EtherCAT系统搭建与测试指导(采用Beckhoff 公司的测试套件).docx

EtherCAT系统搭建与测试指导(采用 Beckhoff 公司的 TC9910-B112 测试套件)Version 0.1Date: 2010-10-09版权申明TrademarksBeckhoff, TwinCAT, EtherCAT, Safety over EtherCAT, TwinSAFE andXFC are registered trademarks of and licensed by Beckhoff Automation GmbH. Other designations used in this publication may be trademarks whose use by third parties for their own purposes could violate the rights of the owners.Patent PendingThe EtherCAT Technology is covered, including but not limited to the following German patent applications and patents: DE10304637, DE102004044764, DE102005009224, DE102007017835 with corresponding applications or registrations in various other countries.DisclaimerThe documentation has been prepared with care. The products described are, however, constantly under development. For that reason the documentation is not in every case checked for consistency with performance data, standards or other characteristics. In the event that it contains technical or editorial errors,we retain the right to make alterations at any time and without warning. No claims for the modification of products that have already been supplied may be made on the basis of the data, diagrams and descriptions in this documentation.Copyright Beckhoff Automation GmbH 05/2009.The reproduction, distribution and utilization of this document as well as the communication of its contents to others without express authorization are prohibited. Offenders will be held liable for the payment of damages.All rights reserved in the event of the grant of a patent, utility model or design.1 EtherCAT 协议介绍EtherCAT 是德国倍福(Beckhoff)公司提出的开放式实时以太网，由独立的技术小组ETG(EtherCAT Technology Group)负责管理和推广。它具有高速、高有效数据率的特点，支持几乎所有的拓扑结构。从站使用专用的从站控制芯片，如ESC10和ESC20等。主站为PC时使用通用的以太网卡NIC(Network Interface Card)。1.1 EtherCAT 拓扑和工作原理EtherCAT 支持几乎所有的拓扑结构：线型、树型或星型结构，可以选用的物理介质有标准以太网电缆 100Base-TX、倍福公司的 E-bus 以及光缆。使用 100Base-TX 电缆时站间距离可到 100 米，而 E-bus 只能保障 10 米的间距。整个网络最多可以连接65535个设备。使用快速以太网的全双工通信技术，使 EtherCAT 成为主从式的环型结构，如图 1.1 所示。图 1.1 EtherCAT 协议运行原理EtherCAT 协议使用一个特殊类型的以太网数据帧。如图1.2(a)所示，EtherCAT 以太网数据帧的数据区由多个子报文组成，每个子报文都服务于一个特定的逻辑映像区。数据帧在设备中持续传输，每个设备中的 FMMU (Fieldbus Memory Management Unit)在数据帧通过时读出该数据帧中映射到此设备的逻辑地址中的数据，如数字伺服控制指令数据。同样，输入数据，如数字伺服状态数据，可以在数据帧通过时插入到相应的逻辑地址区中，数据帧在整个过程仅有几纳秒的延时，如图1.1所示。通常每个通信周期只需要传输一个以太网数据帧，这个数据帧沿着逻辑环传输一周，完成所有的广播式、多播式以及从站间的通信。这种通信方式大大提高了EtherCAT的通信速率和有效数据率。控制100个输入输出数据均为8 字节的伺服轴只需要 100s。而1000个I/O的刷新只需要30s。EtherCAT的高性能特性使它还可以处理分布式驱动器的电流(转矩)控制。