初识EtherCAT协议-虹科云课堂_哔哩哔哩_bilibili
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2020-05-01 00:00:28
未经作者授权，禁止转载773431239本课程由虹科首席技术工程师陈海焕讲解《初识EtherCAT协议》。本站仅上架部分课程，如需了解更多，敬请关注公众号【工业通讯】→进入【虹科云课堂】查看更多！五一期间，虹科云课堂往期直播82节课程限时免费回看，更有邀请达人参与抽奖活动等你来！
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信捷PLC总线EtherCAT视频教程_哔哩哔哩_bilibili 首页番剧直播游戏中心会员购漫画赛事投稿信捷PLC总线EtherCAT视频教程
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EtherCAT协议基础知识(Part 1) - 知乎
EtherCAT协议基础知识(Part 1) - 知乎切换模式写文章登录/注册EtherCAT协议基础知识(Part 1)虹科工业智能互联一、EtherCAT概述1.特性①开放的技术EtherCAT全称EtherNet Control Automation Technology，是由德国倍福（Beckhoff）公司提出的一种实时以太网技术。EtherCAT是一种开放但不开源的技术，意味着您可以任意使用这项技术，但若要进行相关设备的开发，则需要向倍福公司获取相关授权。②快速性相比传统现场总线，EtherCAT的数据传输速率有了极大的提升，可选10Mbit/s或100Mbit/s，甚至依托补充的EtherCAT G技术，传输速率可达1000Mbit/s；同时EtherCAT基于标准以太网帧传输，单帧数据用容量可达1486 Bytes。这使得在传输数据量方面EtherCAT有无比的优越性。③拓扑的灵活性EtherCAT几乎支持所有的拓扑结构：星型、线性、树型、菊花链型等，并支持各类电缆、光纤等多种通信介质，还支持热插拔特性，保证了各设备之间连接的灵活性。同时EtherCAT几乎没有设备容量限制，最大从站设备数可达65535个，使得网络中无需交换机的存在，仅通过设备间的拓扑结构即能使得EtherCAT数据直达每个从站。④同步的精准性对于像多个伺服轴执行协同运动等一类应用，其对数据同步性要求甚高。而EtherCAT可选择使用分布式时钟（DC）的方式同步节点，并采用完全基于硬件的时间校准机制，使得整个系统抖动时间远小于1us，能够完全适用于这样的应用之下。如下图所示，300个EtherCAT站点间的信号时间抖动仅有20ns：⑤高可用性EtherCAT可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站点与主站设备中的以太网端口连接，即可将线型拓扑结构扩展为环型冗余拓扑结构。当线缆损坏或站点故障发生时，主站堆栈中的附加软件检测就会检测到，并立刻切到换冗余线路中运行，而各站点无需为此而改变，甚至不会意识到网络通信正在冗余线路中运行。2. ISO/OSI参考模型图：EtherCAT的ISO/OSI参考模型EtherCAT仅使用了物理层、链路层、应用层三层协议，与多数传统的现场总线相同，但相比于其它实时以太网协议，如PROFINET、EtherNet/IP等，其协议栈更加精简。这也是EtherCAT协议的实时性优越于其它实时以太网协议的重要原因之一。3.EtherCAT主从架构图：EtherCAT主从架构EtherCAT网络采用主从架构，网络组态于PC主机上进行配置，需要使用到相应的EMI（EtherCAT Master Information Files）、ESI（EtherCAT Slave Information Files）文件，经专用配置软件（通常于主站配置软件中集成）进行配置后生成ENI（EtherCAT Network Information Files）文件下载至主站中，主站便依据该文件进行整个网络的识别。图中关于EtherCAT从站设备的内部组成，即是一个实现EtherCAT协议OSI模型的过程：RJ45网口、PHY物理层芯片用于实现物理层协议；ESC用于实现链路层协议，通常使用倍福官方的ET1100芯片实现；MCU则用于实现应用层协议，需要厂商自行根据相应的协议编写程序代码，或是直接使用协议栈代码实现。4.报文帧传输方式EtherCAT报文帧只能由主站进行发送，在一个通讯周期内，主站发送以太网数据帧给各个从站，数据帧到达从站后，每个从站根据寻址从数据帧内提取相应的数据，并把它反馈的数据写入数据帧。当数据帧发送到最后一个从站后返回，并通过第一个从站返回至主站。这种传输方式能够在一个周期内实现数据通讯，还改善了带宽利用率，最大有效数据利用率达90%以上。(这种传输方式有点类似于现实生活中的环型地铁，列车上的人到达自己的目的站点后下车，每个站点的人也会相应上车。)发布于 2020-10-10 14:37以太网（Ethernet）交换机网络通信赞同 323 条评论分享喜欢收藏申请
PLC视频教程EtherCAT总线第2讲：配置与核心功能 | 信捷技术
PLC视频教程EtherCAT总线第2讲：配置与核心功能 | 信捷技术
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EtherCAT通讯协议做为自动化主流协议，被广泛应用。本文为用户详细介绍EtherCAT通讯协议通用名词的定义以及基于信捷XDPPro软件对EtherCAT的操作和信捷XDPPro在EtherCAT特有功能。
用户登录之后可进行视频学习。
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三分钟带您了解EtherCAT P_哔哩哔哩_bilibili
三分钟带您了解EtherCAT P_哔哩哔哩_bilibili 首页番剧直播游戏中心会员购漫画赛事投稿三分钟带您了解EtherCAT P
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未经作者授权，禁止转载631012220本视频将带您了解将通信与电源集成在一根线缆上的EtherCAT P技术。EtherCAT P（EtherCAT+Power电源）是在线缆层上对EtherCAT技术的补充。P代表电源，即在标准的4芯以太网电缆中不仅实现数据传输，还可以传输2组电气隔离的、独立的、可变换的24V/3A电源的传输。该技术有方便于几个EtherCAT设备的级联，仅需一条电缆即可连接并为I/O和现场设备进行供电。知识科学科普工业以太网EtherCATEtherCAT P集成通信和供电现场总线
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EtherCAT总线协议作为当下工业控制主流协议，信捷电气紧跟主流自主开发出基于EtherCAT的产品。本文详细为用户介绍EtherCAT的发展与应用，以及信捷电气有关EtherCAT产品介绍。
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EtherCAT学习之路——概述 - 知乎
EtherCAT学习之路——概述 - 知乎首发于EtherCAT学习之路切换模式写文章登录/注册EtherCAT学习之路——概述白细胞 最近在做基于EtherCAT的项目，看了一些网上的博客，感觉写的都比较松散。虽然，自己也是才开始学习，希望能把这段时间学到的东西总结一下。这是倍福的官方介绍，有时间的可以看一下。1.EtherCAT简介 EtherCAT是由德国BECKHOFF自动化公司于2003年提出的实时工业以太网技术。它具有高速和高数据有效率的特点，支持多种设备连接拓扑结构。其从站节点使用专用的控制芯片，主站使用标准的以太网控制器。 EtherCAT是一种工业以太网技术，看到的大多数应用场景都是伺服电机。因为是基于以太网的技术，所以EtherCAT相比于CAN总线而言，速率上要快不少。EtherCAT可以达到100M的速率，而CAN只有1M。此外，EtherCAT还具备低延时和精准同步的特点。 在工业总线中，低延时、精准同步是用户的关键需求。试想一下，工厂中某个器件的生产需要A/B/C三个机器协同操作，原本预想的是A先操作期间，然后B把器件传递给C，C再操作。如果，A/B/C不同步，或者操作命令的传达有延时，A还没有操作完器件，B就已经开始进行传递了。这时要么器件损坏，要么就做出来个半成品。而EtherCAT相比于普通的以太网技术就有这两点的优点。