德國倍福公司

    EtherCAT(Ethernet for Control Automation Technology) 是德國倍福（Beckhoff）最新提出的開(kāi)放式實(shí)時(shí)以太網(wǎng)。EtherCAT使用了標準的以太網(wǎng)技術(shù)并即將公布其協(xié)議，因此它確定了網(wǎng)絡(luò )開(kāi)放性的新標準。同時(shí)，由于它可在30µs內通過(guò)雙絞線(xiàn)或光纖電纜處理1 000個(gè)數字量I/O，從而也確定了實(shí)時(shí)以太網(wǎng)性能的新標準。EtherCAT為用戶(hù)在使用網(wǎng)絡(luò )拓撲結構時(shí)提供了選擇，即采用傳統的、價(jià)格更加昂貴的星型拓撲結構或者是采用低成本的總線(xiàn)型拓撲結構―無(wú)需昂貴的專(zhuān)用組件。EtherCAT使用的是市場(chǎng)上非常普遍且經(jīng)濟的以太網(wǎng)卡(NIC)，而其它的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)則往往需要特殊且昂貴的以太網(wǎng)卡。

圖1  EtherCAT

工作原理

    EtherCAT突破了其它以太網(wǎng)解決方案的系統限制：不必再像從前那樣在每個(gè)連接點(diǎn)接收以太網(wǎng)數據包，然后進(jìn)行解碼并復制為過(guò)程數據。當報文在設備的持續傳送過(guò)程中，每個(gè)I/O端子中的FMMU(Fieldbus Memory Management Unit)就可以讀出該報文中指定到此I/O的數據。同樣，輸入數據可以在報文通過(guò)時(shí)插入報文中，報文僅有幾納秒延遲。

圖2  報文傳遞僅有幾納秒延遲

    其它的以太網(wǎng)解決方案不能達到EtherCAT的實(shí)時(shí)能力。其中一個(gè)解決方案通過(guò)較高級的協(xié)議層禁止CSMA/CD存取過(guò)程，并使用時(shí)間片或輪詢(xún)過(guò)程來(lái)取代它。

    另一個(gè)以太網(wǎng)解決方案使用專(zhuān)用交換機，并采用精確的時(shí)間控制方式分配以太網(wǎng)數據包。這些解決方案只能在某種程度上實(shí)現將控制器數據快速而準確的傳輸至以太網(wǎng)節點(diǎn)。然而，它們由于存在以太網(wǎng)節點(diǎn)到實(shí)際I/O或驅動(dòng)控制器的傳輸延遲而受到限制。還有一類(lèi)解決方案在使用模塊化 I/O 時(shí)，需要一個(gè)子總線(xiàn)，就像德國倍福從前所作的那樣，利用已有的現場(chǎng)總線(xiàn)，通過(guò)同步子總線(xiàn)系統加快傳輸速度。但是，這樣的同步將無(wú)法避免通訊總線(xiàn)傳輸的延遲，德國倍福率先在EtherCAT中使用FMMU前沿技術(shù)解決了該問(wèn)題。

端子實(shí)現以太網(wǎng)

    德國倍福用于I/O模塊的以太骨干網(wǎng)稱(chēng)為E-bus。E-bus將使用不同電信號的I/O點(diǎn)數據傳送至下一個(gè)I/O點(diǎn)，但不改變以太網(wǎng)數據。第一個(gè)以太網(wǎng)節點(diǎn)稱(chēng)為總線(xiàn)耦合器，它可以將電信號通過(guò)標準雙絞線(xiàn)或光纜變換至E-bus。變換至E-bus的信號可以滿(mǎn)足電子端子塊的電信號要求。端子塊（E-bus）中的信號也可以通過(guò)雙絞線(xiàn)在短距離內傳輸（最長(cháng)10米）。用這種廉價(jià)的方式可以對端子塊進(jìn)行擴展。由于以太網(wǎng)數據沒(méi)有發(fā)生變化，其后續的向以太網(wǎng)的變換可以隨時(shí)進(jìn)行。

