EtherCAT技術(shù)的原理、性能及應(yīng)用優(yōu)勢

簡介

EtherCAT主張“以太網(wǎng)控制自動化技術(shù)” 。 它是一個開放源代碼，高性能的系統(tǒng)，目的是利用以太網(wǎng)協(xié)議（最惠國待遇系統(tǒng)局域網(wǎng)），在一個工業(yè)環(huán)境，特別是對工廠和其他制造業(yè)的關(guān)注，其中利用機器人和其他裝備線上的技術(shù)。EtherCAT是IEC規(guī)范（IEC/PAS 62407）。

原理

目前有多種用于提供實時功能的以太網(wǎng)方案：例如，通過較高級的協(xié)議層禁止CSMA/CD存取過程，并使用時間片或輪詢過程來取代它。其它方案使用專用交換機，并采用精確的時間控制方式分配以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包。盡管這些解決方案能夠比較快和比較準(zhǔn)確地將數(shù)據(jù)包傳送到所連接的以太網(wǎng)節(jié)點，但帶寬的利用率卻很低，特別是對于典型的自動化設(shè)備，因為即使對于非常小的數(shù)據(jù)量，也必須要發(fā)送一個完整的以太網(wǎng)幀。而且，重新定向到輸出或驅(qū)動控制器，以及讀取輸入數(shù)據(jù)所需的時間主要取決于執(zhí)行方式。通常也需要使用一條子總線，特別是在模塊化I/O系統(tǒng)中，這些系統(tǒng)與Beckhoff K-總線一樣，通過同步子總線系統(tǒng)加快傳輸速度，但是這樣的同步將無法避免引起通訊總線傳輸?shù)难舆t。

通過采用EtherCAT技術(shù)， Beckhoff突破了其它以太網(wǎng)解決方案的這些系統(tǒng)限制：不必再像從前那樣在每個連接點接收以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包，然后進行解碼并復(fù)制為過程數(shù)據(jù)。當(dāng)幀通過每一個設(shè)備（包括底層端子設(shè)備）時，EtherCAT從站控制器讀取對于該設(shè)備十分重要的數(shù)據(jù)。同樣，輸入數(shù)據(jù)可以在報文通過時插入至報文中。在幀被傳遞 （僅被延遲幾位）過去的時候，從站會識別出相關(guān)命令，并進行處理。此過程是在從站控制器中通過硬件實現(xiàn)的，因此與協(xié)議堆棧軟件的實時運行系統(tǒng)或處理器性能無關(guān)。網(wǎng)段中的最后一個EtherCAT從站將經(jīng)過充分處理的報文返回，這樣該報文就作為一個響應(yīng)報文由第一個從站返回到主站。

從以太網(wǎng)的角度看，EtherCAT總線網(wǎng)段只是一個可接收和發(fā)送以太網(wǎng)幀的大型以太網(wǎng)設(shè)備。但是，該“設(shè)備”不包含帶下游微處理器的單個以太網(wǎng)控制器，而只包含大量的EtherCAT從站。與其它任何以太網(wǎng)一樣，EtherCAT不需要通過交換機就可以建立通訊，因而產(chǎn)生一個純粹的EtherCAT系統(tǒng)。

實現(xiàn)

系統(tǒng)的每個設(shè)備都保證使用完整的以太網(wǎng)協(xié)議，甚至每個I/O端子亦如此，無需使用子總線。只需將耦合器的傳輸介質(zhì)由雙絞線（100baseTX）轉(zhuǎn)換為E總線即可滿足電子端子排的要求。端子排內(nèi)的E總線信號類型（LVDS）并不是專用的，它還可用于10千兆位以太網(wǎng)。在端子排末端，物理總線特性被轉(zhuǎn)換回 100baseTX 標(biāo)準(zhǔn)。

標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)MAC或便宜的標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)卡（NIC）足以作為控制器中的硬件使用。DMA（直接存儲器存?。┯糜趯?shù)據(jù)傳輸?shù)絇C。這意味著網(wǎng)絡(luò)訪問對CPU性能沒有影響。在Beckhoff多端口卡中運用了相同的原理，它在一個PCI插槽中最多可有4個以太網(wǎng)通道。

