EtherCAT_BC

48 点击中国自动化控制网，获取业内最新咨讯 www.kongzhi.net 文献标识码：B 文章编号：1003－0492(2004)04－0048－03 中图分类号：TP393.11 实时以太网：I/O层超高速以太网 德国倍福公司 EtherCAT(Ethernet for Control Automation Technology) 是德国倍福（Beckhoff）最新提出的开放式实时以太网。 EtherCAT使用了 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 的以太网技术并即将公布其协议，因此 它确定了网络开放性的新标准。同时，由于它可在 30µs内通 过双绞线或光纤电缆处理 1 000个数字量 I/O，从而也确定了 实时以太网性能的新标准。EtherCAT为用户在使用网络拓扑 结构时提供了选择，即采用传统的、价格更加昂贵的星型拓 扑结构或者是采用低成本的总线型拓扑结构—无需昂贵的专 用组件。EtherCAT使用的是市场上非常普遍且经济的以太网 卡(NIC)，而其它的实时以太网则往往需要特殊且昂贵的以太 网卡。 图 1 EtherCAT ★ 工作原理 EtherCAT突破了其它以太网解决 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 的系统限制：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。当报文在设备的持续传送过程中，每 个 I/O端子中的 FMMU(Fieldbus Memory Management Unit) 就可以读出该报文中指定到此 I/O 的数据。同样，输入数据 可以在报文通过时插入报文中，报文仅有几纳秒延迟。 图 2 报文传递仅有几纳秒延迟 其它的以太网解决方案不能达到EtherCAT的实时能力。 其中一个解决方案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。 另一个以太网解决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。这些解决方案只能在某种 程度上实现将控制器数据快速而准确的传输至以太网节点。 然而，它们由于存在以太网节点到实际 I/O 或驱动控制器的 传输延迟而受到限制。还有一类解决方案在使用模块化 I/O 时，需要一个子总线，就像德国倍福从前所作的那样，利用 已有的现场总线，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通讯总线传输的延迟，德国倍福率先 在 EtherCAT中使用 FMMU前沿技术解决了该问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 。 ★ 端子实现以太网 德国倍福用于 I/O模块的以太骨干网称为 E-bus。E-bus 将使用不同电信号的 I/O点数据传送至下一个 I/O点，但不改 变以太网数据。第一个以太网节点称为总线耦合器，它可以 将电信号通过标准双绞线或光缆变换至 E-bus。变换至 E-bus 的信号可以满足电子端子块的电信号要求。端子块（E-bus） 中的信号也可以通过双绞线在短距离内传输（最长 10 米）。 用这种廉价的方式可以对端子块进行扩展。由于以太网数据 没有发生变化，其后续的向以太网的变换可以随时进行。 从控制的观点看，控制器的硬件通常采用非常经济而普 遍的标准网络接口卡（NIC）。德国倍福提供的这种卡是配备 有 4个以太网通道的 PCI卡。这些接口卡的共同特点是：通 过 DMA(direct memory access)将数据传送至 PC，即网络存取 不会占用 CPU资源。 这种 NIC卡使用 TwinCAT Y驱动，实现了与软件操作 系统和实时系统的无缝连接。这意味着，TwinCAT Y驱动既 是兼容的网络驱动，也是TwinCAT以太网现场总线卡的驱动。 通过内部的优先级系统管理，实时系统以太网帧的优先级高 于普通操作系统帧。普通的操作系统以太网帧（如打印缓冲 池、因特网、电子邮件等）都是在有足够的时间“间隙”时 传送的。在接收端，所有接收到的以太网帧都由 TwinCAT I/O 系统检验，并过滤出那些与实时系统相关的数据，其它帧则 在检测之后传递给操作系统。 由于操作系统的以太网功能具备完整性，所有与操作系 统兼容的协议都可在同一物理网络下并行工作。这些协议不 仅包括一些诸如 TCP/IP、HTTP、FTP、SOAP 等标准 IT 协 议，还包括所有诸如 ModbusTCP、ProfiNet 或 EthernetIP等 工业以太网协议。 ★ 协议 EtherCAT 协议在以太网帧内使用了一个特殊的以太类 型（Ether type）。这个类型可以使控制数据直接传输至以太网 帧内而无须重新定义标准以太网帧。EtherCAT的以太网帧可 以由多个子报文组成，每个报文都服务于一个特定的逻辑映 像区（Logic process image），该逻辑映像区最大可达 4GB。 由于数据链独立于物理顺序，因此可以对 EtherCAT端子进行 任意编址。广播式、多播式和从站间的通讯均可进行。当 49点击中国自动化控制网，获取业内最新咨讯 www.kongzhi.net TwinCAT控制的 EtherCAT组件与控制计算机在同一子网时， 数据将直接采用以太网帧进行传送。 图 3 EtherCAT通过 FMMU实现随机地址映射 然而，EtherCAT的应用领域不仅仅局限于 TwinCAT控 制系统，EtherCAT UDP 可将 EtherCAT 协议打包至 UDP/IP 的报文内。该特性可以使用于任何带以太网协议堆栈的控制 寻址 EtherCAT系统，甚至允许经路由器跨接其它子网的通讯 也成为可能。在这种情况下，系统的性能显然取决于控制的 实时性和以太网协议的实现方式。EtherCAT网络本身的响应 时间几乎不受限制，UDP报文只须在第一个站点解压包。 ★ 性能 EtherCAT使网络性能达到了一个新境界。借助于端子中 的 EtherCAT ASIC和主站中读取网卡数据的 DMA技术，整 个协议处理过程都在硬件中进行，因此，它独立于协议椎栈 的实时运行系统、CPU性能和软件运行。1 000个 I/O的刷新 只需 30μs，包括端子的循环时间。它可以在一个以太网帧中 交换最多达 1 468 个字节的协议数据，这几乎相当于 12 000 个数字输入或输出，这些数据的传输仅需 300μs。100 个伺 服轴的通讯也只需 100μs，在此期间，可以向所有轴提供设 置值和控制数据，并报告他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 1μs。 EtherCAT 技术的高性能特征可以实现传统的现场总线 系统无法实现的控制理念。例如，以太网如今不仅能够处理 速度控制，而且也可以处理分布式驱动器的电流（转矩）控 制。巨大的带宽资源使状态数据与任何数据并行传输。 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。EtherCAT技术的 原理具备扩展性，不束缚于 100M 带宽，扩展至千兆位的以 太网也是可能的。 ★ EtherCAT 替代 PCI 由于使用了集成于主板的以太网口，而不再需要附加接 口插槽，PC 主机体积越来越小，成本也越来越低。随着 PC 组件小型化的加速发展，工业 PC 的体积主要依赖于所需要 的插槽数目。高速以太网带宽以及 EtherCAT 通讯硬件 （FMMU）数据带宽的利用，确定了接口技术的新方向：即 工业 PC中的传统接口将转变为 EtherCAT系统的高智能接口 端子。除分布式 I/O 之外，轴和控制单元，复杂系统，如现 场总线主站、高速串行接口、网关及其它通讯接口都可以被 寻址，甚至没有协议变体限制的以太网设备也可以通过分布 式“集线器端子”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。 图 4 EtherCAT替代 PCI ★ 拓扑结构 线型、树型或星型结构：EtherCAT支持几乎所有的拓扑 结构。其它现场总线通用的总线型或线型结构在 EtherCAT中 同样适用。需要的接口已置于耦合器上，而无需再另加集线 器，这特别适用于结合了线型、分支型或树型的布线方式。 当然，传统的基于交换机的星型以太网拓扑结构也可以使用。 采用不同的传输电缆可以最大限度地发挥布线的灵活 性。灵活且低成本的标准以太网电缆可以选择采用以太网模 式传输数据（100Base-TX），或者采用 E-bus信号处理方式。 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。 快速以太网或 E-bus可以按照距离要求进行选择。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。整个网络规模几乎是无限制的， 因其可以容纳最多达 65 535个设备连接。 ★ 分布时钟 精确同步在广泛要求同时动作的分布过程中显得尤为 重要，如几个伺服轴在执行同时联动任务时。分布时钟的精 确校准是同步的最有效解决方案，如同在新的 IEEE1588标准 中所叙述的那样。相反地，如果采用完全同步，当通讯出现 错误时，同步数据的品质将受到很大影响，在通讯系统中， 分步式校准时钟在某种程度上具备错误延迟的容错性。 在 EtherCAT中，数据交换是完全基于硬件“主时钟” 和 “子时钟”的。