基于EtherCAT協(xié)議的FMS多設(shè)備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集技術(shù)

張韜，劉康，廖映華

(四川輕化工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川宜賓 644000)

0 前言

柔性制造系統(tǒng)(Flexible Manufacturing System，F(xiàn)MS)是一種高自動(dòng)、高復(fù)雜、集成化的系統(tǒng)，通過(guò)工程技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)過(guò)程的高度自動(dòng)化與高度制造柔性。為實(shí)現(xiàn)柔性制造，實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)至關(guān)重要。這些數(shù)據(jù)包括底層設(shè)備的生產(chǎn)數(shù)據(jù)、品質(zhì)檢測(cè)數(shù)據(jù)、運(yùn)行數(shù)據(jù)、加工過(guò)程數(shù)據(jù)、設(shè)備狀況數(shù)據(jù)、I/O信號(hào)等。

對(duì)于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有很多研究。1997年，斯坦福大學(xué)和麻省理工大學(xué)合作研發(fā)了下一代遠(yuǎn)程監(jiān)控診斷示范系統(tǒng)，這項(xiàng)工作獲得了多個(gè)行業(yè)的支持[1]。1998年，麻省理工大學(xué)研發(fā)了Web-Lab項(xiàng)目，操作人員可以通過(guò)瀏覽器遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)室的儀器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)[2]。美國(guó)伊利諾伊大學(xué)研發(fā)的Nmrsocp系統(tǒng)，可通過(guò)接入互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行測(cè)量與控制[3]。國(guó)內(nèi)山西大同礦務(wù)局研發(fā)了煤礦機(jī)電設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于以太網(wǎng)實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，克服了復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境，實(shí)時(shí)監(jiān)控整個(gè)礦區(qū)設(shè)備的運(yùn)行狀況[4]。張志勇等[5]提出一種基于B/S架構(gòu)的激光雷達(dá)數(shù)據(jù)采集遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)時(shí)顯示采集波形數(shù)據(jù)。然而，隨著智能制造的發(fā)展，對(duì)數(shù)據(jù)采集技術(shù)的實(shí)時(shí)性以及高效性的要求越來(lái)越高。傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)總線有著成本高、容量小、傳輸效率低、各種標(biāo)準(zhǔn)難以兼容的問(wèn)題[6]，無(wú)法滿足FMS實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集傳輸效率高、響應(yīng)快、傳輸速度快的需求。傳統(tǒng)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)采集、傳輸周期遠(yuǎn)低于工業(yè)控制系統(tǒng)，無(wú)法保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確而實(shí)時(shí)的刷新，從而影響整個(gè)工業(yè)控制系統(tǒng)[7]；而實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)有著實(shí)時(shí)、快速、抗干擾能力強(qiáng)和兼容性好等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)領(lǐng)域上備受歡迎[8]。

EtherCAT是一種廣泛應(yīng)用的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)協(xié)議，具有延遲低、通信周期短、配置靈活的特點(diǎn)[9]。它是相對(duì)其他以太網(wǎng)在數(shù)據(jù)鏈層修改后的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)，因此兼容多種以太網(wǎng)協(xié)議。與其他實(shí)時(shí)以太網(wǎng)不同，EtherCAT在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)需要先將數(shù)據(jù)包解碼，然后再?gòu)?fù)制給其他設(shè)備，通過(guò)軟硬件一起實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，將部分功能給硬件處理，通過(guò)映射方式與各個(gè)從站設(shè)備通信，提高了傳輸效率、傳輸速率等。本文作者將EtherCAT協(xié)議引入FMS數(shù)據(jù)采集中，以TwinCAT作為軟主站、FMS設(shè)備作為從站，對(duì)EtherCAT協(xié)議的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集技術(shù)進(jìn)行分析測(cè)試。

