以太网控制系统（精选12篇）
以太网控制系统 篇1
在工业控制领域当中,控制系统的规模越来越大,集中控制系统已经不能满足人们的要求,控制网络已经开始广泛应用到工业控制当中。现场总线技术就是随之发展起来的,并且在某种程度上解决了这个问题,但是,现场总线技术的开放性需要条件,不够彻底,从而代替现场总线技术的以太网技术开始迅速崛起并快速发展,只要把以太网技术应用到工业控制底层的网络,就可以实现办公自动化与工业自动化的结合。在设计当中,选择的是实时性好、成本低,而且传输速度高的工业以太网,继承了上一代产品当中的成熟技术,把工业以太网的技术融入到电动执行机构的设计当中。为了配合这些电动执行机构的使用,就有必要建立适用于控制系统的以太网监控系统,这种系统主要是通过工业以太网来连接主控计算机与多个电动执行机构,安装需求来通过计算机来控制底层,从而形成一个很完整的控制网络。
1 主要架构
1.1 以太网架构
以太网转串口的模块的主要作用就是完成执行机构网卡,而且还要能够实现执行机构与以太网之间的协议转换以及交流。串行TTL电平的主要作用就是让电动执行机构与以太网转串口模块进行通信,之后可以通过这个模块把信号以网络数据帧的形式传到以太网上(可以用HUB来代替以太网),然后再传给上位机,这样就可以形成一条可靠的信道来连接上位机和执行机构。所采用的以太网转串口模块是嵌入式的网络模块,这种模块的内部集成了TCP/IP协议栈,可以通过这些协议来实现嵌入式设备的功能。可以有效进行串口和以太网的数据输送,增加以太网的接口来使串口设备更加实用;还可以用于主控计算机与串口设备之间的远程通信,或者是多个串口设备之间的远程通信,起到了很好的桥梁作用。如图1所示。
1.2 电动执行机构与以太网转串口模块的通信
串行通信所采用的是TTL电平,会占用两个I/O口,也就是输入口(Rx D)以及输出口(Tx D),执行机构主控板需要提供+5V电源给以太网转串口模块,硬件连接如图2所示。
2 软件部分的实现
本系统是基于VC++6.0的Win Sock编程。套接字(Socket是当前比较常用的网络通信应用程序接口。Socket最开始是加利福利亚大Berkeley分校为Unix操作系统开发的网络通信接口,之后Socket被移植到Windows系统与DOS系统,这奠定了它在开发网络通信程序中的重要作用。
本系统所采用的模式是Client/Server。把以太网转串口模块设置成为服务器的模式,主控计算机上的控制软件部分被设置为客户端,每次启动都输由主控计算机来实现与执行机构的连接。客户端和服务器所采用的通信协议是面向连接的协议,也就是说,模块和控制计算机两者之间会建立一个虚拟的连接,来交换双向字节流;但是如果不能成功建立两者之间的连接,就不会有数据发送。而且,面向连接传输的报文都需要得到接收端的确认,如果接收端没有确认报文,这个报文就被认为是错误的报文。
2.1 通信过程
套接字有两种使用方式,分别为同步阻塞以及异步非阻塞两种方式,由于已经把以太网转串口模块设置成为了服务器的模式,因此,主控计算机段的程序是客户端的形式出现的。图3是客户端与服务器的通信过程。
在模块当中,可以在服务器程序当中调用listen函数让这个socket对进来的连接确认。如果服务器端收到了客户端连接的请求的话,一个socket就会确认每个所发送的请求,之后才开始调用accept函数,随后,客户就可以用connect函数来开始网络对话。客户端与服务器连接以后,就可以进行网络通信。
2.2 通信协议
所有的对话都要通过计算机这个主动通讯设备来发起,执行机构只能是被动的。在协议当中可以分为命令帧以及数据帧两种信息帧。数据帧包括I/O信息,命令帧包括控制、查询及设置等操作的命令。为了让信息传输准确无误,每条命令都要听过校验,而且还可以二次校验,校验的方式可以采用逐字节异或的方式;当然,执行机构所返回的信息也必须要通过校验才可以。控制计算机命令格式如下:
2.3 软件的功能
通过调试以及验证,基本可以达到的需求有:查询当前执行机构的运行情况,包括运行的位置以及参数的设置情况等;通过指定方向让执行机构自主运行;通过握手的指令来确认连接的成功与否,如果连接不正常,之后系统就会接到错误报告;输入IP就可以与指定的执行机构连接;对执行机构的参数远程设置等等。
3 结语
介绍了基于VC的执行机构以太网监控系统的方案,在以后的开发当中,可以使得这个系统的软件与市面上通用的工控组态软件兼容;也就是如果组态软件发出命令之后,本软件就可以间接控制执行机构,这样,系统就可以实现控制上的兼容。总之,以太网的传输速度在不断加快,实时性、确定性以及可靠性等方面都在完善化,在未来的控制网络当中会愈加重要。
摘要：介绍了以太网监控系统的架构,通过主控计算机以及工业以太网,可以把设计的各种网络化的电动执行机构按照要求来形成一个系统。通过自定义的通信协议,保证系统的可靠性以及实时性。
关键词：VC,以太网,控制系统,设计
参考文献
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以太网控制系统 篇2
与工业现场应用比较多的现场总线比较，以太网最大的特点是开发性好、成本低。通过把复杂的TCP/IP协议封装而提供各种网络测试技术，使网络测试的开发变得不再复杂。同时，由于网络测试带来巨大效益，使网络测试在测试自动化领域得到广泛应用。以太网作为分布式测试的一个网络方案，其潜力无疑是巨大的。
图1 数据采集处理系统中的以太网应用
以太网接口控制器和DSP微处理器的价格不断下降，使得将以太网直接集成到基于DSP等嵌入式系统的测试、采集、工业I/O设备中成为越来越明显的趋势。基于以太网的I/O设备是将以太网接口直接嵌入到设备内部，所以使得设备更简洁，体积更小，安装也更灵活。和一些目前应用于工业的其它通信方案比较，以太网方式通常需要功能更强大的微处理器和更大的内存。而网络和计算机技术的发展，特别是DSP技术的应用，可以大大降低这方面的成本。
2 数据采集处理系统的硬件设计
该系统以TI公司的TMS320C6000系列DSP中的TMS320C6211和10/100M自适应以太网控制芯片MX98728EC为核心，主要包括ADC数据采集、DSP数据处理和以太网接口三个部分。图2为数据采集处理系统框图。
2.1 TMS320C6000 DSP
TMS320C6000是美国TI公司于推出的新一代高性能DSP芯片。这种芯片是定点、浮点兼容的DSP。其定点系列是TMS32C62XX，浮点系列是TMS320C67XX。TMS320C6000片内有8个并行的处理单元，分为相同的两组，芯片的最高时钟频率可以达到300MHz。当芯片仙部8个处理单元同时运行时，其最大处理能力可以达到2400MIPs。本数据采集处理系统采用TMS320C6211，其主要特别如下：
相±
・每个周期8条32位指令
・8个高度独立的功能单元，包括6个32/40位的运算器和2个16位的乘法器(32bit结果)
・32个32位通用寄存器
图2 数据采集处理系统框图
・灵活自由的数据/程序定位，L1/L2存储器结果：4K字节L1P程序Cache、4K字节的L1D数据Cache、64K字节L2通用RAM/Cache
・32位外部存储器接口(EMIF)：对异步存储器的无缝接口，如SRAM、EPROM;对同步存储器的无缝接口，如SDRAM、SBSRAM;共512M字节外部存储器可寻址空间
・增强的DMA(EDMA控制)：16个独立通道
・两个32位通用定时器
・支持JTAG边界扫描标准，调试时可以方便可靠地控制DSP上面的所有资源
2.2 以太网控制器MX98728EC
MX98728EC是一个通用的单片10/100M快速以太网控制器，通过它的主机总线接口，可以实现各种各样的应用，而不需要或者只需极少的外部控制逻辑。单片机的解决方案可以减小电路板的尺寸，减少板上芯片的数量，以降低系统的成本。MX98728EC的特点如下：
・32位通用异步总线结构，支持频率最高达33MHz
・单片解决方案，集成了10/100M TP收发器
・可选的外部收发器MII接口
・完全兼容IEEE 802.3u协议
・支持16/8bit打包缓冲数据宽度和32/16bit主机总线数据宽度
・分离的TX和RX FIFO，支持全双工模式，独立的TX和RX通道
・丰富的片上寄存器，支持各种各样的网络管理功能
・支持16/8bit的用于打包缓冲器的SRAM接口、支持片上FIFO的突发DMA模式
・自动设置网络速度和协议的NWAY功能
・可选的EEPROM设置，支持1kbit和4kbit的EEPROM接口
・支持软件EEPROM接口，方便升级EEPROM的内容
图3 DSP和以太网接口部分硬件设计
2.3 系统结构
2.3.1 ADC数据采集部分
CPLD1由DSP提供时钟信号，主要作用是提供扫描表SRAM的地址，扫描表SRAM的数据由DSP写入。扫描表输出的数据用来设定A/D转换的`通道和仪表放大器的增益。ADC采用14位的LTC1416。32路模拟信号通过多路复用器后，其中一路信号被选中，进入仪表放大器，放大之后进入ADC。ADC的转换时钟由DSP的定时器提供。
2.3.2 DSP数据处理部分
ADC转换后的14位数据通过FIFO进入DSP进行处理，FIFO采用4片CY7C425形成乒乓结构，以实现模拟信号的不间断采样。DSP扩展一片Flash Memory作为DSP的程序存储器，另外还扩展了一片SRAM作为程序缓存。脱机运行时，DSP将Flash中的程序写入SRAM，再写入DSP内部RAM。CPLD2主要用于控制FIFO的读写，并且提供以太网接口部分的控制信号。DSP系统中的数字信号处理算法主要实现滤波、采样率变换、非线性修正、温漂修正等。
2.3.3 以太网接口部分
以太网主控芯片MX98728EC通过RJ45接口连接以太网，扩展一片SRAM作为以太网数据收发存储器，另外又扩展一片EEPROM以存储以太网卡的MAC地址、IO基地址、中断线选择等配置寄存器的初始化数据。CPLD3通过DSP高位地址线的译码控制以太网芯片的片选并提供以太网接口部分的复位信号等。DSP和以太网的接口部分硬件如图3所示。
(本网网收集整理)
3 数据采集处理系统的软件设计
软件编程时应该充分利用硬件资源及开发工具，使代码达到所期望的性能，并且在DSP嵌入式系统的基础上集成已经封装的TCP/IP协议栈，增加网络连接代码。由于DSP系统硬件以及以太网协议的复杂性，本系统中的软件编程是一个难点。
在本系统的软件设计过程中，采用了TI公司的基于C6000系列DSP的实时操作系统DSP/BIOS以及DSP/BIOS提供的实时数据交换功能RTDX(Real-Time-Data-eXchange)。DSP/BIOS针对DSP的应用环境，通过一系列的对象模块向开发者提供了一个实用优秀的实时操作系统。它可以寿命用户提高软件的模块化程度、并行性和可维护性等，有利于降低系统成本和缩短开发周期，运行于该操作系统之上的应用程序在开发时间、软件维护、升级等方面都有了极大的提高。实时数据交换功能是DSP/BIOS提供的一个全新的功能。在很多应用中要求DSP不停下来，而需要从主机中实时地读取数据或者向主机实时地输出数据。
因为本系统的软件结构较为复杂，涉及的算法较多，故应采用模块化、由顶向下、逐步细化的结构化程序设计方法。这一方法可节省软件工作量、提高工作效率。图4为简化的数据采集处理程序流程图。
