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開源 Ig H Ether CAT 主站在 Linux CNC 開放式數(shù)控系統(tǒng)中的應(yīng)用研究
2020-9-16 來源： 浙江師范大學(xué)工學(xué)院 作者：張克華 馬佳航 田林曉 朱苗苗
摘要: 為了實(shí)現(xiàn)成本低廉，設(shè)計(jì)便捷、靈活、易擴(kuò)展的數(shù)控系統(tǒng)，搭建基于 Ether CAT 通信總線與 PC 機(jī)的純軟件數(shù)控系統(tǒng)，并對(duì)該系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試。以低成本工控機(jī)作為上位機(jī)，并集成好開源數(shù)控系統(tǒng) Linux CNC 軟件的 Linux ＲTAI(Ｒeal－Time Application Interface)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，下載搭建 Ether CAT 主從站通訊框架，實(shí)現(xiàn)了PC 上位機(jī)即 Ether CAT 主 站 與 伺 服 驅(qū) 動(dòng) 器 即Ether CAT 從站之間的通信，完成多軸數(shù)控系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)的搭建。運(yùn)用 Wire Shark 軟件進(jìn)行數(shù)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該數(shù)控系統(tǒng)的平均傳輸時(shí)間為 47. 7 μs，最大值為 779 μs，最小值為 0. 2 μs。很好地滿足了數(shù)控系統(tǒng)要求響應(yīng)時(shí)間在 1 ms 及以下的實(shí)時(shí)性要求，因此該方案集成Ether CAT 的 Linux CNC 可以用于工業(yè)機(jī)器人與通用數(shù)控機(jī)床等自動(dòng)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。
關(guān)鍵詞: Ether CAT;工控機(jī);Linux CNC;開放式數(shù)控系統(tǒng)
計(jì)算機(jī)數(shù)字控制技術(shù)( computer numerical control，CNC) 是一種能夠?qū)⒕哂锌刂凭幋a或其他符號(hào)指令規(guī)定的程序有邏輯地處理，并在對(duì)其譯碼后控制自動(dòng)運(yùn)行的控制技術(shù)。傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)大多采用專用獨(dú)立控制器［1］。
隨著工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展，以工業(yè) PC 機(jī)為基礎(chǔ)的低成本開放式數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展迅猛。相比有獨(dú)立控制器的傳統(tǒng) CNC 系統(tǒng)，采用帶有實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的 PC機(jī)作為上位機(jī)的開放式 CNC 系統(tǒng)架構(gòu)由于不需要專用硬件，可以有效地降低成本并且具備較好的靈活性［2］。開放式數(shù)控系統(tǒng)中可應(yīng)用多種通信總線架構(gòu)，其中 Ether CAT［3－5］( ethernet control automation technolo-gy) 以實(shí)時(shí)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，適用性廣，具備高性能、低成本、應(yīng)用簡(jiǎn)易等優(yōu)點(diǎn)，可以有效的降低成本和應(yīng)用難度，在現(xiàn)代控制領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。
目前主要應(yīng)用的 Ether CAT 框架有: 德國(guó)倍福的 Twin CAT 主站，德國(guó) Ig H 公司的在 Linux 下的 Ether CAT 主站協(xié)議棧Ig H Ether CAT Master for Linux 以及德國(guó) Acontis 公司的基于
AＲM9 架構(gòu)的 Linux 嵌入式主站 EC － Master等，其中 Ig H Ether CAT Master for Linux 是一個(gè)開源的框架，已經(jīng)被集成在 Linux 內(nèi)核上。
