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德國倍福公司

    EtherCAT(Ethernet for Control Automation Technology) 是德國倍福（Beckhoff）最新提出的開放式實(shí)時以太網(wǎng)。EtherCAT使用了標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)技術(shù)并即將公布其協(xié)議，因此它確定了網(wǎng)絡(luò)開放性的新標(biāo)準(zhǔn)。同時，由于它可在30µs內(nèi)通過雙絞線或光纖電纜處理1 000個數(shù)字量I/O，從而也確定了實(shí)時以太網(wǎng)性能的新標(biāo)準(zhǔn)。EtherCAT為用戶在使用網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時提供了選擇，即采用傳統(tǒng)的、價格更加昂貴的星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)或者是采用低成本的總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)―無需昂貴的專用組件。EtherCAT使用的是市場上非常普遍且經(jīng)濟(jì)的以太網(wǎng)卡(NIC)，而其它的實(shí)時以太網(wǎng)則往往需要特殊且昂貴的以太網(wǎng)卡。

圖1  EtherCAT

工作原理

    EtherCAT突破了其它以太網(wǎng)解決方案的系統(tǒng)限制：不必再像從前那樣在每個連接點(diǎn)接收以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包，然后進(jìn)行解碼并復(fù)制為過程數(shù)據(jù)。當(dāng)報文在設(shè)備的持續(xù)傳送過程中，每個I/O端子中的FMMU(Fieldbus Memory Management Unit)就可以讀出該報文中指定到此I/O的數(shù)據(jù)。同樣，輸入數(shù)據(jù)可以在報文通過時插入報文中，報文僅有幾納秒延遲。

圖2  報文傳遞僅有幾納秒延遲

    其它的以太網(wǎng)解決方案不能達(dá)到EtherCAT的實(shí)時能力。其中一個解決方案通過較高級的協(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。

    另一個以太網(wǎng)解決方案使用專用交換機(jī)，并采用精確的時間控制方式分配以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包。這些解決方案只能在某種程度上實(shí)現(xiàn)將控制器數(shù)據(jù)快速而準(zhǔn)確的傳輸至以太網(wǎng)節(jié)點(diǎn)。然而，它們由于存在以太網(wǎng)節(jié)點(diǎn)到實(shí)際I/O或驅(qū)動控制器的傳輸延遲而受到限制。還有一類解決方案在使用模塊化 I/O 時，需要一個子總線，就像德國倍福從前所作的那樣，利用已有的現(xiàn)場總線，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通訊總線傳輸?shù)难舆t，德國倍福率先在EtherCAT中使用FMMU前沿技術(shù)解決了該問題。

端子實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)

    德國倍福用于I/O模塊的以太骨干網(wǎng)稱為E-bus。E-bus將使用不同電信號的I/O點(diǎn)數(shù)據(jù)傳送至下一個I/O點(diǎn)，但不改變以太網(wǎng)數(shù)據(jù)。第一個以太網(wǎng)節(jié)點(diǎn)稱為總線耦合器，它可以將電信號通過標(biāo)準(zhǔn)雙絞線或光纜變換至E-bus。變換至E-bus的信號可以滿足電子端子塊的電信號要求。端子塊（E-bus）中的信號也可以通過雙絞線在短距離內(nèi)傳輸（最長10米）。用這種廉價的方式可以對端子塊進(jìn)行擴(kuò)展。由于以太網(wǎng)數(shù)據(jù)沒有發(fā)生變化，其后續(xù)的向以太網(wǎng)的變換可以隨時進(jìn)行。

    從控制的觀點(diǎn)看，控制器的硬件通常采用非常經(jīng)濟(jì)而普遍的標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)接口卡（NIC）。德國倍福提供的這種卡是配備有4個以太網(wǎng)通道的PCI卡。這些接口卡的共同特點(diǎn)是：通過DMA(direct memory access)將數(shù)據(jù)傳送至PC，即網(wǎng)絡(luò)存取不會占用CPU資源。

