EtherCAT——技術(shù)介紹及發(fā)展概貌
| 【摘 要】 本文深入闡述了基于以太網(wǎng)現(xiàn)場總線系統(tǒng)的EtherCAT技術(shù)。EtherCAT為現(xiàn)場總線技術(shù)領(lǐng)域樹立了新的性能標(biāo)準(zhǔn)，具備靈活的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，系統(tǒng)配置簡單，和現(xiàn)場總線系統(tǒng)一樣操作直觀簡便。另外，由于EtherCAT實現(xiàn)成本低廉，因此使系統(tǒng)得以在過去無法應(yīng)用現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用場合中選用現(xiàn)場總線。 引言 現(xiàn)場總線已成為自動化技術(shù)的集成組件，通過大量的實踐試驗和測試，如今已獲得廣泛應(yīng)用。正是由于現(xiàn)場總線技術(shù)的普及，才使基于PC的控制系統(tǒng)得以廣泛應(yīng)用。 雖然控制器CPU的性能（尤其是IPC的性能）發(fā)展迅猛，但傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線系統(tǒng)正日趨成為控制系統(tǒng)性能發(fā)展的“瓶頸”。急需技術(shù)革新的另一個因素則是由于傳統(tǒng)的解決方案并不十分理想。傳統(tǒng)的方案是，按層劃分的控制體系通常都由幾個輔助系統(tǒng)所組成（周期系統(tǒng)）：即實際控制任務(wù)、現(xiàn)場總線系統(tǒng)、 I/O 系統(tǒng)中的本地擴展總線或外圍設(shè)備的簡單本地固件周期。正常情況下，系統(tǒng)響應(yīng)時間是控制器周期時間的3-5倍。(圖1見書) 在現(xiàn)場總線系統(tǒng)之上的層面（即網(wǎng)絡(luò)控制器）中，以太網(wǎng)往往在某種程度上代表著技術(shù)發(fā)展的水平。該方面目前較新的技術(shù)是驅(qū)動或I/O級的應(yīng)用，即過去普遍采用現(xiàn)場總線系統(tǒng)的這些領(lǐng)域。這些應(yīng)用類型要求系統(tǒng)具備良好的實時能力、適應(yīng)小數(shù)據(jù)量通訊，并且價格經(jīng)濟。EtherCAT可以滿足這些需求，并且還可以在I/O級實現(xiàn)因特網(wǎng)技術(shù)。 以太網(wǎng)和實時能力 目前，有許多方案力求實現(xiàn)以太網(wǎng)的實時能力。例如，CSMA/CD介質(zhì)存取過程方案，即禁止高層協(xié)議訪問過程，而由時間片或輪循方式所取代的一種解決方案；另一種解決方案則是通過專用交換機精確控制時間的方式來分配以太網(wǎng)包。這些方案雖然可以在某種程度上快速準(zhǔn)確地將數(shù)據(jù)包傳送給所連接的以太網(wǎng)節(jié)點，但是，輸出或驅(qū)動控制器重定向所需要的時間以及讀取輸入數(shù)據(jù)所需要的時間都要受制于具體的實現(xiàn)方式。 如果將單個以太網(wǎng)禎用于每個設(shè)備，那么，理論上講，其可用數(shù)據(jù)率非常低。例如，最短的以太網(wǎng)禎為84字節(jié)（包括內(nèi)部的包間隔IPG）。如果一個驅(qū)動器周期性地發(fā)送4字節(jié)的實際值和狀態(tài)信息，并相應(yīng)地同時接收4字節(jié)的命令值和控制字信息，那么，即便是總線負(fù)荷為100%（即：無限小的驅(qū)動響應(yīng)時間)時，其可用數(shù)據(jù)率也只能達(dá)到4/84= 4.8%。如果按照10 µs的平均響應(yīng)時間估計，則速率將下降到1.9%。對所有發(fā)送以太網(wǎng)禎到每個設(shè)備(或期望禎來自每個設(shè)備)的實時以太網(wǎng)方式而言，都存在這些限制，但以太網(wǎng)禎內(nèi)部所使用的協(xié)議則是例外。 EtherCAT工作原理 EtherCAT技術(shù)突破了其他以太網(wǎng)解決方案的系統(tǒng)限制：通過該項技術(shù)，無需接收以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包，將其解碼，之后再將過程數(shù)據(jù)復(fù)制到各個設(shè)備。EtherCAT從站設(shè)備在報文經(jīng)過其節(jié)點時讀取相應(yīng)的編址數(shù)據(jù)，同樣，輸入數(shù)據(jù)也是在報文經(jīng)過時插入至報文中（圖2見書）。整個過程中，報文只有幾納秒的時間延遲。 由于發(fā)送和接收的以太網(wǎng)禎壓縮了大量的設(shè)備數(shù)據(jù)，所以可用數(shù)據(jù)率可達(dá)90%以上。100 Mb/s TX的全雙工特性完全得以利用，因此，有效數(shù)據(jù)率可以達(dá)到> 100 Mb/s (> 2 x 100 Mb/s的90%) (圖3見書)。 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設(shè)備。耦合設(shè)備中的物理層可以將雙絞線或光纖轉(zhuǎn)換為LVDS（一種可供選擇的以太網(wǎng)物理層標(biāo)準(zhǔn)[4，5]），以滿足電子端子塊等模塊化設(shè)備的需求。這樣，就可以非常經(jīng)濟地對模塊化設(shè)備進(jìn)行擴展了。之后，便可以如普通以太網(wǎng)一樣，隨時進(jìn)行從底板物理層LVDS到100 Mb/s TX物理層的轉(zhuǎn)換。 協(xié)議 EtherCAT是用于過程數(shù)據(jù)的優(yōu)化協(xié)議，憑借特殊的以太網(wǎng)類型，可以在以太網(wǎng)禎內(nèi)直接傳送。EtherCAT協(xié)議可包括幾個EtherCAT報文，每個報文都服務(wù)于一塊邏輯過程映像區(qū)的特定內(nèi)存區(qū)域，該區(qū)域******可達(dá)4GB字節(jié)。