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各类工业总线对比


各类工业总线对比 EtherCAT(以太网控制自动化技术)是一个以以太网为基础的开放架构的现场总线系统, EterCAT 名称中的 CAT 为 ControlAutomation Technology(控制自动化技术)首字母的缩 写。最初由德国倍福自动化有限公司(Beckhoff AutomationGmbH)研发。EtherCAT 为系统 的实时性能和拓扑的灵活性树立了新的标准, 同时, 它还符合甚至降低了现场总线的使用成 本。EtherCAT 的特点还包括高精度设备同步,可选线缆冗余,和功能性安全协议(SIL3)。
EtherCAT EtherCAT 技术突破了其他以太网解决方案的系统限制:通过该项技术,无需接收以太网数据 包,将其解码,之后再将过程数据复制到各个设备。EtherCAT 从站设备在报文经过其节点时处理以太网 帧:嵌入在每个从站中的 FMMU(现场总线存储管理单元)在帧经过该节点时读取相应的编址数据,并同 时将报文传输到下一个设备。同样,输入数据也是在报文经过时插入至报文中。整个过程中,报文只有几 纳秒的时间延迟。 主站方面也非常经济,商用的标准网卡(NIC)或任何主板集成的以太网控制器可以 用作硬件接口。这些接口的共性就是数据通过 DMA(直接内存读取)传输至 PC,即网络读取时无需占用 CPU 资源。 协议 EtherCAT 协议在以太网帧内采用官方指定的以太类型。采用这种以太类型即可允许在 以太网帧内直接传输控制数据,而无需重新定义标准以太网帧。该以太网帧可由多种子报文组成,每个子 报文服务于逻辑过程映像区的特定内存区,该区域最大可达 4GB。数据序列是独立于物理顺序的,所以以 太网端子模块的编址可以随意排序。从站之间的广播,多播和通讯也可得以实现。 当 EtherCAT 组件与 主站控制器运行在同一个子网,或者在控制软件直接读取以太网控制器时,可以使用以太网帧直接传输数 据。 然而,EtherCAT 不仅限于单个子网的应用。EtherCAT UDP 将 EtherCAT 协议封装为 UDP/IP 数据 报文,这就意味着,任何以太网协议堆栈的控制均可编址到 EtherCAT 系统之中,甚至通讯还可以通过路 由器跨接到其它子网中。 在这种情况下, 系统性能显然取决于控制器及其以太网协议的实时性能。 EtherCAT 网络本身的响应时间几乎不受影响:UDP 数据帧只需要在第一个站点解包。 性能 EtherCAT 使网络性能 达到了一个新高度。借助于从站节点中的 FMMU 和网络控制器主站的直接内存存取,协议的处理过程完 全在硬件中完成。 整个协议的处理过程都在硬件中得以实现, 因此, 完全独立于协议堆栈的实时运行系统、 CPU 性能或软件实现方式。1000 个 I/O 的更新时间只需 30 s。单个以太网帧最多可进行 1486 字节的过 程数据交换,几乎相当于 12000 个数字输入和输出,而传送这些数据耗时仅为 300 s. 100 个伺服轴的 通讯也仅为 100s。在此期间,系统更新带有命令值和控制数据的所有轴的实际位置及状态,分布时钟技术 使轴的同步偏差小于 1 微秒。而即使是在保证这种性能的情况下,带宽仍足以实现异步通讯,如 TCP/IP、 下载参数或上载诊断数据。 超高性能的 EtherCAT 技术可以实现传统的现场总线系统无法迄及的控制理念。 例如,以太网系统现在不仅可以处理速度控制,也可用于分布式驱动的电流控制。巨大的带宽可以实现每 个数据信息与其状态信息同时传输。EtherCAT 使通讯技术和现代工业 PC 所具有的超强计算能力相适应, 总线系统不再是控制理念的瓶颈,分布式 I/O 可能比大多数本地 I/O 接口运行速度更快。 EtherCAT 取代 PCI 由于主板集成了以太网卡,用于接口卡的插槽不再是必要条件。随着 PC 组件急剧向小型化经济化方 向发展,工业 PC 的体积日趋取决于插槽的数目。而快速以太网的带宽和 EtherCAT 通讯硬件的过程数据 长度则为该领域的发展提供了新的可能性: IPC 中的传统接口现在可以转变为集成的 EtherCAT 接口端子。 除了可以对分布式 I/O 进行编址,还可以对驱动和控制单元以及现场总线主站、快速串行接口、网关和其 它通讯接口等复合系统进行编址。即使是其他无协议限制的以太网设备变体,也可以通过分布式交换机端 口设备进行连接。 由于一个以太网接口足以满足整个外围设备的通讯要求, 因此, 这不仅极大地精简了 IPC 主机的体积,而且也降低了 IPC 主机的成本。 拓扑结构 EtherCAT 几乎支持任何拓扑类型,包括线型、 树型、星型等。通过现场总线而得名的总线结构或线型结构也可用于以太网,并且不受限于级联交换机或 集线器的数量。最有效的系统连线方法是线型、分支或树叉结构的组合拓扑。因为所需接口在 I/O 模块等 很多设备中都已存在, 所以无需附加交换机。 当然, 仍然可以使用传统的、 基于以太网的星型拓扑结构。 还

