CN112564938B

CN112564938B - 基于EtherCAT协议的设备控制器可重构系统及实施方法

Info

Publication number: CN112564938B
Application number: CN202011231086.0A
Authority: CN
Inventors: 李迪; 王佳佳; 周楠; 唐浩; 张春华
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2020-11-06
Filing date: 2020-11-06
Publication date: 2022-03-29
Anticipated expiration: 2040-11-06
Also published as: CN112564938A

Abstract

本发明公开了一种基于EtherCAT协议的设备控制器可重构系统及实施方法，该方法包括下述步骤：EtherCAT主站在周期性工作的同时监测硬件拓扑结构的改变，当控制器从站发生故障，或者人为添加或剥离设备时，控制器监测到硬件拓扑的改变，启动整个设备控制器的重构。设备控制器的重构包括硬件重构、主站重构、控制内核重构和服务端重构。主站重构过程并行于原工作周期，可以在不停机的情况下完对新的从站结构的配置工作，然后控制器依次进行内核和服务端重构过程。本发明允许控制器在不影响原正常从站设备的工作，进行在线快速重构，弥补了现有可重构制造系统(RMS)在硬件层面可重构能力的不足，提高了RMS的动态重构性能，降低了其故障反应时间，增强了RMS的柔性制造能力。

Description

基于EtherCAT协议的设备控制器可重构系统及实施方法

技术领域

本发明涉及EtherCAT设备控制器重构技术领域，具体涉及一种基于EtherCAT协议的设备控制器可重构系统及实施方法。

背景技术

可重构制造系统(RMS)是智能制造的重要组成部分，RMS能够快速响应生产任务的变化，通过对制造系统结构及其子单元快速重组和替换以适应新的生产任务和周期。目前，RMS关注方向主要在系统结构层面和工艺层面的重组，现有RMS涉及到的种类繁多的制造单元设备，如机床、机器人、传感器等，通常来自于不同厂商，往往只允许开发人员在厂商所提供的设备控制器固件已有功能基础上针对特定加工场景和任务进行有限的功能拓展(例如集成自定义算法)以及控制逻辑的实现。控制器内部与通信、计算、控制相关的实时执行任务集合一经出厂，结构基本固定，在设备控制器层面针对不同多变的场景的适应性仅能通过资源和性能的冗余保证，无法按需在线重构，从而造成浪费。另一方面，当控制器与现场传感器之间的控制环路出现故障时，通常需要停机并进入人工检测，在定位问题后重新进入故障修复，导致生产效率恶化。

EtherCAT(Ethernet for Control and Automation Technology以太网控制和自动化技术)是2003年德国倍福自动化公司提出的实时工业以太网技术，它具有高速和高数据有效率的特点，支持多种设备连接拓扑结构，被广泛用于工业自动化领域。EtherCAT设备拓扑结构灵活，允许任意复杂的伺服控制从站或是简单的I/O节点接入，具有良好的可拓展性能。目前，基于EtherCAT的设备控制器已经得到了广泛的应用，然而，在应用EtherCAT设备控制器时需要基于专用工程配置软件进行大量繁琐的通信参数设置和过程对象映射，缺乏针对可重构制造系统的有效在线可重构技术。

发明内容

为了克服现有技术存在的缺陷与不足，解决现有可重构制造系统中设备层可重构性方面存在的不足，本发明提供一种基于EtherCAT协议的设备控制器可重构实施方法，弥补了现有RMS在硬件层面可重构能力不足的缺陷，进一步提高了RMS的动态重构性能，增强了其柔性制造能力。

本发明的第二目的在于提供一种基于EtherCAT协议的设备控制器可重构系统；

本发明的第三目的在于提供一种存储介质。

本发明的第四目的在于提供一种计算设备。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于EtherCAT协议的设备控制器可重构实施方法，包括下述步骤：

EtherCAT主站周期性发送控制报文控制EtherCAT从站，EtherCAT从站返回报文到EtherCAT主站；

当所述EtherCAT主站监测到EtherCAT从站返回报文的工作计数器发生变化时，判定设备硬件拓扑结构改变，触发设备控制器的重构；

所述设备控制器的重构包括硬件重构、主站重构、控制内核重构和服务端重构；

所述主站重构步骤中，在原工作周期发送工作报文的基础上增加配置工作周期，多个配置工作周期在原工作周期内均匀分布，所述配置工作周期运行于原工作周期的休眠时间内，在配置工作周期内，EtherCAT主站发送配置报文完成对新加入EtherCAT从站的配置及使能工作；

