徐季旻 金 曄

(上海交通大學(xué)學(xué)生創(chuàng)新中心，上海 200240)

0 引言

現(xiàn)場總線技術(shù)是大部分理工科院校電氣、測控、儀器、自動(dòng)化、機(jī)電、工業(yè)工程等院系都會(huì)涉及的專業(yè)內(nèi)容。在自動(dòng)控制領(lǐng)域，經(jīng)歷了從集中控制系統(tǒng)(CCS)到集散控制系統(tǒng)(DCS)，再到現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)的發(fā)展歷程[1]。伴隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、通信技術(shù)的快速發(fā)展，與自動(dòng)控制技術(shù)相結(jié)合所產(chǎn)生的現(xiàn)場總線技術(shù)是符合工業(yè)企業(yè)信息集成與管理控制一體化系統(tǒng)的發(fā)展趨勢和需求的。近年來隨著中國工業(yè)經(jīng)濟(jì)的轉(zhuǎn)型發(fā)展，工業(yè)4.0模式的快速推進(jìn)，設(shè)備互聯(lián)變的越來越重要，熟悉和掌握工業(yè)現(xiàn)場總線技術(shù)人才的培育刻不容緩?，F(xiàn)場總線技術(shù)知識(shí)點(diǎn)多，又十分強(qiáng)調(diào)實(shí)際應(yīng)用，實(shí)踐教學(xué)方案設(shè)計(jì)應(yīng)該體現(xiàn)出簡單性、可靠性、實(shí)時(shí)性和開放性。

傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的接線方式是一種并聯(lián)接線方式，當(dāng)元件數(shù)量增多時(shí)，系統(tǒng)復(fù)雜度成倍增加，安裝維護(hù)不方便還容易出錯(cuò)?，F(xiàn)場總線技術(shù)采用串行數(shù)據(jù)傳輸和連接方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)并聯(lián)方式。在實(shí)踐教學(xué)的過程中學(xué)生通過接線比較，可以直觀地感受到現(xiàn)場總線布線的簡單性。工業(yè)現(xiàn)場存在著大量的電磁輻射、熱電噪聲、地電勢差等大量干擾。實(shí)踐教學(xué)現(xiàn)場不可能模擬整個(gè)工業(yè)環(huán)境，但可以通過長時(shí)間信號(hào)采集、數(shù)據(jù)通信等任務(wù)，并讓總線線纜從變頻電機(jī)等強(qiáng)輻射設(shè)備周圍通過，讓學(xué)生通過數(shù)據(jù)觀察到現(xiàn)場總線通信的可靠性。實(shí)時(shí)性可以通過多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，體現(xiàn)現(xiàn)場總線在保證數(shù)據(jù)可靠性和完整性的條件下具備較高的數(shù)據(jù)傳輸速率和傳輸效率，滿足伺服驅(qū)動(dòng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)通訊的實(shí)時(shí)性和同步性的嚴(yán)格要求。開放性一方面是應(yīng)用的開放性，另一方面是通信規(guī)約的開放性。通過總線能與不同的控制系統(tǒng)相連接，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層的互通；又能根據(jù)通信協(xié)議，開發(fā)新的接入設(shè)備和產(chǎn)品。

1 現(xiàn)場總線實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)規(guī)劃

目前市場上具備一定占有率比較流行的現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)不少于20種。長期以來，現(xiàn)場總線技術(shù)也爭論不休，互連、互通與互操作問題很難解決。傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線的速率限制kb級(jí)至10Mb級(jí)，總線上節(jié)點(diǎn)數(shù)與尋址范圍也很有限[2]。于是現(xiàn)場總線開始轉(zhuǎn)向三十年來最成功的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。經(jīng)過多年的努力，以太網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)被工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)廣泛接受。德國倍福自動(dòng)化有限公司于2003年提出了EtherCAT (Ethernet for Contrul Automation Tecnology)就很有代表性。EtherCAT基于標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)技術(shù)，具備靈活的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，最多可支持65535網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，具備系統(tǒng)配置簡單、全雙工、高速、有效數(shù)據(jù)率高等特性。EtherCAT于2007年進(jìn)入IEC61158，成為開放的國際標(biāo)準(zhǔn)。在全球已有10余年的應(yīng)用。2014年，中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)宣布EtherCAT成為GB/T 31230中國推薦性國家標(biāo)準(zhǔn)[3]。截至2020年5月，EtherCAT技術(shù)協(xié)會(huì)(EtherCAT Technology Group，縮寫為ETG)擁有67個(gè)國家和地區(qū)5825個(gè)會(huì)員單位。2019年10月推出的EtherCAT G技術(shù)，將通信速率推進(jìn)到千兆和萬兆級(jí)別[4]。

