在平時(shí)應(yīng)用時(shí)KUKA機(jī)器人，鉚接設(shè)備，激光焊等設(shè)備大量使用了EtherCAT通訊，下面我們就來介紹一下它。

1.EtherCAT協(xié)議處理完全在硬件中進(jìn)行

協(xié)議ASIC 可靈活配置。過程接口可從1 位擴(kuò)展到64 kbyte。

所以使得以太網(wǎng)可以直達(dá)端子模塊：

符合IEEE 802.3 標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)協(xié)議無需附加任何總線即可訪問各個(gè)設(shè)備。耦合設(shè)備中的物理層由100BASE-TX 或–FX 轉(zhuǎn)換為E-bus，以滿足電子端子排等模塊化設(shè)備的需求。端子排內(nèi)的E-bus 信號類型（LVDS）并不是專用的，它還可用于 10 Gbit 以太網(wǎng)。在端子排末端，物理總線特性被轉(zhuǎn)換回100BASE-TX 標(biāo)準(zhǔn)。

主板集成的以太網(wǎng)MAC 足以作為主站設(shè)備中的硬件使用。DMA（直接存儲器存?。┯糜趯?shù)據(jù)傳輸?shù)街鲀?nèi)存，解除了 CPU 存取網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的負(fù)擔(dān)。Beckhoff 的多端口插卡中運(yùn)用了相同的原理，它在一個(gè)PCI 插槽中最多捆綁了4 個(gè)以太網(wǎng)通道。

2. EtherCAT的性能

EtherCAT 使網(wǎng)絡(luò)性能達(dá)到了一個(gè)新境界。

1000 個(gè)I/O 的更新時(shí)間只需30 μs，其中還包括I/O 周期時(shí)間。單個(gè)以太網(wǎng)幀最多可進(jìn)行1486 字節(jié)的過程數(shù)據(jù)交換，幾乎相當(dāng)于12000 個(gè)數(shù)字輸入和輸出，而傳送這些數(shù)據(jù)耗時(shí)僅為300 μs。

與100 個(gè)伺服軸的通訊每100 μs 執(zhí)行一次?？稍谶@一周期時(shí)間內(nèi)更新帶有命令值和控制數(shù)據(jù)的所有軸的實(shí)際位置及狀態(tài)，分布式時(shí)鐘技術(shù)使軸的同步偏差小于1 微秒。

超高性能的EtherCAT 技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線系統(tǒng)無法迄及的控制理念。

這樣，通過總線也可以形成超高速控制回路。以前需要本地專用硬件支持的功能現(xiàn)在可在軟件中加以映射。巨大的帶寬資源使得狀態(tài)數(shù)據(jù)能夠與任何數(shù)據(jù)并行傳輸。EtherCAT 使通訊技術(shù)和現(xiàn)代工業(yè)PC 所具有的超強(qiáng)計(jì)算能力相適應(yīng)，總線系統(tǒng)不再是控制理念的瓶頸，分布式I/O 可能比大多數(shù)本地I/O 接口運(yùn)行速度更快。

這種網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)勢在具有相對中等運(yùn)算能力的小型控制器中較為明顯。EtherCAT周期時(shí)間如此之短，使得它可以在兩個(gè)控制周期之間完成。因此，控制器總是能夠獲取最新的輸入數(shù)據(jù)；輸出以最小的延遲尋址。無需增強(qiáng)本身的運(yùn)算能力，控制器的響應(yīng)行為就能夠得到顯著改善。

借助于從站硬件集成和網(wǎng)絡(luò)控制器主站的直接內(nèi)存存取，整個(gè)協(xié)議的處理過程都在硬件中得以實(shí)現(xiàn)，因此，完全獨(dú)立于協(xié)議堆棧的實(shí)時(shí)運(yùn)行系統(tǒng)、CPU 性能或軟件實(shí)現(xiàn)方式。

1000個(gè)I/O的更新時(shí)間只需30 μs，其中還包括I/O周期時(shí)間。

單個(gè)以太網(wǎng)幀最多可進(jìn)行1486字節(jié)的過程數(shù)據(jù)交換，幾乎相當(dāng)于12000個(gè)數(shù)字輸入和輸出，而傳送這些數(shù)據(jù)耗時(shí)僅為300 μs。

100個(gè)伺服軸的通訊也非?？焖伲嚎稍诿?00μs中更新帶有命令值和控制數(shù)據(jù)的所有軸的實(shí)際位置及狀態(tài)，分布時(shí)鐘技術(shù)使軸的同步偏差小于1微秒。而即使是在保證這種性能的情況下，帶寬仍足以實(shí)現(xiàn)異步通訊，如TCP/IP、下載參數(shù)或上載診斷數(shù)據(jù)。

