一種基于EtherCAT網絡的開放式CNC實現

李　欣，張彩虹，梁　藝（深圳職業技術學院 電子與通信工程學院，廣東 深圳 518055）

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一種基于EtherCAT網絡的開放式CNC實現

李欣，張彩虹，梁藝
（深圳職業技術學院 電子與通信工程學院，廣東 深圳 518055）

摘 要：文章分析了EtherCAT工業以太網的特點、性能及主從站通信原理.在開放式CNC主站內核中嵌入幀處理函數，從而將EtherCAT與CNC聯系起來，實現一種基于EtherCAT協議的開放式網絡化CNC系統，為進一步提高CNC系統的開放性和可靠性，降低系統對硬件的依賴性和整機成本開辟了新的思路.

關鍵詞：EtherCAT網絡；開放式；CNC

CNC系統向高速、高精和多軸聯動方向發展，信號傳輸的數字化和網絡化成為必然趨勢.現場總線和工業以太網以其優異的性能被公認為是CNC系統信號傳輸新的最佳方案，已得到充分的應用研究和市場驗證.將開放式的CNC系統和開放式的總線網絡結合起來，不僅能解決傳統的集中式模擬量或脈沖量信號傳輸方式的易受干擾、效率低、布線復雜等問題，還能將CNC系統的開放性延伸至伺服驅動系統，使二者之間不再是專一對應關系.但是，由于在數據鏈路層普遍采用CSMA/CD、令牌訪問、時分復用等介質訪問控制策略，易導致數據傳輸延遲和丟失，實時性和可靠性成為現場總線和工業以太網在CNC系統中廣泛應用的最大障礙，高速高精的控制運算及狀態反饋指令在傳輸通道上遇到了瓶頸.以EtherCAT和SERCOSⅢ為代表的新一代高性能工業以太網的出現，為打破這一瓶頸提供了堅實的技術基礎[1-2].本研究在開放式CNC主站內核中嵌入幀處理函數，將EtherCAT與CNC聯系起來，實現一種基于EtherCAT協議的開放式網絡化CNC系統.

1　EtherCAT介紹

EtherCAT是德國倍福自動化公司于2003年推出的基于標準以太網技術的開放式全雙工實時工業以太網，具有高速、高可靠性、拓撲結構靈活、兼容性強和成本低廉等特點，是目前實時性能和同步性能最好，且可用于現場級I/O的超高速網絡[3-4].EtherCAT采用簡化的三層網絡結構，底層為標準的以太網物理層；數據鏈路層增加實時調度軟件核并提供過程數據傳輸獨立通道，以提高實時性；應用層為控制程序訪問網絡環境提供手段，同時為控制程序提供服務[5].處于數據鏈路層與應用層之間的是EtherCAT狀態機，用于主從站之間的狀態管理與協調.EtherCAT使網絡性能達到一個新的境界，借助于從站硬件集成和網絡控制器主站的直接內存存取，1000個I/O更新只需30 μs，100個伺服軸刷新只需100 μs[6].100 Mbps全雙工特性和小于1ms的實時性能使其特別適用于伺服技術中底層的閉環控制.

1.1EtherCAT工作原理

EtherCAT采用主從模式介質訪問控制方式，通信過程采納了Interbus總線的“集總幀”技術思想，即將不同設備的過程數據集合在一個以太網數據包中，在報文經過從站設備時，從站可直接從報文中提取或插入相關數據，然后將該報文傳輸到下一個從站，此過程僅有幾納秒的延遲，最后一個從站返回經過完全處理的報文給控制單元.EtherCAT在軟件上采用TwinSAFE技術，實現在同一網絡上進行安全相關通信和控制通信，也可采用環形拓撲結構實現硬件冗余，使其可靠性達到安全集成級別SIL3以上[7].

在CNC系統中，各伺服軸之間的精確同步對于插補軌跡生成質量至關重要.研究表明，最有效的同步方法是精確排列分布時鐘.EtherCAT主站時鐘可以簡單精確地確定各從站時鐘傳播的延遲偏移，分布時鐘均基于該值進行調整，這意味著可以在網段內使用非常精確的、小于1μs的確定性的同步誤差時鐘基.

1.2EtherCAT幀結構

EtherCAT幀結構如圖1所示，CRC為循環冗余校驗和，WKC為工作計數器，幀類型采用0x88A4以區別其他幀.一個EtherCAT幀中可以包含若干個子報文，每個子報文都服務于一塊邏輯過程映像區的特定內存區域，由FMMU （Fieldbus Memory Management Unit，負責邏輯地址與物理地址的映射）寄存器和SM（Sync Manager，負責對通信數據內存的讀寫）寄存器定義.FMMU允許一個數據報文在幾個從站中同時尋址，這樣可以把不同從站的一段內存地址映射到同一個子報文中去.同時還支持位映射功能，這就意味著可以把所有從站的I/O數據映射到一個子報文中，這對于量少但交換頻繁的I/O量的傳輸方式有了質的飛躍，大大提高了帶寬的利用率[8].

