用于運動控制的實時以太網(wǎng)總線技術(shù)

學(xué)術(shù)活動用于運動控制的實時以太網(wǎng)總線技術(shù)2014年

12月12日提綱背景介紹主流以太網(wǎng)總線技術(shù)EtherCAT協(xié)議EtherCAT文獻(xiàn)調(diào)研總結(jié)與展望提綱清華大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計論文答辯背景介紹主流以太網(wǎng)總線技術(shù)EtherCAT協(xié)議EtherCAT文獻(xiàn)調(diào)研總結(jié)與展望背景介紹傳統(tǒng)工業(yè)以太網(wǎng)基于以太網(wǎng)的總線技術(shù)傳統(tǒng)工業(yè)以太網(wǎng)：在工業(yè)控制領(lǐng)域使用的以太網(wǎng)技術(shù)，在技術(shù)上與遵循IEEE802.3以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的商用以太網(wǎng)相兼容，在產(chǎn)品穩(wěn)定性和實時性等方面能夠滿足之前工業(yè)現(xiàn)場的要求。性能：管控一體化、與Internet集成、傳輸速度快。1.實時性能：傳輸速度、響應(yīng)時間響應(yīng)時間1ms~100ms，傳輸速度達(dá)到百兆、千兆以上。2.通信不確定性：采用CSMA/CD介質(zhì)訪問機(jī)制

反復(fù)偵聽、檢測，數(shù)據(jù)傳遞中出現(xiàn)不可預(yù)知的延遲，影響實時性實時性和通訊不確定性的限制催生了實時以太網(wǎng)總線背景介紹實時以太網(wǎng)基于以太網(wǎng)的總線技術(shù)

實時以太網(wǎng)(realtimeEthernet，RTE)：是工業(yè)以太網(wǎng)的延伸，可以滿足工業(yè)控制領(lǐng)域?qū)?shù)據(jù)通訊實時性和同步性的要求。不再兼容IEEE802.3以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)（嚴(yán)格意義上，不再是以太網(wǎng)），遵循的是IEC61158IEC61784-2標(biāo)準(zhǔn)，性能：1.實時性：響應(yīng)時間幾十μs，傳輸速度達(dá)到百兆、千兆以上。2.通信不確定性：克服，對工業(yè)以太網(wǎng)的修改部分采用全雙工交換式以太網(wǎng)技術(shù)（AFDX），則交換機(jī)各端口之間的輸入和輸出不受CSMA/CD機(jī)制的約束，避免了沖突。背景介紹實時以太網(wǎng)分類基于以太網(wǎng)的總線技術(shù)實時以太網(wǎng)按照不同的實時性和成本要求使用不同的原理分為三類：基于TCP/IP、以太網(wǎng)、修改以太網(wǎng)背景介紹實時以太網(wǎng)分類基于以太網(wǎng)的總線技術(shù)實時以太網(wǎng)按照不同的實時性和成本要求使用不同的原理分為三類：基于TCP/IP、以太網(wǎng)、修改以太網(wǎng)1、基于TCP/IP實現(xiàn)通過上層合理的控制來應(yīng)對通訊中非確定性因素。只適用于實時性要求不高的工業(yè)過程自動化應(yīng)用。（Modbus/TCP、Ethernet/IP）背景介紹實時以太網(wǎng)分類基于以太網(wǎng)的總線技術(shù)實時以太網(wǎng)按照不同的實時性和成本要求使用不同的原理分為三類：基于TCP/IP、以太網(wǎng)、修改以太網(wǎng)2、基于以太網(wǎng)的實現(xiàn)—使用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)通信硬件，但不使用TCP/IP來傳輸，引入專門的過程數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，使用特定以太網(wǎng)幀進(jìn)行傳輸?？梢詫崿F(xiàn)較高的實時性。（EthernetPowerlink、EPA、PROFINetRT）背景介紹實時以太網(wǎng)分類基于以太網(wǎng)的總線技術(shù)實時以太網(wǎng)按照不同的實時性和成本要求使用不同的原理分為三類：基于TCP/IP、以太網(wǎng)、修改以太網(wǎng)3、修改以太網(wǎng)的實現(xiàn)——在實時通道內(nèi)由實時MAC接管通訊控制，徹底避免報文沖突，簡化通訊數(shù)據(jù)處理。從站由專門的硬件實現(xiàn)。（EtherCAT、SERCOS—III、PROFINetIRT）提綱清華大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計論文答辯背景介紹主流以太網(wǎng)總線技術(shù)EtherCAT協(xié)議EtherCAT文獻(xiàn)調(diào)研總結(jié)與展望總線產(chǎn)品總線種類基于以太網(wǎng)的總線技術(shù)類型技術(shù)名稱種類類型技術(shù)名稱種類Type1TS61158現(xiàn)場總線Type11TCnetRTEType2CIP現(xiàn)場總線Type12EtherCATRTEType3Profibus現(xiàn)場總線Type13EthernetPowerlinkRTEType4P2NET現(xiàn)場總線Type14EPARTEType5FFHSE高速以太網(wǎng)Type15Modbus2RTPSRTEType6SwiftNet被撤消Type16SERCOSⅠ.Ⅱ現(xiàn)場總線Type7WorldFIP現(xiàn)場總線Type17VNET/IPRTEType8INTERBUS現(xiàn)場總線Type18CC2Link現(xiàn)場總線Type9FFH1現(xiàn)場總線Type19SERCOSⅢRTEType10PROFINETRTEType20HART現(xiàn)場總線IEC61158第四版規(guī)定了20種現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)和實時以太網(wǎng)，其中實時以太網(wǎng)八款。實時以太網(wǎng)性能對比基于以太網(wǎng)的總線技術(shù)四款常用實時以太網(wǎng)總線性能對比：總線產(chǎn)品比較項EthernetPOWERLINKProfiNetIRTSERCOSIIIEtherCAT抖動<<1uS1uS<1uS<<1uS循環(huán)周期100uS(Max)1ms25us100uS傳輸距離100m100m40m100m是否需特殊硬件無ASICFPGA或

