基于PROFIBUS总线的分布式控制系统冗余容错的关键技术

在实时嵌入式工控领域中,系统的实时性和高可靠性尤为重要.针对实时嵌入式领域中的工业现场分布式控制系统,设计了双冗余热备份PROFIBUS主站仲裁模块,提出了双冗余主站工作保持数据一致性问题以及双冗余PROFIBUS总线的工作与切换方案,并且设计了虚拟双端口存储器通信协议,提高了系统的可用性和可靠性.     

中国第一套基于EtherCAT的控制系统研发成功

ETG中国会员上海新华控制技术（集团）有限公司研发出基于ElherCAT技术的DCS控制系统TiSNet—E1000。该系统分为主站和从站两个部分。主站基于嵌入式实时操作系统,运行EtherCAT主站软件。从站通讯卡连接I／0卡件。该系统可以实现主站冗余、从站线缆冗余等EtherCAT亮点特性。此外,EtherCAT的高速性也使得系统的性能得到整体提升：相对于传统的DCS模式,该系统打破了在DCS系统通讯过程中存在的通信瓶颈,使系统的控制周期可以提升到10ms。     

基于FPGA的EtherCAT协议链路冗余研究

EtherCAT是一种实时工业以太网协议,使用链路冗余技术是实现链路稳定性和可靠性的重要手段。介绍了基于FPGA的EtherCAT链路冗余原理,设计通过FPGA实现主站与从站、从站与从站之间的通信链路与冗余链路的自动切换,从而实现EtherCAT的链路冗余。通过测试验证了此方法的可行性,增加了EtherCAT系统的可靠性与可维护性。     

PowerPC下双网冗余热备份高速切换技术实现

网络冗余切换热备份技术大多与运行有嵌入式操作系统的控制芯片一起工作,该技术的应用有效增强了网络数据传输的物理可靠性,但是网络切换速度一直是这项技术的瓶颈.本文首先提出通过运行有Linux系统的MPC8377芯片以及外部连接CPLD和2片88E111 PHY芯片完成网络冗余切换热备份的方案,然后依照方案设计对应软件,最终使得双网切换时间小于20 ms,极大地改善了现存方案的切换速度,使得网络恢复加快、数据传输更加可靠.     

基于冗余CAN总线的实时通信系统设计

针对航天现场工业环境对通信系统的可靠性有较高的要求,该文提出了基于冗余CAN总线的实时通信系统设计方法,该方法为系统的CAN网络主节点进行节点冗余设计,同时对CAN网络中的每个节点进行总线冗余设计.当主节点出现故障时系统切换到备份主节点工作,当总线出现故障时系统切换到备份总线上工作.该系统制定了统一的通信协议,系统主控模块FPGA对整个CAN网络中的节点进行实时监控,有效提高了系统数据传输的可靠性.     

EtherCAT时钟同步技术研究

EtherCAT是一种实时工业以太网协议;基于EtherCAT实时性强的特点,重点研究了EtherCAT分布时钟机制,并提出了在嵌入式设备上基于实时操作系统μC/OS II完成主站设计的方案;通过分析传输延时补偿、初始偏移补偿、动态漂移补偿等时钟同步过程,完成了对主站系统时钟同步技术的设计;基于环形冗余结构搭建了一主三从的EtherCAT测试系统,并通过计算机、示波器等设备采集得到从站间产生SYNC0信号的时间差值数据;最后,根据SYNC0周期为1ms的数据,分析得到系统时钟误差维持在55ns以内的同步性能,为时钟同步技术的理论研究提供了数据支持。     

基于EtherCAT的机器人控制总线方案研究

针对当前机器人网络化控制对通信带宽、响应速度、实时性等方面的更高要求,提出了基于EtherCAT的机器人控制总线解决方案.通过分析机器人控制的需求和EtherCAT的特点,采用线性拓扑结构来构建研究平台.从站采用STM32和COMX模块设计伺服控制器;主站采用Linux系统和RTAI模块构建支撑平台,并移植EtherCAT协议栈SOEM,结合网络控制模型来实现机器人伺服节点的分布式控制.通过实验验证了方案的可行性,并分析了总线的延时组成.     

