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EtherCAT协议介绍及实现 主讲人 EtherCAT定义EtherCAT特性EtherCAT协议EtherCAT实现 随着计算机 通信 网络等信息技术的发展 信息交换的领域已经覆盖了工厂 企业乃至世界各地的市场 因此 需要建立包含从工业现场的设备层到控制层 管理层等各个层次的综合自动化网络平台 建立以工业控制网络技术为基础的企业信息化系统 工业控制网络作为一种特殊的网络 直接面向生产过程 肩负着工业生产运行一线测量与控制信息传输的特殊任务 并产生或引发物质或能量的运动和转换 因此它通常应满足强实时性 高可靠性 恶劣工业现场环境的适应性 总线供电等特殊要求和特点 现场总线技术在这种背景下 20世纪80年代产生和发展起来的现场总线技术 以全数字的通信代替4 20mA电流的模拟传输方式 使得控制系统与现场仪表之间不仅能传输生产过程测量与控制信息 而且能传输现场仪表的大量非控制信息 使得工业企业的管理控制一体化成为可能 并且促使目前的自动化仪表 DCS和可编程控制器 PLC 等产品所面临的体系结构和功能结构产生重大变革 但是 现场总线技术在其发展过程中还存在不足现有的现场总线标准过多 仅国际标准IEC61158就包含了8个类型 未能统一到单一标准上来不同总线之间不能兼容 不能实实现透明信息互访 无法实现信息的无缝集成由于现场总线是专用实时通信网络 成本较高现场总线的速度较低 支持的应用有限 不便于和Internet信息集成 以太网技术作为垄断办公自动化领域的通信技术 以其通用性好 低成本 高效率 高可靠性和稳定性等诸多优势 越来越多地得到了工控界的关注和认可 用以太网技术来实现从管理层到工业现场层贯穿一致性通信 人们习惯上将应用到工业领域以太网技术称为工业以太网 什么是工业以太网 一般来讲 工业以太网在技术上与商用以太网 即IEEE802 3标准 兼容 但在产品设计时 在材质的选用 产品的强度和适用性方面能满足工业现场的需要 即满足以下要求 环境适应性 包括机械环境适应性 如耐振动 耐冲击 气候环境适应性 工作温度要求为 40 85 至少为 20 70 并要耐腐蚀 防尘 防水 电磁环境适应性或电磁兼容性EMC应符合EN50081 2 EN50082 2标准 可靠性 工业以太网产品要适应工业控制现场的恶劣环境 安全性 在易爆或可燃的场合 工业以太网产品还需要具有防爆要求 包括隔爆 本质安全两种方式 安装方便 适应工业环境的安装要求 由于以太网采用CSMA CD的介质访问控制机制 在构建实时控制网络上比较困难 因为的介质访问控制机制有无法预见的延迟特性 网络每个节点都要通过竞争来取得信息包的发送权 节点监听信道 只有当发现信道空闲时 才能发送信息 如果信道忙碌则需要等待 信息开始发送后 还需要检查是否发生碰撞 信息如果发生碰撞 需退出重发 当实时数据与非实时数据在普通以太网上同时传输时 由于实时数据与非实时数据在源节点的竞争以及与来自其他节点的实时与非实时数据的碰撞 实时数据将有可能经历不可预见的大延时 甚至出现长时间发不出去的情况 即不确定性 以太网的整个传输体系并没有有效的措施及时发现某一节点故障而加以隔离 从而有可能使故障节点独占总线而又导致其他节点传输失效 工业控制响应的实时性问题就不能得到解决 以太网的这一缺陷使它适应于信息传输系统 而不能满足过程控制系统的要求 这是因为信息传输系统与过程控制系统在通信的要求上有很大的不同 信息传输的主要要求是速度快 过程控制系统不仅要速度决 还要求响应决 即实时性好 因此 普通以太网要应用于工业控制系统必须解决实时性和确定性的问题 这样就产生了实时以太网 实时工业以太网对比分析 实时工业太网为了达到实时性能 