(zhì)量直接決定了該雷達(dá)的機(jī)動(dòng)性與戰(zhàn)場的生存能力，而高性能的伺服控制系統(tǒng)則是自動(dòng)架設(shè)系統(tǒng)高效、穩(wěn)定運(yùn)行的重要保障。本文討論的設(shè)計(jì)對象為某大型米波機(jī)動(dòng)雷達(dá)，其較大的天線尺寸和重量決定了伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)體量超過了以往的自動(dòng)架設(shè)系統(tǒng)，控制系統(tǒng)組成如圖4所示。[5]

圖4 某大型米波機(jī)動(dòng)雷達(dá)自動(dòng)架設(shè)控制系統(tǒng)組成

控制系統(tǒng)在物理布局上分為兩部分，分別布置于平臺(tái)和天線。網(wǎng)絡(luò)布局則是組成了一個(gè)大的環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，通過千兆匯流環(huán)完成固定與旋轉(zhuǎn)部分網(wǎng)絡(luò)的鏈接?？梢钥闯觯啾扔谝酝腃AN網(wǎng)絡(luò)，EtherCAT網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)涓屿`活。由于不需要設(shè)置終端電阻且是環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，允許在任意節(jié)點(diǎn)插入或刪除從站站點(diǎn)而無需整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的重新配置。這一特點(diǎn)對于大型系統(tǒng)的調(diào)試尤其是樣機(jī)研制非常有幫助，允許工程師在調(diào)試現(xiàn)場根據(jù)實(shí)裝需要方便的進(jìn)行檢測點(diǎn)的增加與刪除。

5 軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)

圖5為某大型米波機(jī)動(dòng)雷達(dá)自動(dòng)架設(shè)控制系統(tǒng)軟件架構(gòu)。

伺服控制系統(tǒng)以TwinCAT 2作為開發(fā)軟件，編程語言是IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)化文本(ST，Struct Text)。軟件結(jié)構(gòu)是標(biāo)準(zhǔn)的分任務(wù)循環(huán)結(jié)構(gòu)。整個(gè)軟件系統(tǒng)包含若干個(gè)Task(任務(wù))。所有的Task都是按照設(shè)定的周期循環(huán)執(zhí)行。每一個(gè)Task都有特定的優(yōu)先級和循環(huán)周期。伺服控制系統(tǒng)的所有邏輯功能模塊都被設(shè)置在特定的Task中。重要的邏輯功能模塊要被設(shè)置在優(yōu)先級高的Task中。在每一個(gè)Time Base的起點(diǎn)，CPU按優(yōu)先級由高到低的順序依次掃描每個(gè)任務(wù)，根據(jù)任務(wù)的周期決定是否執(zhí)行該任務(wù)。掃描到?jīng)]有啟用和還沒有到執(zhí)行周期的任務(wù)，就跳轉(zhuǎn)到下一個(gè)任務(wù)。

圖5 某大型米波機(jī)動(dòng)雷達(dá)自動(dòng)架設(shè)控制系統(tǒng)軟件架構(gòu)

軟件系統(tǒng)被分為4個(gè)Task，分別為Level1～4，它們的優(yōu)先級以此遞減。與平臺(tái)和天線架設(shè)、驅(qū)動(dòng)控制直接相關(guān)的邏輯控制模塊都被設(shè)置在優(yōu)先級最高的Level1的Task中，每10ms循環(huán)執(zhí)行一次。警鈴、按鍵、通信、報(bào)警等次要的邏輯控制模塊被設(shè)置在了Level2的Task中，每20ms執(zhí)行一次。通信的背景程序被設(shè)置在Level3的Task中，每10ms執(zhí)行一次。模塊狀態(tài)掃描等最不關(guān)鍵的功能塊被設(shè)置在Level4的Task中，每100ms執(zhí)行一次。

6 結(jié)束語

隨著機(jī)動(dòng)雷達(dá)規(guī)模的不斷增大，對自動(dòng)架設(shè)控制系統(tǒng)運(yùn)行的效率、布局的可擴(kuò)展性以及系統(tǒng)規(guī)模都提出了較高的要求?；趯?shí)時(shí)以太網(wǎng)協(xié)議的EtherCAT總線，克服了以往現(xiàn)場總線諸多的弊端，能夠充分發(fā)揮其運(yùn)行的實(shí)時(shí)性、可靠性以及拓?fù)湫詮?qiáng)等特點(diǎn)。筆者結(jié)合自己多年的工程經(jīng)驗(yàn)，以某雷達(dá)裝備應(yīng)用為例，對EtherCAT的應(yīng)用特點(diǎn)進(jìn)行了系統(tǒng)性的介紹和分析，尤其對于系統(tǒng)中涉及到的網(wǎng)絡(luò)布局以及冗余組網(wǎng)等實(shí)際工程問題的討論，對于相關(guān)工程技術(shù)人員具有一定的借鑒和參考意義。

[1] 郁極，肖文磊，等.工業(yè)以太網(wǎng)EtherCAT冗余和熱插拔技術(shù)[J]. 北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，35(2)：158-161.

[2] 王國河，李偉光. EtherCAT冗余技術(shù)在多軸網(wǎng)絡(luò)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用研究[J]. 組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2012(1)：58-61.

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Application of real-time Ethernet EtherCAT in servo system of a large maneuvering radar

TANG Hui, LIU Zhe

(Laboratory of Mechanical Transmission and Control Engineering,No. 38 Research Institute of CETC, Hefei 230088)

The application of the EtherCAT but technology in the auto-erecting system of a large maneuvering radar is described. Compared with the conventional bus technologies, the features and system requirements of the EtherCAT are discussed, and the redundancy ring network technology and the clock synchronization technology of the EtherCAT are analyzed. In addition, the design method, functions and composition of the auto-erecting control system as well as the networking method of the EtherCAT are introduced empathetically. The contents discussed and the methods involved come from the actual engineering systems, which have certain reference value for the engineering designers of the auto-erecting control system.

EtherCAT; redundancy ring network; clock synchronization

TP271

A

1009-0401(2017)04-0058-04

2017-09-22；

2017-10-20

湯輝(1980-)，男，高級工程師，碩士，研究方向：事雷達(dá)伺服系統(tǒng)研制開發(fā)；劉喆(1985)，男，高級工程師，博士，研究方向：雷達(dá)伺服控制技術(shù)。