基于FPGA的高性能硬件EtherCAT主站研究

随着技术的不断进步,高端应用场合对EtherCAT主站的性能提出了越来越高的要求。传统的软件EtherCAT主站使用Windows或Linux操作系统实现,主站的性能和稳定性完全依赖操作系统的实时性,且主站的抖动一般为微秒级别,不能满足高端应用的需求;同时,传统的时钟同步算法以第一从站的时钟作为系统时钟,具有一定的局限性。对此,文章首先对目前EtherCAT主站研究的现状进行阐述;然后提出了一种基于FPGA的硬件EtherCAT主站方案以及一种基于FPGA主站时钟的DC同步算法,并对硬件EtherCAT主站实现的方法进行了描述;最后采用6台通用伺服驱动器作为从站设备,对主站系统进行了实验验证。实验结果表明,所设计的主站通信数据帧抖动仅为5 ns,且搭配本文所述的时钟同步算法,各从站间同步信号SYNC0中断实时同步,能满足各高端应用场景的需求;同时由于FPGA代码的可移植性,该主站可灵活应用于不同的硬件平台,具有很强的工程指导意义。     

一种高可靠的运载火箭测发控设备

为满足运载火箭对测发控设备的通用化及高可靠的要求,对运载火箭测发控设备的设计方案进行了研究;整体设备采用通用机箱加标准化模块的设计思路,背板采用自定义的机内接口,基于业务信息和管理信息异构的设计思想,通过背板上冗余的CAN总线及RS485总线实现业务和管理信息的分离,以及管理总线对业务总线的异构备份,机箱及标准化模块通过读取背板信息确认当前插槽及模块类型,实现模块的灵活布置,采用模块热备和总线热备两级热备方案,以及自定义的内部通信协议,经过测试实现了测发控设备在各类故障模式下的正常工作,冗余切换延时小于500 ms,该设备已于某新型低温液体运载火箭上成功应用,经过实际应用满足运载火箭测发控系统的要求,后续可应用于其他运载火箭的相关领域。     

基于INtime的EtherCAT实时采集系统主站设计

为了满足EtherCAT网络通信的高实时性,提出了一种新的主站程序设计方案;基于Windows XP系统扩展INtime实时核的开发环境,使EtherCAT网络主站能够实现实时通信的要求;首先,介绍了EtherCAT网络的体系结构,然后,在分析INtime实时核扩展原理及EtheCAT网络通信原理的基础上,对主站功能模块进行了详细的划分,并给出了基于INtime实时系统的主站程序具体设计方法;最后,采用EtherCAT从站平台―高速多功能信号测试仪,验证了基于INtime的实时主站的功能,并对系统进行了测试分析,给出了实时性能测试的结果;实验结果表明设计的多功能采集系统主站具有高的实时性和可靠性特点。     

基于SII接口的EtherCAT网络配置方案设计

介绍了EtherCAT工业以太网技术及常用EtherCAT网络配置方案,分析了常用配置方案所存在的问题,针对EtherCAT配置方法开展研究,提出了一种基于从站信息接口(SII)的EtherCAT网络配置方案。通过设计实验对该配置方案进行测试,实验结果表明该方案能有效提高EtherCAT网络配置的效率。     

工业生产线通讯网络方案设计与分析

针对工业以太网信息交换过程中,无线传输不安全和因系统故障导致网络通讯不稳定等问题,在分析通讯网络技术需求的基础上,完成了结构设计和网络构建,提出了更为合理的方案。基于交换机互为热备份的方式,综合利用虚拟路由器冗余协议(Virtual Router Redundancy Protocol, VRRP)和介质冗余协议(Media redundancy protocol, MRP),实现了可容忍宕机和链路失效的冗余传输通讯,提高了系统的稳定性；同时,利用快速漫游和组播监听技术并结合使用了安全模块功能,实现了数据快速无线传输并与外部网络隔离,保障了数据传输的安全性。所提出的方案在工业生产与控制领域有较好的应用前景。     

基于双冗余的系留气球测控计算机设计

测控计算机作为系留气球平台的重要组成部分,对球体能否正常飞行起着至关重要的作用.为满足可靠性要求,结合工程上常用的两种双冗余热备份的结构特点,提出了基于“心跳信号”的测控计算机双冗余设计方案,该方案具有较为简单的切换逻辑和较强的抗干扰性能.该设备于2015年进行了外场飞行试验,连续工作15天,球体参数采集、机构控制、压差自控和链路自动切换等各项功能正常,系统工作稳定,验证了该测控计算机能够满足系留气球平台长时间飞行的要求.     

