工业网络技术 课件 13 EtherCAT通信及应用

EtherCAT通信及应用一、EtherCAT协议二、EtherCAT通信模块组成三、库卡机器人的IO配置一、EtherCAT协议EtherCAT是由德国Beckhoff公司于2003年提出的实时工业以太网技术。其性能优越，具有高速和高数据有效率的特点，支持多种设备连接拓扑结构，适合网络化运动控制系统。EtherCAT采用主从模式介质访问机制（MAC，MediaAccessControl），从站节点使用专用的控制芯片，主站使用标准的以太网控制器。EtherCAT的主要特点如下：（1）适用性广，任何带商用以太网控制器的控制单元都可以作为EtherCAT主站。（2）兼容性强，EtherCAT完全符合以太网标准，可以与其他以太网设备及协议并存于同一总线。（3）无须从属子网，复杂节点或简单IO节点均可作为EtherCAT从站。（4）高效率，最大化利用以太网带宽进行用户数据传输。（5）刷新周期短，可以达到小于100us的数据刷新周期，可以用于伺服技术中底层的闭环控制。（6）同步性能好，各从站节点设备可以达到小于1us的时钟同步精度。一、EtherCAT协议1.EtherCAT通信原理EtherCAT通信基于主从通信结构，主站负责控制运算及数据帧收发任务，从站负责响应数据帧执行相关指令动作。在物理层面，EtherCAT支持通过总线型、树形或菊型拓扑连接。主站使用标准以太网芯片和物理接口，从站则使用专用的EtherCAT从站通信控制芯片(ESC)管理EtherCAT通信，支持标准物理接口和倍福提出的EBUS接口，采用EBUS接口时不需要额外的物理层芯片。在数据链路层，EtherCAT数据帧属于集总帧，一个数据帧内可包含多个从站节点的数据。一、EtherCAT协议如图1，EtherCAT独有的数据帧即时处理技术(processingonthefly)，使得数据帧可在一个通信周期中完成多个从站数据的交换工作，数据帧经过一个从站节点时，从站ESC将从中取出所需的数据，并将从站当前的状态数据写入到数据帧对应的报文位置，数据帧在从站节点内不做停留，而是直接再往下一个从站发送，由此实现超高速控制回路。图1数据帧即时处理一、EtherCAT协议2.EtherCAT协议规范EtherCAT遵循ISO/IEC8802-3规定，使用标准的IEEE802.3以太网数据帧，主站使用标准的以太网接口卡即可。EtherCAT使用保留的以太网类型0x88A4和其他以太网帧相区别，因此可以和其他协议在同一网络并行运行。EtherCAT使用以太网数据帧传输EtherCAT数据包，也可以使用UDP/IP协议格式传输EtherCAT数据包，但EtherCAT从站不处理非EtherCAT数据帧，其他类型的以太网应用数据可以分段打包为EtherCAT数据子报文在网段内透明传输，以实现相应的通信服务。一、EtherCAT协议EtherCAT数据帧包括14字节的以太网帧头、2个字节的EtherCAT头和14~1498字节的EtherCAT数据以及4字节的帧校验序列。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，如图2所示。图2EtherCAT帧结构一、EtherCAT协议每个EtherCAT子报文包括子报文头、数据区和相应的工作计数器（WKC,WorkingCounter）。WKC记录了子报文被从站操作的次数，主站为每个通信服务子报文设置预期的WKC。发送子报文中的WKC初值为0，子报文如果被从站正确处理则WKC值增加，主站侧通过比较返回的WKC值和预期WKC值来判断子报文是否被正确处理。EtherCAT通信由主站发送EtherCAT帧读写从站设备的内部存储区来实现，EtherCAT支持两种寻址方式操作从站控制器内部存储区：设备寻址和逻辑寻址。不同寻址方式的设置由子报文头中8位命令数据区决定。其中，设备寻址又包括三种不同的寻址机制：顺序寻址、设置寻址和广播寻址。顺序寻址又称为自动增量寻址，顺序寻址时，从站地址由其在网段内的连接位置确定，其主要用于系统启动阶段，主站配置站点地址给各个从站。