EtherCAT UDP(User Datagram Protocol) 可以将EtherCAT协议打包至UDP/IP(Internet Protocol)的数据帧内，如图 1.2 中(b)所示。此时，任何带以太网协议堆栈的控制都可以寻址 EtherCAT系统，甚至允许经路由器和其它子网通信。在这种情况下，在 EtherCAT网络内部，UDP帧只须在第一个从站解压包，EtherCAT网络本身的响应时间几乎不受影响。1.2 EtherCAT 协议栈和实现EtherCAT协议基于以太网接口，在MAC层上增加一个确定性调度的软件层，该软件层实现了通信周期内的数据交换。在高层协议中，EtherCAT并没有定义任何设备规范，而是支持现有的各种设备规范和服务，以使用户和设备生产商可以方便地从现有的现场总线标准移植到 EtherCAT。EtherCAT协议栈如图1.3所示。图 1.3EtherCAT 协议栈图中各设备规范解释如下：FoE：File over EtherCAT;EoE：Ethernet over EtherCAT;SoE：SERCOS over EtherCAT;CoE：CANopen over EtherCAT;在 PC 主站，EtherCAT使用通用的以太网卡NIC，网卡通过 DMA(Direct Memory Access)方式将数据传送至 PC 内存，从而可以实现纯软件的EtherCAT控制程序。从站使用专用控制芯片，有多个芯片制造商提供从站芯片，使用非常方便。2 EtherCAT 练习 1练习1中，使用TwinCAT System Manager，通过EtherCAT通信控制两个从站设备站点。其拓扑结构如图2.1所示。图 2.1 练习1 系统拓扑图2.1 从站试验台介绍表2.1 练习1中EtherCAT模块描述1、 EK1100：EtherCAT 耦合器EK1100 耦合器连接EtherCAT网络和EtherCAT 端子(ELxxxx)。一个站点可以由一个 EK1100 耦合器、任何数目的EtherCAT端子和一个总线末端端子。耦合器将以太网100BaseTX 的电报转换为E-bus信号表示。耦合器使用上面的以太网接口和网络连接。下面的RJ45插座可以连接同一网段的其它EtherCAT设备。在EtherCAT网络中，EK1100耦合器可以安装在以太网信号传输段的任何地方除了直接与交换机连接。图2.2 EK1100接口图2、 EL2008：8 通道数字量输出模块EL2008是2通道数字量输出模块，它为执行器件输出电气隔离的24V控制信号，支持直接控制3线制的执行器件。EL2008带有附加的诊断LED和短路断路报告输入位。在练习1中，共8个输出点，它们没有外接输出，使用自带的诊断LED演示输出状态。图2.3 EL2008接口图3、 EL1008：8 通道数字量输入端子EL1008 是8通道数字量输入端子，它使用电隔离的方式采集现场生产层的二进制控制信号并向高层自动化单元发送它们。输入端子模块有一个3ms输入滤波，并有LED状态指示灯。图2.4 EL2008接口图4、 EL9011：E-bus 总线端盖EL9011 是 E-bus 末端端子，安装在端子末端。2.2 主站硬件介绍EtherCAT 主站基于PC计算机，使用普通以太网网卡。由于本练习中使用的TwinCAT实时功能只支持Intel公司8255x系列的以太网控制器芯片，所以本练习选择的以太网接口卡型号为：Intel PILA8460BN，其技术参数如下表2.2。表 2.2PILA8460 技术参数总线接口PCI芯片Intel82559全双工兼容全双工和半双工网线接口类型RJ-45传输速率10/100传输介质类型3/4/5类UTP网络标准IEEE802.3，IEEE802.3u2.3 主站控制软件TwinCATTwinCAT软件系统是基于PC兼容机的自动化系统，全称是“The Windows Control and Automation Technology”。它把任何PC兼容机变成一个带有多PLC、NC轴控制、编程环境和控制台的实时控制系统。开始安装程序点击运行安装光盘中TwinCAT目录下的“setup.exe”，出现如下对话框，点击“Next”以继续。选择语言选择你想要安装TwinCAT使用的语言，选择English，点击“Weiter”继续。退出其它程序安装程序推荐在正式开始安装之前退出其它所有程序。然后点“Next”继续安装。同意安装许可协议如果出现一下现象，打开注册表，删除以下键值： HK_Local_machinesystemcurrent controlsetcontrolsession manager 中找到“PendingFileRenameOperation”，将其删除。输入用户信息必须在此对话框中输入序列号，序列号在购买协议中可以找到，如果你安装TwinCAT的演示版本，则将此对话框空白。选择安装等级必须选择以下安装等级中的一个。产品等级的描述：TwinCAT CP包含倍福控制面板中特殊功能(UPS，S-Keys，.)的必要组件TwinCAT IO用户模式程序可以直接访问IO设备。这一等级不包括PLC程序TwinCAT PLC包括了IEC61131-3 软件开发包TwinCAT NC PTP除了PLC，这个模块包括 NC/PLC 功能以控制PTP轴。TwinCAT NC I除了PLC，这个模块包括NC三维插补功能选择安装类型选择TwinCAT的安装类型，如果没有注册码，则选择“Install the 30 day Version”，在30内可以不受任何限制的使用。在30后TwinCAT失效，此时可以重新安装。选择安装部件TwinCAT的缺省选项是不安装全部部件。用户可以根据自己的需求选择安装部件。各部件说明如表2.3。