EtherCAT总线
EtherCAT总线（精选三篇）
EtherCAT总线 篇1
1.1 设计分析
由于浅海海域往往比深海海域海况更为复杂, 无规律的洋流以及复杂的海底地况, 使得ROV的控制显得尤为重要, 故对ROV的控制系统设计也提出了较高要求。这主要体现在三个方面:一是控制核心的运算速率, ROV运动时需要采集大量的环境数据, 如高度、深度、姿态角、相对于母船的位置以及携带的各类传感器等, 有些还要对原始数据进行一定的处理。二是通信速率, ROV需要及时地与各传感器以及甲板控制系统、定位系统等联系。三是实时性, ROV需要实时采集ROV姿态、位置、重要传感器等重要数据, 这些数据往往是ROV工作的关键[1,2]。
1.2 Ether CAT工业实时以太网介绍
Ether CAT作为一种高速的实时工业以太网技术, 是一个开放源代码且高性能的系统, 其1 000个分布式I/O数据的刷新周期仅为30μs, 其中包括端子循环时间。通过一个以太网帧, 可以交换高达1 486字节的过程数据, 几乎相当于12 000个数字量I/O, 而这一数据量的传输仅用300μs。Ether CAT采用边交换边传输的通信模式, 简单高速, 每个从站的过程数据几乎是无限制的。通过分布时钟实现精确校准, 可以达到1μ秒的精确同步。
本次控制系统设计中, 采取了“集中管理, 分散控制”的集中式控制模式。整体系统的规划上, 通过模块化的管理, 用Ether CAT总线将各个模块连接起来, 再经过光端机与甲板控制系统进行通信, 高速可靠, 简单方便。
1.3 ROV硬件系统设计
一般ROV系统包括:动力推进器、遥控电子通讯装置、黑白或彩色摄像头、摄像俯仰云台、用户外围传感器接口、实时在线显示单元、导航定位装置、自动舵手导航单元、辅助照明灯和凯夫拉零浮力拖缆等单元部件。
本次方案以PLC为水下控制核心。Beckhoff PLC覆盖了包括GPIO、AD/DA、RS232/RS485及常用的工业标准信号的输入, 即可满足ROV整体的控制需求。
2 ROV运动控制系统与软件设计
2.1 ROV运动建模
根据刚体动力学理论, 水下机器人六自由度运动的一般方程如式 (1) 所示[3]:
其中:m为水下机器人重量;Ix, Iy, Iz分别为ROV在绕运动坐标系三个坐标轴的转动惯量;xG, yG, zG为ROV重心在坐标系中的位置;u, v, w, p, q, r分别为六个自由度的 (角) 速度;u觶, v觶, w觶, p觶, q觶, r觶分别为六个自由度的 (角) 加速度;X, Y, Z, K, M, N分别为六个自由度的力 (矩) , 包括艇体水动力 (矩) , 重力 (矩) , 浮力 (矩) , 控制面 (舵翼) 作用力 (矩) , 推进器推力 (矩) 等。
2.2 ROV软件设计
位于甲板端的上位机, 是主动式控制端, 往往需要完成以下几项工作: (1) 融合GPS与USBL的坐标, 实现精确定位; (2) 姿态校正; (3) 实时监控水下活动; (4) 使用Joystick控制ROV运动; (5) 采集水下各传感器数据; (6) 控制机械手 (若有) 运动; (7) 应急措施等。
由于软件采集数据众多, ROV界面较为复杂, 故需要采用大型的开发软件进行开发。甲板系统采用的是以工控机为核心的控制方案。系统环境为Linux或者Windows, 故开发软件主要基于以上两种主流系统。目前主要采用的开发软件或者环境有C++/C# (Qt Creator或者Visual Studio) , Python, Labview等, 各具特色。C#是一种安全的、稳定的、简单的、优雅的, 由C和C++衍生出来的面向对象的编程语言。它在继承C和C++强大功能的同时去掉了一些它们的复杂特性 (例如没有宏以及不允许多重继承) 。C#综合了VB的简单可视化操作和C++的高运行效率, 以其强大的操作能力、优雅的语法风格、创新的语言特性和便捷的面向组件编程的支持成为.NET开发的首选语言。
参考文献
[1]黄明泉.水下机器人ROV在海底管线检测中的应用[J].海洋地质前沿, 2012, 28 (2) :52-55.
[2]甘永, 孙玉山, 万磊.堤坝检测水下机器人运动控制系统的研究[J].哈尔滨工程大学学报, 2005, 26 (5) :575-578.
