什么是EtherCAT？使用軟件PLC的測量控制

目錄

》什么是EtherCAT？

》EtherCAT產(chǎn)品的兼容性問題

》什么是PLC

》什么是CODESYS?

》使用CONPROSYS PAC系列的EtherCAT通信控制

    *CODESYS編程教程

    *與CONPROSYS HMI的聯(lián)動

什么是EtherCAT？

EtherCAT（Ethernet for Control Automation Technology）在2016年被豐田汽車公司全面采用后備受關(guān)注，它是由倍福自動化有限公司開發(fā)的具有實(shí)時功能的開放式現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)（Open Field Network）。目前，功能要求和認(rèn)證程序是由2003年成立的EtherCAT Technology Group（EtherCAT技術(shù)協(xié)會）進(jìn)行規(guī)定和管理。

什么是現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)

現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)是用來在工廠內(nèi)的控制設(shè)備和傳感器等測量設(shè)備之間進(jìn)行通信的網(wǎng)絡(luò)。該現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)中使用以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)稱為工業(yè)用以太網(wǎng)。工業(yè)用以太網(wǎng)包括Profinet、Ethernet/IP、CC-Link/IE Field、Modbus/TCP等，EtherCAT也是一種工業(yè)用以太網(wǎng)。

EtherCAT的通信示意圖

EtherCAT分為主站和從站，一個主站上連接了一個或多個從站控制器。可使用菊花鏈型和星型進(jìn)行連接。

通信方法是將所有從站的數(shù)據(jù)匯總成一個數(shù)據(jù)包發(fā)送出去。上述示例中，數(shù)據(jù)包的內(nèi)容如下。

設(shè)備數(shù)據(jù)的大小和功能等在EtherCAT Slave Information文件中進(jìn)行描述，EtherCAT主站事先使用這些信息來創(chuàng)建上述數(shù)據(jù)包。

數(shù)據(jù)依次從離主站最近的從站控制器進(jìn)行傳輸。藍(lán)色箭頭(1)至(6)為EtherCAT數(shù)據(jù)包的傳輸順序。在上述連接的情況下，該設(shè)備的數(shù)據(jù)依次從(1)到(3)進(jìn)行更新。對于輸入數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)更新為數(shù)據(jù)包，對于輸出數(shù)據(jù)，將設(shè)備更新為數(shù)據(jù)的值。在到達(dá)終端從站③后，數(shù)據(jù)沿著(4)至(6)的箭頭方向折返，最后在主站接收后更新輸入數(shù)據(jù)。

EtherCAT的冗余化

EtherCAT如果在主站上有多個LAN端口，可通過環(huán)形連接實(shí)現(xiàn)雙重冗余。如果將2個LAN端口分配給EtherCAT，CPS-PC341EC-1-9201將無法進(jìn)行LAN通信，下方示例為通過配備了軟件PLC且配備2個以上LAN端口的PC進(jìn)行連接的情況。

此時，藍(lán)色和綠色兩個方向各自進(jìn)行通信。藍(lán)色箭頭(1)至(4)為LAN端口1的傳輸順序，綠色箭頭(1)至(4)為LAN端口2的傳輸順序。

雙重冗余時，即使線路發(fā)生斷線，通信也能繼續(xù)而不會中斷。而且，斷線位置也能清楚顯示。下方為從站②與從站③之間發(fā)生斷線時的示意圖。由于從站②無法進(jìn)行通信，綠色箭頭的LAN端口2的通信到達(dá)從站③之后返回到主站，如綠色箭頭(1)至(2)所示僅從站③進(jìn)行通信。由于從站③無法進(jìn)行通信，藍(lán)色箭頭的LAN端口1的通信傳輸?shù)綇恼劲谥蠓祷刂髡尽Ｋ{(lán)色箭頭(1)至(4)為LAN端口1的通信。

EtherCAT產(chǎn)品的兼容性問題

EtherCAT產(chǎn)品包括各種主站和從站產(chǎn)品。并非所有的功能都能在引入了EtherCAT主站軟件的PC、主站產(chǎn)品和EtherCAT從站產(chǎn)品上正常工作。EtherCAT技術(shù)協(xié)會將對EtherCAT主站及從站開發(fā)廠商進(jìn)行每年一次的連接測試，以盡可能地消除兼容性問題。

