Powerlink实时以太网总线在多轴数控系统中的应用
Powerlink课程设计报告-现场总线技术及应用

大作业题目Linux操作系统下的POWERLINK主站和从站通信课程名称现场总线技术及应用院(系、部、中心)自动化学院专业自动化班级学生姓名学号设计地点指导教师目录一、课程设计的目的 (3)二、课程设计题目及要求 (3)1、题目 (3)2、设计要求 (3)三、环境搭建 (3)1、硬件环境: (3)2、软件环境: (3)3、源代码和安装文件: (4)四、powerlink的原理 (4)1、Powerlink是ICE国际标准,通信描述 (4)2、Powerlink网络建构 (5)3、通信过程 (5)3、主站发送参数的配置过程 (8)4、从站接收配置之通信参数配置 (8)5、openCONFIGURATOR介绍 (9)五、操作过程 (9)1、主从站之间的通信 (9)2、openCONFIGURATOR应用 (19)六、实习体会 (28)一、课程设计的目的通过对Powerlink的理论学习和完成Powerlink的主站和从站通信的实践工作,将这门课程的理论知识尤其是Powerlink这种现场总线的理论和应用知识进一步巩固和完善,培养学生较强的工程实践能力,为进一步学习专业知识和从事相关专业工作打下坚实的基础。
二、课程设计题目及要求1、题目Linux操作系统下的POWERLINK主站和从站通信2、设计要求掌握Powerlink的工作原理,使用开源的openConfigurator对主站和从站进行配置,对开源的openPOWERLINK代码在Linux系统下进行编译实现主站和从站的通信功能,利用网络诊断工具wireshark检查和验证通信功能。
三、环境搭建1、硬件环境:一台PC机,安装两台虚拟机,一台作为主站,另一台作为从站2、软件环境:a)安装虚拟机VMware player;b)安装Linux操作系统Ubuntu;c)安装程序文件产生器Doxygen;d)安装编译安装工具CMakee)安装网路数据包捕获函数库libpcap作为网卡驱动3、源代码和安装文件:a)openPowerlink源代码,需要在Linux下编译;b)openConfigurator源代码,需要在Linux下编译;c)可以不编译openConfigurator源代码,直接在32位Windows环境下运行openConfigurator可执行文件,用来配置网络参数和映射参数。
Powerlink课程设计报告-现场总线技术及应用

Powerlink课程设计报告-现场总线技术及应用大作业题目Linux操作系统下的POWERLINK主站和从站通信课程名称现场总线技术及应用院(系、部、中心)自动化学院专业自动化班级学生姓名学号设计地点指导教师目录一、课程设计的目的 (4)二、课程设计题目及要求 (4)1、题目 (4)2、设计要求 (4)三、环境搭建 (4)1、硬件环境: (4)2、软件环境: (4)3、源代码和安装文件: (5)四、powerlink的原理 (5)1、Powerlink是ICE国际标准,通信描述 (5)2、Powerlink网络建构 (6)3、通信过程 (6)3、主站发送参数的配置过程 (9)4、从站接收配置之通信参数配置 (9)5、openCONFIGURATOR介绍 (10)五、操作过程 (10)1、主从站之间的通信 (10)2、openCONFIGURATOR应用 (22)六、实习体会 (30)一、课程设计的目的通过对Powerlink的理论学习和完成Powerlink的主站和从站通信的实践工作,将这门课程的理论知识尤其是Powerlink这种现场总线的理论和应用知识进一步巩固和完善,培养学生较强的工程实践能力,为进一步学习专业知识和从事相关专业工作打下坚实的基础。
二、课程设计题目及要求1、题目Linux操作系统下的POWERLINK主站和从站通信2、设计要求掌握Powerlink的工作原理,使用开源的openConfigurator对主站和从站进行配置,对开源的openPOWERLINK代码在Linux系统下进行编译实现主站和从站的通信功能,利用网络诊断工具wireshark检查和验证通信功能。
