CN108345236A - 一种基于EtherCAT的控制*** - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于EtherCAT的控制***，基于EtherCAT的控制***包括作为主站的中央控制器与作为从站的一个或多个控制器，中央控制器与控制器通过EtherCAT网络连接，中央控制器用于中央调度控制并向控制器下发控制策略，控制器用于根据下发的控制策略进行本地调度控制,中央控制器为混合实时***与分时***的多核处理器***。本发明提供的基于EtherCAT的控制***，采用EtherCAT工业以太网作为上层通讯总线，连接中央控制器与控制器，具有实时性高、通信速率快、接入点数多、拓扑灵活等特点，不仅提高***的实时性，同时增强了***的兼容与扩展性能。

Description

一种基于EtherCAT的控制***

技术领域

本发明涉及电气控制领域，具体涉及一种基于EtherCAT的控制***。

背景技术

工业自动化***的发展方向随着通信技术、高速运算技术等尖端技术的发展与大范围应用正朝着实时性、开放性、高可靠性、广分布性等方面发展，同时在面对工厂提出的全厂自动化、信息化管理的要求下，处于其核心地位的控制器的性能要求为主要应该解决的矛盾之一。控制器的通信和数据处理能力在面临这样严峻的挑战时已经成为自动化***的瓶颈。

20世纪70年代出现微处理器出现，之后迅速被应用到工业控制领域中。在初始阶段微处理器主要应用在开关量逻辑控制中，同时多用于开环控制***。随着控制结构、算法等的复杂度增加，基于微处理器的控制***开始出现了两个发展方向：一是专业化、集成化的控制器，针对特定工业领域专门研制，功能单一，主要为了解决特定领域中的实际工程问题，成本一般较低，但扩展性及移植性差，同时研发周期较长；二是以PLC为代表的工业通用控制器，从通用化角度出发，从架构上讲实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，通过通用的I/O模块以搭积木的形式搭建整个控制***。

而从目前整体装备制造工业控制领域发展的趋势看，除了对控制***的性能，对整体***的体积、成本等方面的要求也越来越高。同时，控制技术的飞速发展以及市场的迅速变化对研发周期的控制也越来越严苛，因此，未来通用化控制器的研究必将成为主流。

针对通用控制器的研究，主要集中在两个方面：一是对工业高速以太网的研究，主要解决工业现场数据与以太网网络数据的交互问题，通过网络层的技术与使得管理层与设备层之间不存在数据壁垒，这也是大数据时代对工业控制提出的新要求，而通用控制器是高速工业以太网的硬件实体；二是对实时操作***的研究，不论控制***基于何种平台，如Windows或Linux等，通用的控制***需要其具备实时性，以保证其可以完成对定时功能要求严格的应用场合。

现存的多种现场总线协议和多种网络标准之间通信困难，使得在商业应用中取得巨大成功的以太网(Ethernet)得以快速进入工业自动化领域并得到了迅速发展。以太网具有传输速度高、低耗、宜于安装和兼容性好等方面的优势，它支持几乎所有流行的网络协议，所以在商业***中被广泛采用。以太网已经是世界上应用最广泛的网络，据不完全调查，超过93％的网络节点是Ethernet。以前，以太网应用于工业现场的主要问题在于实时性问题，实时性就是信号传输足够快加上确定性。

现有微处理器的控制***主要问题：一是针对控制器扩展性及移植性差，同时研发周期较长；二是以PLC为代表的工业通用控制器，功能强大，性能稳定但价格偏高，且多采用PC为主站，不利于实现整体***的小型化。

控制器的通信和数据处理能力，控制器可移植性能差，专用控制器性能单一。

发明内容

近年来对以太网在工业应用中的研究，使得产生了一种新型以太网—工业以太网，随着对以太网技术的研究和以太网通信速率的提高，加之工业控制本身所特有的特点，如传输的信息量少、信息长度都比较小且一般为周期性通信、网络负荷平稳等，使以太网应用于工业现场己经不再存在障碍。

本专利基于上述问题和技术背景，研制一种基于EtherCAT通信的通用工业控制***。主要研发产品为控制层+网络层硬件设备，分为通用中央控制器、通用控制器及相关扩展I/O。通用中央控制器可配备RTOS实时***及本地数据库，并支持HMI人机交互功能；通用控制器为本地控制器，具备数据采集与上传、本地控制等功能；扩展I/O作为通用控制器的补充，可以为通用控制器提供更高的接入能力。RTOS侧重控制实时性强、同步性强、多任务调度；EtherCAT侧重通信速度快、可扩展性强、兼容性强；二者结合才能搭建起一个高性能的控制平台。

