EtherCAT技术的原理、性能及应用优势

简介

EtherCAT主张“以太网控制自动化技术” 。 它是一个开放源代码，高性能的系统，目的是利用以太网协议（最惠国待遇系统局域网），在一个工业环境，特别是对工厂和其他制造业的关注，其中利用机器人和其他装备线上的技术。EtherCAT是IEC规范（IEC/PAS 62407）。

原理

目前有多种用于提供实时功能的以太网方案：例如，通过较高级的协议层禁止CSMA/CD存取过程，并使用时间片或轮询过程来取代它。其它方案使用专用交换机，并采用精确的时间控制方式分配以太网数据包。尽管这些解决方案能够比较快和比较准确地将数据包传送到所连接的以太网节点，但带宽的利用率却很低，特别是对于典型的自动化设备，因为即使对于非常小的数据量，也必须要发送一个完整的以太网帧。而且，重新定向到输出或驱动控制器，以及读取输入数据所需的时间主要取决于执行方式。通常也需要使用一条子总线，特别是在模块化I/O系统中，这些系统与Beckhoff K-总线一样，通过同步子总线系统加快传输速度，但是这样的同步将无法避免引起通讯总线传输的延迟。

通过采用EtherCAT技术， Beckhoff突破了其它以太网解决方案的这些系统限制：不必再像从前那样在每个连接点接收以太网数据包，然后进行解码并复制为过程数据。当帧通过每一个设备（包括底层端子设备）时，EtherCAT从站控制器读取对于该设备十分重要的数据。同样，输入数据可以在报文通过时插入至报文中。在帧被传递 （仅被延迟几位）过去的时候，从站会识别出相关命令，并进行处理。此过程是在从站控制器中通过硬件实现的，因此与协议堆栈软件的实时运行系统或处理器性能无关。网段中的最后一个EtherCAT从站将经过充分处理的报文返回，这样该报文就作为一个响应报文由第一个从站返回到主站。

从以太网的角度看，EtherCAT总线网段只是一个可接收和发送以太网帧的大型以太网设备。但是，该“设备”不包含带下游微处理器的单个以太网控制器，而只包含大量的EtherCAT从站。与其它任何以太网一样，EtherCAT不需要通过交换机就可以建立通讯，因而产生一个纯粹的EtherCAT系统。

实现

系统的每个设备都保证使用完整的以太网协议，甚至每个I/O端子亦如此，无需使用子总线。只需将耦合器的传输介质由双绞线（100baseTX）转换为E总线即可满足电子端子排的要求。端子排内的E总线信号类型（LVDS）并不是专用的，它还可用于10千兆位以太网。在端子排末端，物理总线特性被转换回 100baseTX 标准。

标准以太网MAC或便宜的标准网卡（NIC）足以作为控制器中的硬件使用。DMA（直接存储器存取）用于将数据传输到PC。这意味着网络访问对CPU性能没有影响。在Beckhoff多端口卡中运用了相同的原理，它在一个PCI插槽中最多可有4个以太网通道。

协议处理完全在硬件中进行， 协议ASIC可灵活组态。

协议

EtherCAT协议针对过程数据进行了优化，它被直接传送到以太网帧，或被压缩到UDP/IP数据报文中。UDP协议在其它子网中的 EtherCAT网段由路由器进行寻址的情况下使用。以太网帧可能包含若干个EtherCAT报文，每个报文专门用于特定存储区域，该存储区域可编制大小达4GB的逻辑过程镜像。由于数据链独立于EtherCAT端子物理顺序，因此可以对EtherCAT端子进行任意编址。从站之间可进行广播、多点传送和通讯。

该协议还可处理通常为非循环的参数通讯。参数的结构和含义通过 CANopen设备行规进行设定，这些设备行规用于多种设备类别和应用。EtherCAT 还支持符合 IEC61491 标准的从属行规。该行规以SERCOS命名，被全球运动控制应用领域普遍认可。