三、环境搭建1、硬件环境:一台PC机,安装两台虚拟机,一台作为主站,另一台作为从站2、软件环境:a)安装虚拟机VMware player;b)安装Linux操作系统Ubuntu;c)安装程序文件产生器Doxygen;d)安装编译安装工具CMakee)安装网路数据包捕获函数库libpcap作为网卡驱动3、源代码和安装文件:a)openPowerlink源代码,需要在Linux下编译;b)openConfigurator源代码,需要在Linux下编译;c)可以不编译openConfigurator源代码,直接在32位Windows环境下运行openConfigurator可执行文件,用来配置网络参数和映射参数。
实时以太网POWERLINK技术基础

实时以太网POWERLINK技术基础摘要:开源实时通信技术Ethernet POWERLINK是一项在标准以太网介质上,用于解决工业控制及数据采集领域数据传输实时性的最新技术。
本文介绍它的基本原理、相关特性如冗余、直接交叉通信、拓扑结构、安全性设计,并定义其物理层与介质等内容。
关键词:实时性、直接交叉通信、冗余技术、安全技术、时隙管理、多路复用、主从结构、NMT、SDO,PDO1.工业实时以太网技术1.1为什么以太网得到发展?以太网实在上世纪70年代后期就已经被开发的网络通信技术,不像其它系统,从那时到现在以太网的开发从没间断,许多公司进行了大量的投资,以太网技术现在在全世界已经拥有巨大的共享知识积累并在全世界分布。
以太网是一个电缆基础的数据网络技术,它用于本地数据网络LAN,他能够使本地的所有设备数据可以互联,例如,计算机、打印机的数据采用相同的数据帧格式,只是最开始,传统意义的LAN 类型是受制于一个独立的建筑的,以太网技术现在已经可以互联远程单元的设备了。
以太网标准定义了一个电缆和连接器类型,比特信号在传输层的处理细节,以及特定包的格式和协议,参照OSI模型,以太网定义物理层和数据链路层,以太网或多或少包括IEEE802.3,自90年代以来,它逐渐成为了最为广泛使用的LAN技术,并取代其它LAN标准例如令牌环网、以及曾经的工业和工厂网络技术ARCNET,以及在特定应用环境应用的FDDI,以太网可以作为其它网络协议的基础协议如:AppleTalk,DECnet,IPX/SPX,或者TCP/IP。
1.2 CSMA/CD及它带来什么影响?CSMA/CD机制运行原理通俗的讲,以太网是依照共享介质机制来运行的,这意味着,在任意给定时间,所有的网络节点可以向其它节点发送和接收其它节点的信号,每个设备被赋予了一个独立的MAC地址(介质访问控制),它确保了所有网络节点的确定标识,为了防止两个节点同时发送数据而导致数据碰撞,以太网使用CSMA/CD机制(载波侦听访问/碰撞检测),即,每个节点侦听网络,如果它发现网络上没有信号正在传输它就可以发送,然而,某个节点仍然会导致不同节点的并发信号丢失,在这种情况下,碰撞检测阻止该节点的发送,在一个任意的间隔过后,节点尝试一个新的数据发送,数据传输没有数据丢失,但是,这会影响速度。
实时以太网POWERLINK技术在控制领域的应用

实时以太网POWERLINK技术在控制领域的应用[摘要]本文结合实时以太网POWERLINK技术的起源及特点,重点给出了其在机器人领域与一些机械控制领域的应用及实现方法。
[关键词]实时以太网;POWERLINK技术;控制领域中图分类号:TP 文献标识码:A 文章编号:1009-914X(2016)22-0350-01引言实时通信技术正在成为潮流,是其中最早被开发和投入使用的实时通信技术,从它的应用中,我们可以知道,实时通信的重大意义和给我们带来的巨大好处。
