一种基于EtherCAT的控制系统技术方案

本发明专利技术提供一种基于EtherCAT的控制系统，基于EtherCAT的控制系统包括作为主站的中央控制器与作为从站的一个或多个控制器，中央控制器与控制器通过EtherCAT网络连接，中央控制器用于中央调度控制并向控制器下发控制策略，控制器用于根据下发的控制策略进行本地调度控制,中央控制器为混合实时系统与分时系统的多核处理器系统。本发明专利技术提供的基于EtherCAT的控制系统，采用EtherCAT工业以太网作为上层通讯总线，连接中央控制器与控制器，具有实时性高、通信速率快、接入点数多、拓扑灵活等特点，不仅提高系统的实时性，同时增强了系统的兼容与扩展性能。

A control system based on EtherCAT

The invention provides a control system based on EtherCAT. The control system based on EtherCAT includes a central controller as a master station and one or more controllers as a slave station, the central controller and the controller are connected through the EtherCAT network. The central controller is used for central scheduling control and control strategy to the controller. The controller is used for local scheduling control according to the downlink control strategy. The central controller is a multi-core processor system of hybrid real-time system and time-sharing system. The EtherCAT based control system, which uses the EtherCAT Industrial Ethernet as the upper communication bus, connects the central controller and the controller. It has the characteristics of high real-time, fast communication rate, many access points and flexible topology. It not only improves the real-time performance of the system, but also enhances the compatibility and extensibility of the system. Yes.