數(shù)據(jù)順序不依賴于網(wǎng)絡(luò)中以太網(wǎng)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(xiàn)。如果需要實現(xiàn)******化性能，并且需要將EtherCAT組件作為同一子網(wǎng)控制器進(jìn)行操作，則可直接傳送以太網(wǎng)禎。 然而，EtherCAT不僅限于單個子網(wǎng)的應(yīng)用。EtherCAT UDP將EtherCAT協(xié)議封裝為 UDP/IP數(shù)據(jù)報文（圖4見書），這就意味著，任何以太網(wǎng)協(xié)議堆棧的控制均可編址到EtherCAT系統(tǒng)之中，甚至通訊還可以通過路由器跨接到其它子網(wǎng)中。顯然，在這種變體結(jié)構(gòu)中，系統(tǒng)性能取決于控制的實時特性和以太網(wǎng)協(xié)議的實現(xiàn)方式。因為UDP數(shù)據(jù)報文僅在第一個站才完成解包，所以EtherCAT網(wǎng)絡(luò)自身的響應(yīng)時間基本不受影響。 另外，根據(jù)主/從數(shù)據(jù)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(wǎng)絡(luò)變量可用于過程數(shù)據(jù)以及參數(shù)、診斷、編程和各種遠(yuǎn)程控制服務(wù)，滿足廣泛的應(yīng)用需求。同理，主站/從站與主站/主站之間的數(shù)據(jù)通訊接口相同。 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(shè)備和下游設(shè)備可以在同一周期內(nèi)實現(xiàn)通訊，速度非?？?。由于這種方法與拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)高度相關(guān)，因此適用于由設(shè)備架構(gòu)設(shè)計所決定的從站到從站的通訊，如打印或包裝應(yīng)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(shù)據(jù)通過主站進(jìn)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小于采用其他方法所耗費的時間。 按照文獻(xiàn)[3]所述，EtherCAT僅使用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)禎，無任何壓縮。因此，EtherCAT 以太網(wǎng)禎可以通過任何以太網(wǎng)MAC發(fā)送，并可以使用標(biāo)準(zhǔn)工具（如：monitor）。 拓?fù)? EtherCAT幾乎支持任何拓?fù)漕愋停ň€型、樹型、星型等(圖5見書)。通過現(xiàn)場總線而得名的總線或線型結(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。因為所需接口在I/O 模塊等很多設(shè)備中都已存在，所以無需附加交換機。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、廉價的標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)補償電纜可采用 100 Mb/s TX模式傳送信號；塑封光纖（POF）可補充用于特殊應(yīng)用場合；還可以通過交換機或介質(zhì)轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)不同以太網(wǎng)連線（如：不同的光纖和銅電纜）的完整組合。 快速以太網(wǎng)的物理層（100 M b/s-TX）允許兩個設(shè)備之間的******電纜長度達(dá)到100米。由于連接的設(shè)備數(shù)量可達(dá)65535，因此，網(wǎng)絡(luò)的容量幾乎沒有限制。 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(zhí)行協(xié)調(diào)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(biāo)準(zhǔn)[6]）。與完全同步通訊中容易出現(xiàn)通訊故障，立即影響同步品質(zhì)的情況相比，分布排列的時鐘對于通訊系統(tǒng)中可能存在的相關(guān)故障延遲具有極好的容錯性。 采用EtherCAT，數(shù)據(jù)交換就完全基于純硬件機制。由于通訊采用了邏輯環(huán)結(jié)構(gòu) (借助于全雙工快速以太網(wǎng)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(jìn)行調(diào)整，這意味著可以在網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)使用非常精確的、小于1 微秒的、確定性的同步誤差時間基（圖6見書）。而跨接工廠等外部同步則可以基于IEEE 1588 標(biāo)準(zhǔn)。 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(shù)據(jù)采集的本地時間精確信息。當(dāng)采樣時間非常短暫時，即使是出現(xiàn)一個很小的位置測量瞬時同步偏差，也會導(dǎo)致速度計算出現(xiàn)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(shù)據(jù)類型作為一個邏輯擴展，以太網(wǎng)所提供的巨大帶寬使得高分辨率的系統(tǒng)時間得以與測量值進(jìn)行鏈接。