基于EtherCAT协议的FMS多设备实时数据采集技术

张韬，刘康，廖映华

(四川轻化工大学机械工程学院，四川宜宾 644000)

0 前言

柔性制造系统(Flexible Manufacturing System，FMS)是一种高自动、高复杂、集成化的系统，通过工程技术、自动化技术、计算机技术实现了生产过程的高度自动化与高度制造柔性。为实现柔性制造，实时采集数据至关重要。这些数据包括底层设备的生产数据、品质检测数据、运行数据、加工过程数据、设备状况数据、I/O信号等。

对于实时数据采集，国内外已经有很多研究。1997年，斯坦福大学和麻省理工大学合作研发了下一代远程监控诊断示范系统，这项工作获得了多个行业的支持[1]。1998年，麻省理工大学研发了Web-Lab项目，操作人员可以通过浏览器远程控制实验室的仪器进行实验[2]。美国伊利诺伊大学研发的Nmrsocp系统，可通过接入互联网进行测量与控制[3]。国内山西大同矿务局研发了煤矿机电设备监控系统，该系统基于以太网实时采集数据，克服了复杂的工业环境，实时监控整个矿区设备的运行状况[4]。张志勇等[5]提出一种基于B/S架构的激光雷达数据采集远程监控系统，实时显示采集波形数据。然而，随着智能制造的发展，对数据采集技术的实时性以及高效性的要求越来越高。传统的现场总线有着成本高、容量小、传输效率低、各种标准难以兼容的问题[6]，无法满足FMS实时数据采集传输效率高、响应快、传输速度快的需求。传统以太网数据采集、传输周期远低于工业控制系统，无法保证数据准确而实时的刷新，从而影响整个工业控制系统[7]；而实时以太网技术有着实时、快速、抗干扰能力强和兼容性好等优点，在工业领域上备受欢迎[8]。

EtherCAT是一种广泛应用的实时以太网协议，具有延迟低、通信周期短、配置灵活的特点[9]。它是相对其他以太网在数据链层修改后的实时以太网，因此兼容多种以太网协议。与其他实时以太网不同，EtherCAT在发送数据时需要先将数据包解码，然后再复制给其他设备，通过软硬件一起实现数据传输，将部分功能给硬件处理，通过映射方式与各个从站设备通信，提高了传输效率、传输速率等。本文作者将EtherCAT协议引入FMS数据采集中，以TwinCAT作为软主站、FMS设备作为从站，对EtherCAT协议的实时数据采集技术进行分析测试。

1 FMS多设备实时数据采集

1.1 FMS实时数据采集原理

FMS的应用越来越广泛，它具有可复用性高、运行灵活、产品应变能力强的特点，主要分为3个部分：底层加工系统、物料传送系统、计算机控制系统。底层加工系统一般由20台以下能独立工作的加工设备组成；物料传送系统实现各个机床、存储机构、转运站等之间的物料传送，可以由运输带、托板、无轨小车(AVG)、有轨小车(RVG)、机器人等单个设备或者多个设备组成；计算机控制系统实现FMS中各个设备协调运作，包括工艺规划、设备管理、生产调度、系统管理、系统监控以及通信。为实现柔性制造，需要掌握系统各个部分的状况，如：设备运行状况、加工过程、工件信息、工艺过程等，因此需要收集大量的实时数据，包括加工过程数据、系统状态数据、I/O信号、存储状态数据等，并且进行相应的采集与处理。FMS实时数据采集方式主要有以下几种：PLC采集方式、RFID采集方式、触摸屏采集方式、以太网采集方式。其中，以太网采集方式相对其他方式采集效率更高、涉及面更广，但有一定缺陷，当工业以太网通信实时数据时，每个数据节点都会竞争数据发送优先权，只有当节点通道空闲时才会开始发送数据，否则只能等待，容易造成实时数据发送延迟。特别是当非实时数据和实时数据同时发送时，由于在数据节点处的竞争以及其他数据节点的碰撞，更容易造成实时数据发送受阻，出现更大的发送延迟。普通工业以太网没有有效的措施处理节点竞争，从而导致数据延迟或者发送阻塞。因此，本文作者将EtherCAT技术引入FMS中进行实时数据通信。

