EtherCAT 技术介绍.ppt

1、EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology,1,EtherCAT: 介绍,Beckhoff 工业PC,Beckhoff 驱动技术,Beckhoff Lightbus,Beckhoff TwinCAT,Beckhoff 总线端子,Beckhoff 现场总线端子盒,Beckhoff 嵌入式控制器,Beckhoff PC总线卡，交换机,Beckhoff EtherCAT,EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology,2,EtherCAT 用于控制和自动化技术的以太网,EtherCAT: Ethe

2、rnet Control Automation Technology,3,EtherCAT 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。,EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology,4,EtherCAT ：更快,传输速率: 2 x 100 Mbaud (全双工) 刷新时间: 256 开关量 I/O ：11 s 1000 开关量 I/O 分布于 100 节点 ：30 s = 0.03 ms 200 模拟量 I/O (16

3、 位) ：50 s, 20 kHz 采样频率 100 伺服轴 (每 8 字节 IN+OUT) ： 100 s = 0.1 ms 12000 开关量 I/O ： 350 s,EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology,5,EtherCAT ：更快!,I/O和驱动使用的以太网带宽,Ethernet header,data: 46 字节,CRC,I/O,请求及输出数据,4 字节,22 字节,IPG,12 字节,以太网帧: 84 字节(incl. preamble + IPG Inter Packet Gap),每个节点 4 输入字节+ 4输出字节

4、: 4,75% 应用程序数据率 at 0 s 每节点响应时间 1,9% 应用程序数据率 at 10 s 每节点响应时间,EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology,6,EtherCAT ：更快!,带宽使用比较: 每节点4字节用户数据: polling/time slicing: ca. 2.5% 广播(master slaves) ca. 2030% 每节点2数据位的用户数据: EtherCAT: 8097%,EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology,7,实用原则: 以太网 “飞一般”

5、,通过绝对寻址，实现最小的协议头,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,EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology,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!),EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology,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

6、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,vom Master,to Master,from Master,EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology,10,EtherCAT 性能,40 轴 (每轴6字节输入/ 输出数据) 50 I/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 500 m EtherCAT性能 : 循环时间 230s at 33% 总线负载, 报文长度 77s 比较: 1 个CAN 帧 (8 字节过程数据)，在总线速率 500

7、kBit/s时: 250s,EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology,11,EtherCAT性能,* Source: Ethernet Powerlink Spec V 2.0, App.3,40 轴 (每轴6字节输入/ 输出数据) 50 I/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 500 m EtherCAT性能 : 循环时间 230s at 33% 总线负载, 报文长度 77s 比较: Profinet IRT 763 s, Powerlink V2 2347s*, P

8、rofinet RT 6355 s,EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology,12,EtherCAT性能,* Source: Ethernet Powerlink Spec V 2.0, App.3,40 轴 (每轴20字节输入/ 输出数据) 50 I/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 500 m EtherCAT性能 : 循环时间 276s at 44% 总线负载, 报文长度 122s 比较: Profinet IRT 763 s, Powerlink V2 234

9、7s*, Profinet RT 6355 s,56%保留带宽, e.g. for TCP/IP,0%保留带宽,EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology,13,Cycle Time50 s = 0,05 ms,报文 Time: 7s,grid0,02 ms,Output switches End of Frame,EtherCAT 性能,EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology,14,慢“的控制系统同样受益,现有现场总线I/O的系统结构,输出,最快反应时间,Tmpd: 主站处理延时

10、TI/O: 本地I/O刷新时间(本地扩展总线+固件),最慢反应时间,EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology,15,慢“的控制系统同样受益,使用EtherCAT的系统结构,无需下挂总线,无需要专门的主站设备,bus cycle,bus cycle,bus cycle,bus cycle,bus cycle,bus cycle,bus cycle,EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology,16,慢“的控制系统同样受益,使用EtherCAT的系统结构,EtherCAT: Ethernet

11、 Control Automation Technology,17,TDMA (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,EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology,18,慢“的控制系统同样受益,使用 EtherCAT的反应时间,输入,(最差情况),输出,最差情况下 反应时间,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,EtherCAT: Ethernet Control Au

12、tomation Technology,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,EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology,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,PLC data,data n,NC data,DPRAM,node 1,node 2,node 3,node 4,映射,EtherCAT: Ethernet Contr

13、ol Automation Technology,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,process data,DPRAM,node 1,node 2,node 3,node 4,node 1,node 2,node 3,node 4,映射,EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology,22,EtherCAT: 映射关系移至从站设备,逻辑过程映像: 多达4G字节,0,232,报文结构,Ether

14、net HDR,HDR 1,PLC data,HDR 2,NC data,HDR n,data n,CRC,PLC data,data n,NC data,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,EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology,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,PC RAM,PC RAM,使用现场总线卡的PC Cont

15、rol,PCI bus,Scanner card, DP RAM,使用EtherCAT的PC Control,NIC card, DMA transfer,control task,memcopy,control task,DMA,PCI bus,EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology,24,EtherCAT 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,vom Master,EtherCAT frame,EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology,

16、25,EtherCAT 传送延时的测量(II),可计算任意节点间的传送延时,EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology,26,EtherCAT 分布时钟,精确同步 ( 1 s!) ，通过分布时钟的精确调整来实现！,EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology,27,EtherCAT 分布时钟,使用SCOPE VIEW长期观察两个独立设备300个节点，节点间电缆长度120米，,jitter: +/-20ns,simultaneousness: 15 ns,EtherCAT: Ethernet