這樣，速度的精確計算就不再受到通訊系統(tǒng)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(shù)。 性能 EtherCAT使網(wǎng)絡(luò)性能達(dá)到了一個新境界。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，整個協(xié)議的處理過程都在硬件中得以實現(xiàn)，因此，完全獨立于協(xié)議堆棧的實時運行系統(tǒng)、CPU 性能或軟件實現(xiàn)方式。1000個I/O的更新時間只需30 µs，其中還包括I/O周期時間（參見表1）。單個以太網(wǎng)禎最多可進(jìn)行1486字節(jié)的過程數(shù)據(jù)交換，幾乎相當(dāng)于12000個數(shù)字輸入和輸出，而傳送這些數(shù)據(jù)耗時僅為300 µs。  表1 EtherCAT 性能概貌 100個伺服軸的通訊也非常快速：可在每100µs中更新帶有命令值和控制數(shù)據(jù)的所有軸的實際位置及狀態(tài)，分布時鐘技術(shù)使軸的同步偏差小于1微秒。而即使是在這種節(jié)奏下，帶寬仍足以實現(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所具有的超強計算能力相適應(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，甚至有可能擴展為1000 M bps的以太網(wǎng)。 診斷 現(xiàn)場總線系統(tǒng)的實際應(yīng)用經(jīng)驗表明，有效性和試運行時間關(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，特別注重強化診斷特征。 試運行期間，驅(qū)動或I/O 端子等節(jié)點的實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)自動讀取時進(jìn)行（配置上載）。 可以通過評估CRC校驗，有效檢測出數(shù)據(jù)傳送期間的位故障——32 位CRC多項式的最小漢明距為4。除斷線檢測和定位之外，EtherCAT系統(tǒng)的協(xié)議、物理層和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)還可以對各個傳輸段分別進(jìn)行品質(zhì)監(jiān)視，與錯誤計數(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EMI影響、連接器破損或電纜損壞等一些漸變或變化的錯誤源而言，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。 高可靠性 選擇冗余電纜可以滿足快速增長的系統(tǒng)可靠性需求，以保證設(shè)備更換時不會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)癱瘓。增加冗余特性耗費不高，僅需在主站設(shè)備端增加使用一個標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)端口（無需專用網(wǎng)卡或接口），并將單一的電纜從總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榄h(huán)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。當(dāng)設(shè)備或電纜發(fā)生故障時，也僅需一個周期即可完成切換。因此，即使是針對運動控制要求的應(yīng)用，電纜出現(xiàn)故障時也不會有任何問題。 EtherCAT還支持主站在線待機冗余功能。一旦出現(xiàn)中斷、設(shè)備故障等問題，EtherCAT從站控制器可以立即自動返回以太網(wǎng)禎，所以不會導(dǎo)致整個網(wǎng)絡(luò)崩潰。例如：應(yīng)用冗余鏈就可以指定分支配置，防止電纜斷線。 安全 不管是使用硬件還是使用專用的安全總線系統(tǒng)，傳統(tǒng)觀念總是認(rèn)為，自動化網(wǎng)絡(luò)應(yīng)與安全功能相分離。但EtherCAT所實現(xiàn)的安全功能可以在同一網(wǎng)絡(luò)中將安全相關(guān)的通訊和控制通訊融合為一體。安全協(xié)議基于EtherCAT應(yīng)用層，不受低層協(xié)議的影響，并遵循IEC61508 標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證，滿足安全集成級（SIL）4的要求。數(shù)據(jù)長度可以變化的，因此該協(xié)議既完全適合于安全 I/O 數(shù)據(jù)，也適合于安全驅(qū)動技術(shù)。和其它EtherCAT數(shù)據(jù)一樣，安全數(shù)據(jù)可以通過無安全功能的路由器或網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)路由。目前，首批獲得完全認(rèn)證的EtherCAT安全產(chǎn)品已經(jīng)上市。 EtherCAT取代PCI 隨著PC組件急劇向小型化方向發(fā)展，工業(yè)PC的體積日趨取決于插槽的數(shù)目。而快速以太網(wǎng)的帶寬和EtherCAT通訊硬件的過程數(shù)據(jù)長度則為該領(lǐng)域的發(fā)展提供了新的可能性——IPC 中的傳統(tǒng)接口現(xiàn)在可以轉(zhuǎn)變?yōu)榧傻腅therCAT接口端子（圖7見書）。 除了可以對分布式I/O進(jìn)行編址，還可以對驅(qū)動和控制單元以及現(xiàn)場總線主站、快速串行接口、網(wǎng)關(guān)和其它通訊接口等復(fù)合系統(tǒng)進(jìn)行編址。 即使是其他無協(xié)議限制的以太網(wǎng)設(shè)備變體，也可以通過分布式交換機端口設(shè)備進(jìn)行連接。由 |
