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1 ms的数据,分析得到系统时钟误差维持在55 ns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。     

ITER PF电源现场层监控系统网络拓扑延时分析

为保障ITER极向场(PF)电源系统的高实时性控制需求,根据其设备体积大、分布分散等特点,选取了支持多种设备连接拓扑的实时工业以太网现场总线EtherCAT作为ITER PF电源现场层监控系统的数据通讯协议。为研究ITER极向场电源现场层监控系统的实时性,分析了数据帧在几种适合ITER PF整流器单元现场层信号采集与控制的现场总线设备网络拓扑中的传输延时,通过搭建测试平台验证了方案设计的可行性与正确性。在满足控制系统高实时性要求的同时,经对比找出了较为适合的设备网络拓扑来设计ITER PF电源现场层监控系统,也为ITER PF电源的其他子控制系统的拓扑优化提供了借鉴。     

基于EtherCAT总线的串联型分布式数据采集系统设计

针对海洋工程实验室现场数据采集过程中,数据量大、测点分散、实时性要求高、数据种类不一致的问题,设计了一种基于实时工业以太网EtherCAT总线的串联式数据采集系统。从整体结构、工作原理、主站软件和从站软硬件方面详细介绍了系统的方案设计。在实验水池中,通过采集实际波浪信号对数据采集系统进行了测试。结果表明,系统性能稳定,精度高,实时性好,为分布式数据采集监控系统的研究提供了应用和技术上的参考。     

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介绍了以Siemens S7-300PLC为控制核心的HL-2A装置电子回旋共振加热控制与保护系统的设计与实现。系统采用了基于工业以太网的分布式结构,使用VFC/FVC电路和光纤隔离技术传输高电压/大电流的测量与控制信号,确保了控制系统运行的电气安全性,增强了信号传输过程中的抗干扰能力;加热系统的保护采用基于CPLD/FPGA实现的快速保护技术。实验证明该控制与保护系统具有兼容装置现场强电磁干扰的能力,运行稳定可靠、功能完善并具有良好的扩充性能。     

基于PLC的HL-2A装置电子回旋共振加热系统控制与保护

介绍了以Siemens S7-300PLC为控制核心的HL-2A装置电子回旋共振加热控制与保护系统的设计与实现。系统采用了基于工业以太网的分布式结构,使用VFC/FVC电路和光纤隔离技术传输高电压/大电流的测量与控制信号,确保了控制系统运行的电气安全性,增强了信号传输过程中的抗干扰能力;加热系统的保护采用基于CPLD/FPGA实现的快速保护技术。实验证明该控制与保护系统具有兼容装置现场强电磁干扰的能力,运行稳定可靠、功能完善并具有良好的扩充性能。     

嵌入式以太网数据采集与控制系统设计

为了提高嵌入式以太网数据的操作精度,减少数据运行时间,增加数据运行灵活性以及稳定性,方便对嵌入式以太网数据进行的有效管理,需要对嵌入式以太网数据采集与控制系统进行设计。当前的嵌入式以太网数据采集与控制系统设计方法对以太网数据进行采集与控制系统设计时,因为无法对其进行灵活、高效、全面地采集和控制,存在数据运行盲区较多,成本较大的问题,所以提出一种基于LonWorks的嵌入式以太网采集和控制系统设计方法,即采用局部网格方式进行数据采集,使嵌入式以太网进行自维护、自组织、自控制的操作。该方法先利用μC/OSⅡ平台完成对嵌入式以太网数据采集与控制系统的硬件设计,然后依据互式数据迁移技术对嵌入式以太网进行数据采集,以采集的数据为基础,采用模糊关联空间理论对采集得到的以太网数据进行过滤,最后以上述过程为依据,利用OPC服务器程序对过滤后的嵌入式以太网数据进行控制,由此完成了嵌入式以太网数据采集与控制系统设计。实验结果证明,所提方法可以全面精确地对嵌入式以太网数据进行采集和控制,提高以太网运行速度,增强网络使用寿命,为该领域研究发展提供了强有力的依据。     

