分布式測(cè)控系統(tǒng)即集散控制系統(tǒng)，是一種以控制器和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備為基礎(chǔ)，將相關(guān)工藝信號(hào)匯集到系統(tǒng)中，并由操作站進(jìn)行監(jiān)視或其他控制操作，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的數(shù)據(jù)采集、控制和監(jiān)視功能的系統(tǒng)。分布式測(cè)控系統(tǒng)通常由輸入輸出模塊通信模塊、控制器和人機(jī)界面等模塊組成組成，其主要特點(diǎn)是分散控制、集中操作，被廣泛應(yīng)用于應(yīng)用于化工、石化電力、核電、制藥、冶金、建材等對(duì)生產(chǎn)連續(xù)性、流程規(guī)范要求較高的流程工業(yè)領(lǐng)域。在分布式測(cè)控系統(tǒng)的幫助下，大型工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線可實(shí)現(xiàn)集中作業(yè)、分散控制，將流程設(shè)備的停機(jī)率減少到最低限度。據(jù)制造業(yè)排名數(shù)據(jù)庫(kù)，2023年我國(guó)分布式測(cè)控系統(tǒng)市場(chǎng)規(guī)模約124億元，同比增長(zhǎng)11.9%，預(yù)計(jì)2026年整個(gè)市場(chǎng)規(guī)模有望達(dá)151億元。

▲典型分布式測(cè)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（來(lái)源：中控技術(shù)）

工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)通常存在測(cè)控點(diǎn)分散、測(cè)控范圍大、作業(yè)環(huán)境復(fù)雜的問(wèn)題，且工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)測(cè)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性具有嚴(yán)格要求?；诂F(xiàn)場(chǎng)總線的測(cè)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(chǎng)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(biāo)準(zhǔn)不同，不能互聯(lián)，給用戶使用帶來(lái)了極大的不便。傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線應(yīng)用在測(cè)控系統(tǒng)中逐漸暴露出實(shí)時(shí)性差、系統(tǒng)擴(kuò)展復(fù)雜和穩(wěn)定性不足等問(wèn)題，已無(wú)法滿足現(xiàn)代工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)的需求，網(wǎng)絡(luò)化、分布式、實(shí)時(shí)性成為當(dāng)下測(cè)控系統(tǒng)的核心。

▲基于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的測(cè)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(cè)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(shí)時(shí)性高、可靠性好、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)拓?fù)潇`活等優(yōu)點(diǎn)。將 EherCAT 總線技術(shù)應(yīng)用于測(cè)控系統(tǒng)，設(shè)計(jì)一種串聯(lián)型分布式測(cè)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)可對(duì)多種信號(hào)同時(shí)進(jìn)行多通道的測(cè)量和控制。基于EherCAT 總線技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)具有實(shí)時(shí)性好、抗干擾能力強(qiáng)的分布式測(cè)控網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)可以針對(duì)不同的測(cè)控需要進(jìn)行功能模塊的擴(kuò)展，可以解決工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中高密度實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的傳輸問(wèn)題。

01

基于 EtherCAT 的分布式測(cè)控系統(tǒng)

基于 EtherCAT 的分布式測(cè)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(guò)標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)線連接構(gòu)成 EtherCAT 通信網(wǎng)絡(luò)。主站是測(cè)控系統(tǒng)的控制中心，管理主從站間EtherCAT總線通信功能并實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，從站實(shí)現(xiàn)具體的測(cè)量及控制功能，同時(shí)在EtherCAT數(shù)據(jù)幀經(jīng)過(guò)時(shí)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(cè)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)主站通常采用PC機(jī)運(yùn)行TwinCAT軟件控制器的方式實(shí)現(xiàn)，硬件方面只需要一個(gè)帶有標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)卡的PC機(jī)，主要用于開(kāi)發(fā)控制程序、配置從站單元、開(kāi)發(fā)人機(jī)界面等。測(cè)控系統(tǒng)工作時(shí)，可視化界面通過(guò)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(jìn)行處理，然后將處理后的控制信息轉(zhuǎn)發(fā)給EtherCAT驅(qū)動(dòng)程序。EtherCAT驅(qū)動(dòng)程序?qū)⑻幚砗蟮目刂菩畔⒋虬纬蒃therCAT數(shù)據(jù)幀，并將 EtherCAT 數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)發(fā)給網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)。網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)將 EtherCAT數(shù)據(jù)幀封裝成以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀，然后通過(guò) NIC 網(wǎng)卡發(fā)送給測(cè)控系統(tǒng)從站。類似的，當(dāng)EtherCAT數(shù)據(jù)幀從站返回到主站時(shí)，TwinCAT可以獲取從站采集的數(shù)據(jù)信息，并通過(guò)可視化界面將采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示出來(lái)。從站包括EtherCAT通信及測(cè)量控制兩部分。通信板實(shí)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(jìn)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(cè)控板微處理器，同時(shí)獲取測(cè)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(cè)控板為測(cè)控系統(tǒng)測(cè)量及控制功能的實(shí)現(xiàn)單元，通常包括多路開(kāi)關(guān)量輸入測(cè)量、多路脈沖量輸入測(cè)量、多路模擬量輸入測(cè)量以及多路開(kāi)關(guān)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(gè)串口，其中 SPI接口用于和通信板進(jìn)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(jī)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(cè)控系統(tǒng)細(xì)分結(jié)構(gòu)

