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摘要：结合实例介绍了基于Ethercat通讯下的轧机控制系统。文章分析了Ethercat的基本原理，研究了轧机的工作原理，绘制了轧机通讯的拓扑结构，并分析了基于LinuxCNC的轧机控制系统。
关键词：Linux CNC;轧机;Ethercat原理;自动化控制
一、Ethercat通讯：
EtherCAT是一种基于以太网的总线通讯技术。它集成了传统现场总线（尤其是Can总线）的通讯优势和以太网的带宽优势，使用了主从模式介质访问控制。
（一）EtherCat主站采用了国际上通用的IEEE802.3以太网标准。通信控制器完成数据链路层的MAC功能，物理层芯片实现时钟恢复，数据编码。PHY通过一个介质无关接口为数据链路层提供服务。
（二）EtherCat从站则通过从站通信控制芯片处理EtherCat数据帧，通过双端口储存器实现EthecCAT主站与从站应用之间的数据交换。各个从站ESC根据各自在环路中的物理顺序以报文中提取和发送各自的输出命令和数据，并将数据储存到内部储存区中，同时将存储区中的输出数据写到报文的相应位置上。数据链路层硬件完成数据的提取与插入。
二、轧机的Ethercat工作原理：
轧机EtherCAT使用标准的以太网电缆传输，整体设计上采用主从式结构。轧机的主站主要负责向从站（包括Bechoff的EK1100从站、轧机9辊各棍的比例阀、位置传感器等）发送EtherCAT数据帧，从而进行与从站的互动。数据帧经过从站时，相应的从站负责处理帧上的数据，首先读取报文头中的指令，得到需要读写数据的位置，同时从站核心会把读取过的报文的工作计数器（WKC）加 1;数据帧循环访问完所有从站后，最后的一个从站会把经过处理后的数据帧发送给主站。主站收到从站处理的数据帧后，处理返回的数据，一帧通信结束。
（一）从站使用专用的EtherCAT从站控制芯片，主要负责从站的数据传输及数据交换。从站的整体构成，可以由多个具有不同功能的从站组成，从而实现不同的通信功能。轧机中不同功能的从站被分为以下几组：150、155、120、160、140、143、146。其中150组为CNC与PLC的通讯;120组为CNC与轧机泵站P71，P72，P76的通讯;155组为轧机各棍之间通讯的智能从站;160组为手动滚轮的控制;140组、143组、146组为轧机9辊13轴的控制（主要包括各棍的工进、快进控制比例阀以及位置控制传感器）。
（二）在从站的连接方式上，帧由主站发出后，都按逻辑环型顺序经过所有从站并进行相应的数据读写，不会在网络的某一节点产生冲突。轧机的ethercat拓扑为树形拓扑，详细结构如下图：
（三）Ethercat状态机：为了使主站和从站的应用程序在启动、运行过程中相互配合、协调，我们需要配置一种状态装换机制（简称状态机）。状态机一共分为 5 个状态：初始化、预运行、安全运行、运行和引导（可选）。状态转化关系见下：
三、轧机linux系统及界面：
轧机是基于Linux及LinuxCNC的，同時具有实时内核和多任务调度的特点。但轧机因其复杂性又有其自身的特点。
（一）硬件组成
轧机CNC“黑盒子”由两大部分组成：德国控创（Kontron）公司的3U工控机CP-ASM4-POCKET以及俩块控创的后置卡：CP342及CP3002。其中CP342：快速以太网控制器。基于CPCI总线技术。上面有两个用于和Ethercat 通讯的RJ45接口。传输速度为100Mbit/s。CP3002：英特尔I7处理器板卡。为CNC的核心部件。上面有俩个用RJ45接口。其中一个用于和Draw-PC通讯，一个用于将CNC连入轧线局域网。轧机工控机Draw-PC为西门子IPC847B。通过Beckhoff FC9002通讯卡与CNC相互通讯。
（二） 软件组成
轧机linuxCNC内核为3.0.9-rt25-1.2-desktop ，处理器类型为i686，硬件平台为i386。主系统为GNU/Linux（dolphin）。
