一種高性能工廠實時監(jiān)測系統(tǒng)方案

黃曉虎，許東歡，張偉，林益鋒

（上海航天控制技術(shù)研究所，上海 200233）

現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集及通信一直是電子信息領(lǐng)域的熱點研究，它促進了生產(chǎn)過程的智能化和網(wǎng)絡(luò)化[1]。對于制造企業(yè)而言，車間占有重要地位，智能工廠[2]依靠大量的現(xiàn)場數(shù)據(jù)來進行加工生產(chǎn)。隨著對生產(chǎn)能力和質(zhì)量的要求越來越高，伺服電機驅(qū)動器也需要更快的響應(yīng)時間和更高的驅(qū)動精度。利用實時工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)將所有設(shè)備連接到一個聚合網(wǎng)絡(luò)，以實現(xiàn)智能控制及云連接等。因此，通過高性能實時網(wǎng)絡(luò)，將工業(yè)現(xiàn)場大量的數(shù)據(jù)實時采集、傳輸及監(jiān)測對實現(xiàn)智能工廠有重要意義。

1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)采用分布式數(shù)據(jù)采集監(jiān)測方式，數(shù)據(jù)集中處理，一主多從，且有靈活的拓撲結(jié)構(gòu)。實時監(jiān)測系統(tǒng)一個十分重要的指標為實時性，它決定了信號采樣能否恢復(fù)原始信號而不產(chǎn)生混疊現(xiàn)象，文中系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采樣頻率目標為10 kHz，滿足多數(shù)過程數(shù)據(jù)采集需求。EtherCAT 以太網(wǎng)因高實時性、高效率及廣泛的適用性而快速進入工業(yè)領(lǐng)域。圖1 中的從站設(shè)備指能實現(xiàn)EtherCAT 通信的設(shè)備，EtherCAT 從站由物理層器件、EtherCAT 從站控制器（ESC）、從站控制微處理器等構(gòu)成，從站控制微處理器的性能與通信性能無關(guān)，控制任務(wù)的要求決定了從站控制微處理器的性能。使用ESC 可以方便地進行EtherCAT通信而不用處理復(fù)雜的EtherCAT 協(xié)議。由于工廠內(nèi)設(shè)備眾多，且型號、年代各不相同，為便于采集生產(chǎn)過程及狀態(tài)信息數(shù)據(jù)，設(shè)計了一個帶有擴展功能的EtherCAT 硬件模塊，以采集、傳輸設(shè)備數(shù)據(jù)。系統(tǒng)由4 個模塊組成，即位于從站端的數(shù)據(jù)采集模塊、擴展模塊及EtherCAT 通信模塊、位于主站端的數(shù)據(jù)管理模塊，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，最多支持65 535個從站設(shè)備。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

從圖1 可以看出，從站控制微處理器處理多個任務(wù)，從增強系統(tǒng)的實時性、降低GUI的CPU 占用出發(fā)，綜合考慮經(jīng)濟因素，選擇了STM32F429 系列芯片，處理器內(nèi)核為ARM Cortex-M4，芯片內(nèi)置Chrom-ART，并且自帶顯示控制器，可以方便地連接并控制外部顯示器，靈活存儲控制器也使得ARM 芯片可以高速讀寫外部存儲器，擴展了系統(tǒng)存儲容量，可以存儲大量圖像文件，STM32F429的這些特性使得高速刷新復(fù)雜圖像成為可能。

1.1 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊的關(guān)鍵是將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，針對不同的待測目標有不同的采集方案。系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集流程圖如圖2 所示。為應(yīng)對多種采樣需求，ADC 器件選用AD7656，它有16 位采樣精度，六通道獨立AD 轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換速度為250 kSPS，支持多種通信方式，性能滿足多數(shù)數(shù)據(jù)采集要求。依據(jù)芯片手冊時序圖設(shè)計AD 采樣程序，其轉(zhuǎn)換時間為3 μs，開始轉(zhuǎn)換后“busy”拉低，即可開始讀取數(shù)據(jù)。

圖2 數(shù)據(jù)采集流程圖

1.2 實時操作系統(tǒng)

實時操作系統(tǒng)指具有一定實時資源調(diào)度及通信能力的系統(tǒng)，其執(zhí)行特定操作所消耗時間的上限是可預(yù)知的，多應(yīng)用于工業(yè)控制、軍事等領(lǐng)域。系統(tǒng)中的EtherCAT 通信程序、采樣程序及高性能GUI 程序都需要CPU的及時響應(yīng)，為協(xié)調(diào)各程序運行，優(yōu)化資源分配，使用FreeRTOS 實時操作系統(tǒng)[3]。在該系統(tǒng)中，GUI的刷新頻率為50～60 Hz，從站控制器和從站控制微處理器間通過SPI 報文應(yīng)答的方式實現(xiàn)通信，使用FreeRTOS的時間片調(diào)度方式來處理多任務(wù)。

