基于TwinCAT軟件的EtherCAT診斷應用

張立文，方江龍，周耀綱，梁德春

(1.上海理工大學 機械工程學院，上海 200093；2.上海電氣集團中央研究院，上海 200070；3.德國倍福自動化有限公司，上海200436)

基于TwinCAT軟件的EtherCAT診斷應用

張立文1，方江龍2，周耀綱3，梁德春3

(1.上海理工大學 機械工程學院，上海 200093；2.上海電氣集團中央研究院，上海 200070；3.德國倍福自動化有限公司，上海200436)

針對EtherCAT現(xiàn)場總線中臨時從站關(guān)機插拔帶來的低效問題，基于TwinCAT軟件提出一種支持實時檢測和反饋的可靠解決方案。在分析EtherCAT報文的基礎(chǔ)上，采用設(shè)置同步單元和分配工作狀態(tài)字的方法，以不影響其他設(shè)備EtherCAT通訊為前提，最大化地降低關(guān)機插拔對生產(chǎn)過程的影響，縮減EtherCAT的整體診斷時間，提高生產(chǎn)效率，在現(xiàn)場生產(chǎn)中具有較好的推廣應用價值。

EtherCAT；TwinCAT；實時檢測；同步單元

針對自動化系統(tǒng)通訊發(fā)展的需求，傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線已不能滿足現(xiàn)階段高速、高精度、遠距離傳輸?shù)囊?。為了應對這種情況，各大自動化廠商提出了不同的解決方案，包括SERCOS3通訊協(xié)議、PROFINET通訊協(xié)議、EtherCAT通訊協(xié)議[1]等。這些都符合實時以太網(wǎng)協(xié)議標準[2-3]，因此，實時以太網(wǎng)技術(shù)是控制網(wǎng)絡(luò)未來發(fā)展的趨勢。

作為上述解決方案之一的EtherCAT是一種基于以太網(wǎng)的實時工業(yè)現(xiàn)場總線通信協(xié)議和國際標準，它摒棄原有以太網(wǎng)交換機的帶寬利用率低、堆棧延遲等諸多缺點，同時提高傳輸過程響應速度、降低自動化傳輸組件的成本，另一方面，支持多種物理拓撲結(jié)構(gòu)?；谶@些特點，EtherCAT技術(shù)被工業(yè)自動化系統(tǒng)廣泛接受，并進入了高速發(fā)展期，大量符合EtherCAT通訊協(xié)議的產(chǎn)品正在接受考驗，EtherCAT通訊診斷能力[4-5]對保障產(chǎn)品的正常運行起著至關(guān)重要的作用。原因在于：一方面，診斷特性直接影響產(chǎn)品的可靠性；另一方面，可靠的診斷能力有利于增強網(wǎng)絡(luò)可用性，并縮短調(diào)試時間。而可靠的診斷能力主要包括錯誤檢測和錯誤定位。只有及時發(fā)現(xiàn)錯誤，并且快速精確地定位錯誤原因和位置，才能夠在最短的時間內(nèi)將其排除。

在一些特殊的生產(chǎn)過程中，部分從站會被應用在檢測局部控制網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境，這需要對這一部分的從站進行頻繁插拔，而直接插拔對EtherCAT協(xié)議來說，會認為是設(shè)備出現(xiàn)故障，進而導致從站無法接收新的指令。針對上述問題，本文基于TwinCAT軟件設(shè)計一種EtherCAT通訊診斷的解決方案，在準確識別通訊出錯原因的基礎(chǔ)上，滿足從站設(shè)備的熱插拔[6-7]要求。

1 EtherCAT通訊原理及數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

EtherCAT通訊技術(shù)突破了其他以太網(wǎng)解決方案[8]的系統(tǒng)限制，即不需要接收以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包并將其解碼之后，再將過程數(shù)據(jù)復制到各個設(shè)備。它具有主從數(shù)據(jù)交換特性，由主站和從站配合完成工作，因而，EtherCAT非常適合拓撲結(jié)構(gòu)復雜的主從控制器之間的通訊。