轧机的用户操作界面（位于轧机工控机PC-DRAW上）主要有以下4个界面：主控程序 WMRCONT，显示界面WRMVIEW ，诊断界面WRMDIAG，CNC的连接DRAW server。它主要是将CNC，PLC的一些状态可视化，便于操作。
轧机的CNC与PC-DRAW通过C类网址通讯，相互访问。DRAW-PC ip为192.200.1.75.Lunix-CNC网址为192.200.1.1.74。通常情况下，轧机CNC的一些关键状态、位置、IO都可以在DRAW-PC上的用户操作界面上直观看出。部分专家级别的诊断信息，如比例阀的前后腔的压力，阀芯的位置等需要通过Xming来访问。Xming 的主要功能是通过在Linux平台上通过交叉编译的方法，实现了跨越操作系统对X GUI的操作。
（三）LINUX-CNC应用程序
Linux-CNC启动时，有三个程序是非常重要的。分别为：ethercat，walzprocess及trtif。这三个程序位于文件夹“etc/init.d”下。分别对应名字ethercat，draw及Drawif。
ethercat负责处理主站及从站间数据的通讯以及确定ethercat协议规范。Walzprocess即轧制程序，主要的CNC轧制程序的处理都在该程序中。Trtif 负责LINUX-CNC与DRAW-PC的通讯。两者间的通讯为TCP/IP协议。
其中trtif与walzprocess通过Linux共享内存模块来交换数据。
本文结合现场九辊轧机简述了Ethercat通讯下轧机的控制系统。重点分析了轧机EtherCAT的通讯特点及拓扑结构、 EtherCAT状态机的相互装换机制，并了解了基于linuxCNC的轧机控制系统的设计。对于深层次研究和开发基于EtherCAT通讯的轧机控制系统奠定了基础。
参考文献：
[1]王国河.基于实时以太网 EtherCAT 的多轴网络运动控制系统设计[D].广 州：华南理工大学 ，2012.
[2]Essen，IgH EtherCAT Master1.5 Documentation Revision， April 30.2010.
[3]马春敏 ，康存锋 ，等. 基于Linux EtherCAT主站的研究[J].制造业自动化 ，2011，33（4）：78—82.
关键词：Linux CNC;轧机;Ethercat原理;自动化控制
一、Ethercat通讯：
EtherCAT是一种基于以太网的总线通讯技术。它集成了传统现场总线（尤其是Can总线）的通讯优势和以太网的带宽优势，使用了主从模式介质访问控制。
（一）EtherCat主站采用了国际上通用的IEEE802.3以太网标准。通信控制器完成数据链路层的MAC功能，物理层芯片实现时钟恢复，数据编码。PHY通过一个介质无关接口为数据链路层提供服务。
（二）EtherCat从站则通过从站通信控制芯片处理EtherCat数据帧，通过双端口储存器实现EthecCAT主站与从站应用之间的数据交换。各个从站ESC根据各自在环路中的物理顺序以报文中提取和发送各自的输出命令和数据，并将数据储存到内部储存区中，同时将存储区中的输出数据写到报文的相应位置上。数据链路层硬件完成数据的提取与插入。
二、轧机的Ethercat工作原理：
轧机EtherCAT使用标准的以太网电缆传输，整体设计上采用主从式结构。轧机的主站主要负责向从站（包括Bechoff的EK1100从站、轧机9辊各棍的比例阀、位置传感器等）发送EtherCAT数据帧，从而进行与从站的互动。数据帧经过从站时，相应的从站负责处理帧上的数据，首先读取报文头中的指令，得到需要读写数据的位置，同时从站核心会把读取过的报文的工作计数器（WKC）加 1;数据帧循环访问完所有从站后，最后的一个从站会把经过处理后的数据帧发送给主站。主站收到从站处理的数据帧后，处理返回的数据，一帧通信结束。
（一）从站使用专用的EtherCAT从站控制芯片，主要负责从站的数据传输及数据交换。从站的整体构成，可以由多个具有不同功能的从站组成，从而实现不同的通信功能。轧机中不同功能的从站被分为以下几组：150、155、120、160、140、143、146。其中150组为CNC与PLC的通讯;120组为CNC与轧机泵站P71，P72，P76的通讯;155组为轧机各棍之间通讯的智能从站;160组为手动滚轮的控制;140组、143组、146组为轧机9辊13轴的控制（主要包括各棍的工进、快进控制比例阀以及位置控制传感器）。
