运动控制器/运动控制卡的EtherCAT总线ZMIO310扩展模块使用

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一、ZMIO310系列扩展模块

二、ZMIO310-ECAT通讯模块的接线及使用

三、ZMIO310子模块接线参考

四、ZMIO310-ECAT扩展数字量IO、模拟量AD/DA地址偏移设置

五、ZMIO310-ECAT扩展模块模拟量量程修改及通道使能

六、ZMIO310扩展模块常见问题分析

ZMC432CL-V2 脉冲全闭环的32轴总线型运动控制器

ZMC432CL-V2是一款高性能运动控制器，具备高速实时反馈功能，支持脉冲全闭环控制，能够实现高精度、高响应速度的运动控制。高精度定位，有效消除机械传动误差，满足高精密加工场景应用要求。

1.硬件功能特性

（1）丰富的运动控制功能：支持直线、圆弧、空间圆弧、螺旋插补等。

（2）硬件接口丰富：支持脉冲轴（带编码器反馈）和EtherCAT总线轴，具备24路输入和12路输出的通用IO，部分为高速IO，2路模拟量输出(DA)。

（3）EtherCAT刷新周期最快达250us，满足高速通信需求。

（4）支持4通道硬件比较输出、硬件定时器、运动中精准输出，适用于多通道视觉飞拍等场合。

（5）支持掉电检测、掉电存储，多种程序加密方式，能够有效防止系统故障，保护项目工程文件数据，并提高系统的可靠性。

（6）通过纯国产IDE开发环境RTSys进行项目开发，可实时仿真、在线跟踪以及诊断与调试，简便易用，支持多种高级上位机语言联合编程进行二次开发。

2.主要特点

（1）使用现成的API开发各种装备

（2）步进电机的外置光栅尺全闭环解决方案①ZMC4系列高效的网口读写，PCIe/PCI系列卡可共享内存接口（共享内存的批量读写3-5us）；②内置反向间隙补偿，双向螺距补偿，2D平面补偿等； ③可以同时支持脉冲轴和EtherCAT轴运动混合使用；④开放的PT/PVT接口客户可自定义加减速算法的二次编程；

 

01 ZMIO310系列扩展模块

ZMIO310系列扩展模块是立式总线扩展模块，可支持EtherCAT和CAN两种总线方式扩展数字量IO、模拟量AD和DA。

当控制器本体的IO、AD和DA等资源不够时，可以通过耦合器模块（ECAT、CAN通讯模块）搭配其他扩展子模块进行扩展；子模块包含数字量输入口DI、数字量输出口DO、模拟量输入口AD、模拟量输出口DA模块。

耦合器和可组合的子模块如下：

后续子模块扩展能力

ZMIO310-ECAT通讯模块最多可扩展16个子模块，支持混合扩展。但可扩展的各类别子模块有数量限制，ZMIO310-16DI最多16个，ZMIO310-16DO最多16个，ZMIO310-8AD最多8个，ZMIO310-8DA最多8个。实际数量需要以各模块功耗进行限定。

例如：ZMIO310-ECAT耦合器扩展了8个AD，8个DA后就不能再扩展其它子模块；或ZMIO310-ECAT耦合器扩展了16个DI后，就不能再扩展其它子模块。

 

02 ZMIO310-ECAT通讯模块的接线及使用

ZMIO310-ECAT通讯模块EtherCAT接口采用的是标准百兆以太网RJ45网口，支持EtherCAT协议。

接线准备材料：

1、运动控制器主站1个

2、ZMIO310-ECAT通讯模块（根据扩展需求选择数量，最多不超过16个）

3、ZMIO310后级扩展子模块（根据需求选择）

4、直流24V电源若干

5、网线若干：选用超六类屏蔽双绞线、水晶头带有金属壳；

6、导线若干

接线步骤（可参考下方接线图）：

1、将一个DC24V电源的正负极分别对应接到主控制器的E+24V和EGND上；（电源正极 — E+24V；电源负极 — EGND）

2.将另一个DC24V电源的正负极分别对应接到ZMIO310-ECAT通讯模块的+24V和GND上；（电源正极 — +24V；电源负极 — GND）

3.将其他电源分别对应接到后级扩展子模块上的电源输入接口上。（详细接线参考本文第三节：子模块接线参考）

4.使用一根网线一头接入主控制器的EtherCAT接口上，另一头则接入ZMIO310-ECAT模块的EtherCAT IN口。若扩展多个EtherCAT模块，则用另一根网线接入第一个ZMIO310-ECAT模块的EtherCAT OUT口，另一头则接入下一级模块的EtherCAT IN口，以此类推…

