我們近期收到來(lái)自ETG會(huì )員的反饋，在網(wǎng)絡(luò )上流傳的某些比較各種工業(yè)以太網(wǎng)通訊技術(shù)的文章中，針對EtherCAT部分的描述有誤，會(huì )員希望ETG對相應錯誤部分給予糾正，防止讀者被誤導。此外，針對該文章中指出的TSN技術(shù)適用于現場(chǎng)層的應用的觀(guān)點(diǎn)，我們借此機會(huì )給予我們的解讀。

以某一家現場(chǎng)總線(xiàn)組織為名的關(guān)于多家工業(yè)以太網(wǎng)現場(chǎng)總線(xiàn)的對比只是站在某一種總線(xiàn)角度進(jìn)行技術(shù)比較，對于廣大用戶(hù)來(lái)說(shuō)并不具有代表性和權威性，且因其對EtherCAT技術(shù)了解的片面性，文章中在技術(shù)層面出現很多錯誤，為工業(yè)以太網(wǎng)用戶(hù)帶來(lái)諸多困擾。

我們在此列舉了以下技術(shù)錯誤并進(jìn)行了相應的糾正，以幫助用戶(hù)正確理解工業(yè)以太網(wǎng)以及EtherCAT技術(shù)。

錯誤1：1.2章節關(guān)于主流通訊協(xié)議的循環(huán)周期比較

按照圖示中關(guān)于EtherCAT的參數：70多個(gè)節點(diǎn)，100個(gè)字節的數據量，循環(huán)周期要超過(guò)1700微秒。

實(shí)際應用中采用硬件測試過(guò)的EtherCAT性能如下：

1000個(gè)開(kāi)關(guān)量分布在100個(gè)節點(diǎn)上，循環(huán)周期為30微秒

100個(gè)伺服軸，每個(gè)軸8字節的輸入/輸出數據，循環(huán)周期為100微秒

EtherCAT與其他千兆以太網(wǎng)及TSN性能比較

上圖中所示，與其他的基于千兆以太網(wǎng)的總線(xiàn)技術(shù)與TSN比較，EtherCAT的真實(shí)性能應該如圖中最底層的平面（藍色平面）所示。顯然，EtherCAT的性能明顯優(yōu)于其他的技術(shù)。

錯誤2：1.2章節關(guān)于EtherCAT循環(huán)周期時(shí)間的計算公式錯誤：

對于通常的EtherCAT系統中含有的三類(lèi)設備：輸入設備、輸出設備、輸入輸出混合設備。對于含有以上三類(lèi)設備的EtherCAT系統的最小循環(huán)周期公式應為：

說(shuō)明： EtherCAT協(xié)議定義數據幀結構，可以將數據報文分成多個(gè)子報文，每個(gè)子報文可以對應一個(gè)到多個(gè)從站。一般情況下子報文都是對應同類(lèi)的一系列設備，例如所有輸入模塊對應一個(gè)子報文，所有輸出模塊對應一個(gè)子報文，所有輸入輸出的模塊對應一個(gè)子報文。這樣如果系統中以上三類(lèi)設備，外加一個(gè)用于監控設備狀態(tài)機的廣博子報文后，公式應該是4×（x+12）。文中提到的是將每一個(gè)從站都對應一個(gè)子報文，這不是必須的，絕大多數情況都不會(huì )使用到這種極限方式。

錯誤3：在公式說(shuō)明后提到如下內容：

“這里介紹的所有方程都是假設了簡(jiǎn)單的情況，其中輸入和輸出數據量相等，拓撲結構為完美的總線(xiàn)型。然而在實(shí)際應用中，這種比較取決于許多其他參數：

輸入數據與輸出數據的比率

具有直接交叉通信的設備的百分比

利用不同的循環(huán)周期

拓撲結構（總線(xiàn)型、星型、環(huán)型），以及設備之間的跳數

帶有自己背板總線(xiàn)的模塊化I/O的可用性”