（二）在从站的连接方式上，帧由主站发出后，都按逻辑环型顺序经过所有从站并进行相应的数据读写，不会在网络的某一节点产生冲突。轧机的ethercat拓扑为树形拓扑，详细结构如下图：
（三）Ethercat状态机：为了使主站和从站的应用程序在启动、运行过程中相互配合、协调，我们需要配置一种状态装换机制（简称状态机）。状态机一共分为 5 个状态：初始化、预运行、安全运行、运行和引导（可选）。状态转化关系见下：
三、轧机linux系统及界面：
轧机是基于Linux及LinuxCNC的，同時具有实时内核和多任务调度的特点。但轧机因其复杂性又有其自身的特点。
（一）硬件组成
轧机CNC“黑盒子”由两大部分组成：德国控创（Kontron）公司的3U工控机CP-ASM4-POCKET以及俩块控创的后置卡：CP342及CP3002。其中CP342：快速以太网控制器。基于CPCI总线技术。上面有两个用于和Ethercat 通讯的RJ45接口。传输速度为100Mbit/s。CP3002：英特尔I7处理器板卡。为CNC的核心部件。上面有俩个用RJ45接口。其中一个用于和Draw-PC通讯，一个用于将CNC连入轧线局域网。轧机工控机Draw-PC为西门子IPC847B。通过Beckhoff FC9002通讯卡与CNC相互通讯。
（二） 软件组成
轧机linuxCNC内核为3.0.9-rt25-1.2-desktop ，处理器类型为i686，硬件平台为i386。主系统为GNU/Linux（dolphin）。
轧机的用户操作界面（位于轧机工控机PC-DRAW上）主要有以下4个界面：主控程序 WMRCONT，显示界面WRMVIEW ，诊断界面WRMDIAG，CNC的连接DRAW server。它主要是将CNC，PLC的一些状态可视化，便于操作。
轧机的CNC与PC-DRAW通过C类网址通讯，相互访问。DRAW-PC ip为192.200.1.75.Lunix-CNC网址为192.200.1.1.74。通常情况下，轧机CNC的一些关键状态、位置、IO都可以在DRAW-PC上的用户操作界面上直观看出。部分专家级别的诊断信息，如比例阀的前后腔的压力，阀芯的位置等需要通过Xming来访问。Xming 的主要功能是通过在Linux平台上通过交叉编译的方法，实现了跨越操作系统对X GUI的操作。
（三）LINUX-CNC应用程序
Linux-CNC启动时，有三个程序是非常重要的。分别为：ethercat，walzprocess及trtif。这三个程序位于文件夹“etc/init.d”下。分别对应名字ethercat，draw及Drawif。
ethercat负责处理主站及从站间数据的通讯以及确定ethercat协议规范。Walzprocess即轧制程序，主要的CNC轧制程序的处理都在该程序中。Trtif 负责LINUX-CNC与DRAW-PC的通讯。两者间的通讯为TCP/IP协议。
其中trtif与walzprocess通过Linux共享内存模块来交换数据。
本文结合现场九辊轧机简述了Ethercat通讯下轧机的控制系统。重点分析了轧机EtherCAT的通讯特点及拓扑结构、 EtherCAT状态机的相互装换机制，并了解了基于linuxCNC的轧机控制系统的设计。对于深层次研究和开发基于EtherCAT通讯的轧机控制系统奠定了基础。
参考文献：
[1]王国河.基于实时以太网 EtherCAT 的多轴网络运动控制系统设计[D].广 州：华南理工大学 ，2012.
[2]Essen，IgH EtherCAT Master1.5 Documentation Revision， April 30.2010.
[3]马春敏 ，康存锋 ，等. 基于Linux EtherCAT主站的研究[J].制造业自动化 ，2011，33（4）：78—82.