都采取了相应的策略解决普通太网产生的数据碰撞问题 对己有的实时工业以太网 根据其实时性的实现策略的不同 大致可分为下三种类型 如图 所示 第一种策略是基于TCP IP的实现 在应用层上作修改 这一类工业以太网仍然使用TCP IP协议 工业网络可与商用网络自由通信 但通过应用层的控制滤除商用以太网中的不确定性因素 常用的改造方法有调度法 数据峽优先级机制或使用交换式以太网等 送一类工业太网的代表有Modbus TCP和Ethernet IP 基于TCP IP实现的工业以太网协议是最早被提出的工业以太网协议 但是由于其无法完全避免商用以太网的干扰 因此只适用于对于实时性要求不高的工业控制环境 第二种策略是基于以太网的实现 在网络层和传输层上进行修改 送一类工业以太网基于标准的ISO IEC802 3中物理层和数据链路层协议 工业控制的过程数据不通过TCP IP协议传输 而是采用专用的协议完成其传输 仅当系统需要访问商用网络时才使用TCP IP 常用手段有时间片机制 这一类工业太网中比较典型的是Ethernetpowerlink EPA Ethernetforplantautomation 和profinetRT real time 第三种策略是通过修改以太网实现 基于标准的以太网物理层 为了获得更高的实时性 在数据链路层上进行改造 这一类工业以太网的从站一般采用专口硬件处理数据 使用专用的帧类型来提高工业控制数据帧的优先级 简化了通信处理过程并且避免报文冲突 其中较为典型的工业 太网有EtherCAT SERCOS 和profinetIRT IsochronousReal time 基于修改以太网实现的工业以太网可获得相应时间小于1ms的硬实时 可应用于高端自动化装备与精密制造行业 EtherCAT EthernetforControlAutomationTechnology 是一种基于以太网的开发构架的实时工业现场总线通讯协议 它于2003年被引入市场 于2007年成为国际标准 并于2014年成为中国国家标准 EtherCAT的出现为系统的实时性能和拓扑的灵活性树立了新的标准 1 EtherCAT是最快的工业以太网技术之一 同时它提供纳秒级精确同步 相对于设置了相同循环时间的其他总线系统 EtherCAT系统结构通常能减少25 30 的CPU负载 2 EtherCAT在网络拓扑结构方面没有任何限制 最多65535个节点可以组成线型 总线型 树型 星型或者任意组合的拓扑结构 3 相对于传统的现场总线系统 EtherCAT节点地址可被自动设置 无需网络调试 集成的诊断信息可以精确定位到错误 同时无需配置交换机 无需处理复杂的MAC或者IP地址 4 EtherCAT主站设备无需特殊插卡 从站设备使用可以由多个供应商提供的高集成度 低成本的芯片 5 利用分布时钟的精确校准EtherCAT提供了有效的同步解决方案 在EtherCAT中 数据交换完全基于纯粹的硬件设备 由于通讯利用了逻辑环网结构和全双工快速以太网而又有实际环网结构 主站时钟 可以简单而精确地确定对每个 从站时钟 的运行补偿 反之亦然 分布时钟基于该值进行调整 这意味着它可以在网络范围内提供信号抖动很小 非常精确的时钟 总体来说EtherCAT具有高性能 拓扑结构灵活 应用容易 低成本 高精度设备同步 可选线缆冗余和功能性安全协议 热插拔等特点 EtherCAT与OSI各层的对比如表一所示 下面我们从下到上进行介绍 在这之前 我们先了解一些信号传输的基本概念 信号的基本概念 信号是数据在传输过程中电信号的表示形式 信号分为模拟信号与数字信号两类 模拟信号的电平连续变化 数字信号的电平以脉冲变化 模拟信号与数字信号波形 数据编码技术 模拟数据编码方法 数字数据编码方法 数据通信方式 设计一个数据通信系统需要回答以下3个基本问题 