實時以太網EtherCAT在某大型機動雷達伺服系統中的應用

湯 輝，劉 喆

(中國電子科技集團公司第三十八研究所 機械傳動與控制工程實驗室，合肥 230088)

實時以太網EtherCAT在某大型機動雷達伺服系統中的應用

湯 輝，劉 喆

(中國電子科技集團公司第三十八研究所 機械傳動與控制工程實驗室，合肥 230088)

對EtherCAT總線技術在某大型機動雷達自動架設系統中的應用進行了描述。與傳統總線技術相比，列舉了EtherCAT的特點及系統需求，并對EtherCAT的環網冗余技術及時鐘同步技術進行了分析。著重介紹了該自動架設控制系統的設計方法、功能組成和EtherCAT的組網方法。所討論的內容和涉及的方法均來源于實際工程系統，對自動架設控制系統工程設計人員具有一定的參考價值。

EtherCAT；冗余環網；時鐘同步

0 引 言

目前，地面機動雷達伺服系統普遍采用CAN總線用于數據傳輸，克服了傳統的如RS232、RS485、RS422等串行接口方式傳輸距離短、速率低、不具備硬件故障診斷功能等缺點，為雷達總線型伺服系統中可靠穩定的數據傳輸發揮了重要作用。但是，隨著大型地面機動雷達的規模不斷增大，對伺服系統的點數和數據實時性要求都提出了更高的要求，外部傳感器的輸出信號數量、種類以及物理布局都具有較大的隨機性，伺服驅動以及速度、位置閉環數據采集的實時性更是伺服高性能實現的保證。而CAN總線最高數據率1Mbps、不具備時鐘同步和環路冗余的缺陷，以及現場總線的多樣性給總線設備的統一性和可維護性帶來的困難，導致了CAN總線在雷達伺服系統中應用的局限性。

工業以太網技術已經成為工業控制領域中的一個研究熱點，其中EtherCAT(Ethernet for Control Automation Technology)是開放的實時以太網通信協議。它基于標準的以太網技術，支持多種設備連接拓撲結構，具有配置簡單、有效數據率高、全雙工、數據傳輸容量大、傳輸速度快、時鐘同步性高、成本低、開放性好等特點，是一種用于工業自動化的實時、高速以太網通信協議。

1 EtherCAT特點及系統總體需求分析

EtherCAT將底層通信協議嵌入硬件中實現，大大減少了操作系統、CPU資源的占用，使得應用軟件在現有軟硬件平臺下發揮最大性能。EtherCAT采用了基于IP組播通信的IEEE1588時間同步機制，其采用的“主時鐘”、“從時鐘”能夠提供信號誤差在1 μs內的精確時鐘基準。EtherCAT技術信號處理速率非常高，在30 μs內能夠完成1 000個I/O節點刷新，一個以太網幀每次最多可以完成1 468個字節的數據傳輸，而完成這樣數據量的傳輸僅需300 μs。數據傳輸的實時性和巨大的帶寬資源實現了很好的結合，突破了以往實時性網絡帶寬資源的瓶頸。

某大型機動式雷達自動架設系統復雜，共涉及到150個開關量輸入點、70個開關量輸出點，以及10路模擬輸入信號和4路編碼器信號、4路伺服驅動。系統采用EtherCAT作為數據傳輸總線，其系統架構如圖1所示。以嵌入式PC為EtherCAT主站，通信鏈路中的人機操作設備、伺服設備以及編碼器、遠程I/O數據采集模塊均為EtherCAT從站。該系統不僅對4路伺服驅動的同步控制精度要求較高，對于外部遠程各類傳感器的信號采集更新率也提出了毫秒級的需求，通過EtherCAT實時以太網鏈路的運行，完全能夠滿足系統實時性的要求。

圖1 某大型機動式雷達伺服系統EtherCAT總線架構

2 通訊鏈路可靠性設計

在總線系統中，單點故障會造成系統癱瘓，所以通信鏈路的冗余設計也越來越受到重視。無論RS422、RS485等串口連接形式，還是CAN通訊，由于其支持的拓撲類型單一，無法實現通信鏈路的冗余設計，造成控制系統的可靠性無法保證。EK1100是嵌入式PC專門用于組建環網冗余的具有自動環回功能的通訊模塊，通過它組建的具有雙向環結構的網絡，可以使信息流在網中沿固定方向流動時，當環型結構中出現一個節點故障而造成的網路故障時，信息流在斷點處自動環回，保證了通訊鏈路的正常工作。同時上報故障節點信息，以幫助及時在線排除節點故障，其環路連網示意如圖2。[1-2]

3 時鐘同步設計

雙電機同步驅動或多電機同步驅動技術在雷達伺服控制系統中的應用越來越廣泛。在本文討論的雷達系統中，要求伺服控制系統完成12 m×16 m天線的雙級雙機同步舉高驅動，且天線背架剛性較弱。為了保證天線單元及行骨架的位置精度，對雙機驅動的同步精度提出了較高的要求(同步誤差≤2 mm)。系統采用主從控制模式，形成位置和速度雙閉環控制回路，其控制原理如圖3所示。為了保證閉環控制系統的響應速度以及對位置誤差的采樣頻率，要求控制器與伺服驅動器之間的通訊速率較高。

