实时以太网EtherCAT的技术和应用

1 28 实时以太网实时以太网 EtherCAT 的技术和应用的技术和应用 目目 录录 摘 要 3 关键词 3 前言 3 一 实时以太网 3 1 1 实时以太网的发展历史 3 1 2 实时以太网的发展现状 4 1 2 1 通信确定性与实时性 4 1 2 2 稳定性与可靠性 4 1 2 3 安全性 4 1 2 4 总线供电问题 5 1 3 实时以太网的技术优势 5 1 3 1 应用广泛 5 1 3 2 通信速率高 5 1 3 3 成本低廉 5 1 3 4 资源共享能力强 5 1 3 5 可持续发展潜力大 6 1 4 实时以太网的关键技术 6 1 4 1 实时通信技术 6 1 4 2 总线供电技术 6 1 4 3 远距离传输技术 6 1 4 4 网络安全技术 6 1 4 5 可靠性技术 6 1 5 实时以太网的未来技术 7 1 5 1 工业以太网的防爆保护 7 1 5 2 未来的网络拓扑结构 7 1 5 3 让交换机学习自动化语言 7 1 5 4 安全增长的重要性 7 1 5 5 无线网络提供新的应用可能 7 1 5 6 更高的网络带宽 7 1 6 实时以太网的主流五种标准 8 1 6 1 EtherCAT 标准 8 1 6 2 Ethernet IP 标准 8 1 6 3 PowerLink 标准 8 1 6 4 Profinet 标准 9 1 6 5 Sercos III 标准 9 1 7 实时以太网的五种标准比较 9 1 7 1 硬件和软件的差异 9 1 7 2 实现确定性的方案 10 1 7 3 实现实时性的异同 11 2 28 1 7 4 纵向 IT 集成的实现 11 二 EtherCAT 实时以太网技术 11 2 1 传统现场总线及以太网的实时能力 11 2 2 EtherCAT 运行原理 12 2 3 EtherCAT 技术特征 14 2 3 1 协议 14 2 3 2 帧结构 15 2 3 3 拓扑 16 2 3 4 分布时钟 17 2 3 5 实时性 17 2 3 6 故障诊断 18 2 3 7 可靠性 19 2 3 8 安全性 19 2 3 9 EtherCAT 实现 CANopen CoE 19 2 3 10 EtherCAT 实现伺服驱动 SoE 20 2 3 11 EtherCAT 实现以太网 EoE 20 2 3 12 EtherCAT 实现文件读取 FoE 21 2 4 EtherCAT 成本 21 2 5 EtherCAT 实施 21 2 5 1 主站 22 2 5 2 主站实施 22 2 5 3 从站 23 2 5 4 从站控制器 23 2 6 EtherCAT 总结 24 三 基于 EtherCAT 的多轴运动控制卡实现 25 3 1 系统概述 25 3 2 EtherCAT 主站程序 26 3 3 EtherCAT 从站结构 26 3 4 数据通信 27 结语 28 3 28 摘摘 要 要 分析了实时以太网技术的发展现状和发展趋势 并比较了当前主流 的五种以太网标准的技术特点 针对 EtherCAT 实时以太网技术进行了细致的介 绍和分析 并介绍了一种基于 EtherCAT 技术构建的多轴运动控制卡的实现 关键词 关键词 以太网 Ethernet EtherCAT 运动控制 前言前言 长期以来 现场总线技术争论不休 工业网络通信的互连 互通与互操作 问题很难解决 严重阻碍了现场总线技术的发展和推广应用 于是现场总线开 始转向三十年来最成功的以太网网络技术 经过近几年的努力 以太网技术已 经被工业自动化系统广泛接受 为了满足高实时性能应用的需要 各大公司和 标准组织纷纷提出各种提升工业以太网实时性的技术解决方案 以太网的实时 响应时间可以提高到低于1ms 从而产生了实时以太网 RealTime Ethernet 简 称RTE 经过多年的努力 实时以太网已经取得了多项关键技术的突破 可以 通过实时以太网对底层的控制器和传感器进行操作 实现E网到底 一 实时以太网一 实时以太网 按照国际电工委员会 IEC sc65 的定义 实时以太网是建立在 IEEE802 3 标 准的基础上 通过对其和相关标准的实时扩展提高实时性 并且做到与标准以 太网完全无缝连接的工业以太网 1 1 实时以太网的发展历史实时以太网的发展历史 以太网 Ethernet 这个名字来自于无线电技术 19世纪时 很多科学家认 为电磁波的传输需要一种媒介 这种媒介被称为 Ether 在20世纪70年代 中期 美国XEROX公司提出了以太网这个新概念 采用了CSMA CD 载波侦听多 路存取 冲突检测 的访问方法 第一个以太网系统 能够通过1000多米的同轴 电缆 连接超过100个站点 实现3Mbps的数据传输速率 70年代后期 由DEC Intel和XEROX公司组成的DIX工作组将以太网的传输 速率提高到了10MB s 1995年 IEEE正式通过802 3u快速以太网标准 快速 以太网仍然采用CSMA CD协议 但物理层则提供1OOM s传输速率 随后以太网 技术进一步发展到1000MB s 千兆网 和l0000MB s 万兆网 在这些网络中 不仅仅使用同轴电缆 也可采用双绞线电缆 光纤以及无线传输 传输速度高 达100GB s及以上的以太网网络也正在规划中 2003年5月 