基于国产PLC的从站固件开发及CoE协议的应用研究

摘要

近年来，在全球范围内工业控制领域存在诸多信息安全问题，国内外不断爆发了大量针对工业控制系统的攻击事件，这给我国的工业控制系统信息安全保障敲响了警钟，因此研发自主可控实现国产化替代的工业控制产品显得意义重大。本文涉及到的国产PLC（Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器）即是为应对信息安全威胁实现自主可控的目的而研发的工业控制产品，它采用模块化结构设计，上位机主要实现对 PLC的组态，主站实现对从站的实时控制与诊断，具体的逻辑功能则由本文设计的PLC从站实现。本文完成了P LC从站I/O模块的固件开发，并实现了应用层CoE协议（CANopen over EtherCAT，运行在EtherCAT协议上的CANopen协议）。
　　首先，分析了实现PLC国产化替代的必要性和紧迫性，并简要介绍了国内外PLC的发展现状和不同工业以太网的应用。从总线实时性和同步性的角度考虑，选用了EtherCAT（Ethernet Control Automation Technology，以太网控制自动化技术）总线作为PLC主从站间的通信总线，它使用专用的硬件实现EtherCAT数据帧的收发，可以将响应时间实现为毫秒级，符合工业现场对实时性的要求。
　　其次，简要介绍了EtherC AT应用层协议。从当前应用需求的角度考虑，提出了实现应用层 CoE协议的方案，与其他应用层协议相比，该协议具有高可靠性和实时性的特点；在深入分析了 CoE协议的基础上，借助从站专用处理芯片为应用程序提供了一套统一的接口。
　　然后，在深入了解PLC从站系统及SPARC架构特性的基础上，针对数字量输入、数字量输出、模拟量输入、模拟量输出四个从站模块做出了详细的应用需求分析；以模块化设计原则，使用嵌入式 C语言开发，并结合各个从站模块的逻辑功能设计了详细的软件方案，实现了过程数据通信和邮箱数据通信。从站代码不仅实现了逻辑功能，而且还具有良好的可读性和移植性。
　　最后，搭建了简单的测试环境对各个I/O从站模块进行了测试。为确保主从站通信功能正常，进行了 CoE协议的通信功能测试，验证了主站请求数据报和从站应答数据报的应答机制；针对数字量输入/输出和模拟量输入/输出共四个从站模块进行了逻辑功能测试，包括数字量输入滤波、数字量输出诊断、模拟量的校准以及紧急事件，其中针对模拟量输入/输出模块利用最小二乘法实现了校准，校准后的误差不超过0.05％FSR，达到了工业级转换精度要求。
　　测试结果表明，本文设计的PLC从站不仅实现了与EtherCAT主站的正常通信，还利用 CoE协议达到了主站对从站进行灵活配置的目的，并实现了与从站外设进行准确的数据交互，检验了 PLC从站硬件电路的正确性及其对外设基本控制功能的可靠性，总体上达到了预期设计的要求。

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缩略语

第一章 绪论

1.1 课题背景及研究意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文主要研究内容

第二章 CoE协议分析

2.1 CoE协议的组成

2.2 CoE对象字典

2.3 CoE周期性过程数据通信

2.4 CoE非周期性邮箱数据通信

2.5 本章小结

第三章 PLC从站系统介绍

3.1 PLC系统总体介绍

3.2 从站主要芯片选型

3.3 从站硬件电路组件设计

3.4 本章小结

第四章 PLC从站软件设计与实现

4.1 从站驱动程序设计

4.2 CoE软件设计

4.3 数字量输入模块

4.4 数字量输出模块

4.5 模拟量输入模块

4.6 模拟量输出模块

4.7 本章小结

第五章 测试与结果分析

5.1 通信功能验证

5.2 数字量模块测试

5.3 模拟量模块测试

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 工作总结

6.2 研究展望

参考文献

致谢

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