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EtherCAT

EtherCAT 是开放的实时以太网络通讯协议,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)。
EtherCAT协议针对过程数据进行了优化,它被直接传送到 以太网帧,或被压缩到UDP/IP数据报文中。UDP协议在其它子网中的 EtherCAT 网段由 路由器进行 寻址的情况下使用。以太网帧可能包含若干个EtherCAT 报文,每个报文专门用于特定存储区域,该存储区域可编制大小达4GB的逻辑过程镜像。由于数据链独立于EtherCAT端子物理顺序,因此可以对EtherCAT端子进行任意 编址。从站之间可进行广播、多点传送和通讯。 
该协议还可处理通常为非循环的参数通讯。参数的结构和含义通过 CANopen设备行规进行设定,这些设备行规用于多种设备类别和应用。EtherCAT 还支持符合 IEC61491 标准的从属行规。该行规以 SERCOS? 命名,被全球 运动控制应用领域普遍认可。 
除了符合主站/从站原理的数据交换外,EtherCAT还非常适用于控制器之间(主站/主站)的通讯。可自由编址的过程数据网络变量以及各种参数化、诊断、 编程和远程控制服务,可以满足众多要求。用于主站/从站和主站/主站通讯的 数据接口是相同的。 

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。

 

操作工
EtherCAT优越性

EtherCAT优越性:
1,更快的通讯速度
是当今速度最快、同步特性最为卓越的通讯系统
网络性能与拓扑结构无关
无需任何底层子系统
满足当今和未来的技术需求

2,良好的性价比
系统价格与现场总线相当,甚至低于现场总线的成本
无需专用主站卡,仅需主板集成的MAC口或价格低廉的标准网卡
高度集成的从站控制器降低接口成本
无需专用的有源基础组建

3,多种机制
支持主站/从站、从站/从站和主站/主站之间的通讯
用于传输过程数据和参数数据的周期与非周期服务
适合集中式与分布式控制体系
可用于设备控制、机器人、嵌入式系统、楼宇自动化、运输系统等

4,真正的工业以太网
采用标准的以太网帧
全面支持因特网技术
可实现http、ftp、tcp/ip,而不影响实时性能
垂直集成,简单方便

5,轻松实施EtherCAT技术
实时通讯协议在硬件中进行处理
µC性能由设备应用需求决定-与总线协议无关
无需µC即可实现简单的I/O从站
可直接购买通用的从站接口模块
可直接购买从站评估版和主从站堆栈

6,更为易用
无需手动设置地址
无需配置交换机
自动实现功能配置
精确定位诊断

7,灵活的拓扑结构
支持所有拓扑结构:线型、树型、星型和环型
节点、交换机、集线器无极连限制
每个网段最多可容纳65535个从站
可实现冗余、热连接和热交换

8,以太网融合安全功能
同一网络可融合功能性安全和标准自动化应用
遵循国际安全标准 IEC61508协议
适合用于实现安全I/O和安全驱动
可通过网关和现场总线系统路由

9,技术完全开放
技术全面开放
由全球最大的工业以太网协会负责技术支持
EtherCAT是IEC,ISO和SEMI规范
支持与现有的常用的设备行规

10,经受实践考验
2003年以来,已应用于各项目中
广泛应用于各行业
可在多种类型的控制器和操作系统上实施
丰富的产品类型

操作工
EtherCAT的实现层面

EtherCAT的实现层面

主站

EtherCAT技术是面向价格低廉的设备而开发的,入i/o模块、传感器和嵌入式控制器等。EtherCAT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的同时高速动态提取和插入数据。因此,EtherCAT使用标准的以太网MAC,这正是其在主站设备的优势所在。从站设备使用EtherCAT从站控制芯片,并在硬件中直接处理过程数据协议,可提供最佳实时性能,而与从站本地的处理性能或软件质量无关,所以,在此使用专用的芯片是非常合理的。

EtherCAT主站

EtherCAT的单个以太网帧最多传输1486字节的分布式数据。其它解决方案一般是,主站设备需要在每个网络周期中为每个节点处理、发送、和接收帧。而EtherCAT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帧即可完成与所有节点的全部通讯,因此,EtherCAT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,轻松处理这些任务的同时,还可以处理应用程序,因此EtherCAT无需使用昂贵的专用有源插接卡,只需使用无源的标准以太网卡或主板集成的以太网MAC即可。EtherCAT主站实施很容易实现,尤其适用于中小规模的控制系统和明确定制的应用场合。

例如,某个PLC只有一个过程数据映像,如果它小于1486字节,那么使用PLC周期时间循环发送一个以太网帧就足够了。因为报文头运行时不会发生变化,所以只需将固定的报文头插入到过程映像中,并将结果传送到以太网控制器即可。