1 FMS多設(shè)備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集

1.1 FMS實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集原理

FMS的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，它具有可復(fù)用性高、運(yùn)行靈活、產(chǎn)品應(yīng)變能力強(qiáng)的特點(diǎn)，主要分為3個(gè)部分：底層加工系統(tǒng)、物料傳送系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。底層加工系統(tǒng)一般由20臺(tái)以下能獨(dú)立工作的加工設(shè)備組成；物料傳送系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各個(gè)機(jī)床、存儲(chǔ)機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)運(yùn)站等之間的物料傳送，可以由運(yùn)輸帶、托板、無(wú)軌小車(AVG)、有軌小車(RVG)、機(jī)器人等單個(gè)設(shè)備或者多個(gè)設(shè)備組成；計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)FMS中各個(gè)設(shè)備協(xié)調(diào)運(yùn)作，包括工藝規(guī)劃、設(shè)備管理、生產(chǎn)調(diào)度、系統(tǒng)管理、系統(tǒng)監(jiān)控以及通信。為實(shí)現(xiàn)柔性制造，需要掌握系統(tǒng)各個(gè)部分的狀況，如：設(shè)備運(yùn)行狀況、加工過(guò)程、工件信息、工藝過(guò)程等，因此需要收集大量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，包括加工過(guò)程數(shù)據(jù)、系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)、I/O信號(hào)、存儲(chǔ)狀態(tài)數(shù)據(jù)等，并且進(jìn)行相應(yīng)的采集與處理。FMS實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集方式主要有以下幾種：PLC采集方式、RFID采集方式、觸摸屏采集方式、以太網(wǎng)采集方式。其中，以太網(wǎng)采集方式相對(duì)其他方式采集效率更高、涉及面更廣，但有一定缺陷，當(dāng)工業(yè)以太網(wǎng)通信實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)時(shí)，每個(gè)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)都會(huì)競(jìng)爭(zhēng)數(shù)據(jù)發(fā)送優(yōu)先權(quán)，只有當(dāng)節(jié)點(diǎn)通道空閑時(shí)才會(huì)開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù)，否則只能等待，容易造成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)發(fā)送延遲。特別是當(dāng)非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)同時(shí)發(fā)送時(shí)，由于在數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)處的競(jìng)爭(zhēng)以及其他數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)的碰撞，更容易造成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)發(fā)送受阻，出現(xiàn)更大的發(fā)送延遲。普通工業(yè)以太網(wǎng)沒(méi)有有效的措施處理節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)延遲或者發(fā)送阻塞。因此，本文作者將EtherCAT技術(shù)引入FMS中進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信。

影響EtherCAT實(shí)時(shí)性的關(guān)鍵是網(wǎng)絡(luò)通信的實(shí)時(shí)性和控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。網(wǎng)絡(luò)通信的實(shí)時(shí)性體現(xiàn)在通信協(xié)議的延遲上，控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性體現(xiàn)在硬件條件和通信規(guī)模等方面。因此，在控制系統(tǒng)不變的情況下，綜合考慮生產(chǎn)成本，通過(guò)改變網(wǎng)絡(luò)通信提高實(shí)時(shí)性。EtherCAT為一種實(shí)時(shí)以太網(wǎng)協(xié)議，它在網(wǎng)絡(luò)通信上進(jìn)行了更改，相比其他實(shí)時(shí)以太網(wǎng)修改了數(shù)據(jù)鏈路層，是一種主從站全雙工結(jié)構(gòu)，不需要像其他實(shí)時(shí)以太網(wǎng)那樣在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)需將數(shù)據(jù)包解碼后再?gòu)?fù)制給其他設(shè)備，它是通過(guò)軟硬件一起實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，將部分功能給硬件處理，通過(guò)映射方式與各個(gè)從站設(shè)備通信[10]，使通信更穩(wěn)定、效率更高。在一個(gè)通信周期內(nèi)，主站發(fā)送以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀給各個(gè)從站，數(shù)據(jù)幀到達(dá)從站后，每個(gè)從站根據(jù)尋址從數(shù)據(jù)幀內(nèi)提取相應(yīng)的數(shù)據(jù)，并把它們反饋的數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)幀。當(dāng)數(shù)據(jù)幀發(fā)送到最后一個(gè)從站后返回，并通過(guò)第一個(gè)從站返回至主站。這種方式大大縮短了數(shù)據(jù)處理時(shí)間，處理延遲僅為十幾納秒，并且能夠在一個(gè)周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，同時(shí)改善了帶寬利用率，最大有效數(shù)據(jù)利用率達(dá)90%以上。運(yùn)行原理如圖1所示。

