分布式测控系统即集散控制系统,是一种以控制器和现场设备为基础,将相关工艺信号汇集到系统中,并由操作站进行监视或其他控制操作,用于实现对生产过程的数据采集、控制和监视功能的系统。分布式测控系统通常由输入输出模块通信模块、控制器和人机界面等模块组成组成,其主要特点是分散控制、集中操作,被广泛应用于应用于化工、石化电力、核电、制药、冶金、建材等对生产连续性、流程规范要求较高的流程工业领域。在分布式测控系统的帮助下,大型工业自动化生产线可实现集中作业、分散控制,将流程设备的停机率减少到最低限度。据制造业排名数据库,2023年我国分布式测控系统市场规模约124亿元,同比增长11.9%,预计2026年整个市场规模有望达151亿元。

▲典型分布式测控系统结构(来源:中控技术)
工业现场通常存在测控点分散、测控范围大、作业环境复杂的问题,且工业现场对测控系统的数据传输实时性具有严格要求。基于现场总线的测控系统虽然能够实现控制分散、信息集中,但其采用的“操作站-控制站-现场仪表”结构模式,系统成本较高,而且各厂家生产的标准不同,不能互联,给用户使用带来了极大的不便。传统现场总线应用在测控系统中逐渐暴露出实时性差、系统扩展复杂和稳定性不足等问题,已无法满足现代工业测控系统的需求,网络化、分布式、实时性成为当下测控系统的核心。

▲基于现场总线技术的测控系统结构
目前,工业以太网技术不断成熟、成本迅速降低,已成为大规模测试系统的首选方案。EherCAT 作为一种新型工业以太网总线,具有数据传输实时性高、可靠性好、系统结构拓扑灵活等优点。将 EherCAT 总线技术应用于测控系统,设计一种串联型分布式测控系统,该系统可对多种信号同时进行多通道的测量和控制。基于EherCAT 总线技术可以实现具有实时性好、抗干扰能力强的分布式测控网络,同时可以针对不同的测控需要进行功能模块的扩展,可以解决工业现场中高密度实时数据的传输问题。
01
基于 EtherCAT 的分布式测控系统
基于 EtherCAT 的分布式测控系统采用一主多从的体系结构,主站与从站之间以及各从站之间通过标准网线连接构成 EtherCAT 通信网络。主站是测控系统的控制中心,管理主从站间EtherCAT总线通信功能并实现人机交互,从站实现具体的测量及控制功能,同时在EtherCAT数据帧经过时获取控制信息,并将采集的数据信息插入到EtherCAT数据帧中反馈给主站。

▲基于EherCAT的分布式测控系统总体结构
系统主站通常采用PC机运行TwinCAT软件控制器的方式实现,硬件方面只需要一个带有标准网卡的PC机,主要用于开发控制程序、配置从站单元、开发人机界面等。测控系统工作时,可视化界面通过用户的操作获取用户的控制意图,并形成控制信息。然后,PLC控制程序将控制信息进行处理,然后将处理后的控制信息转发给EtherCAT驱动程序。EtherCAT驱动程序将处理后的控制信息打包,形成EtherCAT数据帧,并将 EtherCAT 数据帧转发给网卡驱动。网卡驱动将 EtherCAT数据帧封装成以太网数据帧,然后通过 NIC 网卡发送给测控系统从站。类似的,当EtherCAT数据帧从站返回到主站时,TwinCAT可以获取从站采集的数据信息,并通过可视化界面将采集的数据实时显示出来。从站包括EtherCAT通信及测量控制两部分。通信板实现与系统主站的 EtherCAT 通信功能,接收系统主站发送的 EtherCAT下行数据帧并进行解析,获取主站发送的控制信息并将控制信息转发给测控板微处理器,同时获取测控板采集的数据信息,并将采集的数据信息插入到EtherCAT数据帧中返回给主站。测控板为测控系统测量及控制功能的实现单元,通常包括多路开关量输入测量、多路脉冲量输入测量、多路模拟量输入测量以及多路开关量输出控制、多路脉冲量输出控制、多路模拟量输出控制。此外还包括一 SPI接口和一个串口,其中 SPI接口用于和通信板进行数据交换,获取主站控制信息并反馈采集的数据信息,串口可以和PC 机RS232等接口通信,方便获取系统从站状态信息,便于调试。