17、 Control Automation Technology,28,EtherCAT 使用标准的帧: IEEE 802.3 可选择 UDP/IP (如果需要IP路由) 无缩短帧,EtherCAT 是工业以太网!,EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology,29,EtherCAT 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,Ethernet PHY,EtherCAT MAC / DLL,process data,mailbox,Ethernet PHY,I

18、P,TCP,UDP,Ethernet应用,acyclicdata,实时应用,标准的 TCP/IP stack,EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology,30,EtherCAT 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Web Server,虚拟以太网交换机功能,交换机端口,web server,EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology,31,EtherCAT 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,交换机端口,虚

19、拟以太网交换机功能,EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology,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),.经交换机,EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology,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,经过交换机端口端子,EtherCAT: Ethernet Control Autom

20、ation Technology,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,EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology,35,外部时钟同步: IEEE 1588,交换机端口使用集成的IEEE 1588 boundary clock,M,S,S,S,S,S,S,S,S,IEEE 1588 grandmaster clock,boundaryclock,EtherCAT: Ethernet Control

21、 Automation Technology,36,EtherCAT 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 ;-),EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology,37,EtherCAT 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,最多65535个节点,EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology,38,EtherCAT 布线更为灵活,电信号: 100 baseTX and E-bus,Ethernet on 100 baseTx 物理层: 100

22、 m以内, with transformer coupling,Ethernet on E-bus 物理层: 10 m以内,E-bus:低压差信号 (LVDS) 符合 ANSI/TIA/EIA-644 用 IEEE 802.3ae标准,允许任意数量的 物理层改动,EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology,39,EtherCAT 布线更为灵活,电缆: 标准的 CAT5 电缆，无交叉,拓普型式: 菊花链“,EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology,40,EtherCAT 布线更为灵活,拓

23、普型式: 带分支菊花链“,电缆: 标准的 CAT5 电缆，无交叉,EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology,41,EtherCAT 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,EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology,42,EtherCAT 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): 400 s 过程映像区的刷新时间，经 EtherCAT(1500 字节 输入/输出数

24、据): 150 s,EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology,43,EtherCAT 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,EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology,44,EtherCAT 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,EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology,45,EtherCAT

25、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),EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology,46,EtherCAT 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,EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology,47,EtherCAT 成本更低！,从站: 价廉物美的Eth

26、erCAT从站控制器实现通讯功能 对于简单的设备: 不需要 C 实时特征普遍独立于C 性能和堆栈处理时间 所以: 在从站端，也有明显的成本优势,EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology,48,EtherCAT 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,EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology,49,EtherCAT 成本更低！,实现/工具: 标准网络监视工具: Microsoft or EtherReal 剖析软件:

27、 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,EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology,50,EtherCAT 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,EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology,51,EtherCAT 更易实现！,主站: 主站样品源代码 EtherCAT 配置工具 XML 数据格式,EtherCAT: Ethernet

28、Control Automation Technology,52,EtherCAT 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,constant header,completely sorted (mapped) process data,Padding 字节 and CRC generated by Ethernet controller (MAC),DA,SA,Typ

29、e,Frame HDR,EtherCAT HDR,Data,Ethernet header,EtherCAT 报文,ECAT,(6),(6),(2),(2),(10),(0.1486),CTR,Workingcounter:constant,FCS,Ethernet,(4),Pad.,(032),(2),EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology,53,EtherCAT 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 PROFINET IRT, Powerlink Version 2 and SERCOS III alltoge

30、ther,EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology,54,EtherCAT 发展良好,Quote Schuler 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,EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology,55,EtherCAT 使用完善的设备模型,EtherCAT 设备,EtherCAT 从站控制器,Process Dat

31、a,Mailbox,Ethernet 物理层,IP,TCP,UDP,File Access,Ethernet,Service Channel,IDN,SDO,Object Dictionary,PDOMap-ping,ATMDT,FoE,EoE,SoE,CoE,CoE/SoE,File System,Bootloader,HTTP, FTP,Servodrive(IEC 61491*) Applikation,CANopen (EN 50325-4) Application,Process Data,*IEC 61491 是 SERCOS 标准. SERCOS interface is IGS

32、 e.V.的一个商标。,EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology,56,EtherCAT 是一种开放的技术！,协议完全开放: EtherCAT is IEC 规范 (IEC/PAS 62407) 正在投票成为ISO 15745-4 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,EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology,57,EtherCAT 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

33、 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,EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology,58,EtherCAT 是一种开放的技术！,IEC管理委员会已批准ETG组织和IEC SC65C WG 11/12/13 (SC65C: 数字通讯）的联络关系,EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology,59,EtherCAT 技术组成员,EtherCAT: Ethernet Control Aut

34、omation Technology,60,2005 汉诺威展会ETG 联合展台参展商,EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology,61,EtherCAT 产品(部分)*,*some available, some announced,EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology,62,EtherCAT 是一种开放的技术,2004年3月ETG成员集会,EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology,63,EtherCAT 是一种开放的技术,

35、2004年3月ETG成员集会,EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology,64,EtherCAT 是一种开放的技术,2004年5月ETG 技术委会会议,EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology,65,EtherCAT 是一种开放的技术,2004年7月ETG实例启动会议,EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology,66,EtherCAT: 通过系统架构,主对从 从对从 主对主,Switch,Master,Master,EtherCAT: Ethernet Co