除了符合主站/从站原理的数据交换外，EtherCAT还非常适用于控制器之间（主站/主站）的通讯。可自由编址的过程数据网络变量以及各种参数化、诊断、编程和远程控制服务，可以满足众多要求。用于主站/从站和主站/主站通讯的数据接口是相同的。

FMMU： 报文处理完全在硬件中进行。

性能

EtherCAT在网络性能上达到了一个新的高度。1000个分布式I/O数据的刷新周期仅为30μs，其中包括端子循环时间。通过一个以太网帧，可以交换高达1486字节的过程数据，几乎相当于12000个数字量I/O。而这一数据量的传输仅用300μs。

与100个伺服轴的通讯只需100μs。在此期间，可以向所有轴提供设置值和控制数据，并报告它们的实际位置和状态。分布式时钟技术保证了这些轴之间的同步时间偏差小于1微秒。

利用 EtherCAT 技术的优异性能，可以实现用传统现场总线系统所无法实现的控制方法。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。巨大的带宽资源使状态数据与任何数据可并行传输。EtherCAT技术使得通讯技术与现代高性能的工业PC相匹配。总线系统不再是控制理念的瓶颈。分布式I/O的数据传递超过了只能由本地I/O接口才能实现的性能。

这种网络性能优势在有相对中等的计算能力的小型控制器中较为明显。EtherCAT的高速循环，可以在两个控制循环之间完成。因此，控制器总有可用的最新输入数据，输出编址的延迟最小。在无需增强本身计算能力的基础上，控制器的响应行为得到显著改善。

EtherCAT技术的原理具备扩展性，不束缚于100M带宽-扩展至G兆位的以太网也是可能的。

EtherCAT 替代 PCI：随着PC组件小型化的加速发展，工业PC的体积主要取决于所需要的插槽数目。

高速以太网带宽以及EtherCAT通讯硬件（EtherCAT从站控制器）数据带宽的利用，开辟了新的应用可能性：通常位于IPC中的接口被转移到EtherCAT系统中的智能化接口端子上。除分散式I/O、轴和控制单元外，现场总线主站、高速串行接口、网关和其它通讯接口等复杂系统可以通过PC上的一个以太网端口进行寻址。甚至对无协议变体限制的其它以太网设备也可通过分布式交换机端子进行连接。工业PC主机体积越来越小，成本也越来越低，一个以太网接口足以应对所有的通讯任务。

用以太网代替PCI现场总线设备（PROFIBUS、CANopen、DeviceNet、AS-i等）通过分布式现场总线主站端子进行集成。不使用现场总线主站节省了PC中的PCI插槽。

拓扑结构

总线形、树形或星型：EtherCAT支持几乎所有拓扑结构。因此，源于现场总线的总线形结构也可用于以太网。将总线和分支结构相结合特别有助于系统布线。所有接口都位于耦合器上，无需使用附加交换机。当然，也可以使用传统的基于交换机的星形以太网拓扑结构。

采用不同的传输电缆可以最大限度地发挥布线的灵活性。灵活而价格低廉的标准以太网插接电缆可通过以太网模式（100baseTX）或通过E总线来传输信号。光纤（PFO）可以用于特殊的应用场合。以太网带宽（如不同的光缆及铜缆）可以结合交换机或媒介转换器使用。快速以太网的物理特性可以使设备之间的距离达到100米，而E-bus只能保障10米的间距。快速以太网或 E-bus可以按照距离要求进行选择。EtherCAT 系统最多可容纳65535个设备，因此整个网络规模几乎是无限制的。