重构后的设备控制器，由服务端向上层控制系统或者HMI界面提供服务；所述上层控制系统将重构后的设备纳入规划管理，所述HMI界面根据重构后的服务端更新后的设备硬件拓扑结构。

作为优选的技术方案，所述EtherCAT主站周期性发送控制报文控制EtherCAT从站，所述控制报文包括逻辑读写报文和广播读子报文，所述广播读子报文用于监测设备硬件拓扑结构的改变。

作为优选的技术方案，所述触发设备控制器的重构，EtherCAT主站最慢在硬件结构改变的下一个周期监测到变化，紧接着就在之后一个周期内启动设备控制器的重构过程。

作为优选的技术方案，所述硬件重构由主动改变硬件结构触发、或者由部分异常故障从站需要剥离被动引起硬件结构改变触发。

作为优选的技术方案，所述在原工作周期发送工作报文的基础上增加配置工作周期，具体配置步骤为：

设原工作周期为t_r，配置周期数为N，则

进行EtherCAT从站扫描工作，确定EtherCAT从站设备硬件拓扑结构，获得新加入EtherCAT从站的拓扑位置，于此同时发送广播写命令，保存设备硬件拓扑结构改变以后原EtherCAT从站每个端口接收到以太网帧前导符的第一位的时刻；

读取原有EtherCAT从站每个端口接收到以太网帧前导符的第一位的时刻，获得计算传输延时值，根据误差补偿经验公式获得实际写入原工作从站的经验传输延时值；

主站读取新从站的产品信息找到对应设备的XML文件，根据XML文件配置从站，生成新的工作周期任务，新的工作周期任务取代原工作周期任务。

作为优选的技术方案，所述误差补偿经验公式表示为：

其中，T_t表示EtherCAT从站的经验传输延时值，t_n表示设备硬件拓扑结构改变后测量并计算得到的单次传输延时值；t_o表示设备硬件拓扑结构改变以前，EtherCAT从站的传输延时值；N表示EtherCAT从站在拓扑结构中的顺序值；Randint表示随机长整型函数。

为了到达上述第二目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于EtherCAT协议的设备控制器可重构实施系统，包括：EtherCAT主站、EtherCAT从站、控制器内核重构和控制器服务端；

所述EtherCAT主站内设有重构监测子模块、主站重构子模块和重构管理子模块，功能独立于EtherCAT主站；

所述重构管理子模块包括主站重构子模块、内核重构子模块、服务端重构子模块，分别按顺序启动主站重构、控制器内核重构和控制器服务端重构；

所述重构监测子模块用于监测硬件结构是否变化，判定硬件重构是否完成；

所述主站重构子模块设有工作周期配置模块，用于在原工作周期发送工作报文的基础上增加配置工作周期，多个配置工作周期在原工作周期内均匀分布，所述配置工作周期运行于原工作周期的休眠时间内，在配置工作周期内，EtherCAT主站发送配置报文完成对新加入EtherCAT从站的配置及使能工作；

为了到达上述第三目的，本发明采用以下技术方案：

一种存储介质，存储有程序，所述程序被处理器执行时实现上述基于EtherCAT协议的设备控制器可重构实施方法。

为了到达上述第四目的，本发明采用以下技术方案：

一种计算设备，包括处理器和用于存储处理器可执行程序的存储器，所述处理器执行存储器存储的程序时，实现上述基于EtherCAT协议的设备控制器可重构实施方法。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

(1)本发明在设备高速运转的同时能够快速适应生产产品和生产节拍的改变或者部分从站故障剥离的情况，提供对设备的实时扩展和删除能力，缩短停机时间，通过对设备控制器可重构性能的扩展，进一步提高可重构制造系统的柔性制造能力。

(2)本发明创造性地提出了一个EtherCAT控制器可重构过程中的分布时钟调整快速修正方法，能够解决EtherCAT主站在线重构过程中由于网络拓扑变化降低分布时钟精度从而影响控制效果的问题，能够让EtherCAT控制器在线可重构过程中最大限度的不影响原有从站的工作性能，维持工作环境的同时，纳入新的从站或删除原有从站。

(3)本发明通过在原有工作周期中插入配置周期的方法，可以在不影响原有工作节拍的情况下，对新加入的从站进行配置，解决的原有驱动器在从站拓扑结构改变时需要停机进行配置的缺点，保证了本发明的在线可重构能力。