因为该通讯使用了一个逻辑的和全双工的快 速以太网物理环结构，每个时钟可以简单和准确地确定另一 个时钟的实时偏移量。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小于 1μs的、非常精确 的时钟基。 然而，高性能分布时钟不仅用于同步，而且也可以提供 数据采集时本地时间的精确信息。例如，控制经常通过连续 测量的位置值计算出速度。尤其是在非常短的采样时间内， 在位移测量中，即使是一个很小的随机抖动都会导致速度的 50 点击中国自动化控制网，获取业内最新咨讯 www.kongzhi.net 极大变化。使用 TwinCAT，德国倍福引进了新的、扩展的数 据类型（时间戳(timestamp) 数据类型，超采样（oversampling） 数据类型）。本地时间与被测值相连接，利用基于以太网的宽 带资源，其处理时间可小于 10纳秒。因此，速度计算的精确 度不再依赖于通讯系统的抖动。这比基于无抖动通讯的测量 技术有极大的提高。 ★ 热连接 热连接功能能够使网络的各部分相连，并且解耦或重新 自由配置；所提供的灵活响应特性，改变了很多应用需要在 运行时变更 I/O 配置的需求。例如，具备变更特性的处理中 心、装备传感器的工具系统或者智能化的传输设备、灵活的 工件执行器等。EtherCAT系统考虑到了这些需求：任意配置。 ★ 诊断 在 EtherCAT的研发过程中，特别注重典型的诊断特征。 德国倍福广泛的现场总线系统经验表明，有效性和试运行时 间主要依赖于诊断的能力。只有当错误被快速而准确地检测 出，并且清楚地指明其所在位置时，错误才能被及时的排除。 在试运行期间，将使用该指定的配置检测 I/O端子实际 配置的连续性。 拓扑结构也要与配置相匹配。因为有内置的拓扑结构识 别，I/O可以在系统启动时或通过自动上装配置时进行确认。 数据传输过程中的位错误可以通过有效的 32 位 CRC 校验码 检测到，它使汉明间距（Hamming Check）达到最小值 4。 EtherCAT协议，传输物理层和拓扑结构使得高品质监控每个 独立的传输段成为现实。 ★ 总线端子 现有的德国倍福基于 K-bus总线的 I/O端子可以直接与 EtherCAT相连，包括一些配备网络接口、用于模块化 I/O端 子的相应耦合器。它保证了新老产品的兼容性和可持续性， 有效地保护了现有的和未来的投资。 图 5 EtherCAT与 K-bus的无缝连结 ★ 开放性 EtherCAT技术在 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 之初就以开放性为其宗旨，它完全 与以太网（802.3）兼容：该协议可与其它提供各种服务的以 太网协议并存，并且所有的协议都并存于同一物理介质中， 通常只会对整个网络性能有很小程度的影响。标准的以太网 设备可通过集线器端子连接至一个 EtherCAT系统，该端子并 不会影响循环时间。配备传统现场总线接口的设备可通过 EtherCAT现场总线主站端子的连接集成到网络中。UDP协议 变体允许设备整合于任何插槽接口或堆栈中。EtherCAT协议 将在作出最后的技术 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 后发布。 ✲✯✲✯✲✯✲✯✲✯✲✯✲✯✲✯✲✯✲✯✲✯✲✯✲✯✲✯✲✯✲✯✲✯✲✯✲✯✲✯✲✯✲✯✲✯✲✯✲✯✲✯✲✯✲✯✲✯✲✯✲✯✲✯✲ ✯✲✯✲✯ 突出实用 面向工程 《自动化博览》是中国自动化学会主办、全国发行的国家级刊物。它集控制系统、工 厂信息化、先进控制与优化软件、组态软件、现场总线与工业以太网、仪器仪表、OPC、PLC、 变频器产品于一体，突出“实用自动化技术”。期期都有各行业资深专家撰写的综述文章， 介绍国际、国内工业自动化领域的产品和实际应用的经验与技巧，向读者提供有关自动化方 面的国内外新技术、新知识、新产品；并包含具有浓郁趣味性、知识性的科普知识。本刊印 刷精美，内容殷实，适合各行各业从事科研设计、工业厂矿、公司企业、大专院校、制造厂 商、国家机关、从事自动化专业的单位部门及其科研工程技术人员，专业师生、技术工人、 管理人员等人士订阅。 2005年双月刊，大 16开，全年定价 120元。您将获得： ·6期期刊，10元/期，内容汇集业内实时资讯、最新技术发展及典型应用案例； ·2册文集，30元/册，内容汇集资深专家的独到视点及精彩技术分析。 从即日起凡直接汇款至杂志社订阅全年杂志者均将获精美奖品一份！ 邮局发行代号：82-466 期刊登记号： ISSN 1003-0492 CN11-2516 / 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