多路以太网数据采集系统设计 篇3
关键词：多路以太网；数据采集系统；设计
中图分类号：TP274.2 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）11-0067-02
1 背景概述
以太网是目前应用最广泛的局域网技术，凭借开放性好、成本低廉、数据传输率高等诸多优势，在工业自动化和过程控制领域得到了越来越多的应用[1]。依靠以太网技术实现信息共享，给办公自动化带来很大的变革，对系统设计产生了深远的影响。数据的采集与监控在工业生产中也变得尤为重要，尤其是数据的准确性和实时性，本论文就以远程数据采集展开研究。
数据采集系统可以对设备数据进行采集、存储、处理和显示实现对相关物理量的监控、分析和保存[2]。远程数据采集系统是对数据采集后进行远程传送具有不受环境、气候、时间等因素影响的优势。以太网（Ethernet）技术支持几乎所有的网络协议，所以在数据信息网络中得到广泛应用，具有传输速度高、距离远、低能耗、便于安装、兼容性好、开放性高和支持设备多等方面的优势[3]。
2 整体系统方案设计
本文采用下位机负责模拟数据的采集，主控制器负责采集七路数据，并应答主机发送的命令将数据发送至上位机，上位机负责处理接受过来的数字量的处理及显示，上位机和下位机采用以太网进行通信。
上位机将所有数据保存到计算机中，这样用户可以随时对数据进行有效查询和分析，有利于工业过程的长期正常运行和检查。下位机采用的是STM32单片机，上位机采用Visual Basic 6.0编写。
下位机根据上位机发送的命令选择单通道速数据采集还是低速7通道数据同时采集，然后将数据经以太网发送至上位机，上位机将数据显示并保存入库。
3 数据采集-下位机
本设计采用单通道高速采样、多次发送方式和多通道循环采样、实时发送两种模式，其模式的选择由上位机发送命令给下位机，当收到上位机发送到“duotongdao”字符串时，下位机转换到多通道模式，当收到上位机发送到“dantonfdao”字符串时，下位机转换到单通道模式。
3.1 模式一（单通道模式）
在程序中顺序定义多个缓冲区，ADC高速采样并依次将5个缓冲区填满，一旦缓冲区全部填满，停止采样。当最后一个缓冲区的数据发送完成，ADC采样标志位置位，将开始新一轮的数据采样。经测试，单通道连续采样频率为23 kHz。
單通道模式，如图3-1所示，A-B，B-C分别是一次连续的ADC采样。从图中可看出，在一次连续采样中，数据的连续性很好，但跳跃性大，即采样死区时间长。
3.2 模式二（多通道模式）
多通道模式是对七路数据进行轮询采样，依次将采集到的数据放置到指定的缓冲区内。一共采集1 400次，每个通道占用200字节。在一次数据包成功发送完成后，ADC采集标志位置位，进行下一次的ADC采集，直到采样完成，停止采样并发送数据包。由于数模转换器（ADC）采用的是单次转换，所以，单通道模式的采样速率是多通道的七倍，即多通道模式采样速率约等于3 kHz。
多通道模式，如图2所示，A-B是一次数据包，数据包到达后紧跟着下一个数据包就到，如此连续。
采集到数据需要将数据发送至上位机，为了标志通道数据，下位机将数据放入IP包时，分别用“A”、“B”、“C”、“D”、“E”、“F”、“G”来表示多通道模式一至七通道每个数据的开始。
3 数据显示处理—VB上位机
3.1 上位机系统设计
上位机的主要功能是接收下位机数据，并对数据进行处理。主要包括数据的接收、显示、保存、绘图。上位机数据的显示主要是对接收到的12位ADC数据显示，以及将ADC数据转换为对应的电压值，并显示出来。数据的保存是将接收到的所有数据按照通道数和时间顺序保存到计算机上，以便于以后的查询。数据绘图是将接收到的数据变化曲线绘制出来，便于观察。
3.2 上位机界面介绍
①启动以太网数据采集卡后除了出现客户端界面外，还弹出了电压比例选项设置面板，可以打开和关闭所要观察的通道数据显示，再对每个通道选择数据，“0”表示关闭“1”，“2”，“3”，“4”分别表示采集数据的1倍显示，2倍显示，3倍显示，4倍显示。
②主机名和端口号可以手动输入服务器的IP地址和监听端口号，输入之后点击“链接”按钮。窗体可实时收缩和还原。
③在主窗体下方有“通道一”至“通道七”七个按钮，点击按钮，可绘图。通道按钮对应的下的颜色和绘图区通道的颜色一致，可明显区分。
④点击主窗体左下方“数据库”按钮，弹出上位机数据库，如图3所示。点击后会弹出数据库窗体，在该窗体中可以查看过去任意时刻所有通道的数据。
3.3 上位机数据保存
①写数据。在本设计中数据保存的格式是以日期和时间分钟为单位命名文件，写数据格式为：数据序列号+系统时间+数据。
②读数据。工业应用中，在数据保存入库后，还要方便查询，因此上位机中提供了数据查看器，可以方便查询所需要的数据：所有的数据按照时间先后依次排列。
4 调试结果
用示波器给下位机输入模拟信号，上位机链接成功，调节输入信号的频率；上位机选择单通道模式，并根据采样点调整面板采样点sampl的值。采1 000 Hz，20 Hz正弦波实时折线图，如图4、图5所示。
从测试结果来看，当正弦波频率超过1 300 Hz时，单通道模式下采样得到的数据波形有一点失真，当正弦波频率是1 000 Hz时，采样的波形几乎没有失真，从图4中，可以大约推算出ADC的采样频率。
上位机选择多通道模式，并根据采样点调整面板采样点sampl的值。采集250 Hz，200 Hz正弦波实时折线图如图6、图7所示。
从图中可以看出，多通道模式下，当正弦波频率大于 250 Hz时， 采样到的数据波形有失真，正弦波频率是200 Hz时，几乎没有失真。多通道数据采集的速率是单通道的七倍，测试结果与下位机采样频率一致。多通道模式对数据的采样率低，但是数据整体连续性好，不会让大范围的数据流失。
5 结 语
多路以太网数据采集系统的设计是基于STM32下位机采集七路模拟信号经过模数转换，然后通过以太网将数据发送至上位机，最终的测试结果很理想。本设计的核心在于数据的远程发送，对于嵌入式系统在以太网中的应用目前已经基本成熟，数据经以太网传输具备很大的优点，比如数据量大，速度快，安全等。本设计能成功的一个重要因素也在于uIP协议栈的推广，它是TCP/IP协议的精简版，也是缩小版，很容易应用到各种微型控制器中。
参考文献：
以太网控制系统 篇4
随着我国综合实力的增强和人们对文化艺术追求的热潮,规模多样的舞台日益涌现于各大城市之中。舞台升降台作为应用最广泛的舞台机械设备之一,可以快速迁换场景、制造舞美效果,具有满足剧目编导人员需求、随时改变舞台形式等作用[1]。
随着计算机技术的发展,以及液压传动、变频器、可编程控制器及现场总线等现代化技术的应用,舞台逐渐向自动化、智能化方向发展[2]。目前,国内舞台机械控制系统大量采用以PLC为核心控制器件[3],在自动控制系统组成模式方面多采取“上位机 + 可编程控制器 + 驱动单元”的方式; 国外多采取“上位机 + 服务器 + 轴控制器 + 驱动单元”的方式,如Waagner biro公司的AXIO Ⅱ轴控制器 系统和Parker公司的ACR9000系列轴控制器系统[4]。
现代舞台更侧重于艺术表现形式,需求舞台的表现形式也越来越丰富。同时对舞台控制系统的性能和操作要求越来越严格,除了基本的安全稳定,配合演出以及灯光背景的切换等,还要达到演出装置运行位置准确、快速响应性高等要求[5]。舞台控制系统作为舞台技术的核心,愈来愈成为行业内的研究热点。本研究根据设计要求开发一种既能满足舞台造型变化多样性、又具有可靠性和灵活性的舞台控制系统。
1设计要求及系统整体结构
舞台整体由升降台构成,中间N9和N10是旋转升降台,外围均布8个升降台,共计12个升降舞台( 舞台布局示意图如图1所示) 。每个升降台均可单独升降至指定高度,亦可以全部联动运行,形成特定的舞台形状。N9和N10可以在升降运动的同时进行旋转运动。升降台是链条式结构,一个电机拖动一个升降台。N9和N10的旋转运动分别通过两个额外的电机通过齿轮齿条结构实现。升降台的升降幅度为 - 2 m ~ 1. 5 m,其主要作用是将道具或演出人员运送至舞台面参与演出,以及使舞台呈现多样化的造型舞美效果。
控制系统结构如图2所示。其设计要求为在计算机的人机界面上对所有升降台的高度位置进行实时监控; 所有升降台均可以独立或联动运行至设定高度; 单升降台定位停车误差1 mm,多升降台联动定位停车误差2 mm之内; 保证所有升降台定位运动到同一高度时,整体形成一个平面,不会形成明显的阶梯平面。一般情况下,升降台面越多,越难以保证所有台面在同一高度平面[6]; 对舞台的控制精度要求非常高。如果有个别升降台面凸起或凹陷,舞台整体没有形成一个大平面,不仅在视觉上影响舞美效果,而且有可能会使演员演出时绊倒或磕脚,严重影响人身安全。
计算机端采用VC + + 6. 0软件设计开发控制系统人机界面,通过工业以太网通信方式控制PLC,不断地读取PLC采集的编码器脉冲计数值,并在界面上实时监控每个升降台的高度位置。采用以太网通讯的好处是传输数据量大,可以实现远距离控制; 甚至可以联网组成自动化网络[7]。
PLC作为控制系统的核心部分,具有编程简单、使用方便、可靠性高、抗干扰能力强等优点,适用于电气设备较多、电磁干扰强的舞台现场[8]。PLC采用欧姆龙CJ2M型CPU和CJ1W-CT021高速计数器单元,模块式结构易于扩展功能单元,也有利于维护方便性以及快速修复故障。CJ2M型CPU具有很高的速度和更大的容量,以及各种通信接口,内置标准Ethernet端口,选配RS485串口扩展单元。每个CT021能够监测2路编码器脉冲信号,共要6个。PLC通过RS485串行通信控制所有变频器,变频器输出驱动电机。编码器安装在电机变速箱输出轴上,通过PLC的计数器模块采集脉冲数值,反馈舞台的高度位置。
变频器采用的是EV100型变频器。实际的加减速时间 = 设定的加减速时间× ( 设定频率/最高频率) 。变频器默认最大频率是50 Hz,当设定频率等于最大频率时,实际加减速时间和设定的加减速时间一致。变频器接收到运行指令后,继电器输出控制电磁抱闸电路导通,解开电机刹车状态。因为舞台经常挂载灯光等设备,重量较重; 变频器启动加速时间过慢会导致电磁抱闸一打开,升降台因自重而下坠,带动电机反转可能会烧毁电机,影响演出安全。实际运行时升降台的速度不快,通过变频器的控制面板设定运行频率是25 Hz,加速时间2 s,减速时间1 s; 实际的加减速时间分别为1 s和0. 5 s。在升降台导轨的上下限物理位置安装行程开关,并连接到变频器输入控制端子,一旦升降台运行到限位位置时,变频器立即停机,起到硬件保护作用。
2系统通信控制方式
2. 1 上位计算机与 PLC 的通信
上位机采用VC + + 6. 0进行编程,通过Win Sock控件提供的方便途径,按照FINS协议格式与PLC进行网络通信。CJ2M单元标配Ethernet/IP开放式网络,可通过连接外部设备实现PLC间数据链接、PLC间报文通信及FTP传送等常规的以太网通信功能。FINS通信协议是欧姆龙公司为自己的自动化网络开发的,可以用于SYSMAC NET、Ethernet等网络及网络之间的通信。