2.EtherCAT基本原理 EtherCAT基本原理这一节PLC攻城狮的《浅析EtherCAT 总线》讲的还是比较清楚，推荐大家看一下。下面我就简单说一下自己的理解。 倍福官方对EtherCAT的传递机制的命名叫做：ON The Fly。图 2-1 On The Fly On The Fly技术可以从两方面来解读，第一个方面是以太帧“时分复用”。一般以太帧里都只包含了一个设备发送的消息，5个设备就会发送5条以太帧。而EtherCAT则是多个从站共享一条以太帧。就像图2-1中的火车，EtherCAT主站发出了“火车”（以太帧），各个从站则从这辆火车的不同的“车厢”（子报文）中提取或插入自己的“乘客”（消息）。这样一来就实现了以太帧的“时分复用”，只用一条以太帧（最大1486byte），就可以让各个从站都收发出自己的消息，大大的降低了通信的延时（这一部分《浅析EtherCAT 总线》里面讲的比较清楚，还没理解的同学可以看看）。 On The Fly影响的另一个方面就是总线仲裁了。所谓总线（例如CAN总线），就是大家都共用一条通道来通信，各个设备都挂载在同一条总线上。所以，当一个总线上的多个设备同时想要发消息的时候，就会产生冲突，所以，就有总线仲裁的机制。控制器决定当前时刻，谁来发消息，谁来“占用”这条总线。而EtherCAT玩了一个花样，EtherCAT的各个设备之间是一种P2P（Point to Point）的连接方式，这些设备根本没有连接在“同一条”总线上。下面是EtherCAT的连接结构。图 2-2 EtherCAT连接结构 图2-2中，最左边的是主站，后面的都是从站，各个从站下面还挂载了不同的设备。可以看到主站向从站1发送以太帧，从站1接收、处理完自己的子报文后，再把以太帧发送给从站；从站2接收，处理完自己的子报文后在发送给从站3；如此往返，直到最后一个从站n接收处理完自己的消息，再把这条以太帧返回回去。所以，各个从站之间根本就不会存在总线冲突。EtherCAT只需要预先配置好各个从站占用的子报文位置，也就是On The Fly技术，就可以解决总线总裁这一个老大难的问题，确实是一箭双雕。 当然，这种解决方案也是有它的缺点的。比如，从站数量非常多的时候，最后一个从站就需要等前面的从站一次次转发才能收到消息。当然，我觉得EtherCAT应该也想到了这点，应该也采取了某种机制来避免这种最远设备延迟的缺陷。但是，我还没深挖这个问题，所以，没看到相关的解决机制。如果有了解的同学希望能指教一下。3.EtherCAT系统组成 EtherCAT系统主要就一个主站和若干从站组成。如图3-1所示：图3-1 EtherCAT系统组成 EtherCAT一般使用软件的方式来实现主站，包括倍福的TwinCAT，Igh，KingStar等等都是基于一台实时操作系统的PC，通过以太网卡，来实现主站的功能。因为，主站不是我的项目重点，所以，目前了解的还不多。先挖一个坑，后面有时间了研究一下，再来补上。现在我是用TwinCAT的免费版来学习和调试的。TwinCAT本身是收费的，不过，它有试用版，试用版不具备实时功能，调试一下设备还是足够了。 从站的组成如图3-2所示：图 3-2 从站组成 从站一般是有3部分器件组成的：物理层器件、EtherCAT从站控制器（EtherCAT Slave Control）和微处理器（MCU）。物理层器件就是以太网的PHY芯片和网口，ESC是实现EtherCAT协议栈的专用ASIC，从站控制微处理器主要实现应用层（如CANopen）和用户自定义的程序。 看到这里没有通信基础知识的通信可能就有点懵逼了。物理层，数据链路层，应用层这些是个啥玩意？这里我就简单说一下，想要深入理解还是可以看看OSI模型，大多数的通信技术都脱离不了这个框架。图 3-3 OSI模型 这里偷了个懒，盗用一下PLC攻城狮的图片。OSI中有7层，EtherCAT系统中只用了3层：物理层、数据链路层、应用层。先降维的说一下这几层是啥意思。最基本的通信就是咱们人类说话，我就以我们普通对话来讲解一下这三层的意思。 物理层：人类的语言是通过嘴发声，声波在空气中传播，传递到耳朵，耳朵听音再汇聚到大脑，大脑最终判断出声音中的信息。我们的嘴、耳、声波和空气就是物理层。物理层的重点是信号在介质中的传递表示，不同的字有不同的发音规则，不同的频率和声调，比如“哦”，我们就需要发出“o”这个音，我们听到“o”这个音的时候，才能判断出“哦”这个字。计算机通信的原理和这个也是一样的，信号在光纤、电缆以及空气中传播，计算机需要判断电缆上的电平的高低来判断0,1bit。当然，计算机比人类要傻很多，它不知道“某句话”的“发音”是从什么时候开始的，什么时候结束的，所以，物理层还需要告诉它信号的起始时刻和持续的长度等等。 数据链路层：通过前面的物理层，我们已经具备了基本的发声的手段，通过嘴改变声音的频率、音调、音长等特征（通信系统中，天线或者光模块改变信号的电平高低、信号频率、调制方式等特征），让声音在空气中传播（通信系统中，信号在相应的介质中传播），然后，耳朵识别这些频率、音调、音长等特征（通信系统中，接收端的识别信号的电平高低、频率、调制方式），最终实现口到耳的传播。 但是，光是这样还足够实现通信。试想一下，你和你的几个朋友处在一个嘈杂的环境当中，远处有汽车的轰鸣，旁边还有小孩子在哭闹，你的朋友们每个人在抢着发言，大家七嘴八舌的，根本听不清对方在说什么。所以，你和你的朋友之间想要对话就必须克服两个困难，第一，屏蔽掉耳旁的那些轰鸣声、哭闹声；第二，需要建立一种对话机制，让大家互相可以听清对方的话语。 第一点中描述的那些轰鸣、哭闹声，实际上就是通信系统中的噪声，噪声太大时，我们是无法通信的，因为我们根本听不清旁边的人在说些什么，只能听到轰鸣、哭闹声。最简单克服噪声的办法就是提高信号的发射功率，也就是大声地说话，让自己的声音盖过那些哭闹声，也即是通信系统中的功率控制。还有一种办法就是我们过滤掉一些噪声，虽然，这些声音都会进入我们的耳朵，但是，我们的大脑可以过滤掉一些不关注的声音，专注的去接收那些关注的声音，也即是通信系统中的频率选择。此外，大家七嘴八舌的说话也是一个问题。7,8个人同时在说话，你能听清楚一两个就不错了，其他人在说啥，根本没法听清。所以，我们说话的时候，一般会有一个轮流的机制。每个人说两句，别人说话的时候，别插嘴。或者，两个人说悄悄话，不打扰到别人，自己也听得清。这里的轮流说话机制，就是通信系统中的“时分复用”或者“频分复用”；一个人说7个人听，就是广播；1对1的悄悄话就是单播。数据链路层实际上就是用来解决以上的这些问题。 数据链路层会将待传输的消息组成一个帧，如图3-4所示：图3-4 EtherCAT帧结构 这个帧里就会包含目的地址、源地址、帧数据、帧校验位等。通过目的地址就可以确定帧传递的对象，通过源地址接收方也可以知道是谁发送了这条帧。在数据帧之外的地方，一般还会存在一个控制器（比如EtherCAT主站），这个控制器会决定，其他的从站什么时候传输数据，数据可以占用多少的资源。在其他的一些更复杂的通信系统中，数据链路层还会根据当前的信道条件（噪声情况），来决定各个设备的发射功率，调制方式等。 应用层：说完了数据链路层，我们还需要继续了解一下应用层。首先需要明确的一点，这里的应用层和我们手机、电脑上的应用程序不是一个东西。最为常见的应用层协议就是HTTP。简单来说，应用层是对数据的一种格式约定。这里还是用人类的对话来打个比方。你和一个老外，大家都有口有耳，也都是文明人，知道等对方说完自己再说。但是，你不懂英文，他不懂中文，你们还是无法交流。他说了“double”，你以为是“打包”；他说“You need cry deal”，你以为是“有你的快递”。这实际上就是你们的应用层协议不对等，他安装的是“英语”应用层协议，你安装的是“中文”应用层协议，大家说话牛头不对马嘴，根本无法交流。再夸张一点，我和你都是中国人，我们都听得懂中文，当时我是学通信的，你是学自动化的，我说PRACH信道，信道检查与估计，匹配滤波这些词的时候，你能明白每一个字的意思，但是连着一起是啥就不知道了。这就是因为你确实“通信系统”这个应用层协议。应用层协议最终的目的，就是让消息的收发双方知道这一串“1010101010”代表的是什么意思。本来这一章准备昨天就写完了，谁知道写了这么多无关的内容，后面准备新开一个博客把OSI的7层就讲一下，然后再把这一节删除掉。4.学习书目 其实，前面说了这么多，我觉得只有这一节最重要，介绍一下我的参考书目。网上虽然有各种各样的博客、知乎文字，但是始终是比不上书本上的详细和系统的。网上这些博客可能可以吃个快餐，但绝对不是什么捷径。不系统的学习，只能让你一知半解，能做个Demo出来就不错了。一旦遇到一点bug，根本无从下手。所以，一定要多读书，读好书。 这里有几本书要给大家推荐一下。 首先是北京航空航天大学出版社，郇极、刘艳强编写的《工业以太网现场总线EtherCAT驱动程序设计及应用》。