CN115378761B - 一种基于PLC的EtherCAT主站系统快速实现方法 - Google Patents
一种基于PLC的EtherCAT主站系统快速实现方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于PLC的EtherCAT主站系统快速实现方法,涉及工业通讯技术领域。仅通过软件方式实现EtherCAT主站系统,并能够方便地部署到现有PLC控制器中,满足工业现场对PLC控制器丰富的EtherCAT接口需求,耗费成本低,且开发周期短。步骤1、编译部署IgH EtherCAT Master开源协议栈及网络驱动;步骤2、挂载PLC控制器软元件数据区并设计通讯协议;步骤3、开发EtherCAT主站应用程序软件。不仅可以快速地部署到现有PLC控制器中,而且可用于新型PLC控制器EtherCAT主站系统开发,实施简单高效,经济效益高。
Description
技术领域
本发明涉及工业通讯技术领域,特别涉及一种基于PLC的EtherCAT主站系统快速实现方法。
背景技术
EtherCAT(Ethernet for Control Automation Technology)是一种新型、开放的实时工业以太网通信协议,最早由德国的Beckhoff公司推出。由于EtherCAT总线在实时性、可靠性和稳定性方面具有传统现场总线无法比拟的优势,同时,得益于它灵活的网络拓扑结构,经过多年的发展,EtherCAT总线在工业自动化领域得到了广泛应用,特别是在PLC控制器及运动控制器上。
目前,市场上新出的大型PLC、运动控制器等大都具有EtherCAT主站功能,早期PLC控制器由于技术、成本原因,一般都不支持EtherCAT总线通讯。但PLC控制器凭借可靠的性能以及相对较低的价格,在工业自动化市场上有着广泛的使用,特别是中小型PLC。同时,工业现场出现越来越多的传感器、扩展模块采用EtherCAT接口,上述设备要求支持大数据量传输、或长距离通讯,但它们对数据通讯周期并没有严格要求。
面对日益迫切的工业现场传感器、扩展模块EtherCAT通讯接口需求,PLC控制器支持EtherCAT主站成为必然趋势。如果要求客户将现有PLC更换成带EtherCAT主站系统功能的PLC,可以解决问题但必然大幅增加客户成本;若修改PLC控制器的硬件、软件以扩展EtherCAT主站功能,则项目开发周期长,且市场上已在使用的PLC控制器由于硬件固定,依然无法升级EtherCAT主站系统功能。因此,如何在现有PLC控制器的软/硬件基础上,通过软件的方式扩展EtherCAT主站功能,但又不过多增加客户成本成为一个急需解决的问题。
发明内容
本发明针对以上问题,提出了一种基于PLC的EtherCAT主站系统快速实现方法,在不修改PLC控制器现有硬件、系统与底层驱动、应用程序的条件下,仅通过软件方式实现EtherCAT主站系统,并能够方便地部署到现有PLC控制器中,满足工业现场对PLC控制器丰富的EtherCAT接口需求,耗费成本低,且开发周期短。
本发明的技术方案为:基于Linux操作系统构建PLC的EtherCAT主站系统,采用IgHEtherCAT Master开源协议栈;EtherCAT主站系统包括用户层、内核层及硬件驱动层,用户层包括主站应用程序及IgH协议栈接口库;内核层包括IgH EtherCAT Master协议栈及各种主站系统管理状态机;驱动层则为以太网驱动程序,用于以太网数据接收和发送;按以下步骤实现:
步骤1、编译部署IgH EtherCAT Master开源协议栈及网络驱动;
步骤2、挂载PLC控制器软元件数据区并设计通讯协议;
PLC控制器程序启动后,以共享内存的方式创建PLC软元件数据区,EtherCAT主站应用程序将PLC软元件数据区内存挂载到进程,从而实现对PLC控制器的软元件数据区读写操作;
步骤3、EtherCAT主站系统与上位机配置软件进行交互;获取EtherCAT网络系统配置参数,并响应上位机配置软件操作命令;
解析主站、从站配置参数;
对现场EtherCAT总线网络进行扫描,获取总线网络拓扑结构及从站相关信息;