協(xié)議處理完全在硬件中進行， 協(xié)議ASIC可靈活組態(tài)。

協(xié)議

EtherCAT協(xié)議針對過程數(shù)據(jù)進行了優(yōu)化，它被直接傳送到以太網(wǎng)幀，或被壓縮到UDP/IP數(shù)據(jù)報文中。UDP協(xié)議在其它子網(wǎng)中的 EtherCAT網(wǎng)段由路由器進行尋址的情況下使用。以太網(wǎng)幀可能包含若干個EtherCAT報文，每個報文專門用于特定存儲區(qū)域，該存儲區(qū)域可編制大小達4GB的邏輯過程鏡像。由于數(shù)據(jù)鏈獨立于EtherCAT端子物理順序，因此可以對EtherCAT端子進行任意編址。從站之間可進行廣播、多點傳送和通訊。

該協(xié)議還可處理通常為非循環(huán)的參數(shù)通訊。參數(shù)的結(jié)構(gòu)和含義通過 CANopen設(shè)備行規(guī)進行設(shè)定，這些設(shè)備行規(guī)用于多種設(shè)備類別和應(yīng)用。EtherCAT 還支持符合 IEC61491 標(biāo)準(zhǔn)的從屬行規(guī)。該行規(guī)以SERCOS命名，被全球運動控制應(yīng)用領(lǐng)域普遍認可。

除了符合主站/從站原理的數(shù)據(jù)交換外，EtherCAT還非常適用于控制器之間（主站/主站）的通訊?？勺杂删幹返倪^程數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)變量以及各種參數(shù)化、診斷、編程和遠程控制服務(wù)，可以滿足眾多要求。用于主站/從站和主站/主站通訊的數(shù)據(jù)接口是相同的。

FMMU： 報文處理完全在硬件中進行。

性能

EtherCAT在網(wǎng)絡(luò)性能上達到了一個新的高度。1000個分布式I/O數(shù)據(jù)的刷新周期僅為30μs，其中包括端子循環(huán)時間。通過一個以太網(wǎng)幀，可以交換高達1486字節(jié)的過程數(shù)據(jù)，幾乎相當(dāng)于12000個數(shù)字量I/O。而這一數(shù)據(jù)量的傳輸僅用300μs。

與100個伺服軸的通訊只需100μs。在此期間，可以向所有軸提供設(shè)置值和控制數(shù)據(jù)，并報告它們的實際位置和狀態(tài)。分布式時鐘技術(shù)保證了這些軸之間的同步時間偏差小于1微秒。

利用 EtherCAT 技術(shù)的優(yōu)異性能，可以實現(xiàn)用傳統(tǒng)現(xiàn)場總線系統(tǒng)所無法實現(xiàn)的控制方法。這樣，通過總線也可以形成超高速控制回路。以前需要本地專用硬件支持的功能現(xiàn)在可在軟件中加以映射。巨大的帶寬資源使?fàn)顟B(tài)數(shù)據(jù)與任何數(shù)據(jù)可并行傳輸。EtherCAT技術(shù)使得通訊技術(shù)與現(xiàn)代高性能的工業(yè)PC相匹配?？偩€系統(tǒng)不再是控制理念的瓶頸。分布式I/O的數(shù)據(jù)傳遞超過了只能由本地I/O接口才能實現(xiàn)的性能。

這種網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)勢在有相對中等的計算能力的小型控制器中較為明顯。EtherCAT的高速循環(huán)，可以在兩個控制循環(huán)之間完成。因此，控制器總有可用的最新輸入數(shù)據(jù)，輸出編址的延遲最小。在無需增強本身計算能力的基礎(chǔ)上，控制器的響應(yīng)行為得到顯著改善。

EtherCAT技術(shù)的原理具備擴展性，不束縛于100M帶寬-擴展至G兆位的以太網(wǎng)也是可能的。

EtherCAT 替代 PCI：隨著PC組件小型化的加速發(fā)展，工業(yè)PC的體積主要取決于所需要的插槽數(shù)目。

高速以太網(wǎng)帶寬以及EtherCAT通訊硬件（EtherCAT從站控制器）數(shù)據(jù)帶寬的利用，開辟了新的應(yīng)用可能性：通常位于IPC中的接口被轉(zhuǎn)移到EtherCAT系統(tǒng)中的智能化接口端子上。除分散式I/O、軸和控制單元外，現(xiàn)場總線主站、高速串行接口、網(wǎng)關(guān)和其它通訊接口等復(fù)雜系統(tǒng)可以通過PC上的一個以太網(wǎng)端口進行尋址。甚至對無協(xié)議變體限制的其它以太網(wǎng)設(shè)備也可通過分布式交換機端子進行連接。工業(yè)PC主機體積越來越小，成本也越來越低，一個以太網(wǎng)接口足以應(yīng)對所有的通訊任務(wù)。

