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    技術知識

    專注于實時現場總線技術及工業通訊技術的研發、推廣及技術支持服務

    EtherCAT技術介紹

    發布時間:2020-02-17

           EtherCAT(Ethernet for Control Automation Technology)是一種基于以太網的開發構架的實時工業現場總線通訊協議,它于2003年被引入市場,于2007年成為國際標準,并于2014年成為中國國家標準。EtherCAT的出現為系統的實時性能和拓撲的靈活性樹立了新的標準。 

           1)EtherCAT是最快的工業以太網技術之一,同時它提供納秒級精確同步。相對于設置了相同循環時間的其他總線系統,EtherCAT系統結構通常能減少25%-30%的CPU負載。
           2)EtherCAT在網絡拓撲結構方面沒有任何限制,最多65535個節點可以組成線型、總線型、樹型、星型或者任意組合的拓撲結構。 
           3)相對于傳統的現場總線系統,EtherCAT節點地址可被自動設置,無需網絡調試,集成的診斷信息可以精確定位到錯誤。同時無需配置交換機,無需處理復雜的MAC或者IP地址。 
           4)EtherCAT主站設備無需特殊插卡,從站設備使用可以由多個供應商提供的高集成度、低成本的芯片。 
           5)利用分布時鐘的精確校準EtherCAT提供了有效的同步解決方案,在EtherCAT中,數據交換完全基于純粹的硬件設備。由于通訊利用了邏輯環網結構和全雙工快速以太網而又有實際環網結構,“主站時鐘”可以簡單而精確地確定對每個“從站時鐘”的運行補償,反之亦然。分布時鐘基于該值進行調整,這意味著它可以在網絡范圍內提供信號抖動很小、非常精確的時鐘。 
          總體來說EtherCAT具有高性能、拓撲結構靈活、應用容易、低成本、高精度設備同步、可選線纜冗余和功能性安全協議、熱插拔等特點。 

    一、網絡尋址原理 

           EtherCAT以以太網為基礎,發送標準以太網數據幀。EtherCAT主站發送的每一個數據幀經過所有節點,在數據幀向下游傳輸的過程中,每個節點讀取尋址到該節點的數據,并將它的反饋數據寫入數據幀。這種傳輸方式改善了帶寬的利用率,使得每個周期通常用一個數據幀就足以實現數據通信,同時網絡不再需要使用交換機和集線器。數據幀的傳輸延時只取決于硬件傳輸延時,當某一個網段或者分支上的最后一個節點檢測到開放端口(沒有下一個從站)時,利用以太網技術的全雙工特性將報文返回主站。 
           在數據傳輸的過程中EtherCAT根據不同的應用采用不同的尋址方式,三種不同的尋址方式被分別應用到EtherCAT網路配置,郵箱通信和過程數據通信中。 

         (一)自增量尋址 

           1)每個從站根據其所處位置的先后分配一個十六位的負的自增量地址。 
           2)當數據幀經過時從站只處理自增量地址為零的子報文。 
           3)在經過每個從站時數據幀中所有自增量地址加一。 
           4)通常用于掃描硬件的配置信息。 


           說明:自增量尋址一般用在啟動階段,主站通過自增量尋址對從站做一些配置。如上圖所示數據幀中的地址信息按從零開始以此遞減使其與從站位置相對應。當數據幀經過從站時,從站只處理地址為零的子報文。例如當第一個從站處理其對應的報文之后,報文中所有自增量地址加一,此時自增量地址從新為零的數據幀為第二個從站需要處理的數據,以此類推主站將按照數據幀在整個網絡中的移動順序依次遍歷整個網絡。 

         (二)固定地址尋址 

           1)每個從站有一個固定的地址(16 bit)。 
           2)通常在硬件配置掃描的過程中被分配。 
           3)與從站的位置無關。 
           4)當斷電后固定地址丟失。 


            說明:在經過啟動配置之后每個從站分配一個固定的地址,以便用于固定地址尋址。固定地址尋址一般用于主站與從站以郵箱方式的通信中(例如SDO),在郵箱方式通信時EtherCAT主站根據從站的固定地址尋址到所要交換數據的從站,數據只在兩者之間進行交換,適用于主站與某一個從站交換相對較大的數據。 

         (三)邏輯尋址 

           1)從站在一個虛擬的4GByte 數據空間進行讀寫操作。 
           2)邏輯地址映射到從站中減輕了控制系統的負擔。 
           3)數據根據應用程序所指定的邏輯地址被傳輸。 
           要求:快速,靈活并且高效的傳輸。 


          說明:邏輯尋址特別適用于在過程數據的通信過程中,每個從站的物理地址通過FMMU被映射到一個邏輯地址中。主站通過操作邏輯地址控制從站,使用邏輯尋址可以靈活地組織控制系統,優化系統結構。 

    二、EtherCAT主站協議棧介紹 

          北京盟通科技有限公司是德國acontis在中國大陸唯一授權的合作伙伴,德國acontis公司提供適用于不同硬件平臺和支持不同操作系統的商用EtherCAT主站協議棧及主站控制器完整解決方案,其產品的專業性和可靠性得到全球超過200家工業客戶的信賴與認可,包括KUKA機器、倫茨、阿爾斯通、巴赫曼等眾多國際知名企業。 

        (一)支持的操作系統 

        (二)支持的CPU架構 

           

    三、支持的網卡型號

           acontis公司提供的EtherCAT主站方案中包括專門用于EtherCAT通信的網卡驅動。專用驅動從源頭確保實時通信不被普通以太網數據阻塞,保證EtherCAT網絡性能,提供網絡實時性和同步性。


         

    四、EtherCAT性能測試 

          (一)EtherCAT總線時序圖 

           在實際應用中,開發者根據產品的性能要求確定總線循環周期Cycle Time的時間長短。在每個循環周期內,EtherCAT主站控制器的CPU必須完成下列幾項任務:已接收數據幀的處理、客戶應用處理、發送數據和主站協議棧管理,非周期數據的處理在每個循環周期中可選,如下面總線時序示意圖所示。 


    總線時序圖說明:

         (二)Acontis主站EC-Master性能測試環境設置 

           EC-Master性能測試環境包含了七個從站:EK1100、2xEL2004、2xEL1014、EL4132和EK1110。 
           傳輸的過程數據包含512個字節的數據(256個輸入和256個輸出),構成大小為579字節的數據幀。此外主站與EL4132使用郵箱方式進行非周期數據交換。EtherCAT主站協議棧在每個循環周期內占用的CPU時間請參考測試結果。 

         (三) 測試結果(CPU平均負載) 

        

           注釋:協議棧占用CPU時間是指在每個循環周期中I,O,A,M(數據接收,周期數據發送,主站管理,非周期數據發送)所用時間的總和。






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