进行主站创建、主站参数协议栈配置、从站参数协议栈配置、从站启动参数配置、从站同步管理器配置、PLC软元件数据区的命令处理、PLC软元件数据区的状态处理、系统异常错误处理;
周期性处理总线数据接收及发送、主站状态检测、从站状态检测、主从站DC时钟同步,同时,处理与PLC软元件数据区的过程数据交互。
步骤1具体包括:
步骤1.1、下载IgH EtherCAT Master源码,对源码进行配置;配置时,指定PLC控制器使用的Linux内核源码路径,指定安装目录,并启用通用网络驱动;
步骤1.2、编译Igh EtherCAT协议栈源码,生成相关的库文件、IgH协议站驱动及以太网驱动;
步骤1.3、将生成的EtherCAT协议栈库文件部署到PLC控制器中,并在控制器中安装协议站驱动、以太网驱动。
步骤2具体实现步骤如下:
步骤2.1、EtherCAT应用程序初始化过程中,采用共享内存方式将PLC控制器的软元件数据区内存挂载到本进程,然后,与程序中的本地指针变量相关联;
步骤2.2、用户通过EtherCAT主站配置软件指定PLC控制器软元件数据区中与主站系统通讯的输入区和/输出区的起始地址、区域大小;
步骤2.3、针对主站系统与PLC控制器通讯要求,设计数据输入区和输出区的通讯协议;数据输入区的信息内容包括主站信息、从站信息、从站接收PDO数据;数据输出区的信息内容包括主从站命令、从站命令、从站发送PDO数据。
步骤3具体通过主站应用程序的以下模块来实现:
配置软件交互模块用于EtherCAT主站系统上位机配置软件进行交互;获取EtherCAT网络系统配置参数,并响应上位机配置软件操作命令;主站进入正常工作流程前,用户通过配置软件配置现场EtherCAT总线网络拓朴结构、主站参数、从站参数;同时,配置软件交互模块也需要响应上位机配置软件对主站操作命令、从站操作命令、状态信息获取命令;
配置参数解析模块用于解析主站、从站配置参数;EtherCAT总线网络拓扑结构要与现场从站实际使用情况保持一致,从站数量、从站PDO数量、PDO映射对象均是动态变化的,配置参数解析模块对上述信息进行动态解析,将解析到信息传递给主站业务管理模块;同时,处理配置参数异常情况,将错误码发送给上位机配置软件;
总线扫描模块接收配置软件交互模块命令,对现场EtherCAT总线网络进行扫描,获取总线网络拓扑结构及从站相关信息;同时,将上述信息传递给配置软件交互模块及主站业务管理模块;
主站业务管理模块为应用程序的核心,处理的业务包括主站创建、主站参数协议栈配置、从站参数协议栈配置、从站启动参数配置、从站同步管理器配置、PLC软元件数据区的命令及状态处理 、系统异常错误处理;主站业务管理模块接收到主站配置解析模块信号量后,即创建主站,配置协议栈主站参数、从站参数、从站PDO映射、DC时钟;正确完成EtherCAT主站系统配置后,即启动过程数据交互模块,进入主站业务循环处理;
过程数据交互模块在主站进入正常业务处理后启动,采用高精度定时器实现任务的精确定时;过程数据交互模块周期性处理总路线数据接收及发送、主站状态检测、从站状态检测、主从站DC时钟同步,同时,处理与PLC软元件数据区的过程数据交互,将软元件输出区数据通过总线发送出去,将接收到的过程数据写入软元件输入区。
本发明的有益效果为:
一、本方法基于PLC控制器现有硬件基础开发,采用标准以太网卡,无需修改PLC控制器硬件;
二、本方法采用IgH EtherCAT Master开源协议栈进行开发,使用通用网卡驱动实现EtherCAT数据接收/发送,无需修改PLC控制器操作系统及底层网络驱动;
三、本方法中EtherCAT主站应用程序以单独进程形式部署在PLC控制器中,采用共享内存方法通过PLC的软元件数据区实现与PLC控制器程序数据通讯,无需修改PLC控制器应用程序;
四、本发明中的EtherCAT主站在不修改PLC控制器硬件、软件条件下开发,很好地解决工业现场设备对EtherCAT通讯接口需求;不仅可以快速地部署到现有PLC控制器中,而且可用于新型PLC控制器EtherCAT主站系统开发,实施简单高效,经济效益高。
附图说明
图1是本案中EtherCAT主站系统示意图;
图2是本案中EtherCAT主站应用程序与PLC控制器程序数据通讯方式示意图;
图3是本案中EtherCAT主站应用程序框架示意图。