開源數(shù)控系統(tǒng) Linux CNC，是一款構(gòu)建于實(shí)時(shí)Linux 操作系統(tǒng)之上的開源的純軟件數(shù)控系統(tǒng)，用于數(shù)控系統(tǒng)和機(jī)器人系統(tǒng)控制，可以控制多達(dá) 9 軸系統(tǒng)，設(shè)計(jì)便捷、靈活、易擴(kuò)展［3］。用戶可以根據(jù)特定的數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)用要求，通過定制相應(yīng)的配置文件、HAL 模塊連接以及操作界面來完成控制系統(tǒng)的開發(fā)。其主要由兩大部分組成: 用戶空間和 ＲTAI( realtime applicationinterface) 內(nèi)核空間［6］。用戶空間模塊是普通的 Linux程序且不具備實(shí)時(shí)性，含有為應(yīng)用程序提供人機(jī)界面( human machine interface，HMI) 的模塊，ＲTAI 內(nèi)核空間模塊是實(shí)時(shí)運(yùn)行的，其內(nèi)核架構(gòu)不允許低優(yōu)先級(jí)的進(jìn)程搶占［7］。ＲTAI 內(nèi)核空間中還包括含有軌跡生成和插值算法的運(yùn)動(dòng)控制實(shí)時(shí)模塊 MOTMOD［8］和用來連接 ＲTAI 的硬件抽象層( HAL) 模塊。
使用該軟件CNC 系統(tǒng)，可以與市售的伺服驅(qū)動(dòng)器搭配使用且廣泛支持的標(biāo)準(zhǔn)化工業(yè)以太網(wǎng)，從而實(shí)現(xiàn)用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)總線進(jìn)行通信來提高靈活性并降低成本［9］。即通過采用開源 Ig H Ether CAT master 集成在 PC 機(jī)中搭建 Ether CAT 主站，采用伺服驅(qū)動(dòng)器搭建 Ether CAT從站的方式，來實(shí)現(xiàn) PC 機(jī)與伺服驅(qū)動(dòng)器的通訊［10－11］。數(shù)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性是衡量控制系統(tǒng)優(yōu)劣的一項(xiàng)關(guān)鍵的指標(biāo)，主要體現(xiàn)在數(shù)控系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行快速而準(zhǔn)確的處理并及時(shí)作出響應(yīng)。
在實(shí)際工況中，根據(jù)控制任務(wù)的不同，將實(shí)時(shí)性劃分為對(duì)應(yīng)響應(yīng)時(shí)間為 100 ms及以上，5～10 ms，小于 1 ms，以及 100 節(jié)點(diǎn)下的伺服運(yùn)動(dòng)控制小于 1 ms 的 4 個(gè)級(jí)別。其中 CNC 的實(shí)時(shí)性要求在第三級(jí)和第四級(jí)，也就是響應(yīng)時(shí)間在 1 ms 及以下［12－13］。CNC 需要解決實(shí)時(shí)性問題是如何同步地向伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)送位置指令。理想情況下，所有伺服驅(qū)動(dòng)器都應(yīng)在同一時(shí)間接收并執(zhí)行各自的位置指令。此外，連續(xù)位置命令之間的周期應(yīng)該始終是常量。本文所構(gòu)建的 CNC 系統(tǒng)采用 PC 機(jī)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)( real time operating system，ＲTOS) 安裝開源的 Ig H Eth-er CAT 主站，Ether CAT 伺服驅(qū)動(dòng)器作為從站。
該數(shù)控系統(tǒng)為純軟件解決方案無需任何擴(kuò)展卡或外部控制器，靈活性高，可以通過擴(kuò)展 PC 實(shí)現(xiàn)的數(shù)控內(nèi)核和HMI 來增加新功能，并且易于實(shí)施的特點(diǎn)。本文采用Linux ＲTAI 作為 CNC 控制器的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，通過測(cè)試其抖動(dòng)和延遲，測(cè)試滿足了數(shù)控機(jī)床對(duì)控制系統(tǒng)的1 ms 及以下的實(shí)時(shí)性要求。擬提供開源、低成本和擴(kuò)展性好的滿足工業(yè)上實(shí)時(shí)要求的數(shù)控系統(tǒng)。
