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EtherCAT總線技術簡介

簡介

  EtherCAT(以太網控制自動化技術)是一個以以太網為基礎的開放架構的現場總線系統,EtherCAT名稱中的CAT為Control Automation Technology(控制自動化技術)首字母的縮寫。最初由德國倍福自動化有限公司(Beckhoff Automation GmbH) 研發。EtherCAT為系統的實時性能和拓撲的靈活性樹立了新的標準,同時,它還符合甚至降低了現場總線的使用成本。EtherCAT的特點還包括高精度設備同步,可選線纜冗余,和功能性安全協議(SIL3)。

原理

  目前有多種用于提供實時功能的以太網方案:例如,通過較高級的協議層禁止CSMA/CD存取過程,并使用時間片或輪詢過程來取代它。其它方案使用專用交換機,并采用精確的時間控制方式分配以太網數據包。盡管這些解決方案能夠比較快和比較準確地將數據包傳送到所連接的以太網節點,但帶寬的利用率卻很低,特別是對于典型的自動化設備,因為即使對于非常小的數據量,也必須要發送一個完整的以太網幀。而且,重新定向到輸出或驅動控制器,以及讀取輸入數據所需的時間主要取決于執行方式。通常也需要使用一條子總線,特別是在??榛疘/O系統中,這些系統與Beckhoff K-總線一樣,通過同步子總線系統加快傳輸速度,但是這樣的同步將無法避免引起通訊總線傳輸的延遲。


  通過采用EtherCAT技術, Beckhoff突破了其它以太網解決方案的這些系統限制:不必再像從前那樣在每個連接點接收以太網數據包,然后進行解碼并復制為過程數據。當幀通過每一個設備(包括底層端子設備)時,EtherCAT從站控制器讀取對于該設備十分重要的數據。同樣,輸入數據可以在報文通過時插入至報文中。在幀被傳遞 (僅被延遲幾位)過去的時候,從站會識別出相關命令,并進行處理。此過程是在從站控制器中通過硬件實現的,因此與協議堆棧軟件的實時運行系統或處理器性能無關。網段中的最后一個EtherCAT從站將經過充分處理的報文返回,這樣該報文就作為一個響應報文由第一個從站返回到主站。


  從以太網的角度看,EtherCAT總線網段只是一個可接收和發送以太網幀的大型以太網設備。但是,該“設備”不包含帶下游微處理器的單個以太網控制器,而只包含大量的EtherCAT從站。與其它任何以太網一樣,EtherCAT不需要通過交換機就可以建立通訊,因而產生一個純粹的EtherCAT系統。

性能

  EtherCAT在網絡性能上達到了一個新的高度。1000個分布式I/O數據的刷新周期僅為30μs,其中包括端子循環時間。通過一個以太網幀,可以交換高達1486字節的過程數據,幾乎相當于12000個數字量I/O。而這一數據量的傳輸僅用300μs。


  與100個伺服軸的通訊只需100μs。在此期間,可以向所有軸提供設置值和控制數據,并報告它們的實際位置和狀態。分布式時鐘技術保證了這些軸之間的同步時間偏差小于1微秒。


  利用 EtherCAT 技術的優異性能,可以實現用傳統現場總線系統所無法實現的控制方法。這樣,通過總線也可以形成超高速控制回路。以前需要本地專用硬件支持的功能現在可在軟件中加以映射。巨大的帶寬資源使狀態數據與任何數據可并行傳輸。EtherCAT技術使得通訊技術與現代高性能的工業PC相匹配。總線系統不再是控制理念的瓶頸。分布式I/O的數據傳遞超過了只能由本地I/O接口才能實現的性能。

  這種網絡性能優勢在有相對中等的計算能力的小型控制器中較為明顯。EtherCAT的高速循環,可以在兩個控制循環之間完成。因此,控制器總有可用的最新輸入數據,輸出編址的延遲最小。在無需增強本身計算能力的基礎上,控制器的響應行為得到顯著改善。

  EtherCAT技術的原理具備擴展性,不束縛于100M帶寬-擴展至G兆位的以太網也是可能的。


EtherCAT 替代 PCI

  隨著PC組件小型化的加速發展,工業PC的體積主要取決于所需要的插槽數目。

  高速以太網帶寬以及EtherCAT通訊硬件(EtherCAT從站控制器)數據帶寬的利用,開辟了新的應用可能性:通常位于IPC中的接口被轉移到EtherCAT系統中的智能化接口端子上。除分散式I/O、軸和控制單元外,現場總線主站、高速串行接口、網關和其它通訊接口等復雜系統可以通過PC上的一個以太網端口進行尋址。甚至對無協議變體限制的其它以太網設備也可通過分布式交換機端子進行連接。工業PC主機體積越來越小,成本也越來越低,一個以太網接口足以應對所有的通訊任務。

  用以太網代替PCI現場總線設備(PROFIBUS、CANopen、DeviceNet、AS-i等)通過分布式現場總線主站端子進行集成。不使用現場總線主站節省了PC中的PCI插槽。

總線拓撲結構

  總線形、樹形或星型:EtherCAT支持幾乎所有拓撲結構。因此,源于現場總線的總線形結構也可用于以太網。將總線和分支結構相結合特別有助于系統布線。所有接口都位于耦合器上,無需使用附加交換機。當然,也可以使用傳統的基于交換機的星形以太網拓撲結構。


  采用不同的傳輸電纜可以最大限度地發揮布線的靈活性。靈活而價格低廉的標準以太網插接電纜可通過以太網模式(100baseTX)或通過E總線來傳輸信號。光纖(PFO)可以用于特殊的應用場合。以太網帶寬(如不同的光纜及銅纜)可以結合交換機或媒介轉換器使用??燜僖蘊奈錮硤匭鑰梢允股璞鋼淶木嗬氪锏?00米,而E-bus只能保障10米的間距??燜僖蘊?E-bus可以按照距離要求進行選擇。EtherCAT 系統最多可容納65535個設備,因此整個網絡規模幾乎是無限制的。


  可自由選擇拓撲結構。布線上有最大的靈活性:是否使用交換機,是采用總線形拓撲結構,還是樹形拓樸結構,可任意選配組合。自動進行地址分配;無需設置IP地址。

EtherCAT 技術組織

  EtherCAT技術組織(ETG)是一個自動化用戶和廠商的協會,旨在為EtherCAT技術的開發提供支持。該協會代表著廣泛的行業和應用領域。這樣就確保了EtherCAT技術功能和接口以最佳方式用于多種應用。該組織可以確保將EtherCAT輕松而有經濟有效地集成到大量自動化設備中,并保證設備的互操作性。EtherCAT技術組織(ETG)是正式IEC合作組織中現場總線標準化的成員。成員資格面對所有公司開放。

 

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