一、EtherCAT协议设置寻址时，从站地址与其在网段内连接位置无关，地址可以由主站在数据链路启动阶段配置给从站，也可以由从站在上电初始化时候从自身的配置数据存储区装载。广播寻址，可以用在从站初始化或者在需要时候扫描所有从站状态。逻辑寻址是按照映射到网段内逻辑地址的设备寻址，报文内的32位地址区作为整体的数据逻辑地址完成设备的逻辑寻址，这种方式需要由现场总线内存管理单元（FMMU，FieldbusMemoryManagementUnit）实现，通过FMMU将从站设备物理地址映射到网段内逻辑地址。二、EtherCAT通信模块组成I/O端子模块系统是由电子端子模块组成的模块化I/O系统，它是EtherCAT端子模块的一种，现场总线信号在总线耦合器的内部，独立于现场总线的端子模块上传输，EtherCAT在传输至独立的端子模块时仍保留完整的协议，相对应的EtherCAT端子模块适用于任何常用的数字量和模拟量信号类型。根据信号的种类以及信号相对于机器人端的输入与输出情况，可以将I/O端子模块分为数字量输入模块、数字量输出模块、模拟量输入模块以及模拟量输出模块。如图3所示，为不同厂商生产的EtherCATI/O端子模块，它们通过耦合器挂在机器人控制器的扩展IO端口（X44）上，这些挂接在机器人系统的端子模块都是总线系统的从站。图3EtherCAT端子模块二、EtherCAT通信模块组成1.耦合器耦合器用于连接EtherCAT与EtherCATI/O端子模块。一个站点由一个耦合器、任意多个EtherCATI/O端子模块和一个总线末端端子模块组成。耦合器的作用是将来自以太网传输段（100BASE-TX）的传递报文转换为E-bus信号。如图4所示，耦合器（EK1100）通过ActIn以太网接口与网络相连，ActOut以太网接口可用于连接同一网段上的EtherCAT设备。在EtherCAT网络中，可将耦合器安装在以太网信号传输段中的任意位置，但注意部分型号不能直接安装在交换机上。图4EtherCAT耦合器(EK1100)二、EtherCAT通信模块组成2.数字量模块数字量模块包括数字量输入模块和数字量输出模块。数字量输入端子模块从执行层设备（传感器等）中采集二进制控制信号，并以电隔离的形式将这些信号传输到上层自动化单元。图5所示模块有16个数字输入通道。数字输出模块接收来自自动化设备（如机器人等）的二进制控制信号，并以电隔离的形式将信号传输到执行层设备。数字输出模块一般具有极性反转保护功能，可处理负载电流，并可防止输出过载和短路。数字量各通道信号状态通过LED显示。通过使用单导线连接技术，电源触点之间连成回路，所有输入的参考接地都是0V电源触点。图5数字量输入模块(EL1809)(a)实物(b)触点组件二、EtherCAT通信模块组成3.模拟量模块模拟量模块包括模拟量输入模块和模拟量输出模块。模拟量输入模块用于处理一定电压或电流范围内的信号。由于总线是数字传输协议，因此在模拟量传输的中需要数字化处理。模拟量被数字化后的分辨率为12或16位等（各型号的分辨率有所不同），并在电气隔离的状态下被传送到上一级自动化设备。模拟量输入端为2线制型，由处理层设备供电，端子模块的各个电源触点互相连接。所有输入端的基准为0V电源触点。二、EtherCAT通信模块组成图6所示模拟量输出模块用于向处理层设备输出0-10V范围内的模拟量信号。模块型号不同输出的信号类型（电流/电压）以及范围都有所不同。端子模块能够为处理层提供分辨率为不同的电气隔离信号。图示端子模块有4个模拟量输出通道，所有输出通道具有一个公共的0V电源触点，各输出端口均由24V电源供电。模拟量各通道信号状态均可通过LED显示。图6模拟量输出模块(KL4004)(a)实物(b)触点组件三、库卡机器人的IO配置1.工业机器人的I/O通信方式1.1I/O信号与I/O端子模块1.1.1I/O信号分类I/O信号分为两大类：模拟信号与数字信号，两者区别如下。（1）模拟信号模拟信号是指信息参数在给定范围内表现为连续的信号。