文/四川大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院、創(chuàng)新方法與創(chuàng)新設(shè)計(jì)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 張家豪 李翔龍

　　單位：四川大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院

　　郵箱：1981374936@qq.com 聯(lián)系人：張家豪 電話：17639599118

　　地址： 四川省成都市四川大學(xué)望江校區(qū)，郵編 610065

　　摘要：工業(yè)是推動(dòng)社會(huì)發(fā)展、經(jīng)濟(jì)繁榮的巨大引擎，隨著人工智能、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，工業(yè)自動(dòng)化、智能化亦成為了不可逆 轉(zhuǎn)的趨勢(shì)。EtherCAT作為一種目前最流行的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線之一，越來越廣泛的被應(yīng)用于自動(dòng)化工廠、數(shù)控機(jī)床、生產(chǎn)車間等相關(guān)領(lǐng)域。實(shí)時(shí)性是一個(gè)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線的一個(gè)很重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)，本文基于成都某自動(dòng)化公司EtherCAT運(yùn)動(dòng)控制器研發(fā)項(xiàng)目通過搭建EtherCAT通信實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、捕獲通信過程數(shù)據(jù)、編寫程序解析通信數(shù)據(jù)對(duì)基于EtherCAT總線通信實(shí)時(shí)性進(jìn)行了研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法可以對(duì)EtherCAT運(yùn)動(dòng)控制器的實(shí)時(shí)性進(jìn)行測(cè)試。

　　Research on real-time Communication Testing Method based on EtherCAT Bus

　　Abstract: Industry is a huge engine to promote social development and economic prosperity. With the continuous development of artificial intelligence and Internet technology, industrial automation and intelligence have become an irreversible trend. EtherCAT, as one of the most popular industrial fieldbuses, is more and more widely used in automation   factories, CNC machine tools, production workshops and other related fields. Real-time is a very important evaluation index of an industrial fieldbus. Based on EtherCAT motion controller R&D project of an automation company in Chengdu, this paper studied the real-time communication based on EtherCAT bus by building EtherCAT communication experiment platform, capturing communication process data and writing programs to analyze communication data. The experimental results show that the proposed method can be used to test the real-time performance of EtherCAT motion controller.

　　1 引言

　　工業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的主導(dǎo)和支柱產(chǎn)業(yè)，能夠提供眾多的就業(yè)崗位并促進(jìn)社會(huì)繁榮。工業(yè)4.0誕生以來，強(qiáng)化了工業(yè)自動(dòng)化、智能化對(duì)整個(gè)工業(yè)帶來的影響。我國工業(yè)自動(dòng)化行業(yè)起步較晚，經(jīng)過多年的發(fā)展，一些優(yōu)秀廠商技術(shù)水平也在不斷提高，并借助國內(nèi)制造業(yè)的快速發(fā)展，加快了國產(chǎn)化的速度。

　　在EtherCAT網(wǎng)絡(luò)中，主站發(fā)送數(shù)據(jù)幀通過從站設(shè)備節(jié)點(diǎn)時(shí)，從站節(jié)點(diǎn)會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)幀中相關(guān)信息進(jìn)行處理，根據(jù)數(shù)據(jù)幀中的讀寫命令進(jìn)行不同的操作。EtherCAT通信周期時(shí)間短，是因?yàn)閺恼镜奈⑻幚砥鞑恍枰幚硪蕴W(wǎng)的封包，所有數(shù)據(jù)資料都是由從站的硬件進(jìn)行處理。此特性再配合上EtherCAT的機(jī)能原理，EtherCAT便具備了良好的實(shí)時(shí)性。本文以成都某自動(dòng)化公司的EtherCAT運(yùn)動(dòng)控制器研發(fā)項(xiàng)目為依托，通過對(duì)EtherCAT通信原理的深入研究以及對(duì)抓包數(shù)據(jù)的解析測(cè)試其在不同軸數(shù)的情況下的EtherCAT主站的實(shí)時(shí)性表現(xiàn)。

　　2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建及通信測(cè)試

　　測(cè)試需要先搭建EtherCAT通信實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)需要的器材如下：

　　一臺(tái)i5運(yùn)動(dòng)控制器(成都某自動(dòng)化股份有限公司自主研發(fā)的面向EtherCAT的運(yùn)動(dòng)控制器);EtherCAT從站若干，包括EtherCAT接口伺服、EtherCAT接口的軸模塊、EtherCAT接口的軸模塊;一臺(tái)安裝MULTIPROG軟件的PC;一臺(tái)安裝有Wireshark軟件的PC;連接PC和i5運(yùn)動(dòng)控制器的網(wǎng)線，以及i5和從站的網(wǎng)線;以上的實(shí)驗(yàn)器材搭建完成如下圖1所示的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

圖1 EtherCAT通信實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

　　在安裝有MULTIPROG的PC上編寫走直線的PLC程序，利用梯形圖(LAD，ladderLogic Programming Language)圖形編程語言去編寫一個(gè)簡單的單軸走直線的程序。參數(shù)設(shè)置為：周期：1ms;位移：100000mm;速度：10000mm/s;加速度：100000mm/s2;減速度：-100000 mm/s2。