影响EtherCAT实时性的关键是网络通信的实时性和控制系统的实时性。网络通信的实时性体现在通信协议的延迟上，控制系统的实时性体现在硬件条件和通信规模等方面。因此，在控制系统不变的情况下，综合考虑生产成本，通过改变网络通信提高实时性。EtherCAT为一种实时以太网协议，它在网络通信上进行了更改，相比其他实时以太网修改了数据链路层，是一种主从站全双工结构，不需要像其他实时以太网那样在发送数据时需将数据包解码后再复制给其他设备，它是通过软硬件一起实现数据传输，将部分功能给硬件处理，通过映射方式与各个从站设备通信[10]，使通信更稳定、效率更高。在一个通信周期内，主站发送以太网数据帧给各个从站，数据帧到达从站后，每个从站根据寻址从数据帧内提取相应的数据，并把它们反馈的数据写入数据帧。当数据帧发送到最后一个从站后返回，并通过第一个从站返回至主站。这种方式大大缩短了数据处理时间，处理延迟仅为十几纳秒，并且能够在一个周期内实现数据通信，同时改善了带宽利用率，最大有效数据利用率达90%以上。运行原理如图1所示。

图1 EtherCAT运行原理

在数据传输过程中，EtherCAT利用以太网进行双向传输，可以同时接收数据和发送数据，加快了传输效率。如图1所示，每个从站有2个网口芯片：PHY0、PHY1，每个网口芯片分别对应RX和TX 2个数据传输通道，主站通过PHY1_TX通道传输数据帧给从站1的PHY0_RX通道，经从站1的从站控制器ESC处理后由从站1的PHY1_TX通道传输给下一个从站，当所有从站都接收到数据帧后，由最后1个从站的PHY1_TX通道返回数据帧给该从站的PHY1_RX通道，最终通过从站1的PHY0_TX通道返回给主站的PHY1_RX通道，实现1个数据帧的传输循环。

1.2 EtherCAT数据传输模式

EtherCAT用以太网帧来进行数据传输，其结构由以太网帧头、以太网数据和校验码组成。以太网帧头主要由接收方和发送方的MAC地址和0×88A4类型的帧组成；以太网数据分为EtherCAT头和EtherCAT数据，EtherCAT头包括EtherCAT数据区长度和类型，EtherCAT数据主要是数据区子报文。以太网帧结构如图2所示。

图2 以太网帧结构

EtherCAT传输的数据主要在EtherCAT数据区中存储，数据区中至少有1个子报文，每个子报文对应1个从站。每个子报文由子报文、数据和工作计算器(MKC)组成，子报文头存储从站的地址、数据长度、寻址和读写方式等，如果从站数量大于1个，只需要增加相应的子报文即可进行数据传输。工作计算器的初值为0，当主站发送数据帧时，从站每接收1个数据帧，工作计算器的值加1，然后主站通过对比工作计算器的预期值与实际接收到的值来判断指令是否被执行。

1.3 FMS设备时间同步控制

为保证柔性制造，需要各个设备之间具有高协调性，能够根据加工工艺快速响应，不仅体现在生产设备上，还体现在控制设备上。当上位机发送指令时，FMS底层设备识别指令的快慢程度或者控制层发送指令的延迟都会直接影响加工精度，严重时会导致加工失败。例如，要控制一部分加工设备运作时，当对这部分设备发送指令时，一部分设备识别到了指令，一部分设备识别指令延迟，一部分设备没有识别到指令，这就会导致加工紊乱。因此，对于降低指令识别延迟、提高设备响应精度非常重要。