EtherCAT的性能有很好的確定性，對于確定了節點(diǎn)數和負載的應用，就有確定的EtherCAT系統性能，而無(wú)需考慮其他不必要的因素。

EtheCAT與輸入數據與輸出數據的比率無(wú)關(guān)。EtherCAT系統性能與傳輸時(shí)間和總數據量有關(guān)，而不是數據量中輸入輸出數據的比率。

EtheCAT性能與直接交叉通信的設備的百分比無(wú)關(guān)。EtherCAT從站物理層選擇交叉索引自適應的PHY，所以和“直接交叉通信的設備的百分比”無(wú)關(guān)，并且系統中無(wú)需全雙工的交換機及半雙工的HUB設備。

EtherCAT性能受不同的循環(huán)周期的影響，但這種方式是指主站可以?xún)?yōu)化報文，不同類(lèi)型的設備根據不同的任務(wù)周期發(fā)送數據，從而釋放主站的性能。

EtherCAT支持多種拓撲結構（總線(xiàn)型、星型、環(huán)型、樹(shù)型、線(xiàn)型），且性能和拓撲結構無(wú)關(guān)。而且不涉及設備之間的跳數的問(wèn)題，不存在這方面影響。

EtherCAT是一網(wǎng)到底，沒(méi)有背板總線(xiàn)，因此不存在背板總線(xiàn)的影響。

有關(guān)TSN和EtherCAT：

TSN的用武之地在于異構性網(wǎng)絡(luò )的實(shí)時(shí)性數據交換，而在現場(chǎng)總線(xiàn)層的應用中，TSN不會(huì )替代EtherCAT。

TSN是Time Sensitive Networking（時(shí)間敏感性網(wǎng)絡(luò )）的縮寫(xiě)，是一個(gè)IEEE橋接（“交換技術(shù)”）的工作組的項目。因為傳統的基于“Best effort”方式對普通以太網(wǎng)的應用不能夠滿(mǎn)足廣泛的實(shí)時(shí)性需求（例如在音頻/視頻和廣泛的IT通信與EtherCAT系統通訊），所以該工作組旨在通過(guò)確定性的研究提升以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)性。它有如下特點(diǎn)：

在IEEE802.1規范中，數據幀被盡可能快的轉發(fā)，避免阻塞。

一部分帶寬被預留為“Stream”（數據高速通道），用于傳輸對時(shí)間要求更高的通訊。

剩余的帶寬用于普通的數據傳輸（“延遲通道”）。

從上圖中可見(jiàn)，實(shí)時(shí)性是通過(guò)在TSN中建立數據高速通道實(shí)現的。那么，對于現場(chǎng)層的數據通訊，通常是節點(diǎn)數眾多，響應要求快，周期性循環(huán)的通訊，如果直接通過(guò)TSN連接帶有n個(gè)節點(diǎn)的系統，就要求建立n個(gè)數據高速通道。這顯然會(huì )影響其他類(lèi)型的數據通訊，并且在網(wǎng)絡(luò )配置方面也是不切實(shí)際的。

TSN真正的用意在于異構網(wǎng)絡(luò )的搭建。在未來(lái)的工業(yè)網(wǎng)絡(luò )或者泛工業(yè)的應用中，同一個(gè)網(wǎng)絡(luò )需要集成不同類(lèi)型的設備、不同類(lèi)型的通訊，這些通訊設備之間需要進(jìn)行實(shí)時(shí)性交互時(shí)，正是TSN的用武之地。TSN通過(guò)對TSN交換機的配置鏈接不同的設備或者網(wǎng)段，實(shí)現數據實(shí)時(shí)交互。這種實(shí)時(shí)性通過(guò)TSN配置給每個(gè)網(wǎng)段或者設備的“數據高速通道”實(shí)現。因此，TSN嵌入在IEEE 802技術(shù)中有助于協(xié)調通信，它會(huì )消除一些不必要的沖突，但不會(huì )改變基本規則。TSN的兩個(gè)主要性能缺陷是無(wú)法改變的，即針對小數據量的以太網(wǎng)幀處理效率以及復雜且耗時(shí)的轉發(fā)進(jìn)程。

