EtherCAT技术介绍及发展概貌

—　∞ｆ　Ｅ＾Ｔ　Ｕ　Ｂ　Ｅ　现场总线韧工业以太网　关键词：ＥｔｈｅｒＣＡＴ　Ｅｔｈｅｒｎｅｔ　ＥｔｈｅｒＣＡＴ　技术介绍及发展概貌　依赖于网络中以太网端子的物理顺序．　可任意编址。从站之间的广播、多播和通　现　场总线已成为自动化技术的集成　组件，通过大量的实践试验和测　试，如今已获得广泛应用。正是由于现　场总线技术的普及，才使基于Ｐｃ的控制　系统得以广泛应用。　虽然控制器ＣＰＵ的性能（尤其是ＩＰＣ　的性能）发展迅猛．但传统的现场总线　系统正Ｅｔ趋成为控制系统性能发展的”瓶　颈”。传统的方案是．按层划分的控制体　系通常都由几个辅助系统所组成（周期系　统）：即实际控制任务、现场总线系统、　ｔ／ｏ系统中的本地扩展总线或外围设备　的简单本地固件周期。正常情况下，系　统响应时间是控制器周期时间的３～５　倍。　在现场总线系统之上的层面（即网　络控制器）中，以太网往往在某种程度　上代表着技术发展的水平。该方面目前　较新的技术是驱动或ｌ／Ｏ级的应用，即　过去普遍采用现场总线系统的这些领域。　这些应用类型要求系统具备良好的实时　能力、适应小数据量通信，并且价格经　济。ＥｔｈｅｒＣＡＴ可以满足这些需求，并且　还可以在ｔ／ｏ级实现因特网技术。　ＥｔｈｅｒＣＡＴ工作原理　ＥｔｈｅｒＣＡＴ技术突破了其他以太网解　决方案的系统限制：通过该项技术，无　需接收以太网数据包，将其解码，之　后再将过程数据复制到各个设备。　Ａ　Ｖｏ１．１１　Ｎｏ．９　７２　９・２００７　信均得以实现。如果需要实现最大化性　ＥｔｈｅｒＣＡＴ技术协会　能，并且需要将ＥｔｈｅｒＣＡＴ组件作为同一　子网控制器进行操作．则可直接传送以　太网帧。　ＥｔｈｅｒＣＡＴ从站设备在报文经过其节点时　然而，ＥｔｈｅｒＣＡＴ不仅限于单个子网　读取相应的编址数据．同样，输入数据　的应用。ＥｔｈｅｒＣＡＴ　ＵＤＰ将ＥｔｈｅｒＣＡＴ协　也是在报文经过时插入至报文中。整个　议封装为ＵＤＰ／ＩＰ数据报文（见图７）．这　过程中，报文只有几纳秒的时间延迟。　就意味着，任何以太网协议堆栈的控制　由于发送和接收的以太网帧压缩了　均可编址到ＥｔｈｅｒＣＡＴ系统之中，甚至通　大量的设备数据，所以可用数据率可达　信还可以通过路由器跨接到其它子网中。　９Ｏ％以上。１　Ｏ０Ｍｂ／ｓ　ＴＸ的全双工特性　因为ＵＤＰ数据报文仅在第一个站才完成　完全得以利用．因此，有效数据率可以　解包，所以ＥｔｈｅｒＣＡＴ网络自身的响应时　达到＞１０　０Ｍｂ／ｓ（＞２×１　Ｏ０Ｍｂ／ｓ的９Ｏ％）。　间基本不受影响。　符合］ＥＥＥ　８０２　３标准的以太网协议　另外，根据主／从数据交换原理，　无需附加任何总线即可访问各个设备。　ＥｔｈｅｒＣＡＴ也非常适合控制器之间（主／　耦合设备中的物理层可以将双绞线或光　从）的通信。自由编址的网络变量可用　纤转换为ＬＶＤＳ（一种可供选择的以太网　于过程数据以及参数、诊断、编程和各　物理层标准　以满足　电子端子块等模块化　设备的需求。