圖2 EtherCAT環行冗余結構

圖3 雙機驅動同步控制系統原理

EtherCAT采用分布式時鐘技術實現從站點之間的精確時鐘同步，特別適用于本系統中驅動同步和角度數據采集精確同步的要求。每個EtherCAT從站都有一個獨立運行的硬件時鐘源，所有從站的本地時鐘相對于系統參考時鐘各有獨立的偏移和漂移誤差，經過主站的同步算法補償后實現從站之間精確時鐘同步。分布式時鐘技術保證了遠程站點端子之間的同步時間誤差小于1 μs。[3-4]

4 系統設計

自動架設系統是機動雷達的關鍵系統之一，其設計的質量直接決定了該雷達的機動性與戰場的生存能力，而高性能的伺服控制系統則是自動架設系統高效、穩定運行的重要保障。本文討論的設計對象為某大型米波機動雷達，其較大的天線尺寸和重量決定了伺服控制系統的設計體量超過了以往的自動架設系統，控制系統組成如圖4所示。[5]

圖4 某大型米波機動雷達自動架設控制系統組成

控制系統在物理布局上分為兩部分，分別布置于平臺和天線。網絡布局則是組成了一個大的環網結構，通過千兆匯流環完成固定與旋轉部分網絡的鏈接。可以看出，相比于以往的CAN網絡，EtherCAT網絡的拓撲更加靈活。由于不需要設置終端電阻且是環網結構，允許在任意節點插入或刪除從站站點而無需整個網絡的重新配置。這一特點對于大型系統的調試尤其是樣機研制非常有幫助，允許工程師在調試現場根據實裝需要方便的進行檢測點的增加與刪除。

5 軟件架構設計

圖5為某大型米波機動雷達自動架設控制系統軟件架構。

伺服控制系統以TwinCAT 2作為開發軟件，編程語言是IEC61131-3標準的結構化文本(ST，Struct Text)。軟件結構是標準的分任務循環結構。整個軟件系統包含若干個Task(任務)。所有的Task都是按照設定的周期循環執行。每一個Task都有特定的優先級和循環周期。伺服控制系統的所有邏輯功能模塊都被設置在特定的Task中。重要的邏輯功能模塊要被設置在優先級高的Task中。在每一個Time Base的起點，CPU按優先級由高到低的順序依次掃描每個任務，根據任務的周期決定是否執行該任務。掃描到沒有啟用和還沒有到執行周期的任務，就跳轉到下一個任務。

圖5 某大型米波機動雷達自動架設控制系統軟件架構

軟件系統被分為4個Task，分別為Level1～4，它們的優先級以此遞減。與平臺和天線架設、驅動控制直接相關的邏輯控制模塊都被設置在優先級最高的Level1的Task中，每10ms循環執行一次。警鈴、按鍵、通信、報警等次要的邏輯控制模塊被設置在了Level2的Task中，每20ms執行一次。通信的背景程序被設置在Level3的Task中，每10ms執行一次。模塊狀態掃描等最不關鍵的功能塊被設置在Level4的Task中，每100ms執行一次。

6 結束語

隨著機動雷達規模的不斷增大，對自動架設控制系統運行的效率、布局的可擴展性以及系統規模都提出了較高的要求。基于實時以太網協議的EtherCAT總線，克服了以往現場總線諸多的弊端，能夠充分發揮其運行的實時性、可靠性以及拓撲性強等特點。筆者結合自己多年的工程經驗，以某雷達裝備應用為例，對EtherCAT的應用特點進行了系統性的介紹和分析，尤其對于系統中涉及到的網絡布局以及冗余組網等實際工程問題的討論，對于相關工程技術人員具有一定的借鑒和參考意義。

[1] 郁極，肖文磊，等.工業以太網EtherCAT冗余和熱插拔技術[J]. 北京航空航天大學學報，2009，35(2)：158-161.

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

[3] 郁極，劉喆,等. 實時工業以太網EtherCAT時序特性分析[J]. 北京航空航天大學學報，2013，39(9)：1238-1242.

[4] 汪雅楠，譚南林. EtherCAT時鐘同步的誤差仿真分析[J]. 自動化技術與應用，2011，30(7)：22-26.

[5] 湯輝，倪仁品,等. 某米波警戒雷達的全自動架拆系統[J]. 兵工自動化，2008，27(6)：17-19.

Application of real-time Ethernet EtherCAT in servo system of a large maneuvering radar

TANG Hui, LIU Zhe

(Laboratory of Mechanical Transmission and Control Engineering,No. 38 Research Institute of CETC, Hefei 230088)

The application of the EtherCAT but technology in the auto-erecting system of a large maneuvering radar is described. Compared with the conventional bus technologies, the features and system requirements of the EtherCAT are discussed, and the redundancy ring network technology and the clock synchronization technology of the EtherCAT are analyzed. In addition, the design method, functions and composition of the auto-erecting control system as well as the networking method of the EtherCAT are introduced empathetically. The contents discussed and the methods involved come from the actual engineering systems, which have certain reference value for the engineering designers of the auto-erecting control system.

EtherCAT; redundancy ring network; clock synchronization

TP271

A

1009-0401(2017)04-0058-04

2017-09-22；

2017-10-20

湯輝(1980-)，男，高級工程師，碩士，研究方向：事雷達伺服系統研制開發；劉喆(1985)，男，高級工程師，博士，研究方向：雷達伺服控制技術。