为了规范RTE的工作 1EC sc65c专门成立了WG11实时以太网 工作组 负责制定IEC61784 2 基于ISO lEC8802 3的实时应用系统中工业通 信网络行规 国际标准 该标准包括l1种实时以太网行规集 4 28 1 2 实时以太网的发展现状实时以太网的发展现状 Ethernet过去被认为是一种 非确定性 的网络 作为信息技术的基础 是为IT领域应用而开发的 在工业控制领域只能得到有限应用 这是由于 1 Ethernet的介质访问控制 MAC 层协议采用带碰撞检侧的载波侦听多址访问 CSMA CD 方式 当网络负荷较重时 网络的确定性不能满足工业控制的实时 性要求 2 Ethernet所用的接插件 集线器 交换机和电缆等是为办公室应用 而设计的 不符合工业现场亚劣环境要求 3 在工厂环境中 Ethernet抗干扰 EMI 性能较差 若用于危险场合 以太网不具备本质安全性能 4 Ethernet 不能通过信号线向现场设备供电问题 随着IT技术和总线技术的发展 上述问题在实时以太网中正在迅速得到解 决 并使Ethernet全面应用于工业控制领域成为可能 1 2 1 通信确定性与实时性通信确定性与实时性 快速以太网 交换式以太网技术和全双工通信的发展给解决以太网的非确 定性和非实时性问题提供了契机和可能 首先 Ethernet的通信速率从1OM 100M增大到如今的1000M 10G 在数据 吞吐量相同的情况下 通信速率的提高意味着网络负荷的减轻和网络传输延时 的减小 即网络碰撞机率大大下降 其次 采用星型网络拓扑结构 交换机将 网络划分为若干个网段 Ethernet交换机由于具有数据存储 转发的功能 使 各端口之间输入和输出的数据帧能够得到缓冲 不再发生碰撞 再次 全双工 通信又使得端口闻两对双绞线 或两根光纤 上分别同时接收和发送报文帧 也 不会发生冲突 1 2 2 稳定性与可靠性稳定性与可靠性 由于工业现场的机械 气候 尘埃等条件非常恶劣 因此对设备的工业可 靠性提出了更高的要求 在工厂环境中 工业网络必须具备较好的可靠性 可 恢复性及可维护性 为了解决在不间断的工业应用领域 在极端条件下网络也 能稳定工作的问题 德国Hirschmann等公司专门开发和生产了工业以太网交换 机等产品 安装在标准DIN导轨上 并有冗余电源供电 1 2 3 安全性安全性 工业系统的网络安全是工业以太网应用必须考虑的另一个安全性问题 工 业以太网可以将企业传统的三层网络系统 即信息管理层 过程监控层 现场 设备层 合成一体 使数据的传输速率更快 实时性更高 并可与Internet无 缝集成 实现数据的共享 提高工厂的运作效率 但同时也引入了一系列的网 络安全问题 工业网络可能会受到包括病毒感染 黑客的非法入侵与非法操作 等网络安全威胁 一般情况下 可以采用网关或防火墙等对工业网络与外部网 5 28 络进行隔离 还可以通过权限控制 数据加密等多种安全机制加强网络的安全 管理 1 2 4 总线供电问题总线供电问题 总线供电 或称总线馈电 是指连接到现场设备的线缆不仅传输数据信号 还能给现场设备提供工作电源 对于现场设备供电可以采取以下方法 1 在目前以太网标准的基础上适当地修改物理层的技术规范 将以太网 的曼彻斯特信号调制到一个直流或低频交流电源上 在现场设备端再将这两路 信号分离开来 2 不改变目前物理层的结构 而通过连接电缆中的空闲线缆为现场设备 提供电源 1 3 实时以太网的技术优势实时以太网的技术优势 1 3 1 应用广泛应用广泛 以太网是应用最广泛的计算机网络技术 几乎所有的编程语言如Visual C Java Visual Basic等都支持以太网的应用开发 1 3 2 通信速率高通信速率高 目前 10 100Mb s的快速以太网已开始广泛应用 1Gb s以太网技术也 逐渐成熟 而传统的现场总线最高速率只有12Mb s 显然 以太网的速率要比 传统现场总结要快的多 完全可以满足工业控制网络不断增长的带宽要求 1 3 3 成本低廉成本低廉 以太网网卡的价格较之现场总线网卡要便宜得多 约为1 10 另外 以太 网已经应用多年 人们对以太网的设计 应用等方面有很多经验 具有相当成 熟的技术 大量的软件资源和设计经验可以显著降低系统的开发和培训费用 降低系统的整体成本 并大大加快系统的开发和推广速度 1 3 4 资源共享能力强资源共享能力强 随着Internet Intranet的发展 以太网已渗透到各个角落 网络上的用 户已解除了资源地理位置上的束缚 在联人互联网的任何一台计算机上就能浏 览工业控制现场的数据 实现 控管一体化 这是其他任何一种现场总线都无 法比拟的 6 28 1 3 5 可持续发展潜力大可持续发展潜力大 以太网的引人将为控制系统的后续发展提供可能性 用户在技术升级方面 无需独自的研究投入 对于这一点 任何现有的现场总线技术都是无法比拟的 1 4 实时以太网的关键技术实时以太网的关键技术 针对工业现场设备间通信具有实时性强 数据信息短 周期性较强等特点 和要求 经过认真细致的调研和分析 以下技术基本解决了以太网应用于现场 设备间通信的关键技术 1 4 1 实时通信技术实时通信技术 其中采用以太网交换技术 全双工通信 流量控制等技术 以及确定性数 据通信调度控制策略 简化通信站软件层次 现场设备层网络微网段化等针对 