1、多軸數(shù)控實(shí)時(shí)性測(cè)試系統(tǒng)的構(gòu)成
本文整合 Ether CAT 主站于 Linux CNC 中的多軸純軟件數(shù)控系統(tǒng)。系統(tǒng)是基于 Ether CAT 搭建的，以作為主站的工控機(jī)為第一節(jié)點(diǎn)，通過網(wǎng)線將作為從站的伺服驅(qū)動(dòng)器依次相連，形成一個(gè)完整的 Ether CAT 主從站現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)。該數(shù)控系統(tǒng)的基本構(gòu)成，如圖 1 所示，整個(gè)系統(tǒng)的硬件主要包括作為主站的工控電腦( gk1037u /i5－ 3317u) ，作為從站的交流伺服驅(qū)動(dòng)器( 英威騰 SV－DA200) ，與伺服驅(qū)動(dòng)器配套的電動(dòng)機(jī)等。系統(tǒng)的軟件部分主要是 Linux CNC 軟件和 Ig HEther CAT Master for Linux 框架。
通過修改 Linux ＲTAI中的 HAL 模塊實(shí)現(xiàn) Linux CNC 和 Ether CAT 的通信。作為從站的伺服驅(qū)動(dòng)器，在接收到主站發(fā)來的Ether CAT 幀報(bào)文后，可以控制電動(dòng)機(jī)和其他輔助設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)。
2 、Linux CNC 環(huán)境中 Ether CAT 主站搭建
Ether CAT 只定義了標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)的七層 OSI模型中的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層 和應(yīng)用層這三層協(xié)議［9］。Ether CAT 工作采用主從模式，一個(gè)主站可以控制多個(gè)從站。根據(jù)伺服驅(qū)動(dòng)器技術(shù)指南手冊(cè)，將所提出的系統(tǒng)中應(yīng)用的伺服驅(qū)動(dòng)器的時(shí)間同步周期設(shè)置為4 ms［14］。開始通信時(shí)，主站將 Ether CAT 幀發(fā)送信號(hào)給第一個(gè)從站，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)從站收到主站發(fā)送的Ether CAT 幀后，第一個(gè)從站下載需要的數(shù)據(jù)并插入需要傳送的數(shù)據(jù)后傳送給下一個(gè)從站，一直循環(huán)至最后一個(gè)從站完成上述操作后將數(shù)據(jù)包返回主站，如圖 2所示。
Ether CAT 主站系統(tǒng)是模塊化構(gòu)成的，主要分為三大模塊: 設(shè)備驅(qū)動(dòng)模塊、主站模塊和應(yīng)用層模塊。其中設(shè)備驅(qū)動(dòng)模塊能夠進(jìn)行以太網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)的配置，并通過以太網(wǎng)口使得主站模塊可以收發(fā)到 Ether CAT 幀。本文中站模塊是指集成 在 Linux 內(nèi)核中的 Ig HEther CAT Master 主站內(nèi)核模塊，通常包含了一個(gè)或者是多個(gè)的 Ether CAT 主站對(duì)象。設(shè)備以及應(yīng)用層接口一般也集成在主站模塊中。應(yīng)用層模塊是開發(fā)者編寫的能夠控制主站模塊的關(guān)鍵模塊。程序在調(diào)用應(yīng)用層接口后，才能去控制主站模塊。
Ether CAT 從站系統(tǒng)是安裝在從站軸伺服驅(qū)動(dòng)器中的。本文使用英威騰 Ether CAT 伺服驅(qū)動(dòng)器( 型號(hào)DA200) ，其內(nèi)部的 Ether CAT 網(wǎng)絡(luò)模型如圖 3 所示。Ether CAT( Co E) 網(wǎng)絡(luò)參考模型包括兩部分: 數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。數(shù)據(jù)鏈路層主要負(fù)責(zé) Ether CAT 通信協(xié)議，應(yīng)用層嵌入了 CANopen drive Profile( DS402) 通信規(guī)約。Co E 中的對(duì)象字典包括了參數(shù)、應(yīng)用數(shù)據(jù)以及PDO 映射配置信息。過程數(shù)據(jù)對(duì)象( PDO) 由對(duì)象字典中能夠進(jìn)行 PDO 映射的對(duì)象構(gòu)成，PDO 映射定義了 PDO 數(shù)據(jù)中的內(nèi)容。
