EtherCAT技术介绍的资料

EtherCAT技术介绍的资料第1页/共75页2EtherCAT–用于控制和自动化技术的以太网第2页/共75页3EtherCAT是以太网现场总线!EtherCAT是直达I/O级的实时以太网。再也无须下挂子系统没有网关延时输出输出,传感器，驱动器，显示单元:

所有设备位于同一个总线上。第3页/共75页4EtherCAT：更快传输速率:2x100Mbaud(全双工)刷新时间:256开关量I/O：11µs1000开关量I/O

分布于100节点：30µs=0.03ms200模拟量I/O(16位)：50µs,20kHz采样频率100伺服轴(每8字节IN+OUT)：

100µs=0.1ms12000开关量

I/O：

350µs第4页/共75页5EtherCAT：更快!I/O和驱动使用的以太网带宽Ethernetheaderdata:≥46字节CRCI/O请求及输出数据datapayload:

e.g.2bit…6byte4字节22字节IPG12字节I/O输入数据及响应Ethernetheaderdata:≥46字节CRCIPG节点响应时间以太网帧:≥84字节

(incl.preamble+IPGInterPacketGap)每个节点4输入字节+4输出字节:4,75%

应用程序数据率at0µs每节点响应时间1,9%

应用程序数据率at10µs每节点响应时间第5页/共75页6EtherCAT：更快!带宽使用比较:每节点4字节用户数据:polling/timeslicing:

ca.2.5%广播

(master→slaves)

ca.20…30%每节点2数据位的用户数据:EtherCAT:80…97%第6页/共75页7实用原则:以太网“飞一般”通过绝对寻址，实现最小的协议头DVIIPC....优势:专门针对分布式I/O的优化报文结构完全的硬件通讯:最好的性能若网络中只有EtherCat设备，则无须交换机显著的诊断功能以太网兼容的维护性能第7页/共75页8实用原则:以太网“飞一般”可使用标准交换机通过交换机:

一个Mac地址可访问多达65535个节点(可选!)SwitchDVIIPC....第8页/共75页9实用原则:以太网“飞一般”„飞一般“的运算，节约时间数据在报文传送期间可以修改或添加，而无需堆栈、缓存或分解/组合。每个节点最小的报文延时最佳性能vomMastertoMasterfrom

Master第9页/共75页10EtherCAT性能40轴(每轴6字节输入/输出数据)50I/O站，总共560个EtherCAT总线端子2000数字量+200模拟量I/O,总线长度500mEtherCAT性能:循环时间230µs

at33%总线负载,报文长度77µs比较:

1个CAN帧(8字节过程数据)，在总线速率500kBit/s时:250µs第10页/共75页11EtherCAT性能*Source:EthernetPowerlinkSpecV2.0,App.340轴(每轴6字节输入/输出数据)50I/O站，总共560个EtherCAT总线端子2000数字量+200模拟量I/O,总线长度500mEtherCAT性能:循环时间230µs

at33%总线负载,报文长度77µs比较:ProfinetIRT763µs,PowerlinkV22347µs*,ProfinetRT6355µs第11页/共75页12EtherCAT性能*Source:EthernetPowerlinkSpecV2.0,App.340轴(每轴20字节输入/输出数据)50I/O站，总共560个EtherCAT总线端子2000数字量+200模拟量I/O,总线长度500mEtherCAT性能:循环时间276µs

at44%总线负载,报文长度122µs比较:ProfinetIRT763µs,PowerlinkV22347µs*,ProfinetRT6355µs56%保留带宽,e.g.forTCP/IP0%保留带宽第12页/共75页13CycleTime