5.检查接线无误后，将电源通电。上电后ZMIO310-ECAT的ERR报错灯常亮红灯，此时需要进行下一步操作。（分两种情况：若有使用总线驱动器，则直接使用总线初始化模板程序下载即可；若无使用总线驱动器，则只需完成第6步操作即可。）

6.通电后ZMIO310-ECAT还需要先进行总线开启操作。可在RTSys“在线命令”发送：

 

SLOT_SCAN(0)       ‘总线扫描
SLOT_START(0)      ‘总线开启

 

按上述步骤操作后，ZMIO310-ECAT通讯模块的ERR灯不亮表示总线开启成功。 

提示：接线时注意EtherCAT IN连接上一级模块，EtherCAT OUT连接下一级模块，IN和OUT口不可混用。

EtherCAT接口规格参数

 

03 ZMIO310子模块接线参考

ZMIO310-16DI数字量输入子模块接线参考

输入端口NPN型接线参考：
 

输入端口PNP型接线参考：

ZMIO310-16DO/DOP数字量输出子模块接线参考

输出端口NPN型接线参考：

输出端口PNP型接线参考：

ZMIO310-4AD模拟量输入子模块接线参考

电压输入端口接线示意图：

电流输入端口接线示意图：

ZMIO310-4DA模拟量输出子模块接线参考

电压输出端口接线示意图：

电流输出端口接线示意图：

 

04 ZMIO310-ECAT扩展数字量IO、模拟量AD/DA地址偏移设置

地址偏移的目的：由于扩展模块连接的主站（运动控制器）或其他从站设备（驱动器等）可能已有一定数量的IO或者AD/DA，在使用扩展模块上的数字IO或模拟量资源时，防止资源使用冲突，需要对扩展模块的资源进行编号映射。即：将扩展模块上的数字量IO和模拟量AD/DA的起始地址进行偏移。

注意：数字量IO和模拟量IO地址均不可与其他主从站的IO地址一致！

  数字量IO地址偏移：

1.进行IO映射前需要先查看主站（控制器）自身的最大IO编号（包括外部IO接口和脉冲轴内的IO接口等）。

2.采用ZMIO310-ECAT通讯模块连接的数字量IO起始地址偏移直接使用NODE_IO指令即可实现。

指令具体使用语法参见下表：

举例：

若主站是运动控制器ZMC432-V2，直接连接第一个扩展模块ZMIO310-ECAT+ZMIO310-16DI+ZMIO310-16DO，再连接第二个扩展模块ZMIO310-ECAT+ZMIO310-16DOP。

1.确定设备槽位号及设备编号

槽位号：指控制器上总线接口的编号，EtherCAT总线槽位号为0。由于ZMC432-V2是单总线控制器，因此使用EtherCAT接口的槽位号为0；若使用的主站是双总线控制器，并同时使用EtherCAT和RTEX总线，那么EtherCAT总线接口槽位号为0，RTEX总线接口槽位号为1；否则仅使用任意一个总线，则槽位号均为0。

设备编号：设备号是指一个槽位上连接的所有设备的编号，从0开始，按设备在总线上的连接顺序自动编号，可以通过NODE_COUNT(slot)指令查看总线上连接的设备总数。该例子中第一个扩展模块ZMIO310的设备编号为0，第二个扩展模块设备编号为1。

2.确定主站的数字量IO最大编号

需先通过主站控制器的用户手册，即《ZMC432-V2控制器用户手册》查看得到控制器自身的数字量输入IN最大编号是29，数字量输出OUT最大编号是17，那么取较大数值29为主站已使用的IO最大编号数。