    這種NIC卡使用TwinCAT Y驅(qū)動，實(shí)現(xiàn)了與軟件操作系統(tǒng)和實(shí)時系統(tǒng)的無縫連接。這意味著，TwinCAT Y驅(qū)動既是兼容的網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動，也是TwinCAT以太網(wǎng)現(xiàn)場總線卡的驅(qū)動。通過內(nèi)部的優(yōu)先級系統(tǒng)管理，實(shí)時系統(tǒng)以太網(wǎng)幀的優(yōu)先級高于普通操作系統(tǒng)幀。普通的操作系統(tǒng)以太網(wǎng)幀（如打印緩沖池、因特網(wǎng)、電子郵件等）都是在有足夠的時間“間隙”時傳送的。在接收端，所有接收到的以太網(wǎng)幀都由TwinCAT I/O系統(tǒng)檢驗(yàn)，并過濾出那些與實(shí)時系統(tǒng)相關(guān)的數(shù)據(jù)，其它幀則在檢測之后傳遞給操作系統(tǒng)。

    由于操作系統(tǒng)的以太網(wǎng)功能具備完整性，所有與操作系統(tǒng)兼容的協(xié)議都可在同一物理網(wǎng)絡(luò)下并行工作。這些協(xié)議不僅包括一些諸如TCP/IP、HTTP、FTP、SOAP等標(biāo)準(zhǔn)IT協(xié)議，還包括所有諸如ModbusTCP、ProfiNet 或EthernetIP等工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議。

協(xié)議

    EtherCAT協(xié)議在以太網(wǎng)幀內(nèi)使用了一個特殊的以太類型（Ether type）。這個類型可以使控制數(shù)據(jù)直接傳輸至以太網(wǎng)幀內(nèi)而無須重新定義標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)幀。EtherCAT的以太網(wǎng)幀可以由多個子報文組成，每個報文都服務(wù)于一個特定的邏輯映像區(qū)（Logic process image），該邏輯映像區(qū)最大可達(dá)4GB。由于數(shù)據(jù)鏈獨(dú)立于物理順序，因此可以對EtherCAT端子進(jìn)行任意編址。廣播式、多播式和從站間的通訊均可進(jìn)行。當(dāng)TwinCAT控制的EtherCAT組件與控制計算機(jī)在同一子網(wǎng)時，數(shù)據(jù)將直接采用以太網(wǎng)幀進(jìn)行傳送。

圖3   EtherCAT通過FMMU實(shí)現(xiàn)隨機(jī)地址映射

    然而，EtherCAT的應(yīng)用領(lǐng)域不僅僅局限于TwinCAT控制系統(tǒng)，EtherCAT UDP可將EtherCAT協(xié)議打包至UDP/IP的報文內(nèi)。該特性可以使用于任何帶以太網(wǎng)協(xié)議堆棧的控制尋址EtherCAT系統(tǒng)，甚至允許經(jīng)路由器跨接其它子網(wǎng)的通訊也成為可能。在這種情況下，系統(tǒng)的性能顯然取決于控制的實(shí)時性和以太網(wǎng)協(xié)議的實(shí)現(xiàn)方式。EtherCAT網(wǎng)絡(luò)本身的響應(yīng)時間幾乎不受限制，UDP報文只須在第一個站點(diǎn)解壓包。

性能

    EtherCAT使網(wǎng)絡(luò)性能達(dá)到了一個新境界。借助于端子中的EtherCAT ASIC和主站中讀取網(wǎng)卡數(shù)據(jù)的DMA技術(shù)，整個協(xié)議處理過程都在硬件中進(jìn)行，因此，它獨(dú)立于協(xié)議椎棧的實(shí)時運(yùn)行系統(tǒng)、CPU性能和軟件運(yùn)行。1 000個I/O的刷新只需30μs，包括端子的循環(huán)時間。它可以在一個以太網(wǎng)幀中交換最多達(dá)1 468個字節(jié)的協(xié)議數(shù)據(jù)，這幾乎相當(dāng)于12 000個數(shù)字輸入或輸出，這些數(shù)據(jù)的傳輸僅需300μs。100個伺服軸的通訊也只需100μs，在此期間，可以向所有軸提供設(shè)置值和控制數(shù)據(jù)，并報告他們的實(shí)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1μs。