具体实施方式
为能清楚说明本专利的技术特点,下面通过具体实施方式,并结合其附图,对本专利进行详细阐述。
本发明基于Linux操作系统构建PLC的EtherCAT主站系统,采用IgH EtherCATMaster开源协议栈。EtherCAT主站系统总体示意图如图1所示,整个协议栈涉及Linux操作系统用户层、内核层及硬件驱动层,用户层包括主站应用程序及IgH协议栈接口库;内核层包括IgH EtherCAT Master协议栈及各种主站系统管理状态机;驱动层则为以太网驱动程序,用于以太网数据接收和发送。
开源的Igh EtherCAT Master协议栈功能全面,支持协议多样,实现了多种主站管理状态机,且支持DC同步功能,采用该协议栈可以快速实现主站应用程序开发。同时,为了不改动PLC控制器操作系统及底层驱动,EtherCAT协议栈数据的接收、发送基于标准以太网操作函数,即采用通用网络驱动。
本方案中,为不改动PLC控制器应用程序,减少额外工作量,EtherCAT主站程序以单独进程部署在PLC控制器中,但两者之间必须进行命令、数据等信息交互。本技术方案采用“共享内存”方法,通过PLC控制器的软元件数据区实现两者间命令与数据等通讯。
本技术方案具体实现步骤主要包括三个方面,一是编译部署IgH EtherCATMaster开源协议栈及网络驱动,构建EtherCAT主站系统运行环境,二是在EtherCAT主站应用程序中挂载PLC软元件数据区内存,设计数据区通讯协议,三是基于IgH EtherCAT协议栈开发EtherCAT主站应用程序,具体的技术方案实现如下:
本实施例中PLC控制器的硬件平台为ARM芯片,控制器对外提供两路以太网接口,Linux系统内核版本为4.4.19。
步骤1、编译部署IgH EtherCAT Master开源协议栈及网络驱动;
步骤1.1、下载IgH EtherCAT Master源码,版本为1.5.2;进入EtherCAT Master目录,执行./configure进行协议栈配置;在配置中通过--with-linux-dir指定PLC控制器使用的Linux内核路径,--disable-8139too禁用默认的8139网卡驱动;--enable-generic启用通用网络驱动;--prefix指定协议栈库安装目录。
步骤1.2、执行make命令编译协议栈源码,生成相相应的库文件、协议站驱动(ec_master.ko)、以太网驱动(ec_generic.ko);执行make install命令安装协议栈库到指定目录。
步骤1.3、将上述生成的IgH协议栈库文件、ec_master.ko及ec_generic.ko驱动文件拷贝到PLC控制器中,在控制器中部署协议栈库文件,并安装ec_master.ko和ec_generic.ko驱动文件。
至此,完成IgH EtherCAT Master开源协议栈和EtherCAT网络驱动程序在PLC控制器系统中部署。
步骤2、挂载PLC控制器软元件数据区并设计通讯协议;EtherCAT主站应用程序与PLC控制器程序数据通讯方式如附图2所示,PLC控制器程序启动后,以“共享内存”方式创建PLC的软元件数据区,EtherCAT主站应用程序将PLC软元件数据区内存挂载到进程,从而实现对PLC控制器的软元件数据区读写操作,具体实现步骤如下。
步骤2.1、EtherCAT主站应用程序初始化过程中,调用shmat()函数将PLC控制器创建的软元件数据区内存挂载到本进程中,然后,将数据结构指针*pSharedMemory指向软元件数据区内存。
步骤2.2、主站程序依据共享数据区配置参数,确定EtherCAT主站系统通讯输入起始地址(%MWaa)和大小;输出区起始地址(%MWbb)和大小。
步骤2.3、在EtherCAT主站应用程序中定义EtherCAT总线“输入数据”和“输出数据”结构,其中 ,“输入”数据结构体EtherCAT_BuffIn_st内容包括主站信息、从站信息、从站接收PDO数据等;“输出”数据结构体EtherCAT_BuffOut_st内容为主站命令、从站命令、从站发送PDO数据等。