【技术实现步骤摘要】
一种基于EtherCAT的控制系统
本专利技术涉及电气控制领域，具体涉及一种基于EtherCAT的控制系统。
技术介绍
工业自动化系统的发展方向随着通信技术、高速运算技术等尖端技术的发展与大范围应用正朝着实时性、开放性、高可靠性、广分布性等方面发展，同时在面对工厂提出的全厂自动化、信息化管理的要求下，处于其核心地位的控制器的性能要求为主要应该解决的矛盾之一。控制器的通信和数据处理能力在面临这样严峻的挑战时已经成为自动化系统的瓶颈。20世纪70年代出现微处理器出现，之后迅速被应用到工业控制领域中。在初始阶段微处理器主要应用在开关量逻辑控制中，同时多用于开环控制系统。随着控制结构、算法等的复杂度增加，基于微处理器的控制系统开始出现了两个发展方向：一是专业化、集成化的控制器，针对特定工业领域专门研制，功能单一，主要为了解决特定领域中的实际工程问题，成本一般较低，但扩展性及移植性差，同时研发周期较长；二是以PLC为代表的工业通用控制器，从通用化角度出发，从架构上讲实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，通过通用的I/O模块以搭积木的形式搭建整个控制系统。而从目前整体装备制造工业控制领域发展的趋势看，除了对控制系统的性能，对整体系统的体积、成本等方面的要求也越来越高。同时，控制技术的飞速发展以及市场的迅速变化对研发周期的控制也越来越严苛，因此，未来通用化控制器的研究必将成为主流。针对通用控制器的研究，主要集中在两个方面：一是对工业高速以太网的研究，主要解决工业现场数据与以太网网络数据的交互问题，通过网络层的技术与使得管理层与设备层之间不存在数据壁垒，这也是大数据时代对工业控制提出的新要求，而通用控制器是高速工业以太网的硬件实体；二是对实时操作系统的研究，不论控制系统基于何种平台，如Windows或Linux等，通用的控制系统需要其具备实时性，以保证其可以完成对定时功能要求严格的应用场合。现存的多种现场总线协议和多种网络标准之间通信困难，使得在商业应用中取得巨大成功的以太网(Ethernet)得以快速进入工业自动化领域并得到了迅速发展。以太网具有传输速度高、低耗、宜于安装和兼容性好等方面的优势，它支持几乎所有流行的网络协议，所以在商业系统中被广泛采用。以太网已经是世界上应用最广泛的网络，据不完全调查，超过93％的网络节点是Ethernet。以前，以太网应用于工业现场的主要问题在于实时性问题，实时性就是信号传输足够快加上确定性。现有微处理器的控制系统主要问题：一是针对控制器扩展性及移植性差，同时研发周期较长；二是以PLC为代表的工业通用控制器，功能强大，性能稳定但价格偏高，且多采用PC为主站，不利于实现整体系统的小型化。控制器的通信和数据处理能力，控制器可移植性能差，专用控制器性能单一。
技术实现思路
近年来对以太网在工业应用中的研究，使得产生了一种新型以太网—工业以太网，随着对以太网技术的研究和以太网通信速率的提高，加之工业控制本身所特有的特点，如传输的信息量少、信息长度都比较小且一般为周期性通信、网络负荷平稳等，使以太网应用于工业现场己经不再存在障碍。本专利基于上述问题和技术背景，研制一种基于EtherCAT通信的通用工业控制系统。主要研发产品为控制层+网络层硬件设备，分为通用中央控制器、通用控制器及相关扩展I/O。通用中央控制器可配备RTOS实时系统及本地数据库，并支持HMI人机交互功能；通用控制器为本地控制器，具备数据采集与上传、本地控制等功能；扩展I/O作为通用控制器的补充，可以为通用控制器提供更高的接入能力。RTOS侧重控制实时性强、同步性强、多任务调度；EtherCAT侧重通信速度快、可扩展性强、兼容性强；二者结合才能搭建起一个高性能的控制平台。针对工业控制系统中设备种类复杂、通讯方式不统一、实时性能差等问题，本专利技术的目的是提供一种基于EtherCAT的控制系统，能够采用EtherCAT工业以太网作为上层通讯总线，连接中央控制器与控制器，具有实时性高、通信速率快、接入点数多、拓扑灵活等特点，不仅提高系统的实时性，同时大大增强了系统的兼容与扩展性能。EtherCAT只需使用标准的以太网物理层和普通的以太网控制卡，双绞线或光纤作为传输媒介，利用以太网全双工特性，采用主从模式介质访问方式，通过一个固定的报文实现主-从-主之间的循环通信。基于工业以太网的控制系统主要解决以下几个问题：(1)通过对工业高速以太网的研究，解决工业现场与以太网数据间的交互问题，通过网络层技术打破管理层与设备层之间的数据壁垒；(2)通过模块化设计，使得微网控制器能够方便的进行功能扩展和移植应用；(3)通过设计控制策略，保证微网协调有序工作，满足供电需求；(4)是对实时操作系统的研究，不论控制系统基于何种平台，如Windows或Linux等，都满足具备实时性，以保证其可以完成对定时功能要求严格的应用场合。对混合实时系统与分时系统的多核处理器系统的研究，结合了实时系统与分时系统的优势，在复杂系统中，实时任务与分时任务并存，单独的实时系统或分时系统均难以实现对CPU资源的有效利用。本专利技术提供一种基于EtherCAT的控制系统，包括作为主站的中央控制器与作为从站的一个或多个控制器，中央控制器与控制器通过EtherCAT网络连接，主站用于中央调度控制并向控制器下发控制策略，控制器用于根据下发的控制策略进行本地调度控制,主站中央控制器为混合实时系统与分时系统的多核处理器系统。进一步地，多核处理器系统包括一个对称多核处理器，其中一部分核心运行实时系统，另一部分核心运行分时系统。进一步地，多核处理器系统还包括共享内存，采用共享内存以及核间中断方式相互通信。进一步地，多核处理器系统还包括实时系统与分时系统共享的外围设备。进一步地，控制器包括EtherCAT通信模块、本地调度策略模块与扩展模块，本地调度策略模块用于根据下发的控制策略进行本地调度控制，扩展模块用于输入输出扩展和/或通信扩展。进一步地，中央控制器能够对任一控制器的本地调度策略模块和/或EtherCAT模块进行在线程序修改。进一步地，基于EtherCAT的控制系统包括通信扩展模块，通信扩展模块采用通用异步串口通讯扩展模块或CAN转接模块。进一步地，基于EtherCAT的控制系统为微电网控制系统或生产线控制系统。进一步地，基于EtherCAT的控制系统为微电网控制系统，控制器还包括功率计量模块。与现有技术相比，本专利技术提供的基于EtherCAT的控制系统，具有以下有益效果：(1)采用EtherCAT工业以太网作为上层通讯总线，连接中央控制器与控制器，具有实时性高、通信速率快、接入点数多、拓扑灵活等特点，不仅提高系统的实时性，同时大大增强了系统的兼容与扩展性能；(2)充分考虑到模块化设计，大大增强了系统的兼容与扩展性能。(3)从站核心模块采用TI公司的Cortex-A8系列，主频可达800MHz，速度快，嵌入式RTOS操作系统保证了数据传输与控制策略执行的时效性。(4)主站中央控制器采用混合实时系统与分时系统的多核处理器系统，既充分利用了Linux平台的丰富软件资源，同时可以发挥实时系统的精确定时等优势，数据通过内存共享，提升了系统整体工作效率。附图说明图1是本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于EtherCAT的控制系统，其特征在于，所述基于EtherCAT的控制系统包括作为主站的中央控制器与作为从站的一个或多个控制器，所述中央控制器与所述控制器通过EtherCAT网络连接，所述主站用于中央调度控制并向所述控制器下发控制策略，控制器用于根据下发的控制策略进行本地调度控制,所述中央控制器为混合实时系统与分时系统的多核处理器系统。

【技术特征摘要】
1.一种基于EtherCAT的控制系统，其特征在于，所述基于EtherCAT的控制系统包括作为主站的中央控制器与作为从站的一个或多个控制器，所述中央控制器与所述控制器通过EtherCAT网络连接，所述主站用于中央调度控制并向所述控制器下发控制策略，控制器用于根据下发的控制策略进行本地调度控制,所述中央控制器为混合实时系统与分时系统的多核处理器系统。2.如权利要求1所述的基于EtherCAT的控制系统，其特征在于，所述多核处理器系统包括一个对称多核处理器，其中一部分核心运行实时系统，另一部分核心运行分时系统。3.如权利要求1所述的基于EtherCAT的控制系统，其特征在于，所述多核处理器系统还包括共享内存，采用共享内存以及核间中断方式相互通信。4.如权利要求1所述的基于EtherCAT的控制系统，其特征在于，所述多核处理器系统还包括实时系统与分时系统共享的外围设备。5.如权利要求1所述的基于EtherCA...

【专利技术属性】
技术研发人员：叶一枝，陈尚文，陈瑞杰，李元浩，马玉鑫，关瑞丰，常悦，刘娇娇，
申请(专利权)人：上海电气集团股份有限公司，
类型：发明
国别省市：上海,31