全钒液流电池充放电测试系统设计

针对以太网技术在高速图像传输中常见的带宽利用率低,传输协议受限的问题,设计了一种基于可编程逻辑器件FPGA实现千兆以太网传输系统的方案,分析了基于IEEE802.3标准的以太网帧格式和循环冗余校验(CRC),实现了MAC数据包的封装和PHY芯片88E1111的配置,完成了千兆网络系统的设计和高速数据的传输。结果表明,该方案具有成本低,传输速率快且传输协议不受限制的优势,并最终成功应用于某水下高速图像传输系统中。     

工业以太网芯片单粒子实验测试系统研制

分析了单粒子效应对以太网芯片KSZ8851-16MLLJ的内部结构的影响,为全面了解以太网芯片在单粒子实验中的状态,研制出工业以太网单粒子实验测试系统。通过测试系统的实验得出相关参数,为以太网芯片在航天器上的应用提供技术参考。根据单粒子实验的现场情况,研制基于以太网的远程数据采集、控制系统,将测试数据实时地传输到远程观测终端。测试结果表明：单粒子实验测试系统可以对以太网芯片进行全面地监测,并有效地保护该芯片的安全性。     

kJ脉冲激光器控制系统设计

对大型高功率激光器控制系统的工作环境和应用特点进行了研究和分析。结合kJ脉冲激光器控制系统设计实例,介绍了一套优化的高可靠性控制系统模型。以以太网和EtherCAT总线为基本框架,设计了开放异构的分布式计算机控制系统,软件是基于CORBA中间件C/S调用模式的三层结构体系。能适应kJ脉冲激光器控制对象分布分散、电磁环境恶劣的特点,对整个激光器控制对象进行有序控制,满足装置正常打靶运行要求。     

基于EPL的分布式时钟同步方法

工业以太网协议Ethernet POWERLINK(EPL)分布式站点的时钟同步方法并不能在实时运行过程中保持很高的同步精度,无法满足特定环境下的控制要求。研究了工业以太网协议EPL的两种时钟同步机制,通过数理计算分析了时钟同步误差产生的原因,针对误差较大的缺点,提出了减小误差的方法。通过迭代计算消除了主从站同步报文往返的路径延迟,并设计基于现场可编程门阵列(FPGA)的集线器(Hub)用于EPL菊花链网络拓扑结构,有效地克服了时钟同步报文往返传输延时不一致的缺点,测试结果表明新方法明显优于协议自身的时钟同步方法,对于实现基于EPL的高精度分布式时钟同步网络具有重要意义。     

基于EtherCAT的并联六自由度平台设计

摘要：在设计六自由度运动平台时,运动精度是重要的评价指标,为了能够降低位姿跟踪误差并提高各轴的协同控制,在对平台进行位姿正反解的基础上,设计了一套基于EtherCAT总线的六自由度运动平台,通过EtherCAT网络进行数据帧的快速传输。系统硬件由工控机、EtherCAT网络、伺服电机、Stewart型平台构成,系统软件则采用VC++进行上位机界面的开发,由TwinCAT进行下位机控制程序的开发,通过电子凸轮实现平台各轴的同步控制,其中上下位机通过ADS进行通讯。由实验结果可知,六自由度平台平移跟踪误差小于0.04mm,转动跟踪误差小于0.01°,静态定位精度优于0.1%,达到预定的控制要求。基于EtherCAT的六自由度平台具有良好的同步性能和位姿精度,也表明EtherCAT在多轴同步伺服控制上具有较好的响应速度和控制精度。     

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EtherCAT的ITER极向场电源现场层监控系统设计

根据ITER 大功率极向场电源高实时性与高可靠性控制的需求,选取了具有高实时通讯性能的工业以太网现场总线EtherCAT(以太网控制自动化技术)设计ITER 极向场电源现场层监控系统。依据ITER 极向场电源装置体积大、分布较为分散的特点,为保障高可靠性的数据传输,对比了可构成的两种EtherCAT 环网冗余拓扑的可靠性,选取从站单元中最末端从站是将E-BUS 转换为100BASE-TX/FX 的拓展模块的可靠性较高的环网冗余拓扑来设计极向场电源现场层监控系统的拓扑结构。使用了组态软件TwinCAT(基于Windows 的控制和自动化技术)对系统进行配置,同时绘制了具有可直观显示并控制现场信号等功能的HMI 界面。经测试,该系统可实现对现场层数百路模拟与数字量信号的实时监控,满足了ITER 极向场电源的高实时性与可靠性的控制需求。     