在实际调试中发现,采用TCP协议可能会出现数据粘包现象,影响实时监控性能。UDP协议虽然是无连接的、不可靠的传输协议; 但是实时性较高。上位机使用UDP Socket向PLC发出FINS命令,需要对FINS报头信息解码以实现网络节点的寻址。FINS通信帧格式如图3所示。图3中,DA1 ( 目标节点号) 使用PLC的IP地址尾节; SA1( 源节点号) 使用计算机的IP地址尾节。SID是服务标志号,可以用来识别数据出自何处,响应帧会返回和命令帧同样的SID标志号。当VC + + 程序接收到返回数据,需要判断是哪条FINS指令的响应帧时,SID就非常有用[9]。
上位机的IP地址设置为192. 168. 0. 2,PLC的IP地址设置为192. 168. 0. 3,同时PLC的CPU节点号开关也必须设置为3。由于CT021计数器值32位( 2个字) 存储器位置不连续,需要通过梯形图程序将所有计数器值复制到一块连续的存储区域D100 ~ D124,方便一次性读取。上位机不断地定时发送FINS读取指令; 接收到响应帧后,进行数据提取处理,计算出每个升降台的高度位置,显示在人机界面上。VC + + 程序端读取计数器值的部分代码如下:
void Send Fins( char n)
{
SAFEARRAY * psa; / / 安全数组
SAFEARRAYBOUND rgsabound[1];
rgsabound[0]. l Lbound = 0;
switch( n)
{case 'a': / /读取编码器脉冲计数值
{/ /FINS报头结构
senddata[0]= 0x80; senddatabuf[1]= 0x00;
senddata [2]= 0x02; senddata [3]= 0x00;
senddatabuf[4]= 0x03; senddata [5]= 0x00;
senddata [6]= 0x00; senddatabuf[7]= 0x02;
senddata [8]= 0x00; senddata [9]= 0x00;
send_data_buf[10]= 0x01; send_data_buf[11]= 0x01; / / 命令码0101表示内存区读取
send_data_buf[12]= 0x82; / / PLC的D区代码( 0x82)
send_data_buf[13]= 0x00;
send_data_buf[14]= 0x64; send_data_buf[15]= 0x00; / / 起始地址D100
send_data_buf[16] = 0x00; send _ data _ buf[17] = 0x18; / / 读12路计数器的值( 每路2个字)
rgsabound[0]. c Elements = 18; / / 发送字节的数量,不同的命令字节数量不同
psa = SafeA rrayC reate( VT_UI1,1,rgsabound) ;
for( int len = 0; len < 18; len + + )
{ / /将需要发送的数据放入安全数组
SafeA rrayP utE lement( psa,&len,& send_data_buf[len]) ;
}
break;
}
case 'r': / / 将PLC状态切换成编程状态
{ ……
break;
}
……/ /其他FINS通信指令
VARIANT send_var;
send_var. vt = VT_ARRAY | VT_UI1;
send_var. parray = psa;
m_client1. Send Data ( send_var) ; / / 发送FINS指令
}
2. 2 PLC 与变频器的通信
PLC和变频器都安装在电器柜里,通信距离较近。PLC的CP1W-CIF12扩展串口单元提供隔离式的RS485通信,支持通信距离500 m。EV100变频器提供485通信端口,并可以通过按键面板设置本机地址和通讯波特率等参数。通信协议为Modbus-RTU,数据在串行异步通信过程中,是以报文形式,一帧一帧地发送。每帧之间至少要有3.5个字节的时间静默,才能保证每帧数据完整。
本研究在PLC的梯形图程序中使用无协议通讯的TXD指令,方便发送各种各样的协议指令。梯形图发送停机指令如图4所示。图4中,PLC判断3号升降台在上升时是否到达设定位置,当对应计数器值超过设定高度对应的脉冲数值时,发送指令控制3号升降台相对应的变频器停机。由于电机较多,如果同时启动,则电流冲击过大。而且在实际调试中发现,如果要同时发送几台变频器运行命令,串口发送的每帧通信时间间隔太短,导致有些通信帧解析错误,不能正确运行。通过延时发送运动指令,控制多台电机联动,不仅减轻了对供电线路的冲击压力,而且也保障了在视觉上不会出现明显的运动延时。
图 4 梯形图发送停机指令
RS485协议具有很强的抑制干扰的能力,适用于传输数据量不大的工业自动化控制网络[10,11]。EV100型变频器通信帧格式: 从机地址 + 操作命令码 + 数据 + CRC校验字。如,“0106100000014CCA”表示向从机地址为01H的变频器的内存地址1000H中写入0001H( 正转运行) ,4CCA是CRC校验码,变频器输出正转运行。再如“0006100000060CD9”,当从机地址为0时,即为广播通信地址,所有从机都会接受该帧,向变频器内存地址1000H中写入0006H( 自由停机) ,所有变频器输出自由停机。由于在PLC中计算CRC校验码比较麻烦,而且总共需要发送的命令数量有限; 为了优化程序速度, 笔者先将校验码计算后和命令码一起存入PLC数据存储区,发送时使用TXD指令指向相应地址处即可。
3系统控制流程与实现
上位计算机是通过FINS指令读/写PLC内存数据来达到控制PLC的目的。对CIO区写数据,一个升降台通过3个字来控制,第一个字为运动字,第二个和第三个字是设定脉冲计数值arrive Pulse。PLC控制逻辑流程图如图5所示。控制字表示对应变频器运行状态,0表示停机,1表示启动正转,2表示启动反转。写控制数据到CIO区的好处是CIO区数据不保存,而D区或H区数据保存; 系统异常断电后又恢复供电时需要保证舞台不会运动。系统控制逻辑主要放在PLC的梯形图里,因为PLC扫描周期时间很短,计数器值不用传送给上位机来判断是否到达设定位置,上位机软件端主要起监控作用。同时,上位机软件端有可能因为操作失误或系统崩溃等问题,导致舞台失控; 而PLC性能稳定,并且有故障保护措施。
设定脉冲计数值arrive Pulse = 上升或下降提前量 + 计数器初始值 + ( 指定高度 - 0平面高度) /单位脉冲对应高度值。当PLC在某一扫描周期中检测到计数器值达到或超过设定高度对应的脉冲数,立即发送停机指令。
每个升降台的传动链在理论上是一样的,但实际中单位脉冲对应高度值需要现场测试得出。变频器接收到停止指令后有一定的减速停机时间,停机位置超过设定值,需要通过提前量来修正。上升和下降过程的提前量是不一样的,每个升降台的提前量也是不一样的,需要通过现场测试计算得出。这种实际测试的方法简单,又能够提高电机停车定位精度。在变频器频率输出值固定并且负载不变的情况下,提前脉冲量是基本不变的,实际运行可以保证电机停车定位精度在1 mm之内。
高速计数器模块CT021采用循环计数模式,4倍差分相位输入。E6B2型编码器每转一圈产生2 000个脉冲,经4倍分频后识别为8 000个脉冲,大大提高了分辨率。高度位置和脉冲计数值一一对应,将高度位置以编码器脉冲计数值保存在PLC中,而不是上传保存在上位机中,有利于避免高度信息丢失。计数器断电或重启时会导致复位清零,需要保存计数值,在系统重新上电运行时,把上次保存的计数值加载,开始继续计数,才能保证高度信息不丢失。
CT021单元通电或重新启动时,闸门是关闭的,为使能计数脉冲,需要设定“开门”位为“1”,将闸门打开并开始计数。循环计数器模式满计数范围为32位,在0和计数上限之间的正计数值范围内进行增量或减量计数。计数器值超过最大计数值时会跳变为0,取中间值2 000 000 000作为计数器初始值便于计算。
自动运行操作界面如图6所示。系统的手动运行操作以及位置清零等其他功能的界面,在此不述。笔者使用VC + + 的MFC属性页编程实现的人机界面,在界面中选择要运行的升降台号码,勾选后控件颜色由绿色变成红色,在设定高度编辑框内输入高度数值,点击运行按钮后舞台自动运行至设定位置。界面左下部是为舞台中间的两个旋转升降台设置的独立操作按钮,舞台旋转的同时不影响升降。
在舞台演出过程中,切换造型的过程时间有可能比较短,为避免操作人员慌乱失误,本研究在程序界面上固化了9种最常用的造型模式,可以直接选择并运行,方便快速切换舞台造型。同时,为了实现舞台造型的多种多样,本研究将想要表演的舞台造型的高度位置保存成造型配置文件; 下次使用时通过导入模式按钮读 取该配置 文件,可以快速 实现该造 型模式。
4结束语
本研究设计了一种以RS485串行通信和以太网通信为基础的舞台控制系统。
实际调试并运行一段时间后,本研究验证了该系统功能达到既定目的,满足演出剧组的要求。PLC采集编码器计数器值并通过以太网传送给上位机,实时反馈高度位置。上位机可以控制升降台独立或联动运行至设定高度位置,并满足精度要求。系统控制停车的逻辑由PLC实现,可保证停车定位的精度; 并且提供优越的安全性和稳定性。人机界面提供固化的造型模式, 方便演出过程中操作人员快速切换常用舞台造型。
本研究主要采用通信控制方式,结构简单、经济成本低,适合于同步要求性不高,但定位精准度高的舞台。
摘要：针对舞台的位置监测实时性和升降定位的精确性问题,对上位机和PLC实时通信方式、FINS命令协议、变频器通信指令等方面进行了研究,设计并实现了一种以RS485串行通信和以太网通信为基础的舞台控制系统。以VC++6.0作为软件开发平台,运用Winsock控件技术,通过读取PLC采集的编码器脉冲数据来获得舞台的位置,通过串口通信模块发送指令到变频器来控制舞台升降台独立或联动升降运行,并提出了一种通过改写PLC内存数据来实现升降逻辑控制的方法。在实际调试阶段,提出了一种修正停车位置设定值的方法以提高升降舞台定位精度。实际运行结果表明,该系统满足设计要求,并且可靠性高、灵活性好、经济成本较低。
关键词：舞台,VC++,PLC,FINS,变频器,以太网,RS485
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以太网控制系统 篇5
can(controller area network)即控制器局域网，是国际上应用最广泛的现场总线之一。起先can-bus被设计作为汽车环境中的微控制器通讯，在车载的各电子控制装置(ecu)之间交换信息形成汽车电子控制网络。作为一种技术先进、可靠性高、功能完善、成本合理的远程网络通讯控制方式，can-bus已被广泛应用于各个自动化控制系统中。
从高速的网络到低价位的多路接线都可以使用can-bus。例如，在自动控制、智能大厦、电力系统、安防监控等各领域，can-bus都具有不可比拟的优越性。工业控制系统的分布化、智能化、信息化发展，要求企业从现场控制层到管理层实现全面无缝信息集成。工业以太网满足这一要求，实现了工业控制网络与企业信息网络的无缝连接，成为控制网络发展的主要方向，为全分散智能控制网络系统实现远程控制提供了可能[1]。本文作者主要介绍基于can总线与以太网互联的实时温度、湿度监控系统，从而实现监控设备的网络化和智能化。
