基于工業以太網EtherCAT的DCS控制系統設計

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(Typel2)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。

1 EtherCAT技術

EtherCAT使用主從模式介質訪問機制(MAC Media Access Contr01)，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。

圖1 EtherCAT工作原理圖

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。

圖2 EtherCAT數據幀結構

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EtheTCAT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30 u s內刷新1000個I／O 2．1主控制器(EtherCAT主站)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。