可以选择不同的电缆以提升连线的灵活性:灵活、经济的标准超五类以太网电缆可采用 100BASE-TX 模式 或 E-Bus(LVDS)传送信号。塑封光纤(PFO)则可用于特殊应用场合。还可通过交换机或介质转换器实 现不同以太网连线(如:不同的光纤和铜电缆)的完整组合。 根据对距离的要求,可选择快速以太网的物 理层或 E-bus 作为物理介质。快速以太网物理层允许两个设备之间的最大电缆长度为 100 米,而 E-Bus 可连接最大距离为 10 米。由于连接的设备数量可高达 65535,因此,网络的容量几乎没有限制。 分布时 钟 精确同步对于同时动作的分布式过程而言尤为重要。 例如, 几个伺服轴同时执行协调运动时, 便是如此。 最有效的同步方法是精确排列分布时钟(请参阅 IEEE 1588 标准[6])。与完全同步通讯中通讯出现故障会 立刻影响同步品质的情况相比,分布排列的时钟对于通讯系统中可能存在的相关故障延迟具有极好的容错 性。 采用 EtherCAT,数据交换就完全基于“父”“子”时钟的纯硬件机制。由于通讯采用了逻辑环结构 (借助于全双工快速以太网的物理层),主站时钟可以简单、精确地确定各个从站时钟传播的延迟偏移。 分布时钟均基于该值进行调整,这意味着可以在网络范围内使用非常精确的、小于 1 微秒的、确定性的同 步误差时间基。 此外, 高分辨率的分布时钟不仅可以用于同步, 还可以提供数据采集的本地时间精确信息。 当采样时间非常短暂时,即使是出现一个很小的位置测量瞬时同步偏差,也会导致速度计算出现较大的阶 跃变化,例如,运动控制器通过顺序检测的位置计算速度便是如此。而在 EtherCAT 中,引入时间戳数据 类型作为一个逻辑扩展, 以太网所提供的巨大带宽使得高分辨率的系统时间得以与测量值进行链接。 这样, 速度的精确计算就不再受到通讯系统的同步误差值影响, 其精度要高于基于自由同步误差的通讯测量技术。 热连接 热连接功能能够使网络的各部分相连,并且解耦或重新自由配置;所提供的灵活响应特性,改变了 很多应用需要在运行时变更 I/O 配置的需求。 例如,具备变更特性的处理中心,装备传感器的工具系统, 或者智能化的传输设备,灵活的工件执行器等。EtherCAT 系统考虑到了这些需求:任意配置。 EtherCAT 功能安全 传统上, 安全功能是独立于自动化网络实现的, 使用专用硬件或专门的安全总线系统。 EtherCAT 安全功能使安全相关通信和控制通信可以在同一网络上实现。安全协议基于 EtherCAT 应用层,而不会影 响底层运行。它由 IEC61508 标准认证,并满足整体安全等级(SIL)3。数据长度是可变的,所以可以用 于安全 I/O 和安全伺服驱动技术。和其它 EtherCAT 数据相同,安全数据可以不使用安全路由器或网关传 输。完全符合 EtherCAT 功能安全认证的产品已经上市。Safety over EtherCAT 协议符合 IEC 61748-3 标 准中的 FSCP 12(功能安全通讯设备行规)。 开放性 EtherCAT 技术是完全兼容以太网并真正开放的。 该协议可与其他提供各种服务的以太网协议并存,并且所有的协议都并存于同一物理介质中——通常只会 对整个网络性能有很小程度的影响。标准的以太网设备可通过集线器端子连接至一个 EtherCAT 系统,该 端子并不会影响循环时间。配备传统现场总线接口的设备可通过 EtherCAT 现场总线主站端子的连接集成 到网络中。UDP 协议变体允许设备整合于任何插槽接口中。EtherCAT 技术组确保每个感兴趣的组织可以 实施并使用该项网络。EtherCAT 协议将在作出最后的技术规范后发布

Ethernet/IP 是一个面向工业自动化应用的工业应用层协议。它建立在标准 UDP/IP 与 TCP /IP 协议之上,利用固定的以太网硬件和软件,为配置、访问和控制工业自动化设备定义了 一个应用层协议西蒙公司开发 PROFINET 由 PROFIBUS 国际组织(PROFIBUS International,PI)推出,是新一代基于 工业以太网技术的自动化总线标准。作为一项战略性的技术创新,PROFINET 为自动化通 信领域提供了一个完整的网络解决方案, 囊括了诸如实时以太网、 运动控制、 分布式自动化、 故障安全以及网络安全等当前自动化领域的热点话题,并且,作为跨供应商的技术,可以完 全兼容工业以太网和现有的现场总线(如 PROFIBUS)技术,保护现有投资。