    EtherCAT技術(shù)的高性能特征可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)的控制理念。例如，以太網(wǎng)如今不僅能夠處理速度控制，而且也可以處理分布式驅(qū)動器的電流（轉(zhuǎn)矩）控制。巨大的帶寬資源使?fàn)顟B(tài)數(shù)據(jù)與任何數(shù)據(jù)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。總線系統(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(shí)現(xiàn)的性能。EtherCAT技術(shù)的原理具備擴(kuò)展性，不束縛于100M帶寬，擴(kuò)展至千兆位的以太網(wǎng)也是可能的。

EtherCAT 替代PCI

    由于使用了集成于主板的以太網(wǎng)口，而不再需要附加接口插槽，PC主機(jī)體積越來越小，成本也越來越低。隨著PC組件小型化的加速發(fā)展，工業(yè)PC的體積主要依賴于所需要的插槽數(shù)目。高速以太網(wǎng)帶寬以及EtherCAT通訊硬件（FMMU）數(shù)據(jù)帶寬的利用，確定了接口技術(shù)的新方向：即工業(yè)PC中的傳統(tǒng)接口將轉(zhuǎn)變?yōu)?/SPAN>EtherCAT系統(tǒng)的高智能接口端子。除分布式I/O之外，軸和控制單元，復(fù)雜系統(tǒng)，如現(xiàn)場總線主站、高速串行接口、網(wǎng)關(guān)及其它通訊接口都可以被尋址，甚至沒有協(xié)議變體限制的以太網(wǎng)設(shè)備也可以通過分布式“集線器端子”連接。工業(yè)PC主機(jī)體積越來越小，成本也越來越低，一個以太網(wǎng)接口足以應(yīng)對所有的通訊任務(wù)。

圖4   EtherCAT替代PCI

拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

    線型、樹型或星型結(jié)構(gòu)：EtherCAT支持幾乎所有的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其它現(xiàn)場總線通用的總線型或線型結(jié)構(gòu)在EtherCAT中同樣適用。需要的接口已置于耦合器上，而無需再另加集線器，這特別適用于結(jié)合了線型、分支型或樹型的布線方式。當(dāng)然，傳統(tǒng)的基于交換機(jī)的星型以太網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也可以使用。

    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。靈活且低成本的標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)電纜可以選擇采用以太網(wǎng)模式傳輸數(shù)據(jù)（100Base-TX），或者采用E-bus信號處理方式。光纖(PFO)可以用于特殊的應(yīng)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(jī)或媒介轉(zhuǎn)換器使用。

    快速以太網(wǎng)或E-bus可以按照距離要求進(jìn)行選擇。快速以太網(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。整個網(wǎng)絡(luò)規(guī)模幾乎是無限制的，因其可以容納最多達(dá)65 535個設(shè)備連接。

分布時鐘

    精確同步在廣泛要求同時動作的分布過程中顯得尤為重要，如幾個伺服軸在執(zhí)行同時聯(lián)動任務(wù)時。分布時鐘的精確校準(zhǔn)是同步的最有效解決方案，如同在新的IEEE1588標(biāo)準(zhǔn)中所敘述的那樣。相反地，如果采用完全同步，當(dāng)通訊出現(xiàn)錯誤時，同步數(shù)據(jù)的品質(zhì)將受到很大影響，在通訊系統(tǒng)中，分步式校準(zhǔn)時鐘在某種程度上具備錯誤延遲的容錯性。

