EtherCAT總線技術(shù)知多少！ 要知道運(yùn)動(dòng)控制它很強(qiáng)！

概述

EtherCAT（以太網(wǎng)控制自動(dòng)化技術(shù)）是一個(gè)以以太網(wǎng)為基礎(chǔ)的開(kāi)放架構(gòu)的現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)，EtherCAT名稱(chēng)中的CAT為Control Automation Technology（控制自動(dòng)化技術(shù)）首字母的縮寫(xiě)。最初由德國(guó)倍福自動(dòng)化有限公司(Beckhoff Automation GmbH) 研發(fā)。EtherCAT為系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能和拓?fù)?/strong>的靈活性樹(shù)立了新的標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)，它還符合甚至降低了現(xiàn)場(chǎng)總線的使用成本。EtherCAT的特點(diǎn)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(shí)時(shí)功能的以太網(wǎng)方案：例如，通過(guò)較高級(jí)的協(xié)議層禁止CSMA/CD存取過(guò)程，并使用時(shí)間片或輪詢(xún)過(guò)程來(lái)取代它。其它方案使用專(zhuān)用交換機(jī)，并采用精確的時(shí)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(diǎn)，但帶寬的利用率卻很低，特別是對(duì)于典型的自動(dòng)化設(shè)備，因?yàn)榧词箤?duì)于非常小的數(shù)據(jù)量，也必須要發(fā)送一個(gè)完整的以太網(wǎng)幀。而且，重新定向到輸出或驅(qū)動(dòng)控制器，以及讀取輸入數(shù)據(jù)所需的時(shí)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(guò)同步子總線系統(tǒng)加快傳輸速度，但是這樣的同步將無(wú)法避免引起通訊總線傳輸?shù)难舆t。

通過(guò)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(gè)連接點(diǎn)接收以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包，然后進(jìn)行解碼并復(fù)制為過(guò)程數(shù)據(jù)。當(dāng)幀通過(guò)每一個(gè)設(shè)備（包括底層端子設(shè)備）時(shí)，EtherCAT從站控制器讀取對(duì)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(bào)文通過(guò)時(shí)插入至報(bào)文中。在幀被傳遞 （僅被延遲幾位）過(guò)去的時(shí)候，從站會(huì)識(shí)別出相關(guān)命令，并進(jìn)行處理。此過(guò)程是在從站控制器中通過(guò)硬件實(shí)現(xiàn)的，因此與協(xié)議堆棧軟件的實(shí)時(shí)運(yùn)行系統(tǒng)或處理器性能無(wú)關(guān)。網(wǎng)段中的最后一個(gè)EtherCAT從站將經(jīng)過(guò)充分處理的報(bào)文返回，這樣該報(bào)文就作為一個(gè)響應(yīng)報(bào)文由第一個(gè)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(gè)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(gè)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(guò)交換機(jī)就可以建立通訊，因而產(chǎn)生一個(gè)純粹的EtherCAT系統(tǒng)。

性能

EtherCAT在網(wǎng)絡(luò)性能上達(dá)到了一個(gè)新的高度。1000個(gè)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(shí)間。通過(guò)一個(gè)以太網(wǎng)幀，可以交換高達(dá)1486字節(jié)的過(guò)程數(shù)據(jù)，幾乎相當(dāng)于12000個(gè)數(shù)字量I/O。而這一數(shù)據(jù)量的傳輸僅用300μs。

與100個(gè)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(bào)告它們的實(shí)際位置和狀態(tài)。分布式時(shí)鐘技術(shù)保證了這些軸之間的同步時(shí)間偏差小于1微秒。

利用 EtherCAT 技術(shù)的優(yōu)異性能，可以實(shí)現(xiàn)用傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)所無(wú)法實(shí)現(xiàn)的控制方法。這樣，通過(guò)總線也可以形成超高速控制回路。以前需要本地專(zhuān)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(guò)了只能由本地I/O接口才能實(shí)現(xiàn)的性能。

這種網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)勢(shì)在有相對(duì)中等的計(jì)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(gè)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(wú)需增強(qiáng)本身計(jì)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(kuò)展性，不束縛于100M帶寬-擴(kuò)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(kāi)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(chǎng)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(guò)PC上的一個(gè)以太網(wǎng)端口進(jìn)行尋址。甚至對(duì)無(wú)協(xié)議變體限制的其它以太網(wǎng)設(shè)備也可通過(guò)分布式交換機(jī)端子進(jìn)行連接。工業(yè)PC主機(jī)體積越來(lái)越小，成本也越來(lái)越低，一個(gè)以太網(wǎng)接口足以應(yīng)對(duì)所有的通訊任務(wù)。

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

總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

總線形、樹(shù)形或星型：EtherCAT支持幾乎所有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。因此，源于現(xiàn)場(chǎng)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(wú)需使用附加交換機(jī)。當(dāng)然，也可以使用傳統(tǒng)的基于交換機(jī)的星形以太網(wǎng)拓?fù)浣Y(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(jià)格低廉的標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)插接電纜可通過(guò)以太網(wǎng)模式(100baseTX)或通過(guò)E總線來(lái)傳輸信號(hào)。光纖(PFO)可以用于特殊的應(yīng)用場(chǎng)合。以太網(wǎng)帶寬（如不同的光纜及銅纜）可以結(jié)合交換機(jī)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(dá)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(jìn)行選擇。EtherCAT 系統(tǒng)最多可容納65535個(gè)設(shè)備，因此整個(gè)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模幾乎是無(wú)限制的。

可自由選擇拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。布線上有最大的靈活性：是否使用交換機(jī)，是采用總線形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，還是樹(shù)形拓樸結(jié)構(gòu)，可任意選配組合。自動(dòng)進(jìn)行地址分配；無(wú)需設(shè)置IP地址。

開(kāi)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(jì)開(kāi)放性特點(diǎn)：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(huì)對(duì)整個(gè)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(guò)交換機(jī)端子連接至一個(gè)EtherCAT系統(tǒng)，該端子并不會(huì)影響循環(huán)時(shí)間。配備傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線接口的設(shè)備可通過(guò)EtherCAT現(xiàn)場(chǎng)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(gè)完全開(kāi)放式協(xié)議，它已被認(rèn)定為一個(gè)正式IEC規(guī)范(IEC/PAS62407)。

EtherCAT 技術(shù)組織：

EtherCAT技術(shù)組織(ETG)是一個(gè)自動(dòng)化用戶(hù)和廠商的協(xié)會(huì)，旨在為EtherCAT技術(shù)的開(kāi)發(fā)提供支持。該協(xié)會(huì)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(jì)有效地集成到大量自動(dòng)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(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)化的成員。成員資格面對(duì)所有公司開(kāi)放。