EtherCAT(Ethernet for Control Automation Technology)是一種基于以太網(wǎng)的實(shí)時工業(yè)現(xiàn)場總線通訊協(xié)議,由德國的倍福自動化有限公司(Beckhoff Automation GmbH)研發(fā)。EtherCAT自2003年被引入市場以來,憑借其高性能、低延遲和靈活的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),迅速成為工業(yè)自動化領(lǐng)域的重要通信技術(shù)之一。本文將對EtherCAT通訊協(xié)議進(jìn)行詳細(xì)解析,包括其概述、工作原理、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、協(xié)議格式、尋址方式及命令類型等方面。
一、概述
EtherCAT是一種專門為滿足工業(yè)自動化中對高性能、低延遲、靈活性需求而設(shè)計的實(shí)時工業(yè)以太網(wǎng)通信協(xié)議。它最初由倍福自動化有限公司研發(fā),并于2003年被引入市場。2007年,EtherCAT成為國際標(biāo)準(zhǔn),2014年成為中國國家標(biāo)準(zhǔn)。EtherCAT的出現(xiàn)為系統(tǒng)的實(shí)時性能和拓?fù)涞撵`活性樹立了新的標(biāo)準(zhǔn),其特點(diǎn)還包括高精度設(shè)備同步、可選線纜冗余和功能性安全協(xié)議(SIL3)。
二、工作原理
EtherCAT的核心思想是通過使用“主站”和“從站”的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。主站負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的管理和數(shù)據(jù)的發(fā)送,它可以是PLC(可編程邏輯控制器)或PC控制系統(tǒng)。從站接受主站的命令并執(zhí)行相應(yīng)的操作,這些從站設(shè)備可以是傳感器、執(zhí)行器、驅(qū)動器等。
EtherCAT的工作原理可以概括為以下幾個步驟:
幀發(fā)送:主站發(fā)送一個以太網(wǎng)幀,這個幀包含了多個從站的信息。
逐個從站處理:每個從站在接收到幀后會提取自己的數(shù)據(jù),并將處理后的數(shù)據(jù)再附加到幀中。這種“逐跳”處理方式使得數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t極低,通常在微秒級別。
返回主站:處理完成的幀會返回到主站,主站從中讀取所有從站的數(shù)據(jù)。
EtherCAT的這種處理方式被稱為“處理過程中傳輸”(Processing on the Fly)。與傳統(tǒng)的以太網(wǎng)設(shè)備不同,EtherCAT節(jié)點(diǎn)并不是接收整個數(shù)據(jù)幀、解碼和處理后再轉(zhuǎn)發(fā),而是節(jié)點(diǎn)在數(shù)據(jù)幀經(jīng)過時直接對數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫操作。這大大提高了通信效率。
三、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
EtherCAT支持多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),如總線型、樹型、星型和環(huán)型等。這些靈活的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)允許用戶根據(jù)實(shí)際需求靈活構(gòu)建EtherCAT網(wǎng)絡(luò)。
總線型拓?fù)?/strong>:這是最常見的EtherCAT拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),所有從站通過單條通信鏈路串聯(lián),主站通過這一鏈路與所有從站進(jìn)行通信。
星型拓?fù)?/strong>:使用一個或多個EtherCAT分支器,可以實(shí)現(xiàn)星型結(jié)構(gòu),適合較大的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。
樹型拓?fù)?/strong>:樹型結(jié)構(gòu)是星型結(jié)構(gòu)的擴(kuò)展,允許多個分支器進(jìn)行擴(kuò)展,適合復(fù)雜的自動化系統(tǒng)。
環(huán)型拓?fù)?/strong>:EtherCAT還支持冗余環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),允許數(shù)據(jù)幀從主站雙向傳輸。如果網(wǎng)絡(luò)中某段鏈路出現(xiàn)故障,數(shù)據(jù)幀可以通過另一個方向到達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn),從而保證了系統(tǒng)的冗余性和可靠性。
四、協(xié)議格式
EtherCAT數(shù)據(jù)可以使用標(biāo)準(zhǔn)的IEEE 802.3以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀傳輸。EtherCAT幀的結(jié)構(gòu)包括以太網(wǎng)頭、EtherCAT幀和FCS(幀校驗(yàn))三部分。
以太網(wǎng)頭:包括源地址(Src Mac)、目標(biāo)地址(Dest Mac)和協(xié)議類型(Ether Type)。其中,Ether Type值為0x88A4,表示EtherCAT協(xié)議。
