隨著工業(yè)自動化技術(shù)的快速發(fā)展,工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)已成為現(xiàn)代智能制造系統(tǒng)的核心支撐。在這一背景下,實(shí)時性高、數(shù)據(jù)傳輸效率強(qiáng)的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議(如EtherCAT)逐漸成為主流,而傳統(tǒng)的串行通信協(xié)議(如Modbus RTU)因其成熟性、低成本及廣泛部署,仍在眾多工業(yè)場景中占據(jù)重要地位。然而,在工業(yè)設(shè)備互聯(lián)需求日益復(fù)雜的今天,如何實(shí)現(xiàn)不同協(xié)議設(shè)備之間的無縫兼容與高效協(xié)同,成為提升系統(tǒng)靈活性與可擴(kuò)展性的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。
EtherCAT(Ethernet for Control Automation Technology)作為一種高性能的實(shí)時以太網(wǎng)協(xié)議,憑借其分布式時鐘同步機(jī)制、微秒級響應(yīng)能力及靈活的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),被廣泛應(yīng)用于運(yùn)動控制、機(jī)器人等高精度實(shí)時控制領(lǐng)域。而Modbus RTU作為一種經(jīng)典的串行通信協(xié)議,以其簡單可靠、易于實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn),長期服務(wù)于PLC、傳感器、儀表等底層設(shè)備的數(shù)據(jù)采集與控制。然而,兩者的通信機(jī)制、數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)及主從架構(gòu)存在顯著差異,導(dǎo)致異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)間的直接通信難以實(shí)現(xiàn)。例如,EtherCAT基于主站周期輪詢的“飛讀飛寫”機(jī)制與Modbus RTU的主從問答模式在時序管理上存在沖突,且兩者的數(shù)據(jù)地址映射、報(bào)文解析方式亦不兼容。
在此背景下,開發(fā)EtherCAT從站與Modbus RTU設(shè)備間的協(xié)議轉(zhuǎn)換方案,成為實(shí)現(xiàn)新舊設(shè)備融合、降低系統(tǒng)升級成本的重要技術(shù)路徑。現(xiàn)有解決方案多采用硬件網(wǎng)關(guān)或嵌入式中間件實(shí)現(xiàn)協(xié)議轉(zhuǎn)換,但仍面臨實(shí)時性保障、數(shù)據(jù)一致性校驗(yàn)及多設(shè)備并發(fā)處理等核心問題。例如,轉(zhuǎn)換過程中需解決EtherCAT周期數(shù)據(jù)與Modbus RTU非周期請求的時序匹配問題,同時需設(shè)計(jì)高效的數(shù)據(jù)緩存與地址映射機(jī)制以避免數(shù)據(jù)丟失或沖突。此外,如何在不影響EtherCAT主站周期通信的前提下,實(shí)現(xiàn)Modbus RTU從站設(shè)備的異步響應(yīng),亦是技術(shù)難點(diǎn)之一。
本文針對上述問題,提出一種基于嵌入式平臺的EtherCAT從站轉(zhuǎn)Modbus RTU協(xié)議轉(zhuǎn)換架構(gòu)。通過深入分析EtherCAT數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議與Modbus RTU應(yīng)用層協(xié)議的交互邏輯,設(shè)計(jì)動態(tài)緩沖區(qū)管理與雙協(xié)議棧并行處理機(jī)制,優(yōu)化數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)效率與實(shí)時性;同時,結(jié)合地址映射表與錯誤重傳策略,確保數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的可靠性與一致性。本研究旨在為工業(yè)現(xiàn)場中多協(xié)議設(shè)備互聯(lián)提供一種低成本、高兼容性的解決方案,助力企業(yè)實(shí)現(xiàn)新舊系統(tǒng)的平滑過渡與智能化升級。
1.1 產(chǎn)品功能
設(shè)備主要功能
疆鴻智能JH-ECT002是自主研發(fā)的一款EtherCAT從站功能的通訊網(wǎng)關(guān)。該產(chǎn)品主要功能是將EtherCAT網(wǎng)絡(luò)和Modbus RTU總線連接起來。本網(wǎng)關(guān)連接到EtherCAT總線中做為從站使用,連接到Modbus-RTU網(wǎng)絡(luò)中做為主站或從站使用。
應(yīng)用廣泛:網(wǎng)關(guān)支持Modbus RTU接口的上位機(jī)、儀表、變頻器、掃碼槍等等。在制造業(yè)中,這種網(wǎng)關(guān)常用于將先進(jìn)的EtherCAT控制設(shè)備與傳統(tǒng)的基于Modbus RTU協(xié)議的監(jiān)控和管理系統(tǒng)相連接。比如,在某家電子制造工廠里,EtherCAT從站的高精度貼片機(jī)可以通過網(wǎng)關(guān)與Modbus RTU協(xié)議的生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通信,實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的實(shí)時監(jiān)控和優(yōu)化。
1.1 技術(shù)參數(shù)
1.1.1 ETHERCAT 技術(shù)參數(shù)
● 網(wǎng)關(guān)做為ETHERCAT 網(wǎng)絡(luò)的從站,可以連接倍福、歐姆龍、基恩士等廠家的PLC。
● 帶2 個RJ45 以太網(wǎng)接口,支持100BASE-TX,MDI/MDIX 自檢測,可以組成鏈?zhǔn)骄W(wǎng)絡(luò),支持環(huán)網(wǎng)冗余。
● 支持的最大PDO 長度,inputs 和outputs 各為256 字節(jié)。Input 和output 的方向是主站方向,input 是主站輸入,output 是主站輸出。
1.1.2 MODBUS-RTU 技術(shù)參數(shù)
● 網(wǎng)關(guān)的MODBUS 接口可通過撥碼選擇做為主站或從站,兩種工作方式二選一工作。
● 網(wǎng)關(guān)的MODBUS 接口可通過撥碼選擇RS485 接口或RS232 接口,兩種接口二選一工作。
● 網(wǎng)關(guān)的MODBUS 波特率支持: 2400、4800、9600、19.2K、38.4K、57.6K、115.2K 等。
● 網(wǎng)關(guān)的MODBUS 字符格式及校驗(yàn)位:8 位無校驗(yàn)+1 停止位、8 位+偶校驗(yàn)+1 停止位、8 位+奇校驗(yàn)+1 停止位、8 位無校驗(yàn)+2 停止位。
● 網(wǎng)關(guān)作為MODBUS 主站,支持01H、02H、03H、04H、05H、06H、0FH、10H 號功能。
● 網(wǎng)關(guān)作為MODBUS 從站,支持03H、04H、06H、10H 號功能。
● 網(wǎng)關(guān)作為MODBUS 主站,最大能帶32 個Modbus 從站。
審核編輯 黃宇
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