EtherCAT總線技術(shù)知多少！

　　概述

　　EtherCAT(以太網(wǎng)控制自動化技術(shù))是一個以以太網(wǎng)為基礎(chǔ)的開放架構(gòu)的現(xiàn)場總線系統(tǒng)，EtherCAT名稱中的CAT為Control Automation Technology(控制自動化技術(shù))首字母的縮寫。最初由德國倍福自動化有限公司(Beckhoff Automation GmbH) 研發(fā)。EtherCAT為系統(tǒng)的實時性能和拓撲的靈活性樹立了新的標準，同時，它還符合甚至降低了現(xiàn)場總線的使用成本。EtherCAT的特點還包括高精度設(shè)備同步，可選線纜冗余，和功能性安全協(xié)議(SIL3)。

　　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，然后進行解碼并復制為過程數(shù)據(jù)。當幀通過每一個設(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)。

　　性能

　　EtherCAT在網(wǎng)絡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。巨大的帶寬資源使狀態(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)接口足以應對所有的通訊任務。

　　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。

　　總線拓撲結(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準以太網(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?？焖僖蕴W(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。

　　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)絡性能有很小程度的影響。標準的以太網(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)場總線標準化的成員。成員資格面對所有公司開放。