EtherCAT的通訊原理示意如圖1所示，EtherCAT總線網(wǎng)段是一個可接收和發(fā)送以太網(wǎng)幀的大型以太網(wǎng)設(shè)備。但是，該“設(shè)備”不包含帶下游微處理器的單個以太網(wǎng)控制器，而只包含大量的EtherCAT從站。與其它任何以太網(wǎng)一樣，EtherCAT不需要通過交換機就可以建立通訊，因而產(chǎn)生一個純粹的EtherCAT系統(tǒng)。EtherCAT主站傳遞的數(shù)據(jù)幀包含了所有的I/O從站數(shù)據(jù)，每一個從站接收報文，并在報文中提取命令或者插入反饋狀態(tài)字，然后將報文傳送給下一個從站設(shè)備，最后一個EtherCAT從站將經(jīng)過充分處理的報文返回，這樣該報文就作為一個響應報文由第一個從站返回到主站。整個通訊過程在全雙工模式下，利用了以太網(wǎng)設(shè)備獨立處理雙向傳輸?shù)奶攸c，報文只有幾納秒的時間延遲。

圖1 EtherCAT通訊原理

EtherCAT數(shù)據(jù)[9-10]是直接使用以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀傳輸，其中數(shù)據(jù)部分包括2 Byte的數(shù)據(jù)頭和44～1 498字節(jié)的數(shù)據(jù)區(qū)。數(shù)據(jù)區(qū)由一個或多個EtherCAT子報文組成，每個子報文對應獨立的設(shè)備或從站存儲區(qū)域，EtherCAT數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)如圖2所示，表1給出了EtherCAT數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)定義。

圖2 EtherCAT數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

名稱含義備注Ethernet.H以太網(wǎng)幀頭包含目的地址、源地址、幀類型接收方MAC地址,發(fā)送方MAC地址,0x88A4Len數(shù)據(jù)長度EtherCAT數(shù)據(jù)區(qū)長度1類型表示與從站通信FCS幀校驗序列WKC工作計數(shù)器記錄子報文被從站操作的次數(shù)Cmd命令尋址方式及讀寫方式Idx索引幀編碼續(xù)表Address地址區(qū)從站地址R保留位M后續(xù)報文標志IRQ狀態(tài)位中斷到來標志

一般設(shè)備啟動時，EtherCAT報文會按照順序?qū)ぶ返姆绞桨l(fā)送一個周期性的報文，報文在經(jīng)過每一個從站設(shè)備時，從站將通過EtherCAT.H子報文頭中Address地址區(qū)為自身更新設(shè)定地址。TwinCAT軟件通過使用以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀頭的MAC地址尋址到網(wǎng)段，然后使用EtherCAT子報文頭中的32位地址尋址到段內(nèi)設(shè)備，繼而得到硬件拓撲圖。

每一個EtherCAT子報文由子報文頭、數(shù)據(jù)域和相應的工作計數(shù)器(WKC)組成。WKC記錄了子報文被從站操作的次數(shù)，主站為每個通訊服務子報文設(shè)置了預期的WKC。其中WKC對不同通訊服務的計數(shù)方式也是不同的，關(guān)于EtherCAT通信命令與WKC計數(shù)對方關(guān)系如表2所示。

表2 EtherCAT通信命令與WKC計數(shù)對方關(guān)系

子報文經(jīng)過某一個從站時，如果是單獨的讀或?qū)懖僮鳎琖KC加1，如果是讀寫操作，讀成功WKC加1，寫成功時WKC加2，讀寫全部完成WKC加3；子報文由多個從站處理時，WKC是各個從站處理結(jié)果的累加。發(fā)送子報文的WKC初值為0，子報文被正確處理后，WKC的值將累加；同時，主站在發(fā)送子報文時，預先分析得出一個WKC的理論預期值，通過比較返回子報文中的WKC和理論預期值來判定子報文是否被正確處理，進而判斷錯誤原因并定位錯誤源頭。