ZMIO310扩展模块则需要将数字量IO地址偏移至29以上，由于指令语法限制，起始编号只能设置为8的倍数，则得到ZMIO310的数字IO地址至少应为32。

3.使用指令进行IO起始地址偏移

使用NODE_IO指令进行设置，在EtherCAT初始化程序中或RTSys的“在线命令”发送：NODE_IO(0,0)=32

4.修改后可打开RTSys中的“控制器状态-槽位0节点”查看IO地址是否已修改成功。

模拟量AD/DA地址偏移：

1.进行IO映射前需要先查看主站（控制器）自身的最大模拟量编号。

2.采用ZMIO310-ECAT通讯模块连接的模拟量AD/DA起始地址偏移直接使用NODE_AIO指令即可实现。

举例：操作方法同理数字量IO地址偏移。区别在于使用指令不同：“NODE_AIO”。

在EtherCAT初始化程序中或RTSys的“在线命令”发送：NODE_AIO(0,0)=8

修改后可打开RTSys中的“控制器状态-槽位0节点”查看。

 

05 ZMIO310-ECAT扩展模块模拟量量程修改及通道使能

本文仅介绍模拟量量程修改及通道使能功能，更多功能可参考《ZMIO310扩展模块用户手册》，指令用法与下文所述功能大体一致，不同功能对应数据字典不同。

（一）量程修改相关概念了解

修改模拟量量程前，我们先了解几个必备概念：

量程类型

ZMIO310模拟量精度可达16位，支持的量程类型范围多达6种。按信号类型分类可分为电压信号和电流信号；按极性分类可分为单极性和双极性。默认量程类型是：0~10V。具体如下表：

本地后级扩展地址

ZMIO310-ECAT通讯模块上电后，会扫描本地后级扩展接口，为扫描出的每一个扩展子模块分配一个扩展地址。

ECAT通讯模块上电后扫描，子模块的地址从0开始，按接入的顺序依次分配地址。通讯模块连接的第一块扩展子模块的扩展地址为0，第二块扩展子模块的扩展地址则为1，以此类推…

举例：如ECAT通讯模块（ZMIO310-ECAT）的本地后级接口依次接入3个输入模块（ZMIO310-16DI）、2个输出模块（ZMIO310-16DO或ZMIO310-16DOP）、1个AD模块（ZMIO310-4AD）和1个DA模块（ZMIO310-4DA）的情况。地址分配情况如下表：

数据字典

修改模拟量量程即是对ZMIO310-ECAT模块进行写入操作，此时需要先找到控制修改量程的数据字典，并配合使用总线指令SDO_WRITE进行写入。该数据字典如下表：

根据上表可得到如下信息：

索引号：由5001h+要操作的模拟量子模块所在的扩展地址决定。即当模拟量子模块的扩展地址为0时，则索引号为5001h，当模拟量子模块的扩展地址为3时，则索引号为5004h，以此类推…

子索引：01h则是控制修改量程的子索引；02h则是控制模拟量4个通道使能功能的子索引。

数据类型：00h数据类型为无符号8位；01h为无符号16位；02h为无符号16位。

数据值：参考表中小表格的数值定义。例如：01h中AD模块的0~20mA量程类型对应数据值为5；02h中AD子模块全通道开启对应数据值为15。

（二）修改/读取模拟量量程相关指令了解

了解上述关键信息后即可使用SDO_WRITE指令进行模拟量量程修改了，读取模拟量量程则使用“SDO_READ”。现在了解一下这个指令的语法，如下表：

综合上述“数据字典”和“SDO_WRITE指令语法”两个表格可写出：

ZMIO310-ECAT模块修改模拟量量程的指令写法为：

SDO_WRITE(slot,node, $(5001+扩展子模块地址),1,6,value)；

读取量程类型值的指令写法为：

SDO_READ(slot,node, $(5001+扩展子模块地址) ,1,6,tablenum)

AD模拟量通道使能的指令写法为：

SDO_WRITE(slot,node, $(5001+扩展子模块地址),2,6,value)

（三）修改模拟量量程操作步骤

举例：假设使用设备为：运动控制器ZMC432-V2做主站，通过EtherCAT接口连接扩展模块ZMIO310-ECAT + ZMIO310-16DI + ZMIO310-16DO + ZMIO310-16DOP + ZMIO310-4DA + ZMIO310-4AD。由于默认量程类型为0~10V，此时若要将4DA和4AD子模块量程类型修改为0~20mA。操作如下：