1. 实时以太网POWERLINK的起源实时以太网POWERLINK的起源就可以看到,实时以太网POWERLINK技术是为了实际的应用需求而产生的,它不是一个在实验室研究的技术,而是一个在2001年就被投入使用的技术,当时,某知名乳制品制造商计划开发一个大型的生产系统,在这个系统中有超过2000多个I/O点分布在40个I/O站上,而且有50个伺服轴,为了生产系统的高速运行,需要所有的数据刷新周期不能大于5mS,当时,B&R为了这个系统开发了实时以太网POWERLINK技术,当时达到的指标是2.4ms。
今天,实时以太网POWERLINK技术已经被广泛应用于各个控制领域,提供高速高精度的生产设备控制,下面给出其在机器人领域、运动控制领域及其一些机械控制领域的应用及实现方法2.实时以太网POWERLINK在机器人控制领域的应用在工业应用中,存在着很多对于实时性要求非常高的环境,例如:机器人系统、高动态同步的运动控制应用、数据实时采集与测量、安全系统。
流程工业中的监控系统如SCADA、楼宇的BAS系统对于系统刷新的要求通常在100ms以上的级别,而输送系统、回路调节如压力、温度、液位、流量通常在ms到数十个ms这个级别,而机器人控制领域则在?S~几个10mS这个级别,对于高速同步的应用则可能在?s级。
对于机器人控制系统,当系统给定设定曲线后,机器人系统要将这些值转化为机器人的动作路径,根据不同的机器人类型如SCARA,并行SCARA、全关节型机器人而言,这是不同形式的齐次方程求解的过程,结果将会送给每个伺服轴作为其旋转角度的参量,同样道理如果希望机器人的加工精度和速度得到提高其变换计算的速度与数据刷新的周期都必须得到大幅度提高。
基于POWERLINK的多轴运动控制卡设计

C ANo p e n应用 和设 备描 述 文件 可 以很 快 地 被 同时
应用到 P OW E R L I NK 环 境 , 之 间并 无 差 异 , 因此, P OW E RL I NK 可 以 称 为 E t h e r n e t 上的 C s t e c h n o l o g y a s t h e d a t a t r a n s mi s s i o n a g r e e —
摘要: 针 对 多轴运 动控 制 实时性要 求 高、 协调控 制复 杂等 特 点 , 以 DS P +F P G A 为主控 芯片, 并 结
合 E PL( Et h e r n e t POW E RLI NK)以 太 网 总 线 技 术
问题 , E P L在 MAC层 上增 加 了 s C NM 时间槽 网络 通信 管理来 对 通信 进行 实 时调 度 , 保 证 每 个节 点 在 不 同时刻 对 网络有 存 取权 , 从 而避 免 了总 线 使用 权
1 P OW E RL I NK 协 议 系统 架 构
E P L协议是 在 标 准 以 太 网 的 基 础 上 建 立 一 个
现 场总 线系统 , 从 而满足 控制 中高 实时性 的需 求 , 其 克 服 了传 统 以太 网物理 介质访 问机 制载 波监 听多路 访 问/ 冲突检测 ( C s MA/ C D) , 由于时 间 冲 突带 来 的 实 时局 限性 。E P L使用 了与 C AN o p e n相 同的设 备 描 述文 件 , 同样 的数 据 字典 , 以及 同样 的 通 信 机制 , 如P D O, S D O 和 网络 管理 的 NMT, 像C ANo p e n一
作为数 据传 输协 议 , 设 计 了多轴 运动控 制卡 , 以满足 控制 复杂 的要 求 。 关键 词 : E t h e r n e t P OWE R L I NK; D S P ; 实 时性
POWERLINK-实时以太网技术

