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EtherCAT技術原理及特點介紹

EtherCAT技術突破了其他以太網解決方案的系統限制:通過該項技術,無需接收以太網數據包,將其解碼,之后再將過程數據復制到各個設備。EtherCAT從站設備在報文經過其節點時讀取相應的編址數據,同樣,輸入數據也是在報文經過時插入至報文中(參見圖1)。整個過程中,報文只有幾納秒的時間延遲。

Process data is inserted in telegrams
圖 1: 過程數據插入至報文中

由于發送和接收的以太網幀壓縮了大量的設備數據,所以有效數據率可達90%以上。100 Mb/s TX的全雙工特性完全得以利用,因此,有效數據率可 大于100 Mb/s(即大于2 x 100 Mb/s的90%)(參見圖2)。

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圖 2: 帶寬利用率的比較

符合IEEE 802.3標準的以太網協議無需附加任何總線即可訪問各個設備。耦合設備中的物理層可以將雙絞線或光纖轉換為LVDS(一種可供選擇的以太網物理層標準[4,5]),以滿足電子端子塊等模塊化設備的需求。這樣,就可以非常經濟地對模塊化設備進行擴展了。之后,便可以如普通以太網一樣,隨時進行從底板物理層LVDS到100 Mb/s TX物理層的轉換。

EtherCAT 技術特征協議

EtherCAT是用于過程數據的優化協議,憑借特殊的以太網類型,它可以在以太網幀內直接傳送。EtherCAT幀可包括幾個EtherCAT報文,每個報文都服務于一塊邏輯過程映像區的特定內存區域,該區域最大可達4GB字節。數據順序不依賴于網絡中以太網端子的物理順序,可任意編址。從站之間的廣播、多播和通訊均得以實現。當需要實現最佳性能,且要求EtherCAT組件和控制器在同一子網操作時,則直接以太網幀傳輸就將派上用場。

然而,EtherCAT不僅限于單個子網的應用。EtherCAT UDP將EtherCAT協議封裝為UDP/IP數據報文(參見圖3),這就意味著,任何以太網協議堆棧的控制均可編址到EtherCAT系統之中,甚至通訊還可以通過路由器跨接到其它子網中。顯然,在這種變體結構中,系統性能取決于控制的實時特性和以太網協議的實現方式。因為UDP數據報文僅在第一個站才完成解包,所以EtherCAT網絡自身的響應時間基本不受影響。

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圖 3: EtherCAT:符合IEEE 802.3 [3]的標準幀

另外,根據主/從數據交換原理,EtherCAT也非常適合控制器之間(主/從)的通訊。自由編址的網絡變量可用于過程數據以及參數、診斷、編程和各種遠程控制服務,滿足廣泛的應用需求。主站/從站與主站/主站之間的數據通訊接口也相同。

從站到從站的通訊則有兩種機制以供選擇。一種機制是,上游設備和下游設備可以在同一周期內實現通訊,速度非常快。由于這種方法與拓撲結構相關,因此適用于由設備架構設計所決定的從站到從站的通訊,如打印或包裝應用等。而對于自由配置的從站到從站的通訊,則可以采用第二種機制—數據通過主站進行中繼。這種機制需要兩個周期才能完成,但由于EtherCAT的性能非常卓越,因此該過程耗時仍然快于采用其他方法所耗費的時間。

按照文獻[3]所述,EtherCAT僅使用標準的以太網幀,無任何壓縮。因此,EtherCAT 以太網幀可以通過任何以太網MAC發送,并可以使用標準工具(如:監視器)。

2 拓撲

EtherCAT幾乎支持任何拓撲類型,包括線型、樹型、星型等(參見圖4)。通過現場總線而得名的總線結構或線型結構也可用于以太網,并且不受限于級聯交換機或集線器的數量。

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圖 4: 靈活的拓撲結構:線型、樹型或星型拓撲

最有效的系統連線方法是對線型、分支或樹叉結構進行拓撲組合。因為所需接口在I/O 模塊等很多設備中都已存在,所以無需附加交換機。當然,仍然可以使用傳統的、基于以太網的星型拓撲結構。

還可以選擇不同的電纜以提升連線的靈活性:靈活、經濟的標準超五類以太網電纜可采用100BASE-TX模式傳送信號;塑封光纖(PFO)則可用于特殊應用場合;還可通過交換機或介質轉換器實現不同以太網連線(如:不同的光纖和銅電纜)的完整組合。

快速以太網的物理層(100BASE-TX )允許兩個設備之間的最大電纜長度為100米。由于連接的設備數量可高達65535,因此,網絡的容量幾乎沒有限制。

3. 分布時鐘

精確同步對于同時動作的分布式過程而言尤為重要。例如,幾個伺服軸同時執行協調運動時,便是如此。

最有效的同步方法是精確排列分布時鐘(請參閱IEEE 1588標準[6])。與完全同步通訊中通訊出現故障會立刻影響同步品質的情況相比,分布排列的時鐘對于通訊系統中可能存在的相關故障延遲具有極好的容錯性。

采用EtherCAT,數據交換就完全基于純硬件機制。由于通訊采用了邏輯環結構 (借助于全雙工快速以太網的物理層),主站時鐘可以簡單、精確地確定各個從站時鐘傳播的延遲偏移,反之亦然。分布時鐘均基于該值進行調整,這意味著可以在網絡范圍內使用非常精確的、小于1 微秒的、確定性的同步誤差時間基(參見圖5)。而跨接工廠等外部同步則可以基于IEEE 1588 標準。

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圖 5: 同步性與一致性:相距電纜長度為有120米的兩個分布系統,帶有300個節點的示波器比較

此外,高分辨率的分布時鐘不僅可以用于同步,還可以提供數據采集的本地時間精確信息。當采樣時間非常短暫時,即使是出現一個很小的位置測量瞬時同步偏差,也會導致速度計算出現較大的階躍變化,例如,運動控制器通過順序檢測的位置計算速度便是如此。而在EtherCAT中,引入時間戳數據類型作為一個邏輯擴展,以太網所提供的巨大帶寬使得高分辨率的系統時間得以與測量值進行鏈接。這樣,速度的精確計算就不再受到通訊系統的同步誤差值影響,其精度要高于基于自由同步誤差的通訊測量技術。

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