针对工业控制***中设备种类复杂、通讯方式不统一、实时性能差等问题，本发明的目的是提供一种基于EtherCAT的控制***，能够采用EtherCAT工业以太网作为上层通讯总线，连接中央控制器与控制器，具有实时性高、通信速率快、接入点数多、拓扑灵活等特点，不仅提高***的实时性，同时大大增强了***的兼容与扩展性能。

EtherCAT只需使用标准的以太网物理层和普通的以太网控制卡，双绞线或光纤作为传输媒介，利用以太网全双工特性，采用主从模式介质访问方式，通过一个固定的报文实现主-从-主之间的循环通信。

基于工业以太网的控制***主要解决以下几个问题：

(1)通过对工业高速以太网的研究，解决工业现场与以太网数据间的交互问题，通过网络层技术打破管理层与设备层之间的数据壁垒；

(2)通过模块化设计，使得微网控制器能够方便的进行功能扩展和移植应用；

(3)通过设计控制策略，保证微网协调有序工作，满足供电需求；

(4)是对实时操作***的研究，不论控制***基于何种平台，如Windows或Linux等，都满足具备实时性，以保证其可以完成对定时功能要求严格的应用场合。对混合实时***与分时***的多核处理器***的研究，结合了实时***与分时***的优势，在复杂***中，实时任务与分时任务并存，单独的实时***或分时***均难以实现对CPU资源的有效利用。

本发明提供一种基于EtherCAT的控制***，包括作为主站的中央控制器与作为从站的一个或多个控制器，中央控制器与控制器通过EtherCAT网络连接，主站用于中央调度控制并向控制器下发控制策略，控制器用于根据下发的控制策略进行本地调度控制,主站中央控制器为混合实时***与分时***的多核处理器***。

进一步地，多核处理器***包括一个对称多核处理器，其中一部分核心运行实时***，另一部分核心运行分时***。

进一步地，多核处理器***还包括共享内存，采用共享内存以及核间中断方式相互通信。

进一步地，多核处理器***还包括实时***与分时***共享的***设备。

进一步地，控制器包括EtherCAT通信模块、本地调度策略模块与扩展模块，本地调度策略模块用于根据下发的控制策略进行本地调度控制，扩展模块用于输入输出扩展和/或通信扩展。

进一步地，中央控制器能够对任一控制器的本地调度策略模块和/或EtherCAT模块进行在线程序修改。

进一步地，基于EtherCAT的控制***包括通信扩展模块，通信扩展模块采用通用异步串口通讯扩展模块或CAN转接模块。

进一步地，基于EtherCAT的控制***为微电网控制***或生产线控制***。

进一步地，基于EtherCAT的控制***为微电网控制***，控制器还包括功率计量模块。

与现有技术相比，本发明提供的基于EtherCAT的控制***，具有以下有益效果：

(1)采用EtherCAT工业以太网作为上层通讯总线，连接中央控制器与控制器，具有实时性高、通信速率快、接入点数多、拓扑灵活等特点，不仅提高***的实时性，同时大大增强了***的兼容与扩展性能；

(2)充分考虑到模块化设计，大大增强了***的兼容与扩展性能。

(3)从站核心模块采用TI公司的Cortex-A8系列，主频可达800MHz，速度快，嵌入式RTOS操作***保证了数据传输与控制策略执行的时效性。

(4)主站中央控制器采用混合实时***与分时***的多核处理器***，既充分利用了Linux平台的丰富软件资源，同时可以发挥实时***的精确定时等优势，数据通过内存共享，提升了***整体工作效率。

附图说明

图1是本发明的一个实施例的基于EtherCAT通信控制***的结构示意图；

图2是图1所示的基于EtherCAT通信控制***的中央控制器的结构示意图；

图3是图1所示的基于EtherCAT通信控制***的控制器的结构示意图；

图4是图1所示的基于EtherCAT通信控制***的控制器的电路图；

图5是光伏并网控制***的示意图；

图6是本发明的一个实施例的自动化加工工厂自动控制***的示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的一个实施例的基于EtherCAT的控制***，为微电网能量管理控制***。

该微电网能量管理控制***接入光伏发电装置，多个光伏组成光伏阵列，经过汇流箱连接到逆变器，限于逆变器的体积与容量大小，光伏阵列分为多个子***；另外由于物理空间的限制，单个通信装置、采集装置难以满足整个光伏阵列的要求。

