【整理】EtherCAT特点详解

之前解释了EtherCAT:

【整理】工业自动化现场总线:EtherCAT

现在详细解释其特点:

 

EtherCAT协议处理完全在硬件中进行

协议ASIC 可灵活配置。过程接口可从1 位扩展到64 kbyte。

详见:

ethercat protocol can all handled within hardware_thumb

 

所以使得以太网可以直达端子模块:

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由100BASE-TX 或–FX 转换为E-bus,以满足电子端子排等模块化设备的需求。端子排内的E-bus 信号类型(LVDS)并不是专用的,它还可用于 10 Gbit 以太网。在端子排末端,物理总线特性被转换回100BASE-TX 标准。 

主板集成的以太网MAC 足以作为主站设备中的硬件使用。DMA(直接存储器存取)用于将数据传输到主内存,解除了 CPU 存取网络数据的负担。Beckhoff 的多端口插卡中运用了相同的原理,它在 一个PCI 插槽中最多捆绑了4 个以太网 通道。

ethercat slave controller digital io_thumb

 

fmmu datagram handle in hardware_thumb

 

EtherCAT的性能

EtherCAT 使网络性能达到了一个新境界。

1000 个I/O 的更新时间只需30 µs,其中还包括I/O 周期时间。单个以太网帧最多可进行1486 字节的过程数据交换,几乎相当于12000 个数字输入和输出,而传送这些数据耗时仅为300 µs。

与100 个伺服轴的通讯每100 µs 执行一次。可在这一周期时间内更新带有命令值和控制数据的所有轴的实际位置及状态,分布式时钟技术使轴的同步偏差小于1 微秒。

超高性能的EtherCAT 技术可以实现传统的现场总线系统无法迄及的控制理念。

这样,通过总线也可以形成超高速控制回路。以前需要本地专用硬件支持的功能现在可在软件中加以映射。巨大的带宽资源使得状态数据能够与任何数据并行传输。EtherCAT 使通讯技术和现代工业PC 所具有的超强计算能力相适应,总线系统不再是控制理念的瓶颈,分布式I/O 可能比大多数本地I/O 接口运行速度更快。

这种网络性能优势在具有相对中等运算能力的小型控制器中较为明显。EtherCAT周期时间如此之短,使得它可以在两个控制周期之间完成。因此,控制器总是能够获取最新的输入数据;输出以最小的延迟寻址。无需增强本身的运算能力,控制器的响应行为就能够得到显著改善。

借助于从站硬件集成和网络控制器主站的直接内存存取,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实时运行系统、CPU 性能或软件实现方式。

1000个I/O的更新时间只需30 µs,其中还包括I/O周期时间。

ethercat performance overview

单个以太网帧最多可进行1486字节的过程数据交换,几乎相当于12000个数字输入和输出,而传送这些数 据耗时仅为300 µs。

100个伺服轴的通讯也非常快速:可在每100µs中更新带有命令值和控制数据的所有轴的实际位置及状态,分布时钟技术使轴的同步偏差小于1微秒。而即使是在保证这种性能的情况下,带宽仍足以实现异步通讯,如TCP/IP、下载参数或上载诊断数据。

超高性能的EtherCAT技术可以实现传统的现场总线系统无法迄及的控制理念。EtherCAT使通讯技术和现代工业PC所具有的超强计算能力相适应,总线系统不再是控制理念的瓶颈,分布式I/O可能比大多数本地I/O接口运行速度更快。EtherCAT技术原理具有可塑性,并不束缚于100 M bps的通讯速率,甚至有可能扩展为1000 M bps的以太网。 

 

简言之:

EtherCAT的周期时间短,是因从站的微处理器不需处理以太网的封包。所有程序资料都是由从站控制器的硬件来处理。此特性再配合EtherCAT的机能原理,使得EtherCAT可以成为高性能的分散式I/O系统:包含一千个分散式数位输入/输出的程序资料交换只需30us,相当于在100Mbit/s的以太网传输125个字节的资料。读写一百个伺服轴的系统可以以10 kHz的速率更新,一般的更新速率约为1–30 kHz,但也可以使用较低的更新速率,以避免太频繁的直接内存存取影响主站个人电脑的运作。