本文研究的EtherCAT診斷就是利用TwinCAT軟件處理返回主站的報文，檢查數(shù)據(jù)幀子報文中的各項數(shù)值來診斷EtherCAT是否報錯，具體數(shù)值包括WKC、關(guān)鍵狀態(tài)字等。

2 實驗設(shè)備和拓撲結(jié)構(gòu)

本實驗是利用TwinCAT2軟件實現(xiàn)對EtherCAT通訊過程的診斷。該TwinCAT2軟件是一款基于Windows系統(tǒng)，帶有實時核，同時集成硬件配置和軟件編寫的軟件，實驗中使用該軟件對EtherCAT設(shè)備做實時監(jiān)測，并且做硬件配置。

實驗設(shè)備包括：型號為CP6201的面板式工業(yè)PC，EK1100耦合器，I塊(兩個EL1004，兩個EL2024，兩個EL7041)，AX5203伺服驅(qū)動器。

硬件連接的拓撲結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 拓撲結(jié)構(gòu)

3 EtherCAT診斷的實現(xiàn)

系統(tǒng)軟件設(shè)計中是按照在EtherCAT網(wǎng)絡(luò)中，主站發(fā)出的報文按照拓撲順序完成一輪處理并返回給主站后，TwinCAT軟件讀取并分析返回主站的報文這一過程進行設(shè)計的，通過對比預期理論反饋值和實際結(jié)果，完成對整個EtherCAT通訊過程的診斷[11-12]，如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)軟件設(shè)計流程圖

在TwinCAT軟件中按照系統(tǒng)軟件設(shè)計流程圖，根據(jù)不同CMD命令對應的WC計數(shù)預期值，編寫程序并創(chuàng)建HMI可視化界面。當出現(xiàn)通訊報錯，如圖5所示。

圖5 通訊報錯HMI界面顯示

分析：從圖5得知，WcState值為120，轉(zhuǎn)化成為八進制為0x78，CMD命令為8，即為全部丟失，這意味著報文發(fā)送過程的每一個CMD命令都沒有被成功接收。分析原因，當主站識別從站缺失后，主站主動拋棄這些報文數(shù)據(jù)，只反饋報錯信息。同時可以看出，從站可正常通訊個數(shù)為4。根據(jù)設(shè)備拓撲結(jié)構(gòu)，如圖3所示，本次設(shè)備為串行拓撲機構(gòu)，可以分析出僅有分站1中模塊處于正常通訊狀態(tài)，但因為主站識別到從站缺失后會主動拋棄反饋回來的所有報文數(shù)據(jù)，在子報文中的從站W(wǎng)cState返回信息也認定為無效數(shù)據(jù)。所以TwinCAT軟件通過拓撲結(jié)構(gòu)逐個檢測從站的WcState，除EK1100耦合器不具有診斷功能外，其他帶有診斷功能的IO模塊全部都報錯。分析結(jié)果：產(chǎn)生報錯的原因——通訊線纜2出現(xiàn)故障，或者通訊線纜2接入分站2的EK1100端子耦合器的1口出現(xiàn)故障。

4 臨時從站的熱插拔解決方案

現(xiàn)場生產(chǎn)當中部分從站作為檢測分站，需要隨時插拔接入到控制網(wǎng)絡(luò)中的任何一個連接點上，它們不需要保持常連接的狀態(tài)。但是普通從站在設(shè)備運行狀態(tài)下，熱插拔會使EtherCAT通訊報錯，如圖6所示，如果停止整臺設(shè)備后插拔，需再次啟動檢查，則會大幅影響工作效率[13]。