PROFINET 是适用于不同需求的完整解决方案,其功能包括 8 个主要的模块,依次为实时 通信、分布式现场设备、运动控制、分布式自动化、网络安装、IT 标准和信息安全、故障 安全和过程自动化。 MODBUS/TCP 是简单的、 中立厂商的用于管理和控制自动化设备的 MODBUS 系列通讯协 议的派生产品。显而易见,它覆盖了使用 TCP/IP 协议的 “Intranet”和“Internet”环境中 MOD BUS 报文的用途。协议的最通用用途是为诸如 PLC’s,I/O 模块,以及连接其它简单域总线 或 I/O 模块的网关服务的。 MODBUS/TCP 协议是作为一种(实际的)自动化标准发行的。既然 MODBUS 已经广为人 知,该规范只将别处没有收录的少量信息列入其中。然而,本规范力图阐明 MODBUS 中哪 种功能对于普通自动化设备的互用性有价值, 哪些部分是 MODBUS 作为可编程的协议交替 用于 PLC’s 的“多余部分”。 它通过将配套报文类型“一致性等级”,区别那些普遍适用的和可选的,特别是那些适用 于特殊设备如 PLC’s 的报文。 POWERLINK=CANopen+Ethernet 鉴于以太网的蓬勃发展和 CANopen 在自动化领域里的广阔应用基础,EthernetPOWERLI NK 融合了这两项技术的优点和缺点,即拥有了 Ethernet 的高速、开放性接口,以及 CANo pen 在工业领域良好的 SDO 和 PDO 数据定义,在某种意义上说 POWERLINK 就是 Ethe rnet 上的 CANopen,物理层、数据链路层使用了 Ethernet 介质,而应用层则保留了原有的 SDO 和 PDO 对象字典的结构 虽然这些工业以太网都是国际标准,但是指的是 IEC 61784 里的标准,但是这些工业以太 网不都是标准的以太网。 即这些工业以太网并不都是符合 IEEE802.3U 的标准, 这当中只有 Modbus-TCP 和 EtherNet/IP 是符合 IEEE802.3U 的,只有符合 IEEE802.3U 标准的,才能 与 IT 和以太网将来的发展相兼容。而不符合 IEEE802.3U 标准的,基本上可以讲不是以太 网,它们都对以太网进行了修改,或者是硬件或者是软件,已经不是以太网了。

各种工业以太网的区别其实主要就是协议的区别, 其中最主要的还是应用层协议的区别, 我 们知道,按照 ISO 的参考模型,网络被划分为 7 层。 a. Modbus TCP 和 EtherNet/IP 的区别主要是应用层不相同, ModbusTCP 的应用层采用 Modbus 协议,而 EtherNet/IP 采用 CIP 协议,这两种工业以太网的数据链路层采用的是 C SMA/CD,因此是标准的以太网,另外,这两种工业以太网的网络层和传输层采用 TCP/IP 协议族。还有一个区别是,Modbus 协议中迄今没有协议来完成功能安全、高精度同步和运 功控制等,而 EtherNet/IP 有 CIPSafety、CIP Sync 和 CIP Motion 来完成上述功能,所以 才有 Schneider 加入 ODVA,成为 ODVA 的核心成员来推广 EtherNet/IP。由于这两种网络 都是标准的 TCP/IP 以太网,所以所有标准以太网节点都可以接入这两种网络。 b. b. 至于 EthernetPowerLink(EPL), Ethernet PowerLink 就是个怪胎,PowerLink 虽然 在物理层和数据链路层还是采用标准的以太网,但是它又添加了另一个数据链路层,此 EP L 数据链路层在结构上为于以太网数据链路层之上。我们知道数据链路层的一个子层的 MA C(介质访问)层的作用是[color=#FF0000]决定哪一个节点可以占有总线,也即决定哪个节点 一个发送数据[/color]。 所以本来由以太网的数据链路层来决定哪一个节点占用总线, 现在它