1.3 EtherCAT通信模塊

智能工廠的大量現(xiàn)場數(shù)據(jù)傳輸對數(shù)據(jù)傳輸速度提出了更高的實時性要求，目前市場常用的通信協(xié)議包括RS485、I2C、CAN、Ethernet、Profibus、EtherCAT[4-6]等，其中EtherCAT 由于優(yōu)異的性能，在實時以太網(wǎng)領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛。EtherCAT 使用主從模式介質(zhì)訪問控制(MAC)，支持一主多從，主站發(fā)送以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀遍歷各從站[7]，從站只需在報文經(jīng)過時讀取相應(yīng)地址上的數(shù)據(jù)并把發(fā)送的數(shù)據(jù)插入數(shù)據(jù)幀；即各從站節(jié)點只會讀取與自己相關(guān)的數(shù)據(jù)，并且寫入需發(fā)送的數(shù)據(jù)，相比讀取整個報文的時間大大減少，并且讀取數(shù)據(jù)和寫入數(shù)據(jù)的過程由硬件完成，延遲為納秒級。當數(shù)據(jù)幀遍歷所有從站后，再通過最后一個從站返回報文，由第一個從站發(fā)送給主站控制單元，EtherCAT 數(shù)據(jù)幀的有效數(shù)據(jù)率可達90%以上[8]。

EtherCAT 網(wǎng)關(guān)[9]各運行狀態(tài)及其轉(zhuǎn)換規(guī)律有一定要求，依據(jù)EtherCAT 網(wǎng)關(guān)狀態(tài)機，EtherCAT 通信程序流程如圖3 所示，上電后主機應(yīng)用程序開始運行，程序先初始化ARM 各寄存器，配置時鐘系統(tǒng)，與此同時從站控制器端依據(jù)硬件連接或軟件配置，設(shè)定操作模式；然后啟動驅(qū)動程序，驅(qū)動程序依據(jù)程序中對通信方式、主機端系統(tǒng)情況等的設(shè)置配置M40中的網(wǎng)絡(luò)處理器，待基本初始化完畢，對系統(tǒng)進行檢測。若ARM 與控制器端通信正常，則進行網(wǎng)絡(luò)初始化、過程數(shù)據(jù)映射，否則進入“空態(tài)”，即什么也不做，初始化無法完成；待所有初始化完畢且正常，進入“等待通信態(tài)”，此時系統(tǒng)會等待主站發(fā)來的以太網(wǎng)通信信號，若主站從站正常連接，則可進入“運行態(tài)”，進行數(shù)據(jù)映射傳輸；若系統(tǒng)出現(xiàn)例如通信超時等事件或錯誤時，EtherCAT 通信驅(qū)動程序會重啟。

圖3 EtherCAT程序設(shè)計流程

1.4 擴展GUI模塊

GUI 模塊是實現(xiàn)人與設(shè)備對話的窗口，通過GUI模塊，用戶可更直觀地了解設(shè)備運行狀態(tài)，并對設(shè)備進行控制。為降低資源使用，目前工業(yè)使用的人機交互界面大多只能滿足功能使用，界面質(zhì)量較低，該系統(tǒng)使用基于STM32F429 系列的LCD 架構(gòu)[10]，它充分利用了STM32F429的內(nèi)部圖形資源，Chrom-ART圖形加速器使得處理圖像的Cortex-M4的負荷大大降低，GUI 模塊進一步擴展了系統(tǒng)功能。

1.5 數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)處理模塊位于PC 端，接收來自EtherCAT 以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)并處理、顯示、存儲及遠程訪問等，并可向各從站端發(fā)送控制命令；數(shù)據(jù)處理模塊包括TwinCAT PLC 程序和上位機程序。TwinCAT[11-12]是Beckhoff 公司開發(fā)的EtherCAT 主站，運行于TwinCAT 端的PLC 程序可以映射來自EtherCAT 網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)，上位機監(jiān)測軟件使用C#語言開發(fā)，處理監(jiān)測數(shù)據(jù)。系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫平臺為Microsoft SQL Server 2008，設(shè)計參照數(shù)據(jù)庫第三范式要求[13]。上位機程序流程如圖4 所示，首先對界面各控件及ADS 通信參數(shù)進行初始化，然后啟動定時器，定時時間應(yīng)小于數(shù)據(jù)緩存時間。定時時間到達會建立ADS 通信并查詢PLC 端是否有數(shù)據(jù)刷新，發(fā)現(xiàn)新數(shù)據(jù)會進行讀取并存儲到數(shù)據(jù)庫、波形顯示、查詢PLC 及設(shè)備狀態(tài)信息；監(jiān)測軟件使用多線程技術(shù)，以保證各功能部分的獨立性。由于工廠環(huán)境十分復(fù)雜，在采樣、傳輸過程中總會混入一些高頻干擾，數(shù)字濾波器能在不增加硬件設(shè)備的情況下對離散數(shù)字量進行運算處理，該系統(tǒng)在上位機端設(shè)計數(shù)字濾波器。

