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EtherCAT — 以太网现场总线

选对合适的通信技术非常重要:它决定了控制性能是否能直达现场层,以及可以使用哪些设备。EtherCAT 是由倍福开发的工业以太网技术,它能够助力实现通信速度更快、更简单、更经济的设备和系统。EtherCAT 以太网现场总线将以太网的优势和传统现场总线系统的简洁性融合于一体,避免了 IT 技术不必要的复杂性。2003 年成立的 EtherCAT 技术协会(ETG)确保 EtherCAT 技术对所有潜在用户开放。ETG 是目前全球最大的现场总线用户组织,拥有来自 67 个国家的 6000 多家会员单位(截至到 2020 年 12 月)。

EtherCAT 是一种具有良好开放性和超高稳定性的技术,已经被纳入国际 IEC 标准:目前,EtherCAT 协议仍然保持稳定不变;但是该技术仍在不断扩展并保持兼容性。这意味着当前设备可以轻松地集成到现有系统中,无需考虑版本是否不同。扩展功能包括用于同一网络中设备和人员安全的 Safety over EtherCAT 安全协议,以及用于将通信与供电(2 x 24 V)集成在同一根四芯电缆上的 EtherCAT P。还有 EtherCAT G/G10,它们具有更高的传输速率,同时通过分支控制器理念集成现有的 EtherCAT 设备,因此与百兆 EtherCAT 技术可以无缝连接。

工程师的选择:EtherCAT 的六大核心优势

EtherCAT 是迄今为止速度最快的工业以太网技术之一,同时它提供纳秒级精度的同步。所有由总线系统控制或监测的系统应用都将从此大大获益。EtherCAT 系统中设备的快速反应时间减少了处理步骤中的状态转换等待时间,从而显著提高了应用的效率。最后,相对于设定了相同循环时间的其他总线系统,EtherCAT 系统结构通常能减少 25%-30% 的 CPU 负载。而最好的情况下,EtherCAT 性能可以提高精度,提升数据吞吐量,并降低成本。

在 EtherCAT 应用中,机器结构决定网络拓扑结构,而不是网络拓扑结构决定机器结构。在传统的工业以太网系统中,可安装的交换机和集线器的级联数量是有限的,这限制了整个网络拓扑结构。而 EtherCAT 无需交换机或集线器,因此没有这方面的限制。简而言之,EtherCAT 在网络拓扑方面没有任何限制。几乎无限数量的节点可以组成线型、树型、星型拓扑及任何拓扑的组合。由于具备自动链接检测功能,节点和网段可以在运行中断开及重新连接 — 甚至连接到其他地方。线型拓扑可以拓展为环形拓扑,从而实现线缆冗余。主站设备仅需要第二个以太网口即可实现这种冗余功能,而从站设备已经具备了支持冗余功能的条件。因此可在机器运行期间断开设备。

配置、诊断、维护都与系统的成本息息相关。以太网现场总线使得所有这些任务变得异常简单:EtherCAT 可以自动配置地址,而无需手动配置。低总线负载和点对点的物理层增强了抗电磁干扰的能力。网络可以准确地定位潜在的干扰,从而大大缩短了故障排除时间。在启动时,网络会对目标拓扑与现实拓扑进行对比以检测差异。EtherCAT 出色的性能通过减低对网络调试的需求,从而缩减系统配置的工作量。高带宽可以将其他 TCP/IP 与控制数据同时传输。然而,EtherCAT 并不是基于 TCP/IP 的,因此无需使用 MAC 地址或 IP 地址,更不需要 IT 专家配置交换机或路由器。

将功能性安全作为网络结构的一个不可或缺的部分?这对于 FSoE(Fail Safe over EtherCAT)来说不是问题。FSoE 是经使用验证的,自 2005 年就有了通过 TÜV 认证的 FSoE 设备。协议满足 SIL 3 系统要求,且适用于集中控制和分散控制系统。由于采用了黑色通道的方式及特别精简的安全容器(Safety Container),FSoE 也可以应用于其他总线系统。该集成方案及精简的协议可降低系统成本。此外,一个对安全等级要求不高的控制器也可以接收并处理安全数据。