1系统介绍
1.1can总线与互联网互联的发展状况can总线是一种有效支持分布式控制的串行通信网络，是德国bosch公司从20世纪80年代初为解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换而设计的一种串行数据通信协议，历经技术规范2.0a和2.0b后已形成can国际标准(iso11898)
。can遵循osi模型，按照osi基准模型，can机构分为2层：数据链路层和物理层。按照ieee802.2和802.3标准，数据链路层又划分为逻辑链路控制层(llc)和媒体访问控制层(mac)；物理层又划分为物理信令层(pls)、物理媒体附属装置层(pma)和媒体相关接口层(mdi)。由于can具有独特的优点，使得它在工业领域中得到广泛应用。
目前，基于can总线获得广泛应用的应用层协议有devicenet和canopen等。can具有以下主要特点[2]：
(1)can为多主工作方式，网络上任一节点均可在任意时刻主动地向网络上其他节点送信息，而不分主从；
(2)在报文标识符上，can上的节点分成不同的优先级，可满足不同的实时要求；
(3)can采用非破坏总线仲裁技术。当多个节点同时向总线发送信息出现冲突时，优先级较低的节点会主动地退出发送，而最高优先级的节点可不受影响地继续传输数据，从而大大节省了总线冲突仲裁时间；
(4)can节点只需通过对报文标识符滤波即可实现点对点、一对多点及全局广播几种方式传送接收数据；
(5)can报文采用短帧结构，传输时间短，受干扰概率低，保证了数据出错率极低；
(6)can节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能，以使总线上其他节点的操作不受影响。
现场总线网络与工业以太网的结合使得企业的管理可以深入到测控现场，在这种互联方式下，由以太网构建信息网，通过两者的有机联接，从而构成一个中型/大型的远程监控/数据传输网络[3]。
1.2系统架构系统由温度、湿度测控器、can以太网通信转换器、服务器和客户端组成，如图1所示。
温度、湿度测控器主要负责现场温度、湿度数据的采集、处理、控制、显示、报警以及通过can总线与通信转换器进行数据交换。
can、以太网通信转换器主要负责can总线数据的发送和接收，并将can的数据通过局域网发送到服务器上。
服务器负责监控结果数据的存储和报表的存储，同时，向客户端提供访问服务。
客户端通过浏览器上因特网访问服务器上的数据并进行通信和控制。
2硬件设计温度、湿度测控器主要分为数据采集、控制和can总线通讯3部分
温度、湿度测控器的温度、湿度传感器采用瑞士图2温度、湿度测控器的硬件框图fig.2structure of temperature and humidity controllersensirion公司的sht10，传感器包括1个电容式聚合体测湿元件和1个能隙式测温元件，并与1个14位a/d转换器以及串行接口电路在同一芯片上实现无缝连接。sht10具有超快响应、抗干扰能力强等优点。
每个sht10传感器都在极精确的湿度校验室中进行校准。校准系数以程序的形式储存在otp内存中，传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。两线制串行接口和内部基准电压，使系统集成变得简易快捷。温度、湿度测控器的mcu采用微芯公司的pic18f2580，它是整个温度、湿度测控器的运算控制单元，它采用16位的risc指令系统、哈佛总线结构、两级流水线取指等技术，具有32kb快闪存内存、4kb的ram、片内看门狗、内部eeprom、can控制器等丰富的片内资源，抗抗干扰性能强，功耗低，速度高[4]。pic18f2580主要负责数据采集与控制，并与通信转换层适配器进行实时can总线数据的通信。
can与以太网通信转换层硬件框图如图3所示，它的处理器采用nxp公司的arm7tdmi-s核的单片机lpc2378，是一款支持实时仿真和嵌入式跟踪的16/32位arm7tdmi-s cpu，处理器时钟高达72mhz。片内含有高达512kb的片内flash和58kb的片内sram存储器，具有强大的通信接口：10/100m以太网媒体访问控制器(mac)，2路can-bus接口。
增强型外设4个32位捕获/比较定时器、1个带有2kb电池sram的低功耗实时时钟、看门狗定时器和1个片内4mhz的rc振荡器。lpc2378的强大功能为can和以太网的通信转换带来了极大方便[5]。
3软件设计软件设计的对象主要包括3部分：温度、湿度测控器的检测控制和can通信，can以太网通信转换，b/s平台。
3.1温度、湿度测控器的软件设计温度、湿度测控器的软件流程
它主要包括初始化子程序、can数据的接收和发送程序、显示程序、键盘扫描程序、控制程序。can数据的接收和发送对实时性要求比较高，故采用中断方式进行处理。微处理器pic18f2580在程序开始首先要对can控制器模块进行初始化。主要通过测控器本身的地址标识的.读取来对can控制器的过滤器和屏蔽器进行配置。屏蔽器用于确定标识符中的哪一位被过滤器检查，这样，一旦1条有效的信息被信息缓冲器mab接收，信息的标识符区域将与过滤器值相比较，若相匹配，则信息将被装入接收缓冲器。微控制器收到can数据后，根据相应命令进行相应动作，如设置相应报警温度湿度、执行相应控制等，然后，做出相应的应答。
控制程序主要是通过串行接口对sht10进行数据读取，并把读取数据与设定数据进行比较，运用bang-bang控制通过驱动电路控制中央空调，使得房间保持一定的温度和湿度。3.2can与以太网通信转换软件设计3.2.1lpc2378的can控制器与can总线间的数据传输lpc2378的can控制器带有1个完整的发送和接收缓冲器串行接口，它是1个双重接收缓冲器，有了这个双重的接收缓冲器，芯片可以在对1个报文进行处理时，可接收另一个报文，但它不含有验收滤波器。验收滤波器是独立的器件，它对所有can通道进行can标识符过滤。
数据从can控制器发送到can总线由can控制器自动完成。发送程序采用中断方式，中断方式发送程序分为发送主程序和中断服务程序。主程序用于控制信息的发送，中断服务程序负责发送临时存储区中的暂存信息。中断流程图见图5。
μc/os-⑹且桓霭含时间管理、任务调度等基本功能的小型、轻量级的嵌入式实时操作系统的内核，而且lpc2378是基于armtdmi的arm的内核，其内核与存储器结构都很适合操作系统的运行[6]。
以太网控制器采用uc/ip的协议栈，主要使用tcp/ip协议。tcp/ip是面向连接的协议，它在2个tcp之间创建1条虚连接，tcp在运输层使用流量控制和差错控制机制来保证数据的可靠性[7]。tcp提供全双工服务，即数据可在同一时间双向流动。控制器作为客户端发起连接。通过tcp/ip数据的收发中断见图6。
对于tcp数据包，lcp2378取出数据，并存入数据区，对数据进行相应分析后，通过can控制器发到can总线上，对于从can总线上接收的数据，同样存入相应数据区，将数据按照tcp/ip进行封装发送。
图6与以太网通信的中断方式的数据收发fig.6 data exchange with ethernet through interruption4实验测试系统研制成功后，与多个带有32个节点can总线子网系统和以太网环境中进行测试。主要针对tcp/ip协议和can协议的数据通信实现对其性能和稳定性进行验证。图7所示为使用zlgcantest工具监测到的数据截图。
图7can总线数据截图fig.7 can field bus screenshot整个系统正式投入运行后，到目前为止已经投入运行半年时间，系统运行稳定，没有出现数据丢失或者由于总线冲突导致的节点自动脱离总线的现象。
5结论
(1)所设计的基于can总线与以太网互联的实时温度、湿度监控系统在某数据中心得到应用，系统中采用的底层使用can总线通信，中间层使用以太网通信，上层通过服务器与因特网连接，经过长时间的测试和运行，并与其他通信方式相比较，can总线通信方式稳定性良好，可靠性高。
(2)由于原数据中心测控装置分布较分散，房间数量多，导致房间温度、湿度控制不稳定甚至导致事故发生。采用该系统以后，不仅所有的房间温度、湿度可以乾地远程实时监控，而且整个测控系统的稳定性、准确性大大提高。
(3)实践证明，基于can总线与以太网互联的实时监控系统的系统是可行的，符合未来监控技术的发展趋势。另外，该系统也可以应用于其他需要实时监控的领域。
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以太网控制系统 篇6
关键词：以太网；分布式仿真；半实物仿真
中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）03-0478-02
1 前述
以太网是一种应用于计算机局域网的组网技术，也是当前应用作为普遍的局域网技术，可以在很大程度上，取代传统局域网标准。虽然目前的快速以太网（100BASE-T、1000BASE-T标准）为了最大程度的减少冲突，提高网络速度和使用效率，使用交换机来进行网络连接和组织，使得以太网的拓扑结构变成了星型，但是在逻辑上，以太网仍然使用总线型拓扑和CSMA/CD的总线争用技术。
2 分布式半实物仿真系统概述
分布式半实物仿真，是对分布式仿真和半实物仿真的统称，其系统是由两种仿真技术融合而成的。
系统整体可以分为两个部分：
2.1 分布式仿真
包括分布式协同仿真和分布式交互仿真等多种形式，以分布式交互仿真为例，是最近几年才发展起来的一种先进的仿真技术，是一种基于计算机网络的仿真，多用于军事领域，可以支持作战人员训练、战术演练以及武器准备论证等。可以将地理上分布的训练模拟器和参训人员合成为一个逻辑上的整体，在逼真的视景和操作模拟环境中，进行人机交互度很高的仿真实验和演练。
2.2 半实物仿真
半实物仿真是一种将控制器与在计算机上实现的控制对象的仿真模型联接在一起进行试验的仿真技术，是一种更接近实际的仿真试验技术，可以真实地反映控制器的动态特性、静态特性和非线性因素等。这种仿真技术可用于修改控制器设计、产品的修改定型、产品改型和出厂检验等。其基本特点在于：
①只能是实时仿真，即仿真模型的时间标尺和自然时间标尺相同；
②需要解决控制器与仿真计算机之间的接口问题；
③半实物仿真的实验结果比数学仿真更接近实际。
3 基于以太网的分布式半实物仿真系统的实现
需要特别说明的是，由于以太网自身传输协议的开销具有不确定性，其最大传输的延迟时间是不可预测的，因此，不能用于对帧时间要求比较苛刻（1毫秒左右）的大型复杂的分布式半实物仿真系统的设计和实现。这里针对的是对于帧时间要求相对低一些（5毫秒以上）的分布式半实物仿真系统的设计和实现，从以太网的两种模式进行对比分析。
3.1 TCP/IP模式
在该模式中，将规定的仿真计算机作为服务器，其它节点机作为客户机，利用服务器/客户机的模式进行系统构建。