用以太網(wǎng)代替PCI現(xiàn)場總線設(shè)備（PROFIBUS、CANopen、DeviceNet、AS-i等）通過分布式現(xiàn)場總線主站端子進行集成。不使用現(xiàn)場總線主站節(jié)省了PC中的PCI插槽。

拓撲結(jié)構(gòu)

總線形、樹形或星型：EtherCAT支持幾乎所有拓撲結(jié)構(gòu)。因此，源于現(xiàn)場總線的總線形結(jié)構(gòu)也可用于以太網(wǎng)。將總線和分支結(jié)構(gòu)相結(jié)合特別有助于系統(tǒng)布線。所有接口都位于耦合器上，無需使用附加交換機。當(dāng)然，也可以使用傳統(tǒng)的基于交換機的星形以太網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)。

采用不同的傳輸電纜可以最大限度地發(fā)揮布線的靈活性。靈活而價格低廉的標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)插接電纜可通過以太網(wǎng)模式（100baseTX）或通過E總線來傳輸信號。光纖（PFO）可以用于特殊的應(yīng)用場合。以太網(wǎng)帶寬（如不同的光纜及銅纜）可以結(jié)合交換機或媒介轉(zhuǎn)換器使用。快速以太網(wǎng)的物理特性可以使設(shè)備之間的距離達到100米，而E-bus只能保障10米的間距?？焖僖蕴W(wǎng)或 E-bus可以按照距離要求進行選擇。EtherCAT 系統(tǒng)最多可容納65535個設(shè)備，因此整個網(wǎng)絡(luò)規(guī)模幾乎是無限制的。

可自由選擇拓撲結(jié)構(gòu)。布線上有最大的靈活性：是否使用交換機，是采用總線形拓撲結(jié)構(gòu)，還是樹形拓樸結(jié)構(gòu)，可任意選配組合。自動進行地址分配；無需設(shè)置IP地址。

分布時鐘

精確同步在廣泛要求同時動作的分布過程中顯得尤為重要，如幾個伺服軸在執(zhí)行同時聯(lián)動任務(wù)時。

分布時鐘的精確校準(zhǔn)是同步的最有效解決方案。相反地，如果采用完全同步，當(dāng)通訊出現(xiàn)錯誤時，同步數(shù)據(jù)的品質(zhì)將受到很大影響，在通訊系統(tǒng)中，分步式校準(zhǔn)時鐘在某種程度上具備錯誤延遲的容錯性。在EtherCAT中，數(shù)據(jù)交換完全基于純粹的硬件設(shè)備。由于通訊利用了邏輯環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)和全雙工快速以太網(wǎng)而又有實際環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，“主站時鐘”可以簡單而精確地確定對每個“從站時鐘”的運行補償，反之亦然。分布時鐘基于該值進行調(diào)整，這意味著它可以在網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)提供信號抖動小于1微秒的、非常精確的時鐘基。

然而，高性能分布時鐘不僅用于同步，而且也可以提供數(shù)據(jù)采集時本地時間的精確信息。由于引進新的擴展數(shù)據(jù)類型，被測量值可被分配以非常精確的時間戳。

熱連接

許多應(yīng)用都需要在運行過程中改變I/O組態(tài)。例如，具備變更特性的處理中心，裝備傳感器的工具系統(tǒng)，智能化的傳輸設(shè)備，靈活的工件執(zhí)行器，及可單獨關(guān)閉印刷單元的印刷機等。EtherCAT系統(tǒng)考慮到了這些需求：“熱連接”功能可以將網(wǎng)絡(luò)的各個部分連在一起或斷開，或“動態(tài)”進行重新組態(tài)，從而針對變化的組態(tài)提供了靈活的響應(yīng)能力。