 

EtherCAT的拓扑

总线形、树形或星型:EtherCAT支持几乎任何类型的拓扑结构。

因此,由于现场总线而得名的总线结构或线型结构也 可用于以太网,并且不受限于级联交换机或集线器的数量。

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。因为所需接口在I/O 模块等很多设备中都已存在,所以无需附加交换机。

当然,仍然可以使用传统的、基于以太网 的星型拓扑结构。

还可以选择不同的电缆以提升连线的灵活性:灵活、经济的标准超五类以太网电缆可采用100BASE-TX 模式传送信号, 两台设备之间的最大电缆长度为100 m。

还可通过交换机或介质转换器实现不同 以太网连线(如不同的光纤和铜电缆) 的完整组合。 

信号变量可以根据每个电缆间距单独选 择。由于连接的设备数量可高达65535, 因此,网络的容量几乎没有限制。

 

selectable topology of ethercat is flexible_thumb

flexible topology structure line tree star for ethercat

 

简言之:

EtherCAT使用全双工的以太网实体层,从站可能有二个或二个以上的埠。若设备没侦测到其下游有其他设备,从站的控制器会自动关闭对应的埠并回传以太网帧。由于上述的特性,EtherCAT几乎支援所有的网络拓扑,包括总线式、树状或是星状,现场总线常用的总线式拓扑也可以用在以太网中。

EtherCAT的拓扑可以用网络线、分枝或是短线(stub)作任意的组合。有三个或三个以上以太网接口的设备就可以当作分接器,不一定一定要用网络交换器。 由于使用100BASE-TX的以太网物理层,二个设备之间的距离可以到100米,一个EtherCAT区段的网络最多可以有65535个设备。若EtherCAT网络是使用环状拓扑(主站设备需要有二个通讯埠),则此网络还有缆线冗余的机能。

 

EtherCAT的速度

EtherCAT 技术原理具有可塑性,并不束缚于100 Mbaud的通讯速率,甚至有可能扩展为Gbit 的以太网。 

 

EtherCAT 取代PCI

随着PC 组件逐渐向小型化方向发展,工业PC的体积也日趋取决于插槽的数目。  而高速以太网的带宽和EtherCAT 通讯硬件的过程数据长度则为该领域的发展提 供了新的可能性:工业PC 中的传统接口现在可以转变为集成的EtherCAT接口端子模块。

distributed filedbus interface

除了可以对分布式I/O 进行编址,还可以对驱动和控制单元以及现场总线主站、快速串行接口、网关和其它通讯接口等复合系统进行编址。即使是其它无协议限制的以太网设备变体,也可以通过分布式交换机端口设备进行连接。由于一个以太网接口足以满足整个外围设备的通讯。

ethercat dramaticly reduce zie of controller

因此,这不仅极大地精简了工业PC 主机的体积和外观,而且也降低了工业PC 主机的成本。 

 

EtherCAT的分布式时钟

精确同步对于同时动作的分布过程而言尤为重要,例如,几个伺服轴在同时执行协调运动时便是如此。  最有效的同步方法是精确排列分布时钟。

与完全同步通讯中通讯出现故障会立刻影响同步品质的情况相反,分布排列的时钟对于通讯系统中可能存在的相关故障延迟具有极好的容错性。采用EtherCAT 后,数据交换就完全基于纯硬件机制。由于通讯采用了逻辑(借助于全双工快速以太网的物理层)环网结构, 主站时钟可以简单、精确地确定各个从站时钟传播的延迟偏移,反之亦然。分布式时钟基于该值进行调整,这意味着可以在网络范围内使用非常精确的、信号抖动小于1 微秒的、确定性的同步误差时间基。 