鑒于EtherCAT本身的技術(shù)優(yōu)勢、前沿性和開放性，以及在行業(yè)內(nèi)的應(yīng)用狀況，作為現(xiàn)場總線的教學(xué)案例是非常合適的。但是實(shí)踐教學(xué)不只是講解總線電氣規(guī)范、編碼方式、傳輸技術(shù)、差錯(cuò)控制、協(xié)議格式等理論知識(shí)，還要和實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用結(jié)合起來，才能讓學(xué)生學(xué)有所得、學(xué)有所用。教學(xué)也需要配和實(shí)驗(yàn)室建設(shè)，引入一些成熟的工業(yè)化產(chǎn)品和設(shè)備，使學(xué)生能夠快速上手，看到實(shí)際的控制效果。上海交通大學(xué)與歐姆龍公司聯(lián)合共建了“Sysmac工業(yè)自動(dòng)化聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室”，利用歐姆龍豐富的接近傳感器、光電傳感器、光纖傳感器、編碼器、Sysmac平臺(tái)NJ系列機(jī)器控制器、G5系列伺服系統(tǒng)、MX系列變頻系統(tǒng)、GX系類遠(yuǎn)程IO模塊、數(shù)模/模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊等，在高校實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建類似于工業(yè)現(xiàn)場的實(shí)機(jī)測試環(huán)境。把這些設(shè)備和器件按循序漸進(jìn)的原則，設(shè)計(jì)了基本輸入輸出、直流電機(jī)與傳感控制、交流電機(jī)變頻控制、步進(jìn)電機(jī)控制、伺服控制等單項(xiàng)實(shí)踐教學(xué)模塊；還設(shè)計(jì)了自動(dòng)分揀裝置、小型立體倉庫、三軸機(jī)械手等典型綜合控制對(duì)象(見圖1)共計(jì)20臺(tái)件(套)，可以讓學(xué)生做好系統(tǒng)級(jí)的綜合控制要求規(guī)劃，體會(huì)到現(xiàn)場總線數(shù)據(jù)通信的實(shí)時(shí)性和便利性、完成復(fù)雜的控制程序編寫與現(xiàn)場調(diào)試，真正幫助學(xué)生建立起對(duì)實(shí)際現(xiàn)場環(huán)境的認(rèn)識(shí)，提高學(xué)生的動(dòng)手能力。

圖1 典型綜合控制對(duì)象——三軸機(jī)械手Fig.1 Typical integrated control object—three-axis manipulator

2 基于EtherCAT總線的教學(xué)方案設(shè)計(jì)

聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室的以平臺(tái)化方式為課程和課題提供支撐。面對(duì)單獨(dú)開課和部分課程教學(xué)模塊的需求，設(shè)立多個(gè)教學(xué)模塊、制定不同的教學(xué)目標(biāo)。各模塊既可以聚合成一門獨(dú)立課程，又可以根據(jù)相關(guān)課程的需要，選擇性地融入教學(xué)內(nèi)容中。

2.1 EtherCAT總線原理教學(xué)

這個(gè)部分的教學(xué)要求讓學(xué)生掌握現(xiàn)場總線的基礎(chǔ)常識(shí)，了解不同現(xiàn)場總線技術(shù)的優(yōu)勢和區(qū)別。EtherCAT總線以以太網(wǎng)為基礎(chǔ)，發(fā)送標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀，符合IEEE 802.3以太網(wǎng)協(xié)議。以太網(wǎng)在日常工作中比較普遍，學(xué)生應(yīng)該不陌生。要特別強(qiáng)調(diào)的是常規(guī)以太網(wǎng)使用的是帶有沖突檢測的載波偵聽多路訪問(CSMA/CD)的方式，具有關(guān)鍵幀不確定性因素，不能滿足工業(yè)以太網(wǎng)對(duì)實(shí)時(shí)性的要求。而EtherCAT采用修改過的以太網(wǎng)技術(shù)，通過修改其通信方式，提高通信實(shí)時(shí)性。EtherCAT主站發(fā)送的每一個(gè)數(shù)據(jù)幀經(jīng)過所有節(jié)點(diǎn)，在數(shù)據(jù)幀下行傳輸?shù)倪^程中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)根據(jù)地址讀取發(fā)送給該節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并將反饋數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)幀。這種傳輸方式改善了帶寬的利用率，使得一個(gè)數(shù)據(jù)幀在傳輸?shù)倪^程中就可以完成各節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)交換。網(wǎng)絡(luò)也不需要使用交換機(jī)或集線器、不需要復(fù)雜的路由設(shè)備。數(shù)據(jù)幀的傳輸延時(shí)只取決于硬件傳輸延時(shí)。當(dāng)某一個(gè)網(wǎng)段或者分支上的最后一個(gè)節(jié)點(diǎn)檢測到?jīng)]有下一個(gè)從站時(shí)，利用以太網(wǎng)技術(shù)的全雙工特性將報(bào)文返回主站。這種俗稱“數(shù)據(jù)火車”的方式，設(shè)計(jì)非常巧妙，是理解EtherCAT總線的基礎(chǔ)(見圖2)。