被位于它之上的 EPL 数据链路层给架空了, 由这个 EPL 数据链路层通过软件的方式来决定 哪个节点发送数据。所有在这样的一个 EPL 工业以太网系统中,不能使用交换机,只能使 用 HUB,所以对 100M 的网络,EPL 总的带宽是小于 100m,一盘情况下只有 40-50M,而 如果采用交换机的工业以太网,它的带宽可以达到大几百 M,另外在 EPL 网络上,所有的节 点都要实现 EPL 数据链路。没有实现 EPL 数据链路层的节点不能接入此网络。 c. PROFINET 分为原来划分为 v1,v2,v3,现在一般称为 ProfiNetCBA、ProfiNet IO 和 Pr ofiNet IRT.也就是通过以太网来实现对等通讯、 实时控制和运动控制。 v1 采用 TCP/IP 协议, 采用标准的以太网,而 V2 和 V3 不采用 tcp/ip 协议,这两种都绕过 tcp/ip 协议,采用另外 的网络层和传输层协议, 开发 ProfiNet 采用开发人员人员认为 tcp/ip 协议增加了数据在网络 中的传输延迟,其实这是一种误解,据美国密歇根大学的教授研究后认为数据在 TCP/IP 中 的传输延迟很小,他们研究得出数据在经过 TCP,IP 栈时延迟只有不到 100 微秒,如果采用 UDP/IP 时就更小,同时他们研究也得出数据在不同应用层延时比较大,不同的协议延迟不 一样, 但是相差不是很大, 从 200us-800us 不等, 他们经过实验后认为以太网的基础设施(指 交换机、网卡等)和 TCP/IP 协议并不是影响工业以太网实时性的主要原因,而认为应用层 协议才是主要原因。所以密歇根大学的教授认为绕开 TCP/IP 协议没有丝毫的意义,反而由 于缺少了 TCP/IP 协议,使得设备也就缺少了 IT 功能,与其它现场总线没有区别。 ProfiNe t V3 就更特别了,它不完全采用标准以太网的数据链路层,有一不时间采用以太网的数据 链路层(CSMA/CD),而另外一部分时间采用自己的数据链路层,通过一个高精度的时间来 完成。所以 ProfiNet V3 也就不是标准的以太网了,也就给 Profinet v3 带来如下的问题: 不能采用标准的交换机、不能采用标准的以太网芯片、与企业网相连可能会出现问题,与标 准以太网相连还要特殊的网关、添加和删除一个节点都需要重新组态网络和重新启动网络、 至今没有千兆网络,还有最重要的是,当标准以太网以后发展了后,它不能与标准以太网相 兼容,不具有将来以太网所应具有的功能。 d. EtherCat 这种工业以太网也很奇怪,它们不使用标准的芯片,一般不使用交换机,软件 也不是标准的,对以太网的数据帧进行了一些修改,我们知道一个数据帧只有一个源节点, 但是对于 EtherCat 一个数据可能有多个源节点,即一个数据是由多个节点发送的数据组合 而成的。所以对于这样的网络,标准的以太网设备也不能接入这样的网络。 我认为 Ethernet/IP 和 ProfiNet 这两种工业以太网都适合各个行业, 并不象 heidai 讲的应用 的行业不一样。首先这两种工业以太网都用于传输非实时数据,还可传输实时数据,即可以 用于离散控制,也可用于过程控制(当然现在还不能用于本安应用)。其次,这两种工业以太 网都可用于网络功能安全传输,Ethernet/IP 有 CIP Safety 协议,而 ProfiNet 有 Profisafe 协议,还有在运动控制方面 ProfiNet 有 ProfiNet IRT,而 EtherNet/IP 则有 CIP Safety,二者 都可以用于中高端的运动控制。最后两者都有基于 IEEE1588 的高精度时钟同步。而 Modb us TCP,EtherCat 和 PowerLink,都只能完成部分控制任务,如 Modbus TCP 一般只作常规 IO 实时和非实时数据。而 EtherCat 和 PowerLink 则更象是为运动控制而开发的,这二者好 像没有功能安全、在 PLC 和 DCS 控制方面也没有得到大自动化公司的支持,况且这两者 又对以太网进行修改,一个在软件,另一个在软件和硬件方面都进行了修改,都不能兼容标 准的以太网设备, 个人认为这样做得不偿失, 为满足运动控制而不能兼容已有的标准的以太 网设备而开发的工业以太网并不是以太网, 与其说是工业以太网还不如说是另一种现场总线。 我认为工业以太网的竞争将会在 Ethernet/IP 和 ProfiNet 间进行,而其它工业以太网都是 这两者的陪衬,将会逐渐退出市场。 EtherNet/IP 以后将由罗克韦尔自动化、Omron、施耐德和思科公司来推动,而 ProfiNet 将由业界老大西门子公司带领一些小公司去奋斗,由国内 PLC 厂商中的老二、老三和老五

对老大,不知谁将引导未来。

其实,工业以太网里还有几个怪胎,举两个例吧: SynqNet: 丹纳赫主导的,几乎只用在运动控制,而且据说只用在了半导体机械行业(奇怪 的是,不才也搞半导体机械很久了,却从来没看到过 SynqNet,孤陋寡闻啊)。只用了以 太网的硬件, 完全和我们平常说的以太网没有任何关系, 连 MAC 层都没有。 当然如此运用, 速度性能当然好,但未来难说。 Sercos III: 光纤 SercosII 的新一代以太网版本,背后推手是博世力士乐,只用在运动控制。 也基本上是只用了以太网底层硬件,系统里竟然连 switch 都不允许用。速度当然快,但只 比 SercosII 快了一倍。估计用了 SercosII 的用户,谁会去更新到一个没快了多少的新系统 啊,还没问世,就已经不被业界看好了。 我个人认为,最后一定是大西洋两岸的两大巨人之间的角力,就像以前的现场总线战争,最 后还不是 Profibus 和 DeviceNet,别的都只能当陪衬的角色? 当然, 现在大家都在看中国这个大西洋两岸以外的单一最大市场, 中国把砝码放在谁这一边, 可能会使天平倾斜一点。但最后,肯定两者都会存在的。我个人认为,咱们应该选 Etherne t/IP 这一边站 中国用户和制造商应选择 Ethernet/IP 还是 ProfiNet,各人的看法有所不同,不过我认为 fi rstrazor 所说的没错,有于 ProfiNet 采用了专门的芯片、网卡、交换机等以太网基础设施, 虽然 ProfiNet 应用层协议是公开的,但这些芯片却是专用,国内的制造商要想开发符合 Pr ofiNet 标准的设备,确要依赖于这些芯片,受制于提供芯片的公司,也就是西门子公司,因 此可以将 ProfiNet 并不是完全开放的。而相反,Ethernet/IP 不论是在软件还是硬件上都是 标准和开放的, 国内的工业以太网制造商还是选择 EtherNet/IP 为好, 至于最终用户的选择, 当然是从可靠性、价格、兼容性和可替换性方面考虑,可靠性方面,二者没有明显区别,在 其它方面 Ethernet/IP 具有明显的优势