1.3EtherCAT主從站

EtherCAT主站為從站提供通信服務，在每個網絡周期中為各個節點處理、發送和接收數據幀.主站由軟件實現，其主要功能包括[9]：

圖1　EtherCAT幀結構

1）讀取XML配置文件，構建主站和從站組態；

2）管理從站，初始化從站，為通信做好準備；

3）通過郵箱方式實現對從站的組態配置；

4）進入正常工作階段，實現過程數據的實時通信.

EtherCAT從站包括從站控制器ESC（EtherCAT Slave Controller）和應用微處理器， ESC由倍福提供，接口標準且程序完全固化，無需使用者做任何修改.常用的ESC為ET1100芯片，通過設置其內部的各配置寄存器來確定其工作狀態. ET1100芯片本身也可用作I/O從站.主從站的通信模式包括周期性過程數據通信和非周期性郵箱通信，前者用于時間關鍵的數據傳輸，如數控插補和反饋指令，采用緩存區交換方式通信；后者用于非時間關鍵的數據傳輸，如伺服的狀態參數設置指令，采用帶握手機制的郵箱數據通信.

2　EtherCAT在開放式CNC中的實現

基于EtherCAT通信協議的純軟件開放式CNC系統整體構架如圖2所示.通過在CNC內核底層嵌入EtherCAT主站驅動模塊，實現基于CNC控制任務的EtherCAT主站系統.

2.1系統組成構架

基于構建方便和性價比等因素，選擇美國SoftServoSystems公司的ServoWorks系列純軟件開放式CNC系統作為主站任務控制器，該系統基于模塊化的架構體系，能運行在經實時擴展的Windows/Linux環境下的通用PC上，并帶有簡潔實用的開發工具供用戶做二次開發.如圖2所示，核心模塊是運行在實時子系統上的CNC內核和EtherCAT主站.CNC內核包括運動引擎、PLC引擎和G代碼解析器3個實時功能模塊，它們是執行運動控制的關鍵. EtherCAT主站包括主站驅動和XML解析器，其中主站驅動又包括配置工具接口、狀態機、應用程序（CNC）接口、網卡接口等.

基于XML的設備描述技術促進設備描述規范化和標準化，這意味著基于不同協議的設備能在同一個控制系統中實現無縫連接和互操作.EtherCAT在主站驅動程序中包含此功能模塊，結合在應用層的眾多應用接口協議，如連接CANopen設備的CoE協議和連接SERCOS設備的SoE協議等，使得基于EtherCAT的CNC主站能方便迅速的連接帶其他協議的伺服驅動器.

2.2系統的軟件實現

軟件實現主要由3個功能模塊來實現，即網卡相關操作類模塊、從站對象配置類模塊、以及過程數據傳輸模塊[10].程序結構如圖3所示.

圖2　基于EtherCAT的開放式CNC整體構架

圖3　程序結構

網卡操作包括網卡的信息獲取與狀態管理，以及EtherCAT幀的過濾和傳輸等.通過對一個開源的專業網絡驅動開發包Wincap進行二次開發，在核心層嵌入EtherCAT數據幀捕捉和過濾函數Ecatfilter.sys，在協議層嵌入Ecatnpf.sys函數接收和發送經過濾的EtherCAT幀，在用戶層嵌入Ecatpacket.dll動態鏈接庫實現與CNC數據交互[11]. 使用IntervalZero的實時擴展軟件RTX的配置系統，可將整個網卡驅動程序納入到CNC系統所在的實時系統環境下，以保證數據傳輸的實時性.

從站對象配置包括FMMU、SM、從站類型和數目、數據長度和存儲偏移地址等.在系統初始化階段，主站讀取設備的XML信息后經郵箱數據傳輸完成對從站RAM中各寄存器的配置，SM通道配置程序流程如圖4所示，FMMU的配置與此類似.

完成網卡操作，以及SM、FMMU等寄存器的配置，且當狀態機處于操作狀態時，就可以進行周期性數據傳輸.幀的組裝在EtherCAT主站中完成，主站使用邏輯寫命令將CNC控制指令周期性的填入報文數據區實現數據輸出，使用邏輯讀命令將各從站的狀態指令周期性的從報文中提取實現數據輸入，由此實現高速高精的數據通信.另外，主站定時使用廣播讀命令監聽各從站狀態，有故障則立即產生中斷，提交主站處理.

圖4　從站SM通道配置流程圖

2.3 實驗驗證

為驗證系統的可行性，選用德國LUST的帶標準EtherCAT從站接口的ServoOne系列伺服作為從站，其遵循CANopen協議的DS-402伺服驅動設備規范.