1.确定槽位号及设备编号。由ZMC432-V2是单总线控制器可知：EtherCAT 槽位号为0；由ZMC432-V2直接连接ZMIO310扩展模块可知：设备编号为0。

2.确定本地后级扩展子模块地址。由“（一）本地后级扩展地址”内容可得：DA模块的扩展地址为3，AD模块的扩展地址为4。

3.确定对应要操作的数据字典索引号及子索引号、数据类型。根据“（一）数据字典表格”及步骤1得到的扩展地址，可得：DA模块的数据字典索引号为5001+3=5004h；AD模块的索引号为5001+4=5005h。根据表格可得修改模拟量量程对应的子索引号均为01h。数据类型为UNSIGNED16。

4.确定修改后的量程类型对应数据值。根据“（一）量程类型”可得：DA模块的0~20mA对应数据值13；AD模块的0~20mA对应数据值5；

5.使用SDO_WRITE指令修改量程。根据“（二）SDO_WRITE指令语法”及上述得到的参数信息以及数据类型UNSIGNED16对应数值6，在程序中写入或“在线命令”发送：

 

SDO_WRITE(0,0,$5004,1,6,13)     '修改DA模块的模拟量量程为0~20mA
SDO_WRITE(0,0,$5005,1,6,5)      '修改AD模块的模拟量量程为0~20mA

 

6.读取量程则使用SDO_READ指令。根据“（二）SDO_READ指令语法” 及上述得到的参数信息，在程序中写入或“在线命令”发送：

 

SDO_READ(0,0,$5004,1,6,0)      '读取DA模块的量程类型数据值存到table(0)寄存器中
?table(0)                      '打印读取寄存器内的值
SDO_READ(0,0,$5005,1,6,10)     '读取AD模块的量程类型数据值存到table(10)寄存器中
?table(10)                     '打印读取寄存器内的值

 

完整用例请参考“（五）ZMIO310各功能完整用例”。

（四）模拟量AD各通道使能操作步骤

举例：

假设使用设备为：运动控制器ZMC432-V2做主站，通过EtherCAT接口连接扩展模块ZMIO310-ECAT + ZMIO310-16DI + ZMIO310-16DO + ZMIO310-16DOP + ZMIO310-4DA + ZMIO310-4AD。一般默认通道为全开启，假设只开启4AD模块的通道0和通道1，其余通道关闭。操作如下： 

1.确定槽位号及设备编号。由ZMC432-V2是单总线控制器可知：EtherCAT 槽位号为0；由ZMC432-V2直接连接ZMIO310扩展模块可知：设备编号为0。

2.确定本地后级扩展子模块地址。由“（一）本地后级扩展地址”内容可得：AD模块的扩展地址为4。

3.确定对应要操作的数据字典索引号及子索引号、数据类型。根据“（一）数据字典表格”及步骤1得到的扩展地址，可得：AD模块的索引号为5001+4=5005h。根据表格可得修改通道使能对应的子索引号均为02h。数据类型为UNSIGNED16。

4.确定通道0、1上使能的对应数据值。根据“（一）数据字典”可得：AD模块仅开启通道0、1的对应数据值为3；

使用SDO_WRITE指令修改通道使能。根据“（二）SDO_WRITE指令语法”及上述得到的参数信息以及数据类型UNSIGNED16对应数值6，在程序中写入或“在线命令”发送：

 

SDO_WRITE(0,0,$5005,2,6,3)     '仅开启AD模块的通道0和通道1

 

（五）ZMIO310各功能完整用例

假设使用设备为：运动控制器ZMC432-V2做主站，通过EtherCAT接口连接扩展模块ZMIO310-ECAT + ZMIO310-16DI + ZMIO310-16DO + ZMIO310-16DOP + ZMIO310-4DA + ZMIO310-4AD。一般默认量程类型为0~10V和通道全开启，要求将4DA和4AD子模块量程类型修改为0~20mA。且4AD子模块只开启通道0和通道1，其余通道关闭。操作如下：

 