可自由选择拓扑结构。布线上有最大的灵活性：是否使用交换机，是采用总线形拓扑结构，还是树形拓朴结构，可任意选配组合。自动进行地址分配；无需设置IP地址。

分布时钟

精确同步在广泛要求同时动作的分布过程中显得尤为重要，如几个伺服轴在执行同时联动任务时。

分布时钟的精确校准是同步的最有效解决方案。相反地，如果采用完全同步，当通讯出现错误时，同步数据的品质将受到很大影响，在通讯系统中，分步式校准时钟在某种程度上具备错误延迟的容错性。在EtherCAT中，数据交换完全基于纯粹的硬件设备。由于通讯利用了逻辑环网结构和全双工快速以太网而又有实际环网结构，“主站时钟”可以简单而精确地确定对每个“从站时钟”的运行补偿，反之亦然。分布时钟基于该值进行调整，这意味着它可以在网络范围内提供信号抖动小于1微秒的、非常精确的时钟基。

然而，高性能分布时钟不仅用于同步，而且也可以提供数据采集时本地时间的精确信息。由于引进新的扩展数据类型，被测量值可被分配以非常精确的时间戳。

热连接

许多应用都需要在运行过程中改变I/O组态。例如，具备变更特性的处理中心，装备传感器的工具系统，智能化的传输设备，灵活的工件执行器，及可单独关闭印刷单元的印刷机等。EtherCAT系统考虑到了这些需求：“热连接”功能可以将网络的各个部分连在一起或断开，或“动态”进行重新组态，从而针对变化的组态提供了灵活的响应能力。

高可用性

可选的电缆冗余性可满足日益增长的对提高系统可用性的需求，这样无需关闭网络就可以更换设备。

EtherCAT还支持带热待机功能的冗余主站。由于EtherCAT从站控制器在遇到中断时立即将帧自动返回，设备故障不会导致整个网络关闭。例如，可将电缆保护拖链特别配置为短棒的形式以防备断线。

安全性

安全功能一般是从自动化网络、通过硬件或使用专用安全总线系统单独实现的。由于有了TwinSAFE（Beckhoff的安全技术），现在可以使用EtherCAT安全协议，在同一网络上进行安全相关通讯和控制通讯。

该安全协议基于EtherCAT的应用层，不影响较低层。此安全协议已根据IEC61508进行了认证，可达到安全集成级别（SIL）3，在采取相关措施后甚至可达到SIL4。数据长度可以变化，使得该协议对安全I/O数据和安全驱动技术同样适用。与其它EtherCAT数据一样，安全数据无需使用安全路由器或网关就可得到路由。

诊断

网络的诊断能力对于增强网络可用性和缩短调试时间（从而降低总成本）来说非常重要。只有当错误被快速而准确地检测出，并且清楚地指明其所在位置时，错误才能被及时的排除。因此，在EtherCAT的研发过程中，特别注重典型的诊断特征。

在试运行期间，将使用指定的配置检测I/O端子实际配置的连续性。拓扑结构也要与配置相匹配。因为有内置的拓扑结构识别，I/O可以在系统启动时，或通过自动上装配置时进行确认。

数据传输过程中的位错误可以通过有效的32位CRC校验码检测到。除断点检测和定位外，通过EtherCAT系统协议，传输物理层和拓扑结构使得高品质监控每个独立的传输段成为现实。通过自动分析相关错误计数器，可以精确定位关键网络部分。可检测并定位EMC干扰、有缺陷的连接器或损坏的电缆等不断变化的错误来源，即使它们尚未对网络的自愈能力产生过度影响。

开放性

EtherCAT技术不仅与以太网完全兼容，而且还有特别的设计开放性特点：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交换机端子连接至一个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是一个完全开放式协议，它已被认定为一个正式IEC规范（IEC/PAS62407）。

EtherCAT 技术组织：

EtherCAT技术组织（ETG）是一个自动化用户和厂商的协会，旨在为EtherCAT技术的开发提供支持。该协会代表着广泛的行业和应用领域。这样就确保了EtherCAT技术功能和接口以最佳方式用于多种应用。该组织可以确保将EtherCAT轻松而有经济有效地集成到大量自动化设备中，并保证设备的互操作性。EtherCAT技术组织（ETG）是正式IEC合作组织中现场总线标准化的成员。成员资格面对所有公司开放。