超高性能的EtherCAT技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線系統(tǒng)無法迄及的控制理念。EtherCAT使通訊技術(shù)和現(xiàn)代工業(yè)PC所具有的超強(qiáng)計(jì)算能力相適應(yīng)，總線系統(tǒng)不再是控制理念的瓶頸，分布式I/O可能比大多數(shù)本地I/O接口運(yùn)行速度更快。EtherCAT技術(shù)原理具有可塑性，并不束縛于100 M bps的通訊速率，甚至有可能擴(kuò)展為1000M bps的以太網(wǎng)。

3. EtherCAT的拓?fù)?/p>

總線形、樹形或星型：EtherCAT支持幾乎任何類型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

因此，由于現(xiàn)場總線而得名的總線結(jié)構(gòu)或線型結(jié)構(gòu)也可用于以太網(wǎng)，并且不受限于級聯(lián)交換機(jī)或集線器的數(shù)量。

最有效的系統(tǒng)連線方法是對線型、分支或樹叉結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓?fù)浣M合。因?yàn)樗杞涌谠贗/O 模塊等很多設(shè)備中都已存在，所以無需附加交換機(jī)。

當(dāng)然，仍然可以使用傳統(tǒng)的、基于以太網(wǎng)的星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

還可以選擇不同的電纜以提升連線的靈活性：靈活、經(jīng)濟(jì)的標(biāo)準(zhǔn)超五類以太網(wǎng)電纜可采用100BASE-TX 模式傳送信號，兩臺設(shè)備之間的最大電纜長度為100 m。

還可通過交換機(jī)或介質(zhì)轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)不同以太網(wǎng)連線（如不同的光纖和銅電纜）的完整組合。

信號變量可以根據(jù)每個(gè)電纜間距單獨(dú)選擇。由于連接的設(shè)備數(shù)量可高達(dá)65535，因此，網(wǎng)絡(luò)的容量幾乎沒有限制。

EtherCAT使用全雙工的以太網(wǎng)實(shí)體層，從站可能有二個(gè)或二個(gè)以上的埠。若設(shè)備沒偵測到其下游有其他設(shè)備，從站的控制器會自動關(guān)閉對應(yīng)的埠并回傳以太網(wǎng)幀。由于上述的特性，EtherCAT幾乎支援所有的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，包括總線式、樹狀或是星狀，現(xiàn)場總線常用的總線式拓?fù)湟部梢杂迷谝蕴W(wǎng)中。

EtherCAT的拓?fù)淇梢杂镁W(wǎng)絡(luò)線、分枝或是短線（stub）作任意的組合。有三個(gè)或三個(gè)以上以太網(wǎng)接口的設(shè)備就可以當(dāng)作分接器，不一定一定要用網(wǎng)絡(luò)交換器。由于使用100BASE-TX的以太網(wǎng)物理層，二個(gè)設(shè)備之間的距離可以到100米，一個(gè)EtherCAT區(qū)段的網(wǎng)絡(luò)最多可以有65535個(gè)設(shè)備。若EtherCAT網(wǎng)絡(luò)是使用環(huán)狀拓?fù)洌ㄖ髡驹O(shè)備需要有二個(gè)通訊埠），則此網(wǎng)絡(luò)還有纜線冗余的機(jī)能。

4. EtherCAT支持熱連接

許多應(yīng)用都需要在運(yùn)行過程中改變I/O組態(tài)。例如，需求不斷變化的加工中心、裝備傳感器的刀具系統(tǒng)或智能化的傳輸系統(tǒng)、靈活的工件執(zhí)行機(jī)構(gòu)或可單獨(dú)關(guān)閉印刷單元的印刷機(jī)等。EtherCAT系統(tǒng)的協(xié)議結(jié)構(gòu)中已經(jīng)考慮到了這些需求：熱連接功能可以將網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)部分連在一起或斷開，或“飛速”進(jìn)行重新組態(tài)，針對不斷變化的組態(tài)提供靈活的響應(yīng)能力。

5. EtherCAT的安全性：Safety over EtherCAT

EtherCAT有一個(gè)加強(qiáng)的協(xié)定版本，稱為Safety over EtherCAT，可以在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行安全相關(guān)的通訊和一般的控制通訊。此安全通訊是以EtherCAT的應(yīng)用層為基礎(chǔ)，不會影響底層的通訊協(xié)定。Safety over EtherCAT有通過IEC 61508的認(rèn)證，符合安全完整性等級（SIL）3的要求。

為了實(shí)現(xiàn)EtherCAT 安全數(shù)據(jù)通訊，我們開放了Safetyover EtherCAT 協(xié)議，EtherCAT安全通信協(xié)議已經(jīng)在ETG組織內(nèi)部公開。該協(xié)議已經(jīng)由德國技術(shù)監(jiān)督局（TüV）鑒定為符合IEC61508 定義的SIL3 等級要求。設(shè)備上實(shí)施EtherCAT安全協(xié)議必須滿足安全目標(biāo)的需求。相應(yīng)的產(chǎn)品相關(guān)要求也必須考慮進(jìn)來。