FOR i=0 to 3  
    SLOT_STOP(0)		         '停止总线  
    delay(200)                '延时200ms    
    SLOT_SCAN(0)		         '扫描总线    
    IF NODE_COUNT(0) THEN EXIT FOR  '读取总线连接设备个数非0时跳出循环    
    DELAY(1000)              '延时1000ms
NEXT
IF NODE_COUNT(0) <  > 0 THEN    
    SDO_WRITE(0,0,$5004,1,6,13)     '修改DA模块的模拟量量程为0~20mA    
    SDO_WRITE(0,0,$5005,1,6,5)     '修改AD模块的模拟量量程为0~20mA    
    SDO_READ(0,0,$5004,1,6,0)      '读取DA模块的量程类型数据值存到table(0)寄存器中    
    ?table(0)              '打印读取寄存器内的值    
    SDO_READ(0,0,$5005,1,6,10)     '读取AD模块的量程1类型数据值存到table(10)寄存器中    
    ?table(10)             '打印读取寄存器内的值    
    SDO_WRITE(0,0,$5005,2,6,3)     '仅开启AD模块的通道0和通道    
    DELAY(200)    
    SLOT_START(0)		       '启动总线    
    ?"总线开启成功"
ELSE    
    ?"总线开启失败"
ENDIF

 

根据上述章节完成正确接线后，在RTSys软件中新建一个项目文件（.zpj）和basic文件，将上述代码复制到basic文件编程区域。给basic文件设置自动运行任务号，点击下载到RAM/下载到ROM即可。如下图所示。（完整的RTSys新建流程可参考《RTSys使用手册》）

 

06 ZMIO310扩展模块常见问题分析

（一）扫描不到ZMIO310-ECAT扩展模块（可在RTSys软件的【控制器状态】→【槽位0节点】查看是否有扩展设备显示）

1、检查扩展模块的电源接线。电源是否上电；端子接线是否松动；接线处是否卡到绝缘胶层等；

1、检查EtherCAT接口网线是否松动；

2、检查/替换网线。网线建议使用超六类屏蔽双绞线；

3、检查是否有其他节点报警或掉线导致；

（二）ZMIO310-ECAT模块上电ERR灯常亮

1.未进行总线初始化。使用EtherCAT协议接口的设备均需进行总线初始化操作，即总线扫描→总线开启等流程；（操作方法可参考本文“二、ZMIO310-ECAT通讯模块的接线与使用”的步骤5、6）

（三）ZMIO310-ECAT模块3个指示灯状态对应情况如下表：

（四）ZMIO扩展模块的模拟量输入无反应/输出值读取不到

1、检查电源接线。是否给模拟量模块单独供电；供电电压是否为DC24V；

2、检查模拟量模块通道接线是否正确。电压类型量程和电流类型量程接线不同。（接线可参考本文“三、ZMIO310子模块接线参考”）

3、检查使用的量程类型和量程范围是否与实际接线一致。

4、检查使用的AD模块通道是否使能。（使能方法参考本文“五、模拟量AD各通道使能操作步骤”）

5、检查扩展模块的模拟量编号范围是否与其他设备冲突。（可通过RTSys软件的【控制器状态】→【槽位0节点】查看模拟量编号。映射方法可参考本文“四、ZMIO310-ECAT扩展数字量IO、模拟量AD/DA地址偏移设置”）

（五）ZMIO扩展模块数字量输入输出无法使用或使用异常

1、检查是否给输入/输出模块单独供电。供电电压是否为DC24V；

2、检查16DI和16DO子模块的输入/输出接口上接线是否正确或松动；

3、检查外部IO设备的输入类型与ZMIO扩展模块的类型是否一致。（ZMIO310的输入模块支持NPN型和PNP型输入，但电源接线方式不同，具体参考本文“三、ZMIO310子模块接线参考”）

4、检查扩展模块的IO编号范围是否与其他设备冲突。（可通过RTSys软件的【控制器状态】→【槽位0节点】查看IO。映射方法可参考本文“四、ZMIO310-ECAT扩展数字量IO、模拟量AD/DA地址偏移设置”）

教学视频可点击→“运动控制器/运动控制卡的EtherCAT总线ZMIO310扩展模块使用”查看。

本次，正运动技术运动控制器/运动控制卡的EtherCAT总线ZMIO310扩展模块使用，就分享到这里。

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