圖2 EtherCTA的數(shù)據(jù)傳輸Fig.2 EtherCTA data transmission

了解EtherCAT的通信方式后，還需明確EtherCAT的尋址方式。EtherCAT有兩種尋址方式：設(shè)備尋址(device addressing)和邏輯尋址(logical addressing)。其中設(shè)備尋址又分為順序?qū)ぶ泛驮O(shè)置尋址。EtherCAT報(bào)文中32位地址分為16位的從站設(shè)備地址和16位的設(shè)備內(nèi)物理存儲(chǔ)地址。

順序?qū)ぶ芬话阌迷趩?dòng)階段，主站通過順序?qū)ぶ穼?duì)從站做一些配置，是根據(jù)從站的連接順序，即物理位置實(shí)現(xiàn)的。主站將報(bào)文的地址設(shè)為一個(gè)負(fù)數(shù)并且是個(gè)自增量，當(dāng)數(shù)據(jù)幀經(jīng)過時(shí)從站只處理自增量地址為零的子報(bào)文。在經(jīng)過每個(gè)從站時(shí)，數(shù)據(jù)幀中所有自增量地址加一。以此類推主站將按照數(shù)據(jù)幀在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的移動(dòng)順序依次遍歷整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。

啟動(dòng)階段之后，一般采用設(shè)置尋址方式的方式。主站會(huì)給每個(gè)從站設(shè)置一個(gè)站點(diǎn)地址，此地址可與主站通信，設(shè)置后不能更改。站點(diǎn)地址也可以通過從站自己的非易失存儲(chǔ)器獲得。設(shè)置尋址優(yōu)點(diǎn)是每個(gè)從站的地址與其在總線中的位置無關(guān)。在添加、刪除從站，甚至是改變總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的時(shí)候都能對(duì)從站進(jìn)行正確的訪問。

邏輯尋址需要配合總線內(nèi)存管理單元(FMMU)，完成對(duì)從站物理地址與主站邏輯地址進(jìn)行翻譯并建立映射關(guān)系。這種尋址方式的優(yōu)點(diǎn)是，在主站想對(duì)每個(gè)從站進(jìn)行訪問的時(shí)候，只需要對(duì)邏輯空間中的地址進(jìn)行操作，而無須關(guān)心該地址對(duì)應(yīng)的從站物理地址，減輕了主站的負(fù)擔(dān)。

熟悉EtherCAT的尋址方式，學(xué)生就很容易理解和配置EtherCAT從站設(shè)備上的地址設(shè)置撥盤，保證從站設(shè)備的正常通信。

2.2 EtherCAT總線基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)

除了現(xiàn)場總線的基本原理，加上一些電氣控制和運(yùn)動(dòng)控制的基礎(chǔ)知識(shí)，然后通過動(dòng)手實(shí)踐，是最容易加深對(duì)理論的理解和加強(qiáng)對(duì)知識(shí)的掌握。在歐姆龍的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，可以完成從基礎(chǔ)的輸入輸出控制到復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)。由于強(qiáng)、弱電線纜通過安全插線的方式連接，通信線纜采用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)雙絞線和RJ45接口，接線的工作并不繁重，可以把更多的精力集中在系統(tǒng)的配置和控制流程上。

通過Sysmac Studio一體化開發(fā)平臺(tái)(見圖3)和NJ系列機(jī)器控制器，可以快速可視化地完成主控制器與各外圍模塊、EtherCAT網(wǎng)絡(luò)通信模塊的配置。除了利用傳統(tǒng)的梯形圖編程，實(shí)現(xiàn)置位、復(fù)位、串并聯(lián)、中間繼電器、計(jì)數(shù)器、定時(shí)器等邏輯控制功能，還可以實(shí)現(xiàn)伺服系統(tǒng)的速度、位置閉環(huán)控制，驅(qū)動(dòng)軸組的直線插補(bǔ)及圓弧插補(bǔ)，電子凸輪等復(fù)雜運(yùn)動(dòng)控制功能。可以實(shí)現(xiàn)三維建模運(yùn)行仿真和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的跟蹤分析。遵循開放的IEC 61131-3國際標(biāo)準(zhǔn)，除了梯形圖，可以使用結(jié)構(gòu)化文本(Structured Text)高級(jí)編程語言，來提高控制程序編寫的靈活度，充分發(fā)揮硬件設(shè)備的特性，封裝成熟優(yōu)質(zhì)的程序功能塊。

