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TwinCAT:发展历程与架构

Neuron Team
2024-1-5
TwinCAT:发展历程与架构

什么是 TwinCAT

TwinCAT(The Windows Control and Automation Technology)是由德国倍福自动化有限公司(Beckhoff Automation)开发的用于自动化技术的软件平台。它被用于编程和控制各种类型的工业自动化设备,例如可编程逻辑控制器(PLC)、运动控制系统、人机界面(HMI)等。

TwinCAT 具有模块化和可扩展的特点,使其可用于广泛的应用和行业。它支持多种编程语言,包括结构化文本(ST)、梯形图(LD)、功能块图(FBD)、顺序功能图(SFC)和 C/C ++。

TwinCAT 发展历程

TwinCAT 作为一套工业自动化的纯软件解决方案由 Beckhoff Automation 于 1995 年首次推出。TwinCAT 的原始版本被设计为在标准 Windows PC 上运行,它使用 Windows NT 专有的实时扩展来实现确定性控制。

多年来,TwinCAT 不断发展并扩展出了广泛的自动化功能,包括对更多的编程语言的支持以及集成运动控制、CNC 功能和对实时以太网协议的支持等附加功能。

2011 年,Beckhoff 推出了重大改进版本 TwinCAT 3。TwinCAT 3 基于新的软件架构,该架构的设计更加模块化和可扩展,使其具有更广泛的应用。TwinCAT 3 还增加了对分布式控制系统、多核处理器和高级运动控制等高级功能的支持。一个重要的功能是与 Microsoft Visual Studio 的集成,它允许用户利用丰富的开发工具集。TwinCAT 3 运行时可用于 64 位操作系统,并且优化了对处理器的多核特性的利用。

TwinCAT 架构

TwinCAT 平台采用模块化架构,它由多个不同的软件产品组成,可以一起使用以创建完整的自动化解决方案。基本系统由开发组件(engineering)和运行时组件(runtime)组成,可以通过应用特定的功能组件(Functions)进行灵活扩展。总体而言,模块化架构为工业自动化提供了灵活和可扩展的平台,允许用户根据其特定的需求和要求定制系统。

TwinCAT Architecture

开发组件

TwinCAT XAE(eXtended Automation Engineering)是基于 Microsoft Visual Studio 的 TwinCAT 3 开发环境。它提供了一套全面的工具,用于创建、调试和部署自动化程序,包括对多种编程语言的支持。

运行时组件

TwinCAT XAR(eXtended Automation Runtime)是 TwinCAT 3 系统的核心,负责执行 PLC 程序、协调运动控制以及处理与自动化系统中其他设备的通信。运行时组件可以在从小型嵌入式系统到大型工业 PC 等各种硬件平台上运行。

功能组件

TwinCAT 功能组件为基本系统提供了广泛的扩展选项。例如,TwinCAT 3 HMI 可以基于 Web 技术(HTML5、JavaScript/TypeScript)开发与平台无关的用户界面,TwinCAT 3 Vision 提供可扩展的图像处理功能,而TwinCAT 3 Measurement 则提供附加的测量技术功能。

ADS 协议

ADS (Automation Device Specification) 协议是 TwinCAT 系统中的传输层。它是为了在自动化系统中不同组件之间进行数据交换而开发的,例如 PLC、HMI 和其他设备。ADS 协议提供了高效的数据传输方式,支持实时、异步和通知式数据传输模式,使得 TwinCAT 系统中的各个组件可以彼此通信并协同工作。

Structure of the ADS communication

ADS 通信结构

ADS 协议在运行于 TCP/IP 或 UDP/IP 协议之上,其 TCP 端口号为 48898 。

ADS 使用客户端-服务器模型进行通信,其中一个设备(客户端)向另一个设备(服务器)发送请求并接收响应。请求和响应可以包括数据、命令或状态信息。这种通信模型可用于在 TwinCAT 系统中的不同组件之间进行通信,包括 PLC、HMI 和其他设备。

image.png

ADS 报文结构

ADS 协议提供了一组命令,用于服务器和客户端之间的通信,其中最重要的是 ADS ReadADS Write 命令。

TwinCAT 桥接到 MQTT

随着工业 4.0 的到来,制造业中的智能化、自动化和数据化需求越来越高。在这种背景下,MQTT 协议相较 ADS 协议有许多优势。

MQTT 是一种为物联网设备和应用程序设计的消息协议,采用发布与订阅模型,具有轻量、高效、可靠的,支持实时通讯等优点。 MQTT 非常适合资源受限的环境,特别是需要高效使用电力和带宽的场景。目前已经广泛应用于物联网、移动互联网、智能硬件、车联网、智慧城市、远程医疗、电力、石油与能源等领域。

此外,MQTT 是一种开放标准协议,有许多开源实现,相比于 ADS 协议可以运行在更多不同的平台上。

结语

在本文中,我们讨论了 TwinCAT 协议及其在工业场景中的重要作用,还解释了为什么需要将 TwinCAT 数据桥接到 MQTT 以提高这些场景的效率。有关如何桥接这两个协议的详细指南,请参考:工业物联网数据桥接教程:TwinCAT 桥接到 MQTT

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