本实施例中，给每个子***分配一个能量管理控制器。

微电网能量管理控制***，如图1所示，包括作为主站的中央控制器与作为从站的一个或多个能量管理控制器，中央控制器与能量管理控制器通过EtherCAT网络连接，中央控制器用于中央调度控制并向能量管理控制器下发控制策略，能量管理控制器用于根据下发的控制策略进行本地调度控制。

采用EtherCAT工业以太网作为上层通讯总线，连接中央控制器与控制器，具有实时性高、通信速率快、接入点数多、拓扑灵活等特点，不仅提高***的实时性，同时大大增强了***的兼容与扩展性能。

实时***同一时间只能执行单个任务，因此若存在低速任务(如显示、信息打印等)则会降低***整体速度，而分时***可以同时执行多项任务，但完成任务的时间无法控制，因此可以根据任务性质的不同，将任务分配到不同***中，这样可以充分利用实时和分时***的特点，既能够保证实时任务的响应速度，又能够避免低速任务影响***整体速度，保证了数据传输与控制策略执行的时效性。

中央控制器具有实时***与分时***，实时***与分时***通过中央控制器中的内存共享数据。

数据库、实时保护、功率预测整个软件结构，实时的任务、非实时的任务等，需要协调多方面内容。

为了实现实时任务和非实时任务，以及两者之间的配合，传统的技术方案采用FPGA+ARM CPU的方案。***中的实时任务运行在FPGA上，非实时任务运行在ARM平台上。两者通过总线的方式进行通信。这样的***结构复杂，***成本高，同时为了满足实时性的要求，需要两者之间的总线以很高的速率进行数据传输，这也造成了***的不稳定性。

实时保护控制以及非实时的数据记录采用共享内存的方式，相对于多处理器方案，能够快速实时地传输大量数据，减小了多处理器间通信的复杂度以及成本。

本实施例中的中央控制器，中央控制器为混合实时***与分时***的多核处理器***，包括一个对称多核处理器，其中一部分核心运行实时***，另一部分核心运行分时***。

将能量管理控制***的实时保护控制及非实时的数据记录、预测分析等多种功能集成于单个多核处理器上，替代了既有的FPGA+ARM CPU等方案，减小了***复杂度，降低了***成本。

实时保护控制及非实时的数据记录、预测分析等功能分别运行于不同的CPU核心上，彼此将相互不干扰，极大的提高了***的稳定性。

非实时的数据记录、预测分析等功能在通用操作***(包括但不限于Linux)基础上实现，通用操作***功能完善，简化了软件开发难度。

多核处理器***还包括共享内存，采用共享内存以及核间中断方式相互通信，相对于现有技术的通过总线方式的通信，极大提高了速率和可靠性。

多核处理器***还包括实时***与分时***共享的***设备，相对于现有技术中每个核心的运行都需要必备的***器件，降低了***的复杂度，因而也降低了成本。

如图2所示，不需要专门设计，采用实时+分时双***结构，具体为上海电气开发的实时操作***(SECRTOS)，包括EtherCAT通信模块与中央调度策略模块，具体为Linux操作***，包括数据库服务模块、WEB服务模块与HMI服务模块等。

具体地，利用Linux支持内核模块动态加载，将实时内核在需要时以模块的形式载入，多核机制避免了大规模结构改造，以较小的代价提供了强实时性，新***可使用几乎所有常规linux操作***提供的功能。

内核(Kernel)是SECRTOS的核心，其作为软件平台的基础，提供了多线程及多进程调度管理，内存分配及权限控制，线程及进程间通信的基础功能。本软件在普通linux基础上，通过增加一个实时内核实现了调度的可抢占性，同时在***中实现了硬件抽象层RTHAL，避免了频繁关中断所导致的实时任务不能被及时调度执行的缺陷。最后，对***时钟进行了改进，满足了实时应用微秒级的响应精度。

实时内核完全掌握了硬件层，而把非实时内核作为一个优先级最低的普通任务运行于自己之上。实时内核采用了抢占式调度算法，非实时内核也通过RTHAL获得实时内核所用的替代函数，这就为应用双内核机制实现可抢占式内核奠定了基础。