ASICASIC開放性開源技術(shù)需授權(quán)需授權(quán)需授權(quán)20萬人民幣始創(chuàng)公司B&R（貝加萊）SIEMENSRexrothBeckhoff拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)任意拓?fù)涫芟奘芟蓿ōh(huán)形）靈活拓?fù)渫椒绞絀EEE1588時鐘同步IEEE1588時鐘同步

分布時鐘網(wǎng)絡(luò)編程簡單復(fù)雜復(fù)雜復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)關(guān)注I/O，運動控制現(xiàn)場總線運動控制運動控制I/O，運動控制提綱清華大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計論文答辯背景介紹主流以太網(wǎng)總線技術(shù)EtherCAT協(xié)議EtherCAT文獻(xiàn)調(diào)研總結(jié)與展望基于以太網(wǎng)的總線技術(shù)由于EtherCAT網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)具有高速度、強(qiáng)實時性、支持分布時鐘、布線方便等特點，支持多種設(shè)備連接拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在運動控制中應(yīng)用廣泛。在實時通道內(nèi)由實時MAC接管通訊控制，徹底避免報文沖突。從站由專門的硬件實現(xiàn)。一般主站直接購買，從站在BECKHOFF提供芯片ET1100的基礎(chǔ)上二次開發(fā)設(shè)計。EtherCAT抖動<<1uS循環(huán)周期100us傳輸距離100m是否需特殊硬件ASIC開放性需授權(quán)始創(chuàng)公司Beckhoff拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)靈活拓?fù)渫椒绞椒植紩r鐘網(wǎng)絡(luò)關(guān)注I/O，運動控制1.不需要專門的運動控制單元2.多軸精確同步3.靈活的拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)4.避免報文沖突，實時性基于以太網(wǎng)的總線技術(shù)EtherCAT(EthernetforControlAutomationTechnology)由德國Beckhoff公司于2003年提出的實時以太網(wǎng)技術(shù)，使用主從模式介質(zhì)訪問控制，主站發(fā)送以太網(wǎng)幀到各個從站，從站讀取數(shù)據(jù)。主站使用的是標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)接口卡，從站使用專門的EtherCAT從站控制器ESC（EtherCATSlaveController）。

“數(shù)據(jù)列車”方式發(fā)送數(shù)據(jù)EtherCAT拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)基于以太網(wǎng)的總線技術(shù)EtherCAT支持三種物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：線形、樹形、星形等EtherCATEtherCAT拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對其性能有很大的影響數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)基于以太網(wǎng)的總線技術(shù)EtherCAT幀結(jié)構(gòu)目的地址：接收方MAC地址源地址：發(fā)送方MAC地址幀結(jié)構(gòu)：0x88A4數(shù)據(jù)長度：報數(shù)據(jù)區(qū)長度類型：是否通訊，1通訊FCS：校驗序列一個EtherCAT以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀包含一個或多個EtherCAT子報文，

每個子報文尋址獨立的設(shè)備或存儲區(qū)域。數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)基于以太網(wǎng)的總線技術(shù)一個EtherCAT以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀包含一個或多個EtherCAT子報文，

