基于工業以太網EtherCAT的DCS控制系統設計

劉艷強，黃 帥，馬秋霞

LIU Yan-qiang1, HUANG Shuai1, MA Qiu-xia2

（1. 北京航空航天大學 機械工程及自動化學院，北京 100191；2. 北京和利時電機有限公司，北京 100085）

基于工業以太網EtherCAT的DCS控制系統設計

Design of DCS system based on the industrial Ethernet ethercat

劉艷強1，黃 帥1，馬秋霞2

LIU Yan-qiang1, HUANG Shuai1, MA Qiu-xia2

（1. 北京航空航天大學 機械工程及自動化學院，北京 100191；2. 北京和利時電機有限公司，北京 100085）

EtherCAT是一種新型的工業以太網現場總線技術，在工廠自動化和流程自動化領域得到了廣泛應用。文章介紹EtherCAT現場總線的技術特點，設計了一套基于EtherCAT的DCS實例系統。該系統中主控制器單元和現場輸入輸出設備之間使用EtherCAT實現高速、大容量的數據通信，并使用標準以太網與中央控制器進行數據交換。

EtherCAT；工業以太網；DCS

0 引言

基于以太網的通訊系統已經成為工業自動化技術的發展趨勢。其更快的通訊性能可以獲得更短、更緊湊的控制循環，更好的和更高的產品品質。EtherCAT（Ethernet for Control Automation Technology）技術于2003年由德國BECKHOFF自動化公司提出，2007年12月被國際電工委員會制定為IEC61158-12（Type12）國際標準，并在短短幾年內獲得了巨大的發展。其更高的性能，更低的成本，靈活的拓撲結構，使得EtherCAT技術在工廠自動化和流程自動化領域都得到了廣泛應用。

北京和利時電機技術有限公司和北京航空航天大學用EtherCAT通信實現現場設備層數據通信，開發出DCS（Distributed Control System，集散型控制系統）系統設備層現場總線，可以大幅度提高DCS系統設備層現場總線的數據傳輸能力，并設計了一套實例系統。

圖1 EtherCAT工作原理圖

1 EtherCAT技術

EtherCAT使用主從模式介質訪問機制（MAC Media Access Control），主站發送以太網幀到各從站，數據幀遍歷所有的從站設備，如圖1所示。從站并不是存儲數據包之后再進行處理，而是在數據幀傳輸的過程中從數據幀中抽取數據或將數據插入數據幀，同時將數據幀傳輸到下一個EtherCAT從站。最后一個EtherCAT從站發回經過完全處理的數據幀，并由第一個從站作為響應報文發送給控制單元。整個過程只有幾納秒的延遲。

EtherCAT數據直接使用以太網數據幀傳輸，數據幀使用以太類型0x88A4，也可以用UDP/ IP協議格式數據傳輸EtherCAT數據，使用UDP端口0x88A4。EtherCAT數據包括2個字節的數據頭和44～1498字節的數據。數據區由一個或多個EtherCAT子報文組成，報文結構如圖2所示。

每個子報文對應獨立的設備或從站存儲區域，包括子報文頭、數據域和相應的工作計數器（WKC，Working Counter）。子報文結構如圖3所示。子報文結構定義如表1所示。

圖2 EtherCAT數據幀結構

圖3 子報文結構

表1 子報文結構定義

EtherCAT主站可由PC計算機或者其它嵌入式計算機實現，使用PC計算機構成EtherCAT主站時，通常用標準的以太網網卡NIC（Network Interface Card）作為主站硬件接口。主站功能一般由軟件實現。從站使用專門的EtherCAT從站控制器ESC（EtherCAT Slave Controller）。借助于從站中的EtherCAT專用芯片和主站中讀取網卡數據的DMA（Direct Memory Access， 直接存儲器訪問）技術，整個協議處理過程都在硬件中進行。EtherCAT主站最多可以在30μs內刷新1000個I/O點，可以在300μs內交換一幀多達1486個字節的協議數據，這相當于12000個數據量的輸入輸出。控制100個輸入輸出數據均為8字節的伺服軸只需用100μs。EtherCAT的數據幀處理機制允許在EtEtherCAT網段內的任一位置使用分支結構，同時不打破邏輯環路。分支結構可以構成各種物理拓撲，如線型、樹型、星型、菊花鏈型，以及各種拓撲結構的組合。

EtherCAT物理層使用標準的以太網物理層器件，如100BASE-TX雙絞線，100BASE-FX光纖或LVDS（Low Voltage Differen-Tial Signaling，低壓差分信號傳輸）。使用100BASE-TX電纜時站間距離可以達到100米，而LVDS的物理層只能保障10米的傳輸間距。整個網絡最多可以連接65535臺設備，可以認為網絡的容量是無限的。