圖4 上位機程序流程

工廠內(nèi)各設(shè)備數(shù)據(jù)及歷史數(shù)據(jù)庫通過高帶寬網(wǎng)絡(luò)接入服務(wù)器，可接入企業(yè)云服務(wù)，為實現(xiàn)智能工廠打下基礎(chǔ)。

2 系統(tǒng)分析

EtherCAT 從站數(shù)據(jù)刷新有固定的周期，從站端界面的刷新頻率也有一定的范圍，但程序會響應(yīng)用戶隨機性的UI操作，這會導(dǎo)致周期信號的延遲，界面延遲幾十微秒刷新對系統(tǒng)沒有影響，但通信程序的延遲則會造成數(shù)據(jù)的丟失，這是不可接受的。為解決這一問題，系統(tǒng)中在從站端和TwinCAT 主站端設(shè)計有兩個數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，以保證數(shù)據(jù)不丟失，緩沖區(qū)的大小應(yīng)綜合考慮資源占用、程序響應(yīng)延遲時間及通信帶寬等因素。

該系統(tǒng)是一個一主多從的群控系統(tǒng)，主站是通信的發(fā)起者，一個EtherCAT 數(shù)據(jù)幀最多可包含1 486字節(jié)數(shù)據(jù)。對于普通應(yīng)用，主站發(fā)出一個EtherCAT數(shù)據(jù)幀即可遍歷所有從站設(shè)備，但在使用緩沖區(qū)而打包傳輸?shù)那闆r下，要遍歷所有從站設(shè)備，需要更多的數(shù)據(jù)幀，即主站刷新所有從站設(shè)備數(shù)據(jù)的時間會變長。在數(shù)據(jù)打包傳輸情況下，示波器測得從站EtherCAT 數(shù)據(jù)映射周期約為500 μs。使用網(wǎng)絡(luò)封包分析軟件Wireshark[14-15]分析EtherCAT 數(shù)據(jù)幀，測得數(shù)據(jù)幀遍歷單個從站并返回的時間約為8 μs，并不是每一據(jù)幀都有數(shù)據(jù)更新；縮短主站發(fā)送周期，見圖5，可以看出主站在單次刷新數(shù)據(jù)時發(fā)送多條數(shù)據(jù)幀的間隔為1 μs，主站顯示數(shù)據(jù)幀形成時間約為16 μs，一些因素會影響間隔時間，但都為微秒級。

圖5 短周期EtherCAT數(shù)據(jù)幀抓包

影響實時性的另一個問題是操作系統(tǒng)的任務(wù)調(diào)度[16-17]，為保證數(shù)據(jù)能真實反映被測量狀態(tài)，AD 采樣任務(wù)周期必須是嚴格的100 μs；從站控制器和從站控制微處理器之間的SPI 報文應(yīng)答用于控制ESC 狀態(tài)及傳輸過程數(shù)據(jù)，這兩點不允許被操作系統(tǒng)的調(diào)度機制所延遲。

綜上，緩存機制導(dǎo)致的多設(shè)備時的數(shù)據(jù)幀增加對可支持的從站設(shè)備數(shù)量影響較小，具體的從站設(shè)備數(shù)量上限與采樣周期及單個設(shè)備的傳輸數(shù)據(jù)量有關(guān)。對于從站端，由于多任務(wù)導(dǎo)致的從站EtherCAT 數(shù)據(jù)映射周期較大，會導(dǎo)致多個數(shù)據(jù)幀沒有數(shù)據(jù)更新，這一問題可通過上位機軟件來解決。

3 系統(tǒng)測試

3.1 采樣率測試

在程序中設(shè)定每次采樣時翻轉(zhuǎn)特定I/O，通過測其翻轉(zhuǎn)頻率可以得出系統(tǒng)采樣率為I/O 翻轉(zhuǎn)頻率的兩倍。測得示波器波形頻率為5 kHz，則確定系統(tǒng)采樣率為10 kHz。

3.2 實時性測試

測試實驗從站控制微處理器為STM32F429NI，從站控制器為CompactCom 40，信號發(fā)生器輸出1 kHz 標準正弦信號，系統(tǒng)測得圖形見圖6，頻率過高時，每個周期的數(shù)據(jù)點變少，波形不夠光滑，但仍能正確反映原始信號的狀態(tài)，系統(tǒng)的實時性得到證明。

圖6 1 kHz正弦信號局部放大

4 結(jié)束語

采用高性能實時以太網(wǎng)，配合采樣、高質(zhì)量GUI及實時監(jiān)測軟件構(gòu)成一個完整的實時監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)支持多設(shè)備多數(shù)據(jù)的組網(wǎng)實時監(jiān)測，可應(yīng)用于多種有實時性要求的監(jiān)測場合。經(jīng)過實驗驗證，系統(tǒng)性能穩(wěn)定，采樣率達到10 kHz，并有進一步提升的空間，為實現(xiàn)智能工廠打下基礎(chǔ)。