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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時以太網(wǎng)。EtherCAT使用了標準的以太網(wǎng)技術(shù)并即將公布其協(xié)議，因此它確定了網(wǎng)絡開放性的新標準。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，從而也確定了實時以太網(wǎng)性能的新標準。EtherCAT為用戶在使用網(wǎng)絡拓撲結(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撲結(jié)構(gòu)或者是采用低成本的總線型拓撲結(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)濟的以太網(wǎng)卡(NIC)，而其它的實時以太網(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)。當報文在設備的持續(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)解決方案不能達到EtherCAT的實時能力。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，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現(xiàn)將控制器數(shù)據(jù)快速而準確的傳輸至以太網(wǎng)節(jié)點。然而，它們由于存在以太網(wǎng)節(jié)點到實際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點數(shù)據(jù)傳送至下一個I/O點，但不改變以太網(wǎng)數(shù)據(jù)。第一個以太網(wǎng)節(jié)點稱為總線耦合器，它可以將電信號通過標準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行擴展。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)的變換可以隨時進行。

    從控制的觀點看，控制器的硬件通常采用非常經(jīng)濟而普遍的標準網(wǎng)絡接口卡（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是：通過DMA(direct memory access)將數(shù)據(jù)傳送至PC，即網(wǎng)絡存取不會占用CPU資源。

    這種NIC卡使用TwinCAT Y驅(qū)動，實現(xiàn)了與軟件操作系統(tǒng)和實時系統(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，并過濾出那些與實時系統(tǒng)相關的數(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等標準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)而無須重新定義標準以太網(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4GB。由于數(shù)據(jù)鏈獨立于物理順序，因此可以對EtherCAT端子進行任意編址。廣播式、多播式和從站間的通訊均可進行。當TwinCAT控制的EtherCAT組件與控制計算機在同一子網(wǎng)時，數(shù)據(jù)將直接采用以太網(wǎng)幀進行傳送。

圖3   EtherCAT通過FMMU實現(xiàn)隨機地址映射

    然而，EtherCAT的應用領域不僅僅局限于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時性和以太網(wǎng)協(xié)議的實現(xiàn)方式。EtherCAT網(wǎng)絡本身的響應時間幾乎不受限制，UDP報文只須在第一個站點解壓包。

性能

    EtherCAT使網(wǎng)絡性能達到了一個新境界。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行，因此，它獨立于協(xié)議椎棧的實時運行系統(tǒng)、CPU性能和軟件運行。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1 468個字節(jié)的協(xié)議數(shù)據(jù)，這幾乎相當于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置值和控制數(shù)據(jù)，并報告他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1μs。

    EtherCAT技術(shù)的高性能特征可以實現(xiàn)傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線系統(tǒng)無法實現(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。巨大的帶寬資源使狀態(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接口才能實現(xiàn)的性能。EtherCAT技術(shù)的原理具備擴展性，不束縛于100M帶寬，擴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，復雜系統(tǒng)，如現(xiàn)場總線主站、高速串行接口、網(wǎng)關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)設備也可以通過分布式“集線器端子”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。

圖4   EtherCAT替代PCI

拓撲結(jié)構(gòu)

    線型、樹型或星型結(jié)構(gòu)：EtherCAT支持幾乎所有的拓撲結(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。當然，傳統(tǒng)的基于交換機的星型以太網(wǎng)拓撲結(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。靈活且低成本的標準以太網(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。

    快速以太網(wǎng)或E-bus可以按照距離要求進行選擇。快速以太網(wǎng)的物理特性可以使設備之間的距離達到100米，而E-bus只能保障10米的間距。整個網(wǎng)絡規(guī)模幾乎是無限制的，因其可以容納最多達65 535個設備連接。

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)動任務時。分布時鐘的精確校準是同步的最有效解決方案，如同在新的IEEE1588標準中所敘述的那樣。相反地，如果采用完全同步，當通訊出現(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。因為該通訊使用了一個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確地確定另一個時鐘的實時偏移量。分布時鐘基于該值進行調(diào)整，這意味著它可以在網(wǎng)絡范圍內(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抖動都會導致速度的極大變化。使用TwinCAT，德國倍福引進了新的、擴展的數(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；所提供的靈活響應特性，改變了很多應用需要在運行時變更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)驗表明，有效性和試運行時間主要依賴于診斷的能力。只有當錯誤被快速而準確地檢測出，并且清楚地指明其所在位置時，錯誤才能被及時的排除。

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

    拓撲結(jié)構(gòu)也要與配置相匹配。因為有內(nèi)置的拓撲結(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行確認。數(shù)據(jù)傳輸過程中的位錯誤可以通過有效的32位CRC校驗碼檢測到，它使?jié)h明間距（Hamming Check）達到最小值4。EtherCAT協(xié)議，傳輸物理層和拓撲結(jié)構(gòu)使得高品質(zhì)監(jiān)控每個獨立的傳輸段成為現(xiàn)實。

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)絡接口、用于模塊化I/O端子的相應耦合器。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。