▲典型的基于 EherCAT 的分布式测控系统细分结构
02
基于 EherCAT 的分布式测控系统从站
数据采集与处理的微处理器与EherCAT从站控制器构成的最小系统从站核心单元,用于主站与各从站模块数据交换。

▲典型基于 EherCAT 的分布式测控系统从站结构
从站通信模块
通信模块主要实现系统从站与主站的EtherCAT 通信功能,一方面将主站的控制通过 EtherCAT 总线传递给从站微处理器实现相应的控制功能,另一方面将从站微处理器采集的数据通过 EtherCAT 总线反馈给主站。通信板主要包括 EtherCAT 网络接口电路、PDI接口电路和 ESC外围电路三部分。EtherCAT 网络接口电路实现 EtherCAT 协议的物理层及数据链路层,PDI接口电路用于从站微处理器与 ESC间数据交换,ESC外围电路包括时钟电路、配置电路和 EEPROM 接口电路。

▲典型EtherCAT 通讯板结构框图
从站检测控制模块
测控系统的检测及控制电路实现开关量、脉冲量、模拟量信号输入采集以及输出控制功能。

▲典型检测及控制系统结构框图开关量输人采集功能使用从站微处理器自带的GPIO 接口实现,通过光耦实现电气隔离,采用双向TVS二极管保护电路不受冲击电流影响。脉冲量输人采集功能使用从站微处理内部强大的定时器实现,输入的差分脉冲信号经过输入差分驱动器形成单端信号,并通过高速光耦连接到从站微处理内部定时器输人引脚通过定时器输入捕获功能获取输入脉冲的频率值。AD采样转换模块针对某被测对象实际工况进行设计,可实现多通道高精度单端或差分信号同步采集,每通道独立采样,支持同步数据采集,并能记录采集数据对应的绝对时间信息。
03
码灵半导体EtherCAT分布式测控系统解决方案
EterCAT从站的核心部分是EterCAT从站控制器芯片(ESC)。码灵半导体推出的CF110x系列为EtherCAT分布式测控系统从站控制器芯片提供了新的选择。

▲码灵半导体CF110x系列芯片实物图
码灵半导体CF110x系列ESC芯片使用外部25 MHz晶振工作,通过并行总线和微处理进行数据交互。EEPROM用来存储从站配置信息,当CF110x系列在上电或复位后,会自动读取EEPROM内的配置数据并装入相应寄存器,CF110x系列和EEPROM通过I2C串行总线完成数据交互。CF110x系列提供了多层可编程中断结构,当CF110x系列发生中断时,微处理器进入中断程序读取CF110x系列中断寄存器判断中断事件源,从而进行相应的处理。CF110x系列内置 PHY0 和 PHY1,其与内置网络变压器的标准RJ45接口相连。

▲码灵半导体CF110x系列芯片结构框图
同时码灵半导体开发了多款IO模块,可满足分布式测控系统在数据采集端(采集器)的应用需求,并配有专门的耦合器。CF110x系列最多支持3个EtherCAT 接口,可配置其中一个接口作为系统内总线接口,另外两个接口为以太网作为外总线接口。其中一个接口与上行链路相连,用以实现 EtherCAT总线耦合器连入EtherCAT系统的功能,另一个连接下行链路采集器,实现将下行链路采集器接入EtherCAT系统的功能。EtherCAT总线耦合器使得系统拓扑结构不限制为菊花链结构,提高了系统的灵活性。

▲16路独立式IO应用方案框图及实物

▲码灵半导体32路独立式IO应用方案框图

▲码灵半导体32路独立式IO应用方案实物

▲码灵半导体刀片式IO应用方案框图

▲码灵半导体刀片式IO(含耦合器)应用方案实物
采用 EtherCAT 总线可以使测控系统拥有良好的实时性、可靠性及可扩展性能。而基于码灵半导体CF110x系列实现的EtherCAT 通信技术,可满足分布式测控系统对通道数量多、采集及控制精度高、信号种类多样等开发需求,适用于工业、农业等各种场合,应用前景开阔。
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