葉一枝（上海電氣集團(tuán)股份有限公司中央研究院，上海，200070）

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基于高速工業(yè)以太網(wǎng)的EtherCAT應(yīng)用研究

葉一枝
（上海電氣集團(tuán)股份有限公司中央研究院，上海，200070）

摘要：隨著工業(yè)4.0的發(fā)展，基于高速工業(yè)以太網(wǎng)的工業(yè)自動(dòng)化現(xiàn)場(chǎng)總線（EtherCAT）技術(shù)發(fā)展迅速，在微電網(wǎng)、機(jī)器人和定日鏡廠等領(lǐng)域，需要高速高效控制技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)控制對(duì)象的實(shí)時(shí)操作與控制，基于高速工業(yè)以太網(wǎng)的EtherCAT技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)微秒級(jí)的實(shí)時(shí)控制。

關(guān)鍵詞：高速工業(yè)以太網(wǎng)；EtherCAT；熱鏡場(chǎng)

0 引言

20世紀(jì)70年代出現(xiàn)微處理器出現(xiàn)，之后迅速被應(yīng)用到工業(yè)控制領(lǐng)域中。在初始階段微處理器主要應(yīng)用在開關(guān)量邏輯控制中，同時(shí)多用于開環(huán)控制系統(tǒng)。隨著控制結(jié)構(gòu)、算法等的復(fù)雜度增加，基于微處理器的控制系統(tǒng)開始出現(xiàn)了兩個(gè)發(fā)展方向：一是專業(yè)化、集成化的控制器，針對(duì)特定工業(yè)領(lǐng)域?qū)ｉT研制，功能單一，主要為了解決特定領(lǐng)域中的實(shí)際工程問題，成本一般較低，但擴(kuò)展性及移植性差，同時(shí)研發(fā)周期較長(zhǎng)；二是以PLC為代表的工業(yè)通用控制器，從通用化角度出發(fā)，從架構(gòu)上講實(shí)質(zhì)是一種專用于工業(yè)控制的計(jì)算機(jī)，其硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計(jì)算機(jī)相同，通過通用的I/O模塊以搭積木的形式搭建整個(gè)控制系統(tǒng)，可以減少開發(fā)周期，功能強(qiáng)大，性能穩(wěn)定但價(jià)格相對(duì)偏高，同時(shí)國(guó)產(chǎn)化程度很低，同時(shí)，多采用PC為主站，不利于實(shí)現(xiàn)整體系統(tǒng)的小型化。

控制器是控制系統(tǒng)中的核心處理單元，它的本身從結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)方法上可歸結(jié)為嵌入式系統(tǒng)。總體來說，在過程控制系統(tǒng)中控制器在更好的開放性、更強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)通信能力和更高的可靠性等方面的要求都尤為迫切。而從目前整體裝備制造工業(yè)控制領(lǐng)域發(fā)展的趨勢(shì)看，除了對(duì)控制系統(tǒng)的性能，對(duì)整體系統(tǒng)的體積、成本等方面的要求也越來越高。同時(shí)，控制技術(shù)的飛速發(fā)展以及市場(chǎng)的迅速變化對(duì)研發(fā)周期的控制也越來越嚴(yán)苛，因此，未來通用化控制器的研究必將成為主流。

1 EtherCAT技術(shù)概況

EtherCAT 使網(wǎng)絡(luò)性能達(dá)到了新境界，1000 個(gè)I/O 的更新時(shí)間只需30 μs，其中還包括I/O 周期時(shí)間。與100 個(gè)伺服軸的通訊每100 μs 執(zhí)行一次?？稍谶@一周期時(shí)間內(nèi)更新帶有命令值和控制數(shù)據(jù)的所有軸的實(shí)際位置及狀態(tài)，分布式時(shí)鐘技術(shù)使軸的同步偏差小于1 微秒。通過總線也可以形成超高速控制回路。以前需要本地專用硬件支持的功能現(xiàn)在可在軟件中加以映射。巨大的帶寬資源使得狀態(tài)數(shù)據(jù)能夠與任何數(shù)據(jù)并行傳輸。EtherCAT使通訊技術(shù)和現(xiàn)代工業(yè)PC 所具有的超強(qiáng)計(jì)算能力相適應(yīng)，總線系統(tǒng)不再是控制理念的瓶頸，分布式I/O 可能比大多數(shù)本地I/O接口運(yùn)行速度更快。

隨著PC 組件逐漸向小型化方向發(fā)展，工業(yè)PC的體積也日趨取決于插槽的數(shù)目。而高速以太網(wǎng)的帶寬和EtherCAT 通訊硬件的過程數(shù)據(jù)長(zhǎng)度則為該領(lǐng)域的發(fā)展提 供了新的可能性。