这样，　就可以非常经济地对　模块化设备进行扩展　了。之后，便可以如　普通以太网一样，随　时进行从底板物理层　ＬＶＤＳ到　１　Ｏ０Ｍｂ／ｓ　０　ＴＸ物理层的转换。　图１　ＥｔｈｅｒＣＡＴ　符合ＩＥＥＥ　８０２　３的标准帧　１．协议　种远程控制服务，满足广泛的应用需　ＥｔｈｅｒＣＡＴ是用于过程数据的优化协　求。同理，主站／从站与主站／主站之　议，凭借特殊的以太网类型，可以在以　间的数据通信接１３相同。　太网帧内直接传送。ＥｔｈｅｒＣＡＴ协议可包　从站到从站的通信则有两种机制以　括几个ＥｔｈｅｒＣＡＴ报文，每个报文都服务　供选择。一种机制是，上游设备和下游　于一块逻辑过程映像区的特定内存区域，　设备可以在同一周期内实现通信，速度　该区域最大可达４　ＧＢ字节。数据顺序不　非常快。由于这种方法与拓扑结构高度　维普资讯 http://www.cqvip.com

ＥｔｈｅｒＣＡＴ技术介绍及发展概貌　相关，因此适用于由设备架构设计所决　定的从站到从站的通信，如打印或包装　应用等。而对于自由配置的从站到从站　的通信　则可以采用第二种机制——数　现场总线和工业以太网　同步品质的情况相比，分布排列的时钟　对于通信系统中可能存在的相关故障延　迟具有极好的容错性。　采用ＥｔｈｅｒＣＡＴ，数据交换就完全基　于纯硬件机制。由于通信采用了逻辑环　结构（借助于全双工快速以太网的物理　器主站的直接内存存取．整个协议的处　理过程都在硬件中得以实现，因此，完全　独立于协议堆栈的实时运行系统、ＣＰＵ　性能或软件实现方式。从表中可以看　出，单个以太网帧最多可进行１　４８６字节　的过程数据交换．几乎相当于１　２０００个　数字输入和输出，而传送这些数据耗时　仅为３００“ｓ。　据通过主站进行中继。这种机制需要两　个周期才能完成，但该过程耗时仍然小　于采用其他方法所耗费的时间。　ＥｔｈｅｒＣＡＴ仅使用标准的以太网帧．　无任何压缩。因此．ＥｔｈｅｒＣＡＴ以太网帧　层），主站时钟可以简单、精确地确定各　个从站时钟传播的延迟偏移，反之亦然。　分布时钟均基于该值进行调整，这意味　１００个伺服轴的通信也非常快速：　可以通过任何以太网ＭＡＣ发送　并可以　使用标准工具（如：ｍｏｎｉｔｏｒ）。　２　拓扑　ＥｔｈｅｒＣＡＴ几乎支持任何拓扑类型．　包括线型、树型、星型等。通过现场总　线而得名的总线或线型结构也可用于以　太网，并且不受限于级联交换机或集线　器的数量。　最有效的系统连线方法是对线型、　分支或树叉结构进行拓扑组合。因为所　需接ＩＺ：ｌ在Ｉ／ｏ模块等很多设备中都已存　在，所以无需附加交换机。　还可以选择不同的电缆以提升连线　的灵活性：灵活、廉价的标准以太网补　偿电缆可采用１００Ｍｂ／ｓ　ＴＸ模式传送信　号：塑封光纤（ＰＯＦ）可补充用于特殊应　用场合　还可以通过交换机或介质转换　器实现不同以太网连线（如：不同的光纤　和铜电缆）的完整组合。　以太网的物理层（１Ｏ０Ｍｂ／ｓ—ＴＸ）允许　两个设备之间的最大电缆长度达到１∞ｍ。　由于连接的设备数量可达６５５３５，因此，　网络的容量几乎没有限制。　