圖1 EtherCAT運(yùn)行原理

在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，EtherCAT利用以太網(wǎng)進(jìn)行雙向傳輸，可以同時(shí)接收數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)，加快了傳輸效率。如圖1所示，每個(gè)從站有2個(gè)網(wǎng)口芯片：PHY0、PHY1，每個(gè)網(wǎng)口芯片分別對(duì)應(yīng)RX和TX 2個(gè)數(shù)據(jù)傳輸通道，主站通過(guò)PHY1_TX通道傳輸數(shù)據(jù)幀給從站1的PHY0_RX通道，經(jīng)從站1的從站控制器ESC處理后由從站1的PHY1_TX通道傳輸給下一個(gè)從站，當(dāng)所有從站都接收到數(shù)據(jù)幀后，由最后1個(gè)從站的PHY1_TX通道返回?cái)?shù)據(jù)幀給該從站的PHY1_RX通道，最終通過(guò)從站1的PHY0_TX通道返回給主站的PHY1_RX通道，實(shí)現(xiàn)1個(gè)數(shù)據(jù)幀的傳輸循環(huán)。

1.2 EtherCAT數(shù)據(jù)傳輸模式

EtherCAT用以太網(wǎng)幀來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，其結(jié)構(gòu)由以太網(wǎng)幀頭、以太網(wǎng)數(shù)據(jù)和校驗(yàn)碼組成。以太網(wǎng)幀頭主要由接收方和發(fā)送方的MAC地址和0×88A4類型的幀組成；以太網(wǎng)數(shù)據(jù)分為EtherCAT頭和EtherCAT數(shù)據(jù)，EtherCAT頭包括EtherCAT數(shù)據(jù)區(qū)長(zhǎng)度和類型，EtherCAT數(shù)據(jù)主要是數(shù)據(jù)區(qū)子報(bào)文。以太網(wǎng)幀結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 以太網(wǎng)幀結(jié)構(gòu)

EtherCAT傳輸?shù)臄?shù)據(jù)主要在EtherCAT數(shù)據(jù)區(qū)中存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)區(qū)中至少有1個(gè)子報(bào)文，每個(gè)子報(bào)文對(duì)應(yīng)1個(gè)從站。每個(gè)子報(bào)文由子報(bào)文、數(shù)據(jù)和工作計(jì)算器(MKC)組成，子報(bào)文頭存儲(chǔ)從站的地址、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、尋址和讀寫方式等，如果從站數(shù)量大于1個(gè)，只需要增加相應(yīng)的子報(bào)文即可進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。工作計(jì)算器的初值為0，當(dāng)主站發(fā)送數(shù)據(jù)幀時(shí)，從站每接收1個(gè)數(shù)據(jù)幀，工作計(jì)算器的值加1，然后主站通過(guò)對(duì)比工作計(jì)算器的預(yù)期值與實(shí)際接收到的值來(lái)判斷指令是否被執(zhí)行。

1.3 FMS設(shè)備時(shí)間同步控制

為保證柔性制造，需要各個(gè)設(shè)備之間具有高協(xié)調(diào)性，能夠根據(jù)加工工藝快速響應(yīng)，不僅體現(xiàn)在生產(chǎn)設(shè)備上，還體現(xiàn)在控制設(shè)備上。當(dāng)上位機(jī)發(fā)送指令時(shí)，F(xiàn)MS底層設(shè)備識(shí)別指令的快慢程度或者控制層發(fā)送指令的延遲都會(huì)直接影響加工精度，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致加工失敗。例如，要控制一部分加工設(shè)備運(yùn)作時(shí)，當(dāng)對(duì)這部分設(shè)備發(fā)送指令時(shí)，一部分設(shè)備識(shí)別到了指令，一部分設(shè)備識(shí)別指令延遲，一部分設(shè)備沒(méi)有識(shí)別到指令，這就會(huì)導(dǎo)致加工紊亂。因此，對(duì)于降低指令識(shí)別延遲、提高設(shè)備響應(yīng)精度非常重要。