综上所述，此次研究采用EtherCAT分布时钟的方式来降低FMS实时数据采集响应延迟。EtherCAT以太网在上电时会对主从站的设备时钟进行初始化，在FMS中每个设备启动时会产生1个本地时钟，由于启动时间不一致，本地时钟也不一致，如果此时直接发送指令，就会导致有些设备延迟运行，因此要进行时钟同步。将与主站连接的第1个从站设备时钟作为参考时钟，其他设备时钟与参考时钟作比较，会产生一个偏移值，从站控制器(ESC)会对该值进行处理，经过校正后产生本地系统时钟；当所有设备的本地系统时钟与参考时钟一致时，就达到了时钟同步的目的，这时即可对设备发送指令。相比于完全同步的通信，分布式同步时钟具有更好的容错性，并且同步方法基于硬件校正，具有很高的准确性，同步信号抖动远小于1 μs。

2 EtherCAT主从站设计

2.1 EtherCAT主从站平台建立

EtherCAT与其他现场总线不同，它无需专用的通信板卡，只需在PC机上安装具有DMA功能的普通网卡即可。EtherCAT作为主从站结构，通过主站对从站设备发送指令，将各种数据信息在从站中进行处理以反馈主站的指令，从而实现数据的传递。此次研究以BECKHOFF专用软件TwinCAT作为EtherCAT主站，相关硬件模块作为从站，进行FMS中EtherCAT主从站的建立。模块上面提供设备连接接口，将FMS中设备通过网线与对应从站模板连接，从而将设备嵌入EtherCAT以太网，实现主从站的建立。

数据采集架构如图3所示，整个结构分为两部分：一部分是主站，以TwinCAT软件作为软主站，位于PC机上；另一部分是从站，由现场模块构成。主站负责导入并解析XML文件、创建从站设备、构建初始化命令帧以及进行通信初始化并引导从站完成状态机转换等功能。从站主要处理生产设备在生产过程中产生的过程数据、状态数据以及轴运行数据。

图3 数据采集架构

TwinCAT主要由3部分组成：(1)TwinCAT Manager用于主站与从站通信的相关配置；(2)TwinCAT PLC用于程序编写，实现主站对从站设备的控制；(3)TwinCAT HMI用于对通信设备的监控。

2.2 从站设计

EtherCAT作为现场总线，和其他设备之间通信只需要一根网线即可，传输效率高、接线简单。硬件主要包括AX5000驱动器、EK1100总线耦合器、CX1100电源模块、CX1090型号的CPU以及输入输出模块。现场总线耦合器作为网口模块，依靠该模块实现和其他设备之间的通信。电源模块给总线耦合器、CPU以及输入输出模块供电。输入输出模块用于连接现场设备信号以及与软件之间通信。模块连接原理如图4所示。

图4 从站模块连接示意

如图4所示，信号采集模块作为FMS各个设备信号监控的重要部分，只要各个设备的接口与相应模块连接，就能将对应设备产生的电流信号经过从站控制器处理转换成模拟信号，最后经A/D转换器转换为数字信号，从而实现设备状态监控。如果FMS中增加了设备数量，只需要增加相应的扩展模块以及采集模块数量就能实时监控增加的设备。

2.3 主站设计

2.3.1 主站系统架构

软PLC基于PC机，在Windows平台上建立，在某方面与硬PLC具有相似的特点，如功能、可靠性、速度、故障检测等。传统PLC的计算、存储、控制以及编程等功能都是在软PLC上通过软件TwinCAT实现的。软PLC作为EtherCAT的软件通信部分，综合了传统PLC和计算机的开关量控制、模拟量控制、数字量控制、数据处理、PID调节等功能。通过现场硬件模块完成数据的采集和信号的输出。软PLC系统主要由开发环境和运行环境两部分组成[11]，开发环境又分为配置环境、编程环境和调试环境，同时可以提供接口供外部设备访问，通信协议为ADS协议。为实现对设备层的监控，此次研究将NC轴、PLC轴、物理轴三大虚拟轴嵌入到配置环境中。物理轴用于与设备映射，实现对设备的控制；PLC轴用于与编程环境中的变量映射；NC轴用于控制电机轴。运行环境主要是外接设备，一般为用于调试的PLC虚拟机或者是用于实际运行的倍福控制器，只需要将其IP地址与主站IP地址设置在统一网端下就能实现主站与从站的数据交互。软PLC系统架构如图5所示，其中配置环境中各个部分的关系如图6所示。