中央控制器作为EtherCAT网络中的主站与作为从站的能量管理控制器通信。

本实施例中的能量管理控制器，如图3所示，配备SECRTOS实时***，包括EtherCAT通信模块、本地调度策略模块与扩展模块，本地调度策略模块用于根据下发的控制策略进行本地调度控制，扩展模块用于输入输出扩展和/或通信扩展，能够实现数据采集、上传、本地控制等功能。

输入输出扩展采用通用采集模块，可以采集模拟信号、数字信号，例如4-20mA电流信号，0-10V电压信号。

具体地，能量管理控制器采用TI公司的Cortex-A8系列，可运行RTOS实时操作***；并实现EtherCAT通信功能，作为EtherCAT网络中的从站，实现与中央控制器以及***中其他能量管理控制器之间的通信；执行本地调度策略，实现本地调度控制。

本实施例中，如图4所示，扩展模块采用STM32F系列芯片，其具有丰富的外设接口，实现IO扩展与通信扩展，预留有CAN通信扩展接口，作为CAN网络中的主站，与专用扩展模块进行通信。

IO扩展模块根据功能的不同，可细分为模拟电压和模拟电流的输入输出扩展以及数字输入输出扩展，内部采用STM32F系列芯片，实现本地IO数据的高速采集、计算等功能，并通过CAN接口，作为CAN网络中的从站，上传数据至就近的能量管理控制器。

通讯扩展模块根据功能可分为通用异步串口通讯(UART)扩展模块与其他工业现场总线扩展模块(如ProfiNET等)，其中通用异步串口通讯(UART)内部采用STM32F系列芯片开发，实现通讯扩展。其他工业现场总线扩展模块采用通用的CAN转接板实现，例如RS485采用通用的CAN转接板实现。

专用扩展模块是基于EtherCAT的控制***应用于特定的领域时需要的专用模块，在微电网控制领域主要包括功率计量模块，分为单相和三相功率计量模块等，采用STM32F+ADE78XX芯片实现实时的有功/无功/视在功率的监测，并提供多达56次谐波分析以及电量计量功能。

具体地，图2为能量管理控制器的结构图，其中A8芯片主要实现的功能有RTOS实时***，执行本地调度策略，实现本地控制；A8芯片结合外置的PHY与MAC接口实现EtherCAT通信的物理层，实现EtherCAT通信。

可以通过RS485串口对STM32进行烧写，实现中央控制器对任意一个能量管理控制器中的A8和STM32芯片进行在线程序修改，而不需要将能量管理控制器从网络中断开单独烧写。

采用STM32F205作为协处理器，是ST旗下的一款常用的增强型系列微控制器，包含丰富的外设接口，扩展性能强，成本低，被广泛应用于电力电子***、电机驱动、医疗、手持设备、编程控制器(PLC)、变频器、扫描仪、打印机、警报***、视频对讲、暖气通风、空调等***中。

STM32与A8芯片间在工作时通过SPI通讯交换数据，并将外设IO、RS485、CAN接口引出，与外置ADC芯片通过SPI方式实现模拟信号采样功能。

微网控制***中需要接入风、光逆变器，蓄电池保护控制器等多种多样的设备以及温度、电压、电流等传感器，在整个微电网控制***如图5所示，其中信息流的流动方式为：

(1)底层设备信号或传感器的数据或信号通过IO扩展模块、通信扩展模块或者功率计量模块等采集，数据或信号经过IO扩展模块、通讯扩展模块或者功率计量模块处理后，通过CAN总线上传至能量管理控制器；

(2)能量管理控制器负责对数据进行分析，调用本地调度策略，并将调度信息通过CAN总线下发至IO扩展模块、通信扩展模块以及功率计量模块等模块；

(3)由IO扩展模块、通信扩展模块以及功率计量模块等模块下发调度控制指令至底层，如风机、光伏以及储能过其他设备的逆变器或保护控制装置等；

(4)中央控制器主动访问所有能量管理控制器获取相关数据，并存储至本地数据库，支持上传至网络服务器。

具体地：

(1)将每个光伏阵列子***分配一个微网能量管理控制器，汇流箱通过电流传感器连接到IO扩展模块，逆变器通过RS485通讯接口连接到通讯扩展模块，IO扩展模块通过测量汇流箱电流监测光伏阵列子***工作状况，通讯扩展模块与逆变器进行数据交互获得输入与输出功率等状态信息；

