基于EtherCAT和Linux的工业以太网的现场控制系统主站设计与应用研究

发布时间：2014-12-31 10:16

 

【摘要】 随着网络技术的飞速发展和以工业以太网为典型的新型现场总线技术的迅速蔓延为生产自动控制网络化奠定了基础。其中基于EtherCAT的工业以太网总线以其网络拓扑结构灵活、系统配置简单、数据传输高速高效,以及实现成本低廉等特点成为当今和未来工业以太网技术发展的方向。开展基于EtherCAT,总线相关接口技术的研究开发,对于提升我国工业自动化水平具有重要的现实意义。本论文以基于EtherCAT工业以太网现场控制系统为研究背景,重点研究EtherCAT总线协议,主站控制系统架构,软硬件设计和系统测试方法等几个方面。本文首先对工业以太网的研究现状和发展情况进行介绍,阐述了工业以太网和EtherCAT,总线的工作原理,并深入分析了EtherCAT,总线协议。接着,详细分析系统的总体结构,将EtherCAT工业以太网与ARM嵌入式技术相结合,提出了基于EtherCAT主站系统的硬件设计方案,对主站电路原理图的各个功能单元关键技术和设计进行详细的论述,并最终完成了主站系统的PCB局布线设计。在硬件设计过程中增加了EMC方面的设计,提高了系统性能的稳定性。然后,提出了基于Linux操作系统的实时控制系统的架构,详细阐述EtherCAT主站系统软件方面设计,介绍软件系统的开发平台和系统结构。分析了EtherCAT主站与从站之间通讯的实现机理,通过对应用层模块进行开发,完成系统的软件设计。最后,在软硬件完成的基础上搭建测试平台,选用BECKHOFF公司所生产的EtherCAT,总线耦合器BK1120和I/O模块(KL2809、KL1809)组成从站系统,与本课题所设计的EtherCAT的主站模块组成整套系统,并进行测试和结果分析。最终实验结果表明：EtherCAT主站软硬件设计符合设计要求。 

1绪论

1.1课题的研究背景及意义
随着控制技术、计算机技术、通信技术以及网络技术的发展，以太网以其传输速率高、数据量大、应用广泛、技术成熟、兼容性和开放性好等优点，弥补了传统现场总线的缺陷。从信息集成的角度出发，将现场总线与以太网相结合是企业实现“管控一体化”的最好方案。经过多年的努力，目前以太网技术已经广泛应用于工业自动化系统。其中，以基于普通工业以太网基础上延伸而来的实时以太网技术的不断完善和标准化，实时工业以太网总线技术己成为当前工业现场总线技术的一个重要发展方向。工业以太网与传统的控制网络相比，工业以太网具有更广泛的应用性、丰富的软硬件资源，并且其支持所有的编程语言。另外基于工业以太网的控制系统、以通过简单的网络设备进行组网，可实现工业控制网络与办公自动化网络的无缝对接。在工业控制领域，工业以太网技术己经成为一个热门的研究课题。目前世界上比较成熟的工业以太网标准如下：Modbus/TCP、EtherNet/IP、Profmet、Powerlink、EtherCAT 以及我国研制的EPA 等。其中 EtherCAT(Ethemet for Control Automation Technology)标准总线以其卓越的优点正获得越来越多的产品研发人员的青睐，该工业以太网标准是由德国BECKHOFF自动化公司开发设计的。
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1.2国内外研究现状

1.2.1工业以太网研究现状
国际电工委员会IEC幵始修订实时以太网(real-timeethemet, RTE)标准，目的在于推动工业控制领域的以太网通信技术的全面应用国外的企业及研究机构早在1995年左右就开始了对工业以太网的研究，然而国内对工业以太网技术的研究才刚刚幵始，目前也只是处于理论阶段。世界上成立了许多关于工业以太网的行业协会和组织，在欧洲，成立了以推广Ethernet在工业自动化领域和嵌入式系统领域的应用为目的联盟IANOA。在美国，成立了工业以太网协会（IndustrialEthernet Association，lEA ),其目的在于推动建立工业控制领域的以太网通讯标准；目前，世界上各大公司以及标准组织所提出工业以太网标准协议主要有：Modbus/TCP、EtherNet/IP、ProfiNET、EtherCAT 以及我国研制的 EPA 等。我国于2005年02月自主研发的实时以太网EPA通信协议Real lime Ethemet EPA(Ethemet for Plant Automation)顺利通过IEC各国家委员会的投票，正式成为lEC/PAS62409文件。在国家863计划的支持下，幵展了 EPA( ethemet for plant automation)技术的研究，由浙江大学、中国科学院沈阳自动化研究所、清华大学、大连理工等单位联合成立的工作组，经过3年多的努力，以高效、稳定、标准的以太网和UDP/1P协议的确定性通信调度策略为基础，将大量成熟网络信息技术应用于工业现场设备之间通讯[4],为适用于现场设备的实时工作建立起了一种全新的标准。
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2 EtherCAT工业以太网总线技术介绍

