EtherCAT - 以太網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)總線
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現(xiàn)場(chǎng)總線已成為自動(dòng)化技術(shù)的集成組件，通過(guò)大量的實(shí)踐試驗(yàn)和測(cè)試，如今已獲得廣泛應(yīng)用。正是由于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的普及，才使基于PC的控制系統(tǒng)得以廣泛應(yīng)用。然而，雖然控制器CPU的性能（尤其是IPC的性能）發(fā)展迅猛，但傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)正日趨成為控制系統(tǒng)性能發(fā)展的“瓶頸”。急需技術(shù)革新的另一個(gè)因素則是由于傳統(tǒng)的解決方案并不十分理想。傳統(tǒng)的方案是，按層劃分的控制體系通常都由幾個(gè)輔助系統(tǒng)所組成（周期系統(tǒng)）：即實(shí)際控制任務(wù)、現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)、I/O系統(tǒng)中的本地?cái)U(kuò)展總線或外圍設(shè)備的簡(jiǎn)單本地固件周期。正常情況下，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間是控制器周期時(shí)間的3-5倍。 在現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)之上的層面（即網(wǎng)絡(luò)控制器）中，以太網(wǎng)往往在某種程度上代表著技術(shù)發(fā)展的水平。該方面目前較新的技術(shù)是驅(qū)動(dòng)或I/O級(jí)的應(yīng)用，即過(guò)去普遍采用現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的這些領(lǐng)域。這些應(yīng)用類型要求系統(tǒng)具備良好的實(shí)時(shí)能力、適應(yīng)小數(shù)據(jù)量通訊，并且價(jià)格經(jīng)濟(jì)。EtherCAT可以滿足這些需求，并且還可以在I/O級(jí)實(shí)現(xiàn)因特網(wǎng)技術(shù) （參見(jiàn)圖1）。
圖1: 傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間
1.1 以太網(wǎng)和實(shí)時(shí)能力
目前，有許多方案力求實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)能力。例如，CSMA/CD介質(zhì)存取過(guò)程方案，即禁止高層協(xié)議訪問(wèn)過(guò)程，而由時(shí)間片或輪循方式所取代的一種解決方案；另一種解決方案則是通過(guò)專用交換機(jī)精確控制時(shí)間的方式來(lái)分配以太網(wǎng)包。這些方案雖然可以在某種程度上快速準(zhǔn)確地將數(shù)據(jù)包傳送給所連接的以太網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，但是，輸出或驅(qū)動(dòng)控制器重定向所需要的時(shí)間以及讀取輸入數(shù)據(jù)所需要的時(shí)間都要受制于具體的實(shí)現(xiàn)方式。 如果將單個(gè)以太網(wǎng) 幀用于每個(gè)設(shè)備，那么，理論上講，其可用數(shù)據(jù)率非常低。例如，最短的以太網(wǎng)幀為84字節(jié)（包括內(nèi)部的包間隔IPG）。如果一個(gè)驅(qū)動(dòng)器周期性地發(fā)送4字節(jié)的實(shí)際值和狀態(tài)信息，并相應(yīng)地同時(shí)接收4字節(jié)的命令值和控制字信息，那么，即便是總線負(fù)荷為100%（即：無(wú)限小的驅(qū)動(dòng)響應(yīng)時(shí)間)時(shí)，其可用數(shù)據(jù)率也只能達(dá)到4/84= 4.8%。如果按照10 μs的平均響應(yīng)時(shí)間估計(jì)，則速率將下降到1.9%。對(duì)所有發(fā)送以太網(wǎng) 幀到每個(gè)設(shè)備(或期望幀來(lái)自每個(gè)設(shè)備)的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)方式而言，都存在這些限制，但以太網(wǎng)幀內(nèi)部所使用的協(xié)議則是例外。
2. EtherCAT 運(yùn)行原理
EtherCAT技術(shù)突破了其他以太網(wǎng)解決方案的系統(tǒng)限制：通過(guò)該項(xiàng)技術(shù)，無(wú)需接收以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包，將其解碼，之后再將過(guò)程數(shù)據(jù)復(fù)制到各個(gè)設(shè)備。EtherCAT從站設(shè)備在報(bào)文經(jīng)過(guò)其節(jié)點(diǎn)時(shí)讀取相應(yīng)的編址數(shù)據(jù)，同樣，輸入數(shù)據(jù)也是在報(bào)文經(jīng)過(guò)時(shí)插入至報(bào)文中（參見(jiàn)圖2）。整個(gè)過(guò)程中，報(bào)文只有幾納秒的時(shí)間延遲。
圖2: 過(guò)程數(shù)據(jù)插入至報(bào)文中
圖3: 帶寬利用率的比較
3. EtherCAT 技術(shù)特征
3.1 協(xié)議
EtherCAT是用于過(guò)程數(shù)據(jù)的優(yōu)化協(xié)議，憑借特殊的以太網(wǎng)類型，它可以在以太網(wǎng)幀內(nèi)直接傳送。EtherCAT幀可包括幾個(gè)EtherCAT報(bào)文，每個(gè)報(bào)文都服務(wù)于一塊邏輯過(guò)程映像區(qū)的特定內(nèi)存區(qū)域，該區(qū)域最大可達(dá)4GB字節(jié)。數(shù)據(jù)順序不依賴于網(wǎng)絡(luò)中以太網(wǎng)端子的物理順序，可任意編址。從站之間的廣播、多播和通訊均得以實(shí)現(xiàn)。當(dāng)需要實(shí)現(xiàn)最佳性能，且要求EtherCAT組件和控制器在同一子網(wǎng)操作時(shí)，則直接以太網(wǎng)幀傳輸就將派上用場(chǎng)。 然而，EtherCAT不僅限于單個(gè)子網(wǎng)的應(yīng)用。EtherCAT UDP將EtherCAT協(xié)議封裝為UDP/IP數(shù)據(jù)報(bào)文（參見(jiàn)圖4），這就意味著，任何以太網(wǎng)協(xié)議堆棧的控制均可編址到EtherCAT系統(tǒng)之中，甚至通訊還可以通過(guò)路由器跨接到其它子網(wǎng)中。顯然，在這種變體結(jié)構(gòu)中，系統(tǒng)性能取決于控制的實(shí)時(shí)特性和以太網(wǎng)協(xié)議的實(shí)現(xiàn)方式。因?yàn)閁DP數(shù)據(jù)報(bào)文僅在第一個(gè)站才完成解包，所以EtherCAT網(wǎng)絡(luò)自身的響應(yīng)時(shí)間基本不受影響。
評(píng)論