(2)IO扩展模块和通信扩展模块将汇流箱以及逆变器的各状态量通过CAN总线上传至微网能量管理控制器；

(3)微网能量管理控制器分析IO扩展模块及通讯扩展模块上传的数据，根据保护控制算法，通过CAN总线下发保护指令至IO扩展模块；

(4)IO扩展模块根据收到的保护指令发出IO控制信号控制汇流箱的通断；

(4)通讯扩展模块将受到的指令通过RS485通讯下发至逆变器，逆变器根据指令决定光伏阵列子***工作或离线；

(5)低压配电器通过电压、电流传感器与功率计量模块连接，功率计量模块通过ADE78XX计量IC获取光伏并网***的实时有功、无功、视在等功率信息；

(6)功率计量模块通过CAN总线上传至微网能量管理控制器；

(7)监控主站通过EtherCAT总线主动访问各微网能量管理控制器，获得所有的汇流箱、逆变器以及低压配电器等设备工作状态信息，并对每个光伏阵列子***对应的微网能量管理控制器在网络中进行编号，同时根据能量管理策略，计算出每个光伏阵列子***的功率设定值，通过EtherCAT总线下发至每个通用工业控制器；

(8)通用工业控制器将光伏阵列子***的功率设定值通过CAN总线发送至通讯扩展模块，通讯扩展模块通过串口RS485发送给逆变器，逆变器根据指令进行相应操作；

(9)若某一个光伏阵列子***出现故障，监控主站根据其网络编号对故障阵列子***进行定位。

在另一个实施例中，基于EtherCAT的控制***为生产线控制***，如图6所示，在一个自动加工流水线上，每个物料要经过多个不同的加工步骤，最终才能成为成品。在每个被加工的物料上在工艺条件允许的情况下，可表面安装RFID发送器。每个多轴机械臂对物料完成不同的加工动作。具体操作如下：

(1)物料经过设定位置时，RFID发送器模块发出的信号被对应的RFID接收器模块接收，RFID接收器模块将信息通过CAN总线上传至控制器，提醒物料准备加工状态；

(2)控制器在收到物料准备加工状态信息后，通过CAN总线获得多轴机械臂的每一个轴的位置传感器信号，并解算出当前的所有轴位置状态；

(3)控制器根据预先设置好的规划步骤，解算出每轴的运动轨迹规划，即每轴的位移、速度和加速度的时间历程，并通过CAN总线下发至伺服驱动器；

(4)伺服驱动器根据接收到的运动轨迹规划，计算出实时的占空比并输出控制每轴电机实时运动；

(5)中央控制器通过EtherCAT总线设置每个多轴机械臂的动作步骤，并获取物料准备加工状态以及多轴机械臂状态，实时显示流水线上每个物料、每个机械臂以及每个轴的运行状况。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于EtherCAT的控制***，其特征在于，所述基于EtherCAT的控制***包括作为主站的中央控制器与作为从站的一个或多个控制器，所述中央控制器与所述控制器通过EtherCAT网络连接，所述主站用于中央调度控制并向所述控制器下发控制策略，控制器用于根据下发的控制策略进行本地调度控制,所述中央控制器为混合实时***与分时***的多核处理器***。

2.如权利要求1所述的基于EtherCAT的控制***，其特征在于，所述多核处理器***包括一个对称多核处理器，其中一部分核心运行实时***，另一部分核心运行分时***。

3.如权利要求1所述的基于EtherCAT的控制***，其特征在于，所述多核处理器***还包括共享内存，采用共享内存以及核间中断方式相互通信。

4.如权利要求1所述的基于EtherCAT的控制***，其特征在于，所述多核处理器***还包括实时***与分时***共享的***设备。

5.如权利要求1所述的基于EtherCAT的控制***，其特征在于，所述控制器包括EtherCAT通信模块、本地调度策略模块与扩展模块，所述本地调度策略模块用于根据下发的控制策略进行本地调度控制，所述扩展模块用于输入输出扩展和/或通信扩展。

6.如权利要求5所述的基于EtherCAT的控制***，其特征在于，所述中央控制器能够对任一控制器的本地调度策略模块和/或EtherCAT模块进行在线程序修改。

7.如权利要求1所述的基于EtherCAT的控制***，其特征在于，基于EtherCAT的控制***包括通信扩展模块，所述通信扩展模块采用通用异步串口通讯扩展模块或CAN转接模块。

8.如权利要求1所述的基于EtherCAT的控制***，其特征在于，所述基于EtherCAT的控制***为微电网控制***或生产线控制***。

9.如权利要求8所述的基于EtherCAT的控制***，其特征在于，所述基于EtherCAT的控制***为微电网控制***，所述控制器还包括功率计量模块。