基于CoDeSys的EtherCAT總線控制系統(tǒng)設(shè)計

郭奕鑫， 劉江帆

（廣東水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510925）

1 項目簡介

本套系統(tǒng)主要采用德國3S公司研發(fā)的軟件—CoDeSys，CoDeSys環(huán)境中集成了多種總線協(xié)議，EtherCAT協(xié)議作為一種基于以太網(wǎng)技術(shù)的工業(yè)現(xiàn)場總線，具有諸多的優(yōu)點，無論是從傳輸速度，還是在開放性及安全性方面都更優(yōu)于傳統(tǒng)的現(xiàn)場工業(yè)總線。EtherCAT總線采用“一網(wǎng)到底”的概念，即協(xié)議在處理過程直達(dá)底層，中間過程不需要任何的轉(zhuǎn)換設(shè)備或是子總線，在CPU的循環(huán)時間和任務(wù)處理速度上傳輸速率能夠達(dá)到100 Mb/s，幾乎無網(wǎng)關(guān)延時。其優(yōu)越的性能及總線的處理速度區(qū)別于傳統(tǒng)的現(xiàn)場工業(yè)總線[1]。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

硬件上采用三層架構(gòu)，主要表現(xiàn)如圖1所示，第一層采用研華工控機及其輔助設(shè)備；第二層主采用支持EtherCAT總線的的華泰遠(yuǎn)程IO模塊，針對下層系統(tǒng)實現(xiàn)完全的控制及監(jiān)控；第三層則為車庫執(zhí)行系統(tǒng)，主要由步進(jìn)驅(qū)動器、傳感器、輔助按鈕等開關(guān)量及采集信號構(gòu)成。

EtherCAT總線的遠(yuǎn)程IO模塊主包括華泰smartLink的FR8200適配器模塊、8位數(shù)字量輸入的FR1118模塊、8位數(shù)字量輸出的FR2118模塊、2路高速計數(shù)器FR5002模塊及支持EtherCAT總線的雷賽步進(jìn)驅(qū)動器。

數(shù)字量輸入模塊主要用在輔助設(shè)備和傳感器信號的采集，判斷當(dāng)前車位的使用情況，另一方面也實時檢測出入庫車輛的數(shù)量。高速計數(shù)器模塊用于反饋執(zhí)行機構(gòu)的實時位置，與控制系統(tǒng)形成閉環(huán)控制，雷賽步進(jìn)驅(qū)動器用于控制電機，以實現(xiàn)執(zhí)行機構(gòu)的運動。

圖1 硬件結(jié)構(gòu)

3 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要有三方面的內(nèi)容組成：EtherCAT總線的配置、控制程序的編寫和可視化界面的設(shè)計，如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)的軟件架構(gòu)

3.1 EtherCAT總線的配置

利用CoDeSys平臺對設(shè)備進(jìn)行編程，需要在項目Device設(shè)備管理器上配置總線管理器，即配置EtherCAT現(xiàn)場總線主站。針對EtherCAT現(xiàn)場總線主站再配置從站模塊，相應(yīng)地從站模塊需要在CoDeSys開發(fā)環(huán)境中安裝對應(yīng)的XML文件，即設(shè)備描述文件。對于運動控制模塊的設(shè)計，要在項目樹中的EtherCAT_Task中調(diào)用主程序，否則運動控制系統(tǒng)將無法正常響應(yīng)。

3.2 控制程序設(shè)計

本設(shè)計的輸入信號主要包括數(shù)字量信號、高速脈沖信號及可視化界面的控制指令信號。輸入的數(shù)字量信號主要是對進(jìn)場車輛和車庫車位進(jìn)行檢測，保護(hù)單元程序再根據(jù)檢測結(jié)果判定存取車輛是否滿足先決條件，同時高速計算器信號將實時反饋傳動機構(gòu)的位置。在符合存取車的條件下，通過發(fā)送控制指令信號并經(jīng)過主控制程序邏輯分析后，將控制對應(yīng)的執(zhí)行機構(gòu)動作，將車輛送到指定位置。否則，控制系統(tǒng)將不執(zhí)行控制指令的請求。

3.3 可視化界面設(shè)計

CoDeSys開發(fā)環(huán)境中可在項目應(yīng)用中添加網(wǎng)絡(luò)可視化界面，同時一個codesys工程文件中可包含多個可視化對象，并且在不同的對象之間可以用通訊連接。在編輯項目中，通過簡單的拖動及配置即可關(guān)聯(lián)PLC變量[2]。在程序調(diào)試階段，可將控制程序和可視化程序一同下載進(jìn)控制器，通過移動智能設(shè)備瀏覽器訪問網(wǎng)絡(luò)視圖進(jìn)行調(diào)試，突破了現(xiàn)場調(diào)試的硬件局限。在用戶選擇服務(wù)時，只需掃描特定的二維碼，便可在手機或Ipad等移動智能設(shè)備上進(jìn)行存取車服務(wù)。

本控制系統(tǒng)可視化界面分為系統(tǒng)界面和用戶界面。系統(tǒng)界面主要是供控制系統(tǒng)后臺維護(hù)使用，包含了系統(tǒng)的內(nèi)部參數(shù)設(shè)置、報警顯示、數(shù)據(jù)記錄和功能調(diào)試等方面。用戶界面主要是供用戶進(jìn)行停取車服務(wù)以及顯示車位使用情況和停取車進(jìn)度等信息。

4 結(jié)語

通過實驗室平臺測試，該控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程維護(hù)和無人值守，用戶可通過手機等移動智能設(shè)備自助停取車輛，并可獲取車庫的車位情況停聽取車服務(wù)狀態(tài)等信息，與傳統(tǒng)的車庫控制系統(tǒng)相比，有較大的應(yīng)用前景。