EtherCAT被用作傳輸安全和非安全數(shù)據(jù)的單一通道。傳輸介質(zhì)被認(rèn)為是“黑色通道”而不被包括在安全協(xié)議中。

EtherCAT過程數(shù)據(jù)中的安全數(shù)據(jù)報(bào)文包括安全過程數(shù)據(jù)和所要求的數(shù)據(jù)備份。這個(gè)“容器”在設(shè)備的應(yīng)用層被安全地解析。通信仍然是單一通道的。這符合IEC61784-3附件中的模型A。因此，該安全協(xié)議也可通過其它通訊系統(tǒng)、背板或WLAN 傳輸。傳輸周期可根據(jù)要求縮短，不會影響殘留誤差率。Safety over EtherCAT 主站和從站之間的安全數(shù)據(jù)循環(huán)交換被稱作為由看門狗定時(shí)器監(jiān)控的連接。一個(gè)主站能建立并監(jiān)控多個(gè)不同從站的連接。

安全元件在自動化系統(tǒng)中所需要的任意地方都可以使用。系統(tǒng)中可以使用不同規(guī)模的本地輸入和輸出元件?？梢愿鶕?jù)需求使用安全或非安全總線端子擴(kuò)展額外的輸入和輸出。安全邏輯也嵌入到網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中。這樣不用安全擴(kuò)展的標(biāo)準(zhǔn) PLC可以繼續(xù)處理控制任務(wù)。安全輸入和輸出功能需要的本地安全邏輯由智能化的安全總線端子實(shí)現(xiàn)。這節(jié)約了昂貴的安全PLC所帶來的成本，并可以根據(jù)當(dāng)前任務(wù)隨意裁剪邏輯功能。只有安全EtherCAT主站和所分配的安全從站通過非安全的標(biāo)準(zhǔn)PLC路由。

§ 本協(xié)議在安全數(shù)據(jù)長度，通信介質(zhì)或波特率方面沒有限制。

§ EtherCAT被用作“黑色通道”，即，通信系統(tǒng)在安全處理中沒有任何作用。

§ 協(xié)議被鑒定符合IEC61508定義的SIL3等級

§ 提供EtherCAT安全功能的產(chǎn)品已經(jīng)于2005年就上市了。

6. EtherCAT的診斷

現(xiàn)場總線系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)表明，有效性和試運(yùn)行時(shí)間關(guān)鍵取決于診斷能力。只有快速而準(zhǔn)確地檢測出故障，并明確標(biāo)明其所在位置，才能快速排除故障。因此，在EtherCAT的研發(fā)過程中，特別注重強(qiáng)化診斷特征。

網(wǎng)絡(luò)的診斷能力對于提高網(wǎng)絡(luò)可靠性和縮短調(diào)試時(shí)間 — 從而降低總成本 — 來說至關(guān)重要。只有快速而準(zhǔn)確地檢測出故障，并明確標(biāo)明其所在位置，才能快速排除故障。因此，在EtherCAT 的研發(fā)過程中，特別注重強(qiáng)化診斷功能。

試運(yùn)行期間，驅(qū)動或I/O 端子等節(jié)點(diǎn)的實(shí)際配置需要與指定的配置進(jìn)行匹配性檢查，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也需要與配置相匹配。

由于整合的拓?fù)渥R別過程已延伸至各個(gè)端子，因此，這種檢查不僅可以在系統(tǒng)啟動期間進(jìn)行，也可以在網(wǎng)絡(luò)自動讀取時(shí)進(jìn)行（配置上載）。

數(shù)據(jù)傳輸過程中出現(xiàn)的位故障可以通過評估每臺設(shè)備上的CRC 校驗(yàn)進(jìn)行檢測——32 位CRC多項(xiàng)式的最小漢明距為4。除斷點(diǎn)檢測和定位之外，EtherCAT系統(tǒng)的協(xié)議、物理層和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)還可以對各個(gè)傳輸段分別進(jìn)行品質(zhì)監(jiān)視，與錯誤計(jì)數(shù)器關(guān)聯(lián)的自動評估還可以對關(guān)鍵的網(wǎng)絡(luò)段進(jìn)行精確定位。此外，對于電磁干擾、連接器破損或電纜損壞等一些漸變或突變的錯誤源而言，即便它們尚未過度應(yīng)變到網(wǎng)絡(luò)自恢復(fù)能力的范圍，也可對其進(jìn)行檢測與定位。
責(zé)任編輯:pj