工业自动化控制系统运动控制内核的设计与实现

工业自动化控制系统运动控制内核的设计与实现

林贺盛

宁波瑞利时数控科技有限公司，浙江省宁波市，315000

摘要：近些年，社会快速发展，随着国家“十四五”规划开启和中国制造2025计划的深入推进，中国在生产制造领域整体水平得到提高。互联网技术的高速发展，打破了原先传统意义上的生产模式和管理配置。我国科学技术不断进步，工业生产的自动化水平也在提升，越来越多高科技含量的设备投入到工业生产当中，使生产效率显著提升。但是，这些设备本身所包含的各项参数比较复杂，设备的功能也处于待完善状态。工业自动化控制当中，DCS系统是应用最为广泛的系统，其具备可靠性高、控制性能强的特点。但是DCS系统在运行过程中条件比较复杂，很容易出现运行故障。为进一步突出DCS系统在工业生产自动化中的应用效果，需要详细了解DCS系统，并掌握DCS系统常见的故障以及做好故障诊断工作。如此，才能制定科学合理的维护措施，选择恰当的维护技术，充分发挥出DCS系统的控制功能。

关键词：工业；自动化控制系统；运动控制；内核设计；实现

引言

在工业自动化控制领域中，运动控制内核是其核心的设备，其关系着生产过程中的精准化控制和智能化制造，所以发展高性能的运动控制内核可以提高工业制造的水平和实力。另外在工业制造中，传感器的数目越来越多，对通信时延要求越来越高，对链路结构灵活开放，使用实时以太网EtherCAT协议来代替传统的现场总线也是当前的发展趋势。

1工业自动化控制技术的发展历程

1.1　电力拖动控制系统

电力拖动控制系统分为直流传动和交流传动系统。交流电机无极调速系统出现于20世纪30年代，广泛应用于机床等对电传动技术性能要求高的机械设备上。20世纪60年代，大功率晶体管的成功研制，使变换器技术发生了根本性的变化。晶闸管直流电动机调速系统克服了旋转交流机组体积大、成本高、效率低、维护困难等缺点，调速精度、动态响应等技术性能也有了很大提高。

20世纪80年代，电力电子技术与微电子技术相结合，在交流电动机调速方面取得了重大进展。鼠笼式发动机变频调速和异步绕线转子系统是以转子交流控制系统逐渐取代直流控制系统。

1.2　PLC系统

20世纪30年代，机械加工公司通过机械化制造工艺来提升制造效益。在不同的自动化生产线中有许多继电器系统。在频繁运行的状态下，接触式电器工作频率降低，使用寿命短。这降低了操作电路的可靠性。生产于20世纪60年代初期的矩阵顺序控制器和晶体管逻辑控制器，都是利用电子技术来作为继电器控制的。接触器控制装置的缺点是不能广泛应用。通用汽车公司建议将计算机完整性、灵活性和互操作性以及继电器-接触器控制系统的易解释性和可操作性相结合。为了使通用控制器适应工业环境，简化了编程和入门级程序，提高了员工对所用技术的理解和掌握。1969年，EDC开发了第一台可编程逻辑控制器(PLC)，并成功地将其应用于总装线。摩托车的PLC安全性最高，平均无故障工作时间十万小时以上，大大降低了设备维护成本和经济损失，已成为电气自动控制系统中广泛应用的基础设备。

1.3　DCS系统

DCS的管理系统涉及电脑、通信、显示和管理四方面。它的特色是集中管理、上级监控和分散管理。它便于使用，在制造中获得应用。工业生产信息化是利用计算机信息技术、传输网络和多媒体技术来满足工业生产发展的技术要求的完整性分析。自动DCS控制系统应防止在潮湿和氧化条件下长期运行。最小的DCS控制器，包括了硬件和软件、操作节点、控制站。操作节点主要分为操作站点、工程师站和历史站点，而控制站则主要分为主控卡、通信卡和电源单元、I/0卡和相关的终端板。主控层采用冗余处理的100Mbps工业以太网，为确保与光缆并行地平稳工作，现场信号处理层采用了1.5～1.6的PROFIBUS-DP总线同轴。在中央控制层和信号处理单元的现场，它也可以用于第三方通信站和工业控制器。因此DCS也在电子工业中起到了很大的辅助功能作用。设备DCS系统故障会降低生产效率，导致生产中断。因此，有必要加强系统维护。