这本书详细的介绍了EtherCAT协议、从站控制芯片以及相关应用层协议。我这里的大多数内容都取自于这本书中，如果能把这本书都看懂、看明白，那EtherCAT从站开发，应该不会有太大的难点。 第二是周立功的《CANopen轻松入门》。EtherCAT是一个数据链路层的协议，所以还需要配合上层的应用层协议才能更好的工作，CANopen即是工业物联网中一个比较常用的应用层协议。事实上，进行从站开发的时候，应用层协议会占到很大的比例。因为，EtherCAT从站一般都会使用一个专用ASIC（如ET1100）来实现EtherCAT协议栈，也即是完成数据链路层的工作。对于数据链路层，我们只需要做一些配置工作，而应用层协议则需要通过软件来实现。 第三是倍福官方的《EtherCAT Slave Information Specification 》和《Application Note ET9300》。前面说了，EtherCAT协议栈的功能都是在ET1100上实现的，开发从站是不涉及这部分数据链路层的代码的。但是，我们还是对从站进行相应的配置，包括PDI控制，SYNC信号脉冲宽度等信息（称为EtherCAT Slave Information，ESI）。这些信息的配置就在《EtherCAT Slave Information Specification》里有详细讲解。此外，从站开发还需要实现CANopen等应用层协议。对于应用层协议的实现，在《Application Note ET9300》里有比较详细的讲解。像ET1100、AX58100、LAN9252这些EtherCAT控制芯片，其芯片厂商都会提供一些Demo程序，这些Demo程序实际上都是基于《Application Note ET9300》里的软件框架来完成的。《Application Note ET9300》只有英文版，我自己也还没有看完，而且比较重要，后面专门拿一章来细讲。 第四是SSC，这是倍福提供的一个软件。前面说了，从站开发的两个关键步骤是EtherCAT控制芯片的配置和应用层协议的实现。倍福提供了SSC这样一个软件，它可以直接根据配置和需求，生成所需的xml描述文件和应用层代码。当然，这个软件生成的代码原生只适配与倍福自己的ET1100或ET1200芯片，其他的LAN9252、AX58100都做一些修改。这个东西看着很美好，也就那么回事。其实，每个芯片厂商都有提供自己的Demo程序，这些Demo程序都简单实现了应用层协议。如果是使用非倍福的芯片，不如直接在芯片厂商的Demo程序上改，这样可以避免一些莫名其妙的bug。不过，如果所需的应用层协议，芯片厂商没有提供Demo程序的话，还是需要用SSC生成一个参考，然后，再基于这个参考来修改。题外话原本以为一个晚上可以搞定的工作，生生花了2个晚上。很多地方写得比较零碎，特别是OSI那一段扯得有点远了，写了不少和主题无关的内容，后面找时间再重新精简一下。第一次写博客，可能有不少不准确或者错误的地方，还请大家见谅。如有不对之处，还请多多指教。编辑于 2020-03-13 16:39工业互联网/物联网平台个人博客以太网（Ethernet）赞同 19716 条评论分享喜欢收藏申请转载文章被以下专栏收录EtherCAT学习之路EtherCAT从站开
EtherCAT - 以太网现场总线系统的EtherCAT (Ethernet for Control Automation Technology)技术教程 - 知乎
EtherCAT - 以太网现场总线系统的EtherCAT (Ethernet for Control Automation Technology)技术教程 - 知乎首发于IT技术专栏切换模式写文章登录/注册EtherCAT - 以太网现场总线系统的EtherCAT (Ethernet for Control Automation Technology)技术教程iiidd777IT技术分享及教程EtherCAT - 以太网现场总线本文深入阐述了基于以太网现场总线系统的EtherCAT (Ethernet for Control Automation Technology)技术。EtherCAT为现场总线技术领域树立了新的性能标准，具备灵活的网络拓扑结构，系统配置简单，和现场总线系统一样操作直观简便。另外，由于EtherCAT实施的成本低廉，因此使系统得以在过去无法应用现场总线网络的场合中选用该现场总线。1. 引言1.1 以太网和实时能力2. EtherCAT 运行原理3. EtherCAT 技术特征3.1 协议3.2 拓扑3.3 分布时钟3.4 性能3.5 诊断3.6 高可靠性3.7 安全性3.8 EtherCAT 取代PCI3.9 设备行规3.9.1 EtherCAT实现CAN总线应用层协议 (CoE)3.9.2 EtherCAT实现伺服驱动设备行规IEC61491 (SoE)3.10 EtherCAT实现以太网(EoE)3.11 EtherCAT实现文件读取(FoE)3.12 ADS over EtherCAT (AoE)4. 基础设施成本5. EtherCAT 实施5.1 主站5.1.1 主站实施服务5.1.2 主站样本代码5.2 从站5.2.1 EtherCAT Slave Controller5.2.2 从站评估工具包6. 小结7. 参考文献1. 引言页首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 （参见图1）。图1: 传统现场总线系统响应时间在现场总线系统 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。1.1 以太网和实时能力目前，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。2. EtherCAT 运行原理页首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（参见图2）。整个过程中，报文只有几纳秒的时间延迟。图 2: 过程数据插入至报文中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%）（参见图3）。图 3: 带宽利用率的比较符合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。3. EtherCAT 技术特征页首3.1 协议EtherCAT是用于过程数据的优化协议，凭借特殊的以太网类型，它可以在以太网帧内直接传送。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。从站之间的广播、多播和通讯均得以实现。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（参见图4），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。图 4: EtherCAT：符合IEEE 802.3 [3]的标准帧另外，根据主/从数据交换原理，EtherCAT也非常适合控制器之间（主/从）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，满足广泛的应用需求。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。按照文献[3]所述，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）。3.2 拓扑EtherCAT几乎支持任何拓扑类型，包括线型、树型、星型等（参见图5）。通过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。图 5: 灵活的拓扑结构：线型、树型或星型拓扑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；塑封光纤（PFO）则可用于特殊应用场合；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。快速以太网的物理层（100BASE-TX ）允许两个设备之间的最大电缆长度为100米。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。3.3. 分布时钟精确同步对于同时动作的分布式过程而言尤为重要。例如，几个伺服轴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（请参阅IEEE 1588标准[6]）。