【整理】EtherCAT出现背景+协议原理+设备行规

已经介绍了:

【整理】工业自动化现场总线:EtherCAT

现在接着去研究EtherCAT的出现背景和原理。

 

EtherCAT出现的背景

现场总线已成为自动化技术的集成组件,通过大量的实践试验和测试,如今已获得广泛应用。正是由于现场总线技术的普及,才使基于PC的控制系统得以广泛应用。然而,虽然控制器CPU的性能(尤其是IPC的性能)发展迅猛,但传统的现场总线系统正日趋成为控制系统性能发展的“瓶颈”。急需技术革新的另一 个因素则是由于传统的解决方案并不十分理想。传统的方案是,按层划分的控制体系通常都由几个辅助系统所组成(周期系统):即实际控制任务、现场总线系统、 I/O系统中的本地扩展总线或外围设备的简单本地固件周期。正常情况下,系统响应时间是控制器周期时间的3-5倍。 在现场总线系统之上的层面(即网络控制器)中,以太网往往在某种程度上代表着技术发展的水平。该方面目前较新的技术是驱动或I/O级的应用,即过去普遍采 用现场总线系统的这些领域。这些应用类型要求系统具备良好的实时能力、适应小数据量通讯,并且价格经济。EtherCAT可以满足这些需求,并且还可以在 I/O级实现因特网技术 。

 

下图是传统现场总线系统的响应时间:

fieldbus system response time

 

但是目前的以太网的实时能力很弱:

目前,有许多方案力求实现以太网的实时能力。例如,CSMA/CD介质存取过程方案,即禁止高层协议访问过程,而由时间片或轮循方式所取代的一种解 决方案;另一种解决方案则是通过专用交换机精确控制时间的方式来分配以太网包。这些方案虽然可以在某种程度上快速准确地将数据包传送给所连接的以太网节 点,但是,输出或驱动控制器重定向所需要的时间以及读取输入数据所需要的时间都要受制于具体的实现方式。

如果将单个以太网 帧用于每个设备,那么,理论上讲,其可用数据率非常低。例如,最短的以太网帧为84字节(包括内部的包间隔IPG)。如果一个驱动器周期性地发送4字节的 实际值和状态信息,并相应地同时接收4字节的命令值和控制字信息,那么,即便是总线负荷为100%(即:无限小的驱动响应时间)时,其可用数据率也只能达 到4/84= 4.8%。如果按照10 µs的平均响应时间估计,则速率将下降到1.9%。对所有发送以太网 帧到每个设备(或期望帧来自每个设备)的实时以太网方式而言,都存在这些限制,但以太网帧内部所使用的协议则是例外。

 

目前,有许多方案力求实现以太网的实时能力。

例如,CSMA/CD介质存取过程方案,即禁止高层协议访问过程,而由时间片或轮询方式所取代的一种解决方案; 另一种解决方案则是通过专用交换机精确控制时间的方式来分配以太网包。

这些方案虽然可以在某种程度上快速准确地将数据包传送给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,因为即使是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,输出或驱动控制器重定向所需要的时间以及读取输入数据所需要的时间都要受制于具体的实现方式。通常也需要使用一条子总线,特别是在模块化I/O系统中,它与 Beckhoff 的K-bus 总线一样,传输可能能够同步,且速度也较快,但它还是不可避免地会增加通讯总线传输的延迟。 

 

简言之:

一般工业通讯的网络各节点传送的资料长度不长,多半都比以太网帧的最小长度要小。而每个节点每次更新资料都要送出一个帧,造成带宽的低利用率,网络的整体性能也随之下降。EtherCAT利用一种称为“飞速传输”(processing on the fly)的技术改善以上的问题。

 

EtherCAT协议和原理

自动化对通讯一般会要求较短的资料更新时间(或称为周期时间)、资料同步时的通讯抖动量低,而且硬件的成本要低,EtherCAT开发的目的就是让以太网可以运用在自动化应用中。

EtherCAT 技术突破了其他以太网解决方案的系统限制:通过该项技术,无需接收以太网数据包,将其解码,之后再将过程数据复制到各个设备。

EtherCAT 从站设备在报文经过其节点(直达I/O 端子模块)时读取相应的编址数据,同样,输入数据也是在报文经过时插入至报文中。

帧被传递(报文只有几纳秒的时间延迟)过去的时候,从站会识别出相关命令,并进行相应处理。整个协议的处理过程都在硬件中得以实现, 因此,完全独立于协议堆栈的Run-Time系统或CPU性能。网段中的最后一个EtherCAT从站将经过充分处理的报文发回,这样第一个从站就会将该报文作为 一种响应报文发回到主站。 从以太网的角度看,EtherCAT总线网段就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。

