基于EtherCAT工业以太网协议主从站设计

• 作 者: 杨勇军
• 出 处: 湘潭大学
• 发表日期: 2017年期
• 关键词: 工业以太网 EtherCAT FPGA Linux 主从站测试

传统现场总线因其自身结构封闭,系统兼容性差,缺乏网络通信等缺陷,已经不能满足目前工业控制的要求。实时工业以太网结合了以太网高速普遍性和现场总线的实时性等特点,克服了现场总线的不足。其中EtherCAT因其拓扑结构灵活、系统配置简单、数据传输高速高效,以及实现成本低等特点成为工业以太网技术发展的方向。本文基于湘电风能“兆瓦级风力发电机组PLC控制系统国产化”项目,针对公司目前基于TCP/IP的以太网模型,无法完全避免商用网络干扰带来的不确定性,实时性不高等现状。提出了基于修改的以太网数据链路层模型,此类模型一般采用专门硬件处理数据来提高实时性,针对过程数据使用专用的帧类型来区分数据帧以提高数据读取的确定性。对于主站设计,本文选用包含Intel网卡的PC机作为主站,对基于IgH的开源方案进行了研究,并搭建了基于Linux的开发环境。采用倍福组态软件TwinCAT实现对从站的管理。对于从站设计,考虑到稳定性和可持续购买,选择了FPGA作为处理器,ET1100/ET1200作为协议芯片。画出了原理图PCB并完成制板。针对开发从站过程中用到的接口电路进行了设计与分析。从站软件的实现采用层次化结构包括底层驱动、EtherCAT协议栈和应用程序。利用TwinCAT完成了与从站的直接输入输出IO测试,通过软件wireshark抓包分析了实时性。通过SPI驱动实现了对EEPROM的读写控制,对SPI时序进行了分析,分析了EtherCAT协议栈的实现。本课题目前还处于研究阶段,后续研究工作主要是基于开源主站的开发环境,如何利用libethercat库和libethercat_rtdm库编写与从站交互的应用程序。工作量体现在对主站环境Linux系统的熟悉和主站EtherCAT协议的实现。此课题为EtherCAT协议应用到公司PLC积累了大量的理论与实践基础。