实际生产生活中的各种物理量，如摄相机摄下的图像、录音机录下的声音、车间控制室所记录的压力、流量、转速、湿度等等都是模拟信号。模拟信号的频率、幅度、相位都会因为时间的变化而出现连续变化。如图7（a）所示，我们通常又把模拟信号称为连续信号，它在一定的时间范围内可以有无限多个不同的取值。三、库卡机器人的IO配置（2）数字信号如图7（b）所示，数字信号指自变量是离散的、因变量也是离散的信号，比如我们常见的二进制（0、1）就属于数字信号当中的一种。数字信号在传输过程中不仅具有较高的抗干扰性，还可以通过压缩，占用较少的带宽，实现在相同的带宽内传输更多、更高音频、视频等数字信号的效果，所以在数字电路中容易被处理，故其应用的范围是比较广泛的。(a)模拟信号(b)数字信号图7信号分类三、库卡机器人的IO配置

图8模拟信号的数字处理三、库卡机器人的IO配置1.1.2I/O端子模块及分类I/O端子模块系统是由电子端子模块组成的模块化I/O系统，它是EtherCAT端子模块的一种，现场总线信号在总线耦合器的内部，独立于现场总线的端子模块上传输，EtherCAT在传输至独立的端子模块时仍保留完整的协议，相对应的EtherCAT端子模块适用于任何常用的数字量和模拟量信号类型。根据信号的种类以及信号相对于机器人端的输入与输出情况，可以将I/O端子模块分为数字量输入模块、数字量输出模块、模拟量输入模块以及模拟量输出模块。如图9所示，为不同厂商生产的EtherCATI/O端子模块，它们通过耦合器挂在机器人控制器的扩展IO端口（X44）上，这些挂接在机器人系统的端子模块都是总线系统的从站。三、库卡机器人的IO配置图9EtherCAT端子模块三、库卡机器人的IO配置①耦合器耦合器用于连接EtherCAT与EtherCATI/O端子模块。一个站点由一个耦合器、任意多个EtherCATI/O端子模块和一个总线末端端子模块组成。耦合器的作用是将来自以太网传输段（100BASE-TX）的传递报文转换为E-bus信号。如图10所示，耦合器（EK1100）通过ActIn以太网接口与网络相连，ActOut以太网接口可用于连接同一网段上的EtherCAT设备。在EtherCAT网络中，可将耦合器安装在以太网信号传输段中的任意位置，但注意部分型号不能直接安装在交换机上。图10EtherCAT耦合器(EK1100)三、库卡机器人的IO配置②数字量模块数字量模块包括数字量输入模块和数字量输出模块。数字量输入端子模块从执行层设备（传感器等）中采集二进制控制信号，并以电隔离的形式将这些信号传输到上层自动化单元。图11所示模块有16个数字输入通道。数字输出模块接收来自自动化设备（如机器人等）的二进制控制信号，并以电隔离的形式将信号传输到执行层设备。数字输出模块一般具有极性反转保护功能，可处理负载电流，并可防止输出过载和短路。数字量各通道信号状态通过LED显示。通过使用单导线连接技术，电源触点之间连成回路，所有输入的参考接地都是0V电源触点。三、库卡机器人的IO配置（a）实物（b）触点组件图11数字量输入模块(EL1809)三、库卡机器人的IO配置

③模拟量模块模拟量模块包括模拟量输入模块和模拟量输出模块。模拟量输入模块用于处理一定电压或电流范围内的信号。由于总线是数字传输协议，因此在模拟量传输的中需要数字化处理。模拟量被数字化后的分辨率为12或16位等（各型号的分辨率有所不同），并在电气隔离的状态下被传送到上一级自动化设备。模拟量输入端为2线制型，由处理层设备供电，端子模块的各个电源触点互相连接。所有输入端的基准为0V电源触点。图12所示模拟量输出模块用于向处理层设备输出0-10V范围内的模拟量信号。模块型号不同输出的信号类型（电流/电压）以及范围都有所不同。端子模块能够为处理层提供分辨率为不同的电气隔离信号。图示端子模块有4个模拟量输出通道，所有输出通道具有一个公共的0V电源触点，各输出端口均由24V电源供电。模拟量各通道信号状态均可通过LED显示。三、库卡机器人的IO配置（a）实物（b）触点组件图12模拟量输出模块(EL4004)三、库卡机器人的IO配置1.2任务操作——I/O端子模块的硬件连接（1）任务要求I/O端子模块正确接入工业机器人系统是机器人系统信号顺利配置的前提。