首先，为了确保服务器与客户机之间的正常通讯，需要设立一个标志，对两者之间的连接、启动和结束情况进行全面反映。同时，设立一组服务器函数，对服务器进行创建和关系，向客户机发送启动或结束命令，以实现服务器与每一个客户机之间的通讯，对数据和信号进行发送和接收。
其次，系统中存在多个节点客户机，为了确保数据信息的共享和传输，实现客户机之间的通讯，设立了一组客户机通讯函数，供客户机使用。这些客户机通讯函数可以实现客户机与服务器的连接、关闭，数据的发送和接收，以及待机功能。
然后，为了保证系统的正常运行，需要拟定相应的控制算法，对服务器和客户机进行控制。对于服务器而言，控制算法的主要功能在于对启动命令的发送、对客户机启动回馈信息的等待、对相关数据信息的发送和接受、对结束指令的发送以及对关闭连接顺序的调整等。其控制算法如下：
①对本机节点号ID进行设置；
②将本机设置为系统服务器；
③等待所有客户机连接；
④向所有客户机发送启动命令；
⑤等待每个客户机的已启动回应；
⑥向客户机发送数据；
⑦从客户机接收数据；
⑧如达到结束时间，转⑨，否则转⑥；
⑨发结束指令；
⑩关闭连接。
对于客户机而言，控制算法规定了客户机与服务器的连接，对服务器启动命令的接收，对启动回应信号的发送，对数据的接收，以及关闭连接的顺序。
3.2 UPD模式
基于UPD模式的系统实现，与TCP/IP模式相比，较为简单，节点机可以共用一组基于UPD的通讯函数以及一个通讯控制算法。UPD通讯函数的主要功能，在于实现不同节点机之间的相互连接，其主要内容包括创建Socket，实现Socket与本地IP地址以及指定端口号的绑定，对数据进行发送、接收和关闭Socket等。而通讯控制算法的作用，在于对各个节点机的UPD通讯进行协调和控制。算法规定了UPD通讯函数主要内容的执行顺序，从而确保系统通讯的正常有效进行。
3.3 对比分析
3.3.1 TCP/IP模式
在该模式中，要确保系统的正常运行，首先必须在服务器和每一个客户机之间建立其稳定可靠的连接，这样才能保证数据传输的顺利进行。相比于UPD模式而言，更加复杂，工作量也更大，数据传输的速度相对较低。因此，TCP/IP模式往往只适用于对于数据传输可靠性要求极高，且系统的帧时间较大的分布式半实物仿真系统，存在一定的局限性。
3.3.2 UPD模式
UPD模式相比于TCP/IP模式而言，只需要将Socket与本地IP地址以及指定端口号绑定，就可以直接进行数据的传输和接收，控制算法相对简单，而且数据传输速度较高。但是相对来说，数据传输的可靠性较差，在传输过程中可能出现数据的损坏或丢失现象。因此，在实际应用中，需要采取相应的方法和措施进行进一步处理，以确保数据传输的可靠性。UPD模式适用于对数据传输可靠性要求较低，系统的帧时间相对较小的分布式半实物仿真系统。
3.4 问题及解决
3.4.1 数据丢失问题
基于以太网的分布式仿真系统中，由于节点众多，如果在节点采用各自的定时器，就会造成系统在时间上的不同步，引发数据丢失问题。对于这种情况，一方面，可以采用终端方式，像某个节点发送数据后，将节点中断，使得其可以在中断处理程序中对数据进行接收；另一方面，可以将服务器的时间作为标准时间，在发送数据的同时，发送帧时间数据，其他节点定时接收仿真计算机数据。如果帧数据出现变动，则可以正常使用，反之，则将其丢弃。
3.4.2 死锁问题
主要是针对TCP/IP模式而言。在该模式中，采用阻塞方式接收数据，如果没有收到数据，则函数会一直处于等待接收的状态，产生死锁。对于这种情况，可以采用交替方式实现服务器与客户机的数据传输，代替成对出现的方式。
4 结束语
总之，在当前的信息时代，基于以太网的分布式半实物仿真系统的用途是十分广泛的，对于多个领域都有着十分重要的作用。因此，相关技术人员在对系统进行构建时，需要全面考虑，切实保证系统的可靠性和有效性。
参考文献：
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以太网控制系统 篇7
基于以太网的通讯系统已经成为工业自动化技术的发展趋势。其更快的通讯性能可以获得更短、更紧凑的控制循环,更好的和更高的产品品质。Ether CAT(Ethernet for Control Automation Technology)技术于2003年由德国BECKHOFF自动化公司提出,2007年12月被国际电工委员会制定为IEC61158-12(Type12)国际标准,并在短短几年内获得了巨大的发展。其更高的性能,更低的成本,灵活的拓扑结构,使得Ether CAT技术在工厂自动化和流程自动化领域都得到了广泛应用。
北京和利时电机技术有限公司和北京航空航天大学用Ether CAT通信实现现场设备层数据通信,开发出DCS(Distributed Control System,集散型控制系统)系统设备层现场总线,可以大幅度提高DCS系统设备层现场总线的数据传输能力,并设计了一套实例系统。
1 Ether CAT技术
Ether CAT使用主从模式介质访问机制(MAC Media Access Control),主站发送以太网帧到各从站,数据帧遍历所有的从站设备,如图1所示。从站并不是存储数据包之后再进行处理,而是在数据帧传输的过程中从数据帧中抽取数据或将数据插入数据帧,同时将数据帧传输到下一个Ether CAT从站。最后一个Ether CAT从站发回经过完全处理的数据帧,并由第一个从站作为响应报文发送给控制单元。整个过程只有几纳秒的延迟。
Ether CAT数据直接使用以太网数据帧传输,数据帧使用以太类型0x88A4,也可以用UDP/IP协议格式数据传输Ether CAT数据,使用UDP端口0x88A4。Ether CAT数据包括2个字节的数据头和44~1498字节的数据。数据区由一个或多个Ether CAT子报文组成,报文结构如图2所示。
每个子报文对应独立的设备或从站存储区域,包括子报文头、数据域和相应的工作计数器(WKC,Working Counter)。子报文结构如图3所示。子报文结构定义如表1所示。
Ether CAT主站可由PC计算机或者其它嵌入式计算机实现,使用PC计算机构成Ether CAT主站时,通常用标准的以太网网卡NIC(Network Interface Card)作为主站硬件接口。主站功能一般由软件实现。从站使用专门的Ether CAT从站控制器ESC(Ether CAT Slave Controller)。借助于从站中的Ether CAT专用芯片和主站中读取网卡数据的DMA(Direct Memory Access,直接存储器访问)技术,整个协议处理过程都在硬件中进行。Ether CAT主站最多可以在30μs内刷新1000个I/O点,可以在300μs内交换一帧多达1486个字节的协议数据,这相当于12000个数据量的输入输出。控制100个输入输出数据均为8字节的伺服轴只需用100μs。Ether CAT的数据帧处理机制允许在Et Ether CAT网段内的任一位置使用分支结构,同时不打破逻辑环路。分支结构可以构成各种物理拓扑,如线型、树型、星型、菊花链型,以及各种拓扑结构的组合。
Ether CAT物理层使用标准的以太网物理层器件,如100BASE-TX双绞线,100BASE-FX光纤或LVDS(Low Voltage Differen-Tial Signaling,低压差分信号传输)。使用100BASE-TX电缆时站间距离可以达到100米,而LVDS的物理层只能保障10米的传输间距。整个网络最多可以连接65535台设备,可以认为网络的容量是无限的。
2 基于Ether CAT的DCS演示系统设计
该DCS遵循经典DCS的硬件体系结构,分为中央控制器、主控制器单元和输入输出设备三层硬件网络。其中,中央控制器作为人机接口(Human Machine Interface,HMI)设备,可以管理和操作整个控制系统;主控制器单元(Main Control Unit,MCU)包括了Ether CAT主站功能,向输入输出设备发送控制指令、采集现场数据并与中央控制器进行数据交换;输入输出设备,即Ether CAT从站,分别具有控制不同现场设备的能力,包括I/O开关量控制、伺服电机控制和模拟量输入输出控制。中央控制器与主控制器单元间的系统网络层通过标准以太网Ethernet完成通信,实现面向DCS的集成要求;主控制器单元与现场的输入输出设备间的现场设备层采用Ether CAT总线技术,可以进行具有实时处理性能的高速大容量通信控制。
2.1 主控制器(Ether CAT主站)
主控制器单元是现场控制站的中央处理单元,实现演示系统中Ether CAT的主站功能。主控制器使用嵌入式计算机P C M-3 3 5 3采用LX800/500MHz处理器,拥有512 MB内存空间,承担输入输出设备的控制逻辑运算等任务。主站功能完全由软件实现。其主要任务有:
1)控制任务:主要实现用户程序功能,完成用户规定的功能,输入初始化时需要设置的设备参数,输入控制数据,进行实时控制。并且输出设备的状态数据,返回设备运行结果;
2)设备描述:用XML语言描述的从站设备运行环境,比如从站是以微处理器方式还是以I/O方式等,以及系统配置;
3)系统配置工具:调用设备描述,生成过程映像区描述的XML文件,以供给控制任务调用。并且生成网络描述文件,发送给主站硬件。
2.2 输入输出设备(Ether CAT从站)
输入输出设备完成现场数据的采集和输出现场的控制信号,实现Ether CAT总线内从站与主控制器单元的通信。
从站控制器ESC(Ether CAT Slave Controller)使用BECKHOFF公司开发的ASC从站控制专用芯片ET1100。输入输出设备使用了两种ESC工作方式,分别是I/0方式和微处理器方式,可以根据实际需要设计从站设备。如图5所示从站硬件原理图。I/O方式不需要接入微处理器,ESC控制器直接与I/O端子相连,I/O数据直接映射到ESC的内存空间,刷新速度非常快。分段伺服电机控制从站采用微处理器方式,由单片机通信驱动程序操纵ESC器件实现从站通信功能,由单片机应用程序同时控制两台伺服电机完成定位功能。分段模拟量输入输出从站样机硬件原理及实物与伺服电机控制从站相同,采用微处理器方式,由单片机应用程序控制AD接口及DA外围器件完成模拟信号的输入输出,实现控制模拟量输入输出设备。
2.3 中央控制器
中央控制器涵盖了演示、计算、显示和发送控制数据等功能。DCS演示系统包括I/O从站、伺服电机控制从站和模拟量输入输出从站各1台,其显示窗口如图6所示。
I/O从站显示窗口完成8位数字量输出控制以及8位数字量输入显示。伺服电机控制从站窗口完成对两台伺服电机的定位控制。窗口显示电机当前位置及电机在位、报警状态。模拟量输入输出从站窗口显示了现场设备的模拟量输入值。
3 结束语
近年来随着工业通讯控制技术的不断发展,Ether CAT已逐渐成为工业以太网技术的主流。该DCS实例系统的设备层现场总线选择了Ether CAT工业以太网现场总线技术,开发了以太网主、从站通信驱动程序,自主开发和研究了软、硬件技术,提升了DCS系统水平。
参考文献
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[5]刘艳强,王健,单春荣.基于EtherCAT的多轴运动控制器研究[J].制造技术与机床,2008,6:100-103.