一 第一部分 EtherCAT 协议系统整体组成 德国倍福公司提出了以太网控制自动化技术,即 EtherCAT 技术,在数据链路层使用实时 性调度的软核,并采用了双端口 RAM 传输过程数据传输,提高了系统的实时性. 主站由带有 普通网卡的计算机组成,主要负责向从站的发送 EtherCAT 数据帧,从而进行与从站的互动。 主站向从站发送数据帧经过所有的从站设备,每个从站设备在数据帧经过时,处理寻址到本站 的数据,根据报文头中的命令从报文中指定的位置读或写数据,并且从站硬件把该报文的工作 计数器(WKC)加 1,表示该 数据被从站处理;数据帧访问完整个系统的最后一个从站时 ,该从 站把经过处理的数据帧发送给主站。主站收到从站处理的数据帧后,处理返回的数据,一帧通 信结束。 1 EtherCAT 协议系统主站组成 EtherCAT 协议系统的主站可以是任何可以控制标 准以太网的工业设备; 主站可以是小型嵌入式控制器、 小型 PLC、 任何基于 PC 的应用等 以 太网控制芯片(Retaltek RTL8102)集成了物理数据收发器,使用起来比较方便 电信号传输可以 采用 100BASE-TX 标准连接以太网 ( 最长为 100m, 带变压器耦合 ), 也可以使用 LVDS(Low

VoltageDifferential Signaling)在物理层上传输。LVDS 是基于 ANSI/TIA/EIA-644 的差分信号,同 样 适 用 IEEE802.3ae 标 准 (10G 以 太 网 ) 2 EtherCAT 协 议 系 统 从 站 组 成 从 层 次 上 划 分,EtherCAT 协议一般划分为三层,即物理层、数据链路层和应用层;其中,物理层的主要器件 有物理层 PHY(Port Physical Layer)芯片、网络变压器和 RJ45 接口组成。数据链路层的主要 器件是 ESC(EtherCATSlave Controller)专用器件。应用层主要根据需要选择合适的微处理器芯 片 ESC 物理层使用的接口模式分为两种:一种是 MII (Media IndependentInterface)接口,另一 种是 EBUS 接口。 从站控制器:从站控制器(ESC)主要有 ASIC 芯片、IP-Core 和 ESC20。ASIC 芯片主要由 德国倍福公司提供,主要有 ET1100 和 ET1200 ;IP-Core 可以从德国倍福公司、Xilinx 公 司和 Altera 公司获得。每种形式的 ESC 都由 MII/EBUS 接口、逻辑管理单元 FMMU(Fielldbus MemoryManagement Unit)、同步存储管理 SM(SyncManager)、双端口 RAM、分布时钟、过 程数据 PDI(Process Data Interface)接口等组成

【整理】工业自动化现场总线:EtherCAT
现在详细解释其特点:

EtherCAT 协议处理完全在硬件中进行
协议 ASIC 可灵活配置。过程接口可从 1 位扩展到 64 kbyte。 详见:

所以使得以太网可以直达端子模块: 符合 IEEE 802.3 标准的以太网协议无需附加任何总线即可访问各个设备。耦合设备中的物理层由 100BASE-TX 或–FX 转换为 E-bus,以满足电子端子排等模块化设备的需求。端子排内的 E-bus 信号类 型(LVDS)并不是专用的,它还可用于 10 Gbit 以太网。在端子排末端,物理总线特性被转换回 100BASE-TX 标准。

主板集成的以太网 MAC 足以作为主站设备中的硬件使用。DMA(直接存储器存取)用于将数据传输到 主内存, 解除了 CPU 存取网络数据的负担。 Beckhoff 的多端口插卡中运用了相同的原理, 它在 一个 PCI 插槽中最多捆绑了 4 个以太网 通道。

EtherCAT 的性能
EtherCAT 使网络性能达到了一个新境界。 1000 个 I/O 的更新时间只需 30 ?s,其中还包括 I/O 周期时间。单个以太网帧最多可进行 1486 字节 的过程数据交换,几乎相当于 12000 个数字输入和输出,而传送这些数据耗时仅为 300 ?s。