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比，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，数据交换就完全基于纯硬件机制。由于通讯采用了逻辑环结构 （借助于全双工快速以太网的物理层），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。分布时钟均基于该值进行调整，这意味着可以在网络范围内使用非常精确的、小于1 微秒的、确定性的同步误差时间基（参见图6）。而跨接工厂等外部同步则可以基于IEEE 1588 标准。图 6: 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此外，高分辨率的分布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。3.4 性能EtherCAT使网络性能达到了一个新境界。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（参见表1）。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。表 1: EtherCAT性能概貌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。 3.5 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。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）。可以通过评估CRC校验，有效检测出数据传送期间的位故障——32 位CRC多项式的最小汉明距为4。除断线检测和定位之外，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。3.6 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。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（见图7）。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。图 7: 使用标准从站设备的低成本线缆冗余3.7 安全性为了实现EtherCAT安全数据通信，EtherCAT安全通信协议已经在ETG组织内部公开。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（见图8）。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。图 8: 使用黑色通道的EtherCAT安全通信软件构件EtherCAT安全协议已经由德国技术监督局（TÜV）评估为满足IEC61508定义的SIL3等级的安全设备之间传输过程数据的通信协议。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。图 9: EtherCAT安全系统图9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么有限制。· 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。3.8 EtherCAT 取代PCI随着PC组件急剧向小型化方向发展，工业PC的体积日趋取决于插槽的数目。而快速以太网的带宽和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——IPC 中的传统接口现在可以转变为集成的EtherCAT接口端子（参见图10）。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。图 10: 分布式现场总线接口即使是其他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 （参见图11），因此，这不仅极大地精简了IPC主机的体积和外观，而且也降低了IPC主机的成本。图 11: EtherCAT使控制器的体积显著减小3.9 设备行规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。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。3.9.1 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。3.9.2 EtherCAT实施伺服驱动 设备行规IEC 61491 (SoE)SERCOS interface™ 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（参见图12）。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。图 12: 同时并存的多个设备行规和协议3.10 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（参见图13）。图 13: 对所有以太网协议完全透明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。3.11 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。3.12 ADS over EtherCAT (AoE)ADS over EtherCAT (AoE)是由EtherCAT规范定义的客户端-服务器邮箱协议。尽管CoE协议提供了详尽的描述，但AoE则更适合路由与并行服务的应用：通过网关设备访问子网络，如EtherCAT至CANopen® 或 EtherCAT至IO-Link™ 网关设备。AoE使EtherCAT主站应用（如PLC程序）可以访问所属CANopen® 或 IO-Link™从站的各个参数。AoE路由机制开销远低于因特网协议（IP）所定义的开销，并且发送方和接收方寻址参数始终包含在AoE报文中。因此，EtherCAT主站和从站端的实施更为精简。AoE也通过EtherCAT自动化协议（EAP）进行非周期通信的标准化，从而为上位机MES系统或主计算机、EtherCAT主站及其从属的现有设备之间提供无缝通信。同时，AoE也提供了从远程诊断工具获取EtherCAT网络诊断信息的标准化方法。4. 基础设施成本页首由于EtherCAT无需集线器和交换机，因此，在环境条件允许的情况下，可以节省电源、安装费用等设备方面的投资，只需使用标准的以太网电缆和价格低廉的标准连接器即可。如果环境条件有特殊要求，则可以依照IEC标准，使用增强密封保护等级的连接器。5. EtherCAT 实施页首EtherCAT技术是面向经济的设备而开发的，如I/O 端子、传感器和嵌入式控制器等。EtherCAT使用遵循IEEE802.3标准的以太网帧。这些帧由主站设备发送，从站设备只是在以太网帧经过其所在位置时才提取和/或插入数据。因此，EtherCAT 使用标准的以太网MAC，这正是其在主站设备方面智能化的表现。同样，EtherCAT在从站控制器中使用专用芯片，这也是其在从站设备方面智能化的表现——无论本地处理能力是否强大或软件品质好坏与否，专用芯片均可在硬件中处理过程数据协议，并提供最佳实时性能。5.1 主站EtherCAT可以在单个以太网帧中最多实现1486字节的分布式过程数据通讯。其它解决方案一般是，主站设备需要在每个网络周期中为各个节点处理、发送和接收帧。而EtherCAT系统与此不同之处在于，在通常情况下，每周期仅需要一个或两个帧即可完成所有节点的全部通讯，因此，EtherCAT主站不需要专用的通讯处理器。主站功能几乎不会给主机CPU带来任何负担，轻松处理这些任务的同时，还可以处理应用程序，因此EtherCAT 无需使用昂贵的专用有源插接卡，只需使用无源的NIC卡或主板集成的以太网MAC设备即可。EtherCAT主站很容易实现，尤其适用于中小规模的控制系统和有明确规定的应用场合。例如，如果某个单个过程映像的PLC没有超过1486 字节，那么在其周期时间内循环发送这个以太网帧就足够了。因为报文头运行时不会发生变化，所以只需将常数报文头插入到过程映像中，并将结果传送到以太网控制器即可。EtherCAT映射不是在主站产生，而是在从站产生（外围设备将数据插入所经以太网帧的相应位置），因此，此时过程映像已经完成排序。该特性进一步减轻了主机CPU的负担。