Платформа для построения систем управления прецизионными электроприводами по промышленной шине EtherCAT

  • Дмитрий [Dmitriy] Александрович [A.] Осипов [Osipov]
  • Лев [Lev] Николаевич [N.] Рассудов [Rassudov]
Ключевые слова: мехатронные системы, EtherCAT, системы управления реального времени, Linux, программное обеспечение с открытым исходным кодом

Аннотация

EtherCAT служит для построения систем управления реального времени высокоточными мехатронными системами. Часто бывает удобно, чтобы ведущее устройство EtherCAT было развернуто на персональном компьютере вместе с другими драйверами, программными компонентами и пользовательскими интерфейсами. В этом случае традиционным решением станет использование программного обеспечения Beckhoff TwinCAT. Однако в связи с текущей политической ситуацией оно недоступно.

Цель настоящей работы — поиск решения с возможностью построения платформы для разработки системы управления электроприводами по промышленной шине EtherCAT только на базе программных компонентов с открытым исходным кодом, что позволило бы обеспечить производственную безопасность отечественных производителей оборудования. Предложенное решение основано на операционной системе с открытым исходным кодом Ubuntu. Исходный код ядра модифицирован с помощью патча, проведена настройка операционной системы, что позволило обеспечить высокий уровень синхронизации в реальном времени расчетов алгоритмов ведущего устройства с ведомыми. В качестве реализации стека ведущего устройства EtherCAT выбрано программное обеспечение с открытым исходным кодом IgH EtherCAT master. Для разработки веб-приложения для человеко-машинного интерфейса взято средство разработки с открытым исходным кодом CppCMS. Экспериментальные результаты, показали, что предлагаемая платформа может технически заменить TwinCAT в сфере прецизионной мехатроники с приемлемым колебанием времени цикла порядка единиц микросекунд при рассмотренных частотах цикла шины EtherCAT 1 и 4 кГц. Однако у предложенной платформы, в сравнении с TwinCAT, который разрабатывался в течение многих лет с учетом специфики полевой шины EtherCAT, есть существенный недостаток. Предлагаемый инструмент пока далеко не так удобен для разработчика и требует гораздо больших знаний в области информационных технологий, сетевых технологий и разработки низкоуровневого программного кода. Дальнейшая работа будет направлена на усовершенствование платформы с дополнением ее инструментами, которые позволят сократить время вывода на рынок отечественных систем на базе промышленной шины EtherCAT.

Сведения об авторах

Дмитрий [Dmitriy] Александрович [A.] Осипов [Osipov]

инженер кафедры автоматизированного электропривода НИУ «МЭИ», e-mail: osipovdma09@gmail.com

Лев [Lev] Николаевич [N.] Рассудов [Rassudov]

кандидат технических наук, доцент кафедры автоматизированного электропривода НИУ «МЭИ», e-mail: rassyd@mail.ru