2工业自动化控制系统中计算机技术的应用

2.1FCS系统技术的应用

随着科学技术的快速发展，过程控制系统获得了良好的发展空间，逐渐由DCS控制系统发展为FCS现场总线控制系统，有利于实现全开放性、全数字化和全分散性的工业自动化控制系统，加快工业自动化控制系统的变革与创新发展。一般FCS系统是以远程I/O为基础而发展，利用智能化设备和智能化仪表来构建标准化及开放性的系统；同时现场总线的运用可以实现工程现场通信网络、现场设备互联、互操作功能等，通过开放式的互联网络使不同工厂设备相互传递信息数据，并分散各个功能块，由现场各个仪表加以执行，实现信息的共享以及多厂家的控制功能。现阶段，我国还没有真正实施FCS系统，还只能用于DCS系统现场控制站的I/O网络、远程I/O站与DCS系统控制站之间的通信。

2.2DCS计算机控制技术的应用

DCS计算机控制技术作为一种集散控制系统，是以传统计算机控制系统为基础，涉及控制、显示、通讯和计算机等，包括过程监控和过程控制两个环节，能够在局域网环境中运行，具有精准、安全、高效的特点。我国在冶金、建材、石油化工和电力等领域已经成功普及DCS控制系统。以该系统在火电厂中的应用为例，可分为水平分布型系统、层次分布型系统，在工业自动化控制系统中应用此系统时，各个子系统相互独立，即便某一子系统存在故障，其他子系统仍然可以正常运行。可以说，DCS系统的应用能够在很大程度上增加自动投入率，为MIS系统和预测检修分别提供实时数据及运行的状态和数据等。同时利用串形通讯技术，可以通过PLC接口来实现DCS控制系统和PLC控制系统的有效结合，增强火电厂自动化控制的安全性、精确性和高效性。

2.3PLC控制技术的应用

PLC技术具有抗

干扰能力强、可靠性高、体积小、编程简易、维修与组装便捷等特点，将其应用于工业自动化控制系统中，有利于有效实现网络通信、数据处理、逻辑控制等功能。该技术在系统中的应用具体如下：联网与通信功能：可以实现PLC设备与PLC设备或其他智能设备之间的通信，适用于系统内部的通信。

开关逻辑控制：该功能可以有效控制工业生产的顺序控制或逻辑控制，能够完全取代继电器的作用，实现自动流水线控制与多机群控制。数据处理功能：对于PLC控制技术而言，其本身具有数学运算、数据排序、数据转换、数据传输等功能，能有效实现工业生产中信息数据的处理、分析及采集等，因此多被用于食品、冶金和造纸等工业生产中。

运动控制功能：在运动控制领域应用PLC控制技术，可以对圆周运动或直线运动加以精准控制，我国通常将运动控制模块应用于电梯、机器人和机床等工业生产中。

工业生产过程控制：在工业生产中应用PLC控制技术，能够精确控制环境物理量，如压力、湿度和温度等，实现工业生产的数字化运转，提高生产的流畅性及安全性。目前PLC控制技术已经应用于热处理、化工和冶金等工业生产中，有利于实现自动化控制。

3运动控制内核通信模块核心技术研究

3.1通信原理

EtherCAT通信以主从网络通信拓扑为基础，其中主站的功能是控制运算和发送接收数据帧，从站的功能是对传递的数据帧进行响应，并根据对应的逻辑执行程序操作。在网络的物理层上，EtherCAT底层可由线型、星型、树型结构组成。主站采用规范的以太网控制器以及设备物理接口收发器，从站采用特定的ESC芯片对通信过程进行监管，接受规范的设备物理接口和Beckhoff研发的EBUS接口，此时不要求另外的物理层芯片设备。在网络的数据链路层上，收发的EtherCAT帧是集总帧类型，每个EtherCAT帧里含有不同从站中的信息。如在一个工作周期内，EtherCAT协议特有的数据帧处理技术能够实现不同从站信息的收发传递，EtherCAT帧每次通过一个从站点时，从站ESC会得到通讯需要的信息，还会把从站此时的状态信息添加到EtherCAT帧相应的报文地址处，EtherCAT帧不会停驻于从站处，而是经此处去到后一个从站，进而完成了整个超高速控制回路网络通信结构。