EtherCAT 以相当于甚至低于传统现场总线系统的价格水平提供工业以太网的特性。对于主站设备,硬件仅需要一个以太网端口 — 而无需昂贵的接口卡或协处理器。不同形式的 EtherCAT 从站控制器可以从很多供应商那里获得:作为 ASIC 芯片、基于 FPGA,或作为标准微处理器的可选总线接口。由于这些便宜的控制器可以承担所有对时间要求苛刻的任务,EtherCAT自身并不向从站设备 CPU 提出任何性能要求,从而降低了设备成本。因为 EtherCAT 不需要交换机或其他有源基础组件,从而节省了此类组件及其安装、配置和维护的成本。

EtherCAT 是迄今为止在市场上拥有厂商和设备种类最多的工业以太网技术之一。而且,由于倍福发明了 EtherCAT,其他厂商通常使用倍福的 TwinCAT(EtherCAT 控制器的黄金标准)来测试他们的 EtherCAT 产品。倍福开发了 1000 多种 EtherCAT 设备,是全球 EtherCAT 产品系列最多的厂商,当然,如果需要的话,您还可以使用其他 3000 家正式注册的厂商提供的 EtherCAT 产品进行补充。而目您也可以使用 EtherCAT 从站控制器芯片轻松开发出目前市场上还没有的产品。

产品

EtherCAT 端子模块

EtherCAT 端子模块产品可以适用于自动化领域的几乎所有信号类型。

EtherCAT 端子盒

EtherCAT 的高性能直达现场层:倍福可提供由 EtherCAT 端子盒组成的防护等级高达 IP 67 的 I/O 系统。

EtherCAT 插拔式模块

EtherCAT 插拔式模块简化了标准设备的接线工作,同时缩短了系统的安装时间。

EtherCAT 和现场总线电缆

EtherCAT 和现场总线电缆确保可靠的数据传输,适用于工业应用环境和其它恶劣的环境条件。

技术详解

EtherCAT 是工业以太网,采用标准的以太网数据帧和符合以太网标准 IEEE 802.3 的物理层。EtherCAT 还可以满足工业自动化领域的各项具体需求:

  • 需要确定的响应时间的硬实时性
  • 系统由多个节点构成,且每个节点只有少量的周期性过程数据
  • 相对于 IT 和办公应用中的硬件成本而言,工业自动化的硬件成本更加重要

标准以太网网络几乎无法满足以上需求的现场级应用。如果每个节点使用一个独立的以太网报文传输几个字节的周期性过程数据,那么有效数据利用率会明显下降:因为以太网报文的最短长度为 84 字节(包括帧间距),其中的 46 个字节可以用于过程数据。

例如,一个驱动器发送 4 字节的实际位置和状态信息过程数据,同时接收 4 字节的目标位置和控制字信息数据,则发送/接收报文的有效数据利用率下降到 4.8%(4/84)。另外,驱动器通常在接收到目标值后,触发传输实际值需要一定的响应时间。最终,100 Mbit/s 的带宽会所剩无几。而在 IT 领域通常使用的路由(IP)和连接(TCP)协议栈需要为每个节点使用附加的协议头,会产生进一步的延时。管理 MAC 和 IP 地址、SNMP、IGMP Snooping、路由器和交换机并不适合所有应用。

