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　　文/四川大學機械工程學院、創新方法與創新設計四川省重點實驗室 張家豪 李翔龍

　　單位：四川大學機械工程學院

　　郵箱：1981374936@qq.com 聯系人：張家豪 電話：17639599118

　　地址： 四川省成都市四川大學望江校區，郵編 610065

　　摘要：工業是推動社會發展、經濟繁榮的巨大引擎，隨著人工智能、互聯網技術的不斷發展，工業自動化、智能化亦成為了不可逆 轉的趨勢。EtherCAT作為一種目前最流行的工業現場總線之一，越來越廣泛的被應用于自動化工廠、數控機床、生產車間等相關領域。實時性是一個工業現場總線的一個很重要的評價指標，本文基于成都某自動化公司EtherCAT運動控制器研發項目通過搭建EtherCAT通信實驗平臺、捕獲通信過程數據、編寫程序解析通信數據對基于EtherCAT總線通信實時性進行了研究，實驗結果表明該方法可以對EtherCAT運動控制器的實時性進行測試。

　　Research on real-time Communication Testing Method based on EtherCAT Bus

　　Abstract: Industry is a huge engine to promote social development and economic prosperity. With the continuous development of artificial intelligence and Internet technology, industrial automation and intelligence have become an irreversible trend. EtherCAT, as one of the most popular industrial fieldbuses, is more and more widely used in automation   factories, CNC machine tools, production workshops and other related fields. Real-time is a very important evaluation index of an industrial fieldbus. Based on EtherCAT motion controller R&D project of an automation company in Chengdu, this paper studied the real-time communication based on EtherCAT bus by building EtherCAT communication experiment platform, capturing communication process data and writing programs to analyze communication data. The experimental results show that the proposed method can be used to test the real-time performance of EtherCAT motion controller.

　　1 引言

　　工業是國民經濟的主導和支柱產業，能夠提供眾多的就業崗位并促進社會繁榮。工業4.0誕生以來，強化了工業自動化、智能化對整個工業帶來的影響。我國工業自動化行業起步較晚，經過多年的發展，一些優秀廠商技術水平也在不斷提高，并借助國內制造業的快速發展，加快了國產化的速度。

　　在EtherCAT網絡中，主站發送數據幀通過從站設備節點時，從站節點會對數據幀中相關信息進行處理，根據數據幀中的讀寫命令進行不同的操作。EtherCAT通信周期時間短，是因為從站的微處理器不需要處理以太網的封包，所有數據資料都是由從站的硬件進行處理。此特性再配合上EtherCAT的機能原理，EtherCAT便具備了良好的實時性。本文以成都某自動化公司的EtherCAT運動控制器研發項目為依托，通過對EtherCAT通信原理的深入研究以及對抓包數據的解析測試其在不同軸數的情況下的EtherCAT主站的實時性表現。

　　2 實驗平臺搭建及通信測試

　　測試需要先搭建EtherCAT通信實驗平臺，實驗需要的器材如下：

　　一臺i5運動控制器(成都某自動化股份有限公司自主研發的面向EtherCAT的運動控制器);EtherCAT從站若干，包括EtherCAT接口伺服、EtherCAT接口的軸模塊、EtherCAT接口的軸模塊;一臺安裝MULTIPROG軟件的PC;一臺安裝有Wireshark軟件的PC;連接PC和i5運動控制器的網線，以及i5和從站的網線;以上的實驗器材搭建完成如下圖1所示的實驗平臺。

圖1 EtherCAT通信實驗平臺

　　在安裝有MULTIPROG的PC上編寫走直線的PLC程序，利用梯形圖(LAD，ladderLogic Programming Language)圖形編程語言去編寫一個簡單的單軸走直線的程序。參數設置為：周期：1ms;位移：100000mm;速度：10000mm/s;加速度：100000mm/s2;減速度：-100000 mm/s2。

　　在編譯運行PLC程序之前，先在安裝有Wireshark的PC端打開Wireshark軟件進行設置，首先勾選Wireshark軟件上的允許的協議一欄勾選ESL(EtherCAT Switch Link)以及esl_eth(EtherCAT over Ethernet),然后選擇以太網線路進行抓包。抓包過程圖如圖2所示。Wireshark在開啟抓包后會抓取所有在網線上傳輸的數據，因此為了只得到EtherCAT通信的數據，可以利用過濾器輸入“ecat.cmd==0x0c”命令即可過濾出其他的數據。

圖2抓包過程圖

　　3 實時性測試

　　通過以上的通信測試說明可以使用Wireshark進行抓包實驗，抓取的數據包文件格式為pcapng。此種文件格式具有很好的邏輯性和可擴展性，目前，在網絡上存在一些對該文件格式的解析源代碼，其功能和解析能力也是不一樣的，為了更好的對成都某自動化股份有限公司自主研發的EtherCAT運動控制器的實時性能進行測試，筆者編寫了解析該格式文件并輸出周期抖動大小的程序。程序流程圖如下圖4所示。

　　實驗設計為四組，分別設置從站個數為1、4、8、16，從站使用成都某自動化股份有限公司自主研發的A1E伺服電機。根據四組實驗設計，分別抓取數據包進行分析，實驗測試結果如圖4至圖7。同時為了避免隨機性誤差對實驗結果的影響，每組實驗分別做了兩次。實驗結果如表一所示。

圖3 抓包數據處理程序流程圖

圖4 1臺A1E從站周期實時任務抖動

圖5 4臺A1E從站周期實時任務抖動

圖6 8臺A1E從站周期實時任務抖動

圖7 16臺A1E從站周期實時任務抖動

表1主站在不同從站個數情況下的實時性表現

　　4 結論

　　本文以成都某自動化股份有限公司的EtherCAT運動控制器研發項目為依托，對EtherCAT通信原理進行了深入的研究。通過對EtherCAT通信時的數據幀進行抓包實驗測試其在不同軸數的情況下的實時性表現。結果顯示當從站個數為1臺時，主站周期抖動最大僅有25微秒，周期時間為1毫秒，抖動僅占整個周期時間的2.5%，說明主站具有良好的實時性。同時周期抖動大小與從站個數呈正相關的關系，當從站個數為16臺時，周期抖動最大有53微秒，占整個周期時間的5.3%，沒有超過主站的承受能力，仍具有良好的實時性。

　　EtherCAT自2003年誕生以來，一直致力于為全球工業自動化技術提供支持。經過多年的發展，面對競爭激烈的工業現場協議市場，EtherCAT以其超高速、低成本、靈活易用和開放性等特點，獲得了業界的廣泛支持與接納。基于EtherCAT協議的控制系統、伺服驅動、運動控制等解決方案與產品不斷被推出，EtherCAT通信的實時性也在不斷提高，為工業自動化行業提供技術上的支持。

　　作者簡介：張家豪，(1998-)，男，河南漯河人，四川大學機械工程學院，碩士研究生，主要研究方向：運動控制算法開發,詳細通訊地址：四川大學望江校區，郵編：610065。

　　李翔龍，(1971-)，男，四川成都人，博士研究生，博士生導師，主要研究方向：金屬學及金屬工藝，工業通訊技術及設備，詳細通訊地址：四川大學望江校區，郵編：610065。