EtherCAT映射不是在主站产生,而是在从站产生(外围设备在以太网帧经过的同时高速动态地将数据插入相应位置),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。可以看到,EtherCAT主站完全在主机CPU中采用软件方式实现,而且比传统的慢速现场总线系统通过有源接线卡实现主站的方式占用更少的处理资源,甚至操作有源卡上的DPRAM应用本身也将增加主机的负担。

系统配置工具(通过生产商获取)可以标准的XML格式提供包括相应启动顺序在内的网络和设备参数。由于EtherCAT采用IEEE802.3定义的标准的以太网帧,任何商用以太网监视工具均可用于EtherCAT通讯。此外,Wireshark发布的产品中含EtherCAT分析器。微软的网络监视器软件业可以加入插件以处理和显示已经记录的EtherCAT数据流。

主站实施服务

EtherCAT主站已经广泛地实施于各种实时操作系统,包括,但并不局限于以下系统:eCos, InTime, ProconosOS,Real-Time Java,RT Kernel,RT Linux,RTCX Quadros,RTAI Linux,PikeOS,Linux with RT-Preempt,QNX,VxWin +CeWin,VxWorks,Windows CE,带Codesys-SP的WindowsNT/NTE/2000XPE/Vista,带TwinCAT实时扩展的Windows XP/XPE,Windows7和XENOMAI Linux。主站堆栈以公共或共享代码项目方式提供样本代码和商用软件。实施服务则可通过多家生产商获取多种硬件平台。可登录EtherCAT网站的EtherCAT产品指南频道,了解快速发展的供应商信息。

主站样本代码

另一种实现EtherCAT主站的方式是使用样本代码,花费不高。软件以源代码形式提供,包括所有的EtherCAT主站功能,还包括EoE。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。该软件代码已经成功应用于多个系统。

 

EtherCAT技术应用于嵌入式系统

在嵌入式环境中,EtherCAT主站的运行需适应某些特殊要求,而这往往是互相冲突的。一方面,此特定环境限制了硬件和软件的性能,另一方面,应用程序的要求必须得到满足。硬件环境包含了多样的微控制器选型(8,18或32位),并有字节顺序和对齐方式不同等有关限制,这需要主站来处理,主站还需面对不同的MAC芯片的数据访问方法(DMA访问,IO访问,双端口RAM的访问)。嵌入式环境中有一个特殊的客观事实是各种不同的操作系统,或在一些情况下根本没有操作系统。如果一个相同的主站软件实现需要在多种不同的系统中使用,那么对软件功能的主要需求就是可移植性。设计师除了要考虑不同的使用环境,还要考虑需要满足什么样的应用需求。这些需求包括可以控制的最大从站数量,从站所支持的应用层协议(例如EOE,COE,FOE,SOE),每个周期能够传输的数据量(周期性和非周期性的数据量,以及总线周期时间)。还有一点需要考虑的是,所使用的总线配置是静态的还是动态的。当使用EtherCAT作为多个嵌入式系统之间的通信技术时,通常都会使用一种特殊的操作模式,它或者是标准的逻辑过程数据交换,或者是点对点式的通信,此时,从站由非周期命令轮询,而周期性通信部分只是为保持系统运行。因此,决定主站解决方案的主要任务是清晰地定义面对这些相互冲突的需求。

不同的选项有:开发一个自主的主站解决方案,将主站示例代码移植到嵌入式环境,或购买市面上销售的主站解决方案。EtherCAT技术在嵌入式环境的好处是可伸缩的主站。它可以通过应用或忽略一些功能或特殊协议以适应有关内存和CPU的工作环境。这些技术可行因为主站协议堆栈不需要特殊的硬件而可以用软件实现。因为不需要额外的接口设备,EtherCAT可以为你的控制单元节省空间。此外,因为只需一个以太网MAC且没有额外的I/O卡,它还可以降低功耗。在大批量产品中成本问题常被重点考虑;因为可以使用消费市场中的标准MAC硬件,EtherCAT可以节省资金。

 

从站

EtherCAT从站设备中使用成本低廉的EtherCAT从站控制器。对EtherCAT通讯本身而言,无需微处理器。只需要I/O接口的简单设备可以只用ESC,PHY,电磁隔离和RJ45接头实现。从站应用层与过程数据接口(PDI)通过一个32位的I/O接口连接。该从站没有配置参数,因此无需软件或邮箱协议。EtherCAT状态机在ESC中处理。ESC的启动信息从EEPROM中读入,EEPROM也支持从站的识别信息。对于配置了主CPU的更复杂的从站设备,CPU通过一个8位或16位的并行接口或通过一个串行接口(SPI)连接到ESC。主CPU的性能取决于从站的应用-EtherCAT协议软件自行独立运行。EtherCAT协议栈管理EtherCAT状态机和通讯协议,通讯协议通常意味着COE协议和支持固件下载的FOE。可有选择地实施EOE。

《EtherCAT从站实施指南》可以下载参阅。

EtherCAT从站控制器

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,也可以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。