串行通信与并行通信单工 半双工与全双工通信同步技术 串行通信与并行通信 单工 半双工与全双工通信 同步技术 同步是保持通信双方在时间基准上保持一致的过程 数据通信的同步包括以下两种类型 位同步 字符同步实现位同步的方法主要有两种 外同步法 内同步法实现字符同步的方法主要有两种 同步式 异步式 实现字符同步的同步传输方法 采用同步方式进行数据传输称为同步传输 同步传输将字符组织成组 以组为单位连续传送 每组字符之前加上一个或多个用于同步控制的同步字符SYN 每个数据字符内不加附加位 接收端接收到同步字符SYN后 根据SYN来确定数据字符的起始与终止 以实现同步传输的功能 异步传输 异步传输的每个字符作为一个独立的整体进行发送 字符之间的时间间隔可以是任意的 为了实现字符同步 每个字符的第一位前加1位起始位 逻辑 1 字符的最后一位后加1或2位终止位 逻辑 0 接收端必须从信号中提取出同步信息 所谓的同步信息就是数据从什么时刻开始 频率是多少 接收端根据这个频率调整采样频率 保证采样的准确性 物理层器件的构成 以太网物理层包括四个功能层和两个接口层 两个接口层为物理介质无关接口 MII 和物理介质相关接口 MDI 在MII的上层是逻辑数据链路层 DLL 而MDI的下层则直接与传输介质相连 如下图所示 物理介质无关接口 MII 物理编码 PCS 子层 物理介质连接 PMA 子层 物理介质相关 PMD 子层 自动协商 AUTONEG 物理介质相关接口 MDI EtherCATPHY Interbus物理层 EtherCATPHY数据流 Interbus数据流 我们以10M 100M以太网单端收发器芯片DP83848为例来理解物理层各子层 提问 EtherCAT协议中物理层规定如下图 使用的是曼彻斯特编码 而不是以太网中的MLT 3编码 是不是说EtherCAT不能使用以太网物理层芯片 介质无关接口MII 其中 MAC模式定义中的COL CRS信号是没有意义的 MAC与PHY之间的数据交换使用的是四位的半位元组 发送数据时 MAC从主机取一个字节 然后拆分成两个半位元组通过MII接口发送给PHY PHY再串行地发送到网络介质上 接收数据时 物理层从网络介质上接收串行的数据 然后组成四位的半位元组通过MII发送给MAC MAC再将两个半位元组组成一个完整的字节发送给主机 MII接口的时钟频率为25MHZ MII管理接口包括两根信号线 MDC和MDIO 通过它 MAC层芯片 或其它控制芯片 可以访问物理层芯片的寄存器 并通过这些寄存器来对物理层芯片进行控制和管理 MDIO管理接口如下 MDC 管理接口的时钟 它是一个非周期信号 信号的最小周期 实际是正电平时间和负电平时间之和 为400ns 最小正电平时间和负电平时间为160ns 最大的正负电平时间无限制 它与TX CLK和RX CLK无任何关系 MDIO是一根双向的数据线 用来传送MAC层的控制信息和物理层的状态信息 MDIO数据与MDC时钟同步 在MDC上升沿有效 MDIO管理接口的数据帧结构如下 PRE 帧前缀域 为32个连续 1 比特 这帧前缀域不是必要的 某些物理层芯片的MDIO操作就没有这个域 OP 帧操作码 比特 10 表示此帧为一读操作帧 比特 01 表示此帧为一写操作帧 PHYAD 物理层芯片的地址 5个比特 每个芯片都把自己的地址与这5个比特进行比较 若匹配则响应后面的操作 若不匹配 则忽略掉后面的操作 REGAD 用来选择物理层芯片的32个寄存器中的某个寄存器的地址 TA 状态转换域 若为读操作 则第一比特时MDIO为高阻态 第二比特时由物理层芯片使MDIO置 0 若为写操作 则MDIO仍由MAC层芯片控制 其连续输出 10 两个比特 在读PHY寄存器时 前半段由MAC驱动发送寄存器地址 后半段由PHY驱动回复寄