步骤2.4、定义输入数据结构指针EtherCAT_BuffIn_st *pEcBuffin和输出数据结构指针EtherCAT_BuffOut_st *pEcBuffout,将指针变量pEcBuffin指向%MWaa,指针变量pEcBuffout指向%MWbb。其中 ,pEcBuffin指定的共享内存区数据,只能PLC控制器读,EtherCAT主站写;pEcBuffout指定的共享内存区,只能PLC控制器写,EtherCAT主站读。
至此,完成EtherCAT主站应用程序中软元件区内存挂载及通讯协议设定。
步骤3、开发EtherCAT主站应用程序;
EtherCAT主站应用程序软件框架如图3所示,包括配置软件交互模块、配置参数解析模块、总线扫描模块、主站业务管理模块、过程数据交互模块,应用程序通过用户指定的PLC软元件数据共享区与PLC控制器进行数据通讯。
配置软件交互模块提供上位机配置软件网络配置、主/从站操作功能。在主站进入正常工作流程前,用户通过配置软件把现场总线的网络拓朴结构、主站配置参数、从站配置参数、PDO对象映射等下发给主站,本模块将配置参数保存到文件中,并给主平配置解析模块下发信号量。同时,本模块也响应配置软件对主/从站操作命令、状态信息获取命令、信息监控等。
配置参数解析模块功能单一,主要解析主站、从站配置参数。接收到配置软件交互模块信号量后,本模块从配置文件中读取网络配置参数,并进行动态解析,将解析到的主/从站配置信息、SDO/PDO映射等信息保存到全局变量中,然后给主站业务管理模块发送信量。若解析参数出现异常,则将错误信息传递给主站业务管理模块。
总线扫描模块主要功能是对现场EtherCAT总线网络进行扫描。本模块接收到配置软件交互模块信号量后,启动网络总路线扫描,获取总线网络拓扑结构及从站信息,将上述信息传递给配置软件交互模块及主站业务管理模块。
主站业务管理模块为应用程序的核心,处理的业务包括主站创建、主/从站参数协议栈配置、从站启动参数配置、从站同步管理器配置、PLC软元件数据区的命令/状态处理 、系统异常错误处理等。本模块接收到主站配置解析模块信号量后,首先调用ecrt_requet_master()函数申请主站,然后调用ecrt_master_create_domain()函数创建domain数据域,调用ecrt_master_slave_config()、ecrt_slave_config_pdos()等函数配置从站PDO映射;调用ecrt_slave_config_dc()配置从站DC同步时钟。EtherCAT总线配置完成后,调用ecrt_master_activate()激活主站,并启动过程数据交互模块,进入主站业务循环处理,周期性处理PLC控制器命令、状态信息更新及系统异常处理。
过程数据交互模块在主站进入正常业务处理后启动,处理的业务包括过程数据接收、过程数据处理、主/从站状态检测、主/从站DC时钟同步、过程数据发送。本模块调用高精度定时函数clock_nanosleep()实现任务的精确定时,调用ecrt_master_receive()函数接收网络数据,调用ecrt_domain_process()函数处理过程数据,调用ecrt_master_sync_slave_clocks()函数设置DC同步时钟,调用ecrt_master_send()发送网络数据,从而实现EtherCAT网络数据的周期处理。
本发明具体实施途径很多,以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以作出若干改进,这些改进也应视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种基于PLC的EtherCAT主站系统快速实现方法,其特征在于,基于Linux操作系统构建PLC的EtherCAT主站系统,采用IgH EtherCAT Master开源协议栈;EtherCAT主站系统包括用户层、内核层及硬件驱动层,用户层包括主站应用程序及IgH协议栈接口库;内核层包括IgH EtherCAT Master协议栈及各种主站系统管理状态机;驱动层则为以太网驱动程序,用于以太网数据接收和发送;按以下步骤实现:
步骤1、编译部署IgH EtherCAT Master开源协议栈及网络驱动;