基于物联网技术的wMPS发射站控制系统

针对工作空间测量定位系统(wMPS)网络测量场中对发射站的控制需求,提出了一种基于物联网技术的发射站集中控制系统;该系统包括发射站节点层,现场网络层和应用层,利用无线传感器与微控制器实现发射站节点的控制与通信,网络层将发射站分区域接入工业网络,测量主机作为服务器对发射站进行统一管理;通过实验表明,无线传输系统延时小,每秒可完成3次完整的控制与响应流程,控制系统运行稳定且易于扩展,提高了测量系统应用于现场时的工作效率。     

基于FPGA与ARM的多路时序控制系统设计与实现

介绍了基于FPGA与ARM7的多通道、多时间范围的同步时序控制系统,采用FPGA实现20路高精度的信号延时输出控制,通过ARM7的数据总线接口实现了ARM与FPGA的数据交互;重点介绍了系统的硬件电路设计、ARM与FPGA总线的设计和FPGA内部程序模块的设计;各通道的输出信号类型与延时时间等参数均可以通过人机接口现场配置,也可以通过上位机软件来配置;该设计可以保证各通道信号通过外触发信号为基准来进行延时输出,系统的延时时间精度小于2μs;ARM7处理器芯片采用PHILIPS公司的LPC2214,FPGA采用Altera公司Cyclone系列的EP1C12Q240;采用硬件描述语言Verilog HDL来设计延时模块,延时精度达到1μs;该系统在靶场测试中验证了其正确性和有效性。     

零延时RS485模块在列车车载防火检测系统中的应用研究

随着高速列车技术的飞跃发展,车载设备之间的通讯信息、列车的故障检测和诊断信息、车内视频监控信息等信息数据的剧增,对信息承载媒介和通讯接口设备在可靠性和实时性方面提出了更高的要求;通过对RS485模块的研究设计了一种零延时RS485模块,应用于以太网主从式结构的列车车载防火检测系统中,达到实时、高效、安全可靠的设计目的;使用Multisim软件对零延时电路进行仿真验证,结果表明该设计的零延时RS485模块具有可靠的实时性。     

嵌入式远程实时监控图像传输控制系统设计

针对当前图像传输过程易出现信息丢失、耗时过长等问题,提出提出一种嵌入式远程实时监控图像传输控制系统设计方法。该设计方法基于STM32模式,通过STM43模式连接电源电路、接口电路、监控数据传输电路模块,到监控图像传输控制系统整体结构,将监控图像数据经IP网络与客户端相连实现监控图像传输,最后分别对监控信号处理模块和图像检测模块的算法进行优化。实验证明,所设计系统有效避免了图像传输中图像信息丢失现象,具有实践价值。     

基于EPL的openSAFETY平台构架设计

随着现场总线与可编程控制系统的发展,工业领域的自动控制系统对于安全相关设备和安全网络协议的需求正在不断扩大。然而,由于工业以太网的技术飞速进步,传统的安全协议已经不再适用复杂的实时以太网通讯环境。文章研究了开源实时以太网功能安全协议openSAFETY,在实现工业以太网协议Ethernet POWERLINK(EPL)的基础上设计了openSAEFTY的站点的ARM-FPGA通用平台架构,提出了具体的硬件软件解决方案,为进一步研究工业以太网功能安全协议打下基础。     

基于PLC的三维调整机同步控制系统设计与实现

针对三维调整机难以实现多台同步工作，设计了基于PLC的同步控制方案。在同步控制系统方案中，采用西门子PLC通过工业无线以太网进行同步控制，由各维度油缸的位移传感器来保证同步控制的精确性。经实验，证实了此系统的精度满足设计要求，实现了同步控制的效果。     

线路保护装置SV直采传输方案研究

分析了当前智能变电站SV点对点发送处理机制,提出了一种满足过程层要求的高均匀性和一致性SV直采传输方法。应用FPGA实现DMA控制器和以太网MAC控制单元,对SV报文添加发送描述符,由FPGA根据描述符直接控制SV发送。采用Spartan-6系列架构FPGA,通过PCI Express总线,系统内部实现SV数据高速传输。此方案充分利用了FPGA的并行数据处理的特性及丰富的IP资源,设计实现了多路以太网点对点数据的高带宽和高可靠性传输,极大的提升了智能变电站系统的性能。