EtherCAT总线 篇2
关键词：冲压制造,监控,以太网,EtherCAT,数据通信
0引言
冲压成形是整车制造的重要环节, 据统计,冲压零件约占汽车金属配件的60%~70%,而其成形质量也成为影响整车外观与性能的关键。近年来,伴随冲压装备与先进制造技术的发展,国内已实现车身等大型覆盖件的高速冲压制造与自动切换生产,大大提高了冲压效率[1,2]。然而,由于单机联线冲压控制过程复杂,单靠人力维护难以确保生产的可靠性,并且也尚未积累完备的冲压过程监控数据[3],缺乏有效的评价管理机制。因此,对高速冲压线及其制造过程进行远程在线监控是非常必要的。
Ether CAT是BECKHOFF推出的实时高效高速的工业以太网标准,该总线的应用拓扑结构灵活,非常适合单机联线高速冲压制造过程中相对分布的压力机与机械手的在线监控[4]。故以此为基础,开发了一套满足高速冲压制造过程的监控系统,实时采集并监测冲压状态, 为积累完备的监测数据、提高故障诊断及维护管理提供便利。
1联线冲压工艺流程
单机联线高速冲压制造具有高度的自动化和柔性化,通过节拍设定,工件在冲压机构间快速上、下料, 并拉延成形。某车身覆盖件冲压制造流程如图1所示, 其构成包括1台四点双动压机、4台四点单动压机、若干机械手、穿梭小车及涂油、对中、翻转等辅助机构。
在高速冲压阶段,拆垛机械手拾取板料,经清洗、涂油、对中、输送到上料位,由机械手取料并送至双动压机进行表面拉延,压机动作后,半成品板料再由取料机械手、穿梭(翻转)小车运至下一压机取料位,进行后续工位的冲压成形,直到获得最终覆盖件。
2监控方案
高速冲压线各机构的控制与节拍配合是确保覆盖件冲压质量的前提。为协调冲压工艺中各机构的动作,建立了基于Ether CAT实时工业以太网的上-下位机检测与控制方案(图2)。
上位机为远程计算机,利用Internet或Intranet与现场IPC交互,对冲压线进行远程监控和管理。下位机为现场的IPC,包括检测和控制两部分。检测部分通过组建Ether CAT主-从站系统,按信号收发的优先级和周期性,检测分布的冲压过程信号。同时,主站监控Ether CAT从站状态,以实现冲压线过程信号采集网络的调度管理与控制。控制部分是利用已有的基于ProfibusDP和S7-300的实际冲压过控系统,结合Ether CAT监测数据,辨识冲压过程。
3硬件设计
3.1嵌入式主站设计
由冲压线监控对象的需求,配置Ether CAT监控节点和网络,包括一个Ether CAT主站和若干从站,其中从站面向冲压工艺过程,监控拆垛、清洗、涂油、上下料及冲压等工艺及节拍,采集机械手、压机、小车等机构的关键阀组(马达)、行程开关、泵站等状态参数。
Ether CAT嵌入式主站发出报文命令,初始化从站 (监控节点),辨识Ether CAT从站节点和网络拓扑结构,校验并存储检测数据。还通过以太网与IPC通信, 按需传输采集到的冲压线状态信号。由此,Ether CAT主站可采用高性能的嵌入式控制器,配置以太网模块与IPC通信,并利用Ether CAT接口实现主-从站总线拓扑连接,如图3所示。
1 )主站控制器采用基于ARM9内核的16/32位RISC嵌入式微处理器S3C2410,主频203MHz。 其片上资 源丰富 , 包含1个I 2 C和2个S P I总线接口 , 支持触摸 屏连接 、 16~128M Nand Flash和2M N o r F l a s h外部存储(适合冲压 线状态数 据的存储),并且具有两个协处理器CP14/CP15和一个复位按键,非常适合冲压线分散监控对象的调试控制与测试。同时,还采用独立的电源供给,便于对功耗监控和管理。
2 )以太网接口采用C S 8 9 0 0 A ,其片内集成4 K RAM,能接收、寄存和发送接口电路的控制状态和命令。Ether CAT接口采用ET 1200,以实现与从站控制芯片ET 1100的高效、高速、实时通信。
3 ) 主站操作 寄存器S D R A M采用3 2 M 1 6位K4S561632C,完全满足主站指令的寄存需求。冲压线过程监测数据存储采用2M SST39VF160 Nor Flash。
3.2监控终端从站设计
Ether CAT从站面向冲压线过程,监控节拍和装备状态。同时,考虑从站设备布局、安装等实际问题,宜对压机、机械手及辅助机构进行单独组网[5],图4给出了冲压线从站组成。
Ether CAT通信模块为ET 1100 ESC,片上集成2个MII,物理层接口采用标准的RJ 15,并通过网络变压器与MII连接。从站控制模块选择性价比优越、抗干扰能力强的STM32,通过SPI(MISO/MOSI/SCK/NSS)接口与ESC通信。压机从站:检测液压泵站、主缸回路阀组以及压边回路液压、温度、振动等模拟信号;冲压、换模等工位动作行程。机械手从站:控制指令发出,机械手的动作行程检测。辅助机构从站:拆垛监控、继电器和电机回路电量检测、(翻转)小车行程检测等。
4软件开发与测试
冲压线监控软件由PC-IPC主站程序和Ether CAT网络控制程序两部分组成。PC-IPC主站采用Twin CAT, 其功能强大,可方便实现从站状态监控和管理。因此, 本部分重点分析Ether CAT网络控制程序部分。
1)Ether CAT主-从信息交互
Ether CAT网络控制程序面向冲压线主-从硬件监控,原理如图5所示。
嵌入式主站发出指令,从站1的RX接收,由ET 1100 ESC的MII硬件处理,将处理信息或从站检测到的状态数据发送到报文序列,然后将处理后的报文传给从站2,所有上行信号处理完毕后,由从站4将上行信号转为下行,最终由从站1经数据校验返回嵌入式主站。经上行数据处理和下行数据传输,实现冲压线装备状态的在线监测。经测试,整个主-从站的报文收发时间≤1ms.
