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EtherCAT总线技术简介

简介

  EtherCAT(以太网控制自动化技术)是一个以以太网为基础的开放架构的现场总线系统,EtherCAT名称中的CAT为Control Automation Technology(控制自动化技术)首字母的缩写。最初由德国倍福自动化有限公司(Beckhoff Automation GmbH) 研发。EtherCAT为系统的实时性能和拓扑的灵活性树立了新的标准,同时,它还符合甚至降低了现场总线的使用成本。EtherCAT的特点还包括高精度设备同步,可选线缆冗余,和功能性安全协议(SIL3)。

原理

  目前有多种用于提供实时功能的以太网方案:例如,通过较高级的协议层禁止CSMA/CD存取过程,并使用时间片或轮询过程来取代它。其它方案使用专用交换机,并采用精确的时间控制方式分配以太网数据包。尽管这些解决方案能够比较快和比较准确地将数据包传送到所连接的以太网节点,但带宽的利用率却很低,特别是对于典型的自动化设备,因为即使对于非常小的数据量,也必须要发送一个完整的以太网帧。而且,重新定向到输出或驱动控制器,以及读取输入数据所需的时间主要取决于执行方式。通常也需要使用一条子总线,特别是在模块化I/O系统中,这些系统与Beckhoff K-总线一样,通过同步子总线系统加快传输速度,但是这样的同步将无法避免引起通讯总线传输的延迟。


  通过采用EtherCAT技术, Beckhoff突破了其它以太网解决方案的这些系统限制:不必再像从前那样在每个连接点接收以太网数据包,然后进行解码并复制为过程数据。当帧通过每一个设备(包括底层端子设备)时,EtherCAT从站控制器读取对于该设备十分重要的数据。同样,输入数据可以在报文通过时插入至报文中。在帧被传递 (仅被延迟几位)过去的时候,从站会识别出相关命令,并进行处理。此过程是在从站控制器中通过硬件实现的,因此与协议堆栈软件的实时运行系统或处理器性能无关。网段中的最后一个EtherCAT从站将经过充分处理的报文返回,这样该报文就作为一个响应报文由第一个从站返回到主站。


  从以太网的角度看,EtherCAT总线网段只是一个可接收和发送以太网帧的大型以太网设备。但是,该“设备”不包含带下游微处理器的单个以太网控制器,而只包含大量的EtherCAT从站。与其它任何以太网一样,EtherCAT不需要通过交换机就可以建立通讯,因而产生一个纯粹的EtherCAT系统。

性能

  EtherCAT在网络性能上达到了一个新的高度。1000个分布式I/O数据的刷新周期仅为30μs,其中包括端子循环时间。通过一个以太网帧,可以交换高达1486字节的过程数据,几乎相当于12000个数字量I/O。而这一数据量的传输仅用300μs。


  与100个伺服轴的通讯只需100μs。在此期间,可以向所有轴提供设置值和控制数据,并报告它们的实际位置和状态。分布式时钟技术保证了这些轴之间的同步时间偏差小于1微秒。


  利用 EtherCAT 技术的优异性能,可以实现用传统现场总线系统所无法实现的控制方法。这样,通过总线也可以形成超高速控制回路。以前需要本地专用硬件支持的功能现在可在软件中加以映射。巨大的带宽资源使状态数据与任何数据可并行传输。EtherCAT技术使得通讯技术与现代高性能的工业PC相匹配。总线系统不再是控制理念的瓶颈。分布式I/O的数据传递超过了只能由本地I/O接口才能实现的性能。

  这种网络性能优势在有相对中等的计算能力的小型控制器中较为明显。EtherCAT的高速循环,可以在两个控制循环之间完成。因此,控制器总有可用的最新输入数据,输出编址的延迟最小。在无需增强本身计算能力的基础上,控制器的响应行为得到显著改善。

  EtherCAT技术的原理具备扩展性,不束缚于100M带宽-扩展至G兆位的以太网也是可能的。


EtherCAT 替代 PCI

  随着PC组件小型化的加速发展,工业PC的体积主要取决于所需要的插槽数目。

  高速以太网带宽以及EtherCAT通讯硬件(EtherCAT从站控制器)数据带宽的利用,开辟了新的应用可能性:通常位于IPC中的接口被转移到EtherCAT系统中的智能化接口端子上。除分散式I/O、轴和控制单元外,现场总线主站、高速串行接口、网关和其它通讯接口等复杂系统可以通过PC上的一个以太网端口进行寻址。甚至对无协议变体限制的其它以太网设备也可通过分布式交换机端子进行连接。工业PC主机体积越来越小,成本也越来越低,一个以太网接口足以应对所有的通讯任务。

  用以太网代替PCI现场总线设备(PROFIBUS、CANopen、DeviceNet、AS-i等)通过分布式现场总线主站端子进行集成。不使用现场总线主站节省了PC中的PCI插槽。

总线拓扑结构

  总线形、树形或星型:EtherCAT支持几乎所有拓扑结构。因此,源于现场总线的总线形结构也可用于以太网。将总线和分支结构相结合特别有助于系统布线。所有接口都位于耦合器上,无需使用附加交换机。当然,也可以使用传统的基于交换机的星形以太网拓扑结构。


  采用不同的传输电缆可以最大限度地发挥布线的灵活性。灵活而价格低廉的标准以太网插接电缆可通过以太网模式(100baseTX)或通过E总线来传输信号。光纤(PFO)可以用于特殊的应用场合。以太网带宽(如不同的光缆及铜缆)可以结合交换机或媒介转换器使用。快速以太网的物理特性可以使设备之间的距离达到100米,而E-bus只能保障10米的间距。快速以太网或 E-bus可以按照距离要求进行选择。EtherCAT 系统最多可容纳65535个设备,因此整个网络规模几乎是无限制的。


  可自由选择拓扑结构。布线上有最大的灵活性:是否使用交换机,是采用总线形拓扑结构,还是树形拓朴结构,可任意选配组合。自动进行地址分配;无需设置IP地址。

EtherCAT 技术组织

  EtherCAT技术组织(ETG)是一个自动化用户和厂商的协会,旨在为EtherCAT技术的开发提供支持。该协会代表着广泛的行业和应用领域。这样就确保了EtherCAT技术功能和接口以最佳方式用于多种应用。该组织可以确保将EtherCAT轻松而有经济有效地集成到大量自动化设备中,并保证设备的互操作性。EtherCAT技术组织(ETG)是正式IEC合作组织中现场总线标准化的成员。成员资格面对所有公司开放。

 

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