工业过程控制的通信实时性措施 解决了以太网通信的实时性 1 4 2 总线供电技术总线供电技术 采用直流电源耦合 电源冗余管理等技术 设计了能网络代电或总线供电 的以太网集线器 解决了以太网总线的供电问题 1 4 3 远距离传输技术远距离传输技术 采用网络分层 控制区域微网段化 网络超小时滞中继以及光纤等技术解 决以太网的远距离传输问题 1 4 4 网络安全技术网络安全技术 采用控制区域微网段化 各控制区域通过具有网络隔离和安全过滤的现场 控制器与系统主干相连 实现各控制区域与其他区域之间的逻辑上的网络隔离 1 4 5 可靠性技术可靠性技术 采用分散结构化设计 EMC设计 冗余 自诊断等可靠性设计技术等 提高 基于以太网技术的现场设备可靠性 经实验室EMC测试 设备可靠性符合工业现 场控制要求 7 28 1 5 实时以太网的未来技术实时以太网的未来技术 1 5 1 工业以太网的防爆保护工业以太网的防爆保护 目前工业以太网的本质安全的问题还没有很好解决 未来这个技术解决后 第一台用双绞线连接的本质安全的以太网交换机的问世将具有重大意义 1 5 2 未来的网络拓扑结构未来的网络拓扑结构 现在大部分的工业网络都支持菊花链型的拓扑结构 但是这个存在安全隐 患的不稳定 同时 当流量突发时 以句话两式连接的交换机在吞吐量和带宽 将受到限制 而环形拓扑结构就可以很好的解决这个问题 当其中一个节点失效时 不 影响其他节点的正常工作 1 5 3 让交换机学习自动化语言让交换机学习自动化语言 大型的自动化厂商都有自己定义的工业以太网协议 因此交换机学习自动 化语言后 就可以用自己熟悉的自动化工具配置网络 1 5 4 安全增长的重要性安全增长的重要性 工业以太网能够实现从管理级到现场级的数据传输 因此用户只需要掌握 一种网络技术即可 但是网络的透明度的增加也同时带来了安全隐患 分布式 安全体系的建立 能够将内部网络分为一个个独立的安全单元 通过相应的协 议规则通信 1 5 5 无线网络提供新的应用可能无线网络提供新的应用可能 如今的无线网络技术WLAN Wireless LAN 被广泛的应用于办公环境中 移 动性 灵活性 易于安装 低成本 无线通信的这些优点渐渐被应用于工业环 境中 无线网络有很多不同技术特点的技术标准 WiMAX技术的传输距离在70公 里以内 适合于大厂区范围内的数据通信 通信速率可达到640 Mb s BlueTooth技术的传输半径在10m以内 适合于办公环境内的通信 ZigBee技术是一种超低功耗的无线通信标准 很灵活 可以用于传感器级别的 数据通信 8 28 1 5 6 更高的网络带宽更高的网络带宽 随着互联网技术的发展 网络带宽将会越来越大 现在千兆以太网技术已 经比较成熟并应用广泛 万兆以太网技术也正在完善和普及 十万兆以太网技 术也开始崭露头角 随着以太网速率的增加 将来可能更多的设备和信息都会 连接到以太网上 真正实现E网通天下 1 6 实时以太网的主流五种标准实时以太网的主流五种标准 2005年IEC标准化组织公布了11种实时以太网标准 这11种实时以太网标准 成为当前获得国际承认的标准 每个标准都有自己的公司联盟和组织提供技术 制定 推广 开发等支持 这11种标准分别为Ethernet IP Profinet P Net InterBus Vnet IP TCnet EtherCAT PowerLink EPA Modbus RTPS Sercos III 下面只选择市场及技术较成熟的5种主流实时以太网标准分 别介绍 1 6 1 EtherCAT 标准标准 EtherCAT Ethernet for Control Automation Technology 由德国 Beckhoff公司开发 并得到ETG EtherCAT Technology Group 国际组织的支持 EtherCAT是一个可用于现场级的超高速I O网络 它使用标准的以太网物理层和 常规的以太网卡 传输媒体可为双绞线或光纤 传统以太网技术用于现场级的最大问题是通信效率低 仅为0 77 为了 提高通信效率 EtherCAT采用了类似Interbus现场总线的集总帧等时通讯原理 EtherCAT开发了专用ASIC芯片FMMU 现场总线内存管理单元 用于I 0模块 这 样一来 EtherCAT可采用标准以太网帧 并以特定的环状拓扑发送数据 在 FMMU单元的控制下 网络上的每个站 或I O单元 均从以太网帧上取走与该站有 关的数据 或者插入该站要输出的数据 EtherCAT还通过内部优先级系统 使 实时以太网帧比其它数据帧有较高的优先级 EtherCAT几乎支持任何拓扑结构 包括线性 树型与星型等 在l00Mbps时允许两个设备之间最大电缆长度为100 米 可连接多至65535个设备 1 6 2 Ethernet IP 标准标准 2000年3月 ControlNet国际组织 ControlNet International CI 和 DeviceNet供应商协会 Open Device Vendor Association ODVA 共同开发了 Ethernet IP实时以太网 IP代表是工业协议 Industrial Protoco1 Ethernet IP是一种开放的工业网络标准 它充分采用现成商用的 Ethernet TCP IP芯片 