基于TwinCAT软件的EtherCAT诊断应用

张立文，方江龙，周耀纲，梁德春

(1.上海理工大学 机械工程学院，上海 200093；2.上海电气集团中央研究院，上海 200070；3.德国倍福自动化有限公司，上海200436)

基于TwinCAT软件的EtherCAT诊断应用

张立文1，方江龙2，周耀纲3，梁德春3

(1.上海理工大学 机械工程学院，上海 200093；2.上海电气集团中央研究院，上海 200070；3.德国倍福自动化有限公司，上海200436)

针对EtherCAT现场总线中临时从站关机插拔带来的低效问题，基于TwinCAT软件提出一种支持实时检测和反馈的可靠解决方案。在分析EtherCAT报文的基础上，采用设置同步单元和分配工作状态字的方法，以不影响其他设备EtherCAT通讯为前提，最大化地降低关机插拔对生产过程的影响，缩减EtherCAT的整体诊断时间，提高生产效率，在现场生产中具有较好的推广应用价值。

EtherCAT；TwinCAT；实时检测；同步单元

针对自动化系统通讯发展的需求，传统的现场总线已不能满足现阶段高速、高精度、远距离传输的要求。为了应对这种情况，各大自动化厂商提出了不同的解决方案，包括SERCOS3通讯协议、PROFINET通讯协议、EtherCAT通讯协议[1]等。这些都符合实时以太网协议标准[2-3]，因此，实时以太网技术是控制网络未来发展的趋势。

作为上述解决方案之一的EtherCAT是一种基于以太网的实时工业现场总线通信协议和国际标准，它摒弃原有以太网交换机的带宽利用率低、堆栈延迟等诸多缺点，同时提高传输过程响应速度、降低自动化传输组件的成本，另一方面，支持多种物理拓扑结构。基于这些特点，EtherCAT技术被工业自动化系统广泛接受，并进入了高速发展期，大量符合EtherCAT通讯协议的产品正在接受考验，EtherCAT通讯诊断能力[4-5]对保障产品的正常运行起着至关重要的作用。原因在于：一方面，诊断特性直接影响产品的可靠性；另一方面，可靠的诊断能力有利于增强网络可用性，并缩短调试时间。而可靠的诊断能力主要包括错误检测和错误定位。只有及时发现错误，并且快速精确地定位错误原因和位置，才能够在最短的时间内将其排除。

在一些特殊的生产过程中，部分从站会被应用在检测局部控制网络的环境，这需要对这一部分的从站进行频繁插拔，而直接插拔对EtherCAT协议来说，会认为是设备出现故障，进而导致从站无法接收新的指令。针对上述问题，本文基于TwinCAT软件设计一种EtherCAT通讯诊断的解决方案，在准确识别通讯出错原因的基础上，满足从站设备的热插拔[6-7]要求。

1 EtherCAT通讯原理及数据帧结构

EtherCAT通讯技术突破了其他以太网解决方案[8]的系统限制，即不需要接收以太网数据包并将其解码之后，再将过程数据复制到各个设备。它具有主从数据交换特性，由主站和从站配合完成工作，因而，EtherCAT非常适合拓扑结构复杂的主从控制器之间的通讯。

EtherCAT的通讯原理示意如图1所示，EtherCAT总线网段是一个可接收和发送以太网帧的大型以太网设备。但是，该“设备”不包含带下游微处理器的单个以太网控制器，而只包含大量的EtherCAT从站。与其它任何以太网一样，EtherCAT不需要通过交换机就可以建立通讯，因而产生一个纯粹的EtherCAT系统。EtherCAT主站传递的数据帧包含了所有的I/O从站数据，每一个从站接收报文，并在报文中提取命令或者插入反馈状态字，然后将报文传送给下一个从站设备，最后一个EtherCAT从站将经过充分处理的报文返回，这样该报文就作为一个响应报文由第一个从站返回到主站。整个通讯过程在全双工模式下，利用了以太网设备独立处理双向传输的特点，报文只有几纳秒的时间延迟。

图1 EtherCAT通讯原理

EtherCAT数据[9-10]是直接使用以太网数据帧传输，其中数据部分包括2 Byte的数据头和44～1 498字节的数据区。数据区由一个或多个EtherCAT子报文组成，每个子报文对应独立的设备或从站存储区域，EtherCAT数据帧结构如图2所示，表1给出了EtherCAT数据帧结构定义。