康泰克的CONPROSYS PAC系列推出了EtherCAT主站/從站產(chǎn)品，已確認(rèn)PAC系列的組合可正常工作，可放心使用。另外，希望在康泰克以外的主站上使用康泰克的從站產(chǎn)品，或者不清楚康泰克以外的從站和康泰克的主站產(chǎn)品能否正常工作，希望在購買前確認(rèn)動作時，選擇使用康泰克提供的測試機(jī)租借服務(wù)。

什么是PLC

如果想在EtherCAT主站進(jìn)行編程，例如通過EtherCAT通信獲取控制和傳感器狀態(tài)等，您可將其引入使用了PLC和軟件的系統(tǒng)中。PLC是可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller）的首字母縮寫，也稱為定序器。它是可按照邏輯控制傳感器和LED等控制設(shè)備的控制器。以微型計算機(jī)為主體，專門進(jìn)行邏輯處理的專用設(shè)備稱為硬件PLC，在工業(yè)用計算機(jī)等安裝了PLC功能，進(jìn)行多種處理的設(shè)備稱為軟件PLC?？堤┛说腜AC系列采用軟件PLC CODESYS。

什么是CODESYS?

CODESYS?是指根據(jù)CODESYS.GmbH開發(fā)出的符合國際標(biāo)準(zhǔn)IEC 61131-3的軟件PLC。支持IEC 61131-3中定義的5種語言。已安裝了CODESYS的產(chǎn)品可用作EtherCAT主站。CODESYS軟件由LINX公司提供，有可通過此處免費(fèi)下載 (日文)。（CODESYS和LINX都需要用戶注冊）

關(guān)于PC編程和CODESYS的PLC編程的差異

在PC上進(jìn)行Python等編程時，感覺是從起點(diǎn)出發(fā)朝著規(guī)定的終點(diǎn)邁進(jìn)，而在CODESYS編程中，則感覺是按照規(guī)定的循環(huán)時間繞著跑道一圈圈地進(jìn)行處理。

【PC上進(jìn)行編程的基本示意圖】

【CODESYS編程的基本示意圖】

在PC編程中，有一種線程稱作定時器線程，該線程在規(guī)定的時間內(nèi)運(yùn)行，雖可加以使用，但當(dāng)單位為毫秒到微秒時就會出現(xiàn)時間波動，很難保持線程在1毫秒內(nèi)運(yùn)行，經(jīng)常出現(xiàn)線程偏離10毫秒的情況。對于CODESYS，根據(jù)設(shè)備的不同，可設(shè)置毫秒單位或數(shù)百微秒。但是，進(jìn)行PLC編程時需要加以注意。例如，在PC上進(jìn)行編程時，可使用 “等待”（如睡眠），但CODESYS編程要求在規(guī)定的循環(huán)時間內(nèi)持續(xù)運(yùn)行，所以編程方式必須是 “在下一個循環(huán)處理 ”而非“等待”。

CODESYS?的編程語言

IEC 61131-3定義的PLC編程語言為梯形圖（LD）、指令表（IL）、功能模塊圖（FBD）、順序功能流程圖（SFC）及結(jié)構(gòu)化文本（ST）這5種語言。CODESYS可使用IEC 61131-3中定義的PLC編程語言進(jìn)行編寫。

使用CONPROSYS PAC系列的EtherCAT通信控制

選擇產(chǎn)品

作為擁有軟件PLC功能的設(shè)備，康泰克具有配備了CODESYS的CONPROSYS PAC系列。CONPROSYS PAC控制器作為人機(jī)界面配備了CONPROSYS HMI，可將CODESYS收集的EhterCAT從站設(shè)備數(shù)據(jù)可視化。

包括EtherCAT主站產(chǎn)品“CPS-PC341EC-1-9201”或“CPS-PCS341EC-DS1-1201”、作為EtherCAT從站產(chǎn)品可擴(kuò)展最多16臺模塊的EtherCAT從站耦合器“CPS-ECS341-1-011”、可連接最多8臺IO-Link傳感器的IO-Link網(wǎng)關(guān)“CPSL-08P1EN”。下方為產(chǎn)品分類圖。

【產(chǎn)品分類圖】

使用CODESYS編程的示例

本次在下列構(gòu)建中安裝了CODESYS開發(fā)環(huán)境后，通過HMI監(jiān)控進(jìn)行EtherCAT通信的模擬電流，當(dāng)電流值下降到閾值時打開數(shù)字量輸出。