实时以太网技术及其应用-Ethernet POWERLINK一、IT技术对于自动化领域的影响-Ethernet技术的大量使用1.为什么选择以太网?1.由于在管理层的ERP/MRP/CIMS/MES均采用了Ethernet技术,因此,对于Ethernet有了广泛的需求;2.Ethernet技术继承了IT业的开放性设计以及更为便宜的成本;3.开放的工具例如诊断工具Wireshark和标准的市面上多个厂家提供的芯片可供使用;4.Ethernet不仅仅是一个总线,它一直在进步,从10Mbps,100Mbps,它一直领先于工业网络的速度和技术;2.实时性需求在不断增加但是CSMA/CD机制的确会防止冲突在网络上的发生,却造成了数据发送的不确定性以及延迟的产生,这对于更为苛刻的实时性要求的机器控制而言则无法满足。
所谓确定性的通信过程是指它具有一个精确的可预测的定时,也就是什么时候数据报文到达接收者,生成响应数据和需要多长时间来传送该数据报文,都是可预测和确定的。
它应用等时间同步原理,等时同步是一种数据传送方法,即在每一个精确的总线时钟周期内,确保传送实时数据。
3.实时性应用等级3.1回路调节对于回路调节及输送系统、数据采集系统等,其PID回路调节,四大参量如温度、压力、液位、流量而言,由于其所具有的延迟性,通常周期均在mS级,10mS,50mS,100mS甚至到S一级,以太网技术可以满足其刷新的需求。
3.2机器人与CNC系统机器人与CNC系统正在蓬勃发展,在机械工业的行业划分中,CNC和机床是最大的一块,整个CNC和机器人的架构设计中,由主控PC和PLC运行的插补算法将通过高速总线传递给各个执行机构,在每个CNC和机器人的插补周期里,该插补值都需要通过总线给定到伺服系统,而伺服系统的电流环、速度环将在本地执行,为了满足更高速度和更高精度的加工要求,S=Vt,当位置与速度都要求极高的时候,只能是在刷新周期上不断缩小,而这对实时控制提出了要求,目前在速度控制方面,如果将速度也反馈给主控,则这个刷新的速度需要更快,甚至达到几十个微秒的周期,这也是为什么传统的CNC和机器人系统采用专用系统的原因-因为,目前国内的CNC和机器人达到的均在5mS这个水平,而新一代的更高速度则要到uS级的刷新,例如Fanuc,Kuka,ABB的机器人系统刷新均在uS级,因此其传统都使用光纤专用总线来实现数据交换。
实时以太网 Ethernet PowerLink技术综述

实时以太网Ethernet PowerLink技术综述一、工业控制中对实时以太网的需求工业中对实时以太网的需求主要有两个指标:一是实时性,二是抖动性能。
1.1实时性什么是实时性,实时性不等于高性能。
在工业控制领域,实时可定义为系统对某事件的响应可以再可预测的时间内完成。
即实时性是指系统可以在一个预定的时间范围内做出相应的响应。
至于预定的时间范围则和具体的应用相关。
根据应用需求一般把实时性划分为四个级别,如下表1所示。
表1 工业自动化领域中各应用场合对实时性的要求应用场合实时响应时间信息集成度较低的过程自动化应用场合>100ms绝大多数的工厂自动化应用场合1-100ms高性能的运动控制应用100us-1ms高动态同步过程<100us如表1所示,信息集成度较低的过程自动化应用场合(如化工工程工业)中,一般响应在秒级/()100ms)就可以满足系统的实时性要求;而在绝大多数工厂自动化应用场合一般5-10ms响应时间就可以满足要求了;但是在在高性能同步运动控制(高速过程、机器人)中一般是需要小于1ms的实时响应时间才能满足系统的要求;另外将高动态同步过程等实时性要求更高(<100us)的应用划为第四个等级。
1.2抖动抖动即同样过程每次完成时间的偏差。
可以理解为时间精度,如下图1所示。
图 1 抖动时间示意图根据工业自动化开放网络联盟(IAONA)的定义实时性中网络抖动可以分为四个级别,如下表2.2所示表2.2 IAONA规定的网络抖动时间等级1.3通信周期一般来说,控制系统程序都是以周期循环的方式运行,在一个周期内,获取数据,然后完成计算任务,接着输出数据,这样进入下一个周期。
显然,控制系统时间周期是由被控对象来确定的,对于化工过程控制以1秒作为时间周期基本上就能满足要求了,可是对于高速过程就得以小于1ms的时间作为周期才能满足系统要求。
对于联网设备来说,一般系统的运行周期与通信周期相对应是比较合适的。