３．分布时钟　精确同步对于同时动作的分布式过　程而言尤为重要。例如　几个伺服轴同　时执行协调运动时，便是如此。　最有效的同步方法是精确排列分布　时钟（请参阅ＩＥＥＥ　１　５８８标准）。与完全同　步通信中容易出现通信故障　立即影响　着可以在网络范围内使用非常精确的、　可在每１　００ｐｓ中更新带有命令值和控制　小于１ｕｓ的、确定　ＩＳｔ的同步误差时间基　数据的所有轴的实际位置及状态　分布　（见图２）。而跨接工厂等外部同步则可　时钟技术使轴的同步偏差小于１微秒。　以基于ｔＥＥＥ　１　５８８标准。　而即使是在这种节奏下　带宽仍足以实　现异步通信，如ＴＣＰ／ＩＰ、下载参　数或上载诊断数据。　ＥｔｈｅｒＣＡＴ技术可以使通信　技术和现代工业Ｐｃ所具有的超　强计算能力相适应，总线系统不　再是控制理念的瓶颈，分布式Ｉ／　Ｏ可能比大多数本地ｉ／ｏ接ＩＺｌ：运　行速度更快。Ｅｔｈｅ　ｒＣＡＴ技术原　理具有可塑性，并不束缚于　１００Ｍｂ／ｓ的通信速率，甚至有可　能扩展为１０００Ｍｂ／ｓ的以太网。　图２　同步性与一致性　相距电缆长度为有１２０ｍ的　两个分布系统　带有３００个节点的示波器比较　５．诊断　此外，高分辨率的分布时钟还可以　现场总线系统的实际应用经验表　提供数据采集的本地时间精确信息。当　明，有效性和试运行时间关键取决于诊　采样时间非常短暂时，即使是出现一个　断能力。只有快速而准确地检测出故障，　很小的位置测量瞬时同步偏差　也会导　并明确标明其所在位置　才能快速排除　致速度计算出现较大的阶跃变化　而在　故障。　Ｅｔｈｅ　ｒＣＡＴ中　引入时间戳数据类型作为　试运行期间　驱动或ｉ／ｏ端子等节　一个逻辑扩展　以太网所提供的巨大带　点的实际配置需要与指定的配置进行匹　宽使得高分辨率的系统时间得以与测量　配性检查，拓扑结构也需要与配置相匹　值进行链接。这样　速度的精确计算　ＥｔｈｅｒＣＡ　Ｔ雌能饼貌表　就不再受到通信系统的同步误差值影　过程数据　更新时间　响，其精度要高于基于自由同步误差　２　５６个分布式数字Ｉｉ　０　１１　ｕｓ＝０　０　１ｍｓ　１　０００个分布式数字Ｉ／０　３０　ｓ　的通信测量技术。　２００个模拟１　０（１　６位）　５０　ｕｓ一一２０　ｋＨｚ　ＩＯ０个伺服轴．每轴分别　１　００　ｓ　４．性能　有８字节输入和输出数据　１个现场总线主站——网关　１　５０ｐｓ　借助于从站硬件集成和网络控制　（１　４８６字节输入和１　４８６字节输出）　世界仪表与自动化　——　７３　维普资讯 http://www.cqvip.com ＥｔｈｅｒＣＡＴ技术介绍及发展概貌　配。由于整合的拓扑识别过程已延伸至　各个端子．因此．这种检查不仅可以在　系统启动期间进行．也可以在网络自动　读取时进行（配置上载）。　可以通过评估ＣＲＣ校验．有效检测　随着Ｐｃ组件急剧向小型化方向发　展，工业Ｐｃ的体积目趋取决于插槽的　数目。而快速以太网的带宽和ＥｔｈｅｒＣＡＴ　Ｅｔｈｅ　ｒＣＡＴ安全产品已经上市。　《　现场总线和工业以太网　至于网络管理。因此．