　　在編譯運(yùn)行PLC程序之前，先在安裝有Wireshark的PC端打開Wireshark軟件進(jìn)行設(shè)置，首先勾選Wireshark軟件上的允許的協(xié)議一欄勾選ESL(EtherCAT Switch Link)以及esl_eth(EtherCAT over Ethernet),然后選擇以太網(wǎng)線路進(jìn)行抓包。抓包過程圖如圖2所示。Wireshark在開啟抓包后會(huì)抓取所有在網(wǎng)線上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，因此為了只得到EtherCAT通信的數(shù)據(jù)，可以利用過濾器輸入“ecat.cmd==0x0c”命令即可過濾出其他的數(shù)據(jù)。

圖2抓包過程圖

　　3 實(shí)時(shí)性測(cè)試

　　通過以上的通信測(cè)試說明可以使用Wireshark進(jìn)行抓包實(shí)驗(yàn)，抓取的數(shù)據(jù)包文件格式為pcapng。此種文件格式具有很好的邏輯性和可擴(kuò)展性，目前，在網(wǎng)絡(luò)上存在一些對(duì)該文件格式的解析源代碼，其功能和解析能力也是不一樣的，為了更好的對(duì)成都某自動(dòng)化股份有限公司自主研發(fā)的EtherCAT運(yùn)動(dòng)控制器的實(shí)時(shí)性能進(jìn)行測(cè)試，筆者編寫了解析該格式文件并輸出周期抖動(dòng)大小的程序。程序流程圖如下圖4所示。

　　實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)為四組，分別設(shè)置從站個(gè)數(shù)為1、4、8、16，從站使用成都某自動(dòng)化股份有限公司自主研發(fā)的A1E伺服電機(jī)。根據(jù)四組實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，分別抓取數(shù)據(jù)包進(jìn)行分析，實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果如圖4至圖7。同時(shí)為了避免隨機(jī)性誤差對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，每組實(shí)驗(yàn)分別做了兩次。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表一所示。

圖3 抓包數(shù)據(jù)處理程序流程圖

圖4 1臺(tái)A1E從站周期實(shí)時(shí)任務(wù)抖動(dòng)

圖5 4臺(tái)A1E從站周期實(shí)時(shí)任務(wù)抖動(dòng)

圖6 8臺(tái)A1E從站周期實(shí)時(shí)任務(wù)抖動(dòng)

圖7 16臺(tái)A1E從站周期實(shí)時(shí)任務(wù)抖動(dòng)

表1主站在不同從站個(gè)數(shù)情況下的實(shí)時(shí)性表現(xiàn)

　　4 結(jié)論

　　本文以成都某自動(dòng)化股份有限公司的EtherCAT運(yùn)動(dòng)控制器研發(fā)項(xiàng)目為依托，對(duì)EtherCAT通信原理進(jìn)行了深入的研究。通過對(duì)EtherCAT通信時(shí)的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行抓包實(shí)驗(yàn)測(cè)試其在不同軸數(shù)的情況下的實(shí)時(shí)性表現(xiàn)。結(jié)果顯示當(dāng)從站個(gè)數(shù)為1臺(tái)時(shí)，主站周期抖動(dòng)最大僅有25微秒，周期時(shí)間為1毫秒，抖動(dòng)僅占整個(gè)周期時(shí)間的2.5%，說明主站具有良好的實(shí)時(shí)性。同時(shí)周期抖動(dòng)大小與從站個(gè)數(shù)呈正相關(guān)的關(guān)系，當(dāng)從站個(gè)數(shù)為16臺(tái)時(shí)，周期抖動(dòng)最大有53微秒，占整個(gè)周期時(shí)間的5.3%，沒有超過主站的承受能力，仍具有良好的實(shí)時(shí)性。

　　EtherCAT自2003年誕生以來，一直致力于為全球工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)提供支持。經(jīng)過多年的發(fā)展，面對(duì)競(jìng)爭激烈的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)協(xié)議市場(chǎng)，EtherCAT以其超高速、低成本、靈活易用和開放性等特點(diǎn)，獲得了業(yè)界的廣泛支持與接納。基于EtherCAT協(xié)議的控制系統(tǒng)、伺服驅(qū)動(dòng)、運(yùn)動(dòng)控制等解決方案與產(chǎn)品不斷被推出，EtherCAT通信的實(shí)時(shí)性也在不斷提高，為工業(yè)自動(dòng)化行業(yè)提供技術(shù)上的支持。

　　作者簡介：張家豪，(1998-)，男，河南漯河人，四川大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，碩士研究生，主要研究方向：運(yùn)動(dòng)控制算法開發(fā),詳細(xì)通訊地址：四川大學(xué)望江校區(qū)，郵編：610065。

　　李翔龍，(1971-)，男，四川成都人，博士研究生，博士生導(dǎo)師，主要研究方向：金屬學(xué)及金屬工藝，工業(yè)通訊技術(shù)及設(shè)備，詳細(xì)通訊地址：四川大學(xué)望江校區(qū)，郵編：610065。