与 100 个伺服轴的通讯每 100 ?s 执行一次。 可在这一周期时间内更新带有命令值和控制数据的所有轴 的实际位置及状态,分布式时钟技术使轴的同步偏差小于 1 微秒。 超高性能的 EtherCAT 技术可以实现传统的现场总线系统无法迄及的控制理念。 这样,通过总线也可以形成超高速控制回路。以前需要本地专用硬件支持的功能现在可在软件中加以映 射。巨大的带宽资源使得状态数据能够与任何数据并行传输。EtherCAT 使通讯技术和现代工业 PC 所具 有的超强计算能力相适应,总线系统不再是控制理念的瓶颈,分布式 I/O 可能比大多数本地 I/O 接口运行 速度更快。 这种网络性能优势在具有相对中等运算能力的小型控制器中较为明显。EtherCAT 周期时间如此之短, 使得它可以在两个控制周期之间完成。因此,控制器总是能够获取最新的输入数据;输出以最小的延迟寻 址。无需增强本身的运算能力,控制器的响应行为就能够得到显著改善。 借助于从站硬件集成和网络控制器主站的直接内存存取,整个协议的处理过程都在硬件中得以实现,因 此, 完全独立于协议堆栈的实时运行系统、CPU 性能或软件实现方式。 1000 个 I/O 的更新时间只需 30 ?s,其中还包括 I/O 周期时间。

单个以太网帧最多可进行 1486 字节的过程数据交换,几乎相当于 12000 个数字输入和输出,而传送这 些数 据耗时仅为 300 ?s。 100 个伺服轴的通讯也非常快速: 可在每 100?s 中更新带有命令值和控制数据的所有轴的实际位置及状 态,分布时钟技术使轴的同步偏差小于 1 微秒。而即使是在保证这种性能的情况下,带宽仍足以实现异步 通讯,如 TCP/IP、下载参数或上载诊断数据。 超高性能的 EtherCAT 技术可以实现传统的现场总线系统无法迄及的控制理念。EtherCAT 使通讯技术 和现代工业 PC 所具有的超强计算能力相适应,总线系统不再是控制理念的瓶颈,分布式 I/O 可能比大多 数本地 I/O 接口运行速度更快。EtherCAT 技术原理具有可塑性,并不束缚于 100 M bps 的通讯速率,甚至 有可能扩展为 1000 M bps 的以太网。 简言之: EtherCAT 的周期时间短,是因从站的微处理器不需处理以太网的封包。所有程序资料都是由从站控制 器的硬件来处理。 此特性再配合 EtherCAT 的机能原理, 使得 EtherCAT 可以成为高性能的分散式 I/O 系统: 包含一千个分散式数位输入/输出的程序资料交换只需 30us,相当于在 100Mbit/s 的以太网传输 125 个字

节的资料。读写一百个伺服轴的系统可以以 10 kHz 的速率更新,一般的更新速率约为 1–30 kHz,但也可 以使用较低的更新速率,以避免太频繁的直接内存存取影响主站个人电脑的运作。

EtherCAT 的拓扑
总线形、树形或星型:EtherCAT 支持几乎任何类型的拓扑结构。 因此,由于现场总线而得名的总线结构或线型结构也 可用于以太网,并且不受限于级联交换机或集线 器的数量。 最有效的系统连线方法是对线型、分支或树叉结构进行拓扑组合。因为所需接口在 I/O 模块等很多设备 中都已存在,所以无需附加交换机。 当然,仍然可以使用传统的、基于以太网 的星型拓扑结构。 还可以选择不同的电缆以提升连线的灵活性:灵活、经济的标准超五类以太网电缆可采用 100BASE-TX 模式传送信号, 两台设备之间的最大电缆长度为 100 m。 还可通过交换机或介质转换器实现不同 以太网连线(如不同的光纤和铜电缆) 的完整组合。 信号变量可以根据每个电缆间距单独选 择。由于连接的设备数量可高达 65535, 因此,网络的容量几 乎没有限制。

简言之: EtherCAT 使用全 双工 的以太网实体层, 从站可能有二个或二个以上的埠。 若设备没侦测到其下游有其 他设备,从站的控制器会自动关闭对应的埠并回传以太网帧。由于上述的特性,EtherCAT 几乎支援所有的 网络拓扑,包括总线式、树状或是星状,现场总线常用的总线式拓扑也可以用在以太网中。 EtherCAT 的拓扑可以用网络线、分枝或是短线(stub)作任意的组合。有三个或三个以上以太网接口 的设备就可以当作分接器,不一定一定要用网络交换器。 由于使用 100BASE-TX 的以太网物理层,二个 设备之间的距离可以到 100 米,一个 EtherCAT 区段的网络最多可以有 65535 个设备。若 EtherCAT 网络 是使用环状拓扑(主站设备需要有二个通讯埠),则此网络还有缆线冗余的机能。

EtherCAT 的速度
EtherCAT 技术原理具有可塑性,并不束缚于 100 Mbaud 的通讯速率,甚至有可能扩展为 Gbit 的以太 网。

EtherCAT 取代 PCI
随着 PC 组件逐渐向小型化方向发展,工业 PC 的体积也日趋取决于插槽的数目。 而高速以太网的带 宽和 EtherCAT 通讯硬件的过程数据长度则为该领域的发展提 供了新的可能性:工业 PC 中的传统接口 现在可以转变为集成的 EtherCAT 接口端子模块。