    從控制的觀(guān)點(diǎn)看，控制器的硬件通常采用非常經(jīng)濟而普遍的標準網(wǎng)絡(luò )接口卡（NIC）。德國倍福提供的這種卡是配備有4個(gè)以太網(wǎng)通道的PCI卡。這些接口卡的共同特點(diǎn)是：通過(guò)DMA(direct memory access)將數據傳送至PC，即網(wǎng)絡(luò )存取不會(huì )占用CPU資源。

    這種NIC卡使用TwinCAT Y驅動(dòng)，實(shí)現了與軟件操作系統和實(shí)時(shí)系統的無(wú)縫連接。這意味著(zhù)，TwinCAT Y驅動(dòng)既是兼容的網(wǎng)絡(luò )驅動(dòng)，也是TwinCAT以太網(wǎng)現場(chǎng)總線(xiàn)卡的驅動(dòng)。通過(guò)內部的優(yōu)先級系統管理，實(shí)時(shí)系統以太網(wǎng)幀的優(yōu)先級高于普通操作系統幀。普通的操作系統以太網(wǎng)幀（如打印緩沖池、因特網(wǎng)、電子郵件等）都是在有足夠的時(shí)間“間隙”時(shí)傳送的。在接收端，所有接收到的以太網(wǎng)幀都由TwinCAT I/O系統檢驗，并過(guò)濾出那些與實(shí)時(shí)系統相關(guān)的數據，其它幀則在檢測之后傳遞給操作系統。

    由于操作系統的以太網(wǎng)功能具備完整性，所有與操作系統兼容的協(xié)議都可在同一物理網(wǎng)絡(luò )下并行工作。這些協(xié)議不僅包括一些諸如TCP/IP、HTTP、FTP、SOAP等標準IT協(xié)議，還包括所有諸如ModbusTCP、ProfiNet 或EthernetIP等工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議。

協(xié)議

    EtherCAT協(xié)議在以太網(wǎng)幀內使用了一個(gè)特殊的以太類(lèi)型（Ether type）。這個(gè)類(lèi)型可以使控制數據直接傳輸至以太網(wǎng)幀內而無(wú)須重新定義標準以太網(wǎng)幀。EtherCAT的以太網(wǎng)幀可以由多個(gè)子報文組成，每個(gè)報文都服務(wù)于一個(gè)特定的邏輯映像區（Logic process image），該邏輯映像區最大可達4GB。由于數據鏈獨立于物理順序，因此可以對EtherCAT端子進(jìn)行任意編址。廣播式、多播式和從站間的通訊均可進(jìn)行。當TwinCAT控制的EtherCAT組件與控制計算機在同一子網(wǎng)時(shí)，數據將直接采用以太網(wǎng)幀進(jìn)行傳送。

圖3   EtherCAT通過(guò)FMMU實(shí)現隨機地址映射

    然而，EtherCAT的應用領(lǐng)域不僅僅局限于TwinCAT控制系統，EtherCAT UDP可將EtherCAT協(xié)議打包至UDP/IP的報文內。該特性可以使用于任何帶以太網(wǎng)協(xié)議堆棧的控制尋址EtherCAT系統，甚至允許經(jīng)路由器跨接其它子網(wǎng)的通訊也成為可能。在這種情況下，系統的性能顯然取決于控制的實(shí)時(shí)性和以太網(wǎng)協(xié)議的實(shí)現方式。EtherCAT網(wǎng)絡(luò )本身的響應時(shí)間幾乎不受限制，UDP報文只須在第一個(gè)站點(diǎn)解壓包。

性能

    EtherCAT使網(wǎng)絡(luò )性能達到了一個(gè)新境界。借助于端子中的EtherCAT ASIC和主站中讀取網(wǎng)卡數據的DMA技術(shù)，整個(gè)協(xié)議處理過(guò)程都在硬件中進(jìn)行，因此，它獨立于協(xié)議椎棧的實(shí)時(shí)運行系統、CPU性能和軟件運行。1 000個(gè)I/O的刷新只需30μs，包括端子的循環(huán)時(shí)間。它可以在一個(gè)以太網(wǎng)幀中交換最多達1 468個(gè)字節的協(xié)議數據，這幾乎相當于12 000個(gè)數字輸入或輸出，這些數據的傳輸僅需300μs。100個(gè)伺服軸的通訊也只需100μs，在此期間，可以向所有軸提供設置值和控制數據，并報告他們的實(shí)際位置和狀態(tài)。分布式時(shí)鐘技術(shù)保證了這些軸之間的同步時(shí)間偏差小于1μs。