物理媒体和协议组 支持显性和隐性报文 作为实时控制网络 Ethernet IP在TCP IP之上附加一个公共的应用层 CIP Common Industrial Protoco1 CIP的控制部分用于实时I O报文 信息部 9 28 分用于报文交换 1 6 3 PowerLink 标准标准 ETHERNET Powerlink 简称EPL 实时以太网标准是由奥地利贝加莱公司 B R 于 2001年11月创议和开发的 得到了EPSG EPL标准化 协会的支持 世界上已有 300多个制造厂 供应商和用户使用这项技术 ETHERNET Powerlink标准是在CANopen协议基础上发展而来的 它基于高速 以太网 建立了一种特殊的时序机制SCNM 时间片通信管理机制 因此保证了 数据传输的确定性 EPL系统中MN Managing Node 节点作为主控制器去管理 SCNM CN Controled Node 由一些现场设备构成 它们通过以太网HUB相连 路 由器则负责IP地址转换和IP报文的信息安全 1 6 4 Profinet 标准标准 Profinet实时以太网是由PI Profibus Internationa1 组织于2001年8月提 出的基于以太网的自动化标准 Profinet将工厂自动化和企业信息管理层IT技 术以及有线通信与无线通信技术有机地融为一体 同时又完全保留了Profibus 现有的开放性 Profinet构成从I O级直至协调管理级的基于组件的分布式自动化系统的体 系结构方案 Profinet用于实现基于实时以太网的各种应用集成 Profinet I 0支持简单分散式现场设备集成 Profinet IRT支持苛求时间要求的运动控制 集成以及Profinet CBA支持基于组件的分布式自动化系统的集成 1 6 5 Sercos III 标准标准 SERCOS Serial Real time COmmunication System 数字运动控制总线是 运动控制领域的专用总线 该总线由SI SERCOS International 集团提供支 持 该集团包括50家控制器生产商和30家驱动器生产商 Sercos III是第三代基于以太网的运动控制高速总线接口 它将以太网的 物理层和协议与Sercos接口机理有机的结合在一起 该总线采用TDMA时分多路 时间片通信机制实现实时性和确定性 1 7 实时以太网的五种标准比较实时以太网的五种标准比较 1 7 1 硬件和软件的差异硬件和软件的差异 各种实时方案从他们符合或不符合以太网TCP IP标准来说 是各不相同的 关于硬件 Profinet IRT Sercos III和EtherCAT 在从站中 的使用不是 建立在标准以太网控制器上的 而是需要特殊硬件 专用集成电路或FPGA现场可 10 28 编订阵列 这意味着这些实时方案在操作时 依赖于制造商定制的硅器件 相 反 PowerLink和Ethernet IP使用标准的以太网控制器作为硬件平台 至于网络软件 OSI层3和层4 Profinet IRT Sercos III EtherCAT和 PowerLink使用专门的软件栈 仅Ethernet IP是完全建立在同时满足硬件和软 件两方面的以太网TCP IP之上的 1 7 2 实现确定性的方案实现确定性的方案 为了使以太网具有实时性能 它必须以一种确定性的方法进行响应 为此 各种基于以太网实时方法采用了不同的机制 Powerlink是一种基于循环的实时系统 它在CSMA CD机制中叠加了一个 时间槽机制 主站 控制器 在一段分配的通讯循环时期内 连续轮询 从站 驱动器 其剩余的循环时间是留为异步数据的传输 如设备的 配置 通过一个标准以太网报文 传输数据对PowerLink 实时数据采 用Ethertype 普通数据采用I P 通过标准以太网网络集线器 在一 个实时段相互连接所有站点 主站与从站 Profinet IRT 为了达到硬实时 也可使用时间槽机制 因此 某带宽 保留以用于实时数据传输 IRT 等时实时同步 并且异步通讯也可使 用保留的带宽 通过优于标准集成在现场设备的专用交换机来连接站 点 而不是通过标准的以太网交换机 这些专用集成交换机包含一个 专用集成电路 以100Mbps的数据速率控制或四个端口 Sercos III使用以太网物理层 1OO Mbps 和以太网报文 同时 保留现 有的Sercos机制 同样的 Sercos III是基于带宽 用于等时同步 实 时信道 和异步 1P信道 数据传输的时间空挡机制 Sercos III运行无 需网络集线器或交换机 每个站点都具有专用的集成电路或带有两个 通讯端口的FPGA 使它能够通过线形或环形拓扑图进行连接 EtherCAT使用以太网报文结构 但是采用一种完全不同的基本运行模式 在一个通讯循环内 报文不会分别发送到每个站点 而是一个单一以 太网报文贯穿所有站点 从站 以太网报文中的数据区分为若干实时和 普通数据段 在实时数据区 连续的子报文定义了所有站点的首部及 过程数据 从而增加了协议中的用户数据率 在运动控制应用中 64字 节最短的以太网结构的用户数据率通常低于1 5 从站具有专用集 成电路或FPGA 可将输入的以太网格式数据转换为一个内部名为E总线 由于EtherCAT从站仅能够解释EtherCAT帧 