分布式測控系統(tǒng)即集散控制系統(tǒng)，是一種以控制器和現(xiàn)場設備為基礎，將相關工藝信號匯集到系統(tǒng)中，并由操作站進行監(jiān)視或其他控制操作，用于實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)采集、控制和監(jiān)視功能的系統(tǒng)。分布式測控系統(tǒng)通常由輸入輸出模塊通信模塊、控制器和人機界面等模塊組成組成，其主要特點是分散控制、集中操作，被廣泛應用于應用于化工、石化電力、核電、制藥、冶金、建材等對生產(chǎn)連續(xù)性、流程規(guī)范要求較高的流程工業(yè)領域。在分布式測控系統(tǒng)的幫助下，大型工業(yè)自動化生產(chǎn)線可實現(xiàn)集中作業(yè)、分散控制，將流程設備的停機率減少到最低限度。據(jù)制造業(yè)排名數(shù)據(jù)庫，2023年我國分布式測控系統(tǒng)市場規(guī)模約124億元，同比增長11.9%，預計2026年整個市場規(guī)模有望達151億元。

▲典型分布式測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（來源：中控技術(shù)）

工業(yè)現(xiàn)場通常存在測控點分散、測控范圍大、作業(yè)環(huán)境復雜的問題，且工業(yè)現(xiàn)場對測控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸實時性具有嚴格要求。基于現(xiàn)場總線的測控系統(tǒng)雖然能夠?qū)崿F(xiàn)控制分散、信息集中，但其采用的“操作站-控制站-現(xiàn)場儀表”結(jié)構(gòu)模式，系統(tǒng)成本較高，而且各廠家生產(chǎn)的標準不同，不能互聯(lián)，給用戶使用帶來了極大的不便。傳統(tǒng)現(xiàn)場總線應用在測控系統(tǒng)中逐漸暴露出實時性差、系統(tǒng)擴展復雜和穩(wěn)定性不足等問題，已無法滿足現(xiàn)代工業(yè)測控系統(tǒng)的需求，網(wǎng)絡化、分布式、實時性成為當下測控系統(tǒng)的核心。

▲基于現(xiàn)場總線技術(shù)的測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

目前，工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)不斷成熟、成本迅速降低，已成為大規(guī)模測試系統(tǒng)的首選方案。EherCAT 作為一種新型工業(yè)以太網(wǎng)總線，具有數(shù)據(jù)傳輸實時性高、可靠性好、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)拓撲靈活等優(yōu)點。將 EherCAT 總線技術(shù)應用于測控系統(tǒng)，設計一種串聯(lián)型分布式測控系統(tǒng)，該系統(tǒng)可對多種信號同時進行多通道的測量和控制。基于EherCAT 總線技術(shù)可以實現(xiàn)具有實時性好、抗干擾能力強的分布式測控網(wǎng)絡，同時可以針對不同的測控需要進行功能模塊的擴展，可以解決工業(yè)現(xiàn)場中高密度實時數(shù)據(jù)的傳輸問題。

01

基于 EtherCAT 的分布式測控系統(tǒng)

基于 EtherCAT 的分布式測控系統(tǒng)采用一主多從的體系結(jié)構(gòu)，主站與從站之間以及各從站之間通過標準網(wǎng)線連接構(gòu)成 EtherCAT 通信網(wǎng)絡。主站是測控系統(tǒng)的控制中心，管理主從站間EtherCAT總線通信功能并實現(xiàn)人機交互，從站實現(xiàn)具體的測量及控制功能，同時在EtherCAT數(shù)據(jù)幀經(jīng)過時獲取控制信息，并將采集的數(shù)據(jù)信息插入到EtherCAT數(shù)據(jù)幀中反饋給主站。

▲基于EherCAT的分布式測控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)主站通常采用PC機運行TwinCAT軟件控制器的方式實現(xiàn)，硬件方面只需要一個帶有標準網(wǎng)卡的PC機，主要用于開發(fā)控制程序、配置從站單元、開發(fā)人機界面等。測控系統(tǒng)工作時，可視化界面通過用戶的操作獲取用戶的控制意圖，并形成控制信息。然后，PLC控制程序?qū)⒖刂菩畔⑦M行處理，然后將處理后的控制信息轉(zhuǎn)發(fā)給EtherCAT驅(qū)動程序。EtherCAT驅(qū)動程序?qū)⑻幚砗蟮目刂菩畔⒋虬?，形成EtherCAT數(shù)據(jù)幀，并將 EtherCAT 數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)發(fā)給網(wǎng)卡驅(qū)動。網(wǎng)卡驅(qū)動將 EtherCAT數(shù)據(jù)幀封裝成以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀，然后通過 NIC 網(wǎng)卡發(fā)送給測控系統(tǒng)從站。類似的，當EtherCAT數(shù)據(jù)幀從站返回到主站時，TwinCAT可以獲取從站采集的數(shù)據(jù)信息，并通過可視化界面將采集的數(shù)據(jù)實時顯示出來。從站包括EtherCAT通信及測量控制兩部分。通信板實現(xiàn)與系統(tǒng)主站的 EtherCAT 通信功能,接收系統(tǒng)主站發(fā)送的 EtherCAT下行數(shù)據(jù)幀并進行解析，獲取主站發(fā)送的控制信息并將控制信息轉(zhuǎn)發(fā)給測控板微處理器，同時獲取測控板采集的數(shù)據(jù)信息，并將采集的數(shù)據(jù)信息插入到EtherCAT數(shù)據(jù)幀中返回給主站。測控板為測控系統(tǒng)測量及控制功能的實現(xiàn)單元，通常包括多路開關量輸入測量、多路脈沖量輸入測量、多路模擬量輸入測量以及多路開關量輸出控制、多路脈沖量輸出控制、多路模擬量輸出控制。此外還包括一 SPI接口和一個串口，其中 SPI接口用于和通信板進行數(shù)據(jù)交換，獲取主站控制信息并反饋采集的數(shù)據(jù)信息，串口可以和PC 機RS232等接口通信，方便獲取系統(tǒng)從站狀態(tài)信息，便于調(diào)試。