由于 PDO 數(shù)據(jù)是周期性進(jìn)行讀寫的，所以不需要查找對(duì)象字典; 而郵箱通信( SDO)的 通信是非周期性的，在讀寫時(shí)需要查找對(duì)象字典［4］。Ether CAT 是主從式的結(jié)構(gòu)，由于采用工業(yè) PC 機(jī)
作為控制主站，伺服驅(qū)動(dòng)器作為控制從站，首先需要完成 Ether CAT 主從站的搭建。下載安裝開源 的 Ig HEther CAT Master for Linux 作為 CNC 系統(tǒng)的 Ether CAT框架; 在工控機(jī)中安裝 Ether CAT 主站代碼; 測(cè)試 Eth-er CAT 的運(yùn)行情況。
如圖 4 所示，Ether CAT 成功安裝并運(yùn)行良好。
通過 Ether CAT 現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了 Linux CNC和伺服驅(qū)動(dòng)器之間的通訊，具體通訊方式，如圖 5 所示。在用戶將G代碼輸入到 Linux CNC 中后，Linux CNC 中的 ＲS－274 / NGC 解釋器會(huì)將 G 代碼解釋成數(shù)控系統(tǒng)能夠識(shí)別的數(shù)據(jù)塊; 這些數(shù)據(jù)塊會(huì)通過Linux CNC 中的硬件抽象層( HAL) 傳遞到 Ether CAT 主站系統(tǒng); 之后 Ether CAT 主站將數(shù)據(jù)塊以 Ether CAT 幀的形式發(fā)送至 Ether CAT 從站并最終驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件。
3、 Ether CAT 通信的試驗(yàn)平臺(tái)搭建與測(cè)試
為測(cè)試集成 Ether CAT 現(xiàn)場(chǎng)總線的開源數(shù)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能，搭建了試驗(yàn)平臺(tái)，如圖 6 所示。測(cè)試工具是采用網(wǎng)絡(luò)截包軟件 Wireshark 進(jìn)行實(shí)時(shí)性抓包測(cè)試，作為 Ether CAT 現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)主站的工控機(jī)與作為Ether CAT 從站系統(tǒng)的軸伺服驅(qū)動(dòng)器以及安裝有 Wire-Shark 軟件的 PC 機(jī)通過工業(yè)交互機(jī)連接在一起。
利用 Wire Shark 截取 Ether CAT 主從站系統(tǒng)通訊過程中交換的實(shí)時(shí) Ether CAT 幀報(bào)文的方式，統(tǒng)計(jì)通過Ether CAT 現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)進(jìn)行通訊的數(shù)據(jù)信息，然后據(jù)此計(jì)算該 Ether CAT 通訊過程的抖動(dòng)和延時(shí)時(shí)間，最后與數(shù)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求進(jìn)行比較，判斷 Ether CAT 通訊系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性是否符合要求。
Ether CAT 運(yùn)行測(cè)試的 G 代碼所需總的運(yùn)行時(shí)間為 200. 260 9 s，如圖 7 所示，主站發(fā)送報(bào)文的時(shí)間間隔( 主站地址 00: b4: 0d: 1e: 00: 66 發(fā)送的相鄰報(bào)文的統(tǒng)計(jì)時(shí)間之差，如主站地址發(fā)送的 No. 2 的報(bào)文統(tǒng)計(jì)時(shí)間為 0.003 261 s，No. 4 則為 0.007 260 s，兩者時(shí)間之差為 0.003 999 s，也就是這兩個(gè)報(bào)文的發(fā)送時(shí)間間隔為 3 999 μs。平均為 4 ms，最大時(shí)間為 4 041 μs，最小為 3 957 μs，波動(dòng)在±1. 5%以內(nèi)，如圖 8 所示。