綜上所述，此次研究采用EtherCAT分布時(shí)鐘的方式來(lái)降低FMS實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集響應(yīng)延遲。EtherCAT以太網(wǎng)在上電時(shí)會(huì)對(duì)主從站的設(shè)備時(shí)鐘進(jìn)行初始化，在FMS中每個(gè)設(shè)備啟動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生1個(gè)本地時(shí)鐘，由于啟動(dòng)時(shí)間不一致，本地時(shí)鐘也不一致，如果此時(shí)直接發(fā)送指令，就會(huì)導(dǎo)致有些設(shè)備延遲運(yùn)行，因此要進(jìn)行時(shí)鐘同步。將與主站連接的第1個(gè)從站設(shè)備時(shí)鐘作為參考時(shí)鐘，其他設(shè)備時(shí)鐘與參考時(shí)鐘作比較，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)偏移值，從站控制器(ESC)會(huì)對(duì)該值進(jìn)行處理，經(jīng)過(guò)校正后產(chǎn)生本地系統(tǒng)時(shí)鐘；當(dāng)所有設(shè)備的本地系統(tǒng)時(shí)鐘與參考時(shí)鐘一致時(shí)，就達(dá)到了時(shí)鐘同步的目的，這時(shí)即可對(duì)設(shè)備發(fā)送指令。相比于完全同步的通信，分布式同步時(shí)鐘具有更好的容錯(cuò)性，并且同步方法基于硬件校正，具有很高的準(zhǔn)確性，同步信號(hào)抖動(dòng)遠(yuǎn)小于1 μs。

2 EtherCAT主從站設(shè)計(jì)

2.1 EtherCAT主從站平臺(tái)建立

EtherCAT與其他現(xiàn)場(chǎng)總線不同，它無(wú)需專用的通信板卡，只需在PC機(jī)上安裝具有DMA功能的普通網(wǎng)卡即可。EtherCAT作為主從站結(jié)構(gòu)，通過(guò)主站對(duì)從站設(shè)備發(fā)送指令，將各種數(shù)據(jù)信息在從站中進(jìn)行處理以反饋主站的指令，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳遞。此次研究以BECKHOFF專用軟件TwinCAT作為EtherCAT主站，相關(guān)硬件模塊作為從站，進(jìn)行FMS中EtherCAT主從站的建立。模塊上面提供設(shè)備連接接口，將FMS中設(shè)備通過(guò)網(wǎng)線與對(duì)應(yīng)從站模板連接，從而將設(shè)備嵌入EtherCAT以太網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)主從站的建立。

數(shù)據(jù)采集架構(gòu)如圖3所示，整個(gè)結(jié)構(gòu)分為兩部分：一部分是主站，以TwinCAT軟件作為軟主站，位于PC機(jī)上；另一部分是從站，由現(xiàn)場(chǎng)模塊構(gòu)成。主站負(fù)責(zé)導(dǎo)入并解析XML文件、創(chuàng)建從站設(shè)備、構(gòu)建初始化命令幀以及進(jìn)行通信初始化并引導(dǎo)從站完成狀態(tài)機(jī)轉(zhuǎn)換等功能。從站主要處理生產(chǎn)設(shè)備在生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的過(guò)程數(shù)據(jù)、狀態(tài)數(shù)據(jù)以及軸運(yùn)行數(shù)據(jù)。

圖3 數(shù)據(jù)采集架構(gòu)

TwinCAT主要由3部分組成：(1)TwinCAT Manager用于主站與從站通信的相關(guān)配置；(2)TwinCAT PLC用于程序編寫，實(shí)現(xiàn)主站對(duì)從站設(shè)備的控制；(3)TwinCAT HMI用于對(duì)通信設(shè)備的監(jiān)控。

2.2 從站設(shè)計(jì)