在已经安装了　ＣＡＮｏｐｅｎ的设备中．仅需稍加变动即　二ＥｔｈｅｒＣＡＴ取代ＰＣ　可轻松实现ＥｔｈｅｒＣＡＴ，绝大部分的　ＣＡＮｏｐｅｎ固件都得以重复利用。并且．　可以选择性地扩展对象，以便利用　ＥｔｈｅｒＣＡＴ所提供的巨大带宽。　出数据传送期间的位故障——３２位ＣＲＣ　多项式的最小汉明距为４。除断线检测　和定位之外，ＥｔｈｅｒＣＡＴ系统的协议、物　理层和拓扑结构还可以对各个传输段分　通信硬件的过程数据长度则为该领域的　发展提供了新的可能性——ＩＰＣ中的传　３．ＥｔｈｅｒＣＡＴ实现遵循ＩＥＣ　６１　４９１　的伺服驱动框￣（ＳｏＥ）　别进行品质监视，与错误计数器关联的　自动评估还可以对关键的网络段进行精　确定位。　６．高可靠性　选择冗余电缆可以提高系统可靠　性，以保证设备更换时不会导致网络瘫　痪。增加冗余特性耗费不高，仅需在主　站设备端增加使用一个标准的以太网端　ＳＩ１，并将单一的电缆从总线型拓扑结构　转变为环型拓扑结构。当设备或电缆发　生故障时，也仅需一个周期即可完成切　换。因此．即使是针对运动控制要求的　应用，电缆出现故障时也不会有问题。　ＥｔｈｅｒＣＡＴ还支持主站在线待机冗余　功能。一旦出现中断、设备故障等问题．　从站控制器可以立即自动返回以太网帧．　所以不会导致整个网络崩溃。　７．安全　传统观念总是认为，自动化网络应　与安全功能相分离。但ＥｔｈｅｒＣＡＴ所实现　的安全功能可以在同一网络中将安全相　关的通信和控制通信融合为一体。安全　协议基于ＥｔｈｅｒＣＡＴ应用层，不受低层协　议的影响．并遵循ＩＥＣ６１　５０８标准．满足　安全集成级（ＳＩＬ）４的要求。数据长度可　以变化的，因此该协议既完全适合于安　全Ｉ／ｏ数据，也适合于安全驱动技术。　和其它Ｅｔｈｅ　ｒＣＡＴ数据一样，安全数据可　以通过无安全功能的路由器或网关实　现路由。目前　首批获得完全认证的　７４　Ａ　Ｖｏ１．１１　Ｎｏ．９　９・２００７　统接ＩＳ１现在可以转变为集成的ＥｔｈｅＦＣＡＴ　接ＩＳ１端子。　除了可以对分布式Ｉ／０进行编址．　还可以对驱动和控制单元以及现场总线　主站、快速串行接ＩＳ１、网关和其它通信　接ＩＳ１等复合系统进行编址。　即使是其他无协议限制的以太网设　备变体，也可以通过分布式交换机端ＩＳ１　设备进行连接。由于一个以太网接ＩＳ１足　以满足整个外围设备的通信．因此，极　大地精简了ＩＰＣ主机的体积和外观．也　降低了成本。　１．设备框架　设备框架描述了设备的应用参数和　功能特性，如设备类别相关的机器状态　等。现场总线技术已经为许多设备类别　提供了可利用的设备框架。用户非常熟　悉这些框架以及相关的参数和工具，因　此，ＥｔｈｅｒＣＡＴ无需为这些设备类别重新　开发设备框架，而是为现有的设备框架　提供了简单的接ＩＳ１。这样用户和设备制　造商可以轻松完成从现有的现场总线到　ＥｔｈｅｒＣＡＴ技术的转换过程。　２　ＥｔｈｅｒＣＡＴ实现ＣＡＮｏｐｅｎ（ＣｏＥ）　ＣＡＮｏｐｅｎ设备和应用框架广泛用于　多种设备类别和应用．如Ｉ／ｏ组件、驱　动、编码器、比例阀、液压控制器等。　