基于EtherCAT总线的分布式测控系统设计

介绍一种EtherCAT实时工业以太网现场总线技术,研究EtherCAT工作原理,通信协议及主、从站实现方法;针对一般工业现场测控需求,利用EtherCAT总线技术,设计基于工控机的主站管理软件和基于FPGA的嵌入式从站软硬件;应用结果表明,该分布式测控系统运行稳定可靠,数据丢失率低,实时性好。     

嵌入式网络化设备的可靠性与安全性设计

嵌入式设备资源有限,为提高嵌入式网络化设备的可靠性,分析了网卡冗余备份技术的实现原理,提出了一种通过在驱动程序中实现双网卡冗余备份的方案,并设计了相应的冗余切换算法.该算法具有应用无关性的特点,切换效率高,并且保持了低的资源占用率.为提高嵌入式网络化设备的安全性,实现了MAC地址过滤和IP防火墙功能,禁止非授权主机的访问.该方法有效地提高了网络安全性,已经在具有双以太网接口的硬件平台上测试通过.     

基于PC+控制卡的机器人手势容错控制系统设计

当前机器人手势容错控制系统,手臂控制灵活性较差,难以达到人们提出的要求。为解决上述问题,设计了一种新的机器人手势容错控制系统,设定“PC+控制卡” 为总体架构,加入主站和总站控制器增强系统的可扩展性,同时采用无冗余和冗余两种方式连接发生故障的线缆,提高系统的容错能力。使用最新的EtherCAT从站芯片设计了硬件的从站系统,LAN9252与外围电路连接形成ESC通信卡和外围电路组成ESC通信卡,引用八轴伺服控制卡作为核心部件,兼容两种从站要求,采用决策系统和原始数据加工处理算法设计了传感器控制。根据硬件设定驱动程序,分别包括从PC端向EtherCAT Master开源主站的驱动程序、从伺服控制卡到主控器的驱动程序、从传感器到伺服控制卡的驱动程序。实验结果表明,基于PC+控制卡的机器人手势容错控制系统最大跟随误差比传统系统误差缩短了24.33%,测试结果能够达到与其要求。     

CAN总线协议到EtherCAT从站协议的转换网关设计

摘要：本文通过对实时工业以太网通信协议EtherCAT的研究,设计了CAN总线主站协议转换为EtherCAT从站协议的通信协议转换网关设备,解决了工业自动化现场CAN总线通信设备与EtherCAT主站控制系统的互连1＂7题,从而保证现场总线设备数据更加高效、快速地传递到中央监控系统。     

SPARK-Ⅱ转鼓及控制棒驱动机构交叉冗余伺服驱动控制系统的设计

SPARK-Ⅱ转鼓及控制棒的驱动机构需要高可靠的驱动控制,实现该驱动控制功能的设备定义为转鼓及控制棒驱动机构驱动控制器,是指把堆控计算机的指令转化为驱动机构的驱动信号,并能通过对驱动机构的状态采集实现对多套转鼓及控制棒驱动机构的精确控制的控制系统。驱动控制器开展具备双冗余控制器对多台双冗余机构的交叉冗余伺服驱动控制设备的设计,控制器由两组备份的逻辑控制单元、电机交叉冗余切换单元、旋变测量信号切换单元、模拟量调理与切换单元、电磁驱动控制单元及9组电机驱动单元等组成,并通过1553B与堆控计算机通信。通过采用工业器件对设计的控制器的性能进行了检验,设备具备良好的控制性能,能够满足对转鼓及控制棒驱动机构的控制。系统接口满足航天相关规范要求。     

基于VxWorks+ARM9的PROFIBUS-DP冗余主站的设计

以ARM9微处理器与VxWorks操作系统为基础设计实现冗余PROFIBUS-DP主站控制器.详细讨论了冗余DP主站控制器对从站的管理维护以及冗余通信与主备切换的实现方法,并提供了与上位机通信的以太网接口,通过该接口可以对冗余DP主站组态并监控运行状态.本设计对国内冗余DP主站方面的研究提供了一种参考.     

基于小型PLC的EtherCAT主站系统设计与实现

目前市场上小型PLC控制器由于早期技术、成本原因，一般不支持EtherCAT总线通讯；但工业现场越来越多传感器、扩展模块采用EtherCAT接口，对PLC控制器的EtherCAT通讯需求日益迫切。针对上述问题，在现有小型PLC控制器软硬件基础上，提出了一种基于Ig H EtherCAT Master开源协议栈，快速构建EtherCAT主站系统的方法。最后，在NA300小型双网囗PLC上进行实践测试，实现了EtherCAT通讯接口扩展，满足了现场需求。