图5 PLC系统架构

图6 三轴通信流程

此次研究将三大虚拟轴(PLC轴、NC轴、物理轴)嵌入TwinCAT中，建立主站与从站设备的链接，如：电机轴、机床、运输设备等。PLC轴与PLC编程界面中的实际变量对应连接，实现程序控制。其中，最重要的是需要在程序中创立1个连接模块——AXIS_REF功能块，该功能块在TwinCAT自定义的静态库TcMc2.lib中有2个接口变量：NC_TO_PLC和PLC_TO_NC。NC轴与PLC轴相互连接，连接完成后就可以用PLC程序控制NC轴并且可以在NC轴上的Online界面监控轴的状态。保证控制器和PC机在同一个IP网端下就可以通过scan功能将硬件模块映射到TwinCAT软件上的I/O Devices和NC轴中，实现NC轴与实际硬件(物理轴)连接。由于各个电机的驱动器以及设备连接在EtherCAT以太网中，通过以上连接能够实现主站对从站设备的控制。

2.3.2 主站与从站通信流程

TwinCAT软件作为主站与从站设备通信时，需要先对软件作相应的配置，将主站与从站设备接入统一的以太网下，当主站与从站连接成功后才能进行下一步操作，从站设备需要连接主站控制器作为从站指令接收媒介；然后，在I/O设备上添加从站模块并按照从站模块的说明书在软件上进行配置，接着通过TwinCAT PLC 进行逻辑程序的编写，再将程序添加进PLC轴；最后，进行人机界面的设计，实现主站与从站的通信，通信流程如图7所示。以OPC从站为例，TwinCAT主站与OPC从站通信的流程如图8所示。

图7 实时过程数据通信流程

图8 TwinCAT与OPC UA设备通信流程

3 通信测试

此次实验以PC机搭载BECKHOFF的TwinCAT软件作为EtherCAT主站，OPC UA设备作为从站进行数据采集测试。

TwinCAT PLC中的变量需要添加相应属性才能实现数据采集，如：变量{attribute ′OPC.UA.DA′ := ′1′} 支持通过 OPC UA 进行读写；变量{attribute ′OPC.UA.DA.Access′ := ′x′} 读写操作取决于x为1是只读、为2是只写；变量{attribute ′OPC.UA.HA′ :=′1′} 支持通过 OPC UA 进行历史数据读写。

实验平台建立在以Sample client作为OPC UA测试的从站模拟器，利用该模拟器实现对TwinCAT PLC中变量的读写。

首先，设置好OPC UA从站的相关IP地址和端口号以及对应主站的IP地址和端口号后，对主站的值进行测试，结果如图9所示 。

图9 TwinCAT主站通信结果

由图9可以看到：当主站与从站连接成功后，PLC中定义的变量都可在Sample client中显示，当将从站中一个随机变量value1的值设置为123后，PLC中的相应位置值也及时变成了123，通信延迟仅为微秒级。

4 结语

本文作者研究FMS中EtherCAT协议的实时数据采集，将新的以太网技术引入数据采集领域，解决了实时数据采集在工业中传输慢、效率低等问题。构建了完整的EtherCAT数据采集架构，分析了主站架构和从站架构，并对主站与从站如何实现数据通信作了详细说明。结果表明：EtherCAT数据采集方式操作简单、传输效率高、集成性好并且已经按照模块化设计思想生成了各种各样的功能库，利用这些库可以解决大量的工业问题。随着智能制造的发展，EtherCAT将逐渐成为FMS发展的核心。