Литература

1. Nguyen H., Nguyen T. P., Ngo H.Q.T. Using EtherCAT Technology to Launch Online Automated Guided Vehicle Manipulation with Unity-based Platform for Smart Warehouse Management // IET Control Theory and Appl. 2023. V. 1. Pp. 229—243.
2. Ghonge N. P. Computed Tomography in the 21st Century: Current Status and Future Prospects // J. Intern. Medical Sci. Academy. 2013. V. 26. Pp. 35—42.
3. Rosenblatt E., Zubizarreta E. Radiotherapy in Cancer Care: Facing the Global Challenge. N.-Y: Intern. Atomic Energy Agency, 2017.
4. Beckhoff Information System [Электрон. ресурс] https://infosys.beckhoff.com (дата обращения 01.11.2024).
5. Calvo F. e. a. Intraoperative Radiotherapy with Electrons: Fundamentals, Results, and Innovation // Ecancermedicalscience. 2013. V. 7. P. 339.
6. Ivan M., Ernek M., Miklovicova E. TwinCAT Control of CNC Machine over CoE // Proc. XXII Intern. Conf. Process Control. Štrbské Pleso, 2019. Pp. 91—96.
7. BECKHOFF Automation and IntraOp Medical of U.S.A. Innovative Radiation Therapy Uses Flexible PC-based Control Platform // PC Control Magazine. 2013. Iss. 2.
8. Nwador A.F., Sanubi F.A., Clark E.V. Sanctions as Tool for Strategic Deterrence: an Assessment of Targeted Sanctions in Russia // J. Public Administration, Finance and Law. 2023. Iss. 27. Pp. 544—565.
9. EtherCAT Product Guide [Электрон. ресурс] https://www.ethercat.org/en/products.html (дата обращения 01.12.2024).
10. Kollmorgen Automation Suite IDE User Manual EN [Электрон. ресурс]: https://www.kollmorgen.com/sites/default/files/2024-06/KAS_IDE_User_Manual.pdf (дата обращения 02.12.2024).
11. CODESYS for Users [Электрон. ресурс] https://www.codesys.com/index.php?eID=tx_securedownloas&p=151&u=0&g=0&t=1727454954&hash=99216d01707bd2386e33d37e8a99afdb44f&file=/fileadmin/Download/EN/Brochures/CODESYS-Anwender-en.pdf (дата обращения 02.12.2024).
12. Kithara RealTime EtherCAT [Электрон. ресурс] https://kithara.com/en/products/real-time-ethercat (дата обращения 02.12.2024).
13. EtherCAT Realtime Master Library Documentation [Электрон. ресурс] https://www.sybera.de/download/manual_ect_clu_e.pdf (дата обращения 02.12.2024).
14. KINGSTAR Fieldbus Powered by EtherCAT [Электрон. ресурс] https://kingstar.com/products/ethercat/ (дата обращения 02.12.2024).
15. Koenig-pa GmbH. Files for Download [Электрон. ресурс] https://koenig-pa.de/files-download (дата обращения 02.12.2024).
16. Программные решения для промышленной автоматизации [Электрон. ресурс] https://visutechsystem.by/pdf/VS_Product_catalogue_RU.pdf (дата обращения 11.11.2024).
17. EtherCAT SDK [Электрон. ресурс] https://docs.rt-labs.com/ethercat-sdk (дата обращения 02.12.2024).
18. IgH EtherCAT Master 1.5.2 Documentation [Электрон. ресурс] https://docs.etherlab.org/ethercat/1.5/pdf/ethercat_doc.pdf (дата обращения 02.12.2024).
19. Acontis EC-Master vs Open Source (IgH EtherCAT-Master (EtherLab) and Simple Open EtherCAT Master (SOEM)) [Электрон. ресурс] https://www.acontis.com/en/ethercat-master-options-ec-master-vs-open-source-etherlab-SOEM.html (дата обращения 02.12.2024).
20. Delgado R., Choi B.W. Real-time Servo Control using EtherCAT Master on Real-time Embedded Linux Extensions // Intern. J. Appl. Eng. Research. 2017. V. 12(21). Pp. 11179—11185.
21. Oliveira D.B., Oliveira R.S. Timing Analysis of the PREEMPT RT Linux Kernel // Software Practice and Experience. 2015. V. 46(6). Pp. 789—819.