为了能够引导通用数据通 过从站 故将通用数据封装在EtherCAT帧中 如果通用数据包太大 无法在一个循环中传输 则将被分别传送 从而通过多个EtherCAT帧 封装信道及打开封装信道采用网关功能 发生在主站 虚拟以太网交换 机 或从站中 整个协议处理是基于硬件的 从站不会以常规模式处理 输入的以太网报文一一揭示其内容 之后为转发而复制过程数据 取 而代之的是 在报文通过从站的同时 EtherCAT从站在读写报文中来 自和到达预定站点的过程数据 EtherCAT机制允许执行非常短的循 Ethernet IP是完全基于以太网标准仅有的一个实时方案 和其他协议 相比 Ethernet IP并不是基于循环 而是基于时间 这意味着它仅需 要通过现场站点及时接收指令 还意味着整个系统的性能能够独立于 11 28 网络性能来完成 通过这三个均基于标准的机制 UDP 服务品质 QoS 优先站点 和IEEE 1588来保证实时传送 1 7 3 实现实时性的异同实现实时性的异同 下表对比五种标准在一个需要同步控制1OO根轴的应用的实时行为 依照性 能测试的两个分析标准为响应时间 循环时间 和抖动 也就是响应时间钟的变化 以太网方案响应时间 100 轴 抖动数据速率 Ethernet IP 1 ms 1 ms100 Mbps PowerLink 1 ms 1 ms100 Mbps Profinet IRT 1 ms 1 ms100 Mbps Sercos III 0 5 ms 0 1 ms100 Mbps EtherCAT 0 1 ms 0 1 ms100 Mbps 通过观察此表 首先是感叹这五个实时方案强大的性能 它们都具有较短 的响应时间 或达到1ms Ethernet IP Powerlink和Profinet IRT在数量级上 相似 在数量级上 Sercos III和EtherCAT同其他三个实时方案相比则更快和 更精确 1 7 4 纵向纵向 IT 集成的实现集成的实现 Ethernet IP和Profinet是通用的通讯系统 并且它们的专用附件分别为 ClPsvnc和Profinet IRT可用于运动控制应用 基于Powerlink和Sercos III的 系统特别适合多轴应用 EtherCAT提供一个高效的路径 可实现极速的I O传送 和操作 这五个基于以太网的实时方案优于传统的运动控制现场总线 具有一 个决定性的优势 即它们支持互联网技术 因而允许纵向IT集成 特别是Web技 术在自动化行业中起到越来越重要的作用 二 二 EtherCAT 实时以太网技术实时以太网技术 2 1 传统现场总线及以太网的实时能力传统现场总线及以太网的实时能力 现场总线已成为自动化技术的集成组件 通过大量的实践试验和测试 如 今已获得广泛应用 正是由于现场总线技术的普及 才使基于PC的控制系统得 以广泛应用 然而 虽然控制器CPU的性能 尤其是IPC的性能 发展迅猛 但 传统的现场总线系统正日趋成为控制系统性能发展的 瓶颈 急需技术革新的 另一个因素则是由于传统的解决方案并不十分理想 传统的方案是 按层划分 的控制体系通常都由几个辅助系统所组成 周期系统 即实际控制任务 现 场总线系统 I O系统中的本地扩展总线或外围设备的简单本地固件周期 正常 情况下 系统响应时间是控制器周期时间的3 5倍 在现场总线系统之上的层 12 28 面 即网络控制器 中 以太网往往在某种程度上代表着技术发展的水平 该 方面目前较新的技术是驱动或I O级的应用 即过去普遍采用现场总线系统的这 些领域 这些应用类型要求系统具备良好的实时能力 适应小数据量通讯 并 且价格经济 EtherCAT可以满足这些需求 并且还可以在I O级实现因特网技术 参见图1 图 1 传统现场总线系统响应时间 目前 有许多方案力求实现以太网的实时能力 例如 CSMA CD介质存取过 程方案 即禁止高层协议访问过程 而由时间片或轮循方式所取代的一种解决 方案 另一种解决方案则是通过专用交换机精确控制时间的方式来分配以太网 包 这些方案虽然可以在某种程度上快速准确地将数据包传送给所连接的以太 网节点 但是 输出或驱动控制器重定向所需要的时间以及读取输入数据所需 要的时间都要受制于具体的实现方式 如果将单个以太网 帧用于每个设备 那么 理论上讲 其可用数据率非常 低 例如 最短的以太网帧为84字节 包括内部的包间隔IPG 如果一个驱动 器周期性地发送4字节的实际值和状态信息 并相应地同时接收4字节的命令值 和控制字信息 那么 即便是总线负荷为100 即 无限小的驱动响应时间 时 其可用数据率也只能达到4 84 4 8 如果按照10 s的平均响应时间估计 则 速率将下降到1 9 对所有发送以太网 帧到每个设备 或期望帧来自每个设备 的实时以太网方式而言 都存在这些限制 但以太网帧内部所使用的协议则是 例外 2 2 EtherCAT 运行原理运行原理 EtherCAT技术突破了其他以太网解决方案的系统限制 通过该项技术 无 需接收以太网数据包 将其解码 之后再将过程数据复制到各个设备 EtherCAT从站设备在报文经过其节点时读取相应的编址数据 同样 输入数据 也是在报文经过时插入至报文中 参见图2 整个过程中 报文只有几纳秒的 时间延迟 13 28 图2 过程数据插入至报文中 由于发送和接收的以太网帧压缩了大量的设备数据 