基于以太网的控制器冗余系统设计 篇8
在工业自动化领域中,大型化工、石化、冶金、电力等企业,对控制系统长期有效、可靠运行有着特殊的要求。冗余作为重要的容错技术之一,是提高整机以及系统可靠性的一种重要设计技术。由于控制器是控制系统的核心,因此控制器实现冗余对于控制系统的高可靠性有着重要作用[1]。
随着工业自动化的高速发展,控制系统向着高度自动化和智能化方向的转变,多传感器以及摄像头的接入,控制系统对数据的处理量越来越大,控制系统对于控制网络的传输带宽以及传输速度要求越来越高。以太网作为目前使用最广泛的局域网技术,它在数据传输能力方面具有独特的优势。对基于以太网的控制器冗余系统设计的研究,旨在设计出一种使用以太网技术的控制器冗余解决方案。该系统使用双控制器进行控制,通过以太网进行数据传输,其工作可靠性高,数据传输能力强。
1 以太网用于工业控制系统的优势
以太网技术具有价格低廉、稳定可靠、通信速率高、软硬件产品丰富、应用广泛以及支持技术成熟等优点,已成为最受欢迎的通信网络之一。将以太网技术应用于工业自动化领域构成的工业控制以太网,简称工业以太网或以太网现场总线,是当前工业控制领域的一个重要发展方向。与传统技术相比,工业以太网具有具有以下优点[2]:
1)传输速度快,数据包容量大,传输距离长,传输效率高;
2)使用通用以太网元器件,性能价格比高;
3)以太网是全开放、全数字化的网络,遵照网络协议不同厂商的设备可以很容易实现互联;
4)以太网能实现控制网络与企业信息网络的无缝连接,形成企业级管控一体化的全开放网络。
2 系统组成
基于以太网的主控制器冗余系统是由2台控制器、1台交换机、若干现场控制单元组成[3],其系统结构如图1所示。本设计方案重点实现了控制器冗余,对交换机部分的冗余不作研究。控制器采用双控制器的冗余设计,两个控制器同时运行,互为热备份。两台控制器作为一个整体共同执行系统的控制命令,其中一台为主控制器,一台为备用控制器[4]。双控制器经过协商处理,通过交换机向现场控制单元发送控制信息,从而完成对多个现场控制单元的控制。
在系统工作过程中,控制器的主从模式可以切换,正常状态下通过输入操作来确定谁为主控制器,同一时刻只有主控制器进行逻辑运算,对现场控制单元发送控制命令。两个控制器相互监视对方以及现场控制器的运行情况。当其中一个控制器出现故障或由于维修原因退出,不能支持系统正常工作时,另一个控制器能及时检测到当前的状态,在不需要人工干预的情况下切入单控制器模式,继续当前状态完成工作的接管,从而完成整个工作流程。
3 控制器冗余系统设计方案
3.1 控制器冗余系统通信结构
在系统工作过程中,两个控制器之间,以及两个控制器与现场控制单元之间的通信结构如图2所示。两个控制器通过网络1使用UDP/IP协议进行通信,它们之间相互发送“心跳包”,心跳包为以太网数据包,它的作用是监测控制器故障以及同步两个控制器的状态,保持两个控制器协调工作。心跳包数据帧的结构如表1所示,心跳数据包包括普通的以太网头,以及控制器工作过程中的状态数据,其状态数据描述如表2所示。
在两个控制器都处于正常状态时,两个控制器都能通过网络1接收到来自对方的心跳数据,从而确定对方处于正常状态,此时系统正常工作。当其中一个控制器出现故障或处于维修状态时,控制器接收不到来自对方的心跳数据,两控制器之间失去联系。若主控制器出现故障,备用控制器自动升为主控制器,获取现场控制单元的控制权限,根据现在的工作状态继续完成对现场控制单元的操作,并报警“控制器故障”提醒操作人员及时维修出现故障的控制器。若备用控制器出现故障,主控制器继续保持主用,同时也报警“控制器故障”。
控制器通过交换机经过网络2或网络3使用UDP/IP协议向现场控制单元收发“控制数据包”,控制数据包也为以太网包[2]。控制器通过控制数据包向现场控制单元发送控制命令,并完成对现场控制单元状态的扫描。控制数据包数据帧的结构如图3所示,每个控制数据包包括普通以太网头、控制数据包头以及控制单元数据。数据区由一个或多个控制单元数据组成,每个控制单元数据由控制单元状态、控制信息长度以及控制数据组成,它们对应独立的现场控制单元。
现场控制单元接收到控制数据包后,根据数据包中的控制数据完成相应的控制命令,并把控制单元状态的值由初值0改为1,再把数据包发送给双控制器,控制器对返回的数据包进行扫描,主控制器根据控制单元状态值来确定现场控制单元是否正常工作,备用控制器对控制单元状态进行备份。
3.2 控制器软件工作流程
控制器软件是构建控制器冗余系统的核心,实现对整个系统工作状态的监测、心跳信息的收发、逻辑运算、故障响应和向现场控制单元发送控制命令等功能[4]。控制器软件由冗余部分程序段和非冗余部分程序段组成,非冗余部分程序段主要包括心跳发送、状态监测、故障响应和界面显示,冗余部分程序段主要包括逻辑运算和控制命令发送。在两个控制器都正常工作时,两个控制器独立运行,通过输入操作来确定主控制器,主控制器执行冗余部分程序段和非冗余部分程序段组成的全部程序段,备用控制器只执行非冗余部分程序段,跳过冗余部分程序段。控制器软件的内部运行过程如图4所示。
3.3 故障分析及响应
控制器冗余系统在工作过程中可能会出现设备故障以及网络通信故障,设备故障包括控制器故障和现场控制单元故障,网络故障包括心跳网络故障和控制器与现场控制单元连接网络故障。以上故障都会影响系统的正常运转,控制系统需要及时对系统运行状态和异常情况作出判断,根据判断的故障类型进行响应及故障报警,保证控制系统能够继续工作,并为系统的故障恢复提供依据,提高系统的稳定性与可靠性[5]。
对于如图2所示的控制器冗余通信结构,判断故障的依据主要为心跳包的接收,以及对控制数据包中控制单元状态的扫描。心跳包接收出现异常对应的故障可能为控制器故障或心跳网络1故障,控制单元状态扫描出现异常对应的故障可能为现场控制单元故障、网络2故障、网络3故障或网络4故障。
在控制系统工作时,若不能对出现的异常情况正确的判断故障原因,就会造成双控制器争夺系统的控制权限,导致双控制器都不能正常的工作,或者系统出现逻辑操作异常,造成控制信息发送混乱。下面对系统出现故障时,心跳包接收异常和控制单元状态扫描异常两种异常情况进行分析,判断故障原因以及进行相应的响应。
1)心跳包接收异常
心跳包接收异常可能出现的故障为控制器故障或心跳网络1故障。在心跳包接收异常时,通过双控制器与交换机连接的网络2和网络3所构成的网络通道发送心跳确认包,来确认对方控制器能不能正常工作。若确认对方控制器能正常工作,则说明是心跳网络1出现故障,反之则是对方控制器故障。
在心跳包接收正常的情况下,两控制器通过心跳包中的状态数据获取对方的工作状态,通过输入操作来确定主控制器,主备控制器同步协调工作。在心跳包接收异常的情况下,双控制器通过另一条网络通道来判断故障原因。若故障原因为心跳网络1故障,则保持原来的主备关系,防止操作混乱禁用备用控制器,进入单控制器模式,同时报警“网络1故障”。若故障原因为控制器故障,则处于正常状态的控制器接管系统的控制权限,进入单控制器模式,同时报警“控制器故障”。
2)控制单元状态扫描异常
控制单元状态扫描异常可能出现的故障为现场控制单元故障、网络2故障、网络3故障或网络4故障。在主控制器对控制单元状态扫描异常时,通过备用控制器对控制单元经行状态扫描。若备用控制器扫描结果显示正常,则说明是主控制器与交换机连接的网络(网络2或网络3)出现故障,对此故障的响应为禁用主控制器,备用控制器升为主用,接管系统的控制权限,同时报警“网络2或网络3故障”。若备用控制器扫描结果也显示异常,此时再通过双控制器与交换机连接的网络2和网络3所构成的网络通道发送心跳确认包,来确认该通道是否正常。若确认通道正常,则说明是控制单元故障或网络4故障,对此故障的响应为保持双控制器的工作状态,禁用双控制器的控制权限,同时报警“现场控制单元或网络4故障”。若确认通道异常,则说明网络2与网络3同时故障,对此故障的响应为,保持双控制器的工作状态,禁用双控制器的控制权限,同时报警“网络2与网络3故障”,提醒维修人员及时维修,维修后可以继续当前的工作状态进行工作。
4 结束语
该系统采用双控制器的冗余控制,双控制器通过交换机向现场控制单元发送控制命令并进行状态扫描,主备控制器之间以及控制器与现场控制单元之间都通过以太网进行通信。在此基础上针对主备控制器之间心跳异常、控制单元状态扫描异常两种异常情况,控制器增加了故障分析以及响应,提高了系统控制的可靠性。整个系统相比传统的控制系统,在可靠性以及通信能力方面具备了更加优异的性能。
摘要：随着工业自动化的高速发展,控制器的可靠性以及传输能力成为亟待提升的关键技术。将以太网技术引入工业控制系统,提出了一种基于以太网的控制器冗余系统的设计方案。介绍了该系统的组成,以此为基础研究设计了控制器冗余系统的通信结构,并对控制器软件的工作流程进行了详细说明,最后对工作过程中可能出现的两种异常情况进行了故障分析及系统响应。
关键词：以太网控制器,控制器冗余,心跳,状态扫描
参考文献
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[4]王飞,曹桂均.双机热备系统心跳失效的防护方案[J].铁路计算机应用,2013,03:35-37.