而跨接工厂等外部同步则可以基于IEEE 1588 标准。详情请参阅:【整理】工业自动化规范之时间同步:IEEE 1588

此外,高分辨率的分布式时钟不仅可以用于同步,还可以提供数据采集的本地时间精确信息。当采样时间非常短暂时,即使是出现一个很小的位置测量瞬时同步偏差,也会导致速度计算出现较大的阶跃变化,例如,运动控制器通过顺序检测的位置计算速度便是如此。而在EtherCAT中,引入时间戳数据类型作为一个逻辑扩展,以太网所提供的巨大带宽使得高分辨率的系统时间得以与测量值进行链接。这样,速度的精确计算就不再受到通讯系统的同步误差值影响,其精度要高于 基于自由同步误差的通讯测量技术。

由于采用了新的扩展数据类型,因此,可以给被测量值分配非常精确的时间戳。 

ethercat distributed clock local and sync_thumb

 

同步性与一致性:相距电缆长度为有120米的两个分布系统,带有300个节点的示波器比较:

synchronize 120m distence two distributed system

 

 

为了系统的同步,EtherCAT协定中有提供分散式时钟机制,即使通讯循环周期有抖动,时钟的抖动远小于1µs,大约接近IEEE 1588精密时间协议的标准。因此EtherCAT的主站设备不需针对时钟使用特殊的硬件,可以用软件实现在任何标准的的以太网MAC,即使没有特殊的通讯协处理器也没有关系。

标准建立分散式时钟的程序是由主站送出一特定位址的广播讯息给所有从站来启动。若使用环状拓扑,所有从站会在收到讯息时闩锁内 部时钟,当讯息回来时会再闩锁内部时钟一次。主站会读所有从站闩锁的值,计算各个从站的延迟。为了消除抖动的影响及求得平均值,主站会尽可能的多次进行上 述的程序。所有的从站延迟会依各从站在从站环状拓扑的位置来计算,并记录在一个偏移寄存器中。最后主站送出一个读写系统时钟的广播讯息,会使第一个从站的 时钟为参考时钟,其他从站的内部时钟会调整到和第一个从站相同。

为了在初始化后保持时钟的同步,主站或从站需定期的再送出广播讯号,以计算各个从站内部时钟的速度差异,若有需要时,从站需要可以调整自身时钟的速度,或是有其他调整时钟的机制。

系统时钟是一个64位元的计时器,计数内容是从2000年1月1日0点0分开始所经过的时间,单位是奈秒(ns)。

 

【感悟】

EtherCAT中提到的分布时钟,同步时钟,就相当于:

两个人(或多个人)拿着手表在一起,先:对点

确保各自的时间,是一致的。

这样,在后续的某个约定的时间,一起做某事,才能确保是同步去做的。

否则就会有时间的误差,就会影响办事。

 

EtherCAT支持热连接

许多应用都需要在运行过程中改变I/O组态。例如,需求不断变化的加工中心、 装备传感器的刀具系统或智能化的传输 系统、灵活的工件执行机构或可单独关 闭印刷单元的印刷机等。EtherCAT 系统的 协议结构中已经考虑到了这些需求:热 连接功能可以将网络的各个部分连在一起或断开,或“飞速”进行重新组态, 针对不断变化的组态提供灵活的响应能 力。

 

EtherCAT的高可靠性

选择冗余电缆可以满足快速增长的系统可靠性需求,以保证设备更换时不会导致网络瘫痪。EtherCAT也支持热备份的主站冗余。您可以很经济地增加冗余特性,仅需在主站设备端增加使用一个标准的以太网端口(无需专用网卡或接口),并将单一的电缆从总线型拓扑结构转变为环型拓扑结构即可。

use standard slave station low cost redundant cable

当设备或电缆发生故障时,也仅需一个周期即可 完成切换。因此,即使是针对运动控制要求的应用,电缆出现故障时也不会有任何问题。EtherCAT也支持热备份的主站冗余。由于在环路中断时 EtherCAT从站控制器芯片将立刻自动返回数据帧,一个设备的失败不会导致整个网络的瘫痪。例如,拖链设备可以配置为分支拓扑以防线缆断开。

 