每個子報文尋址獨立的設(shè)備或存儲區(qū)域。EtherCAT子報文結(jié)構(gòu)命令字節(jié)：子報文類型索引號：子報文編碼子報文地址：從站地址長度：報文數(shù)據(jù)區(qū)字節(jié)數(shù)R：保留位M：是否為最后一個報文中斷：中斷到來時標(biāo)志數(shù)據(jù)：用戶發(fā)送數(shù)據(jù)WKC：工作計數(shù)器分布時鐘基于以太網(wǎng)的總線技術(shù)

分布時鐘(DC，DistributedClock)：主站連接的第一個具有分布時鐘功能的從站作為參考時鐘，以參考時鐘來同步其他從站和主站的從時鐘。實現(xiàn)使得所有EtherCAT設(shè)備使用相同的系統(tǒng)時間，控制各設(shè)備的同步執(zhí)行。與其他總線的顯著區(qū)別，IEEE1588時鐘。優(yōu)點：實現(xiàn)全網(wǎng)段內(nèi)從站之間時鐘同步。EtherCAT時鐘初始偏差量：每個分布時鐘從站都有本地時鐘，本地時鐘獨立運行，系統(tǒng)啟動時本地時鐘與參考時鐘之間的差值。傳輸延遲：數(shù)據(jù)幀在從站之間的傳輸存在延遲，包括設(shè)備內(nèi)部的延遲和物理連接的延遲。延時與偏移量基于以太網(wǎng)的總線技術(shù)在EtherCAT工作前，時鐘初始偏差量和傳輸延遲均需要測量出來，寫入從站時鐘。測量過程在分布時鐘初始化過程完成EtherCAT測量過程傳輸延遲信號傳送到第n的從站時，參考時鐘從站T1，從站n時間為T2(n)總線通訊時鐘同步基于以太網(wǎng)的總線技術(shù)初始化過程，時鐘初始偏差量和傳輸延遲數(shù)值已經(jīng)保存在從站中，在同步時，先計算出本地系統(tǒng)時間，然后計算時鐘漂移量本地系統(tǒng)時間時鐘漂移量同步方法：從站控制本地時間是以10ns為單位，當(dāng)時鐘漂移量為正時，本地時鐘比參考時鐘快，則本地時鐘每10ns增加9ns，否則，每10ns增加11ns。提綱清華大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計論文答辯背景介紹主流以太網(wǎng)總線技術(shù)EtherCAT協(xié)議EtherCAT文獻(xiàn)調(diào)研總結(jié)與展望文獻(xiàn)調(diào)研基于以太網(wǎng)的總線技術(shù)2013年，北京航空航天大學(xué)的郇極、劉艷強(qiáng)、單春榮等結(jié)合EtherCAT實時以太網(wǎng)，在EtherCAT主從站配置方法進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。并利用時序分析儀，對EtherCAT總線延遲時間和周期時間進(jìn)行理論分析與實驗驗證。控制主站一直發(fā)送周期性數(shù)據(jù)幀控制兩個伺服電機(jī)運動，通信周期2ms另外，對EtherCAT冗余主站進(jìn)行開發(fā)設(shè)計，可以應(yīng)對突發(fā)故障，提高穩(wěn)定性郇極等,實時工業(yè)以太網(wǎng)EtherCAT時序特性分析系統(tǒng).北京航空航天大學(xué)學(xué)報,2013.39(09):文獻(xiàn)調(diào)研基于以太網(wǎng)的總線技術(shù)許雄.實時以太網(wǎng)下多軸運動控制的同步問題研究[D].上海交通大學(xué)同時，在考慮實時以太網(wǎng)延遲等因素的基礎(chǔ)上，根據(jù)軌跡誤差最小提出分布式位置同步控制，并進(jìn)行仿真預(yù)實提出驗驗證。實時以太網(wǎng)運動控制系統(tǒng)和高精度的多軸同步控制均方根誤差（RSME）2013年，上海交通大學(xué)的許雄、熊振華，針對實時多軸運動控制系統(tǒng)進(jìn)行分析，基于實時以太網(wǎng)總線IEEE1588時鐘進(jìn)行時鐘同步算法的研究，提出一種針對長級聯(lián)路徑實時以太網(wǎng)的時鐘同步算法，設(shè)計基于卡爾曼濾波器的PI時鐘伺服，降低同步誤差的增長率。文獻(xiàn)調(diào)研基于以太網(wǎng)的總線技術(shù)2008年，北京交通大學(xué)的汪雅楠、譚南林，詳細(xì)介紹了EtherCAT分布時鐘同步過程，建立了引入誤差量的從站延時模型，之后結(jié)合建立的模型針對不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析。汪雅楠,譚南林.EtherCAT時鐘同步的誤差仿真分析[J].自動化技術(shù)與應(yīng)用,2011(7):22-26.仿真分析時，只需要得出各個從站的系統(tǒng)時間，以第一個從站為參考時鐘，系統(tǒng)時間為0，進(jìn)入下一從站是，增加三部分，時鐘初始偏移量、從站處理延遲和從站傳輸延遲。其中，初線性拓?fù)錁湫屯負(fù)浣Y(jié)論：1.300個從站的時鐘同步誤差遠(yuǎn)小于1μs（仿真），與ETG給出的數(shù)據(jù)一致。2.針對線性拓?fù)?，，K約為0.23~0.25，誤差累積速率，可以估算線性拓?fù)溲舆t。始偏移量取為（0~