本次任务主要包括三方面内容。①四种类型的I/O端子模块与耦合器的组合；②耦合器的供电接线以及接地保护；③耦合器与机器人控制系统的连接。三、库卡机器人的IO配置（2）任务实施序号操作步骤示意图1对准耦合器与I/O端子模块的卡扣，依次将四个I/O端子模块与耦合器组合。2将组合好的端子模块硬件装入机器人控制柜内。三、库卡机器人的IO配置序号操作步骤示意图3根据图4-6所示的耦合器电源触点输入，将控制柜内部24V电源接入耦合器。4将工业以太网线缆一端插入控制柜I/O扩展端口X44上，另一端插入耦合器的信号输入网口。三、库卡机器人的IO配置序号操作步骤示意图5将线缆将端子模块的节点端口（PE）与机器人控制柜接地保护线连接在一起。6开启机器人控制系统，如果耦合器上的电源LED常亮，则I/O端子模块电源线接入正确。硬件接线完毕。三、库卡机器人的IO配置2.WorkVisual软件与系统配置2.1工业机器人控制系统项目的配置如果将工业机器人控制系统比作office办公软件，那么项目就是一个word文档。在工业机器人控制系统项目中包含了工业机器人的控制系统组件、机器人本体信息、总线结构、安全控制以及RoboTeam（多机协作）配置等部分。即使有相同的硬件组成，不同的配置项目也会让机器人的控制系统适应与不同的生产需求。工业机器人控制项目的配置需要使用WorkVisual软件完成，其流程主要分为以下几个步骤，具体如图13所示。项目的具体配置方法可分别参考任务4.2及4.3中对应的任务操作。其中编辑信号注释为非关键步骤，在连接总线之后也可直接生成代码并导出。三、库卡机器人的IO配置图13项目配置流程三、库卡机器人的IO配置2.2WorkVisual软件的功能于由KRC4控制的机器人工作单元的工程环境软件WorkVisual用于由库卡机器人控制系统（KRC）控制的机器人工作单元的工程环境，其操作界面及各部分功能可详见附录I。WorkVisual软件具有以下功能（部分）：①可以将项目从机器人控制系统传输到WorkVisual的工程环境。在每个具有网络连接的机器人控制系统中都可选出任意一个项目并传输到WorkVisual里，即使电脑中尚没有该项目时也能实现。②将项目与其它项目进行比较，如果需要则应用差值。一个项目可以与另一个项目比较，比较对象可以是机器人控制系统上的一个项目或PC中保存的项目，用户可针对每一个不同点单独决定是否沿用当前项目中的状态还是想采用另一个项目中的状态。③在线显示机器人控制系统的系统信息三、库卡机器人的IO配置④编辑安全配置安全配置包括机器人控制系统的信息、机器数据、通讯参数、各轴监控等。⑤对机器人离线编程可在WorkVisual软件环境中新建程序模块并键入程序指令，也可进行程序模块在软件中的导入与导出。⑥管理长文本编辑，即信号的注释。⑦管理备选软件包，如焊接工艺包KST_ArcTeach_Basic等⑧诊断功能⑨离线配置RoboTeam通过配置RoboTeam可实现最多四台机器人以团队形式进行协同作业。此外机器人还可以与附加轴运动系统（例如工件定位器或机器人线性轴）进行同步，以便执行在时间和空间上的协调运动。三、库卡机器人的IO配置2.3任务操作——导入设备说明文件（1）任务要求EtherCAT的从站说明文件叫做EtherCATSlaveImplementation（ESI），此文件目的是描述可配置设备从站的具体功能以及可配置项目。为了可在WorkVisual中使用一个I/O设备，软件需要先导入该设备的说明文件才能在项目中配置该I/O模块。设备说明文件需从设备生产厂家处获得。三、库卡机器人的IO配置本任务将BeckhoffEtherCAT产品对应的XML设备说明文件导入WorkVisual软件，导入文件见表1。表1待导入设备说明文件文件名称（.xml）注释BeckhoffEK11xx耦合器说明文件BeckhoffEL1xxx数字输入模块设备说明文件BeckhoffEL2xxx数字输出模块设备说明文件BeckhoffEL3xxx模拟输入模块设备说明文件BeckhoffEL4xxx模拟输出模块设备说明文件三、库卡机器人的IO配置（2）任务实施序号操作步骤示意图1选择菜单栏中“文件”>“Import/Export”。