CODESYS編程教程

要點(diǎn)！如果在最初設(shè)置好構(gòu)建信息和連接信息，編程變得簡單！

1.安裝PAC控制器、EtherCAT構(gòu)建信息

首先安裝PAC控制器CPS-PC341EC-1-9201的程序庫。CPS-PC341EC-1-9201的程序庫可通過此處下載。通過數(shù)據(jù)包管理器進(jìn)行安裝。

下面安裝EtherCAT構(gòu)建信息ESI文件（Ethercat Slave Information File）。CPS-ECS341-1-011的ESI文件可通過此處下載。通過設(shè)備資源庫進(jìn)行安裝。

2.項目創(chuàng)建/編程語言選擇

下面進(jìn)行項目創(chuàng)建。

選擇類似于C語言等可編程語言“結(jié)構(gòu)化文本（ST）”繼續(xù)創(chuàng)建。

3.EtherCAT的連接設(shè)置

在控制器上添加EtherCAT主站。添加EtherCAT主站后，設(shè)置CPS-ECS341-1-011的設(shè)備。本次連接了數(shù)字量輸出和模擬輸入設(shè)備，注冊這兩臺設(shè)備。設(shè)置后，注冊使用的模擬輸入端子（AnalogInput0）和數(shù)字量輸出端子（DigitalOutput0、DigitalEchoOutput0）。

至此準(zhǔn)備工作完成。

4.程序

將程序畫面寫入PLC_PRG。存在指令聲明部分和程序部分，使用已聲明的變量和3.進(jìn)行注冊的端子進(jìn)行編程。

變量聲明部分

VAR

　// 在HMI上注冊的變量

　threshold :LREAL:= 0.0;// 閾值(mA)

　value : LREAL := 0.0;//當(dāng)前值(mA)

　lump0 : BOOL := FALSE; // 數(shù)字量輸出的確認(rèn)值(Echoback Input的值)

　// CPS-AI-1608ALI的設(shè)備

　max_current : LREAL := 20.0; // 最大值(mA)

　resolution : LREAL := 65536.0; // 分辨率 16bit -> 2的16次方

END_VAR

程序部

value := (AnalogInput0＊max_current) / (resolution – 1.0); // 轉(zhuǎn)換為mA

if (value < threshold ) then

　DigitalOutput0 := TRUE;

else

　DigitalOutput0 := FALSE;

end_if

lump0 := DigitalEchoOutput0;

在PC上對EtherCAT庫進(jìn)行編程時，必須對ESI文件的讀取、EtherCAT通信交互以及稱為對象字典的參數(shù)的消息通信交互進(jìn)行編程。如果使用CODESYS，則會執(zhí)行CODESYS庫，EtherCAT的通信部分的編程將省略，從而可直接輕松地操作模擬輸入設(shè)備和數(shù)字量輸出設(shè)備。

5.為了在CONPROSYS HMI中使用，注冊value和threshold,lump0的變量。

因此，添加符號配置。

添加后，勾選要使用的變量，然后再次按下構(gòu)建按鈕以完成。

在這種狀態(tài)下關(guān)閉CPS-PC341EC-1-9201的電源后，本程序會消失，因此通過Web瀏覽器訪問本機(jī)并保存程序。

與CONPROSYS HMI的聯(lián)動

要點(diǎn)！創(chuàng)建監(jiān)控畫面，配置部件后聯(lián)動CODESYS注冊的變量即可！

1.編輯監(jiān)控。

電流值和閾值采用趨勢圖，數(shù)字量輸出的確認(rèn)采用指示燈。為了在標(biāo)簽上顯示電流值，在文本框上顯示閾值，對部件進(jìn)行布局。下方為創(chuàng)建畫面。

本次，指示燈的設(shè)置僅使用最上層。此外，趨勢圖的Y軸刻度已固定為最大值20/最小值0。

2.關(guān)聯(lián)CODESYS中注冊的變量（value、threshold、 lump0）。

之后保存即可完成。如果電流值低于閾值，數(shù)字量輸出開啟后，指示燈亮紅燈。將12mA設(shè)置為閾值時的CONPROSYS HMI如下所示。

怎么樣？如此可輕松執(zhí)行使用EtherCAT通信的控制程序。此處僅介紹了控制EtherCAT，其他還有各種功能如PAC控制器的文件保存功能和云傳輸功能，可實(shí)現(xiàn)聯(lián)動。要創(chuàng)建該類程序時，準(zhǔn)備了參考指南（軟件）和示例程序作為詳細(xì)資料。