▲典型的基于 EherCAT 的分布式測控系統(tǒng)細分結(jié)構(gòu)

02

基于 EherCAT 的分布式測控系統(tǒng)從站

數(shù)據(jù)采集與處理的微處理器與EherCAT從站控制器構(gòu)成的最小系統(tǒng)從站核心單元，用于主站與各從站模塊數(shù)據(jù)交換。

▲典型基于 EherCAT 的分布式測控系統(tǒng)從站結(jié)構(gòu)

從站通信模塊

通信模塊主要實現(xiàn)系統(tǒng)從站與主站的EtherCAT 通信功能，一方面將主站的控制通過 EtherCAT 總線傳遞給從站微處理器實現(xiàn)相應的控制功能，另一方面將從站微處理器采集的數(shù)據(jù)通過 EtherCAT 總線反饋給主站。通信板主要包括 EtherCAT 網(wǎng)絡接口電路、PDI接口電路和 ESC外圍電路三部分。EtherCAT 網(wǎng)絡接口電路實現(xiàn) EtherCAT 協(xié)議的物理層及數(shù)據(jù)鏈路層，PDI接口電路用于從站微處理器與 ESC間數(shù)據(jù)交換，ESC外圍電路包括時鐘電路、配置電路和 EEPROM 接口電路。

▲典型EtherCAT 通訊板結(jié)構(gòu)框圖

從站檢測控制模塊

測控系統(tǒng)的檢測及控制電路實現(xiàn)開關量、脈沖量、模擬量信號輸入采集以及輸出控制功能。

▲典型檢測及控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖開關量輸人采集功能使用從站微處理器自帶的GPIO 接口實現(xiàn)，通過光耦實現(xiàn)電氣隔離，采用雙向TVS二極管保護電路不受沖擊電流影響。脈沖量輸人采集功能使用從站微處理內(nèi)部強大的定時器實現(xiàn)，輸入的差分脈沖信號經(jīng)過輸入差分驅(qū)動器形成單端信號，并通過高速光耦連接到從站微處理內(nèi)部定時器輸人引腳通過定時器輸入捕獲功能獲取輸入脈沖的頻率值。AD采樣轉(zhuǎn)換模塊針對某被測對象實際工況進行設計，可實現(xiàn)多通道高精度單端或差分信號同步采集，每通道獨立采樣，支持同步數(shù)據(jù)采集，并能記錄采集數(shù)據(jù)對應的絕對時間信息。

03

碼靈半導體EtherCAT分布式測控系統(tǒng)解決方案

EterCAT從站的核心部分是EterCAT從站控制器芯片（ESC）。碼靈半導體推出的CF110x系列為EtherCAT分布式測控系統(tǒng)從站控制器芯片提供了新的選擇。

▲碼靈半導體CF110x系列芯片實物圖

碼靈半導體CF110x系列ESC芯片使用外部25 MHz晶振工作，通過并行總線和微處理進行數(shù)據(jù)交互。EEPROM用來存儲從站配置信息，當CF110x系列在上電或復位后，會自動讀取EEPROM內(nèi)的配置數(shù)據(jù)并裝入相應寄存器，CF110x系列和EEPROM通過I2C串行總線完成數(shù)據(jù)交互。CF110x系列提供了多層可編程中斷結(jié)構(gòu)，當CF110x系列發(fā)生中斷時，微處理器進入中斷程序讀取CF110x系列中斷寄存器判斷中斷事件源，從而進行相應的處理。CF110x系列內(nèi)置 PHY0 和 PHY1，其與內(nèi)置網(wǎng)絡變壓器的標準RJ45接口相連。

▲碼靈半導體CF110x系列芯片結(jié)構(gòu)框圖

同時碼靈半導體開發(fā)了多款IO模塊，可滿足分布式測控系統(tǒng)在數(shù)據(jù)采集端（采集器）的應用需求，并配有專門的耦合器。CF110x系列最多支持3個EtherCAT 接口，可配置其中一個接口作為系統(tǒng)內(nèi)總線接口，另外兩個接口為以太網(wǎng)作為外總線接口。其中一個接口與上行鏈路相連，用以實現(xiàn) EtherCAT總線耦合器連入EtherCAT系統(tǒng)的功能，另一個連接下行鏈路采集器，實現(xiàn)將下行鏈路采集器接入EtherCAT系統(tǒng)的功能。EtherCAT總線耦合器使得系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)不限制為菊花鏈結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)的靈活性。

▲16路獨立式IO應用方案框圖及實物

▲碼靈半導體32路獨立式IO應用方案框圖

▲碼靈半導體32路獨立式IO應用方案實物

▲碼靈半導體刀片式IO應用方案框圖

▲碼靈半導體刀片式IO（含耦合器）應用方案實物

采用 EtherCAT 總線可以使測控系統(tǒng)擁有良好的實時性、可靠性及可擴展性能。而基于碼靈半導體CF110x系列實現(xiàn)的EtherCAT 通信技術(shù)，可滿足分布式測控系統(tǒng)對通道數(shù)量多、采集及控制精度高、信號種類多樣等開發(fā)需求，適用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)等各種場合，應用前景開闊。