02

基于 EherCAT 的分布式測(cè)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(cè)控系統(tǒng)從站結(jié)構(gòu)

從站通信模塊

通信模塊主要實(shí)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(guò) EtherCAT 總線傳遞給從站微處理器實(shí)現(xiàn)相應(yīng)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(guò) EtherCAT 總線反饋給主站。通信板主要包括 EtherCAT 網(wǎng)絡(luò)接口電路、PDI接口電路和 ESC外圍電路三部分。EtherCAT 網(wǎng)絡(luò)接口電路實(shí)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(shí)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(cè)控制模塊

測(cè)控系統(tǒng)的檢測(cè)及控制電路實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)量、脈沖量、模擬量信號(hào)輸入采集以及輸出控制功能。

▲典型檢測(cè)及控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖開(kāi)關(guān)量輸人采集功能使用從站微處理器自帶的GPIO 接口實(shí)現(xiàn)，通過(guò)光耦實(shí)現(xiàn)電氣隔離，采用雙向TVS二極管保護(hù)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(qiáng)大的定時(shí)器實(shí)現(xiàn)，輸入的差分脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)輸入差分驅(qū)動(dòng)器形成單端信號(hào)，并通過(guò)高速光耦連接到從站微處理內(nèi)部定時(shí)器輸人引腳通過(guò)定時(shí)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(duì)某被測(cè)對(duì)象實(shí)際工況進(jìn)行設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)多通道高精度單端或差分信號(hào)同步采集，每通道獨(dú)立采樣，支持同步數(shù)據(jù)采集，并能記錄采集數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的絕對(duì)時(shí)間信息。

03

碼靈半導(dǎo)體EtherCAT分布式測(cè)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(dǎo)體推出的CF110x系列為EtherCAT分布式測(cè)控系統(tǒng)從站控制器芯片提供了新的選擇。

▲碼靈半導(dǎo)體CF110x系列芯片實(shí)物圖

碼靈半導(dǎo)體CF110x系列ESC芯片使用外部25 MHz晶振工作，通過(guò)并行總線和微處理進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。EEPROM用來(lái)存儲(chǔ)從站配置信息，當(dāng)CF110x系列在上電或復(fù)位后，會(huì)自動(dòng)讀取EEPROM內(nèi)的配置數(shù)據(jù)并裝入相應(yīng)寄存器，CF110x系列和EEPROM通過(guò)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(dāng)CF110x系列發(fā)生中斷時(shí)，微處理器進(jìn)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(jìn)行相應(yīng)的處理。CF110x系列內(nèi)置 PHY0 和 PHY1，其與內(nèi)置網(wǎng)絡(luò)變壓器的標(biāo)準(zhǔn)RJ45接口相連。

▲碼靈半導(dǎo)體CF110x系列芯片結(jié)構(gòu)框圖

同時(shí)碼靈半導(dǎo)體開(kāi)發(fā)了多款I(lǐng)O模塊，可滿足分布式測(cè)控系統(tǒng)在數(shù)據(jù)采集端（采集器）的應(yīng)用需求，并配有專門(mén)的耦合器。CF110x系列最多支持3個(gè)EtherCAT 接口，可配置其中一個(gè)接口作為系統(tǒng)內(nèi)總線接口，另外兩個(gè)接口為以太網(wǎng)作為外總線接口。其中一個(gè)接口與上行鏈路相連，用以實(shí)現(xiàn) EtherCAT總線耦合器連入EtherCAT系統(tǒng)的功能，另一個(gè)連接下行鏈路采集器，實(shí)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?fù)浣Y(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(dú)立式IO應(yīng)用方案框圖及實(shí)物

▲碼靈半導(dǎo)體32路獨(dú)立式IO應(yīng)用方案框圖

▲碼靈半導(dǎo)體32路獨(dú)立式IO應(yīng)用方案實(shí)物

▲碼靈半導(dǎo)體刀片式IO應(yīng)用方案框圖

▲碼靈半導(dǎo)體刀片式IO（含耦合器）應(yīng)用方案實(shí)物

采用 EtherCAT 總線可以使測(cè)控系統(tǒng)擁有良好的實(shí)時(shí)性、可靠性及可擴(kuò)展性能。而基于碼靈半導(dǎo)體CF110x系列實(shí)現(xiàn)的EtherCAT 通信技術(shù)，可滿足分布式測(cè)控系統(tǒng)對(duì)通道數(shù)量多、采集及控制精度高、信號(hào)種類多樣等開(kāi)發(fā)需求，適用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)等各種場(chǎng)合，應(yīng)用前景開(kāi)闊。