2 基于EtherCAT的DCS演示系統設計

該DCS遵循經典DCS的硬件體系結構，分為中央控制器、主控制器單元和輸入輸出設備三層硬件網絡。其中，中央控制器作為人機接口(Human Machine Interface, HMI)設備，可以管理和操作整個控制系統；主控制器單元（Main Control Unit, MCU）包括了EtherCAT主站功能，向輸入輸出設備發送控制指令、采集現場數據并與中央控制器進行數據交換；輸入輸出設備，即EtherCAT從站，分別具有控制不同現場設備的能力，包括I/O開關量控制、伺服電機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網絡層通過標準以太網Ethernet完成通信，實現面向DCS的集成要求；主控制器單元與現場的輸入輸出設備間的現場設備層采用EtherCAT總線技術，可以進行具有實時處理性能的高速大容量通信控制。

圖4 演示系統硬件結構

2.1 主控制器(EtherCAT主站)

主控制器單元是現場控制站的中央處理單元，實現演示系統中EtherCAT的主站功能。主控制器使用嵌入式計算機PCM-3353采用LX800/500MHz處理器，擁有512 MB內存空間，承擔輸入輸出設備的控制邏輯運算等任務。主站功能完全由軟件實現。其主要任務有：

1）控制任務：主要實現用戶程序功能，完成用戶規定的功能，輸入初始化時需要設置的設備參數，輸入控制數據，進行實時控制。并且輸出設備的狀態數據，返回設備運行結果；

2）設備描述：用XML語言描述的從站設備運行環境，比如從站是以微處理器方式還是以I/O方式等，以及系統配置；

3）系統配置工具：調用設備描述，生成過程映像區描述的XML文件，以供給控制任務調用。并且生成網絡描述文件，發送給主站硬件。

2.2 輸入輸出設備(EtherCAT從站)

輸入輸出設備完成現場數據的采集和輸出現場的控制信號，實現EtherCAT總線內從站與主控制器單元的通信。

從站控制器ESC(EtherCAT Slave Controller)使用BECKHOFF公司開發的ASC從站控制專用芯片ET1100。輸入輸出設備使用了兩種ESC工作方式，分別是I/0方式和微處理器方式，可以根據實際需要設計從站設備。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數據直接映射到ESC的內存空間，刷新速度非常快。分段伺服電機控制從站采用微處理器方式，由單片機通信驅動程序操縱ESC器件實現從站通信功能，由單片機應用程序同時控制兩臺伺服電機完成定位功能。分段模擬量輸入輸出從站樣機硬件原理及實物與伺服電機控制從站相同，采用微處理器方式，由單片機應用程序控制AD接口及DA外圍器件完成模擬信號的輸入輸出，實現控制模擬量輸入輸出設備。

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、計算、顯示和發送控制數據等功能。DCS演示系統包括I/O從站、伺服電機控制從站和模擬量輸入輸出從站各1臺，其顯示窗口如圖6所示。

I/O從站顯示窗口完成8位數字量輸出控制以及8位數字量輸入顯示。伺服電機控制從站窗口完成對兩臺伺服電機的定位控制。窗口顯示電機當前位置及電機在位、報警狀態。模擬量輸入輸出從站窗口顯示了現場設備的模擬量輸入值。

3 結束語

近年來隨著工業通訊控制技術的不斷發展，EtherCAT已逐漸成為工業以太網技術的主流。該DCS實例系統的設備層現場總線選擇了EtherCAT工業以太網現場總線技術，開發了以太網主、從站通信驅動程序，自主開發和研究了軟、硬件技術，提升了DCS系統水平。

圖6 演示系統界面

[1] EtherCAT技術協會.EtherCAT 控制自動化技術以太網[J].可編程控制器與工廠自動化,2007,4:18.

[2] EtherCAT技術協會.EtherCAT——技術介紹及發展概貌[J].世界儀表與自動化,2007,9:72-75.

[3] 郇極,劉艷強.工業以太網現場總線EtherCAT驅動程序設計及應用[M].北京:北京航空航天大學出版社,2010.

[4] 單春榮,劉艷強,郇極.工業以太網現場總線EtherCAT及驅動程序設計[J].制造業自動化,2007,11:79-82.

[5] 劉艷強,王健,單春榮.基于EtherCAT的多軸運動控制器研究[J].制造技術與機床,2008,6:100-103.

[6] 胡世江.基于ET1100的EtherCAT實時工業以太網從站設計[J].可編程控制器與工廠自動化(PLC&FA),2008,11:67-70.

TP311

A

1009-0134(2010)11(上)-0021-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2010.11(上).07

2010-04-26

國家863計劃資助項目（2007AA004Z176）

劉艷強（1980 - ），男，山西呂梁人，講師，博士，研究方向為開放式控制系統的軟硬件平臺技術和用于數字伺服傳動技術的現場總線和實時工業以太網技術（EtherCAT）技術研究。