基于工業(yè)以太網(wǎng)EtherCAT的DCS控制系統(tǒng)設(shè)計

EtherCAT物理層使用標準的以太網(wǎng)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(wǎng)絡(luò)最多可以連接65535臺設(shè)備，可以認為網(wǎng)絡(luò)的容量是無限的。
2 基于EtherCAT的DCS演示系統(tǒng)設(shè)計

該DCS遵循經(jīng)典DCS的硬件體系結(jié)構(gòu)，分為中央控制器、主控制器單元和輸入輸出設(shè)備三層硬件網(wǎng)絡(luò)。其中，中央控制器作為人機接口(Human Machine Interface，HMI)設(shè)備，可以管理和操作整個控制系統(tǒng)；主控制器單元(Main Control Unit，MCU)包括了Ethe疋AT主站功能，向輸入輸出設(shè)備發(fā)送控制指令、采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)并與中央控制器進行數(shù)據(jù)交換；輸入輸出設(shè)備，BPEtherCAT從站，分別具有控制不同現(xiàn)場設(shè)備的能力，包括I／O開關(guān)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(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層通過標準以太網(wǎng)Ethernet完成通信，實現(xiàn)面向DCS的集成要求；主控制器單元與現(xiàn)場的輸入輸出設(shè)備間的現(xiàn)場設(shè)備層采用EtherCAT總線技術(shù)，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(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

2.1 主控制器(EtherCAT主站)

主控制器單元是現(xiàn)場控制站的中央處理單元，實現(xiàn)演示系統(tǒng)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(nèi)存空間，承擔輸入輸出設(shè)備的控制邏輯運算等任務(wù)。主站功能完全由軟件實現(xiàn)。其主要任務(wù)有：

1)控制任務(wù)：主要實現(xiàn)用戶程序功能，完成用戶規(guī)定的功能，輸入初始化時需要設(shè)置的設(shè)備參數(shù)，輸入控制數(shù)據(jù)，進行實時控制。并且輸出設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)，返回設(shè)備運行結(jié)果；

2)設(shè)備描述：用XIⅥL語言描述的從站設(shè)備運行環(huán)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(tǒng)配置；

3)系統(tǒng)配置工具：調(diào)用設(shè)備描述，生成過程映像區(qū)描述的XML文件，以供給控制任務(wù)調(diào)用。并且生成網(wǎng)絡(luò)描述文件，發(fā)送給主站硬件。

2.2 輸入輸出設(shè)備(EtherCAT從站)

輸入輸出設(shè)備完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集和輸出現(xiàn)場的控制信號，實現(xiàn)EtherCAT總線內(nèi)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(fā)的ASC從站控制專用芯片ET1100。輸入輸出設(shè)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(jù)實際需要設(shè)計從站設(shè)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(shù)據(jù)直接映射到ESC的內(nèi)存空間，刷新速度非?？臁７侄嗡欧姍C控制從站采用微處理器方式，由單片機通信驅(qū)動程序操縱ESC器件實現(xiàn)從站通信功能，由單片機應(yīng)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(yīng)用程序控制AD接口及DAUb圍器件完成模擬信號的輸入輸出，實現(xiàn)控制模擬量輸入輸出設(shè)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(fā)送控制數(shù)據(jù)等功能。DCS演示系統(tǒng)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。

圖6 演示系統(tǒng)界面

I/O從站顯示窗口完成8位數(shù)字量輸出控制以及8位數(shù)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(tài)。模擬量輸入輸出從站窗口顯示了現(xiàn)場設(shè)備的模擬量輸入值。

3 結(jié)束語

近年來隨著工業(yè)通訊控制技術(shù)的不斷發(fā)展，EtherCAT已逐漸成為工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的主流。該DCS實例系統(tǒng)的設(shè)備層現(xiàn)場總線選擇了EtherCAT工業(yè)以太網(wǎng)現(xiàn)場總線技術(shù)，開發(fā)了以太網(wǎng)主、從站通信驅(qū)動程序，自主開發(fā)和研究了軟、硬件技術(shù)，提升了DCS系統(tǒng)水平。