50µs=0,05ms报文Time:7µsgrid

0,02msOutputswitches@EndofFrameEtherCAT性能第13页/共75页14„慢“的控制系统同样受益现有现场总线I/O的系统结构buscyclebuscyclebuscyclebuscyclebuscyclebuscyclebuscycleTmpdTI/OTI/OTI/OTI/OTI/OTI/OTI/OTI/OTI/OTI/OTI/OTI/OTI/OTI/OTI/OPLCtaskOIPLCtaskOIPLCtaskOIPLCtaskOIPLCtaskI输出最快反应时间Tmpd:主站处理延时TI/O:本地I/O刷新时间(本地扩展总线+固件)最慢反应时间输入(最好的情况)输入(最差的情况)第14页/共75页15„慢“的控制系统同样受益使用EtherCAT的系统结构TmpdTI/OTI/OTI/OTI/OTI/OTI/OTI/OTI/OTI/OTI/OTI/OTI/OTI/OTI/OTI/OPLCtaskOIPLCtaskOIPLCtaskOIPLCtaskOIPLCtaskI无需下挂总线无需要专门的主站设备buscyclebuscyclebuscyclebuscyclebuscyclebuscyclebuscycle第15页/共75页16PLCtaskOIPLCtaskOIPLCtaskOIPLCtaskOIPLCtaskI„慢“的控制系统同样受益使用EtherCAT的系统结构第16页/共75页17PLCtaskOIPLCtaskOIPLCtaskOIPLCtaskOIPLCtaskITDMA(NIC)TEtherCATcycleTDMA

(通过直接内存访问的数据传送往返以太网控制器的时间）可以忽略不计„慢“的控制系统同样受益使用EtherCAT的系统结构第17页/共75页18„慢“的控制系统同样受益使用EtherCAT的反应时间PLCtaskOIPLCtaskOIPLCtaskOIPLCtaskOIPLCtaskI输入(最差情况)输出最差情况下反应时间输入(最佳情况)最佳情况反应时间明显降低–——同样的控制器性能再也没有下挂本地I/O循环和总线扩展延时得益于极其简单的协议，系统无需专门的主站第18页/共75页19„慢“的控制系统同样受益EtherCAT提高了系统性能无需要改变CPU，反应速度加倍第19页/共75页20现场总线:需要在控制系统中映射传统的现场总线系统生成一个物理的过程映像区物理的过程映像区必须映射到逻辑过程映像区控制系统,e.g.IPC现场总线扫描器/

主站逻辑过程映像区PLCdatadatanNCdataDPRAMnode1node2node3node4node1node2node3node4映射第20页/共75页21控制系统,e.g.IPC现场总线扫描器/

主站现场总线:需要在控制系统中映射一个控制系统的应用项目只能使用一个的过程映像还需保存过程数据的映射关系。逻辑过程映像区processdataDPRAMnode1node2node3node4node1node2node3node4映射第21页/共75页22EtherCAT:映射关系移至从站设备逻辑过程映像:多达4G字节0232报文结构EthernetHDRHDR1PLCdataHDR2NCdataHDRndatanCRCPLCdatadatanNCdataSub

报文1Sub

报文2Sub

报文nDVIIPC....控制系统解放出来,主站变得非常简单根据应用的需要传送数据：非常迅速，灵活，高效第22页/共75页23直接内存访问节约时间现场总线卡:

多达30%的CPU时间用于数据复制EtherCAT:

NIC是PCI总线主站,数据由DMA提供,直接放到PC内存:

CPU减负

更高的性能PCRAMPCRAM使用现场总线卡的PCControl

PCI

busScannercard,DPRAMCPU使用EtherCAT的PCControlNICcard,DMAtransfercontroltaskmemcopycontroltaskDMACPUPCI

bus第23页/共75页24EtherCAT传送延时的测量(I)测量EtherCAT节点数据帧发出和返回之间的时间差vomMasterEtherCATframe第24页/共75页25EtherCAT传送延时的测量(II)可计算任意节点间的传送延时DVIIPC....第25页/共75页26EtherCAT分布时钟精确同步(<<1µs!)，通过分布时钟的精确调整来实现！MSSSSSSSS∆tDVIIPC....第26页/共75页27EtherCAT分布时钟使用SCOPEVIEW长期观察两个独立设备——300个节点，节点间电缆长度120米，jitter:~+/-20nssimultaneousness:~15ns第27页/共75页28EtherCAT使用标准的帧:IEEE802.3

可选择UDP/IP(如果需要IP路由)

