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

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Ethe疋AT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，BPEtherCAT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XIⅥL語言描述的從站設(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公司開發(fā)的ASC從站控制專用芯片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DAUb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。

圖6 演示系統(tǒng)界面

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

近年來隨著工業(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)，開發(fā)了以太網(wǎng)主、從站通信驅(qū)動(dòng)程序，自主開發(fā)和研究了軟、硬件技術(shù)，提升了DCS系統(tǒng)水平。