所以有效数据率可达 90 以上 100 Mb s TX的全双工特性完全得以利用 因此 有效数据率可 大于 100 Mb s 即大于2 x 100 Mb s的90 参见图3 图3 带宽利用率的比较 符合IEEE 802 3标准的以太网协议无需附加任何总线即可访问各个设备 耦合设备中的物理层可以将双绞线或光纤转换为LVDS 一种可供选择的以太网 物理层标准 4 5 以满足电子端子块等模块化设备的需求 这样 就可以非 常经济地对模块化设备进行扩展了 之后 便可以如普通以太网一样 随时进 行从底板物理层LVDS到100 Mb s TX物理层的转换 14 28 2 3 EtherCAT 技术特征技术特征 2 3 1 协议协议 EtherCAT是用于过程数据的优化协议 凭借特殊的以太网类型 它可以在 以太网帧内直接传送 EtherCAT帧可包括几个EtherCAT报文 每个报文都服务 于一块逻辑过程映像区的特定内存区域 该区域最大可达4GB字节 数据顺序不 依赖于网络中以太网端子的物理顺序 可任意编址 从站之间的广播 多播和 通讯均得以实现 当需要实现最佳性能 且要求EtherCAT组件和控制器在同一 子网操作时 则直接以太网帧传输就将派上用场 然而 EtherCAT不仅限于单个子网的应用 EtherCAT UDP将EtherCAT协议 封装为UDP IP数据报文 参见图4 这就意味着 任何以太网协议堆栈的控制 均可编址到EtherCAT系统之中 甚至通讯还可以通过路由器跨接到其它子网中 显然 在这种变体结构中 系统性能取决于控制的实时特性和以太网协议的实 现方式 因为UDP数据报文仅在第一个站才完成解包 所以EtherCAT网络自身的 响应时间基本不受影响 图 4 EtherCAT 符合 IEEE 802 3 3 的标准帧 另外 根据主 从数据交换原理 EtherCAT也非常适合控制器之间 主 从 的通讯 自由编址的网络变量可用于过程数据以及参数 诊断 编程和各种远 程控制服务 满足广泛的应用需求 主站 从站与主站 主站之间的数据通讯接 口也相同 从站到从站的通讯则有两种机制以供选择 一种机制是 上游设备和下游 设备可以在同一周期内实现通讯 速度非常快 由于这种方法与拓扑结构相关 因此适用于由设备架构设计所决定的从站到从站的通讯 如打印或包装应用等 而对于自由配置的从站到从站的通讯 则可以采用第二种机制 数据通过主站 进行中继 这种机制需要两个周期才能完成 但由于EtherCAT的性能非常卓越 因此该过程耗时仍然快于采用其他方法所耗费的时间 EtherCAT仅使用标准的以太网帧 无任何压缩 因此 EtherCAT 以太网帧 可以通过任何以太网MAC发送 并可以使用标准工具 如 监视器 15 28 2 3 2 帧结构帧结构 EtherCAT以标准以太网技术为基础 在MAC 媒体访问层 增加了一个确定性 调度的软件层 实现了通信周期内的数据帧的传输 EtherCAT采用标准的 IEEE802 3以太网帧 帧结构如图5 各部分含义见表1 图5 EtherCAT帧结构 表1 帧结构定义 名称含义 目的地址接收方MAC地址 源地址发送方MAC地址 以太类型 0 x88A4 EtherCAT头 长度数据区长度 即子报文长度加和 EtherCAT头 类型1 代表与从站通信 其余保留 CRC 循环冗余校验和 一个EtherCAT帧中可以包含若干个EtherCAT子报文 报文结构如图6 各部 分含义见表2 每个报文都服务于一块逻辑过程映像区的特定内存区域 由 FMMU Fieldbus Memory Management Unit 负责逻辑地址与物理地址的映射 寄 存器和SM Sync Manager 负责对通信数据内存的读写 寄存器定义 该区域最 大可达4GB字节 EtherCAT报文由一个16位的WKC结束 其数据区最大长度可达 1486个字节 在报文头中由8位命令区数据决定主站对从站的寻址方式 图6 子报文的帧结构 16 28 表2 子报文的帧结构含义 名称含义 命令寻址方式及读写方式 索引号帧编码代号 子报文地址从站地址 长度报文数据区长度 M 此报文后是否还有报文 状态位中断到来标志 数据区子报文数据结构 用户定义 WKC Working count工作计数器 报文寻址次数 2 3 3 拓扑拓扑 EtherCAT几乎支持任何拓扑类型 包括线型 树型 星型等 参见图7 通过现场总线而得名的总线结构或线型结构也可用于以太网 并且不受限于级 联交换机或集线器的数量 图7 灵活的拓扑结构 线型 树型或星型拓扑 最有效的系统连线方法是对线型 分支或树叉结构进行拓扑组合 因为所 需接口在I O 模块等很多设备中都已存在 所以无需附加交换机 当然 仍然 可以使用传统的 基于以太网的星型拓扑结构 还可以选择不同的电缆以提升连线的灵活性 灵活 经济的标准超五类以 太网电缆可采用100BASE TX模式传送信号 塑封光纤 PFO 则可用于特殊应用 场合 还可通过交换机或介质转换器实现不同以太网连线 如 不同的光纤和 铜电缆 的完整组合 快速以太网的物理层 100BASE TX 允许两个设备之间的最大电缆长度为 100米 由于连接的设备数量可高达65535 因此 网络的容量几乎没有限制 17 28 2 3 4 分布时钟分布时钟 