一个 EtherCAT 数据帧足以完成所有节点控制数据的发送和接收,这种高性能的运行模式克服了传统以太网无法解决的各种问题。EtherCAT 主站发送一个报文,报文顺序经过所有节点。EtherCAT 从站设备高速动态地(on the fly)读取寻址到该节点的数据,并在数据帧继续传输的同时插入数据。这样,数据帧的传输延时只取决于硬件传输延时。当某一网段或分支上的最后一个节点检测到开放端口(无下一个从站)时,利用以太网技术的全双工特性,将报文返回给主站。EtherCAT 报文的最大有效数据利用率高达 90% 以上,而由于采用全双工特性,有效数据利用率理论上高于 100 Mbit/s。EtherCAT 主站是网段内唯一能够主动发送 EtherCAT 数据帧的节点,其他节点仅传送数据帧。这一设想是为了避免不可预知的延时,从而保证 EtherCAT 的实时性能。EtherCAT 主站采用标准的以太网介质访问控制器(MAC),无需额外的通信处理器。因此,任何集成了以太网接口的硬件平台都可以实现 EtherCAT 主站,而与所使用的实时操作系统或应用软件无关。EtherCAT 从站设备使用 EtherCAT 从站控制器(ESC)在硬件中高速动态地(on the fly)处理 EtherCAT 数据帧,不仅使网络性能可预测,而且其性能独立于具体的从站设备实施方式。

EtherCAT 将其报文嵌入到标准的以太网数据帧中(形成 EtherCAT 数据帧)。由于 EtherCAT协议被优化为适用于短周期性的过程数据,因此无需庞大的协议堆栈,例如 TCP/IP 或 UDP/IP。节点之间的以太网 IT 通信可以选择通过邮箱通道实现,而不会影响实时数据传输。EtherCAT 数据帧包含一个或多个 EtherCAT 子报文,子报文头标明了主站设备的访问方式:

  • 读,写,或读-写
  • 通过直接寻址访问指定的从站设备,或通过隐式寻址访问多个从站设备

隐式寻址方式主要用于周期性交换的过程数据。每个报文定位到 EtherCAT 网段中过程映像的具体位置,可以为过程映像提供 4 GB 的地址空间。网络启动阶段,在全局地址空间中,为每个从站分配一个或多个地址。如果多个从站设备被分配到了相同的地址域,那么可通过单个报文对其进行寻址。

由于报文中包含了所有的数据访问相关信息,因此主站可决定何时对哪些数据进行访问。例如,主站设备可以使用短循环周期刷新驱动器中的数据,长循环周期采样 I/O 端口,固定的过程数据结构不是必要的。

除了逻辑寻址外,EtherCAT 主站还可以通过设备在网络中的位置寻址从站设备。该方法是在网络启动期间检测网络的拓扑结构,并将其与预期的拓扑结构进行比较。在检查完网络配置后,EtherCAT 主站为每个节点分配一个配置好的节点地址,并通过该固定的地址与节点进行通信。这使得主站可以有针对性地访问某个从站设备,即使网络拓扑结构在运行期间发生改变,例如对于热插拔组。除循环数据之外,其他数据报文可用于实现异步通信或事件驱动的通信。

EtherCAT 几乎支持所有的拓扑结构:线型、树型、星型、菊花链型。EtherCAT 使得带有成百上千个节点的纯总线型或线型拓扑结构成为可能,而不受限于级联交换机或集线器。最有效的系统连线方法是对线型、分支或树叉结构进行拓扑组合:用于创建分支的端口被直接集成到 I/O 模块中,无需专用的交换机或其他有源设备。另外,还可以使用以太网中常用的星型拓扑结构。

模块化、复杂的机器往往需要在运行过程中连接或断开一个网段或独立的节点(热连接)。EtherCAT 从站控制器已经具备了这种热插拔特性的基础。当移除一个相邻站点时,该站点对应的端口会自动关闭,网络的剩余部分继续正常运行。整个检测时间 < 15 μs,从而保证了平稳切换。

有多种灵活的电缆类型可供选择:成本低廉的工业以太网电缆可采用 100BASE-TX 模式(传输信号)连接两个间距长达 100 米的节点。对于节点间距大于 100 米的应用,还可使用光纤(如100BASE-FX)。可以说,以太网的任何线缆类型都适用于 EtherCAT。