附图说明

图1为本实施例1可重构制造系统下EtherCAT设备控制器基本架构；

图2为本实施例2基于EtherCAT协议的设备控制器可重构实施方法的流程框架图；

图3为本实施例2主站重构的流程示意图；

图4为本实施例2主站重构中多周期重构的流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

如图1所示，本实施例提供一种基于EtherCAT协议的设备控制器可重构系统，包括EtherCAT主站、EtherCAT从站、控制器内核重构和控制器服务端；

EtherCAT主站在系统工作时稳定控制EtherCAT从站，重构监测子模块、主站重构子模块、重构管理子模块嵌入到EtherCAT主站内，但是功能独立于EtherCAT主站，负责在监测系统的可重构需求，启动主站的重构进程并进行管理。重构管理子模块用于管理各个部分的重构，分别按顺序启动主站重构，内核重构，服务端重构。重构监测子模块用于监测硬件结构是否变化，若硬件发生变化，则硬件重构客观上已经完成了。主站重构子模块、内核重构子模块、服务端重构子模块分别负责对应部件得重构工作；主站的重构为驱动器重构的主要部分，受重构管理子模块管理，当主站重构完成后，重构管理子模块依次触发内核和服务端的重构。EtherCAT设备控制器的重构管理子模块启动重构过程，按照相应的重构场景可分为硬件重构、主站重构、控制器内核重构、控制器服务端重构四个重构阶段，其中，硬件重构由外界进行物理手段上的改变，或者自身故障形成了物理拓扑的改变，控制器内核重构和控制器服务端重构伴随主站重构进行参数配置信息的更新；本实施例在主站重构过程中，为了保证原从站的稳定运行，本实施例提出了多周期重构方法，在原工作周期发送工作报文的基础上，增加配置工作周期，配置工作周期运行于原工作周期的休眠时间内，配置工作周期内，主站发送配置报文配置从站地址、同步管理单元、内存映射单元，切换从站状态机，使能电机，完成对新加入从站的配置及使能工作。EtherCAT控制器可重构过程中的分布时钟调整快速修正，通过在原有工作周期中插入配置周期的方法，可以在不影响原有工作节拍的情况下，对新加入的从站进行配置，解决的原有驱动器在从站拓扑结构改变时需要停机进行配置的缺点，保证了本发明的在线可重构能力，能够解决EtherCAT主站在线重构过程中由于网络拓扑变化降低分布时钟精度从而影响控制效果的问题，能够让EtherCAT控制器在线可重构过程中最大限度的不影响原有从站的工作性能，维持工作环境的同时，纳入新的从站或删除原有从站。

实施例2

如图2所示，本实施例提供一种基于EtherCAT协议的设备控制器可重构实施方法，包括以下步骤：

S1：EtherCAT主站周期性发送控制报文控制EtherCAT从站，EtherCAT从站返回报文到EtherCAT主站，EtherCAT主站重构监测子模块执行周期性的重构监控任务；

在本实施例中，步骤S1的主站重构监测子模块实时监测过程工作于设备正常运转时，EtherCAT主站周期性的发送报文控制从站的工作，该报文除了插入了LWR(逻辑读写)报文控制各从站运行以外，还插入了BRW(广播读)子报文，该报文在监测从站工作情况的同时，也能够监测硬件结构的变化。

根据用户在启动设备时对DC周期设置的不同，本实施例的驱动器允许的DC周期范围为125us-1ms，最差的情况下，前一个EtherCAT数据报刚刚下发，从站的拓扑结构即发生改变，此时在下一个EtherCAT数据报到达时，EtherCAT主站就能监测到硬件结构的改变。因此，根据用户设置DC周期的不同，最差情况下，主站便可以在硬件结构改变的125us-1ms内发现其变化。

S2：主站在每个监控周期内通过校验从站返回的EtherCAT数据帧实时监测与控制器相连接的从站节点硬件结构的改变；

在本实施例中，如图3所示，步骤S2中从站结构改变后的第一个EtherCAT报文返回主站后，主站监测到WKC(Working Counter工作计数器)与原硬件结构WKC存在差异，该差异为从站硬件结构改变的标志，是触发主站启动重构管理子模块的信号；

S3：EtherCAT从站数目增加或者减少进一步引起从站拓扑结构改变，主站重构监测子模块监测到从站硬件拓扑结构发生改变后，触发整个EtherCAT设备控制器的重构模块，如前文所述，主站最慢在硬件结构改变的下一个周期监测到变化，紧接着就在之后一个周期内触发重构管理子模块的工作，启动设备控制器的重构过程。

S4：EtherCAT设备控制器的重构管理子模块启动重构过程，按照相应的重构场景可分为硬件重构、主站重构、控制器内核重构、控制器服务端重构四个重构阶段，其中，硬件重构由外界进行物理手段上的改变，或者自身故障形成了物理拓扑的改变，控制器内核重构和控制器服务端重构伴随主站重构进行参数配置信息的更新；