22. Choi B.W., Shin D.G., Park J.H., Yi S.Y., Gerald S. Real-time Control Architecture using Xenomai for Intelligent Service Robot in USN Environment // Intelligent Service Robotics. 2009. V. 2(2). Pp. 139—151.
23. Altenberg J. Introduction to Realtime Linux [Электрон. ресурс] https://www.youtube.com/watch?v=BKkX9WASfpI&t=2864s (дата обращения 02.12.2024).
24. Рассудов Л.Н. и др. Разработки опытных образцов автоматических транспортных линий с прямым электроприводом // Электричество. 2023. № 4. С. 44—54.
25. Rassudov L. e. a. Digital Twin Implementation for Accelerating the Development of Flexible Transportation System Control Software // Proc. IEEE 62nd Intern. Sci. Conf. Power and Electrical Engineering of Riga Technical University. Riga, 2021. Pp. 1—4.
26. Bejlis (Tonkih) A. CppCMS — C++ Web Framework [Электрон. ресурс] http://cppcms.com/wikipp/ru/page/main (дата обращения 02.12.2024).
27. Bejlis (Tonkih) A. Case Study: CppCMS Benchmarks vs Java, C#, PHP [Электрон. ресурс] http://cppcms.com/wikipp/en/page/benchmarks_all (дата обращения 02.12.2024).
28. JSON-RPC 2.0 Specification [Электрон. ресурс] https://www.jsonrpc.org/specification (дата обращения 02.12.2024).
29. Atodiresei A., Băutu A., Simona D. Optimization of Sensor Data Gathering Interface for Platmarisc Project // Sci. Bulletin of Naval Academy. 2023. V. 26(2). Pp. 136—143.
---
Для цитирования: Осипов Д.А., Рассудов Л.Н. Платформа для построения систем управления прецизионными электроприводами по промышленной шине EtherCAT // Вестник МЭИ. 2025. № 4. С. 31—36. DOI: 10.24160/1993-6982-2025-4-31-36
#
1. Nguyen H., Nguyen T. P., Ngo H.Q.T. Using EtherCAT Technology to Launch Online Automated Guided Vehicle Manipulation with Unity-based Platform for Smart Warehouse Management. IET Control Theory and Appl. 2023;1:229—243.
2. Ghonge N. P. Computed Tomography in the 21st Century: Current Status and Future Prospects. J. Intern. Medical Sci. Academy. 2013;26:35—42.
3. Rosenblatt E., Zubizarreta E. Radiotherapy in Cancer Care: Facing the Global Challenge. N.-Y: Intern. Atomic Energy Agency, 2017.
4. Beckhoff Information System [Elektron. Resurs] https://infosys.beckhoff.com (Data Obrashcheniya 01.11.2024).
5. Calvo F. e. a. Intraoperative Radiotherapy with Electrons: Fundamentals, Results, and Innovation. Ecancermedicalscience. 2013;7:339.
6. Ivan M., Ernek M., Miklovicova E. TwinCAT Control of CNC Machine over CoE. Proc. XXII Intern. Conf. Process Control. Štrbské Pleso, 2019:91—96.
7. BECKHOFF Automation and IntraOp Medical of U.S.A. Innovative Radiation Therapy Uses Flexible PC-based Control Platform. PC Control Magazine. 2013;2.
8. Nwador A.F., Sanubi F.A., Clark E.V. Sanctions as Tool for Strategic Deterrence: an Assessment of Targeted Sanctions in Russia. J. Public Administration, Finance and Law. 2023;27:544—565.
9. EtherCAT Product Guide [Elektron. Resurs] https://www.ethercat.org/en/products.html (Data Obrashcheniya 01.12.2024).
10. Kollmorgen Automation Suite IDE User Manual EN [Elektron. Resurs]: https://www.kollmorgen.com/sites/default/files/2024-06/KAS_IDE_User_Manual.pdf (Data Obrashcheniya 02.12.2024).
11. CODESYS for Users [Elektron. Resurs] https://www.codesys.com/index.php?eID=tx_securedownloas&p=151&u=0&g=0&t=1727454954&hash=99216d01707bd2386e33d37e8a99afdb44f&file=/fileadmin/Download/EN/Brochures/CODESYS-Anwender-en.pdf (Data Obrashcheniya 02.12.2024).