2.1工业以太网
工业以太网，一般是指在技术上兼容商用以太网，但在设计相关产品时两者是有所区别的，对于材料、产品的强度、实时性、互操作性、可靠性、抗干扰性、本质安全性和适用性等方面要能满足工业现场需求。工业以太网开始在控制层网熬中逐渐占据主流位置，并且滲透到现场设备层网络[7~9]。工业以太网有以下几点技术优势：
(1)以太网是一种全幵放、全数字化的网络，根据网络协议可以实现在水平层面上集成不同厂商的网络设备；
(2)以太网可以实现控制网络与企业信息网络在垂直方向上的集成，形成企业级管控一体化的全开放网络；
(3)通信速率高，当前广泛使用10M和100M快速以太网能够满足企业信息系统对通信网络带宽和性能要求。在许多情况下，现场总线已经无法满足传输要求。目前千兆以太网技术己经逐渐成熟，并开始适用，10G以太网也正在研究当中。
(4)可持续发展潜力大，用户在技术升级方面可以共享资源，而无需独自的研究投入，相比较，任何现有的现场总线技术都是无法达到的。
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2.2 EtherCAT总线技术
EtherCAT (Ethernet for Control Automation Technology)作为一种更为新型超高速总线，是2003年由德国BECHHOFF公司推出的一种可直达I/O层的实时以太网技术[13]。EtherCAT为系统以其高实时性和灵活的拓扑结构为现场总线建立了新的标准，缩减了现场总线的使用成本。EtherCAT总线适用性非常广泛，任何带有标准以太网芯片的控制单元都可以作为EtherCAT主站。EtherCAT总线有灵活的拓扑结构、数据传输量大，高效高速，实时性强等突出特点。数据刷新周期短，可用于工业的现场的实时控制，1000个分布式I/O数据的刷新时间仅为30tis，与100个伺服轴的通讯只需10(Hxs，另外分布式时钟技术保证了轴与轴之间的同步时间偏差小于1微秒，因此非常适用作伺服技术中闭环控制[16]。EtherCAT能实现从最高层管理层到最底层设备接口信息的无缝连接，不但能实现各个设备之间的实时采样数据的髙效交换,而且能满足基于PC机实时控制的技术要求，因此，非常适用于过程数据的优化传输。
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3 ETHERCAT控制器主站系统硬件设计....... 16
3.1系统的总体结构....... 16
3.2主站控制器的硬件电路原理图设计....... 16
3.3 PCB 布局....... 34
3.4PCB 布线 .......35
3.5系统EMC设计....... 37
3.6本章小结 .......37
4 ETHERCAT控制器主站系统软件设计....... 38
4.1软件系统幵发平台.......38
4.2主站软件系统结构....... 38
4.3主站软件具体实现方式 .......40
4.4主站状态 .......41
4.5数据帧通讯管理....... 43
4.6应用程序开发....... 44
4.6.1主站和从站的配置....... 44
4.6.2周期任务的实现....... 46
4.7本章小结 .......46
5系统测试与实验....... 47
5.1系统功能要求和设计指标....... 47
5.2实验平台搭建....... 47
5.3实验步骤及结果分析....... 49
5.4本章小结 .......51

5系统测试与实验

5.1系统功能要求和设计指标
通过本课题所设计的EtherCAT主站与BECKHOFF公司所生产的EtherCAT总线耦合器和数字量输入输出模块组成测试平台。主从站之间进行通讯从而控制数字量输出模块输出数字量信号。使用抓包工具WireShark,抓取主站与从站之间通讯的数据包，分析主从站之间是否能正常通讯。另外通过使用PC机上所安装的OPC软件，可以直接获取相关的系统重要设备信息如CPU使用率、数据处理时间和扫描周期等等。其中EtherCAT主站为本课题所设计的产品，EtherCAT从站选用的是德国倍福公司所生产的EtherCAT总线耦合器BK1120,数字量输出模块KL2809和数字量输入模块KL1809所组成的从站系统。通过主站与从站之间的实时通讯，从而可以实现控制数字信号输出和检测数字信号的输入。因此可以通过此实验进一步验证本课题所设计产品的控制通信功能和产品实时性操作的性能。
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结论

本文首先介绍了课题的研究背景，引出工业以太网的研究现状。其次，通过分析EtherCAT总线的实现机理，深入研究了 EtherCAT系统组成，数据帧结构、报文寻址、通讯管理以及状态机。接着详细介绍了 EtherCAT主站模块的软硬件系统的设计，并完成硬件和软件的设计。最后通过实验，近一步验证了系统设计的效果，并通过最终的结果分析，设计的产品符合EtherCAT协议规程。本文主要完成了一下几个方面的工作：
1.深入研究了 EtherCAT总线技术，笔耕文化推荐期刊，分析了主从系统结构以及主从通讯的实现机理。
2.通过将ARM嵌入式技术与EtherCAT总线技术相结合，完成了 EtherCAT主站硬件电路设计，并通过增加必要的EMC设计，增加了系统的可靠性。
3.提出了基于Lirmx操作系统EtherCAT主站的软件架构，一定程度上提高了系统控制的实时性。通过完成了 EtherCAT协议栈开发，实现了主从之间的基本通讯。
4.根据设计要求和性能指标，搭建测试平台，并最终完成系统的软硬件测试-

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参考文献:

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[3] 马春敏,康存锋,黄旭东,郑学科,杨建武,费仁元.  基于Linux的EtherCAT主站的研究[J]. 制造业自动化. 2011(08)
[4] 贾红辉,夏焕军.  PCB设计中的电磁兼容性浅析[J]. 信息与电脑(理论版). 2010(06)
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[6] 马世平.  现场总线标准的现状和工业以太网技术[J]. 机电一体化. 2007(03)
[7] 陈献铎,孙国锋,韩学岗.  工业以太网的发展及其技术特点[J]. 山东化工. 2006(03)
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[10] 沈航,徐红泉,蔡慧,吴靖.  工业以太网和现场总线[J]. 工业仪表与自动化装置. 2005(01)



本文编号：10949