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

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(Typel2)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)。

1 EtherCAT技術(shù)

EtherCAT使用主從模式介質(zhì)訪問機(jī)制(MAC Media Access Contr01)，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^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)過程只有幾納秒的延遲。

圖1 EtherCAT工作原理圖

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。

圖2 EtherCAT數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

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)。從站使用專門的EtherCAT從站控制器ESC(EtherCAT Slave Controller)。借助于從站中的EtheTCAT專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)技術(shù)，整個(gè)協(xié)議處理過程都在硬件中進(jìn)行。EtherCAT主站最多可以在30 u s內(nèi)刷新1000個(gè)I／O 2．1主控制器(EtherCAT主站)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、樹型、星型、菊花鏈型，以及各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的組合。