高可用性

可選的電纜冗余性可滿足日益增長的對提高系統(tǒng)可用性的需求，這樣無需關(guān)閉網(wǎng)絡(luò)就可以更換設(shè)備。

EtherCAT還支持帶熱待機功能的冗余主站。由于EtherCAT從站控制器在遇到中斷時立即將幀自動返回，設(shè)備故障不會導(dǎo)致整個網(wǎng)絡(luò)關(guān)閉。例如，可將電纜保護拖鏈特別配置為短棒的形式以防備斷線。

安全性

安全功能一般是從自動化網(wǎng)絡(luò)、通過硬件或使用專用安全總線系統(tǒng)單獨實現(xiàn)的。由于有了TwinSAFE（Beckhoff的安全技術(shù)），現(xiàn)在可以使用EtherCAT安全協(xié)議，在同一網(wǎng)絡(luò)上進行安全相關(guān)通訊和控制通訊。

該安全協(xié)議基于EtherCAT的應(yīng)用層，不影響較低層。此安全協(xié)議已根據(jù)IEC61508進行了認證，可達到安全集成級別（SIL）3，在采取相關(guān)措施后甚至可達到SIL4。數(shù)據(jù)長度可以變化，使得該協(xié)議對安全I/O數(shù)據(jù)和安全驅(qū)動技術(shù)同樣適用。與其它EtherCAT數(shù)據(jù)一樣，安全數(shù)據(jù)無需使用安全路由器或網(wǎng)關(guān)就可得到路由。

診斷

網(wǎng)絡(luò)的診斷能力對于增強網(wǎng)絡(luò)可用性和縮短調(diào)試時間（從而降低總成本）來說非常重要。只有當(dāng)錯誤被快速而準(zhǔn)確地檢測出，并且清楚地指明其所在位置時，錯誤才能被及時的排除。因此，在EtherCAT的研發(fā)過程中，特別注重典型的診斷特征。

在試運行期間，將使用指定的配置檢測I/O端子實際配置的連續(xù)性。拓撲結(jié)構(gòu)也要與配置相匹配。因為有內(nèi)置的拓撲結(jié)構(gòu)識別，I/O可以在系統(tǒng)啟動時，或通過自動上裝配置時進行確認。

數(shù)據(jù)傳輸過程中的位錯誤可以通過有效的32位CRC校驗碼檢測到。除斷點檢測和定位外，通過EtherCAT系統(tǒng)協(xié)議，傳輸物理層和拓撲結(jié)構(gòu)使得高品質(zhì)監(jiān)控每個獨立的傳輸段成為現(xiàn)實。通過自動分析相關(guān)錯誤計數(shù)器，可以精確定位關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)部分。可檢測并定位EMC干擾、有缺陷的連接器或損壞的電纜等不斷變化的錯誤來源，即使它們尚未對網(wǎng)絡(luò)的自愈能力產(chǎn)生過度影響。

開放性

EtherCAT技術(shù)不僅與以太網(wǎng)完全兼容，而且還有特別的設(shè)計開放性特點：該協(xié)議可與其他提供各種服務(wù)的以太網(wǎng)協(xié)議并存，并且所有的協(xié)議都并存于同一物理介質(zhì)中-通常只會對整個網(wǎng)絡(luò)性能有很小程度的影響。標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)設(shè)備可通過交換機端子連接至一個EtherCAT系統(tǒng)，該端子并不會影響循環(huán)時間。配備傳統(tǒng)現(xiàn)場總線接口的設(shè)備可通過EtherCAT現(xiàn)場總線主站端子的連接集成到網(wǎng)絡(luò)中。UDP協(xié)議變體允許設(shè)備整合于任何插槽接口中。EtherCAT是一個完全開放式協(xié)議，它已被認定為一個正式IEC規(guī)范（IEC/PAS62407）。

EtherCAT 技術(shù)組織：

EtherCAT技術(shù)組織（ETG）是一個自動化用戶和廠商的協(xié)會，旨在為EtherCAT技術(shù)的開發(fā)提供支持。該協(xié)會代表著廣泛的行業(yè)和應(yīng)用領(lǐng)域。這樣就確保了EtherCAT技術(shù)功能和接口以最佳方式用于多種應(yīng)用。該組織可以確保將EtherCAT輕松而有經(jīng)濟有效地集成到大量自動化設(shè)備中，并保證設(shè)備的互操作性。EtherCAT技術(shù)組織（ETG）是正式IEC合作組織中現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)化的成員。成員資格面對所有公司開放。

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