    EtherCAT技術(shù)的高性能特征可以實(shí)現傳統的現場(chǎng)總線(xiàn)系統無(wú)法實(shí)現的控制理念。例如，以太網(wǎng)如今不僅能夠處理速度控制，而且也可以處理分布式驅動(dòng)器的電流（轉矩）控制。巨大的帶寬資源使狀態(tài)數據與任何數據并行傳輸。EtherCAT技術(shù)使得通訊技術(shù)與現代高性能的工業(yè)PC相匹配?？偩€(xiàn)系統不再是控制理念的瓶頸。分布式I/O的數據傳遞超過(guò)了只能由本地I/O接口才能實(shí)現的性能。EtherCAT技術(shù)的原理具備擴展性，不束縛于100M帶寬，擴展至千兆位的以太網(wǎng)也是可能的。

EtherCAT 替代PCI

    由于使用了集成于主板的以太網(wǎng)口，而不再需要附加接口插槽，PC主機體積越來(lái)越小，成本也越來(lái)越低。隨著(zhù)PC組件小型化的加速發(fā)展，工業(yè)PC的體積主要依賴(lài)于所需要的插槽數目。高速以太網(wǎng)帶寬以及EtherCAT通訊硬件（FMMU）數據帶寬的利用，確定了接口技術(shù)的新方向：即工業(yè)PC中的傳統接口將轉變?yōu)?/SPAN>EtherCAT系統的高智能接口端子。除分布式I/O之外，軸和控制單元，復雜系統，如現場(chǎng)總線(xiàn)主站、高速串行接口、網(wǎng)關(guān)及其它通訊接口都可以被尋址，甚至沒(méi)有協(xié)議變體限制的以太網(wǎng)設備也可以通過(guò)分布式“集線(xiàn)器端子”連接。工業(yè)PC主機體積越來(lái)越小，成本也越來(lái)越低，一個(gè)以太網(wǎng)接口足以應對所有的通訊任務(wù)。

圖4   EtherCAT替代PCI

拓撲結構

    線(xiàn)型、樹(shù)型或星型結構：EtherCAT支持幾乎所有的拓撲結構。其它現場(chǎng)總線(xiàn)通用的總線(xiàn)型或線(xiàn)型結構在EtherCAT中同樣適用。需要的接口已置于耦合器上，而無(wú)需再另加集線(xiàn)器，這特別適用于結合了線(xiàn)型、分支型或樹(shù)型的布線(xiàn)方式。當然，傳統的基于交換機的星型以太網(wǎng)拓撲結構也可以使用。

    采用不同的傳輸電纜可以最大限度地發(fā)揮布線(xiàn)的靈活性。靈活且低成本的標準以太網(wǎng)電纜可以選擇采用以太網(wǎng)模式傳輸數據（100Base-TX），或者采用E-bus信號處理方式。光纖(PFO)可以用于特殊的應用場(chǎng)合。以太網(wǎng)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。

    快速以太網(wǎng)或E-bus可以按照距離要求進(jìn)行選擇?？焖僖蕴W(wǎng)的物理特性可以使設備之間的距離達到100米，而E-bus只能保障10米的間距。整個(gè)網(wǎng)絡(luò )規模幾乎是無(wú)限制的，因其可以容納最多達65 535個(gè)設備連接。

分布時(shí)鐘

    精確同步在廣泛要求同時(shí)動(dòng)作的分布過(guò)程中顯得尤為重要，如幾個(gè)伺服軸在執行同時(shí)聯(lián)動(dòng)任務(wù)時(shí)。分布時(shí)鐘的精確校準是同步的最有效解決方案，如同在新的IEEE1588標準中所敘述的那樣。相反地，如果采用完全同步，當通訊出現錯誤時(shí)，同步數據的品質(zhì)將受到很大影響，在通訊系統中，分步式校準時(shí)鐘在某種程度上具備錯誤延遲的容錯性。