4294967296ns）的隨機(jī)數(shù)，從站處理延時誤差（0~10ns）的隨機(jī)數(shù)，從站的傳輸延時誤差?。?~60ns）的隨機(jī)數(shù)，從站數(shù)目取300，得出每個從站的同步誤差。文獻(xiàn)調(diào)研基于以太網(wǎng)的總線技術(shù)大連理工大學(xué)的王磊、謝香林、李木國，基于EtherCAT實時總線開發(fā)出用于海洋環(huán)境的伺服系統(tǒng)（海水的波動），同樣開發(fā)配置主從站，在從站中設(shè)計伺服控制器，并對EtherCAT總線進(jìn)行性能的分析，同時分析了電機(jī)伺服系統(tǒng)的性能進(jìn)行實驗分析。對不同的實時以太網(wǎng)進(jìn)行性能分析比較，對延遲時間、循環(huán)周期進(jìn)行分析，同樣，EtherCAT性能更具優(yōu)勢。謝香林.EtherCAT網(wǎng)絡(luò)及其伺服運動控制系統(tǒng)研究[J].2008,WangL,GuoliM,WangJ.ImplementingforNetworkedMotionControlSystemwithLarge-CapacityDataAcquisition[J].ProcediaEngineering,2011,15:28-32.WangL,LiM,QiJ,etal.DesignApproachBasedonEtherCATProtocolforaNetworkedMotionControlSystem[J].InternationalJournalofDistributedSensorNetworks,2014,2014:1-15.文獻(xiàn)調(diào)研基于以太網(wǎng)的總線技術(shù)2012年武漢科技大學(xué)的黎妞、方康玲，2012年南昌航空大學(xué)的張根華、2011年華南理工大學(xué)的許陽釗等均基于EtherCAT實時以太網(wǎng)結(jié)合各自環(huán)境條件，開發(fā)配置從站。2012年，廣東工業(yè)大學(xué)的方稱生、高偉強(qiáng)，開發(fā)了基于EtherCAT實時以太網(wǎng)的開放數(shù)控系統(tǒng)，并進(jìn)行性能測試，包括實時性、同步性時間差（小于80μs）、聯(lián)動性能測試。2013年，湖南大學(xué)的張舜、周炎濤，基于EtherCAT總線開發(fā)和配置從站控制器，并對其同步性能進(jìn)行分析。方稱生.基于實時以太網(wǎng)的開放式數(shù)控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[D].廣東工業(yè)大學(xué),2012.黎妞.基于EtherCAT的伺服運動控制系統(tǒng)研究[D].武漢科技大學(xué),2012.文獻(xiàn)調(diào)研基于以太網(wǎng)的總線技術(shù)都靈理工大學(xué)的Cena,G;BertolottiI.C.;Scanzio,S等對EtherCAT分布時鐘的結(jié)構(gòu)、性能等進(jìn)行全面系統(tǒng)的分析。CenaG,BertolottiIC,ScanzioS,etal.EvaluationofEtherCATDistributedClockPerformance[J].IEEETransactionsonIndustrialInformatics.CereiaM,BertolottiIC,ScanzioS.PerformanceofaReal-TimeEtherCATMasterUnderLinux[J].IEEETransactionsonIndustrialInformatics.CenaG,SenoL,ValenzanoA,etal.PerformanceanalysisofEthernetPowerlinknetworksfordistributedcontrolandautomationsystems[J].ComputerStandardsInterfaces對其他實時以太網(wǎng)時鐘同步性能也進(jìn)行了研究，如Powerlink總線的性能。主要研究EtherCAT拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對同步誤差的影響，通過理論分析與實驗對EtherCAT分布時鐘性能進(jìn)行定量分析（ns級別），其同步特性與拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及數(shù)量有關(guān)。文獻(xiàn)調(diào)研基于以太網(wǎng)的總線技術(shù)ABB研究中心的PrytzG,DalimirOrfanus等對EtherCAT和PROFINETIRT性能進(jìn)行比較分析，并對延遲誤差進(jìn)行理論分析。在實時性能上，EtherCAT性能優(yōu)于PROFINETIRT；同時，搭建實驗平臺，對EtherCAT實時以太網(wǎng)的抖動特性進(jìn)行分析、測量。KnezicM等對EtherCAT拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行