精确同步对于同时动作的分布式过程而言尤为重要 例如 几个伺服轴同 时执行协调运动时 便是如此 最有效的同步方法是精确排列分布时钟 IEEE 1588标准 6 与完全同步 通讯中通讯出现故障会立刻影响同步品质的情况相比 分布排列的时钟对于通 讯系统中可能存在的相关故障延迟具有极好的容错性 采用EtherCAT 数据交换就完全基于纯硬件机制 由于通讯采用了逻辑环 结构 借助于全双工快速以太网的物理层 主站时钟可以简单 精确地确定 各个从站时钟传播的延迟偏移 反之亦然 分布时钟均基于该值进行调整 这 意味着可以在网络范围内使用非常精确的 小于1 微秒的 确定性的同步误差 时间基 参见图8 而跨接工厂等外部同步则可以基于IEEE 1588 标准 图 8 同步性与一致性 相距电缆长度为有 120 米的两个分布系统 带有 300 个节点的示波器比较 此外 高分辨率的分布时钟不仅可以用于同步 还可以提供数据采集的本 地时间精确信息 当采样时间非常短暂时 即使是出现一个很小的位置测量瞬 时同步偏差 也会导致速度计算出现较大的阶跃变化 例如 运动控制器通过 顺序检测的位置计算速度便是如此 而在EtherCAT中 引入时间戳数据类型作 为一个逻辑扩展 以太网所提供的巨大带宽使得高分辨率的系统时间得以与测 量值进行链接 这样 速度的精确计算就不再受到通讯系统的同步误差值影响 其精度要高于基于自由同步误差的通讯测量技术 2 3 5 实时性实时性 EtherCAT使网络性能达到了一个新境界 借助于从站硬件集成和网络控制 器主站的直接内存存取 整个协议的处理过程都在硬件中得以实现 因此 完 全独立于协议堆栈的实时运行系统 CPU 性能或软件实现方式 1000个I O的更 18 28 新时间只需30 s 其中还包括I O周期时间 参见图9 单个以太网帧最多可 进行1486字节的过程数据交换 几乎相当于12000个数字输入和输出 而传送这 些数据耗时仅为300 s 图9 EtherCAT性能概貌 100个伺服轴的通讯也非常快速 可在每100 s中更新带有命令值和控制数 据的所有轴的实际位置及状态 分布时钟技术使轴的同步偏差小于1微秒 而即 使是在保证这种性能的情况下 带宽仍足以实现异步通讯 如TCP IP 下载参 数或上载诊断数据 超高性能的EtherCAT技术可以实现传统的现场总线系统无法迄及的控制理 念 EtherCAT使通讯技术和现代工业PC所具有的超强计算能力相适应 总线系 统不再是控制理念的瓶颈 分布式I O可能比大多数本地I O接口运行速度更快 EtherCAT技术原理具有可塑性 并不束缚于100 M bps的通讯速率 甚至有可能 扩展为1000 M bps的以太网 2 3 6 故障诊断故障诊断 现场总线系统的实际应用经验表明 有效性和试运行时间关键取决于诊断 能力 只有快速而准确地检测出故障 并明确标明其所在位置 才能快速排除 故障 因此 在EtherCAT的研发过程中 特别注重强化诊断特征 试运行期间 驱动或I O 端子等节点的实际配置需要与指定的配置进行匹 配性检查 拓扑结构也需要与配置相匹配 由于整合的拓扑识别过程已延伸至 各个端子 因此 这种检查不仅可以在系统启动期间进行 也可以在网络自动 读取时进行 配置上载 可以通过评估CRC校验 有效检测出数据传送期间的位故障 32 位CRC多 项式的最小汉明距为4 除断线检测和定位之外 EtherCAT系统的协议 物理层 和拓扑结构还可以对各个传输段分别进行品质监视 与错误计数器关联的自动 评估还可以对关键的网络段进行精确定位 此外 对于电磁干扰 连接器破损 或电缆损坏等一些渐变或突变的错误源而言 即便它们尚未过度应变到网络自 恢复能力的范围 也可对其进行检测与定位 19 28 2 3 7 可靠性可靠性 选择冗余电缆可以满足快速增长的系统可靠性需求 以保证设备更换时不 会导致网络瘫痪 您可以很经济地增加冗余特性 仅需在主站设备端增加使用 一个标准的以太网端口 无需专用网卡或接口 并将单一的电缆从总线型拓扑 结构转变为环型拓扑结构即可 如图10所示 当设备或电缆发生故障时 也仅 需一个周期即可完成切换 因此 即使是针对运动控制要求的应用 电缆出现 故障时也不会有任何问题 图10 带标准从站的低耗费电缆冗余 2 3 8 安全性安全性 不管是使用硬件还是使用专用的安全总线系统 传统观念总是认为 自动 化网络应与安全功能相分离 但EtherCAT所实现的安全功能可以在同一网络中 将安全相关的通讯和控制通讯融合为一体 安全协议基于EtherCAT应用层 不 受低层协议的影响 并遵循IEC61508 标准认证 满足安全集成级 SIL 4的要 求 数据长度可以变化的 因此该协议既完全适合于安全 I O 数据 也适合于 安全驱动技术 和其它EtherCAT数据一样 安全数据可以通过无安全功能的路 由器或网关实现路由 2 3 9 EtherCAT 实现实现 CANopen CoE CANopen设备和应用行规广泛用于多种设备类别和应用 如I O组件 驱动 编码器 比例阀 液压控制器 以及用于塑料或纺织行业的应用行规等 EtherCAT可以提供与CANopen机制 7 相同的通讯机制 包括对象字典 PDO 过 程数据对象 SDO 服务数据对象 甚至于网络管理 因此 在已经安装了 CANopen的设备中 仅需稍加变动即可轻松实现EtherCAT 