2选择“导入设备说明文件”，点击“继续>”按键，进入待导入文件查找界面。三、库卡机器人的IO配置序号操作步骤示意图3点击“查找…”按钮，导航到存放文件的目录。选择“BeckhoffEL1xxx”文件，点击“打开”。提示：在文件名右侧边框的下拉选项中需要选择“EtherCATESI”，如右图所示。4在待导入文件查找界面点击“继续>”，即进入右图所示的设备说明界面，点击“完成”按键。三、库卡机器人的IO配置序号操作步骤示意图5待导入成功后，即样本更新后，点击关闭。6参考步骤1~步骤5，将表4-1所列文件全部导入软件，点击“关闭”。导入成功后界面如右图所示。现可以在样本中使用已导入的文件。三、库卡机器人的IO配置2.4任务操作——样本扫描（1）任务引入样本即为可挂接在机器人系统中的设备单元的说明文件，在软件安装、更新或新导入设备说明文件之后，需要进行样本扫描操作，以使WorkVisual软件识别当前用户需要使用的设备样本。本任务需要在未打开项目文件时执行。三、库卡机器人的IO配置（2）任务实施序号操作步骤示意图1选择菜单栏中“工具”>“DTM样本管理”。2点击“查找安装的DTM”按键。WorkVisual将在PC中查找相关的文件。查找结果将被显示。三、库卡机器人的IO配置序号操作步骤示意图34所选文件将在区域“当前的DTM样本”中显示。点击“OK”。样本扫描完毕。三、库卡机器人的IO配置2.5任务操作——连接WorkVisual与工业机器人控制系统（1）任务要求连接WorkVisual（PC端）与机器人控制系统是配置机器人系统项目以及项目导入与导出的必要条件。在连接时，机器人系统需处于“专家”用户组，并且确保PC与机器人的IP地址在同一网段的不同位置。三、库卡机器人的IO配置（2）任务实施序号操作步骤示意图1将工业以太网线缆一端接在电脑网络端口（左），另一端接在机器人控制柜的X66端口（紧凑型）提示：非紧凑型控制柜为KL1网口。

2在示教器中操作，将用户切换至“专家（Expert）”模式。三、库卡机器人的IO配置序号操作步骤示意图3在主菜单界面，选择“投入运行”，点击“网络配置”，查看机器人的IP地址。4记录右图所示的机器人IP地址和子网掩码。三、库卡机器人的IO配置序号操作步骤示意图5PC端选择“控制面板”>“网络和Internet”>“网络和共享中心”，点击PC的“以太网”。6在“以太网状态”界面点击“属性”，进入以太网属性界面，选择“Internet协议版本（TCP/IPv4）”，点击“属性”。三、库卡机器人的IO配置序号操作步骤示意图7将PC的IP地址更改如右图所示，点击“确定”。然后查看PC网络状态，若出现“黄色感叹号”

，说明已与机器人连接成功。提示：IP地址前三位需要与机器人相同，IP地址最后一位可以取2~255任意值，但不能与机器人相同。子网掩码要与机器人全部相同。三、库卡机器人的IO配置2.6任务操作——载入并激活控制系统配置项目（1）任务要求创建新项目有以下三种方式。①建立一个空项目借助模板创建项目在现有项目的基础上修改项目为保证只修改机器人I/O信号的配置，避免因项目中其他的设置产生改变导致不可预见的问题，本任务要求在4.2.4~4.2.5任务完成的前提下，在机器人现有项目的基础上修改项目。三、库卡机器人的IO配置（2）任务实施序号操作步骤示意图1选择菜单栏“文件”>“查找项目”。2点击“更新”，在可用的单元界面显示已连接机器人控制器的项目。选择该项目并打开。提示：若未查找到项目，需参考4.2.5，重新连接Workvisual与机器人控制系统。三、库卡机器人的IO配置（2）任务实施序号操作步骤示意图3打开项目后，右键控制器选择“设为激活的控制器”。直接双击该控制器，也可完成激活。4激活后的项目如右图所示。提示：在不确定的情况下，不能改变机器人激活项目的任意参数，否则可能造成控制系统报错，甚至导致机器损坏。三、库卡机器人的IO配置2.7任务操作——配置I/O端子模块（