除了可以对分布式 I/O 进行编址,还可以对驱动和控制单元以及现场总线主站、快速串行接口、网关和 其它通讯接口等复合系统进行编址。即使是其它无协议限制的以太网设备变体,也可以通过分布式交换机 端口设备进行连接。由于一个以太网接口足以满足整个外围设备的通讯。

因此,这不仅极大地精简了工业 PC 主机的体积和外观,而且也降低了工业 PC 主机的成本。

EtherCAT 的分布式时钟
精确同步对于同时动作的分布过程而言尤为重要,例如,几个伺服轴在同时执行协调运动时便是如 此。 最有效的同步方法是精确排列分布时钟。 与完全同步通讯中通讯出现故障会立刻影响同步品质的情况相反,分布排列的时钟对于通讯系统中可能 存在的相关故障延迟具有极好的容错性。采用 EtherCAT 后,数据交换就完全基于纯硬件机制。由于通讯 采用了逻辑(借助于全双工快速以太网的物理层)环网结构, 主站时钟可以简单、精确地确定各个从站时 钟传播的延迟偏移,反之亦然。分布式时钟基于该值进行调整,这意味着可以在网络范围内使用非常精确 的、信号抖动小于 1 微秒的、确定性的同步误差时间基。 而跨接工厂等外部同步则可以基于 IEEE 1588 标准。详情请参阅: 【整理】工业自动化规范之时间同

步:IEEE 1588

此外,高分辨率的分布式时钟不仅可以用于同步,还可以提供数据采集的本地时间精确信息。当采样时 间非常短暂时,即使是出现一个很小的位置测量瞬时同步偏差,也会导致速度计算出现较大的阶跃变化, 例如,运动控制器通过顺序检测的位置计算速度便是如此。而在 EtherCAT 中,引入时间戳数据类型作为 一个逻辑扩展,以太网所提供的巨大带宽使得高分辨率的系统时间得以与测量值进行链接。这样,速度的 精确计算就不再受到通讯系统的同步误差值影响,其精度要高于 基于自由同步误差的通讯测量技术。 由于采用了新的扩展数据类型,因此,可以给被测量值分配非常精确的时间戳。

同步性与一致性:相距电缆长度为有 120 米的两个分布系统,带有 300 个节点的示波器比较:

为了系统的同步,EtherCAT 协定中有提供分散式时钟机制,即使通讯循环周期有抖动,时钟的抖动远 小于 1?s,大约接近 IEEE 1588 精密时间协议的标准。因此 EtherCAT 的主站设备不需针对时钟使用特殊 的硬件,可以用软件实现在任何标准的的以太网 MAC,即使没有特殊的通讯协处理器也没有关系。 标准建立分散式时钟的程序是由主站送出一特定位址的广播讯息给所有从站来启动。若使用环状拓扑, 所有从站会在收到讯息时 闩锁 内 部时钟,当讯息回来时会再闩锁内部时钟一次。主站会读所有从站闩锁 的值,计算各个从站的延迟。为了消除抖动的影响及求得平均值,主站会尽可能的多次进行上 述的程序。 所有的从站延迟会依各从站在从站环状拓扑的位置来计算,并记录在一个偏移寄存器中。最后主站送出一 个读写系统时钟的广播讯息,会使第一个从站的 时钟为参考时钟,其他从站的内部时钟会调整到和第一个 从站相同。 为了在初始化后保持时钟的同步,主站或从站需定期的再送出广播讯号,以计算各个从站内部时钟的速 度差异,若有需要时,从站需要可以调整自身时钟的速度,或是有其他调整时钟的机制。 系统时钟是一个 64 位元的计时器,计数内容是从 2000 年 1 月 1 日 0 点 0 分开始所经过的时间,单位 是奈秒(ns)。 【感悟】 EtherCAT 中提到的分布时钟,同步时钟,就相当于: 两个人(或多个人)拿着手表在一起,先:对点 确保各自的时间,是一致的。 这样,在后续的某个约定的时间,一起做某事,才能确保是同步去做的。 否则就会有时间的误差,就会影响办事。

EtherCAT 支持热连接
许多应用都需要在运行过程中改变 I/O 组态。例如,需求不断变化的加工中心、 装备传感器的刀具系 统或智能化的传输 系统、灵活的工件执行机构或可单独关 闭印刷单元的印刷机等。EtherCAT 系统的 协 议结构中已经考虑到了这些需求:热 连接功能可以将网络的各个部分连在一起或断开,或―飞速‖进行重新 组态, 针对不断变化的组态提供灵活的响应能 力。

EtherCAT 的高可靠性
选择冗余电缆可以满足快速增长的系统可靠性需求,以保证设备更换时不会导致网络瘫痪。EtherCAT 也支持热备份的主站冗余。您可以很经济地增加冗余特性,仅需在主站设备端增加使用一个标准的以太网 端口(无需专用网卡或接口),并将单一的电缆从总线型拓扑结构转变为环型拓扑结构即可。