EtherCAT 有充足的带宽资源,因此可以通过 EtherCAT 网关集成作为底层总线的传统现场总线系统。这种用法特别有助于从传统网络移植到 EtherCAT 系统的应用,使系统逐步升级到 EtherCAT,并可以继续使用尚不支持 EtherCAT 接口的自动化组件。

EtherCAT 网络可连接多达 65535 个设备,网络容量几乎没有限制。由于实际上节点数量没有限制,可以将模块化设备设计为每个 I/O 片都是一个独立的 EtherCAT 从站。因此无需本地扩展总线,高性能的 EtherCAT 能直达每个模块。因为在总线耦合器上无需网关,所以没有任何延时。

精确同步对于同时动作的分布式过程而言尤为重要。例如,对于执行协同运动的多个伺服轴的应用便是如此。下面将进一步详细解释,在控制单根轴时,准确的时基同样也很重要。

对于完全同步的通信,通信错误会立即影响其同步品质,而与其相比,分布式同步时钟对于通信系统的抖动具有很好的容错性。因此,EtherCAT 采用分布式时钟(DC)的方式同步节点。各个节点的时钟校准完全基于硬件。第一个具有分布时钟功能的从站设备的时间被周期性地发布给系统中的其他设备。采用这样的机制,其它从站时钟可以根据参考时钟精确地进行调整。整个系统的抖动远小于 1 µs,通常在两位数的纳秒范围内。

由于参考时钟发送时间到其他从站设备时产生轻微的传输延时,因此必须能够测量该延时并补偿给每个从站设备,以确保通信的同步性和同时性。可在网络启动期间测量该延时,如有需要,甚至在通信过程中还可以连续不断地进行测量,从而保证各个从时钟彼此之间时差不超过 1 µs。

如果所有节点都具有相同的时间信息,那么它们可以同时触发输出信号,也可以给输入信号附上一个精确的时间戳。对于运动控制而言,除了同步性和同时性外,精确的周期同样重要。在运动控制应用中,速度值通过检测到的位置值计算,因此位置的精确等距测量非常关键(例如,以精确的周期)。此外,分布式时钟的使用也可以减轻主站设备的负担;因为位置测量等动作由本地时钟触发,而不是在接收到数据帧的时候触发,主站设备对数据帧的发送没有那么严格的要求。 这样可以用软件在标准以太网硬件上实现主站堆栈。主站即使是几微秒范围内的抖动也不会降低分布式时钟的精度!由于时钟的精度与何时进行设置无关,因此数据帧的绝对传输时间变得无关紧要。EtherCAT 主站只需确保在从站设备的直流信号触发输出之前及早发送 EtherCAT 报文。

传统现场总线的应用经验表明,诊断能力对于机器的可用性和调试时间起着决定性的作用。在故障排除过程中,错误检测和错误定位非常重要。EtherCAT 可以在启动过程中扫描网络拓扑结构,并将其与预期的拓扑结构进行对比。另外,EtherCAT 还在其系统具有许多额外的诊断能力。

每个节点中的 EtherCAT 从站控制器利用校验码对传输的数据帧进行错误检测,只有在数据帧被正确接收之后,从站应用才会得到相关信息。而一旦发现位错误,错误计数器就会自动加 1,后面的节点则会被通知数据帧中包含错误。主站也会检测到数据帧包含错误,并摒弃其中的信息。主站通过分析节点的错误计数器,能够检测到系统中发生错误的最初位置。这相对于传统的现场总线系统而言有很大优势,在传统现场总线中,错误一旦发生就会沿着公用线缆一路传播,而不可能对错误进行定位。EtherCAT 能够检测并定位偶发的干扰,避免对机器运行造成影响。链路丢失计数器功能可以快速定位 EtherCAT 网段中出现松动的连接器。