以太网控制系统 篇9
污水处理厂的自动控制系统目前已经取得了好的效果, 基于可编程逻辑控制器 (PLC) 的分布形式来控制整个净化系统和数据采集系统, 还包括一部分视频监控。分布式管理控制层主要是基于工业以太网对于控制系统管理过程中的各个环节的智能处理, 对于污水处理的各阶段都要安装监控, 并且存储和分析各种数据, 控制层主要由PLC或计算机自动控制装置来对污水处理的工艺流程进行调整, 而在常规控制的基础上, 提供智能控制仪可以分析的数据流, SCADA系统和网络现场检测数据的收集过程, 以及数据通信都要采用标准100Mbps的工业以太环网络。
1 污水处理控制系统的基本结构
污水处理控制系统具有监控功能、控制生产过程功能和数据处理功能, 工业以太网强大的编程的通信能力对于污水处理运行阶段的管理十分到位, 同时也为技术的研究和升级奠定了坚实的基础。鉴于增加设备需要长期应用于污水处理厂的整个工艺流程, 所以自动控制设备和通信系统的网络管理计算机等相关硬件要尽可能选择更加先进的设备。
根据污水处理系统的工艺流程来看, 污水处理的自动控制系统的预处理主要对污泥的生物处理, 同时净化生活污水和雨水, 对污泥硝化且干燥处理。这些过程可以通过自动化系统的中央预处理系统、生物处理系统、污泥处理系统和雨水处理系统等四组不同大小的控制站 (PLC控制子站) 完成, 污泥硝化和干燥系统为中心的控制系统, 这些设备的操作控制和采集的参数都在工业以太网的控制范围内, 进而分别负责各控制站的工作。
主干网络采用多模光纤百兆环网单向独立的形式, 即每个站点由网络中的冗余计算机来控制工业以太环网的开关。该网络层的功能冗余网络, 当故障发生在一个网络中的网络渠道上时, 新的拓扑300ms网络结构和总线型网络的形成逻辑关系将会保证系统的正常运行, 从而保持住网络拓扑的结构, 形成一层冗余网络。在出现故障的情况下在网络上关闭不正常的结构, 出现故障的开关在连接设备时不可与其他通信的开关连接。在污水处理厂自动控制系统的设计中, 每个处理区相对独立, 每个开关系统由以太网连接, 相互之间的通信由PLC控制变电站, 因此, 某个开关的故障不会影响其他系统, 操作开关上信息只是暂时的, 不影响系统的经济性与合理性。智能电表对这部分数据的采集进行监控, 通过RS-232串口服务器的网络接口模块和HDRS系统进行远程传输, 再由以太网传输数据到监测中心区域。
2 污水处理工业以太网控制系统特点的基础
(1) 污水处理控制系统通过以太网保证网络传输系统, 用于实时控制的网络传输延迟, 冲突检测的介质访问机制保证传输时间, 这些都可以通过工业以太网来实现。
(2) 平面环形冗余保证系统的可靠性, 随着以太网交换技术的发展, 可以创建一个网络冗余, 从而降低了双冗余总线集中风险。降低成本并确保光纤环响应时间小于300ms, 数据不会丢失。更新千兆以太网络一般不需要改变其他网络设备。
(3) 污水处理控制系统的以太网要有良好的可扩展性和通用性。网络能力允许条件下可以直接在网络领域加强ERP的推广和污水处理生产水平, 计算机网络管理系统可直接通过互联网处理实时数据。
(4) 污水处理信息通过传输平台云镜头控制站设置输出视频信号, 再将视频编码器和一个控制信号压缩成数字多媒体信号, 转换成符合标准的H.323网络接入工业以太网, 通过服务器和视频解码器上实现远程视频监视和记录在监控终端的控制台进行远程控制。
(5) 使用端口聚合 (支撑) 环网交换机连接到监控中心。大幅度降低处理成本, 确保现场数据传输的稳定性。服务器通过一系列数据采集现场设备的智能化仪表和以太网络 (RS-485/422接口) 相连。
3 结语
基于工业以太网的污水处理控制系统的方案分布式监控系统已成功地用于各项生产活动中, 工业以太网的广泛应用也是自动控制的发展趋势, 一般来说, 开放高速工业以太网的可靠性很高, 可以有效解决数据传输率低的问题。控制现场总线来完成相应功能, 同时通过串口服务器接入设备完善总线网络, 污水处理控制系统的视频系统也纳入到工业以太网的管理范围内, 大大降低经济成本, 而且还充分利用了高带宽的工业以太网。整个社会的自动化水平正在提高, 多网络概念也逐渐得到推广, 建设大中型工业以太网技术的控制系统, 成熟、可靠、低成本的优势成为自动化系统的中心技术。
摘要：污水处理控制系统在运行过程中可能会出现一些小的问题, 这些都会影响水体净化的效果, 因此我们考虑可以将工业以太网络技术引入污水处理控制系统中。工业以太网的分布形式常常以嵌入式控制系统为主, 它具有明显的分散性、实时性和可靠性高等特点, 工业以太网的开放性和互操作性, 以及数据视频在多系统网络中的应用等特点也代表了以太网技术和工业控制相结合的新发展方向, 可以广泛应用于污水处理控制系统当中。
关键词：以太网,污水处理控制,智能系统
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以太网控制系统 篇10
随着工业生产现场控制对象的增多、数据量的增大、数据实时性和可靠性要求的不断提高，设计高效、可靠的冗余控制系统具有重要的实际意义。冗余控制是一种可满足实时不间断控制、提高系统可用性的有效手段，使用冗余系统可以有效地保证控制系统的安全运行，是提高整机及系统可靠性的一种重要设计技术，特别是对于要求不停机维修的控制系统或设备和有高可靠性、长寿命要求的大、中型设备。由于数据的处理集中于控制器中，因此本文采用了热备硬件控制器基于RTnet实时以太网完成任务、IEC程序、数据、时钟同步和软件冗余程序设计PAS200控制系统冗余。主控制器采用AMD Geode LX Processor高性能、低功耗嵌入式专用处理器，Linux+RTAI+RTnet的实时平台方案。专用实时操作系统虽可满足广泛的实时系统需求，但应用开发环境缺乏、价格昂贵，而基于Linux开发的RTAI是一个开放的、标准的、高效廉价的实时系统，在此基础上，利用RTnet构建实时网络。
1 系统整体架构
PAS200控制系统由控制网络、控制器模块和I/O模块构成，如图1系统结构图所示。工程师站软件组态后通过控制网络将组态的相关信息下载到控制器，控制器运行时加载组态内容。操作站通过控制网络获取连接在各个I/O模块上装置的运行情况，实时监测并进行现场报警。PAS200控制系统冗余的核心部件是控制器模块。控制器采用模块化架构，由电源、控制器、通信卡等构成。对下，通过两路冗余的RS485总线和I/O模块进行数据通信；对上，通过两路冗余的高速以太网实现数据传输。控制器之间通过背板总线进行冗余数据的交换。正常情况下，主控制器和从控制器同步刷新输入数据、执行程序。但只有主控制器进行输出I/O设备的控制。从控制器不断地监测主控制器状态。如果主控制器出现故障，从控制器立即接管对输出I/O的控制，从而实现对系统的冗余控制。
2 系统硬件设计
PAS200冗余控制系统中控制器硬件由电源卡件、控制器卡件、通信卡件、底座等4部分组成。其中，控制器卡件架构如图2所示，其采用AMD Geode LX Processor高性能、低功耗嵌入式专用处理器，主频500MHz，在板包含DMA控制器、中断控制器、定时器、实时时钟、256MDDR内存。外部接口有2个串口、3个10/100M自适应网口。其设计充分考虑了恶劣环境下的应用，采取了多种措施，确保系统在各种应用环境中均能稳定、可靠、高效的运行。它采用工业级器件，高智能布线系统，运用防静电及抗干扰电路，尽可能的降低了功耗，提高了可靠性及宽温操作能力。
3 控制器冗余
3.1 主从冗余分配
PAS200冗余控制系统中的冗余控制器包括一个主控制器和一个从控制器。主从控制器角色的分配按控制器冗余上电启动两种可能出现的情况进行。
一种是两个系统同时上电；在上电后，两个系统将通过同步通道发送信息来相互检测。在一个可配置的时间内一个系统检测到另一个系统，另一个系统回复并且在各自的日期和IEC程序的有效性的基础上，两个系统将协商他们的角色（主或从）。协商首先是根据操作站的联机信息进行主从分配，失败之后再根据自定义条件进行分配。如果必要会建立一个从主系统到从系统的IEC程序同步。然后，两个系统将运行此IEC程序。
另一种是一个系统正在运行且另一个系统上电，此情况出现在一个系统掉电并重启的时候。当前，一个系统运行在独立模式且另一个系统上电。已经在运行中的系统成为主系统，上电系统将与主系统程序同步并成为从系统。主系统将在两个任务执行间隙短暂停止，与从系统同步数据。然后，两个系统都执行IEC程序同步。
3.2 主从冗余实时通道
PAS200冗余控制系统中的两个控制器都基于Linux+RTAI+RTnet软件平台运行实时系统，并且通过一个实时同步通道同步。实时同步通道基于RTnet实时以太网实现。RTnet是一个基于RTAI的实时网络子系统，其利用标准以太网的硬件设备，支持常用的网络接口控制芯片组，实现了时间确定性的UDP/IP、ICMP和ARP协议,为实时系统的开发提供了一个稳定、实时性高的软件开发平台。这样，通过RTAI及其之上的RTnet就构建了一个实时通道在主从进行数据传输。
两个完全相同的控制器并行运行，假设一个系统出现故障，那么另一个系统可以接管，接管使得两个系统紧密的同步在一起。
另一个通信通道用于同步实时系统间的时钟源，使两个系统上的调度程序可以选择相同的任务来运行。
3.3 主从冗余同步