在對于機器的控制中，EtherCAT在典型的IO網(wǎng)段的性能比TSN高出近十倍。EtherCAT作為當今最快速的工業(yè)以太網(wǎng)現場(chǎng)總線(xiàn)可以和TSN技術(shù)完美結合。

如上圖所示，在異構網(wǎng)絡(luò )中涉及到機器控制（多節點(diǎn)、高速響應、硬實(shí)時(shí)性要求）采用EtherCAT網(wǎng)段，每一個(gè)EtherCAT網(wǎng)段（含有多個(gè)EtherCAT節點(diǎn)設備）通過(guò)TSN交換機建立的一個(gè)高速數據通道與主站相連。

這種用法非常高效，基于共享幀方式的EtherCAT由于網(wǎng)絡(luò )中多個(gè)從站設備的數據可以在同一個(gè)數據幀中傳輸，EtherCAT連到TSN網(wǎng)絡(luò )中后，使得TSN配置更加容易并高效。整個(gè)EtherCAT網(wǎng)段僅利用了TSN的一個(gè)“高速通道”，并保證了在異構網(wǎng)絡(luò )中EtherCAT網(wǎng)段中所有設備與其他類(lèi)型設備及EtherCAT主站的實(shí)時(shí)通訊。

此外，關(guān)于TSN規范制定工作還在進(jìn)程當中，如下圖，其中一些規范還處于草稿或者投票等階段，只有一部分規范對外發(fā)布。值得注意的是，現階段對于TSN網(wǎng)絡(luò )的配置工具目前還沒(méi)有發(fā)布，有效的TSN網(wǎng)絡(luò )還不能組態(tài)。

為了保證EtherCAT技術(shù)與TSN的適用性，EtherCAT技術(shù)協(xié)會(huì )已經(jīng)在2017年底發(fā)布了EtherCAT關(guān)于TSN的設備行規。該行規規范用于EtherCAT和TSN的使用，文檔中對已發(fā)布的TSN規范和EtherCAT技術(shù)的結合進(jìn)行了定義，此文檔可以在ETG官方網(wǎng)站下載，隨著(zhù)TSN規范的完善，此文檔也會(huì )相應的更新版本，當前版本是ETG.1700 S (D) V0.9.0。

TSN的真正優(yōu)勢在于增強了包括很多機器在內的本地網(wǎng)絡(luò )的性能。它未來(lái)的發(fā)展必然會(huì )降低當前機器到機器網(wǎng)絡(luò )器件的復雜性。這將需要一個(gè)通用的協(xié)議基礎架構和網(wǎng)絡(luò )控制系統，并且兩者都需要可以在機器層進(jìn)行有效處理的器件。

在未來(lái)的自動(dòng)化系統中，如何組織通信將比通信特性本身更重要。這就是為什么EtherCAT保留了現有元器件并提供了單獨對TSN功能的適配。因此，我們可以支持更強大的功能，并保護您對EtherCAT的資產(chǎn)投入。

關(guān)于EtherCAT技術(shù)協(xié)會(huì ) (ETG):

EtherCAT技術(shù)協(xié)會(huì )是一個(gè)來(lái)自于各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域的重要用戶(hù)和領(lǐng)先的自動(dòng)化供應商支持，推廣并完善EtherCAT技術(shù)的組織。擁有來(lái)自65個(gè)國家的4600多家會(huì )員公司的EtherCAT技術(shù)協(xié)會(huì )目前成為全球最大的現場(chǎng)總線(xiàn)組織。該協(xié)會(huì )創(chuàng )立于2003年，也是成長(cháng)速度最快的現場(chǎng)總線(xiàn)組織。

關(guān)于EtherCAT:

EtherCAT是工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，以高性能，低成本，使用簡(jiǎn)單且靈活的拓撲為特點(diǎn)。該技術(shù)在2003年引入市場(chǎng)并在2007年成為IEC國際標準和SEMI標準。EtherCAT是一項開(kāi)放的技術(shù)：任何人都可以實(shí)施或者使用它。