可以看到，EtherCAT主站完全在主机CPU中采用软件方式实现，相比之下，传统的慢速现场总线系统通过有源插接卡方可实现主站的方式则要占用更多的资源，甚至服务于DPRAM的有源卡本身也将占用可观的主机资源。系统配置工具（通过生产商获取）可提供包括相应的标准 XML 格式启动顺序在内的网络和设备参数。图 14: 主站实施的单个过程映像5.1.1 主站实施服务已经在各种实时操作系统上实现了EtherCAT主站，包括但并不限于：eCos, INtime, MICROWARE OS-9, MQX, On Time RTOS-32, Proconos OS, Real-Time Java, RT Kernel, RT-Linux, RTX, RTXC, RTAI Linux, PikeOS, Linux with RT-Preempt, QNX, VxWin + CeWin, VxWorks, Windows CE, Windows XP/XPE with CoDeSys SP RTE, Windows NT/NTE/2000/XP/XPE/Vista with TwinCAT RTE, Windows 7 and XENOMAI Linux.可以获得开源主站协议栈，作为示例代码或商业软件。也有各种公司提供各种硬件平台上的实施服务。可以在EtherCAT网站上的产品区找到快速增长的供应商信息[1]。5.1.2 主站样本代码另一种EtherCAT主站的实现方式是使用样本代码，花费不高。软件以源代码形式提供，包括所有的EtherCAT主站功能，甚至还包括EoE（EtherCAT实现以太网）功能（见图15）。开发人员只要把这些应用于Windows环境的代码与目标硬件及所使用的RTOS加以匹配就可以了。该软件代码已经成功应用于多个系统。图 15: 主站样本代码结构5.2 从站EtherCAT从站设备使用一个价格低廉的从站控制器芯片ESC。从站不需要微处理器就可以实现EtherCAT通信。可以通过I/O接口实现的简单设备可以只由ESC和其下的PHY，变压器和RJ45接头。给从站的过程数据接口是32位的I/O接口。这种从站没有可配置的参数，所以不需要软件或邮箱协议。EtherCAT状态机由ESC处理。ESC的启动信息从EEPROM中读取，它也支持从站的身份识别。更复杂的可配置从站有使用一个CPU。这个CPU和ESC之间使用8位或16位并行接口或串行SPI接口。要求的CPU性能取决于从站的应用，EtherCAT协议软件在其上运行。EtherCAT协议栈管理EtherCAT状态机和应用层协议，可以实现CoE协议和支持固件下载的FoE协议。EoE协议也可以实施。5.2.1 EtherCAT Slave Controller目前，有多家制造商均提供EtherCAT从站控制器。通过价格低廉的FPGA，也可实现从站控制器的功能，可以购买授权以获取相应的二进制代码。从站控制器通常都有一个内部的DPRAM，并提供存取这些应用内存的接口范围：· 串行SPI（串行外围接口）主要用于数量较小的过程数据设备，如模拟量I/O模块、传感器、编码器和简单驱动等。该接口通常使用8位微控制器，如微型芯片PIC、DSP、Intel 80C51等(见图16)。· 8/16位微控制器并行接口与带有DPRAM接口的传统现场总线控制器接口相对应，尤其适用于数据量较大的复杂设备。通常情况下，微控制器使用的接口包括Infineon 80C16x、Intel 80x86、Hitachi SH1、ST10、ARM和TI TMS320等系列(见图16)。· 32位并行I/O接口不仅可以连接多达32位数字输入/输出，而且也适用于简单的传感器或执行器的32位数据操作。这类设备无需主机CPU(见图17)。图 16: 从站硬件：带主机CPU的FPGA图 17: 从站硬件：带直接I/O的FPGA关于EtherCAT从站控制器的最新信息，请登录EtherCAT网站[1]。5.2.2 从站评估工具包倍福公司提供的从站评估工具包使接口操作变得简便易行。由于采用了EtherCAT，无需功能强大的通讯处理器，因此，可将从站评估工具包中的8位微处理器作为主机CPU使用。该工具包还包括源代码形式的从站主机软件（相当于协议堆栈）和参考主站软件包（TwinCAT）。6. 小结页首EtherCAT 拥有杰出的通讯性能，接线非常简单，并对其它协议开放。传统的现场总线系统已达到了极限，而EtherCAT则突破建立了新的技术标准——30 µs内可以更新1000个I/O数据，可选择双绞线或光纤，并利用以太网和因特网技术实现垂直优化集成。使用 EtherCAT，可以用简单的线型拓扑结构替代昂贵的星型以太网拓扑结构，无需昂贵的基础组件。EtherCAT还可以使用传统的交换机连接方式，以集成其它的以太网设备。其它的实时以太网方案需要与控制器进行特殊连接，而EtherCAT只需要价格低廉的标准以太网卡(NIC) 便可实现。EtherCAT拥有多种机制，支持主站到从站、从站到从站以及主站到主站之间的通讯（参见图18）。它实现了安全功能，采用技术可行且经济实用的方法，使以太网技术可以向下延伸至I/O级。EtherCAT功能优越，可以完全兼容以太网，可将因特网技术嵌入到简单设备中，并最大化地利用了以太网所提供的巨大带宽，是一种实时性能优越且成本低廉的网络技术。图 19: 网络结构形式多样7. 参考文献页首[1]EtherCAT Technology Group (ETG) http://www.ethercat.org[2]IEC 61158-3/4/5/6-12 (Ed.1.0), Industrial communication networks – Fieldbus specifications – Part 3-12: Data-link layer service definition – Part 4-12: Data-link layer protocol specification – Part 5-12: Application layer service definition – Part 6-12: Application layer protocol specification – Type 12 elements (EtherCAT)[3]IEEE 802.3: Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection (CSMA/CD) Access Method and Physical Layer Specifications[4]IEEE 802.3ae-2002: CSMA/CD Access Method and Physical Layer Specifications: Media Access Control (MAC) Parameters, Physical Layers, and Management Parameters for 10 Gb/s Operation[5]ANSI/TIA/EIA-644-A, Electrical Characteristics of Low Voltage Differential Signaling (LVDS) Interface Circuits[6]IEEE 1588-2002: IEEE Standard for a Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control Systems[7]EN 50325-4: Industrial communications subsystem based on ISO 11898 (CAN) for controller-device interfaces. Part 4: CANopen[8]IEC 61800-7-301/304 (Ed.1.0), Adjustable speed electrical power drive systems – Part 7-301: Generic interface and use of profiles for power drive systems – Mapping of profile type 1 to network technologies – Part 7-304: Generic interface and use of profiles for power drive systems – Mapping of profile type 4 to network technologies[9]SEMI E54.20: Standard for Sensor/Actuator Network Communications for EtherCAT.为何使用EtherCAT？