无缩短帧EtherCAT是工业以太网!MTU:max.1514bytesourcedestinationheaderEthertype…CRC16bit16bit48bit48bit32bitEthernetH.IPheaderUDPH.header内嵌标准以太网帧w.EtherType88A4hOr:viaUDP/IPwithUDPport88A4htyperes.length…CRC1bit4bit11bit160bit64bit01112151..nEtherCAT

commands第28页/共75页29EtherCAT设备EtherCAT是工业以太网!对TCP/IP完全透明

可使用所以英特网技术:HTTP,FTP,…无需严格的实时能力EthernetPHYEtherCATMAC/DLLprocessdatamailboxEthernetPHYIPTCPUDPEthernet

应用acyclic

data实时应用标准的TCP/IPstack第29页/共75页30EtherCAT是工业以太网!任何以太网设备均可连接到交换机的端口使用标准浏览器访问WebServerDVIIPC....虚拟以太网交换机功能交换机端口webserver第30页/共75页31EtherCAT是工业以太网!虚拟以太网交换机可路由任何以太网帧可从以太网段的内部及外部路由DVIIPC....交换机端口SwitchSwitch虚拟以太网交换机功能第31页/共75页32垂直统一管理(I)可使用任何以太网协议只需要一个以太网口(在IPC/控制器端)但是:经过交换机，性能会有所降低(并出现通常的以太网冲突)DVIIPC....Switch...经交换机第32页/共75页33垂直统一管理(II)可使用任何以太网协议只需要一个以太网口(在IPC/控制器端)EtherCAT性能不受影响DVIIPC....Switch经过交换机端口端子第33页/共75页34垂直统一管理(III)可使用任何以太网协议只需要第二个以太网口(在IPC/控制器端，e.g.FC9002)EtherCAT性能不受影响...经过第二个以太网口DVIIPC....Switch第34页/共75页35外部时钟同步:IEEE1588交换机端口使用集成的IEEE1588boundaryclockMSSSSSSSSDVIIPC....IEEE1588

grandmaster

clockboundary

clock第35页/共75页36EtherCAT布线更为灵活标准的以太网结构:星型不理想–此装置用于演示目的;-)第36页/共75页37EtherCAT布线更为灵活线型拓普:无论多少节点都可以一条线串接起来DVIIPC....最多65535个节点第37页/共75页38EtherCAT布线更为灵活电信号:100baseTXandE-busDVIIPC....Etherneton100baseTx物理层:100m以内,withtransformercouplingEtherneton

E-bus物理层:10m以内E-bus:

低压差信号(LVDS)符合

ANSI/TIA/EIA-644用IEEE802.3ae标准允许任意数量的物理层改动第38页/共75页39EtherCAT布线更为灵活DVIIPC....电缆:标准的CAT5电缆，无交叉拓普型式:„菊花链“第39页/共75页40EtherCAT布线更为灵活拓普型式:带分支„菊花链“DVIIPC....电缆:标准的CAT5电缆，无交叉第40页/共75页41EtherCAT布线更为灵活灵活的树型结构–可任意扩展电缆:标准的CAT5电缆，无交叉DVIIPC....第41页/共75页42EtherCAT代替PCI保护你的投资:现有总线系统的无缝集成过程映像区的刷新时间，经