    在EtherCAT中，數據交換是完全基于硬件“主時(shí)鐘” 和“子時(shí)鐘”的。因為該通訊使用了一個(gè)邏輯的和全雙工的快速以太網(wǎng)物理環(huán)結構，每個(gè)時(shí)鐘可以簡(jiǎn)單和準確地確定另一個(gè)時(shí)鐘的實(shí)時(shí)偏移量。分布時(shí)鐘基于該值進(jìn)行調整，這意味著(zhù)它可以在網(wǎng)絡(luò )范圍內提供信號抖動(dòng)小于1μs的、非常精確的時(shí)鐘基。

    然而，高性能分布時(shí)鐘不僅用于同步，而且也可以提供數據采集時(shí)本地時(shí)間的精確信息。例如，控制經(jīng)常通過(guò)連續測量的位置值計算出速度。尤其是在非常短的采樣時(shí)間內，在位移測量中，即使是一個(gè)很小的隨機抖動(dòng)都會(huì )導致速度的極大變化。使用TwinCAT，德國倍福引進(jìn)了新的、擴展的數據類(lèi)型（時(shí)間戳(timestamp) 數據類(lèi)型，超采樣（oversampling）數據類(lèi)型）。本地時(shí)間與被測值相連接，利用基于以太網(wǎng)的寬帶資源，其處理時(shí)間可小于10納秒。因此，速度計算的精確度不再依賴(lài)于通訊系統的抖動(dòng)。這比基于無(wú)抖動(dòng)通訊的測量技術(shù)有極大的提高。

熱連接

    熱連接功能能夠使網(wǎng)絡(luò )的各部分相連，并且解耦或重新自由配置；所提供的靈活響應特性，改變了很多應用需要在運行時(shí)變更I/O配置的需求。例如，具備變更特性的處理中心、裝備傳感器的工具系統或者智能化的傳輸設備、靈活的工件執行器等。EtherCAT系統考慮到了這些需求：任意配置。

診斷

    在EtherCAT的研發(fā)過(guò)程中，特別注重典型的診斷特征。德國倍福廣泛的現場(chǎng)總線(xiàn)系統經(jīng)驗表明，有效性和試運行時(shí)間主要依賴(lài)于診斷的能力。只有當錯誤被快速而準確地檢測出，并且清楚地指明其所在位置時(shí)，錯誤才能被及時(shí)的排除。

    在試運行期間，將使用該指定的配置檢測I/O端子實(shí)際配置的連續性。

    拓撲結構也要與配置相匹配。因為有內置的拓撲結構識別，I/O可以在系統啟動(dòng)時(shí)或通過(guò)自動(dòng)上裝配置時(shí)進(jìn)行確認。數據傳輸過(guò)程中的位錯誤可以通過(guò)有效的32位CRC校驗碼檢測到，它使漢明間距（Hamming Check）達到最小值4。EtherCAT協(xié)議，傳輸物理層和拓撲結構使得高品質(zhì)監控每個(gè)獨立的傳輸段成為現實(shí)。

總線(xiàn)端子

    現有的德國倍?；?/SPAN>K-bus總線(xiàn)的I/O端子可以直接與EtherCAT相連，包括一些配備網(wǎng)絡(luò )接口、用于模塊化I/O端子的相應耦合器。它保證了新老產(chǎn)品的兼容性和可持續性，有效地保護了現有的和未來(lái)的投資。

圖5  EtherCAT與K-bus的無(wú)縫連結

開(kāi)放性

    EtherCAT技術(shù)在設計之初就以開(kāi)放性為其宗旨，它完全與以太網(wǎng)（802.3）兼容：該協(xié)議可與其它提供各種服務(wù)的以太網(wǎng)協(xié)議并存，并且所有的協(xié)議都并存于同一物理介質(zhì)中，通常只會(huì )對整個(gè)網(wǎng)絡(luò )性能有很小程度的影響。標準的以太網(wǎng)設備可通過(guò)集線(xiàn)器端子連接至一個(gè)EtherCAT系統，該端子并不會(huì )影響循環(huán)時(shí)間。配備傳統現場(chǎng)總線(xiàn)接口的設備可通過(guò)EtherCAT現場(chǎng)總線(xiàn)主站端子的連接集成到網(wǎng)絡(luò )中。UDP協(xié)議變體允許設備整合于任何插槽接口或堆棧中。EtherCAT協(xié)議將在作出最后的技術(shù)規范后發(fā)布。