得益于其独特的运行原理,EtherCAT 具有出色的带宽利用率。采用此种传输方式,EtherCAT 比传统以太网那样每个节点用一个独立帧的传输方式的效率高出数倍。如果使用同一循环周期,在一个 EtherCAT 帧内由于位错误引发干扰的可能性很低。而且,在典型的 EtherCAT 方式中,由于循环周期更短,恢复错误所需要的时间也将明显缩短。因此,在应用中对于主站出现这样的问题也会更为简单。

由于 EtherCAT 使用的是标准以太网数据帧,因此可以借助免费的以太网软件工具记录以太网网络流量。例如,常用的 Wireshark 软件自带用于 EtherCAT 的协议解释器,因此,工作计数器、指令等协议专用的信息,都以纯文本形式显示。然后,主站能够循环确认是否所有节点都在与一致的数据协作。如果工作计数器的值与它应该有的不同,主站不会将这个数据报文的数据传输给控制应用程序。然后,主站设备能够借助来自节点的状态和错误信息以及链接状态,自动检测出造成意外行为的原因。

对于具备高可用性的机器或设备,当出现线缆损坏或节点故障时,不应影响对某个网段的访问或导致整个网络出现故障。EtherCAT 通过简单的措施实现线缆的冗余性。通过将网络中最后一个节点与主站设备中的以太网端口连接,可以将线型拓扑结构扩展为环型拓扑结构。在需要冗余的情况下,例如当线缆损坏或节点出现故障时,可被主站堆栈中的附加软件检测到。仅此而已,而各节点无需为此而改变,甚至不会“意识到”它们正在冗余线路中运行。

位于从站设备中的链路检测功能会自动地检测并解决冗余问题,且恢复时间不超过 15 µs,因此最多破坏一个通信周期。这意味着即使是周期时间很短的运动控制应用,在线缆损坏时,也可以平稳地继续工作。

使用 EtherCAT 还可以通过热备份实现主站设备的冗余。对于比较脆弱的网络部件,例如通过拖链连接的部件,可以使用分支线缆连接,确保在线缆损坏时,机器的其他部分仍能继续运行。

EtherCAT 发展历程

XFC

XFC 基于高效的控制和通信架构,可以实现 I/O 响应时间 ≤ 100 μs。

EtherCAT P

全新的单电缆解决方案 — 铺平了无控制柜的自动化之路。

EtherCAT G

EtherCAT G 基于成功的 EtherCAT 技术运行原理,同时将数据速率提升到 1 Gbit/s 或 10 Gbit/s。

EtherCAT 技术协会 — ETG

EtherCAT 技术协会(ETG)确保 EtherCAT 技术对所有潜在用户开放。EtherCAT 设备制造商、技术提供商和用户共同推动该技术的发展。他们拥有一个共同目标:保持 EtherCAT 的稳定性和互操作性。ETG 每年都会在欧洲、亚洲和美国举办多次 Plug Fest 活动。Plug Fest 活动聚集 EtherCAT 设备研发者进行测试,以保证设备的互操作性。每个制造商在产品发布前应使用官方 EtherCAT 一致性测试工具对其 EtherCAT 设备进行一致性测试。在成功通过了授权测试实验室的测试后,ETG 将为制造商颁发一致性证书。

ETG 是全球最大的现场总线组织。ETG 官网主页上可以找到所有会员名单。然而,对于 ETG 来说,最重要的并不是会员数量,而是会员的活跃度。EtherCAT 设备的数量和种类都是无可比拟的,同时。在欧洲、亚洲和美国,EtherCAT 采用率都超过了其他工业以太网技术。

里程碑

  • 2003 在汉诺威工业博览会上推出 EtherCAT 技术
  • 2003 SPS/IPC/DRIVES 展会期间,EtherCAT 技术协会(ETG)宣布正式成立
  • 2005 Safety over EtherCAT 技术被引入市场
  • 2007 EtherCAT 成为 IEC 标准
  • 2016 EtherCAT P:超高速通信和动力系统整合在一根电缆中
  • 2019 EtherCAT G:将性能提升到千兆级别