PCI(500字节输入/输出数据):400µs过程映像区的刷新时间，经

EtherCAT(1500字节输入/输出数据):150µs第42页/共75页43EtherCAT代替PCI不再在控制系统（IPC或PLC）中要求占一个槽然而却具备最大限度的扩展性EtherCAT第43页/共75页44EtherCAT配置容易！地址:无需要手动设置地址地址可以自动分配地址可保持–新加入节点后，不会改变原节点的地址第44页/共75页45EtherCAT配置容易！拓普结构:自动拓普目标/实际对比诊断:精确定位诊断网络规划:性能独立于:从站实例拓普结构(无交换机/集线器)第45页/共75页46EtherCAT成本更低！主站:减少了硬件，带来以下好处:主板集成的以太网控制器实现实时功能，不需要通讯协处理器没有特殊的插入卡,主板集成的以太网口已足够所以:在主站端，有明显的成本优势第46页/共75页47EtherCAT成本更低！从站:价廉物美的EtherCAT从站控制器实现通讯功能对于简单的设备:不需要µC实时特征普遍独立于µC性能和堆栈处理时间所以:在从站端，也有明显的成本优势第47页/共75页48EtherCAT成本更低！底层结构:标准的以太网电缆和连接器没有交换机和集线器所以:在底层结构上，也有明显的成本优势第48页/共75页49EtherCAT成本更低！实现/工具:标准网络监视工具:MicrosoftorEtherReal剖析软件:免费不要求高分辨率的时间分析器开发工具:430€-含从站样品代码主站样品代码:1000€所以:入门成本低，实现成本低第49页/共75页50EtherCAT更易实现！从站:开发工具，含样品代码(源代码)所有时间性严格的功能都在ASIC或FPGA上实现EtherCATstampProgrammerforFPGAPICprogram&debuginterfacePowersupplyPDIselectorSSIPICoverSSI32bitparallelinterface8/16bitµCinterfaceBasicboardEL9800第50页/共75页51EtherCAT更易实现！主站:主站样品源代码EtherCAT配置工具XML数据格式Devicedescription(XML)SystemconfigurationtoolNetworkdescriptionincl.boot-Up

(XML)Process

imagedescription(XML)EtherCATmasterControltaskStandardEthernetMACHDRProcessdata第51页/共75页52EtherCAT更易实现！示例:主站仅含一个过程映像:典型用于只有一个控制任务的小型控制器多达1486字节过程数据过程数据头通讯保持不变可用最少的工作实现主站不要求独立的通讯处理器(e.g.插入式板卡)比现有的总线系统简单得多比工业以太网的实现方式简单得多…constantheadercompletelysorted(mapped)

processdataPadding字节andCRCgeneratedbyEthernetcontroller(MAC)DASATypeFrame

HDREtherCAT

HDR

DataEthernetheaderEtherCAT报文ECAT(6)(6)(2)(2)(10)(0….1486)CTRWorking

counter:

constantFCSEthernet(4)Pad.(0…32)(2)第52页/共75页53EtherCAT发展良好目前已有成系列的产品售出的节点数比以下总线更多

PROFINETIRT,

PowerlinkVersion2

andSERCOSIIIalltogether…第53页/共75页54EtherCAT发展良好QuoteSchuler公司:该系统使我们，在Schuler集团现在使用的所有应用中，实现了快速驱动和液压控制，另一个重要的因素是,因为EtherCAT的良好性能，我们还有足够的潜力在将来解决复杂的控制任务，而不会出现速度问题第54页/共75页55EtherCAT使用完善的设备模型EtherCAT设备EtherCAT从站控制器ProcessDataMailboxEthernet物理层IPTCPUDPFileAccessEthernetServiceChannelIDNSDOObjectDictionaryPDO

Map-

pingAT

MDTFoEEoESoECoECoE/SoEFileSystem,

BootloaderHTTP,FTP,…Servodrive

(IEC61491*)

ApplikationCANopen(EN50325-4)

ApplicationProcessData*IEC61491是SERCOS标准.SERCOSinterface™isIGSe.V.的一个商标。第55页/共75页56EtherCAT是一种开放的技术！协议完全开放:EtherCATisIEC规范(IEC/PAS62407)正在投票成为ISO15745-4标准已有可用的从站控制器从站控制器提供协同工作的能力传递途径上第二个从站源控制器第56页/共75页57EtherCAT是一种开放的技术！建立:2003年11月任务:支持，发展和促进EtherCAT已有超过175个成员公司，分别来自欧洲，北美和亚太地区

：设备制造商最终用户提供提供商ETG是世界上最大的工业以太网组织所有人均可申请成为其成员第57页/共75页58EtherCAT是一种开放的技术！IEC管理委员会已批准ETG组织和IECSC65CWG11/12/13(SC65C:数字通讯）的联络关系第58页/共75页59EtherCAT技术组成员第59页/共75页602005汉诺威展会

ETG联合展台参展商第60页/共75页61EtherCAT产品(部分)**someavailable,someannounced第61页/共75页62EtherCAT是一种开放的技术2004年3月ETG成员集会第62页/共75页63EtherCAT是一种开放的技术2004年3月ETG成员集会第63页/共75页64EtherCAT是一种开放的技术2004