12. Kithara RealTime EtherCAT [Elektron. Resurs] https://kithara.com/en/products/real-time-ethercat (Data Obrashcheniya 02.12.2024).
13. EtherCAT Realtime Master Library Documentation [Elektron. Resurs] https://www.sybera.de/download/manual_ect_clu_e.pdf (Data Obrashcheniya 02.12.2024).
14. KINGSTAR Fieldbus Powered by EtherCAT [Elektron. Resurs] https://kingstar.com/products/ethercat/ (Data Obrashcheniya 02.12.2024).
15. Koenig-pa GmbH. Files for Download [Elektron. Resurs] https://koenig-pa.de/files-download (Data Obrashcheniya 02.12.2024).
16. Programmnye Resheniya dlya Promyshlennoy Avtomatizatsii [Elektron. Resurs] https://visutechsystem.by/pdf/VS_Product_catalogue_RU.pdf (Data Obrashcheniya 11.11.2024). (in Russian).
17. EtherCAT SDK [Elektron. Resurs] https://docs.rt-labs.com/ethercat-sdk (Data Obrashcheniya 02.12.2024).
18. IgH EtherCAT Master 1.5.2 Documentation [Elektron. Resurs] https://docs.etherlab.org/ethercat/1.5/pdf/ethercat_doc.pdf (Data Obrashcheniya 02.12.2024).
19. Acontis EC-Master vs Open Source (IgH EtherCAT-Master (EtherLab) and Simple Open EtherCAT Master (SOEM)) [Elektron. Resurs] https://www.acontis.com/en/ethercat-master-options-ec-master-vs-open-source-etherlab-SOEM.html (Data Obrashcheniya 02.12.2024).
20. Delgado R., Choi B.W. Real-time Servo Control using EtherCAT Master on Real-time Embedded Linux Extensions. Intern. J. Appl. Eng. Research. 2017;12(21):11179—11185.
21. Oliveira D.B., Oliveira R.S. Timing Analysis of the PREEMPT RT Linux Kernel. Software Practice and Experience. 2015;46(6):789—819.
22. Choi B.W., Shin D.G., Park J.H., Yi S.Y., Gerald S. Real-time Control Architecture using Xenomai for Intelligent Service Robot in USN Environment. Intelligent Service Robotics. 2009;2(2):139—151.
23. Altenberg J. Introduction to Realtime Linux [Elektron. Resurs] https://www.youtube.com/watch?v=BKkX9WASfpI&t=2864s (Data Obrashcheniya 02.12.2024).
24. Rassudov L.N. i dr. Razrabotki Opytnykh Obraztsov Avtomaticheskikh Transportnykh Liniy s Pryamym Elektroprivodom. Elektrichestvo. 2023;4:44—54. (in Russian).
25. Rassudov L. e. a. Digital Twin Implementation for Accelerating the Development of Flexible Transportation System Control Software. Proc. IEEE 62nd Intern. Sci. Conf. Power and Electrical Engineering of Riga Technical University. Riga, 2021:1—4.
26. Bejlis (Tonkih) A. CppCMS — C++ Web Framework [Elektron. Resurs] http://cppcms.com/wikipp/ru/page/main (Data Obrashcheniya 02.12.2024).
27. Bejlis (Tonkih) A. Case Study: CppCMS Benchmarks vs Java, C#, PHP [Электрон. ресурс] http://cppcms.com/wikipp/en/page/benchmarks_all (Data Obrashcheniya 02.12.2024).
28. JSON-RPC 2.0 Specification [Elektron. Resurs] https://www.jsonrpc.org/specification (Data Obrashcheniya 02.12.2024).
29. Atodiresei A., Băutu A., Simona D. Optimization of Sensor Data Gathering Interface for Platmarisc Project. Sci. Bulletin of Naval Academy. 2023;26(2):136—143
---
For citation: Osipov D.A., Rassudov L.N. A Platform for Constructing Precision Electric Drive Control Systems Based on the EtherCAT Industrial Fieldbus. Bulletin of MPEI. 2025;4:31—36. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2025-4-31-36
Опубликован
2025-06-24
Раздел
Электротехнические комплексы и системы (технические науки) (2.4.2)