供存取这些应用内存的接口范围。

操作工
为了实现安全数据通过EtherCAT通讯

为了实现安全数据通过EtherCAT通讯,EtherCAT技术协会发布了Safety over EtherCAT协议。此安全协议符合IEC 61508 SIL3标准,允许在同一通讯系统中传输安全数据和非安全数据,且不会受到传输速度和循环时间的限制。

安全现场总线系统

在自动化组件和通讯系统上的智能安全解决方案使安全技术能够集成到机械设计中。

实现这种集成的其中一个关键因素是在同一总线上传输安全相关的数据和标准通讯。EtherCAT的解决方案是基于EtherCAT协议的功能安全协议(Safety over EtherCAT)。

优势:

♦ 控制信息和安全信息使用同一通讯系统

♦ 安全概念无缝集成到机械设计中

♦ 出色的安全功能诊断选项

♦ 灵活的扩展选项

♦ 实时性和确定性当面没有性能限制

♦ 无需使用不同的工具开发标准程序和安全应用程序

♦ 操作简单,安全功能透明

技术要求

用于传输安全相关信息的总线系统的测试和认证的基本规则由国际标准IEC 61784-3指定。Safety over EtherCAT协议已被标准化FSCP12(功能性安全通讯行规)的部分。

安全协议必须能够识别如下网络错误:网络瘫痪,数据重发,数据交换丢失,传输延迟,数据抢先,伪数据和无效的信息寻址。一个安全性设备必须通过合适的手段处理这些错误,如,它可以依据要求的安全类别检测到错误。

以下特点对于EtherCAT协议安全性的实施非常重要:

♦ 遵循IEC 61508定义的安全完整性级别SIL3

♦ 同一通讯系统中安全和非安全信息

♦ 协议独立于传输系统和介质

♦ 协议不限制安全过程中数据长度

♦ 非常短的数据帧也是可能的

♦ 传输速度和循环时间不受限制

EtherCAT协议的安全性能已经由德国技术检验局进行了评估,EtherCAT的安全设备之间的过程数据传输已经达到了IEC 61508所定义的SIL 3等级。在设备上实施Safety over EtherCAT协议必须满足安全目标的要求。相关产品的特殊要求也必须予以考虑。

任何通讯方式都可使用,包括现场总线系统,以太网和其他相似的传输系统,光纤,同轴电缆,甚至是无线。

实施方面

EtherCAT被用作传输安全和非安全信息的单一通道通信系统。传输介质被视为“黑色通道”,而不在安全考虑中。一个安全数据帧包括安全过程数据,所需的数据备份包括在EtherCAT的过程数据中。在设备的安全应用层分析这个“数据容器”。通信维持单通道。

通过适当的方式,数据帧被设计成这样:使用少至6个字节数据长度的容器足够传输所有错误检测信息,其中一个字节用于安全过程数据。另外,该协议并没有施加任何关于安全过程数据长度的限制。这意味着,使用大量安全过程数据的安全组件也是被支持的。

在设备EtherCAT安全连接启动时,主站和从站都会处理状态机。这里的焦点就是使用简单的结构使实施过程尽可能简单。状态转换由主站初发起,并由从站确认。

交换安全输入和输出数据时的数据状态是正常运行数据。如果其中一个设备检测到通讯错误,它将进入复位状态,从而重新进行连接。

应用案例

一个安全通讯协议的安全功能和功能性只能在产品的实施过程中得到验证。从2005年以来带有EtherCAT安全功能的设备已经供应于市场。EtherCAT因此成为最先支持安全协议的工业以太网通讯系统之一。

应用利用技术优势。例如,可扩展的安全相关的输入和输出组件可以在系统中使用,使用安全或非安全设备,可以按照要求灵活扩展更多的输入或输出。

即使是安全逻辑也可以嵌入到网络中。控制PLC仍然是标准设备,不带安全扩展。安全逻辑是在网段中的安全设备中处理。这样节省了成本,而且可以改变系统中安全逻辑的规模。只是在Safety over EtherCAT主站和相关的安全从站设备间的信息才通过标准PLC转发。当然,Safety over EtherCAT同样支持实施传统的安全PLC的结构。

利用黑色通道的方式可以实现机器部件的串联。Safety over EtherCAT帧由过程控制层的标准通讯路由转发。

Crystal
EtherCAT对应的国家标准为:GB/T 31230

EtherCAT对应的国家标准为:GB/T 31230。具体:

GB/T 31230.1-2014:第1部分:概述

GB/T 31230.2-2014:第2部分:物理层服务和协议规范

GB/T 31230.3-2014:第3部分:数据链路层服务定义

GB/T 31230.4-2014:第4部分:数据链路层协议规范

GB/T 31230.5-2014:第5部分:应用层服务定义

GB/T 31230.6-2014:第6部分:应用层协议规范

Crystal
EtherCAT的主站相对简单,使用twincat就行

EtherCAT的主站相对简单,使用twincat就行。关键是从站的软硬件设计。应用不同,往往从站的软硬件设计和实现差异比较大。