EtherCAT幀:分為頭和數(shù)據(jù)兩個部分。EtherCAT頭包含Length字段(表示EtherCAT數(shù)據(jù)的長度)、Res保留位和Type字段(表示后續(xù)EtherCAT數(shù)據(jù)格式的類型)。EtherCAT數(shù)據(jù)由多個子報文組成,每個子報文由子報文頭、數(shù)據(jù)和WKC(工作計數(shù)器)構(gòu)成。
FCS:接收方可以用FCS值來判斷數(shù)據(jù)是否完整。
EtherCAT協(xié)議還可以作為UDP/IP數(shù)據(jù)報傳輸,此時報文格式會增加IP頭和UDP頭。EtherCAT UDP協(xié)議適用于實(shí)時性要求不是很嚴(yán)格的場合。
五、尋址方式及命令類型
在EtherCAT子報文中的Address字段用于對EtherCAT設(shè)備進(jìn)行尋址,尋址方式有位置尋址、節(jié)點(diǎn)尋址和邏輯尋址三種。
位置尋址:位置尋址方式根據(jù)從站的物理位置來實(shí)現(xiàn)。在子報文頭中Address字段前16bit用于存放地址值,報文每經(jīng)過一個從站設(shè)備,地址值加1。當(dāng)從站接收到地址值為0的報文時,即為該從站需要接收的報文。
節(jié)點(diǎn)尋址:節(jié)點(diǎn)尋址是通過主站在數(shù)據(jù)鏈路層啟動階段配置的節(jié)點(diǎn)地址來尋址從站。這確保了即使網(wǎng)段的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)改變或者設(shè)備增加/減少,從站設(shè)備也能通過相同的地址配置來尋址。
邏輯尋址:邏輯尋址需要了解FMMU(總線內(nèi)存管理單元),它存在于從站芯片ESC中,主要負(fù)責(zé)建立從站物理地址與主站邏輯地址的映射關(guān)系。邏輯尋址使用子報文頭中Address字段全部空間來表示4GB的邏輯地址空間。當(dāng)從站收到報文時,會檢查報文中地址與FMMU中的地址是否相符,相符則根據(jù)具體命令進(jìn)行讀寫操作。
EtherCAT的命令類型根據(jù)尋址方式的不同進(jìn)行分類。常見的命令類型包括數(shù)據(jù)讀寫命令、配置命令和狀態(tài)查詢命令等。
六、高精度同步
EtherCAT通過分布式時鐘機(jī)制,可以確保系統(tǒng)中的所有節(jié)點(diǎn)具有高精度的時間同步。每個EtherCAT從站都有自己的本地時鐘,主站會在初始化時對所有從站的時鐘進(jìn)行同步調(diào)整,從而確保整個系統(tǒng)在納秒級精度上同步運(yùn)行。這種高精度同步特性使得EtherCAT特別適合在多軸協(xié)同控制、伺服控制等對同步性有極高要求的場景中使用。
七、應(yīng)用場景
EtherCAT被廣泛應(yīng)用于各種自動化控制系統(tǒng)中,如工廠自動化、過程控制、機(jī)器人控制、運(yùn)動控制等領(lǐng)域。它可以用于連接各種自動化設(shè)備,如傳感器、執(zhí)行器、PLC、伺服驅(qū)動器等,并實(shí)現(xiàn)實(shí)時、高效的數(shù)據(jù)傳輸和控制。
工業(yè)自動化:用于控制各種工業(yè)自動化設(shè)備,如機(jī)床、流水線、包裝機(jī)、注塑機(jī)等。
機(jī)器人控制:用于控制各種工業(yè)機(jī)器人,如焊接機(jī)器人、噴涂機(jī)器人、搬運(yùn)機(jī)器人等。
運(yùn)動控制:用于控制各種運(yùn)動設(shè)備,如運(yùn)動平臺、飛行器、船舶、汽車等。
測試測量:用于實(shí)時采集和控制各種測試和測量設(shè)備,如溫度計、壓力計、流量計等。
八、與其他總線技術(shù)的對比
EtherCAT與其他工業(yè)總線技術(shù)相比,具有顯著的優(yōu)勢。例如,與Profibus相比,EtherCAT具有更高的通信速度和更低的延遲。EtherCAT的傳輸延遲在微秒級,而Profibus通常在毫秒級。此外,EtherCAT還支持更靈活的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),而Profibus的拓?fù)潇`活性較差。在實(shí)時性方面,EtherCAT通過分布式時鐘機(jī)制保證高精度的同步,而Profibus的同步精度較低。
與CANopen相比,EtherCAT在高速數(shù)據(jù)傳輸和大量設(shè)備聯(lián)網(wǎng)方面具有顯著優(yōu)勢。CANopen的傳輸速率較低(最高1 Mbps),而EtherCAT的速度則非常高,支持高帶寬的應(yīng)用場景。此外,EtherCAT能夠支持多達(dá)65535個節(jié)點(diǎn),這在需要大量設(shè)備聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用中非常有用。而CANopen則更適合節(jié)點(diǎn)數(shù)量較少的網(wǎng)絡(luò)。
九、總結(jié)
EtherCAT作為一種高性能的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議,憑借其高速、低延遲、高同步精度和靈活的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),已經(jīng)成為現(xiàn)代工業(yè)自動化中重要的通信技術(shù)之一。它在實(shí)時性和傳輸效率上相較于其他工業(yè)總線技術(shù)表現(xiàn)優(yōu)異,尤其適用于對時間敏感的應(yīng)用場景。隨著工業(yè)4.0時代的到來,EtherCAT將在未來發(fā)揮更加重要的作用,為工業(yè)自動化領(lǐng)域的發(fā)展提供有力支持。
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