面向工业的实时以太网方案——Ethernet Powerlink

如图 3 所示,OSI 模型表示了 Ethernet Powerlink 协议与 上下各层次之间的关系。它表明使用 CSMA/CD 访问方法和媒 体访问控制(MAC)的 Ethernet 层处于基础的位置。B&R 用 Powerlink SCNM( Slot Communication Network Management)代 替 了 TCP/IP 协议,从而使自动化系统循环时间可以达到 400µs。B&R Automation NetTM 也使用 TCP/IP 或 UDP/IP,仍 能够与 Ethernet Powerlink 协同工作。因此应用层也就实现了
自动化领域的专家们提出过多种不同的方案,来处理以 太网和 TCP/IP 的这些问题。
(1) 根据 IEEE 802.1Q/802.1p 定义数据包的优先级
图 2 TCP/IP 栈示意图
(4) 主-从方式 还有一种可能的替代方案:主-从方式。它基于 TCP/IP 或 UDP/IP,具有避免冲突的优点,但仍有着这些协议的缺陷。 另一种可能性是采用特殊协议而抛弃 TCP/IP。这种方案的优 势在于由于几乎所有快速以太网的带宽都得到了利用,因此数 据吞吐量得到了极大提高。但在主站之间的通信却是一个不
(2) 冲突概率 如果网络中没有太多的数据通信,那么冲突的概率会很 低。冲突概率随着数据通信的增加而呈指数级的增长。当网络 负载低于或等于 10%的时候,某些方案会假设冲突是可避免 的。可是实际上冲突仍在发生(尽管概率很低),同时实际利 用的快速以太网带宽则有很大的降低。 (3) 在冲突域利用交换机分段 网段分割(利用交换机分割网络)是一种完全不同的方 案,它能够完全避免冲突的发生。每个网络站点通过交换机连 入网络,这种方式有些类似于一组点对点连接,即所谓的冲突 域。如果不考虑成本,一个关键因素在于:交换机是智能化的, 进入的数据包在分析以后直接发送给目标站点。这一方案比单 纯集线器方式的反应速度更快,抖动也更小。
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2 P w r k的应 用 优 势 o el i n
E h r e o el k 技 术 于 2 01年 由 贝 加 莱 ten tP w r n i 0 ( B& R ) 司 开 发 , 成 立 了 E S E h re o rik Sa . 公 并 P G( ten t wel tn P n d r iain G o p 标 准 化 组 织 , 员 包 括 B&R、 e z 、 a dzt ru ) o 成 L ne
I E 5 8时 钟 同 步 协 议 , 一 种 确 定 性 实 时 以 太 网 。 E E1 8 是
2. 工 作 原 理 1
机 床 本 体 共 4部 分 组 成 , 其 中 数 控 系 统 是 整 个 系 统 的
核 心 部 分 , 责 将 NC 代 码 转 换 成 复 杂 的 控 制 指 令 , 负 然 后 由伺 服 系 统 执 行 具 体 操 作 。
具 体 表 现 为 : 速 度 、 精 度 、 效 率 、 可 靠 性 、 灵 高 高 高 高 高
活 性 。以 减 少 工 序 、 助 时 间 等 为 主 要 目 的 的 复 合 加 工 辅
正 朝 着 多 轴 、 通 道 控 ¥ 功 能 方 向 发 展 , 现 多 轴 的 协 多 1 实
调 控 制 成 为 实 现 这 一 目标 的 关 键 技 术 … 。本 文 研 究 通 过 设备 级 的 网络通信 技 术 , 现 数 控系 统 的多轴 控制 , 实 对 提高机 械 加工 效率 具有 重 要意 义 。
当前 , 着 经 济 全 球 一 体 化 , 备 制 造 业 的 国 际 市 随 装
场 竞 争 日趋 激 烈 , 户 对 数 控 技 术 提 出 了 更 高 的 要 求 , 用
