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EtherCAT原理介绍

www.cechina.cn2008.05.20阅读 20934

  EtherCAT主张"以太网控制自动化技术" 。 它是一个开放源代码,高性能的系统,目的是利用以太网协议(最惠国待遇系统局域网),在一个工业环境,特别是对工厂喝其他制造业的关注CONTROL ENGINEERING China版权所有,其中利用机器人和其他装备线上的技术。
EtherCAT 是开放的实时以太网络通讯协议,最初由德国倍福自动化有限公司(Beckhoff Automation GmbH) 研发。EtherCAT为系统的实时性能和拓扑的灵活性树立了新的标准,同时,它还符合甚至降低了现场总线的使用成本。EtherCAT的特点还包括高精度设备同步,可选线缆冗余,和功能性安全协议(SIL3)。
EtherCAT是IEC规范(IEC/PAS 62407)。

运行原理:
  目前有多种用于提供实时功能的以太网方案:例如,通过较高级的协议层禁止CSMA/CD存取过程,并使用时间片或轮询过程来取代它。其它方案使用专用交换机控制工程网版权所有,并采用精确的时间控制方式分配以太网数据包。尽管这些解决方案能够比较快和比较准确地将数据包传送到所连接的以太网节点,但带宽的利用率却很低,特别是对于典型的自动化设备,因为即使对于非常小的数据量,也必须要发送一个完整的以太网帧。而

且,重新定向到输出或驱动控制器,以及读取输入数据所需的时间主要取决于执行方式。通常也需要使用一条子总线,特别是在模块化I/O系统中,这些系统与Beckhoff K-总线一样,通过同步子总线系统加快传输速度,但是这样的同步将无法避免引起通讯总线传输的延迟。
通过采用EtherCAT技术, Beckhoff突破了其它以太网解决方案的这些系统限制:不必再像从前那样在每个连接点接收以太网数据包,然后进行解码并复制为过程数据。当帧通过每一个设备(包括底层端子设备)时,EtherCAT从站控制器读取对于该设备十分重要的数据。同样,输入数据可以在报文通过时插入至报文中。在帧被传递 (仅被延迟几位)过去的时候,从站会识别出相关命令,并进行处理。此过程是在从站控制器中通过硬件实现的,因此与协议堆栈软件的实时运行系统或处理器性能无关。网段中的最后一个EtherCAT从站将经过充分处理的报文返回,这样该报文就作为一个响应报文由第一个从站返回到主站。

  从以太网的角度看,EtherCAT总线网段只是一个可接收和发送以太网帧的大型以太网设备。但是,该“设备”不包含带下游微处理器的单个以太网控制器,而只包含大量的EtherCAT从站。与其它任何以太网一样www.cechina.cn,EtherCAT不需要通过交换机就可以建立通讯,因而产生一个纯粹的EtherCAT系统。
端子实现以太网:

  系统的每个设备都保证使用完整的以太网协议,甚至每个I/O端子亦如此,无需使用子总线。只需将耦合器的传输介质由双绞线(100baseTX)转换为E总线即可满足电子端子排的要求。端子排内的E总线信号类型(LVDS)并不是专用的,它还可用于10千兆位以太网。在端子排末端,物理总线特性被转换回 100baseTX 标准。
标准以太网MAC或便宜的标准网卡(NIC)足以作为控制器中的硬件使用。DMA(直接存储器存取)用于将数据传输到PC。这意味着网络访问对CPU性能没有影响。在Beckhoff多端口卡中运用了相同的原理,它在一个PCI插槽中捆绑最多4个以太网通道。

协议处理完全在硬件中进行, 协议ASIC可灵活组态。过程接口2-64 kB
协议:
  EtherCAT协议针对过程数据进行了优化,它被直接传送到以太网帧,或被压缩到UDP/IP数据报文中。UDP协议在其它子网中的 EtherCAT网段由路由器进行寻址的情况下使用。以太网帧可能包含若干个EtherCAT 报文,每个报文专门用于特定存储区域,该存储区域可编制大小达4GB的逻辑过程镜像。由于数据链独立于EtherCAT端子物理顺序,因此可以对EtherCAT端子进行任意编址。从站之间可进行广播、多点传送和通讯。

  该协议还可处理通常为非循环的参数通讯。参数的结构和含义通过 CANopen设备行规进行设定控制工程网版权所有,这些设备行规用于多种设备类别和应用。EtherCAT 还支持符合 IEC61491 标准的从属行规。该行规以 SERCOS? 命名www.cechina.cn,被全球运动控制应用领域普遍认可。

  除了符合主站/从站原理的数据交换外,EtherCAT还非常适用于控制器之间(主站/主站)的通讯。可自由编址的过程数据网络变量以及各种参数化、诊断、编程和远程控制服务,可以满足众多要求。用于主站/从站和主站/主站通讯的数据接口是相同的。

FMMU: 报文处理完全在硬件中进行
性能:
  EtherCAT在网络性能上达到了一个新的高度。1000个分布式I/O数据的刷新周期仅为30μs,其中包括端子循环时间。通过一个以太网帧,可以交换高达1486字节的过程数据,几乎相当于12000个数字

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