图2 EtherCAT数据帧结构

名称含义备注Ethernet.H以太网帧头包含目的地址、源地址、帧类型接收方MAC地址,发送方MAC地址,0x88A4Len数据长度EtherCAT数据区长度1类型表示与从站通信FCS帧校验序列WKC工作计数器记录子报文被从站操作的次数Cmd命令寻址方式及读写方式Idx索引帧编码续表Address地址区从站地址R保留位M后续报文标志IRQ状态位中断到来标志

一般设备启动时，EtherCAT报文会按照顺序寻址的方式发送一个周期性的报文，报文在经过每一个从站设备时，从站将通过EtherCAT.H子报文头中Address地址区为自身更新设定地址。TwinCAT软件通过使用以太网数据帧头的MAC地址寻址到网段，然后使用EtherCAT子报文头中的32位地址寻址到段内设备，继而得到硬件拓扑图。

每一个EtherCAT子报文由子报文头、数据域和相应的工作计数器(WKC)组成。WKC记录了子报文被从站操作的次数，主站为每个通讯服务子报文设置了预期的WKC。其中WKC对不同通讯服务的计数方式也是不同的，关于EtherCAT通信命令与WKC计数对方关系如表2所示。

表2 EtherCAT通信命令与WKC计数对方关系

子报文经过某一个从站时，如果是单独的读或写操作，WKC加1，如果是读写操作，读成功WKC加1，写成功时WKC加2，读写全部完成WKC加3；子报文由多个从站处理时，WKC是各个从站处理结果的累加。发送子报文的WKC初值为0，子报文被正确处理后，WKC的值将累加；同时，主站在发送子报文时，预先分析得出一个WKC的理论预期值，通过比较返回子报文中的WKC和理论预期值来判定子报文是否被正确处理，进而判断错误原因并定位错误源头。

本文研究的EtherCAT诊断就是利用TwinCAT软件处理返回主站的报文，检查数据帧子报文中的各项数值来诊断EtherCAT是否报错，具体数值包括WKC、关键状态字等。

2 实验设备和拓扑结构

本实验是利用TwinCAT2软件实现对EtherCAT通讯过程的诊断。该TwinCAT2软件是一款基于Windows系统，带有实时核，同时集成硬件配置和软件编写的软件，实验中使用该软件对EtherCAT设备做实时监测，并且做硬件配置。

实验设备包括：型号为CP6201的面板式工业PC，EK1100耦合器，I块(两个EL1004，两个EL2024，两个EL7041)，AX5203伺服驱动器。

硬件连接的拓扑结构如图3所示。

图3 拓扑结构

3 EtherCAT诊断的实现

系统软件设计中是按照在EtherCAT网络中，主站发出的报文按照拓扑顺序完成一轮处理并返回给主站后，TwinCAT软件读取并分析返回主站的报文这一过程进行设计的，通过对比预期理论反馈值和实际结果，完成对整个EtherCAT通讯过程的诊断[11-12]，如图4所示。

图4 系统软件设计流程图

在TwinCAT软件中按照系统软件设计流程图，根据不同CMD命令对应的WC计数预期值，编写程序并创建HMI可视化界面。当出现通讯报错，如图5所示。

图5 通讯报错HMI界面显示

分析：从图5得知，WcState值为120，转化成为八进制为0x78，CMD命令为8，即为全部丢失，这意味着报文发送过程的每一个CMD命令都没有被成功接收。分析原因，当主站识别从站缺失后，主站主动抛弃这些报文数据，只反馈报错信息。同时可以看出，从站可正常通讯个数为4。根据设备拓扑结构，如图3所示，本次设备为串行拓扑机构，可以分析出仅有分站1中模块处于正常通讯状态，但因为主站识别到从站缺失后会主动抛弃反馈回来的所有报文数据，在子报文中的从站WcState返回信息也认定为无效数据。所以TwinCAT软件通过拓扑结构逐个检测从站的WcState，除EK1100耦合器不具有诊断功能外，其他带有诊断功能的IO模块全部都报错。分析结果：产生报错的原因——通讯线缆2出现故障，或者通讯线缆2接入分站2的EK1100端子耦合器的1口出现故障。

4 临时从站的热插拔解决方案

现场生产当中部分从站作为检测分站，需要随时插拔接入到控制网络中的任何一个连接点上，它们不需要保持常连接的状态。但是普通从站在设备运行状态下，热插拔会使EtherCAT通讯报错，如图6所示，如果停止整台设备后插拔，需再次启动检查，则会大幅影响工作效率[13]。