EtherCAT作為現(xiàn)場(chǎng)總線，和其他設(shè)備之間通信只需要一根網(wǎng)線即可，傳輸效率高、接線簡(jiǎn)單。硬件主要包括AX5000驅(qū)動(dòng)器、EK1100總線耦合器、CX1100電源模塊、CX1090型號(hào)的CPU以及輸入輸出模塊?，F(xiàn)場(chǎng)總線耦合器作為網(wǎng)口模塊，依靠該模塊實(shí)現(xiàn)和其他設(shè)備之間的通信。電源模塊給總線耦合器、CPU以及輸入輸出模塊供電。輸入輸出模塊用于連接現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備信號(hào)以及與軟件之間通信。模塊連接原理如圖4所示。

圖4 從站模塊連接示意

如圖4所示，信號(hào)采集模塊作為FMS各個(gè)設(shè)備信號(hào)監(jiān)控的重要部分，只要各個(gè)設(shè)備的接口與相應(yīng)模塊連接，就能將對(duì)應(yīng)設(shè)備產(chǎn)生的電流信號(hào)經(jīng)過(guò)從站控制器處理轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，最后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控。如果FMS中增加了設(shè)備數(shù)量，只需要增加相應(yīng)的擴(kuò)展模塊以及采集模塊數(shù)量就能實(shí)時(shí)監(jiān)控增加的設(shè)備。

2.3 主站設(shè)計(jì)

2.3.1 主站系統(tǒng)架構(gòu)

軟PLC基于PC機(jī)，在Windows平臺(tái)上建立，在某方面與硬PLC具有相似的特點(diǎn)，如功能、可靠性、速度、故障檢測(cè)等。傳統(tǒng)PLC的計(jì)算、存儲(chǔ)、控制以及編程等功能都是在軟PLC上通過(guò)軟件TwinCAT實(shí)現(xiàn)的。軟PLC作為EtherCAT的軟件通信部分，綜合了傳統(tǒng)PLC和計(jì)算機(jī)的開(kāi)關(guān)量控制、模擬量控制、數(shù)字量控制、數(shù)據(jù)處理、PID調(diào)節(jié)等功能。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)硬件模塊完成數(shù)據(jù)的采集和信號(hào)的輸出。軟PLC系統(tǒng)主要由開(kāi)發(fā)環(huán)境和運(yùn)行環(huán)境兩部分組成[11]，開(kāi)發(fā)環(huán)境又分為配置環(huán)境、編程環(huán)境和調(diào)試環(huán)境，同時(shí)可以提供接口供外部設(shè)備訪問(wèn)，通信協(xié)議為ADS協(xié)議。為實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備層的監(jiān)控，此次研究將NC軸、PLC軸、物理軸三大虛擬軸嵌入到配置環(huán)境中。物理軸用于與設(shè)備映射，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的控制；PLC軸用于與編程環(huán)境中的變量映射；NC軸用于控制電機(jī)軸。運(yùn)行環(huán)境主要是外接設(shè)備，一般為用于調(diào)試的PLC虛擬機(jī)或者是用于實(shí)際運(yùn)行的倍?？刂破?，只需要將其IP地址與主站IP地址設(shè)置在統(tǒng)一網(wǎng)端下就能實(shí)現(xiàn)主站與從站的數(shù)據(jù)交互。軟PLC系統(tǒng)架構(gòu)如圖5所示，其中配置環(huán)境中各個(gè)部分的關(guān)系如圖6所示。

圖5 PLC系統(tǒng)架構(gòu)

圖6 三軸通信流程

此次研究將三大虛擬軸(PLC軸、NC軸、物理軸)嵌入TwinCAT中，建立主站與從站設(shè)備的鏈接，如：電機(jī)軸、機(jī)床、運(yùn)輸設(shè)備等。PLC軸與PLC編程界面中的實(shí)際變量對(duì)應(yīng)連接，實(shí)現(xiàn)程序控制。其中，最重要的是需要在程序中創(chuàng)立1個(gè)連接模塊——AXIS_REF功能塊，該功能塊在TwinCAT自定義的靜態(tài)庫(kù)TcMc2.lib中有2個(gè)接口變量：NC_TO_PLC和PLC_TO_NC。NC軸與PLC軸相互連接，連接完成后就可以用PLC程序控制NC軸并且可以在NC軸上的Online界面監(jiān)控軸的狀態(tài)。保證控制器和PC機(jī)在同一個(gè)IP網(wǎng)端下就可以通過(guò)scan功能將硬件模塊映射到TwinCAT軟件上的I/O Devices和NC軸中，實(shí)現(xiàn)NC軸與實(shí)際硬件(物理軸)連接。由于各個(gè)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器以及設(shè)備連接在EtherCAT以太網(wǎng)中，通過(guò)以上連接能夠?qū)崿F(xiàn)主站對(duì)從站設(shè)備的控制。