EtherCAT有一個(gè)加強(qiáng)的協(xié)定版本，稱為Safety over EtherCAT，可以在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行安全相關(guān)的通訊和一般的控制通訊。此安全通訊是以EtherCAT的應(yīng)用層為基礎(chǔ)，不會(huì)影響底層的通訊協(xié)定。

EtherCAT技術(shù)不僅完全兼容以太網(wǎng)，而且在“設(shè)計(jì)”之初就具備良好的開放性特 征：該協(xié)議可以在相同的物理層網(wǎng)絡(luò)中包容其它基于以太網(wǎng)的服務(wù)和協(xié)議，通?？蓪⑵湫阅軗p失降到最小。

2 基于高速工業(yè)以太網(wǎng)的EtherCAT熱鏡場(chǎng)控制

針對(duì)50MW鏡場(chǎng)，傳統(tǒng)的方案對(duì)控制系統(tǒng)采用三層結(jié)構(gòu)，最上層為中央控制器，中層為鏡組控制器，下層為底層控制器和電機(jī)。中央控制器和鏡組控制器之間采用通訊以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)方式通訊，通訊協(xié)議擬定為工業(yè)以太網(wǎng)。鏡組控制器和各個(gè)電機(jī)的底層控制器之間采用CAN進(jìn)行通訊。

采用高速工業(yè)以太網(wǎng)的EtherCAT熱鏡場(chǎng)控制相對(duì)于傳統(tǒng)控制方式來說，控制響應(yīng)速度快，每個(gè)定日鏡僅直接受主控制器控制，控制方式靈活多變，基于嵌入式平臺(tái)開發(fā)，植入RTOS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)信息交互和I/O控制功能，提供完備的硬件驅(qū)動(dòng)以及軟件平臺(tái)。

3 EtherCAT應(yīng)用系統(tǒng)架構(gòu)

超高性能的EtherCAT技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)無法迄及的控制理念。EtherCAT使通訊技術(shù)和現(xiàn)代工業(yè)PC所具有的超強(qiáng)計(jì)算能力相適應(yīng)，總線系統(tǒng)不再是控制理念的瓶頸，分布式I/O可能比大多數(shù)本地I/O接口運(yùn)行速度更快。EtherCAT技術(shù)原理具有可塑性，并不束縛于100 M bps的通訊速率，甚至有可能擴(kuò)展為1000 M bps的以太網(wǎng)。

圖1是EtherCAT應(yīng)用系統(tǒng)架構(gòu)圖，分為管理層、控制層、網(wǎng)絡(luò)層和設(shè)備層。來自設(shè)備層的模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)通過I/O端口將信息傳送給從站控制器，從站控制器通過高速工業(yè)以太網(wǎng)的EtherCAT將信號(hào)快速上傳給中央控制器，中央控制器內(nèi)存有本地?cái)?shù)據(jù)庫，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和初步分析，管理層設(shè)置有規(guī)劃設(shè)計(jì)、優(yōu)化調(diào)度、運(yùn)行維護(hù)和統(tǒng)計(jì)分析的功能，可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行深度的挖掘和分析。

4 小結(jié)

針對(duì)工業(yè)4.0的大趨勢(shì)，指出了基于高速工業(yè)以太網(wǎng)的EtherCAT技術(shù)優(yōu)勢(shì)，并以定日鏡廠為應(yīng)用案例，對(duì)比了傳統(tǒng)控制方式和基于高速工業(yè)以太網(wǎng)控制方式，并給出了EtherCAT應(yīng)用系統(tǒng)架構(gòu)。

圖1 基于高速工業(yè)以太網(wǎng)的EtherCAT的架構(gòu)圖

參考文獻(xiàn)

［1］姚高華. 基于以太網(wǎng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)［D］. 華南理工大學(xué)，2013.

［2］羅湘平. 基于工業(yè)以太網(wǎng)的智能控制器設(shè)計(jì)［D］. 大連海事大學(xué)， 2011.

Research and application of EtherCAT based on high speed industrial Ethernet

Ye Yizhi
（Central Research Institute of Shanghai electric group，Shanghai，200070）

Abstract：Along with the development of industrial 4.0， based on fast industrial Ethernet in industrial automation Fieldbus EtherCAT technology is developing rapidly，in the field of micro grid，robot and a heliostat factory and need to high speed and high efficiency control technology，to achieve the real-time operation and control of the controlled object，based on fast industrial Ethernet EtherCAT technology can realize the real-time control of the microsecond.

Keywords：high speed industrial Ethernet；EtherCAT；thermal mirror field