2)Ether CAT网络故障诊断
在开放系统互联参考模型背景下,冲压线Ether CAT网络故障诊断表现在物理层(CRC校验)、数据链路层 (工作计数器)和应用层(主-从通信反馈)[6]。
Ether CAT从站采用标准的RJ 15接口,且报文的处理和传输按“主站→从站1→…→从站4→…→从站1→ 主站”进行,主站和从站、从站和从站的数据交互都进行着CRC校验,若物理层接口故障,对应的报文序列在后续处理中被忽略,由此可判断故障位置。另外,通过处理上行数据,从站数据链路层的工作计数器能累计所处理的信息,当从站ESC故障,该站计数器累计次数少于其他从站,或从应用层主-从通信反馈定位故障从站。经测试,高速冲压过程中,故障识别能力约在80% 以上,而在固定节拍下,冲压过程装备的故障监测能力大幅提高。
3)冲压过程状态监控
如图6所示,按用户层监控冲压装备需求,主站指令发出,经故障校验,采集从站数据,在PC-IPC的Twin CAT端获得Ether CAT网络上传的该站装备状态。
5结束语
EtherCAT总线 篇3
随着工业生产设备向着系统化、规模化的方向发展,基于工业以太网的运动控制系统在一些数控系统中得到了很广泛的应用,工业以太网通信具有传输速度快,通信数据量大等种种优点,对推动机电一体化设备的快速发展起到了很大的作用。随着网络通信技术的不断发展,目前,在一定程度上,网络伺服系统成为当前伺服系统发展的主要方向之一。在此情况下,德国BECKHOFF公司推出了Ether CAT现场总线技术,它具有配置简单,数据传输高速、高效等种种优点。而且,在网络结构上,几乎支持所有的拓扑类型,包括线型、树型、星型等,每个系统可以配置多达65535台设备,这种总线类型对于大规模的运动控制系统的设计具有很好的优势,本文对基于Ether CAT的高性能伺服电机组的现场总线控制系统进行了一定的设计研究。
1 控制系统总体架构设计
基于Ether CAT的控制系统一般采用的是主从式的架构,主站由PC机配置标准的以太网卡来担任,从站一般采用专用芯片进行设计,主站起到主要的系统控制作用,向总线上的设备发送相应的命令,从站根据自己的地址取出相应的控制命令,根据命令进行伺服电机的运动控制动作。本系统从站的设计采用倍福公司推出的从站控制器ET1100和单片机进行设计,系统的总体架构如图1所示:
伺服电机的运动控制系统属于闭环调节系统,由运动控制器,伺服驱动器,伺服电机以及相关的位置或者速度检测装置组成,其中最常见的检测装置是编码器,各个部分通过线缆连接在一起完成高性能的伺服电机的控制功能。图2是全闭环运动控制系统的结构框图。
伺服运动控制系统的作用是接受上位机信号,驱动被控对象按照指令进行运动,保证运动部件的快速性和准确性,从一定程度上来说,上位机控制信号也可以算是运动控制器的一部分,该系统中,主站运动控制部分与Ether CAT总线以及从站单片机部分共同构成了伺服电机组的现场总线运动控制器。伺服电机编码器作为系统的反馈装置。同时从伺服电机运动控制的实时性和准确性方面考虑,运动控制采用双闭环控制,其中由伺服驱动器和编码器构成了反馈内环,由于伺服驱动器反应的快速性,保证了该系统调节的实时性。由单片机、伺服驱动器和编码器构成了外闭环控制,通过一定的软件计算方法保证了运动的准确性。
2 主站设计研究
Ether CAT主站的作用是发起通讯,而且,两个从站之间要进行通信,必须要把主站当做中间路由器,通过主站完成。从原理上来说,Ether CAT不支持两个主站之间的通信,但是,如果其中的一个主站具有从站的功能是,也可以在两个主站之间进行通信。主站在设计的硬件方面并没有特别的需求,只需要一块标准的以太网卡即可,主站的功能基本上是靠软件来实现的。本系统中,利用VC编写的应用程序根据用户的相关设置,将用户的命令转化成相应的命令控制字,对命令控制字进行打包、发送和接受等过程。另外,该软件功能还包括解析系统硬件组成及相关文件,提供与网卡的接口,并提供与其他网络协议间的接口,完成于其他系统及通信协议的对话功能。