2.3.2 主站與從站通信流程

TwinCAT軟件作為主站與從站設(shè)備通信時(shí)，需要先對(duì)軟件作相應(yīng)的配置，將主站與從站設(shè)備接入統(tǒng)一的以太網(wǎng)下，當(dāng)主站與從站連接成功后才能進(jìn)行下一步操作，從站設(shè)備需要連接主站控制器作為從站指令接收媒介；然后，在I/O設(shè)備上添加從站模塊并按照從站模塊的說(shuō)明書在軟件上進(jìn)行配置，接著通過(guò)TwinCAT PLC 進(jìn)行邏輯程序的編寫，再將程序添加進(jìn)PLC軸；最后，進(jìn)行人機(jī)界面的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)主站與從站的通信，通信流程如圖7所示。以O(shè)PC從站為例，TwinCAT主站與OPC從站通信的流程如圖8所示。

圖7 實(shí)時(shí)過(guò)程數(shù)據(jù)通信流程

圖8 TwinCAT與OPC UA設(shè)備通信流程

3 通信測(cè)試

此次實(shí)驗(yàn)以PC機(jī)搭載BECKHOFF的TwinCAT軟件作為EtherCAT主站，OPC UA設(shè)備作為從站進(jìn)行數(shù)據(jù)采集測(cè)試。

TwinCAT PLC中的變量需要添加相應(yīng)屬性才能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，如：變量{attribute ′OPC.UA.DA′ := ′1′} 支持通過(guò) OPC UA 進(jìn)行讀寫；變量{attribute ′OPC.UA.DA.Access′ := ′x′} 讀寫操作取決于x為1是只讀、為2是只寫；變量{attribute ′OPC.UA.HA′ :=′1′} 支持通過(guò) OPC UA 進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)讀寫。

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建立在以Sample client作為OPC UA測(cè)試的從站模擬器，利用該模擬器實(shí)現(xiàn)對(duì)TwinCAT PLC中變量的讀寫。

首先，設(shè)置好OPC UA從站的相關(guān)IP地址和端口號(hào)以及對(duì)應(yīng)主站的IP地址和端口號(hào)后，對(duì)主站的值進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖9所示 。

圖9 TwinCAT主站通信結(jié)果

由圖9可以看到：當(dāng)主站與從站連接成功后，PLC中定義的變量都可在Sample client中顯示，當(dāng)將從站中一個(gè)隨機(jī)變量value1的值設(shè)置為123后，PLC中的相應(yīng)位置值也及時(shí)變成了123，通信延遲僅為微秒級(jí)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文作者研究FMS中EtherCAT協(xié)議的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，將新的以太網(wǎng)技術(shù)引入數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域，解決了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集在工業(yè)中傳輸慢、效率低等問(wèn)題。構(gòu)建了完整的EtherCAT數(shù)據(jù)采集架構(gòu)，分析了主站架構(gòu)和從站架構(gòu)，并對(duì)主站與從站如何實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信作了詳細(xì)說(shuō)明。結(jié)果表明：EtherCAT數(shù)據(jù)采集方式操作簡(jiǎn)單、傳輸效率高、集成性好并且已經(jīng)按照模塊化設(shè)計(jì)思想生成了各種各樣的功能庫(kù)，利用這些庫(kù)可以解決大量的工業(yè)問(wèn)題。隨著智能制造的發(fā)展，EtherCAT將逐漸成為FMS發(fā)展的核心。