设备在硬件结构改变的极短时间内，不影响原有工作任务的进行，完成设备控制器的在线重构过程，更新服务，允许RMS上层控制系统立即将重构后的EtherCAT设备纳入生产规划，从而为制造系统对不同产品生产的无缝衔接提供底层支持，在制造系统单元设备出现故障时减少停机修复时间。

在本实施例中，步骤S4中设备控制器的重构管理子模块由硬件重构开始，该部分由主动改变硬件结构触发、或者由部分异常故障从站需要剥离被动引起硬件结构改变触发，紧接着按步骤S1、S2、S3的启动设备控制器重构过程。

启动该过程后，首先进入主站重构阶段，主站重构过程中一方面要尽可能的保证原有从站的高速稳定运行，另一方面要配置并使能新的从站，让新旧从站进入同一工作节拍开始工作，或者保证原设备正常工作的同时，完成故障从站剥离后整个设备的配置工作。完成主站重构的过程后，主站通知控制内核主站重构已完成，允许控制内核根据主站返回信息进行控制器内核重构。控制器内核重构过程主要更新并生成相关参数信息，如设备故障被删除时，需要在内核部分删除故障设备的编号并对更新后的设备重新编号，从而停止RMS上层控制器或者用户对故障设备的操作支持，更新设备对应的功能。在控制内核重构完成后，服务端也根据内核重构情况，对应更新自身所能提供的服务(例如最大支持轴数或最多I/O点数的更新或新接入传感器数据的读取)。

步骤S1、S2、S3中主站对硬件拓扑结构的监测过程，是主站正常工作周期性任务的拓展功能，主站在周期性数据发送过程中，会同时监测每一个从站状态机的状态，主站在监测该状态的同时可以通过EtherCAT数据报的WKC获得从站的数目，本实施例通过对该子报文WKC的监测实现主站重构监测子模块的监测功能。

如图4所示，在主站重构过程中，为了保证原从站的稳定运行，本实施例提出了多周期重构方法，在原工作周期发送工作报文的基础上，增加配置工作周期，配置工作周期运行于原工作周期的休眠时间内，配置工作周期内，主站发送配置报文配置从站地址、同步管理单元、内存映射单元，切换从站状态机，使能电机，完成对新加入从站的配置及使能工作。在主站重构过程中，为了保证原从站的稳定运行，突出了要解决的是更新后原从站的DC快速同步问题，为此，本实施例总结了对单个从站单次测量的传输延时进行误差补偿的经验公式：

其中，T_t表示该从站的经验传输延时值，t_n表示硬件结构改变后测量并计算得到的单次传输延时值；t_o表示硬件结构改变以前，该从站的精确传输延时值；N表示该从站在拓扑结构中的顺序值，顺序值从1开始；Randint表示随机长整型函数。

设原工作周期为t_r，一般情况下

当设备高频重构时，可能存在多个配置周期同时工作，设此时设配置周期数为N，则

多个配置周期在原工作周期内均匀分布，在配置过程中，首先要完成的从站扫描工作，确定从站拓扑结构，获得新加入从站的拓扑位置，同时发送广播写命令，保存硬件结构改变以后原从站每个端口接收到以太网帧前导符的第一位的时刻，接下来，读取原有从站每个端口接收到以太网帧前导符的第一位的时刻，获得计算传输延时值，根据误差补偿经验公式

获得实际写入原工作从站的经验传输延时值(注：参考时钟没有传输延时)。根据经验公式直接得到单个从站的传输延时，避免了重构初始阶段反复测量花费大量时间多次计算求精确传输延时值，争取在最短的时间内在不降低原从站的性能的情况下，维持原从站的稳定运行。再接着主站读取新从站的产品ID、版本号等，借此找到对应设备的XML文件，根据XML文件配置从站。最后，配置工作使能新从站的同时，生成新的工作周期任务，以上步骤完成后，新的工作周期任务取代原工作周期任务，主站重构完成，主站向控制内核发送信号，引导控制内核进入重构步骤。

本实施例采用上述经验公式，避免了在新设备加入的短时间内，耗费大量时间测量准确的传输延时从而影响原工作从站的工作性能，进而将新从站的加入或者部分从站的移除对原高速运转从站的影响达到最小，在之后新从站配置过程中的DC同步阶段，同时校正原工作从站的DC传输延时，保证原有工作从站在硬件结构改变后仍维持较高的DC同步精度。

在本实施例中，控制内核重构的目的主要是在主站重构后，向更上层的控制系统提供对更新后设备的功能支持，或者将新的驱动器纳入运动规划，或者提供对IO从站的访问接口。控制内核重构后，将相关功能以服务的形式封装，由设备控制器服务端向上层控制系统或者本地HMI界面提供服务，从而RMS上层控制系统可以及时将重构后的设备纳入规划管理，HMI界面根据重构后的服务端，对应更新自身界面，及时展示更新后的设备硬件拓扑结构，允许工作人员的直接操作。