ＥｔｈｅｒＣＡＴ可以提供与ＣＡＮｏｐｅｎ机制相　同的通信机制，包括对象字典、ＰＤＯ（过　程数据对象）、ＳＤＯ（服务数据对象），甚　ＳＥＲＣＯＳ　ｉｎｔｅｒｆａｃｅ是全球公认的、　用于高性能实时运行系统的通信接ＩＳ１，　尤其适用于运动控制的应用场合。用于　伺服驱动和通信技术的ＳＥＲＣＯＳ框架属　于ＩＥＣ　６１　４９１标准的范畴。该伺服驱动　框架可以轻松地映射到ＥｔｈｅｒＣＡＴ中，嵌　入于驱动中的服务通道、全部参数存取　以及功能都基于ＥｔｈｅｒＣＡＴ邮箱。过程数　据，即形式为ＡＴ和ＭＤＴ的ＳＥＲＣＯＳ数　据，都使用ＥｔｈｅｒＣＡＴ从站控制器机制进　行传送，其映射与ＳＥＲＣＯＳ映射相似。并　且．ＥｔｈｅｒＣＡＴ从站的设备状态也可以非　常容易地映射为ＳＥＲＣＯＳ协议状态。　这些伺服驱动框架应用了ＥｔｈｅｒＣＡＴ　的实时以太网技术，并广泛采纳于ＣＮＣ　的应用之中。设备框架的优势与　ＥｔｈｅｒＣＡＴ的优势相结合：分布时钟保证　了网络范围的精确同步，并且，可以选　择性地传送位置、速度或转矩命令。根　据具体的实施方法，驱动还有可能继续　使用现有的配置工具。　４．ＥｔｈｅｒＣＡＴ实现以太网（ＥｏＥ）　ＥｔｈｅｒＣＡＴ技术不仅完全兼容以太　网．而且在　设计　之初就具备良好的开　放性特征——该协议可以在相同的物理　层网络中包容其它基于以太网的服务和　协议，通常可将其性能损失降到最小。　对以太网的设备类型没有限制，设备可　通过交换机端ＩＳ１在ＥｔｈｅｒＣＡＴ段内进行连　接。以太网祯通过ＥｔｈｅｒＣＡＴ协议开通隧　道　这也正是ＶＰＮ、ＰＰＰｏＥ（ＤＳＬ）等因特　维普资讯 http://www.cqvip.com ＥｔｈｅｒＣＡＴ技术介绍及发展概貌　Ｖｉ　ｒｔｕａＩ　Ｅｔｈｅｒｎｅｔ　Ｓｗｉｔｃｈ　Ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｉｔｙ　图３对所奄以太嘲协议是全透明　网应用所普遍采取的方法。ＥｔｈｅｒＣＡＴ网　络对以太网设备而言是完全透明的，其　实时特性也不会发生畸变（见图３）。　ＥｔｈｅｒＣＡＴ设备可以包容其它的以太　网协议，因此具备标准以太网设备的一　切特性。主站的作用与第２层交换机所　起的作用一样．可按照编址信息将以太　网祯重新定向到相应的设备。因此．集　成万维网服务器、电子邮件和ＦＴＰ传送等　所有的因特网技术都可以在ＥｔｈｅｒＣＡＴ的　环境中得以应用。　５．ＥｔｈｅｒＣＡＴ实现文件存取（ＦｏＥ）　这种简单的协议与ＴＦＴＰ类似，允许　存取设备中的任何数据结构。因此，无　论设备是否支持ＴＣＰ／ＩＰ，都有可能将标　准化固件上载到设备上。　三ＥｔｈｅｒＣＡＴ的实现层面　ＥｔｈｅｒＣＡＴ技术是面向价格低廉的设　备而开发的，如Ｉ／ｏ端子、传感器和嵌　入式控制器等。它使用遵循ＩＥＥＥ８０２．３标　准的以太网帧。这些帧由主站设备发　送，从站设备只是在以太网帧经过其所　在位置时才提取和／或插入数据。