通过EtherCAT网络实现对自动化设备进行诊断

近年来，制造业中电子产品的使用取得了巨大的飞跃，主要得益于德国政府领导的工业4.0等智能制造计划。物联网（IoT）带来的行业动力也对制造业自动化产生了重大影响。实际上，采用工业物联网（IoT）这一短语，体现了物联网的基本概念，这些概念与大量数据收集和分析高度相关，即任何智能工厂实施的控制方面都需要。在许多方面，IIoT被认为是一种连接和控制方法，能够比其他基于物联网的项目更快地提供生产力和利润。

自21世纪初以来，工业自动化系统已在工厂实施。在那个阶段，使用了许多专有通信协议和网络拓扑将自动化设备连接在一起。这几乎没有影响制造商的互操作性，并将工厂的实施与潜在的供应商联系起来。除此之外，以太网已经成为IT世界中的网络协议，尽管许多缺点使其在工厂自动化项目中的应用受到限制。

标准以太网的主要挑战是MAC层无法支持实时低延迟数据传输。该协议专为在企业网络中传输大量信息而设计，不适合移动工业控制所需的相对少量的信息。例如，控制阀门需要非常少的信息才能使其转动，并且传感器需要报告其当前的打开/关闭状态。另一方面是，对于以太网，网络的控制权归属于与之相连的设备，因此很难预测什么时候会传输。对于时间关键的制造过程而言，这是一个主要问题。

制造机器人，阀门，执行器等的控制必须以确定的方式进行。运行中的自动化设备的诊断还需要在控制指令过程中的非常确定的响应，使得可以在执行任何其他指令之前立即停止操作。还应注意，诊断的重点不仅在于受控设备（例如电动机，致动器或阀门）的操作，而且还涉及网络和相关网络硬件的操作。德国制造商Beckhoff已经看到了以太网的广泛应用潜力，并开发了自己的现场总线协议，以纠正标准以太网中的低带宽和确定性。这被称为EtherCAT ®（以太网用于控制自动化技术），现在已成为开放标准，已被数千家自动化设备供应商采用。

图1：典型的EtherCAT主/从安排

EtherCAT拓扑结构是主/从配置，主设备不需要特殊硬件，标准PC是合适的。主/从配置的示例如图1所示。该协议具有“即时处理”方法，该方法允许网络上的每个节点在数据传递到下一个节点时读取数据。星形拓扑还具有内置冗余，可补偿布线中的潜在中断，从诊断的角度来看，可以向EtherCAT主站报告。图2显示了EtherCAT从站配置示例。此外，由于强调时序和确定性行为，EtherCAT符合IEEE 1588精确时间协议标准，并具有低抖动率。发送时主设备和接收设备上的从设备对每个数据帧的时间戳记允许主设备自我校准以准确地知道向从设备发送消息的可能时间。 EtherCAT帧通过从设备的传播以独特的顺序进行，提供输出/控制数据，但也在返回主设备之前收集输入数据。在每个EtherCAT数据报的最后是一个称为工作计数器的16位计数器，它允许检测错误，例如从站是否已正确读取数据以及是否能够写入数据，向主站突出显示错误以采取相应措施行动。这为数据通信和从站操作提供了内置诊断功能。在诊断级别，如果其中一个轴的从控制器没有响应其正确的值响应，则工作计数器的示例将立即停止多轴电机运动控制器。另一个例子是从机中的时钟同步失败，导致整个过程中实时确定性行为的丢失。工作计数器还将指示一组从站的丢失，可能是由于网络电缆故障或主要机器的电源故障。从机将始终在数据报中给出响应，因此它们的丢失将使主机能够标记问题。

图2：示例EtherCAT从机配置

EtherCAT从站设备可作为单芯片解决方案提供，既包含微处理器，也包含FPGA和EtherCAT从控制器，或者将专用从控制器集成到现有设计中。两者都有相对优点，具体取决于应用要求，但单芯片解决方案往往更节省电路板空间，并且材料成本更低。

独立EtherCAT从控制器的一个例子是Microchip的LAN9252。提供双10/100以太网收发器，LAN唤醒和独立数字I/O接口，可轻松连接大多数嵌入式微控制器或微处理器。它针对广泛的电机运动控制，液压和气动阀门系统，还具有网络电缆支持。图3显示了LAN9252的框图。

图3：Microchip LAN9252内部框图

并行接口提供对主机MCU/MPU总线以及可用GPIO和串行外设接口的访问。这些可用于与主机一起实施机械诊断，但更有可能从主机进行。 LAN9252还具有电缆诊断功能，具有两种操作模式：时域反射计（TDR）和匹配电缆诊断。除了对故障的电缆长度估计之外，TDR模式还可以检测TX或RX对上的开路或短路布线。匹配的电缆诊断功能可为最长120米的故障估算提供电缆长度。有关此技术的完整技术说明，请参见LAN9252数据表。

Microchip LAN9252-EVB-LAN9252-HBI提供全面的评估套件。请参见图4.

图4：Microchip LAN9252评估板

评估板提供对LAN9252功能的完全访问权限，特别是主机总线接口和GPIO，并使用板载Microchip PIC32单片机作为主机。

单芯片SoC EtherCAT从站的一个例子是英飞凌的XMC4800系列。采用ARM®Cortex®-M4，浮点单元，运行频率高达144 MHz，闪存和片上RAM，高分辨率PWM通道，支持多达6个串行通道，EtherCAT从器件和大量ADC/DAC模拟I/XMC4800是真正的单芯片解决方案。图5突出显示了XMC4800的框图。

图5：英飞凌XMC4800框图

该系列设备的目标是高端工业自动化和控制应用。除EtherCAT功能外，还包含4和8通道PWM定时器，适用于电机控制应用，如图6所示。

图6：采用XMC4800的英飞凌双电机控制

XMC4800具有多种GPIO和串行外设功能，非常适合连接与受控机械相关的各种诊断传感器。温度传感器，振动检测器以及安全联锁和限位开关可轻松集成到终端设计中，以便提供对设备的监控，确保可靠运行的可靠性。

提供EtherCAT从站控制器功能以及Trinamic的TMC8460不需要依赖主机CPU的资源就可以增强IO功能。针对电机运动控制应用，该器件集成了PWM和Step/Dir IO外设，无需通过主机MCU的固件进行路由，因此可显着减少数据报，从而控制延迟并适应尽可能接近真实应用的应用 - 需要时间操作。通过添加一组可从MCU或EtherCAT主站访问的综合外设，8460包含一个独立模式，允许将集成外设直接映射到总线寄存器。图7显示了使用I/O模块模式运行的TMC8460的原理图，它可以降低软件开销并为主机MCU提供实时硬件支持。

图7：处于I/O模式下的TMC8460

使用EtherCAT主站可访问的TMC8460寄存器组合并设备诊断监控数据，可以近乎实时地响应设备故障或故障，并且在极端情况下提供了一种在最小的设备损坏的情况下停止整个操作的方法。

维持生产资产可靠运行的能力，以最短的停机时间，需要实时监控整个制造过程各级设施。本文中提到的设备与相关传感器一起为机器本身以及连接它们的EtherCAT网络的所有方面提供了实现此功能的能力。此外，软件工具可以更深入地分析EtherCAT网络和从站的运行情况。在更高层次上，诊断构成维护，维修和运营（MRO）学科的基本组成部分，许多制造商使用资本密集型生产资产。机器对机器通信和物联网的最初概念源于许多MRO功能的自动化，而今天的IIoT将有助于进一步推动智能工厂计划。