EtherCAT独特的运行机制使其成为“工程师的明智之选”。此外，以下特点对某些应用具有特别的优势。1. 卓越的性能总的来说 EtherCAT 是最快的工业以太网技术，同时它提供纳秒级精确的同步。目标系统由总线系统控制或监测的所有应用都将从此大大获益。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 性能可以改善精度，获得更高的吞吐量，并降低成本。2. 灵活的拓扑在 EtherCAT 应用中，机器结构决定网络拓扑结构，而非反之。在传统的工业以太网系统中，可安装的交换机和集线器的数量是有限的，从而限制了整个的网络拓扑结构。而 EtherCAT 无需交换机或集线器，因此没有这样的局限性。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。由于自动链接检测功能，节点和网段可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。因此可在机器运转过程中进行设备交换。3. 简单且耐用配置、检测、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，无需手动配置。低总线负载和点对点的物理层改善了抗电磁干扰的能力。网络可靠地定位检测潜在的干扰，从而大大减少了排除错误的时间。在启动时，网络将目标拓扑与现实拓扑对比从而检测差异。EtherCAT 出色的性能使得系统配置时降低对网络调试的需求。由于高带宽，可以将其他的 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。4. 集成安全功能性安全作为一个网络结构的集成部分？对于 FSoE（Functional Safety over EtherCAT）来说不是问题。FSoE 是得到实际验证的，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，一个非安全要求的控制器可以接受并处理安全数据。5. 低成本易实现EtherCAT 以相当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获得：ASIC 芯片、FPGA，或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时间关键任务，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，从而节省了该类组件及其安装、配置和维护的成本。基于这些原因，EtherCAT广泛适用于：· 机器人· 机床· 包装机械· 印刷机· 塑料制造机器· 冲压机· 半导体制造机器· 试验台· 测试系统· 抓取机器· 电厂· 变电站· 材料处理应用· 行李运送系统· 舞台控制系统· 自动化装配系统· 纸浆和造纸机· 隧道控制系统· 焊接机· 起重机和升降机· 农场机械· 海岸应用· 锯木厂· 窗户生产设备· 楼宇控制系统· 钢铁厂· 风机· 家具生产设备· 铣床· 自动引导车· 娱乐自动化· 制药设备· 木材加工机器EtherCAT 常见问题1. EtherCAT技术· 1.1 EtherCAT性能远高于我的应用需求。为什么我还要使用该技术？· 1.2. 为何使用EtherCAT可以降低成本？· 1.3 EtherCAT是否仅局限于主站与从站的通讯应用？· 1.4 如何保证EtherCAT设备的兼容性?2. EtherCAT 技术协会· 2.1 我必须成为ETG会员才可以使用EtherCAT吗？· 2.2 我必须成为ETG会员才可以实施EtherCAT吗？· 2.3 如何成为EtherCAT技术协会的会员？· 2.4. 会员可以享有何种利益？· 2.5 为何ETG会员资格是免费的？· 2.6 将来会否收取会费？· 2.7 ETG会员如何影响该技术的发展？· 2.8 EtherCAT技术协会的法律地位？3. EtherCAT: 开放的技术· 3.1 EtherCAT是一个开放性的技术。这意味着什么？· 3.2 是否有专利权？· 3.3 如何授权？· 3.4 开放源代码是怎样的情况？· 3.5 是否有多种渠道获取EtherCAT从站控制器？4. 实施方面· 4.1 我们想实施一个EtherCAT从站设备，应该如何开始？· 4.2 我们想实施一个EtherCAT主站设备，应该怎么做呢？· 4.3 EtherCAT从站控制芯片的授权如何？· 4.4 FPGA的授权费用如何？· 4.5 是否必须 将我们的EtherCAT设备递交给一致性测试中心接受检测吗？5. EtherCAT Vendor ID· 5.1 什么是EtherCAT Vendor ID？· 5.2 我们的子公司/合作伙伴有EtherCAT Vendor ID。我们可以在我们的设备上使用它吗？· 5.3 我们正在使用技术提供商提供的接口板在我们的设备上增加EtherCAT接口。那么。我们可以在我们的设备上使用该技术提供商的Vendor ID吗？· 5.4 何谓二级Vendor ID?· 5.5 我们有一个CANopen® 的Vendor ID。我们可以在EtherCAT设备上使用它吗？· 5.6 我们如何申请Vendor ID？6. Safety over EtherCAT· 6.1 是否需要添加一个EtherCAT接口来连接我的FSoE设备？· 6.2 是否需要为我的FSoE设备实施一个独立的控制器结构？· 6.3 我是否可以在其他非EtherCAT通讯系统中使用Safety over EtherCAT？· 6.4 是否有经过认证的Safety over EtherCAT堆栈可供使用？· 6.5 是否有Safety over EtherCAT的一致性测试？· 6.6 我的Safety over EtherCAT设备是否需要经过相关机构（如TUV, BGIA）的认可？· 6.7 我是否需要在设备上市前在FSoE测试中心进行官方测试？· 6.8 为何我在设备上实施Safety over EtherCAT协议需要授权？· 6.9 我如何可以获得并使用Safety over EtherCAT的Logo？· 6.10 我是一个EtherCAT主站的提供商。我如何支持Safety over EtherCAT设备？· 6.11 我是机械设备制造商。我需要授权才可以使用Safety over EtherCAT的设备吗？· 1. EtherCAT技术· 1.1 EtherCAT性能远高于我的应用需求。为什么我还要使用该技术？卓越的现场总线性能决不会有坏处。即使对于慢速控制，使用EtherCAT也可以改善响应时间并简化配置工作，因为缺省配置就可以满足要求。此外，更短的响应时间可以改善您应用的性能，因为这缩减了传输等待时间（如，在下一个处理被初始化前对输入信号的等待时间）。如果您对性能要求并不苛刻，也可以因为EtherCAT的其它优势而选用它，比如，成本更低，更加灵活的拓扑结构，或者仅仅是使用方便。总而言之，您采用EtherCAT，就无需采用昂贵慢速的系统了。· 1.2. 为何使用EtherCAT可以降低成本？有这样几种原因：低成本的从站控制器降低了从站设备的成本。无需任何特殊的主站卡，主板集成的以太网控制器即可满足要求。无需交换机或集线器，因此降低了基础设施的成本。使用标准以太网线缆。实施简单，因此降低了实施成本。支持自动配置，无需任何手动设置地址，无需任何网络调整，因此降低了配置成本。· 1.3 EtherCAT是否仅局限于主站与从站的通讯应用？不是的。与其他实时工业以太网系统一样，一个设备（主站）必须要担任网络管理、组织介质读取控制的任务。对于EtherCAT，有两种方式可以实现从站与从站的通讯：在同一个循环周期内基于拓扑结构，其中上游设备可以与下游设备交换数据，而独立于拓扑结构的情况需要在两个总线周期实现数据交换。EtherCAT比其他的协议更具有速度优势，即使需要两个周期实现从站与从站的通讯，相对来讲也是高速高效的。· 1.4 如何保证EtherCAT设备的兼容性? 对于一个通讯技术来说，保证其实施的一致性及兼容性是该技术成功的重要因素。因此EtherCAT技术协会非常重视这些特性。技术实施协议方面的一致性是兼容性的前提，这意味着来自于不同厂商的设备可以在同一个应用网络中协同工作。为保证一致性，必须使用一致性测试工具（CTT）。此外，我们还有遍布全球的一致性测试中心（ETC）。对于通过EtherCAT一致性测试的设备，ETC将颁发官方一致性证书。更多关于一致性测试及设备认证的信息可以在一致性测试页面找到。· 2. EtherCAT 技术协会· 2.1 我必须成为ETG会员才可以使用EtherCAT吗？不需要。但是，您或许希望通过加入ETG来向您的客户或供应商展示您对该技术的支持。