与其它任何以太网设备一样,EtherCAT不需要通过交换机就可以建立通讯,从而创建一个纯粹的EtherCAT 系统。

 

 

由于发送和接收的以太网帧压缩了大量的设备数据,所以有效数据率可达90%以上。100 Mb/s TX的全双工特性完全得以利用,因此,有效数据率可大于100 Mb/s(即大于2 x 100 Mb/s的90%)。

下面是带宽利用率的比较:

bandwidth utilize comparation ethercat polling broadcast

 

符合IEEE 802.3标准的以太网协议无需附加任何总线即可访问各个设备。耦合设备中的物理层可以将双绞线或光纤转换为LVDS(一种可供选择的以太网物理层标准 [4,5]),以满足电子端子块等模块化设备的需求。这样,就可以非常经济地对模块化设备进行扩展了。之后,便可以如普通以太网一样,随时进行从底板物理 层LVDS到100 Mb/s TX物理层的转换。

 

在EtherCAT网络中,当资料帧通过EtherCAT节点时,节点会复制资料,再传送到下一个节点,同时识别对应此节点的资料,则会进行对应的处理,若节点需要送出资料,也会在传送到下一个节点的资料中插入要送出的资料 。每个节点接收及传送资料的时间少于1微秒,一般而言只用一个帧的资料就可以供所有的网络上的节点传送及接收资料。

 

EtherCAT协议介绍

EtherCAT 是用于过程数据的优化协议, 凭借特殊的以太网类型,它既可以在以太网帧内直接传送,也可以封装为UDP/IP 数据报文。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。

EtherCAT帧可包括几个EtherCAT报 文,每个报文都服务于一块逻辑过程映像区的特定内存区域,该区域最大可达4GB字节。数据顺序不依赖于网络中以太网端子的物理顺序, 可任意编址。从站之间可进行广播、多播和通讯。

process data inserted into message

 

ethercat protocol structure map image freely

 

当需要实现最佳性能,且要求EtherCAT组件和控制器在同一子网操作时,则直接以太网帧传输就将派上用场。

 

然而,EtherCAT不仅限于单个子网的应用。EtherCAT UDP将EtherCAT协议封装为UDP/IP数据报文:

EtherCAT:符合IEEE 802.3 [3]的标准帧

EtherCAT conform to IEEE 802.3 standard frame

这就意味着,任何以太网协议堆栈的控制均可编址到EtherCAT系统之中,甚至通讯还可以通过路由器跨接到其它子网中。显然,在这种变体结构中,系统性能取决于控制的实时特性和以太网协议的实现方式。因为UDP数据报文仅在第一个站才完成解包,所以EtherCAT网络自身的响应时间基本不受影响。

 

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针对各种 设备类别和应用的CANopen 设备行规定义。EtherCAT 还支持符合IEC 61800-7-204  标准的从属行规。该行规以SERCOS 命 名,在全球运动控制应用领域得到普遍认可。 

除了符合主站/从站原理的数据交换外,根据主/从数据交换原理,EtherCAT还非常适合用于实现控制器之间(主站/主站)的通讯。自由编址的网络变量可用于过程数据以及参数、诊断、编程和各种远程控制服务,可满足各种应用需求。主站/从站与主站/主站之 间的数据通讯接口也相同。 

 

从站到从站的通讯则有两种机制以供选择:

一种机制是,上游设备和下游设备可以在同一周期内实现通讯,速度非常快。由于这种方法与拓扑结构相关,因此适用于由设备架构设计所决定的从站到从站的通讯,如打印或包装应用等。

而对于自由配置的从站到从站的通讯,则可以采用第二种机制—数据通过主站进行中继。 这种机制需要两个周期才能完成,但由于EtherCAT的性能非常卓越,因此该过程耗时仍然快于采用其他方法所耗费的时间。

EtherCAT仅使用标准的以太网帧,无任何压缩。因此,EtherCAT以太网帧可以通过任何以太网MAC发送,并可以使用标准工具(如:监视器)。

 