表 2.3 TwinCAT 安装部件选择目标路径和程序文件夹可以选择任何安装路径和程序文件夹，通常使用程序提供的缺省值。重新启动计算机程序安装完成之后，必须重新启动计算机。此时，安装程序完成了TwinCAT的安装。2.4 安装 TwinCAT EtherCAT 协议TwinCAT实时内核只提供Intel公司的网卡芯片驱动程序，按如下界面可以显示当前计算机的网卡设备。出现如下界面： 其中“Compatible devices”表示TwinCAT支持的网卡，点击右侧的“Install”按钮，开始安装实时网卡驱动程序。出现如下界面，请选择“仍然继续(C)”，你可以相BECKHOFF 。此时，安装已经完成，选择右侧“show Bindings”可以查看已经安装的服务这样，TwinCAT System Manager 就可以在“I/O device”中找到这个新的适配卡。2.5 运行 TwinCAT System ManagerTwinCAT System Manager是TwinCAT系统的核心配置工具，就是在其中管理软件任务的输入输出和连接得现场总线的物理输入输出。各个独立的软件任务在它们各自的过程映像中运行，所以其中的变量地址只在特定的任务中有效。逻辑的和物理的输入输出量之间通过连接任务变量和现场总线变量来互相分配。(1) 接通从站试验台电源(2) 打开 TwinCAT System Manager方法一：点击屏幕右下角的TwinCAT图标，出现菜单后，选择System Manager。方法二：选择“开始 程序 TwinCAT System TwinCAT System Manager”打开 System Manager 后，选择 File New 菜单，建立新工程。(3) 扫描设备自动扫描PC机上的兼容设备。在窗口左面的系统配置区的I/O Devices上点击右键，选择“Scan Devices”。System Manager 会给出如下提示：点击“确定”，系统开始扫描，结果如下图，发现EtherCAT网卡。点击OK，出现以下对话框：点击“是(Y)”，继续扫描 EtherCAT 从站设备。扫描结束后，出现以下对话框：在 Free Run 模式下，即使没有PLC程序或其它活动的实时任务，也可以操作总线端子的I/O 通道。点击“是(Y)”进入 Free Run 模式，手动操作从站I/O 端子。将新建的工程保存为“ex1.tsm”，其中包括了1个站点共4个端子，结果如下图：各端子说明如表 2.4：(4) 运行结果1) 操作EL2008通过System Manager操作 EL2008 的输出，首先选择EL2008(Term2)的一个输出通道的Output。在窗口右面的变量标签中选择“Online”图中的曲线就是输出通道 1 的输出值的变化情况，点击“Write”，以改变输出值。输出值可以由 EL2008 的指示灯观察到。2) 操作EL1008通过System Manager 观察EL1008的输入，首先选择 EL1008(Term4)输入通道 Channel 1 的 Input。在窗口右面的变量标签中选择“Online”，图中的曲线就是输入通道1的输入值的变化情况，拨动对应的开关 1(见图 2.2)，可以看到曲线值的变化。3 EtherCAT 练习 2练习2在练习1的基础上进一步通过PLC程序控制从站运行。“TwinCAT PLC Control”是系统的 PLC 编程环境，它是一个强大的32位编程环境，可以实现的代码规模和数据量远超过传统的 PLC 系统。TwinCAT PLC 支持在IEC61131-3 中定义的所有语言，并集成了C语言。(1) 配置 PLC 控制属性打开 TwinCAT System Control方法一：在屏幕右下角的 TwinCAT 图标上点右键，出现菜单后，选择 Properties。方法二：选择“开始程序TwinCAT System TwinCAT System Control”打开TwinCAT System Properties 对话框后选择PLC标签，如下图所示：系统缺省支持一个Run-time，在 Boot Project 和 Load/Store Retain 中选中第一个Run-Time 前面的复选框。表示TwinCAT启动之后执行 Run-Time1，并且其程序装载之后保存在控制器中。(2) 启动TwinCAT在执行 PLC 程序之前，必须激活TwinCAT实时服务器。点击屏幕右下角的TwinCAT图标，出现菜单后，选择 SystemStart。由于安装的TwinCAT为30天试用版，所以会提示注册，选择“Cancel”。(3) 新建PLC工程打开TwinCAT PLC Control方法一：在屏幕右下角的TwinCAT图标上点右键，出现菜单后，选择PLC Control。方法二：选择“开始 程序 TwinCAT System TwinCAT PLC Control”新建PLC工程选择“File”菜单中的“New”命令，出现以下对话框选择“PC（i386）”，点击“OK”按钮后，出现以下对话框：按照图中的配置建立Program单元IO_MAIN。在变量申明中定义以下变量：oblinkarray AT %QB199 : ARRAY0.7 OF BOOL;Input_1 AT %IX99.0 : BOOL;Input_2 AT %IX99.1: BOOL;Input_3 AT %IX99.2: BOOL;Input_4 AT %IX99.3: BOOL;程序体中添加以下代码：oblinkarray0 :=Input_1;oblinkarray1 :=NOT Input_1;oblinkarray2 :=Input_2;oblinkarray3 :=NOT Input_2;oblinkarray4 :=Input_3;oblinkarray5