冗余控制器同步按内容主要划分为任务同步、IEC程序同步、数据同步、时钟同步、RS485通信同步几大部分。其中，任务同步是由主系统的调度程序开始，任务号和全局变量数据发送到从系统；从系统响应一条回复信息；当一个任务完成后，第二个任务同步开始执行。而在RS485通信同步点主系统和从系统都需等待他们的触发信息，此触发信息来自在达到同步点后的主系统。当从系统达到RS485通信同步点后，如果不能收到来自主系统的同步信息，从系统将检测系统状态是否发生变化，如果系统状态未发生变化则报错。当主系统达到RS485通信同步点后，如果不能收到来自从系统的同步信息，主系统记录错误并正常通信。
4 RS485通信冗余
控制器通信扩展卡上有两路RS485通信，系统启动阶段通过诊断获取两路RS485通信状态。如果主控制器上两路RS485均能正常通信。主控制器则选择其中一路RS485作为通信链路，另一路RS485作为诊断链路；从控制器两路RS485都进行监听。如果主控制器上一路RS485能正常通信，另一路RS485不能正常通信。主控制器以能正常通信的那路RS485作为通信链路；从控制器两路RS485都进行监听。如果主控制器上两路RS485均不能正常通信，且从控制器上RS485能正常通信，则主从控制器进行切换。
运行阶段，如果主控制器两路RS485通信正常工作，从控制器两路RS485通信就监听。如果主控制器通信链路失败且另一路诊断成功，则切换诊断为通信链路。如果主控制器通信链路失败，另一路诊断失败，且从控制器监听成功，则主从切换。
5 结束语
文中，根据工业自动化对控制系统可靠性、稳定性的实际需求，设计了以RS485总线通信为基础的PAS200冗余控制系统。实际测试结果表明所设计冗余控制系统不仅灵活地支持多种冗余链路，且具有较高的可靠性及稳定性，特别适用于工业自动化领域的控制应用。
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以太网控制系统 篇11
AX88783是一款双端口以太网络交换器，第3个端口为Non-PCI/SRAM-like主机接口。AX88742也是一款双端口以太网络交换器，但第3个端口则为32-bit/33MHz PCI主机接口。内建的第2层交换器支持non-blocking线速封包转送，还提供进阶的交换器规格，包括tag/port-based虚拟局域网络、spanning tree、服务品质优先级管理、流量控制、port security、port mirroring、IGMP snooping及MIB计数器。新款芯片瞄准高效能嵌入式系统的应用，需要利用双端口以太网络分别连接至局域网络及广域网络。另外，AX88742/AX88783支持HP Auto-MDIX，该性能可以将直接或交叉的电缆连接到设备上，免除终端用户推测的困扰。
AX88742/AX88783适用于现有及新兴的双端口以太网络应用，如VoIP电话/ATA转换器、网络摄影机、新一代 IP机上盒/IP电视、工业控制器/网络传感器、port redundancy/port monitoring, 及单板计算机(SBC)。
为协助客户设计开发基于此二款芯片的各类应用，亚信电子为AX88742/AX88783提供了完整的设计支持服务，包括软硬件开发应用文件、使用手册、参考电路图、印刷电路板布线图及供Windows/Linux/WinCE操作系统使用之驱动程序。
以太网控制系统 篇12
全自动隔膜立式压滤机是一种新型固液分离设备, 可实现入料过滤、隔膜挤压、滤饼洗涤、吹风干燥、卸料和滤布在线清洗等全过程的自动化。控制系统需要控制滤板合拢、驱动卸饼、滤布纠偏和阀门泵类等执行机构, 集电气、仪表、液压和气动控制为一体, 所以自动化程度高, 系统较为复杂。整个系统由一套PLC主站和远程I/O站点实现控制;HMI采用罗克韦尔人机界面Panel View Plus 1000实现实时监控;网络采用工业以太网技术, 实现各个站点的数据通信。该系统网络控制方案成熟, 实时数据传输精度和速率高, 系统运行可靠并抗干扰。近年来, 由于以太网技术的不断普及, 单个网络节点的成本显著下降, 采用该技术可使系统的硬件成本、调试和维修成本大为降低。
1 控制系统组成
由于立式压滤机电气控制执行点比较分散, I/O点约为200多个, 并且线缆繁多, 所以控制不宜采用集中控制的方式, 而应采用基于Ether Net/IP网络技术的控制方式。立式压滤机Ether Net/IP网络拓扑如图1所示。
2 系统Ether Net/IP网络组建配置和程序开发
2.1 配置Ether Net/IP模块在网络上运行
立式压滤机Ether Net控制网络通信模块包括:主机1769-L23E, 远程分布I/O站 (液压站I/O、机下I/O站、机上I/O站、动力柜I/O站) 配置的1734-ENT通信模块。上述模块要在Ether Net/IP网络上运行, 必须定义IP地址、子网掩码。配置这些网络参数采用Rockwell Automation的标准BOOTP/DHCP程序。
启动BOOTP/DHCP软件, 选择tool-Network Settings, 输入子网掩码255.255.255.0, 在request history栏显示搜索到硬件的物理地址00:00BC:CC:9B:BF, 然后双击, 出现IP地址设置页面, 对应地设置该硬件的IP地址:172.19.0.13, 如图2所示。
依次类推, 主站IP地址为172.19.0.11;液压分站IP地址为172.19.0.12;机下分站IP地址为172.19.0.13;机上分站IP地址为172.19.0.14;动力柜分站IP地址为172.19.0.16;触摸屏IP地址为172.19.0.15。如果永久性地将配置分配给模块, 则选中模块, 点击disable bootp/dhcp按钮, 重新上电后, 模块将使用分配的配置, 不再发送bootp请求。
2.2 使用RSLinx软件对Ether Net模块进行通信组态
RSLinx软件是工业通信的枢纽, 它为所有的AB网络提供了完整的驱动程序。通过RSLinx软件, 用户可以通过一个窗口查看所有激活的网络, 也可以通过一个或多个通信接口同时运行任何所支持的应用程序的组合。根据项目需要, 选择通信驱动程序为Ether Net/IP Driver, 单击菜单栏中Communication→RSWho后会显示Ether Net控制网络的所有设备 (以上定义IP地址的通信模块和所有的输入输出模块) , 如图3所示。
2.3 应用RSLogix5000软件为系统编制控制程序
2.3.1 主例程和子例程
根据立式压滤机工艺流程, 首先创建一个主例程和8个子例程。子例程分别是实验程序、手动程序、自动程序、输出程序、板距接缝处理程序、模拟量处理程序、液压回路程序和运行工艺参数处理程序。要执行子例程, 可以在主例程中使用“跳转到子例程 (JSR) ”指令, 会大大提高程序运行速度, 合理分配内存, 其梯形图如4所示。
2.3.2 创建程序标签
主机控制器PLC使用标签来访问数据, 所以为程序建立标签非常重要。标签类似于编程语言中使用的变量, 一个标签有一个名称 (用于描述标签存储的数据) 和一个数据类型 (用于识别标签能存储的数据大小和格式) 。数据类型包括BOOL、INT、DINGT、REAL等。在该项目中, 创建了基本型标签和别名型标签, 供编程使用, 如图5所示。
2.3.3 滤布位移检测编码器脉冲信号的处理程序
立式压滤机中的运行滤布既作为过滤介质, 又作为滤饼传输介质, 起到输送带的作用。滤布比较细长, 需要自动纠偏, 使滤布在滤室范围内, 不能左右偏出滤室。滤布是一个在滤板之间呈S型的环形带, 有一个接头。由于该接头采用不锈钢板扣连接, 不能进入到立式压滤机滤室内, 以防止出现喷料现象, 故要检测滤布接头的位置, 需利用高速计数功能。高速计数设计时, 既要考虑计数准确性, 又要考虑计数掉电记忆, 以确保工作的连续性。编制滤布接缝处理程序, 如图6所示。
3 触摸屏画面组态
根据项目需要, 选用美国AB人机界面Panel View Plus 1000彩色显示屏操作界面, 标准以太网通信方式。该操作界面的特点:模块化设计, 结构灵活, 升级方便, 集成多种通信端口, 如工业以太网接口集成RSView Machine Edition, 提供先进的人机界面功能, 包括趋势图、表达式运算、数据记录、图形动画等。
Panel View Plus操作员界面集成了RSView Machine Edition的全部功能, 可通过RSView Studio软件进行组态, 开发项目画面。根据立式压滤机的工艺流程和必须设置的参数, 组态开发:初始画面、主画面、工艺流程画面、测试画面、程序设置画面、工艺压力画面、运行报告画面和报警信息画面以及帮助画面。画面显示了立式压滤机的各个工作状态和工艺参数, 每一个输入输出点的变化都反映在屏幕上, 并能根据实际运行需要方便修改工艺参数。
4 结语
基于Ether Net/IP网络技术的立式压滤机控制系统具有以下特点:
(1) 稳定可靠性高。通过一根通信线控制整个网络。主站模块对整个网络实时监控, 通过监控主站模块, 能够迅速地获知发生故障的节点设备, 便于快速排除故障;当网络上的某一节点发生故障, 不会影响其它节点的正常工作。
(2) 现场布线简单, 节省安装费用。通过一根通信线实现整个网络各节点之间的通信, 相对于传统的点对点控制系统, 节省大量的电缆, 缩短安装时间, 降低了安装费用。
从采用Ether Net/IP网络化控制后的十多台立式压滤机的调试和运行来看, 效果非常好, 故障率极低, 降低了信号干扰和接口故障, 符合当今技术发展趋势, 完全可以应用到其他系统控制方案中。
参考文献
[1]邓李.ControlLogix系统实用手册[M]:北京:机械工业出版社, 2010, 9