CANopen的核心概念是對象字典（OD）. 對象字典是通過網絡可以讀取的一組預先定義好形式的對象，本質上相當于一個參數列表，字典里的每一個對象可以用一個16位索引和8位子索引來定位，每個設備的對象字典都存儲在ESC的存儲器中和XML設備描述文件中.CANopen其他重要的概念還包括用于過程參數通信的過程數據對象（PDO），用于參數配置通信的服務數據對象（SDO），以及用于指定每個狀態的內部和外部設備特性的有限狀態自動機（FSA）等.

利用CoE協議，EtherCAT可以在網段內輕松實現CANopen協議.CNC與伺服驅動器之間通過PDO映射實現周期性同步位置控制，其映射機制如圖5所示.CNC生成并通過EtherCAT主站驅動向伺服驅動設備發送周期性同步位置指令值，驅動設備執行相應的動作并將狀態值實時反饋給主站系統，多個伺服軸嚴格的同步協調運動以實現精密的輪廓控制.另外，CNC主站可以提供附加的速度和扭矩值，實現速度和扭矩的前饋控制.

實物平臺如圖6所示，整個網段由1個主站和4個從站構成，可用于帶伺服主軸的三軸CNC加工中心.通信周期設置為0.5ms. 經過初步的測試，系統運行平穩，指令相應迅速，無明顯振動和異響.系統的高速高精、以及I/O從站的連接及PLC調試也將逐步展開.

通過驗證，開發基于EtherCAT工業以太網的開放式CNC系統方案是可行的，低于1ms的同步性能已遠超出傳統的基于總線的CNC通信能力（4~8 ms），使高速高精的輪廓控制技術不再受制于通信平臺的實時能力.同時，系統硬件數量的減少，可選的伺服驅動器品牌范圍得以擴展.隨著EtherCAT技術的不斷推廣，有望真正實現基于零硬件的通用化高性能和低成本的CNC產品.

圖5　周期性數據傳輸映射示例圖

圖6　基于EtherCAT的開放式CNC平臺

參考文獻：

［1］ Sauter T. The three generations of field-level networks -evolution and compatibility issues［J］.IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2010，57（11）：3585-3595.

［2］ 張向利.基于以太網的數控系統現場總線技術研究［D］.武漢：華中科技大學，2008.

［3］ Sheng J, Chung S, Hansel L, et al. JAUS to EtherCAT Bridge: Toward Real-Time and Deterministic Joint Architecture for Unmanned Systems［J］. Journal of Control Science and Engineering, 27 April 2014：1-20.

［4］ 劉喆，郇極，劉艷強.基于XML的EtherCAT工業以太網協議解析技術［J］.北京航空航天大學學報，2011，37（9）：1086-1090.

［5］ 王國河，李偉光.EtherCAT冗余技術在多軸網絡運動控制系統中的應用研究［J］.組合機床與自動化加工技術，2012（1）：58-61.

［6］ 劉輝，林威，王培盛，等.EtherCAT時鐘同步技術研究［J］.計算機測量與控制，2014，22（11）：3774-3776.

［7］ Rostan M, Stubbs J E, Dmitry Dzilno D. EtherCAT enabled advanced control architecture［C］//2010 IEEE/SEMI, Advanced Semiconductor Manufacturing Conference. San Francisco, USA: IEEE, 2010：39-44.

［8］ 徐健，宋寶，唐小琦.EtherCAT與Modbus協議轉換網關的設計及實現［J］.組合機床與自動化加工技術，2015，4：71-73.

［9］ EtherCAT Master, cross platform stack[OL/DB]//2011，http://www.esd-electronics-usa.com/Shared/Handbooks/E therCATMasterDevelopersManual. pdf.

［10］ 郇極，劉艷強.工業以太網現場總線EtherCAT驅動程序設計及應用［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2010.

［11］ Zhang Mingzhong, Chen Yongming, Li Yin. Research of communication mechanism in CNC system based on EtherCAT［C］//The 2nd International Conference on Multimedia Technology, Hangzhou, 2011：3614-3618.

An Implementation of Open CNC Based on EtherCAT Network

LI Xin, ZHANG Caihong, LIANG Yi
（School of Electronic and Communication Engineering, Shenzhen Polytechnic, Shenzhen, Guangdong 518055, China）

Abstract:The features, functions and working principles of Ether CAT Network are analyzed. By inserting frame-processing function into the open CNC, EtherCAT is connected with CNC, an open network CNC system based on EtherCAT protocol was implemented. This work opened a new way for further enhancing the openness and reliability of the CNC system, reducing the reliance on hardware and saving the cost of CNC system.

Key words:EtherCAT network; open; CNC

作者簡介：李欣（1984-），女，湖北黃岡人，講師，碩士，主要研究方向為計算數學和網絡編程.

收稿日期：2016-02-20

DOI:10.13899/j.cnki.szptxb.2016.03.002

中圖分類號：TN919

文獻標志碼：A

文章編號：1672-0318（2016）03-0010-06