性 保证 各 轴之 间高 度 的协调 一致 。 3 )多 轴 、 通 道 控 制 。 多 4)加 减 速 速 度 平 滑 控 制 。
BE B n r p n nilB c B( iayEx o e t a k—o ) 法 处 理 冲 突 , 有 a f算 具
排 队 延 迟 不 确 定 的 缺 陷 ,无 法 保 证 确 定 的 排 队 延 迟 和
通 信 响 应 确 定 性 , 使 之 无 法 在 工 业 控 制 中 得 到 有 效 的
实 时传 输 。
22 . 应 用 优 势
有很 好 的位 置和 速度 协 同控制 能 力 。 从效 率 和质 量上 分 析 , 控 系统 不仅 要求 高 速度 , 数 而且 存在 频 繁 的加 、 速动 作 , 此要 求 速度 变化 能平 减 因 滑 过渡 , 此 兼顾 产 品 的效率 和 质量 。 以
从 功 能 上 分 析 ,插 补 功 能 是 数 控 系 统 实 现 运 动 控 制 的 关 键 之 一 l。 当前 ,随 着 高 速 切 削 技 术 的不 断 发 2 1
以 太 网 采 用 CS MA/C 带 冲 突 检 测 的 载 波 监 听 D(
多 路 访 问 )协 议 作 为 其 介 质 访 问 方 式 ,各 个 节 点 采 用
1 数 控 系统 在 多轴 控 制 方 面 的特 点
数 控 机 床 一 般 由 控 制 介 质 、 控 系 统 、 服 系 统 和 数 伺
ABB 等 欧 洲 几 家 知 名 工 业 控 制 企 业 。 E L采 用 主 从 结 P 构 ,并 通 过 时 间槽 管 理 各 从 节 点 的 数 据 收 发 ,符 合
制 的 主要 参 数 。 代 数 控 系 统 控 制 的 轴 数 不 断 增 加 , 现 加
2 的 轮 廓 曲 线 或 曲 面 更 加 复 杂 ,这 就 要 求 数 控 系 统 具 1 2
为控 制节 点 , 过 管理 节点 控制 控制 节点 数据 的收发 , 通 控 制 节 点 的 同 步 数 据 和 异 步 数 据 只 有 在 时 间 槽 内才 能 访 问 通 信 介 质 ,这 样 可 以 保 证 数 据 在 规 定 的 时 间 内 被
使 用 。 E L 在 C MA 基 础 上 引 入 S NM ( ltC mmu P S C So o .
nc t n Newok Ma a e n ) 制 管 理 网 络 通 信 , 图 iai t r n g me t 机 o 如
1所 示 , 网 络 中 一 个 节 点 作 为 管 理 节 点 , 他 节 点 作 在 其
展 , 速 数 控 机 床 正 逐 渐 取 代 普 通 机 床 , 实 现 高 速 高 高 以 精 度下 的高 效率 、 可 靠机 械加 工 , 高 速高 精度 加工 高 而 必 然要 以高 精度 插补 作 为基 础 。
从 控 制 量 上 分 析 ,位 置 量 和 速 度 量 是 数 控 系 统 控
Pw r k o el 实时以太网总线在多轴数控系统中的应用 i n
口 段彬 贤 口 方 江龙 口 汤 季安
上海
2 0 3 02 3
口蒋 知 峰 ຫໍສະໝຸດ 1 .上 海 理 工 大 学 机 械 工 程 学 院
2 上 海 开 通 数 控 有 限公 司 上 海 .
2 0 9 003
摘
要 : 分 析 数 控 系统 在 多轴 控 制 方 面 特 点 的 基 础 上 , 绍 了 P w rn 在 介 o et k在 多轴 数 控 系统 中的应 用优 势 , 后 给 出 了 i 最
综 上 所 述 ,数 控 系 统 在 多 轴控 制 方 面有 以下 特
利 用 P w rn 搭 建数 控 系统 多轴控 制 的 网络 配 置 方 案 。 o el k i 关 键 词 : o el k 实 时 以太 网 多轴 数 控 系统 P w rn i
中 图分 类 号 : P 7 5 T 2 3 . 文献标识码 : A 文章 编 号 :0 0— 9 8 2 1 ) 2— 0 1 3 1 0 4 9 ( 0 0 1 0 3 —0