    在EtherCAT中，數(shù)據(jù)交換是完全基于硬件“主時鐘” 和“子時鐘”的。因?yàn)樵撏ㄓ嵤褂昧艘粋€邏輯的和全雙工的快速以太網(wǎng)物理環(huán)結(jié)構(gòu)，每個時鐘可以簡單和準(zhǔn)確地確定另一個時鐘的實(shí)時偏移量。分布時鐘基于該值進(jìn)行調(diào)整，這意味著它可以在網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)提供信號抖動小于1μs的、非常精確的時鐘基。

    然而，高性能分布時鐘不僅用于同步，而且也可以提供數(shù)據(jù)采集時本地時間的精確信息。例如，控制經(jīng)常通過連續(xù)測量的位置值計算出速度。尤其是在非常短的采樣時間內(nèi)，在位移測量中，即使是一個很小的隨機(jī)抖動都會導(dǎo)致速度的極大變化。使用TwinCAT，德國倍福引進(jìn)了新的、擴(kuò)展的數(shù)據(jù)類型（時間戳(timestamp) 數(shù)據(jù)類型，超采樣（oversampling）數(shù)據(jù)類型）。本地時間與被測值相連接，利用基于以太網(wǎng)的寬帶資源，其處理時間可小于10納秒。因此，速度計算的精確度不再依賴于通訊系統(tǒng)的抖動。這比基于無抖動通訊的測量技術(shù)有極大的提高。

熱連接

    熱連接功能能夠使網(wǎng)絡(luò)的各部分相連，并且解耦或重新自由配置；所提供的靈活響應(yīng)特性，改變了很多應(yīng)用需要在運(yùn)行時變更I/O配置的需求。例如，具備變更特性的處理中心、裝備傳感器的工具系統(tǒng)或者智能化的傳輸設(shè)備、靈活的工件執(zhí)行器等。EtherCAT系統(tǒng)考慮到了這些需求：任意配置。

診斷

    在EtherCAT的研發(fā)過程中，特別注重典型的診斷特征。德國倍福廣泛的現(xiàn)場總線系統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)表明，有效性和試運(yùn)行時間主要依賴于診斷的能力。只有當(dāng)錯誤被快速而準(zhǔn)確地檢測出，并且清楚地指明其所在位置時，錯誤才能被及時的排除。

    在試運(yùn)行期間，將使用該指定的配置檢測I/O端子實(shí)際配置的連續(xù)性。

    拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也要與配置相匹配。因?yàn)橛袃?nèi)置的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)識別，I/O可以在系統(tǒng)啟動時或通過自動上裝配置時進(jìn)行確認(rèn)。數(shù)據(jù)傳輸過程中的位錯誤可以通過有效的32位CRC校驗(yàn)碼檢測到，它使?jié)h明間距（Hamming Check）達(dá)到最小值4。EtherCAT協(xié)議，傳輸物理層和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使得高品質(zhì)監(jiān)控每個獨(dú)立的傳輸段成為現(xiàn)實(shí)。

總線端子

    現(xiàn)有的德國倍福基于K-bus總線的I/O端子可以直接與EtherCAT相連，包括一些配備網(wǎng)絡(luò)接口、用于模塊化I/O端子的相應(yīng)耦合器。它保證了新老產(chǎn)品的兼容性和可持續(xù)性，有效地保護(hù)了現(xiàn)有的和未來的投資。

圖5  EtherCAT與K-bus的無縫連結(jié)

開放性

    EtherCAT技術(shù)在設(shè)計之初就以開放性為其宗旨，它完全與以太網(wǎng)（802.3）兼容：該協(xié)議可與其它提供各種服務(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，通常只會對整個網(wǎng)絡(luò)性能有很小程度的影響。標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)設(shè)備可通過集線器端子連接至一個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(luò)中。UDP協(xié)議變體允許設(shè)備整合于任何插槽接口或堆棧中。EtherCAT協(xié)議將在作出最后的技術(shù)規(guī)范后發(fā)布。