对于一个ETG会员，您将被邀请参加ETG会议，获取详细的技术规范及相关信息，并影响该技术的发展。· 2.2 我必须成为ETG会员才可以实施EtherCAT吗？虽然我们建议您加入ETG（见2.3/2.4），但如果您在您的机器或生产线上集成EtherCAT设备，那么我们认为您是最终用户，并不必须加入ETG。EtherCAT设备制造商必须要加入ETG，并获得一个EtherCAT Vendor ID。详情请在下载专区（请使用您的会员登录账号）下载EtherCAT Vendor ID政策（EtherCAT Vendor ID Policy）。会员资格免费获取（见2.5/2.6）。· 2.3 如何成为EtherCAT技术协会的会员？可以通过给ETG总部发邮件info@ethercat.org申请ETG的会员资格。您将得到所有必须的信息，如需求，会员申请表格等。在成为会员之前，请仔细阅读ETG By-Laws· 2.4. 会员可以享有何种利益？ETG会员优先享受技术支持，可获取仅提供给会员的EtherCAT规范、指南、免费从站代码和其他支持工具及相关信息。会员将被邀请参加ETG会议，如技术委员会（TC）或技术工作组（TWG），对规范进行审核和讨论。ETG会员有资格参加指定的EtherCAT培训和研发课程。此外，ETG会员还可以在EtherCAT官网上推广其产品，并作为合作伙伴参与我们的全球系列研讨会和全球重要展览会上的ETG联合展台。ETG会员权益· 2.5 为何ETG会员资格是免费的？会员年费或者其他的高额成本相对于获取一个开放的技术应该不是一个问题。因此，不仅没有ETG的会员费用，而且ETG会员获取协议堆栈，样本代码，评估套件，实施支持和其他的服务都是免费或者仅需很低的费用。· 2.6 将来会否收取会费？目前没有收取ETG会费的计划。如果将来需要收取会费（如，以支持ETG的外加服务），将由会员委员大会讨论通过决定。· 2.7 ETG会员如何影响该技术的发展？在ETG技术委员会会议上将对EtherCAT技术进行详细探讨，鼓励各ETG会员加入技术工作组和项目团队，并提出宝贵的建议和意见。 会员区有所有工作组的列表（需登录）ETG工作组欢迎各用户、OEM、系统集成商和设备制造商提供有价值的需求反馈，ETG的工作历史表明这种反馈非常有效。 技术使用者和开发者之间直接和个人的联系可以加强关于"Know-how"知识和技术信息的深层次交流。 查找ETG会员详细信息请点击这里：EtherCAT组织架构· 2.8 EtherCAT技术协会的法律地位？ETG是（类似于德国大多数工会或政党）受德国法律允许的非注册协会或社团组织。根据相关法规，由于ETG不销售任何产品，因此ETG是一个非盈利性组织。会员对协会资产共同承担有限责任——ETG无资产，因此事实负债为零。· 3. EtherCAT: 开放的技术· 3.1 EtherCAT是一个开放性的技术。这意味着什么？这意味着每一个人都可以使用，实施，并获利于该技术。还意味着EtherCAT实施应该是兼容的，任何人不应为防止他人使用而改变这种技术。EtherCAT是国际标准(IEC61158, IEC 61784, IEC 61800, ISO 15745)，同时也是SEMI标准(E54.20)。· 3.2 是否有专利权？是的，EtherCAT技术有专利权，如同其他任何值得拥有专利权的现场总线技术一样。 可以提供独特功能的技术需要专利权和授权以保护其不受复制和伪造的伤害。· 3.3 如何授权？对于EtherCAT主站实施的授权是免费的，但协议要求兼容性，以确保授权免费并提供法律效力。 对于从站设备，EtherCAT采用了CAN的授权模式（CAN是一个受专利保护的标准开放技术的出色样本）： 低额的授权费用已经“嵌入到”EtherCAT 从站控制器（ESC）芯片中，因此，设备制造商，最终用户，系统集成商，工具生产商等无需再付授权费用。· 3.4 开放源代码是怎样的情况？EtherCAT技术本身并不开源。 EtherCAT符合IEC，ISO和SEMI标准，因此每个人都可以平等地使用EtherCAT技术。 此外，无需缴纳主站使用授权费用。 ETG所有会员和EtherCAT用户组共同维护并促进EtherCAT技术的进一步发展。如果您有关于技术实施或者EtherCAT技术结合共享和开放源码系统方面的相关问题，请联系ETG总部或EtherCAT技术的专利方Beckhoff。· 3.5 是否有多种渠道获取EtherCAT从站控制器？有。EtherCAT从站控制器（ESC）实施可以从亚信电子、Beckhoff、Hilscher、HMS、英飞凌、Innovasic、Microchip、Profichip、德州仪器、Trinamics、瑞萨电子、Intel以及 Xilinx获取。更多实施也即将发布。EtherCAT从站控制器概述可在资料下载区进行查询：下载区· 4. 实施方面· 4.1 我们想实施一个EtherCAT从站设备，应该如何开始？可以参考EtherCAT Slave Implementation Guide（EtherCAT从站实施指南）作为从站实施的开始，请点击这里下载。该文件涵盖从站实施的起始步骤，包括开发硬件、软件、研讨会和培训、一致性，以及一步步的提示信息。 EtherCAT从站协议栈可以从多个供应商获取。 Beckhoff将从站协议栈代码(SSC)-源代码免费开放给所有ETG会员。 EtherCAT从站实施套件也可以从相关供应商获取。请在官方EtherCAT产品指南中查询更多从站评估套件：EtherCAT产品页面· 4.2 我们想实施一个EtherCAT主站设备，应该怎么做呢？对于主站来讲，你并不需要专用的硬件设备。任何以太网MAC都可以满足要求。EtherCAT对资源消耗非常小，因此也无需特殊的通讯处理器。主站代码可以从多种渠道获得，如一些通过样本代码包提供的免费开放代码，甚至一些包含了RTOS的主站产品。实施服务同样有不同的供应商可以提供。请点击此处了解EtherCAT产品情况。· 4.3 EtherCAT从站控制芯片的授权如何？当您从EtherCAT从站控制器供应商那里购买了ESC芯片，所有的EtherCAT功能已经包含在芯片中。对EtherCAT从站设备供应商来说，取得了ESC供应商资格则包含该授权，无需额外的EtherCAT授权费用。· 4.4 FPGA的授权费用如何？当您从您首选的半导体分销商那里购买了FPGA，EtherCAT代码尚未加载。EtherCAT IP核授权适用于Intel和Xilinx的FPGA。您只需支付一个授权即可制造尽可能多的EtherCAT从站设备。此外，也有基于数量的授权。· 4.5 是否必须 将我们的EtherCAT设备递交给一致性测试中心接受检测吗？不是。在官方EtherCAT测试中心进行一致性测试是可选的——但是，您的客户可能会需要一致性测试证书，而一致性测试证书只能通过官方测试后才能发放。您必须确保您的研发设施中应用了官方一致性测试工具（CTT）。每年，ETG都会维护和进一步发展CTT，CTT以订阅的方式提供。关于一致性的更多详情，请点击此处获得。· 5. EtherCAT Vendor ID· 5.1 什么是EtherCAT Vendor ID？EtherCAT Vendor ID是由EtherCAT技术协会为每一个供应商分配的唯一的标识号码。它与产品编码（product code ）一同将包含在EtherCAT设备的 标识对象中。EtherCAT Vendor ID 列表· 5.2 我们的子公司/合作伙伴有EtherCAT Vendor ID。我们可以在我们的设备上使用它吗？如果要求将Vendor ID授予合作伙伴公司，请联系ETG总部。但是，我们建议每个EtherCAT设备用户使用自己单独的Vendor ID。· 5.3 我们正在使用技术提供商提供的接口板在我们的设备上增加EtherCAT接口。那么。我们可以在我们的设备上使用该技术提供商的Vendor ID吗？不可以。该技术提供商的通信设备上附带有Vendor ID。您应使用自己独有的Vendor ID来替代它，以便于您的设备可以在网络中被识别。· 5.4 何谓二级Vendor ID?二级Vendor ID是从原Vendor ID派生出来的，专门用来标识通讯接口设备类产品的Vendor ID，但这类产品无法参加后续的一致性测试。· 5.5 我们有一个CANopen® 的Vendor ID。我们可以在EtherCAT设备上使用它吗？对于您的EtherCAT产品，你需要一个EtherCAT Vendor ID。然而，在您申请EtherCAT Vendor ID时，您可以提出申请与您CANopen® 的Vendor ID相同的号码，如果您申请的号码仍然可用，ETG则会分配给您。· 5.6 我们如何申请Vendor ID？