实施例3

本实施例提供一种存储介质，存储介质可以是ROM、RAM、磁盘、光盘等储存介质，该存储介质存储有一个或多个程序，所述程序被处理器执行时，实现上述实施例2的基于EtherCAT协议的设备控制器可重构实施方法。

实施例4

本实施例提供一种计算设备，所述的计算设备可以是台式电脑、笔记本电脑、智能手机、PDA手持终端、平板电脑或其他具有显示功能的终端设备，该计算设备包括该计算设备包括处理器和存储器，存储器存储有一个或多个程序，处理器执行存储器存储的程序时，实现上述实施例2的基于EtherCAT协议的设备控制器可重构实施方法。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于EtherCAT协议的设备控制器可重构实施方法，其特征在于，包括下述步骤：

所述设备控制器的重构包括硬件重构、主站重构、控制器内核重构和服务端重构；

所述在原工作周期发送工作报文的基础上增加配置工作周期，具体配置步骤为：

设原工作周期为t_r，配置周期数为N，则

进行EtherCAT从站扫描工作，确定EtherCAT从站设备硬件拓扑结构，获得新加入EtherCAT从站的拓扑位置，与此同时发送广播写命令，保存设备硬件拓扑结构改变以后原EtherCAT从站每个端口接收到以太网帧前导符的第一位的时刻；

读取原有EtherCAT从站每个端口接收到以太网帧前导符的第一位的时刻，获得计算传输延时值，根据误差补偿经验公式获得实际写入原工作EtherCAT从站的经验传输延时值；

EtherCAT主站读取新EtherCAT从站的产品信息找到对应设备的XML文件，根据XML文件配置EtherCAT从站，生成新的工作周期任务，新的工作周期任务取代原工作周期任务；

所述误差补偿经验公式表示为：

其中，T_t表示EtherCAT从站的经验传输延时值，t_n表示设备硬件拓扑结构改变后测量并计算得到的单次传输延时值；t_o表示设备硬件拓扑结构改变以前，EtherCAT从站的传输延时值；n表示EtherCAT从站在设备硬件拓扑结构中的顺序值；Randint表示随机长整型函数；

重构后的设备控制器，由服务端向上层控制系统或者HMI界面提供服务；所述上层控制系统将重构后的设备纳入规划管理，所述HMI界面根据重构后的服务端更新设备硬件拓扑结构。

2.根据权利要求1所述的基于EtherCAT协议的设备控制器可重构实施方法，其特征在于，所述EtherCAT主站周期性发送控制报文控制EtherCAT从站，所述控制报文包括逻辑读写报文和广播读子报文，所述广播读子报文用于监测设备硬件拓扑结构的改变。

3.根据权利要求1所述的基于EtherCAT协议的设备控制器可重构实施方法，其特征在于，所述触发设备控制器的重构，EtherCAT主站最慢在设备硬件拓扑结构改变的下一个周期监测到变化，紧接着就在之后一个周期内启动设备控制器的重构过程。

4.根据权利要求1所述的基于EtherCAT协议的设备控制器可重构实施方法，其特征在于，所述硬件重构由主动改变设备硬件拓扑结构触发、或者由部分异常故障EtherCAT从站需要剥离被动引起设备硬件拓扑结构改变触发。

5.一种基于EtherCAT协议的设备控制器可重构实施系统，其特征在于，包括：EtherCAT主站、EtherCAT从站、控制器内核和控制器服务端；

所述重构监测子模块用于监测设备硬件拓扑结构是否变化，判定硬件重构是否完成；

在原工作周期发送工作报文的基础上增加配置工作周期，具体配置步骤为：

设原工作周期为t_r，配置周期数为N，则

所述误差补偿经验公式表示为：

重构后的设备控制器，由控制器服务端向上层控制系统或者HMI界面提供服务；所述上层控制系统将重构后的设备纳入规划管理，所述HMI界面根据重构后的控制器服务端更新设备硬件拓扑结构。

6.一种存储介质，存储有程序，其特征在于，所述程序被处理器执行时实现如权利要求1-4任一项所述的基于EtherCAT协议的设备控制器可重构实施方法。

7.一种计算设备，包括处理器和用于存储处理器可执行程序的存储器，其特征在于，所述处理器执行存储器存储的程序时，实现如权利要求1-4任一项所述的基于EtherCAT协议的设备控制器可重构实施方法。