圖3 Sysmac Studio一體化配置與開發(fā)環(huán)境Fig.3 Sysmac Studio integrated configuration and development environment

與傳統(tǒng)控制器重復(fù)地從頭到尾執(zhí)行程序的單循環(huán)控制方式不同，本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)還支持多個(gè)優(yōu)先級(jí)、不同循環(huán)周期的多周期任務(wù)工作方式(見圖4)。實(shí)現(xiàn)了多任務(wù)的調(diào)度和公共數(shù)據(jù)變量的刷新與鎖定保護(hù)。多任務(wù)調(diào)度在控制要求越來越復(fù)雜的情況下，可以有效保證運(yùn)動(dòng)控制功能的敏感性的同時(shí)，保證其它外圍信號(hào)的交互與響應(yīng)。這種方式不同于傳統(tǒng)的編程習(xí)慣，利用好了可以有效提高控制程序效率，需要學(xué)生逐步適應(yīng)。

圖4 多周期任務(wù)的調(diào)度Fig.4 Multi-period task scheduling

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)了多個(gè)的實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，可以根據(jù)不同課程的需要，靈活選擇(見表1)。

表1 基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容Table 1 Basic experiment content

3 基于EtherCAT總線的拓展性教學(xué)內(nèi)容

通過理論學(xué)習(xí)和基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，可以讓學(xué)生們了解EtherCAT現(xiàn)場總線是什么、怎么用，具備了基本的控制系統(tǒng)集成能力的。但是現(xiàn)場總線的學(xué)習(xí)，不應(yīng)只是作為技術(shù)的使用者，要利用EtherCAT總線的開放性，深入掌握現(xiàn)場總線的特性，具備現(xiàn)場總線的開發(fā)能力。EtherCAT采用主從式結(jié)構(gòu)，相關(guān)的開發(fā)內(nèi)容教學(xué)可以聚焦于主站的開發(fā)和從站的開發(fā)。當(dāng)然這部分內(nèi)容，要求學(xué)生具備一定的軟硬件開發(fā)能力。由教師講授一些基礎(chǔ)的開發(fā)知識(shí)與工具，通過課程大作業(yè)或者實(shí)踐課題的形式進(jìn)行更合適。

3.1 EtherCAT主站的開發(fā)

EtherCAT主站采用標(biāo)準(zhǔn)的100Base-TX以太網(wǎng)卡，任何具備商用以太網(wǎng)控制器的Windows系統(tǒng)PC機(jī)或Linux、WinCE等系統(tǒng)的微處理器板卡，都可以作為開發(fā)設(shè)備。自主開發(fā)的主站一方面可以避免采購昂貴的專用控制器，拓展專用設(shè)備上無法實(shí)現(xiàn)的新功能，接入廣大的EtherCAT從站設(shè)備，實(shí)現(xiàn)不同用戶需求的按需定制。

主站功能主要依靠軟件實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)的控制周期由主站發(fā)起，遵循IEEE802.3以太網(wǎng)協(xié)議，沒有重新定義新的以太網(wǎng)幀結(jié)構(gòu)，而是采用一種不同于其它以太網(wǎng)的幀類型0x88A4，使其可以并行地運(yùn)行在其它以太網(wǎng)協(xié)議中。

EtherCAT的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)如圖5所示，最大有效數(shù)據(jù)長度為1498字節(jié)。以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包含EtherCAT頭和EtherCAT數(shù)據(jù)。EtherCAT數(shù)據(jù)又包含了子報(bào)文。子報(bào)文包含子報(bào)文頭、數(shù)據(jù)和工作計(jì)數(shù)器(WKC)。子報(bào)文頭決定該子報(bào)文應(yīng)傳輸?shù)降膶?duì)應(yīng)從站，以及該從站對(duì)子報(bào)文進(jìn)行的讀寫操作。在主站通信的過程中，16位工作計(jì)數(shù)器尤為重要。主站發(fā)起周期控制的時(shí)候，預(yù)先給工作計(jì)數(shù)器賦值。當(dāng)數(shù)據(jù)幀遍歷完所有從站設(shè)備，通過比對(duì)返回的工作計(jì)數(shù)器的值，就可以驗(yàn)證數(shù)據(jù)報(bào)文是否被EtherCAT從站節(jié)點(diǎn)正確處理。