步骤2、挂载PLC控制器软元件数据区并设计通讯协议;
PLC控制器程序启动后,以共享内存的方式创建PLC软元件数据区,EtherCAT主站应用程序将PLC软元件数据区内存挂载到进程,从而实现对PLC控制器的软元件数据区读写操作;
步骤3、EtherCAT主站系统与上位机配置软件进行交互;获取EtherCAT网络系统配置参数,并响应上位机配置软件操作命令;
解析主站、从站配置参数;
对现场EtherCAT总线网络进行扫描,获取总线网络拓扑结构及从站相关信息;
进行主站创建、主站参数协议栈配置、从站参数协议栈配置、从站启动参数配置、从站同步管理器配置、PLC软元件数据区的命令处理、PLC软元件数据区的状态处理、系统异常错误处理;
周期性处理总线数据接收及发送、主站状态检测、从站状态检测、主从站DC时钟同步,同时,处理与PLC软元件数据区的过程数据交互。
2.根据权利要求1所述的一种基于PLC的EtherCAT主站系统快速实现方法,其特征在于,步骤1具体包括:
步骤1.1、下载IgH EtherCAT Master源码,对源码进行配置;配置时,指定PLC控制器使用的Linux内核源码路径,指定安装目录,并启用通用网络驱动;
步骤1.2、编译Igh EtherCAT协议栈源码,生成相关的库文件、IgH协议站驱动及以太网驱动;
步骤1.3、将生成的EtherCAT协议栈库文件部署到PLC控制器中,并在控制器中安装协议站驱动、以太网驱动。
3.根据权利要求1所述的一种基于PLC的EtherCAT主站系统快速实现方法,其特征在于,步骤2具体实现步骤如下:
步骤2.1、EtherCAT应用程序初始化过程中,采用共享内存方式将PLC控制器的软元件数据区内存挂载到程序中,然后,与程序中的本地指针变量相关联;
步骤2.2、用户通过EtherCAT主站配置软件指定PLC控制器软元件数据区中与主站系统通讯的输入区和/输出区的起始地址、区域大小;
步骤2.3、针对主站系统与PLC控制器通讯要求,设计数据输入区和输出区的通讯协议;数据输入区的信息内容包括主站信息、从站信息、从站接收PDO数据;数据输出区的信息内容包括主站命令、从站命令、从站发送PDO数据。
4.根据权利要求1所述的一种基于PLC的EtherCAT主站系统快速实现方法,其特征在于,步骤3具体通过主站应用程序的以下模块来实现:
配置软件交互模块用于与EtherCAT主站系统上位机配置软件进行交互;获取EtherCAT网络系统配置参数,并响应上位机配置软件操作命令;主站进入正常工作流程前,用户通过配置软件配置现场EtherCAT总线网络拓扑结构、主站参数、从站参数;同时,配置软件交互模块也需要响应上位机配置软件的主站操作命令、从站操作命令、状态信息获取命令;
配置参数解析模块用于解析主站、从站配置参数;EtherCAT总线网络拓扑结构要与现场从站实际使用情况保持一致,从站数量、从站PDO数量、PDO映射对象均是动态变化的,配置参数解析模块对上述信息进行动态解析,将解析到信息传递给主站业务管理模块;同时,处理配置参数异常情况,将错误码发送给上位机配置软件;
总线扫描模块接收配置软件交互模块命令,对现场EtherCAT总线网络进行扫描,获取总线网络拓扑结构及从站相关信息;同时,将上述信息传递给配置软件交互模块及主站业务管理模块;
主站业务管理模块为应用程序的核心,处理的业务包括主站创建、主站参数协议栈配置、从站参数协议栈配置、从站启动参数配置、从站同步管理器配置、PLC软元件数据区的命令及状态处理 、系统异常错误处理;主站业务管理模块接收到主站配置参数解析模块信号量后,即创建主站,配置协议栈主站参数、从站参数、从站PDO映射、DC时钟;正确完成EtherCAT主站系统配置后,即启动过程数据交互模块,进入主站业务循环处理;
过程数据交互模块在主站进入正常业务处理后启动,采用高精度定时器实现任务的精确定时;过程数据交互模块周期性处理总路线数据接收及发送、主站状态检测、从站状态检测、主从站DC时钟同步,同时,处理与PLC软元件数据区的过程数据交互,将软元件输出区数据通过总线发送出去,将接收到的过程数据写入软元件输入区。
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