前述实验结果显示，普通从站的热插拔造成EtherCAT通讯报错，整台设备无法继续正常运行。现场生产中，第二排的IO模块以及第三排的伺服驱动器作为临时分站，需要在运行状态下进行插拔，同时不能影响其他设备的正常运行。

针对这一要求，这里给出一种解决方案：将需热插拔的分站模块设置为同步单元Sync unit。

首先，划分同步单元[14-15]。将分站1放在同步单元1内，分站2以及AX5000伺服驱动器放在同步单元 2内。为了后续实验方便，这里设定同步单元2为临时分站。设置同步单元成功后，CMD命令的WC预期值发生改变，并被分成两组。

其次，对临时分站(分站2)进行热插拔。TwinCAT软件分析主站收到的报文给出的HMI界面如图6所示，其中WcState值为960，转化成为八进制为0x03C0，即同步单元2中的数据帧全部被丢弃，同步单元1中的数据帧均正常反馈，换句话说，分站1依然处于正常工作状态。因此，临时分站(分站2)的热插拔未影响其他设备(分站1)的正常运行。

第三步，再次接入临时分站(分站2)。经过一个PLC扫描周期后，所有从站的状态字在HMI界面上显示如图10所示，热插拔的临时分站(分站2)再次正常运行。

图6 分站2热插拔后的HMI界面

至此，临时从站的热插拔解决方案验证完毕。此方案尤其适用于现场网络规模庞大、设备模块数量繁多、拓扑结构复杂的场合，不仅最大化地降低了关机插拔对生产过程的影响，而且大幅缩减了EtherCAT诊断的时间。

5 结束语

工业以太网因其具有高可靠性、高时效性、高扩展性以及低成本等特点，必将成为未来工业网络的主流，在工业以太网实际运用中，EtherCAT诊断是不可以缺少的一部分。

本文在描述EtherCAT通讯原理和数据帧结构的基础上，基于TwinCAT软件构建了完整的EtherCAT诊断机制，主站仅需少量命令即可实现对从站的诊断；同时，根据EtherCAT的诊断特性，给出一种临时从站的热插拔解决方案，既能够不影响其他设备的EtherCAT通讯，又避免了因关机插拔从站而引起的时间浪费，一定程度上提高了现场生产的生产效率。

[1] 德国倍福公司.实时以太网:I/O层超高速以太网[J].自动化博览,2004,2004(4):48-50.

[2] 全国工业过程测量和控制标准化技术委员会.GB/T 31230.1-2014 工业以太网现场总线EtherCAT[S].北京:中国标准出版社,2014.

[3] EtherCAT Technology Group. EtherCAT-the ethernet fieldbus [EB/OL]. (2011-05-18)[2016-04-05]http://www.ethercat.org.

[4] 崔巍,朱迎春,孙亚蕾.现场总线系统抗干扰的实现与应用[J]. 中国仪器仪表,2006(10):67-69.

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[13] Yoon G,Kwon D H,Kwon S C, et al. Ringtopology-based redundancy Ethernet for industrial network[C].Japan: 2006 SICE-ICASE International Joint Conference,2006.

[14] 王常力,罗安.分布式控制系统(DCS)设计与应用实例[M]. 北京：电子工业出版社, 2004.

[15] Madren Frank. Redundancy with standards in industrial Ethernet LANs[J].PC Control,2005(7):14-19.

EtherCAT Diagnois Base on TwinCAT

ZHANG Liwen1，FANG Jianglong2，ZHOU Yaogang3，LIANG Dechun3

(1.School of Mechanical Engineering, University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093, China; 2. Shanghai Electric Central Research Institute, Shanghai 200070, China;3. Beckhoff Automation (Shanghai) Co., Ltd., Shanghai 200436, China)

Interim stations need to turn them off and plug on EtherCAT fieldbus, leading to poor efficiency. A reliable solution based on TwinCAT software that supports real-time detection and feedback is proposed. The frames of the EtherCAT are analyzed. The impact of shutdown and plug on the process of production is reduced by setting a synchronization unit and assigning working counter without affecting the communication of other EtherCAT equipment, thus faster EtherCAT diagnosis and higher efficiency of production.

EtherCAT; TwinCAT; real-time diagnosis; synchronization unit

2016- 04- 06

张立文(1991-)，女，硕士研究生。研究方向：数控 EtherCAT 自动化。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.02.036

TP393.11

A

1007-7820(2017)02-138-04