前述實驗結(jié)果顯示，普通從站的熱插拔造成EtherCAT通訊報錯，整臺設(shè)備無法繼續(xù)正常運行?，F(xiàn)場生產(chǎn)中，第二排的IO模塊以及第三排的伺服驅(qū)動器作為臨時分站，需要在運行狀態(tài)下進行插拔，同時不能影響其他設(shè)備的正常運行。

針對這一要求，這里給出一種解決方案：將需熱插拔的分站模塊設(shè)置為同步單元Sync unit。

首先，劃分同步單元[14-15]。將分站1放在同步單元1內(nèi)，分站2以及AX5000伺服驅(qū)動器放在同步單元 2內(nèi)。為了后續(xù)實驗方便，這里設(shè)定同步單元2為臨時分站。設(shè)置同步單元成功后，CMD命令的WC預期值發(fā)生改變，并被分成兩組。

其次，對臨時分站(分站2)進行熱插拔。TwinCAT軟件分析主站收到的報文給出的HMI界面如圖6所示，其中WcState值為960，轉(zhuǎn)化成為八進制為0x03C0，即同步單元2中的數(shù)據(jù)幀全部被丟棄，同步單元1中的數(shù)據(jù)幀均正常反饋，換句話說，分站1依然處于正常工作狀態(tài)。因此，臨時分站(分站2)的熱插拔未影響其他設(shè)備(分站1)的正常運行。

第三步，再次接入臨時分站(分站2)。經(jīng)過一個PLC掃描周期后，所有從站的狀態(tài)字在HMI界面上顯示如圖10所示，熱插拔的臨時分站(分站2)再次正常運行。

圖6 分站2熱插拔后的HMI界面

至此，臨時從站的熱插拔解決方案驗證完畢。此方案尤其適用于現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)規(guī)模龐大、設(shè)備模塊數(shù)量繁多、拓撲結(jié)構(gòu)復雜的場合，不僅最大化地降低了關(guān)機插拔對生產(chǎn)過程的影響，而且大幅縮減了EtherCAT診斷的時間。

5 結(jié)束語

工業(yè)以太網(wǎng)因其具有高可靠性、高時效性、高擴展性以及低成本等特點，必將成為未來工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的主流，在工業(yè)以太網(wǎng)實際運用中，EtherCAT診斷是不可以缺少的一部分。

本文在描述EtherCAT通訊原理和數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，基于TwinCAT軟件構(gòu)建了完整的EtherCAT診斷機制，主站僅需少量命令即可實現(xiàn)對從站的診斷；同時，根據(jù)EtherCAT的診斷特性，給出一種臨時從站的熱插拔解決方案，既能夠不影響其他設(shè)備的EtherCAT通訊，又避免了因關(guān)機插拔從站而引起的時間浪費，一定程度上提高了現(xiàn)場生產(chǎn)的生產(chǎn)效率。

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EtherCAT Diagnois Base on TwinCAT

ZHANG Liwen1，F(xiàn)ANG Jianglong2，ZHOU Yaogang3，LIANG Dechun3

(1.School of Mechanical Engineering, University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093, China; 2. Shanghai Electric Central Research Institute, Shanghai 200070, China;3. Beckhoff Automation (Shanghai) Co., Ltd., Shanghai 200436, China)

Interim stations need to turn them off and plug on EtherCAT fieldbus, leading to poor efficiency. A reliable solution based on TwinCAT software that supports real-time detection and feedback is proposed. The frames of the EtherCAT are analyzed. The impact of shutdown and plug on the process of production is reduced by setting a synchronization unit and assigning working counter without affecting the communication of other EtherCAT equipment, thus faster EtherCAT diagnosis and higher efficiency of production.

EtherCAT; TwinCAT; real-time diagnosis; synchronization unit

2016- 04- 06

張立文(1991-)，女，碩士研究生。研究方向：數(shù)控 EtherCAT 自動化。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.02.036

TP393.11

A

1007-7820(2017)02-138-04