3.2运动控制内核通信机制设计与实现

数据帧收发方案设计。硬件层由龙芯3A4000处理器提供物理实体，包括计算机平台，外部接口模块等等，用来执行应用软件相应的控制功能。对于实时操作系统层，在Linux操作系统中打上RT-Preempt实时补丁，已经可以满足控制系统所需要的实时性，可预测性和高可靠性，也同时满足高精度计时，多级中断机制和实时调度机制等特性。目前一些数控系统中实时以太网现场总线模块仍采用传统的通信板卡形式进行总线数据的传输，不同的现场总线（如EtherCAT、SSB-III实时以太网总线等）对应不同的通信板卡，针对每一种现场总线都要开发一套与之对应的硬件板卡，使系统变得臃肿、高耦合且不可复用。替代方案是采用标准的以太网接口卡进行总线数据的收发，但是使用标准网卡会存在一个问题，数据包会穿过网络协议栈，将增加系统延迟和抖动，必须在进入内核网络协议栈之前捕获并处理数据包，否则系统的实时性将无法得到保证。

通信方案实现。介绍总线驱动模块数据帧的接收机制。默认情况下，网络数据包首先会经过内核空间的网卡驱动和网络协议栈，然后通过AF_INET套接字或者AF_PACKET标准套接字，被发送到用户空间的应用程序中，这样实时性难以保证。

数据帧发送机制实现。EtherCAT主站根据EtherCAT协议将要发送的数据按格式进行组帧，然后通过原始套接字机制直接将数据帧发送到网卡驱动，因为原始套接字是工作在数据链路层以下的，所以使用该机制可以直接跳过Linux的内核网络协议栈来发送数据包，该机制可以保证发送数据的实时性，另外Linux内核协议栈是传统OSI模型，其无法识别EtherCAT协议的数据包，对于经过内核协议栈的EtherCAT数据包会直接丢弃。

3.3EtherCAT主站配置

根据EtherCAT协议规范以及IgH开源主站设计EtherCAT主站状态机，根据功能模块划分，主站状态机又包括从站扫描、从站配置状态机、服务数据对象请求状态机（SDO）和读写从站信息接口状态机（SII）等多个一级状态机。每个从站都对应一个从站状态机，每个从站状态机都映射到主站驱动模块里的从站状态机管理模块中，主站通过操作从站状态机管理模块就可以实现对从站状态的切换。除了状态机模块，主站还可以通过过程数据管理模块以及邮箱管理模块来对从站进行周期与非周期数据的交互。上述所有流程都严格按照主站状态机流程运转。

主站开始工作后，主站状态机是通过广播通信来监听总线拓扑变化。监听并发现所有连接在总线上的从站，通过运行从站扫描状态机来获得从站的配置信息，然后将配置信息记录在主站中。主站得到所有从站的配置信息后通过运行从站配置状态机就可以对从站进行配置，从站得到初始化参数后并且设定自己的初始化状态。此时所有从站节点都完成了初始化工作，主站节点转为监控状态。类似观察者模式，主站一直监控总线拓扑的变化，当拓扑发生改变时，主站需要按照上面流程重新配置从站。

结语

随着工业经济的快速发展，我国社会总体经济发展上升速度较快实现工业领域自动化的控制系统合理且科学地优化，为工业企业实现高效化、自动化、智能化的控制运行奠基。自动控制系统作为工业生产领域的关键组成部分，对工业生产信息化管理有着关键的意义。所以，必须做好对系统的保养，针对系统经常出现的问题做好针对性的维修排除。排查的过程中，需要科学合理地运用一些常规的排除手段，迅速发现问题部位，针对某些易发问题部位和零部件进行重点监测，做到发现问题，及时进行维修排除，使系统更加平稳工作，对工业智能化管理起到积极作用。

参考文献

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