因此，　ＥｔｈｅｒＣＡＴ使用标准的以太网ＭＡＣ，这正　是其在主站设备方面智能化的表现。同　样，ＥｔｈｅｒＣＡＴ在从站控制器中使用专用　芯片．这也是其在从站设备方面智能化　的表现，专用芯片可在硬件中处理过程　数据协议，并提供最佳实时性能。　１．主站　Ｅｔｈｅ　ｒＣＡＴ可以在单个以太网帧中最　多实现１　４８６字节的分布式过程数据通　讯。其它解决方案一般是．主站设备需　要在每个网络周期中为各个节点处理、　发送和接收帧。而Ｅｔｈｅ　ｒＣＡＴ系统与此不　同之处在于，在通常情况下．每周期仅　需要一个或两个祯即可完成所有节点的　全部通讯．因此．主站不需要专用的通　讯处理器。主站功能几乎不会给主机　ＣＰＵ带来任何负担．在处理这些任务的　同时，还可以处理应用程序．因此无需　使用专用有源插接卡．只需使用无源的　ＮＩＣ卡或主板集成的以太网ＭＡＣ设备即　可。Ｅｔｈｅ　ｒＣＡＴ主站很容易实现．尤其适　用于中小规模的控制系统和有明确规定　的应用场合。　ＥｔｈｅｒＣＡＴ映射不是在主站产生．而　是在从站产生（外围设备将数据插入所经　以太网祯的相应位置），因此．此时过程　映像已经完成排序。该特性进一步减轻　了主机ＣＰＵ的负担。系统配置工具（通　过生产商获取）可提供包括相应的标准　ＸＭＬ格式启动顺序在内的网络和设备参　数　２．主站样本代码　另一种ＥｔｈｅｒＣＡＴ主站的实现方式是　使用样本代码，花费不高。软件以源代　囝一（　囝现场总线和工业以太网　码形式提供，包括所有的ＥｔｈｅｒＣＡＴ主站　功能，甚至还包括ＥｏＥ（Ｅｔｈｅ　ｒＣＡＴ实现以　太网）功能。开发人员只要把这些应用于　Ｗｉｎｄｏｗｓ环境的代码与目标硬件及所使　用的ＲＴＯＳ加以匹配就可以了。　３．从站　目前有多家制造商均提供ＥｔｈｅｒＣＡＴ　从站控制器。通过价格低廉的ＦＰＧＡ，也　可实现从站控制器的功能．可以购买授　权以获取相应的二进制代码。　从站控制器通常都有一个内部的　ＤＰＲＡＭ，并提供存取这些应用内存的接　口范围。　四小结　ＥｔｈｅｒＣＡＴ拥有杰出的通信性能，接　线非常简单．并对其它协议开放。　ＥｔｈｅｒＣＡＴ突破建立了新的技术标准——　３Ｏ　ｓ内可以更新１　０００个Ｉ／ｏ数据．可选　择双绞线或光纤，并利用以太网和因特　网技术实现垂直优化集成。　使用Ｅｔｈｅ　ｒＣＡＴ，可以用简单的线型　拓扑结构替代昂贵的星型以太网拓扑结　构．无需昂贵的基础组件。ＥｔｈｅｒＣＡＴ还　可以使用传统的交换机连接方式．以集　成其它的以太网设备。其它的实时以太　网方案需要与控制器进行特殊连接．而　Ｅｔｈｅ　ｒＣＡＴ只需要价格低廉的标准以太网　卡（ＮＩＣ）便可实现。　ＥｔｈｅｒＣＡＴ拥有多种机制，支持主站　到从站、从站到从站以及主站到主站之　间的通信。它实现了安全功能．采用技术　可行且经济实用的方法，使以太网技术　可以向下延伸至Ｉ／ｏ级。Ｅｔｈｅ　ｒＣＡＴ功能　优越，可以完全兼容以太网，可将因特　网技术嵌入到简单设备中，并最大化地　利用了以太网所提供的巨大带宽，是～　种实时性能优越且成本低廉的网络技　术。　世界仪表与自动化　——　广　７５