简言之:

EtherCAT通讯协定是针对程序资料而进行优化,利用标准的IEEE 802.3以太网帧传递,Ethertype为0x88a4。其资料顺序和网站上设备的实体顺序无关,寻址顺序也没有限制。主站可以和从站进行广播及多播等通讯。若需要IP路由,EtherCAT通讯协定可以放入UDP/IP资料包中。

 

EtherCAT设备行规(device profile)

设备行规描述了设备的应用参数和功能特性,如设备类别相关的机器状态等。现场总线技术已经为I/O设备、驱动、阀等许多设备类别提供了可利用的设备行规。

EtherCAT同时支援CANopen设备行规及Sercos驱动器行规。从CANopen或Sercos移植到EtherCAT时,在应用观点看到的内容是一様的,也可方便使用者或设备制造商的转换。

用户非常熟悉这些行规以及相关的参数和工具,因此,EtherCAT无需为这些设备类别重新开发设备行规,而是为现有的设备行规提供了简单的接口。 该特性使得用户和设备制造商可以轻松完成从现有的现场总线到EtherCAT技术的转换过程。

 

EtherCAT实现CANopen (CoE)

CANopen设备和应用行规广泛用于多种设备类别和应用,如I/O组件、驱动、编码器、比例阀、液压控制器,以及用于塑料或纺织行业的应用行规 等。EtherCAT可以提供与CANopen机制[7]相同的通讯机制,包括对象字典、PDO(过程数据对象)、SDO(服务数据对象),甚至于网络管 理。因此,在已经安装了CANopen的设备中,仅需稍加变动即可轻松实现EtherCAT,绝大部分的CANopen固件都得以重复利用。并且,可以选 择性地扩展对象,以便利用EtherCAT所提供的巨大带宽。

EtherCAT实施伺服驱动设备行规IEC 61491 (SoE)

SERCOS interfaceTM是全球公认的、用于高性能实时运行系统的通讯接口,尤其适用于运动控制的应用场合。用于伺服驱动和通讯技术的SERCOS框架属于IEC 61491标准[8] 的范畴。该伺服驱动框架可以轻松地映射到 EtherCAT中,嵌入于驱动中的服务通道、全部参数存取以及功能都基于EtherCAT邮箱。

coexist multiple device spec and protocol of ethercat

在此,关注焦点还是EtherCAT与现 有协议的兼容性(IDN的存取值、属性、名称、单位等),以及与数据长度限制相关的扩展性。过程数据,即形式为AT和MDT的SERCOS数据,都使用 EtherCAT从站控制器机制进行传送,其映射与SERCOS映射相似。并且,EtherCAT从站的设备状态也可以非常容易地映射为SERCOS协议 状态。EtherCAT从站状态机可以很容易地映射到SERCOS协议的通信阶段。EtherCAT为这种在CNC行业中广泛使用的设备行规提供了先进的 实时以太网技术。这种设备行规的优点与EtherCAT分布时钟提供的优点相结合,保证了网络范围内精确时钟同步。可以任意传输位置命令,速度命令或扭矩 命令。取决于实现方式,甚至可能继续使用相同的设备配置工具。

EtherCAT实现以太网(EoE)

EtherCAT技术不仅完全兼容以太网,而且在“设计”之初就具备良好的开放性特征——该协议可以在相同的物理层网络中包容其它基于以太网的服务 和协议,通常可将其性能损失降到最小。对以太网的设备类型没有限制,设备可通过交换机端口在EtherCAT段内进行连接。以太网帧通过EtherCAT 协议开通隧道,这也正是VPN、 PPPoE (DSL) 等因特网应用所普遍采取的方法。EtherCAT网络对以太网设备而言是完全透明的,其实时特性也不会发生畸变。

ethercat transparent for all internet protocol

EtherCAT设备可以包容其它的以太网协议,因此具备标准以太网设备的一切特性。主站的作用与第2层交换机所起的作用一样,可按照编址信息将以 太网帧重新定向到相应的设备。因此,集成万维网服务器、电子邮件和FTP 传送等所有的因特网技术都可以在EtherCAT的环境中得以应用。

EtherCAT实现文件读取(FoE)

这种简单的协议与TFTP类似,允许存取设备中的任何数据结构。因此,无论设备是否支持TCP/IP,都有可能将标准化固件上载到设备上。



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