绝大部分的CANopen 固件都得以重复利用 并且 可以选择性地扩展对象 以便利用EtherCAT所提 供的巨大带宽 20 28 2 3 10 EtherCAT 实现伺服驱动 实现伺服驱动 SoE SERCOS interfaceTM是全球公认的 用于高性能实时运行系统的通讯接口 尤其适用于运动控制的应用场合 用于伺服驱动和通讯技术的SERCOS框架属于 IEC 61491标准 8 的范畴 该伺服驱动框架可以轻松地映射到 EtherCAT中 嵌入于驱动中的服务通道 全部参数存取以及功能都基于EtherCAT邮箱 参见 图11 在此 关注焦点还是EtherCAT与现有协议的兼容性 IDN的存取值 属 性 名称 单位等 以及与数据长度限制相关的扩展性 过程数据 即形式为 AT和MDT的SERCOS数据 都使用EtherCAT从站控制器机制进行传送 其映射与 SERCOS映射相似 并且 EtherCAT从站的设备状态也可以非常容易地映射为 SERCOS协议状态 图11 同时并存的多个设备行规和协议 2 3 11 EtherCAT 实现以太网 实现以太网 EoE EtherCAT技术不仅完全兼容以太网 而且在 设计 之初就具备良好的开 放性特征 该协议可以在相同的物理层网络中包容其它基于以太网的服务和 协议 通常可将其性能损失降到最小 对以太网的设备类型没有限制 设备可 通过交换机端口在EtherCAT段内进行连接 以太网帧通过EtherCAT协议开通隧 道 这也正是VPN PPPoE DSL 等因特网应用所普遍采取的方法 EtherCAT 网络对以太网设备而言是完全透明的 其实时特性也不会发生畸变 参见图12 21 28 图12 对所有以太网协议完全透明 EtherCAT设备可以包容其它的以太网协议 因此具备标准以太网设备的一 切特性 主站的作用与第2层交换机所起的作用一样 可按照编址信息将以太网 帧重新定向到相应的设备 因此 集成万维网服务器 电子邮件和FTP 传送等 所有的因特网技术都可以在EtherCAT的环境中得以应用 2 3 12 EtherCAT 实现文件读取 实现文件读取 FoE 这种简单的协议与TFTP类似 允许存取设备中的任何数据结构 因此 无 论设备是否支持TCP IP 都有可能将标准化固件上载到设备上 2 4 EtherCAT 成本成本 由于EtherCAT无需集线器和交换机 因此 在环境条件允许的情况下 可 以节省电源 安装费用等设备方面的投资 只需使用标准的以太网电缆和价格 低廉的标准连接器即可 如果环境条件有特殊要求 则可以依照IEC标准 使用 增强密封保护等级的连接器 2 5 EtherCAT 实施实施 EtherCAT技术是面向经济的设备而开发的 如I O 端子 传感器和嵌入式 控制器等 EtherCAT使用遵循IEEE802 3标准的以太网帧 这些帧由主站设备发 送 从站设备只是在以太网帧经过其所在位置时才提取和 或插入数据 因此 EtherCAT 使用标准的以太网MAC 这正是其在主站设备方面智能化的表现 同 样 EtherCAT在从站控制器中使用专用芯片 这也是其在从站设备方面智能化 的表现 无论本地处理能力是否强大或软件品质好坏与否 专用芯片均可在 硬件中处理过程数据协议 并提供最佳实时性能 22 28 2 5 1 主站主站 EtherCAT可以在单个以太网帧中最多实现1486字节的分布式过程数据通讯 其它解决方案一般是 主站设备需要在每个网络周期中为各个节点处理 发送 和接收帧 而EtherCAT系统与此不同之处在于 在通常情况下 每周期仅需要 一个或两个帧即可完成所有节点的全部通讯 因此 EtherCAT主站不需要专用 的通讯处理器 主站功能几乎不会给主机CPU带来任何负担 轻松处理这些任务 的同时 还可以处理应用程序 因此EtherCAT 无需使用昂贵的专用有源插接卡 只需使用无源的NIC卡或主板集成的以太网MAC设备即可 EtherCAT主站很容易 实现 尤其适用于中小规模的控制系统和有明确规定的应用场合 例如 如果某个单个过程映像的PLC没有超过1486 字节 那么在其周期时 间内循环发送这个以太网帧就足够了 因为报文头运行时不会发生变化 所以 只需将常数报文头插入到过程映像中 并将结果传送到以太网控制器即可 EtherCAT映射不是在主站产生 而是在从站产生 外围设备将数据插入所 经以太网帧的相应位置 因此 此时过程映像已经完成排序 该特性进一步减 轻了主机CPU的负担 可以看到 EtherCAT主站完全在主机CPU中采用软件方式 实现 相比之下 传统的慢速现场总线系统通过有源插接卡方可实现主站的方 式则要占用更多的资源 甚至服务于DPRAM的有源卡本身也将占用可观的主机资 源 系统配置工具 通过生产商获取 可提供包括相应的标准 XML 格式启动顺 序在内的网络和设备参数 图 13 主站实施的单个过程映像 2 5 2 主站实施主站实施 可通过生产商获取主站代码 实现服务和技术支持 可用于多种硬件平台 与操作系统 另一种EtherCAT主站的实现方式是使用样本代码 花费不高 软 件以源代码形式提供 包括所有的EtherCAT主站功能 甚至还包括 EoE EtherCAT实现以太网 功能 开发人员只要把这些应用于Windows环境的 代码与目标硬件及所使用的RT