EtherCAT的安全性:Safety over EtherCAT

EtherCAT有一个加强的协定版本,称为Safety over EtherCAT,可以在同一个网络上进行安全相关的通讯和一般的控制通讯。此安全通讯是以EtherCAT的应用层为基础,不会影响底层的通讯协定。Safety over EtherCAT有通过IEC 61508的认证,符合安全完整性等级(SIL)3的要求。

为了实现EtherCAT 安全数据通讯,我们开放了Safety over EtherCAT 协议,EtherCAT安全通信协议已经在ETG组织内部公开。该协议已经由德国技术监督局(TÜV)鉴定为符合IEC61508 定义的SIL3 等级要求。 设备上实施EtherCAT安全协议必须满足安全目标的需求。相应的产品相关要求也必须考虑进来。

EtherCAT被用作传输安全和非安全数据的单一通道。传输介质被认为是“黑色通道”而不被包括在安全协议中。

use black way for ethercat safe communication soft componet

EtherCAT过程数据中的安全数据报文包括安全过程数据和所要求的数据备份。这个“容器”在设备的应用层被安全地解析。通信仍然是单一通道的。这符合IEC61784-3附件中的模型A。因此,该安全协议也可通过其它通讯系统、背板或WLAN 传输。传输周期可根据要求缩短,不会影响残留误差率。Safety over EtherCAT 主站和从站之间的安全数据循环交换被称作为由看门狗定时 器监控的连接。一个主站能建立并监控多个不同从站的连接。

ethercat safety system arch

上图中的应用示例受益于这种技术。

安全元件在自动化系统中所需要的任意地方都可以使用。系统中可以使用不同规模的本地输入和输出元件。可以根据需求使用安全或非安全总线端子扩展额外的输入和输出。安全逻辑也嵌入到网络当中。这样不用安全扩展的标准 PLC可以继续处理控制任务。安全输入和输出功能需要的本地安全逻辑由智能化的安全总线端子实现。这节约了昂贵的安全PLC所带来的成本,并可以根据当前任务随意裁剪逻辑功能。只有安全EtherCAT主站和所分配的安全从站通过非安全的标准PLC路由。

  • 本协议在安全数据长度,通信介质或波特率方面没有限制。
  • EtherCAT被用作“黑色通道”,即,通信系统在安全处理中没有任何作用。
  • 协议被鉴定符合IEC61508定义的SIL3等级
  • 提供EtherCAT安全功能的产品已经于2005年就上市了。

 

EtherCAT的诊断

现场总线系统的实际应用经验表明,有效性和试运行时间关键取决于诊断能力。只有快速而准确地检测出故障,并明确标明其所在位置,才能快速排除故障。因此,在EtherCAT的研发过程中,特别注重强化诊断特征。

网络的诊断能力对于提高网络可靠性和缩短调试时间 — 从而降低总成本 — 来说至关重要。只有快速而准确地检测出故障,并明确标明其所在位置,才能快速排除故 障。因此,在EtherCAT 的研发过程中,特别注重强化诊断功能。 

试运行期间,驱动或I/O 端子等节点的实际配置需要与指定的配置进行匹配性检查,拓扑结构也需要与配置相匹配。

由于整合的拓扑识别过程已延伸至各个端子,因此,这种检查不仅可以在系统启动期间进行,也可以在网络自动读取时进行 (配置上载)。 

数据传输过程中出现的位故障可以通过评估每台设备上的CRC 校验进行检测——32 位CRC多项式的最小汉明距为4。除断点检测和定位之外,EtherCAT 系统的协议、物理层和拓扑结构还可以对各个传输段分别进行品质监视,与错误计数器关联的自动评估还可以对关键的网络段进行精确定位。此外,对于电磁干扰、连接器 破损或电缆损坏等一些渐变或突变的错误源而言,即便它们尚未过度应变到网络自 恢复能力的范围,也可对其进行检测与定位。

 

EtherCAT的开放性

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。不会影响 周期时间。带现场总线接口的设备可通过 EtherCAT 现场总线主站端子模块集成到网络中。UDP 协议变体允许设备整合 于任何 插槽接口中。EtherCAT 是一个完全开放的 协议,是公认的正式IEC 规范(IEC 61158,type 12)。



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