圖5 EtherCAT數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)Fig.5 EtherCAT data frame structure

主站的開發(fā)可以使用多種高級(jí)語言來編寫，利用現(xiàn)有的以太網(wǎng)頭文件或者庫文件，無需特別復(fù)雜的代碼，就可以實(shí)現(xiàn)主站的功能。主站應(yīng)用層數(shù)據(jù)的交互，以及對(duì)數(shù)據(jù)的處理策略以及功能實(shí)現(xiàn)，是學(xué)生能更多拓展的內(nèi)容。

3.2 EtherCAT從站的開發(fā)

EtherCAT從站大多采用專用的ESC(EtherCAT Slave Controller)芯片。ET1100芯片是倍福公司推出的、使用比較廣泛的ESC芯片。ET1100最多支持4個(gè)數(shù)據(jù)收發(fā)端口，每個(gè)端口都可以處于打開或者閉合狀態(tài)。有8個(gè)現(xiàn)場總線管理單元、8個(gè)同步管理單元、4K控制寄存器、8K過程數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和64位的分布時(shí)鐘[5]。ET1100能夠直接作為32位數(shù)字量輸入輸出站點(diǎn)，或者通過過程數(shù)據(jù)接口與微處理器連接，組成具有復(fù)雜功能的從站設(shè)備。

ET1100芯片提供3種接口規(guī)范：32位并行IO接口、8/16位微控制器并行接口和串行SPI接口。并行IO接口適合只有數(shù)字輸入、輸出的從站節(jié)點(diǎn)，無需額外從站控制芯片。但是通常從站是需要處理傳感器信號(hào)、模擬量、編碼器或者完成簡單驅(qū)動(dòng)功能的，所以一般會(huì)采用MCU(如STM32)通過串行SPI接口進(jìn)行數(shù)據(jù)交換(如圖6所示)，比采用并行接口簡單(并行接口適用于數(shù)據(jù)量較大的復(fù)雜設(shè)備)。

圖6 從站處理器與ESC芯片的連接Fig.6 Connection between the slave processor and the ESC chip

市面上已有比較成熟的ET1100開發(fā)板，STM32的開發(fā)板更是種類繁多。從站初期開發(fā)可以利用兩種開發(fā)板完成板間連接，開發(fā)測試完成相應(yīng)功能。學(xué)有余力的學(xué)生，可以自主設(shè)計(jì)制作從站硬件PCB，實(shí)現(xiàn)獨(dú)有的從站模塊。

4 EtherCAT總線實(shí)踐教學(xué)成效

上海交通大學(xué)學(xué)生創(chuàng)新中心，依托歐姆龍實(shí)驗(yàn)室，開設(shè)了現(xiàn)場總線相關(guān)的基礎(chǔ)實(shí)踐課程教學(xué)單元，一般為8-16課時(shí)。主要是面對(duì)參加工程實(shí)踐課程低年級(jí)學(xué)生，在完成基本的機(jī)加工訓(xùn)練和電工電子實(shí)習(xí)后，對(duì)現(xiàn)代控制技術(shù)有一個(gè)概括的了解并完成一些基礎(chǔ)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。開設(shè)過32課時(shí)的選修課程，面向高年級(jí)對(duì)現(xiàn)場總線技術(shù)感興趣的學(xué)生，比較全面地介紹了EtherCAT總線技術(shù)，并完成了復(fù)雜運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的測試。與機(jī)動(dòng)學(xué)院機(jī)電一體化課程合作，負(fù)責(zé)現(xiàn)場總線部分內(nèi)容教學(xué)。以實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為依托，為學(xué)校本科生研究計(jì)劃(PRP)提供支撐，完成了多個(gè)PRP項(xiàng)目。立項(xiàng)完成學(xué)校特色實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目1項(xiàng)。面向全國兄弟高校完成多次師資培訓(xùn)，助推了EtherCAT現(xiàn)場總線教學(xué)的發(fā)展。后續(xù)還將繼續(xù)優(yōu)化EtherCAT現(xiàn)場總線主站、從站開發(fā)的教學(xué)內(nèi)容，讓學(xué)生也能夠成為技術(shù)的推進(jìn)力量，促進(jìn)行業(yè)的良性發(fā)展。