3 从站系统设计研究
Ether CAT网络中,最多可以有65535个从站结点,而从站结点从结构上来说,又可以分为简单结点和复杂结点,其中简单结点一般利用从站控制器自身的I/O资源就可以实现相应的功能,本系统选用倍福公司推出的从站控制器ET1100,本身带有丰富的I/O资源,如表1所示。
本系统采用的是复杂结点的方式,由从站控制器ET1100和单片机共同实现从站功能。完成从Ether CAT网络中读取数据,并进行数据交换等应用程序的功能。
从站应用程序控制器通过中断方式读取Ether CAT网络中的非周期性的数据,而通过查询的方式存取周期性的数据,从而执行相应的应用程序。
从站控制器除了完成与Ether CAT网络中的其他设备进行通信以外,更重要的是将Ether CAT上接受到的控制命令转化成伺服驱动器的指令,完成相应的闭环控制功能。从一定程度上来说,伺服电机组的运动控制的性能决定于从站的设计,一般来说,常用的伺服控制有三种方式,包括速度控制方式、转矩控制方式以及位置控制方式,其中位置控制方式是利用脉冲来进行控制的,通过单片机的I/O可以模拟脉冲发生器,完成相应的控制功能,而速度和转矩控制方式都是利用模拟量来进行控制的,利用单片机控制时,要利用一定的DA转换功能或者单片机的模拟量输出口进行。本系统设计了具有位置控制、速度控制和转矩控制三种控制模式的硬件接口电路,可以很好的实现对不同的控制对象的不同的控制要求。驱动器的反馈信息可以通过编码器来读取,也可以通过驱动器的控制口读到对应的转矩和转速,通过AD转换电路转换以后,读入单片机进行处理。
与从站硬件系统的结构相对应,从站单片机的软件控制包含两个部分的内容,一部分是系统的通信功能,单片机与ET1100进行通信连接,完成与上位机系统的通信过程,另外一部分是用于对伺服系统的控制和伺服系统反馈数据的采集,软件的工作过程如下:首先,单片机开机进入程序的初始化阶段,这个阶段的主要工作是完成从站相应的配置工作,包括建立主站和从站之间的通信,初始化相关的寄存器,设置通信类型等,然后,完成初始化工作,程序进行周期运行的阶段,等待Ether CAT总线上控制命令的到来,当接收到响应的控制命令时,则对该命令进行一定的处理,然后发送给驱动器,然后,读取驱动器反馈信息,进行数据的打包处理,将驱动器读到的反馈信息打包成固定格式的子报文结构,并反馈回Ether CAT总线,从而反馈到主站控制器部分。完成通信的过程,从站软件的流程图如图3所示。
4 结论
Ether CAT工业以太网具有成本低、时效性高、扩展性强等种种优点,随着工业生产设备向着智能化、规模化等方向发展,在未来的工业控制领域必将成为工业网络的发展主流。
本文对基于Ether CAT的高性能伺服电机组的现场总线控制系统进行了一定程度的研究,研究了该系统的主题框架,对现场总线控制系统的主站以及从站的软件和硬件进行了设计。系统的实际运行结果表明,系统具有很好的实时性和准确性,能够满足高性能伺服电机组的现场控制的实际需求。可以很好的运用于数控设备和工业机器人中。
摘要：随着工业生产设备向着系统化、规模化的方向发展,基于工业以太网的运动控制系统在一些数控系统中得到了很广泛的应用。德国BECKHOFF公司推出了工业以太网总线Ether CAT技术,因为其配置简单、通信速度快、通信量大等各种优点,目前在很大程度上成为研究的热点。本文在对Ether CAT总线技术进行一定的研究的基础上,设计了机遇Ether CAT总线的高性能伺服电机组的现场总线控制系统,经过系统实际运行测试,取得了较好的效果。
关键词：EtherCAT,伺服电机组,控制系统
参考文献
[1]Beckhoff G,Ether CAT:The Ethernet fieldbus[z],EtherCAT Technology Group,2006.
[2]许大中.交流电机调速理论[M].浙江:浙江大学出版社出版.1997.
[3]何国军.陈维荣.刘小强.孙丛军.基于DSP与FPGA的运动控制器设计[J].电子技术应用.2009(7).