在相對(duì)時(shí)間增量一欄中可以看出從站接收?qǐng)?bào)文所需的時(shí)間，也就是報(bào)文的傳輸時(shí)間。每一個(gè)從站報(bào)文( 地址為 02: b4: 0d: 1e: 00: 66) 相對(duì)主站發(fā)出的時(shí)間增量即為報(bào)文的傳輸時(shí)間，為了消除誤差，取每 5 個(gè)報(bào)文的平均傳輸時(shí)間計(jì)算，最大 779 μs，最小 0. 2 μs。整體平均傳輸時(shí)間為 47. 7 μs。
根據(jù)所截得的 Ether CAT 幀在 Wire Shark 中顯示的IO 圖中也可以看出，如圖 9 所示，在 X 軸表示的截包時(shí)間刻度間隔為 0. 001 s，Y 軸表示截包個(gè)數(shù)時(shí)，報(bào)文主站運(yùn)行平穩(wěn)，具有較高的可靠性。通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)報(bào)文從站接收?qǐng)?bào)文的整體平均傳輸時(shí)間約為 47. 7 μs，其中 99. 7%的 Ether CAT 幀傳輸時(shí)間在 0 ～ 3 μs，0. 3%以下的傳輸時(shí)間在 700～800 μs。通過統(tǒng)計(jì)計(jì)算，所得的
通訊時(shí)間測(cè)試結(jié)果符合 Ether CAT 的微秒( μs) 級(jí)刷新時(shí)間。
表明 Ether CAT 通訊總線系統(tǒng)已經(jīng)很好的整合進(jìn)了 Linux CNC 中。與數(shù)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求( 小于 1ms) 相比，測(cè)試結(jié)果為微秒級(jí)別符合數(shù)控系統(tǒng)要求，這表明本文提出的基于 Linux ＲTAI
和 Ig H Ether CAT 主站的開放式數(shù)控系統(tǒng)具備良好的實(shí)時(shí)性以及控制性能。
4、 結(jié)語(yǔ)
本文基于 PC 的集成 Ether CAT 于 Linux CNC 的開放式數(shù)控系統(tǒng)。該 CNC 系統(tǒng)擁有如下特點(diǎn): ( 1) 開源的 Linux ＲTAI 系統(tǒng)和 Linux CNC 實(shí)現(xiàn)了純軟件 CNC系統(tǒng)，用戶可以自行修改、復(fù)制以及再分發(fā)該數(shù)控系統(tǒng)。( 2) 使用 PC 機(jī)為上位機(jī)，無需專用硬件，降低了硬件成本。同時(shí)，Ether CAT 現(xiàn)場(chǎng)總線具有微秒( μs) 級(jí)刷新時(shí)間，而且可以搭載不同廠家生產(chǎn)的 Ether CAT 伺服驅(qū)動(dòng)器配合使用提高通用性和降低設(shè)備成本。( 3)系統(tǒng)功能靈活。純軟件性質(zhì)使得該數(shù)控系統(tǒng)能夠充分地利用 PC 機(jī)具備的大量計(jì)算資源實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)各功能，并且可以按需求編寫軟件模塊，輕松地添加系統(tǒng)新功能。
同時(shí)，用戶可通過修改配置文件參數(shù)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)不同數(shù)目的軸伺服驅(qū)動(dòng)器和電動(dòng)機(jī)，使得該數(shù)控系統(tǒng)的靈活性極大地增強(qiáng)。通過該數(shù)控系統(tǒng)集成并進(jìn)行了實(shí)時(shí)性測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果表明: 應(yīng)用 Ether CAT 現(xiàn)場(chǎng)總線，系統(tǒng)數(shù)據(jù)平均傳輸時(shí)間約為 47. 7 μs，說明 Ether CAT主從站系統(tǒng)較好的整合在了該數(shù)控系統(tǒng)中，該數(shù)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)響應(yīng)時(shí)間在微秒級(jí)別，也就滿足數(shù)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求的響應(yīng)時(shí)間在 1 ms 級(jí)及以下，所以集成 Ig HEther CAT 主站與 Linux CNC 純軟件數(shù)控系統(tǒng)可以很好地滿足工業(yè)機(jī)器人與通用數(shù)控機(jī)床等的要求。
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