当设备或电缆发生故障时,也仅需一个周期即可 完成切换。因此,即使是针对运动控制要求的应用, 电缆出现故障时也不会有任何问题。EtherCAT 也支持热备份的主站冗余。由于在环路中断时 EtherCAT 从站控制器芯片将立刻自动返回数据帧,一个设备的失败不会导致整个网络的瘫痪。例如,拖链设备可以 配置为分支拓扑以防线缆断开。

EtherCAT 的安全性:Safety over EtherCAT
EtherCAT 有一个加强的协定版本,称为 Safety over EtherCAT,可以在同一个网络上进行安全相关的 通讯和一般的控制通讯。此安全通讯是以 EtherCAT 的应用层为基础,不会影响底层的通讯协定。Safety over EtherCAT 有通过 IEC 61508 的认证,符合安全完整性等级(SIL)3 的要求。 为了实现 EtherCAT 安全数据通讯, 我们开放了 Safety over EtherCAT 协议,EtherCAT 安全通信协议 已经在 ETG 组织内部公开。该协议已经由德国技术监督局(T?V)鉴定为符合 IEC61508 定义的 SIL3 等 级要求。设备上实施 EtherCAT 安全协议必须满足安全目标的需求。 相应的产品相关要求也必须考虑进来。 EtherCAT 被用作传输安全和非安全数据的单一通道。 传输介质被认为是―黑色通道‖而不被包括在安全协 议中。

EtherCAT 过程数据中的安全数据报文包括安全过程数据和所要求的数据备份。 这个―容器‖在设备的应用 层被安全地解析。通信仍然是单一通道的。这符合 IEC61784-3 附件中的模型 A。因此,该安全协议也可 通过其它通讯系统、背板或 WLAN 传输。传输周期可根据要求缩短,不会影响残留误差率。Safety over EtherCAT 主站和从站之间的安全数据循环交换被称作为由看门狗定时 器监控的连接。 一个主站能建立并 监控多个不同从站的连接。

上图中的应用示例受益于这种技术。 安全元件在自动化系统中所需要的任意地方都可以使用。系统中可以使用不同规模的本地输入和输出元 件。可以根据需求使用安全或非安全总线端子扩展额外的输入和输出。安全逻辑也嵌入到网络当中。这样 不用安全扩展的标准 PLC 可以继续处理控制任务。安全输入和输出功能需要的本地安全逻辑由智能化的 安全总线端子实现。这节约了昂贵的安全 PLC 所带来的成本,并可以根据当前任务随意裁剪逻辑功能。只 有安全 EtherCAT 主站和所分配的安全从站通过非安全的标准 PLC 路由。

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本协议在安全数据长度,通信介质或波特率方面没有限制。 EtherCAT 被用作―黑色通道‖,即,通信系统在安全处理中没有任何作用。 协议被鉴定符合 IEC61508 定义的 SIL3 等级 提供 EtherCAT 安全功能的产品已经于 2005 年就上市了。

EtherCAT 的诊断
现场总线系统的实际应用经验表明,有效性和试运行时间关键取决于诊断能力。只有快速而准确地检测 出故障,并明确标明其所在位置,才能快速排除故障。因此,在 EtherCAT 的研发过程中,特别注重强化 诊断特征。 网络的诊断能力对于提高网络可靠性和缩短调试时间 — 从而降低总成本 — 来说至关重要。只有快速 而准确地检测出故障,并明确标明其所在位置,才能快速排除故 障。因此,在 EtherCAT 的研发过程中, 特别注重强化诊断功能。

试运行期间,驱动或 I/O 端子等节点的实际配置需要与指定的配置进行匹配性检查,拓扑结构也需要与 配置相匹配。 由于整合的拓扑识别过程已延伸至各个端子,因此,这种检查不仅可以在系统启动期间进行,也可以在 网络自动读取时进行 (配置上载)。 数据传输过程中出现的位故障可以通过评估每台设备上的 CRC 校验进行检测——32 位 CRC 多项式 的最小汉明距为 4。除断点检测和定位之外,EtherCAT 系统的协议、物理层和拓扑结构还可以对各个传 输段分别进行品质监视,与错误计数器关联的自动评估还可以对关键的网络段进行精确定位。此外,对于 电磁干扰、连接器 破损或电缆损坏等一些渐变或突变的错误源而言,即便它们尚未过度应变到网络自 恢 复能力的范围,也可对其进行检测与定位。

EtherCAT 的开放性
EtherCAT 技术不仅完全兼容以太网,而且 在―设计‖之初就具备良好的开放性特 征:该协议可以在相 同的物理层网络中包容其它基于以太网的服务和协议,通常 可将其性能损失降到最小。对以太网的 设备 类型没有限制,设备可通过交换机 端口在 EtherCAT 段内进行连接。不会影响 周期时间。带现场总线接 口的设备可通过 EtherCAT 现场总线主站端子模块集成到网络中。UDP 协议变体允许设备整合 于任何 插槽接口中。EtherCAT 是一个完全开放的 协议,是公认的正式 IEC 规范(IEC 61158,type 12)。


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