非常简单，您仅需到EtherCAT网站的会员页面下载:EtherCAT Vendor ID 申请表格· 6. Safety over EtherCAT· 6.1 是否需要添加一个EtherCAT接口来连接我的FSoE设备？不需要。RSoE协议采用一个黑色通道实现；无需为此设置安全相关的标准通讯接口。控制器，ASIC以及链接，耦合器相关的通讯接口都可以保留使用。· 6.2 是否需要为我的FSoE设备实施一个独立的控制器结构？使用两个微控制器是实现SIL 3安全设备的常用方式。但这并不是Safety over EtherCAT规范的要求。实现这个协议必须满足以下要求：- 完全符合IEC 61508和IEC 61784-3；- 完全符合FSoE协议规范；- 完全符合安全完整性等级（SIL）要求和相应产品的指定需求。· 6.3 我是否可以在其他非EtherCAT通讯系统中使用Safety over EtherCAT？可以。该协议可以在任何通讯中使用，可以是EtherCAT通讯，现场总线系统，以太网或类似的通讯，光纤，同轴线缆，甚至无线传输。对于通讯总线耦合器或其他设备没有限制或特别要求。· 6.4 是否有经过认证的Safety over EtherCAT堆栈可供使用？有，在ETG内部有服务提供商能够提供预先认证的FSoE协议栈和安全研发服务。Safety over EtherCAT协议非常简洁，协议状态机有明确的界定。经验表明，使用或不使用预认证的堆栈都可以在短时间内轻松实施。· 6.5 是否有Safety over EtherCAT的一致性测试？是的。FSoE测试案例规范适用于FSoE设备，并通过TUV批准。对于FSoE从站，测试案例与EtherCAT测试工具配合使用，可以执行一个自动的测试。通常情况下，由于灵活的主站配置，对于主站堆栈的自动检测更复杂。因此，可用的测试案例规范可以用于对主站的认可。Safety over EtherCAT规则ETG.9100包括了对一个设备验收的完整测试流程。· 6.6 我的Safety over EtherCAT设备是否需要经过相关机构（如TUV, BGIA）的认可？是的。Safety over EtherCAT设备的研发需要评估。设备的实现包括通过EMC报告，Safety over EtherCAT一致性测试，并通过所有符合IEC 61508的安全周期流程。该评估将由机构实现。· 6.7 我是否需要在设备上市前在FSoE测试中心进行官方测试？是的。FSoE测试政策是需要通过官方FSoE测试中心测试的。进行FSoE一致性测试的前提是拥有有效的EtherCAT协议实施认证。FSoE测试中心的所有测试都可以在内部进行准备。· 6.8 为何我在设备上实施Safety over EtherCAT协议需要授权？Safety over EtherCAT是一种为很多设备制造商所采用的技术。对于这样一种技术来说，兼容性是保证在应用领域能进行互操作的重要功能。取得授权的设备制造商都有权实施这一技术，但其设备必须具有符合规范的兼容性。授权是免费的。使用FSoE最终设备的机器制造商及控制系统提供商则无需该项授权。· 6.9 我如何可以获得并使用Safety over EtherCAT的Logo？Safety over EtherCAT的logo可以从ETG总部获取。使用Safety over EtherCAT Logo的产品必须遵循由ETG发布的ETG9001 EtherCAT标识规则。· 6.10 我是一个EtherCAT主站的提供商。我如何支持Safety over EtherCAT设备？如果您只是想在EtherCAT环节支持现有的Safety over EtherCAT设备，则无需在主站上进行任何安全相关的实施。可采用带一个EtherCAT从站接口的FSoE主站，同时也可以被用作安全逻辑设备。只有从-从通信必须由EtherCAT主站支持，将安全数据报从FSoE主站路由至FSoE从站，反之亦然。· 6.11 我是机械设备制造商。我需要授权才可以使用Safety over EtherCAT的设备吗？不。您可以在机械设备中直接使用最终的Safety over EtherCAT产品，而无需授权。您务必留意产品中是否有SIL或PL认证，产品必须执行相关标准（IEC 62061, ISO 13849）或产品标准，以及与其他相关标准的兼容性，如必须符合国际的或国家的法律要求（如Directive of machinery, OSHA, UL等）。Vendor ID每个EtherCAT兼容设备必须使用由ETG分配的全球唯一的Vendor ID。EtherCAT Vendor ID的使用必须符合EtherCAT规范，并由ETG Vendor ID政策和相应的Vendor ID协议约束管理。为明确这一政策，一般规则如下：· 每个EtherCAT设备供应商必须是ETG会员，必须从EtherCAT技术协会取得有效的Vendor ID。· Vendor ID是免费的。· 在EtherCAT设备上市前，供应商必须实现Vendor ID。· 在机器中集成或使用EtherCAT设备的机器制造商，无需申请和使用Vendor ID。发布于 2021-05-28 14:08开放式 IEC 61131 控制系统设计（书籍）以太网（Ethernet）以太网协议赞同 181 条评论分享喜欢收藏申请转载文章被以下专栏收录IT技术专栏IT技术分享
如何入门ethetcat？ - 知乎
如何入门ethetcat？ - 知乎首页知乎知学堂发现等你来答切换模式登录/注册运动控制CANopen 总线如何入门ethetcat？底板部分，协议部分显示全部 关注者5被浏览3,106关注问题写回答邀请回答好问题添加评论分享2 个回答默认排序知乎用户joQN5K 关注EtherCAT是目前工业以太网中一种主流的总线通讯协议，相比传统的工业以太网，有着众多突出的优点，应用简单是EtherCAT总线的一个显著特点。应用特点应用简单，关于EtherCAT总线的应用具有以下几个特点：1）拓扑灵活——几乎支持任何形式网络拓扑结构2）线缆长度最大1000米，节点之间的线缆长度无需规划3）节点地址自动分配4）通讯速率固定100M5）无需配置通讯参数6）无需再次优化通讯参数调试步骤基于以上特点，EtherCAT总线产品的应用可以简单分为以下几个步骤：举个栗子本例程采用本公司EtherCAT步进产品DM3E-556和欧姆龙控制器NJ501-1500为例进行说明。步骤1硬件系统组建硬件系统的搭建主要包含主站、从站和配套通讯线，举例：如下图所示是NJ501-1500与两台DE3E-556的组网连接示意图：说明：● 电脑安装好编程环境Sysmac Studio；● 控制器的Ethernet口与电脑的网口联接；● 控制器的EtherCAT口与驱动器的ECAT IN 联接；● 第一台驱动器的ECAT OUT 联接下一台驱动器的ECATIN口；步骤2安装设备描述文件将设备描述文件DM3E-556.xml复制到编程环境对应的安装目录下OMRONSysmacStudioIODeviceProfilesEsiFilesUserEsiFiles步骤3做最易用的编辑器1）打开Sysmac Studio的编程环境，新建工程，选择对应型号的控制器和软件版本2）在配置和设置——EtherCAT 主站下添加节点3）在运动控制设置——轴设置——（右击）添加轴，设置轴参数，如图所示设置单位换算设置设置速度参数设置回原点方式步骤4编程、联机运行在编程——POUs——程序——Program0——Section0 添加程序在线运行：在程序编译没有错误的条件下，设置通讯连接，联机后下载程序，触发程序的enable可以实现对电机的使能操作，触发hms可以触发驱动器的回原点，触发moveabs可以触发驱动器的绝对位置运动。推荐阅读：发布于 2020-07-16 14:47赞同 5添加评论分享收藏喜欢收起FA农民工自娱自乐 关注看手册建议字打打对先是EtherCAT编辑于 2020-07-16 07:47赞同2 条评论分享收藏喜欢收起
EtherCAT协议基础知识(Part 1) - 知乎
EtherCAT协议基础知识(Part 1) - 知乎切换模式写文章登录/注册EtherCAT协议基础知识(Part 1)虹科工业智能互联一、EtherCAT概述1.特性①开放的技术EtherCAT全称EtherNet Control Automation Technology，是由德国倍福（Beckhoff）公司提出的一种实时以太网技术。EtherCAT是一种开放但不开源的技术，意味着您可以任意使用这项技术，但若要进行相关设备的开发，则需要向倍福公司获取相关授权。②快速性相比传统现场总线，EtherCAT的数据传输速率有了极大的提升，可选10Mbit/s或100Mbit/s，甚至依托补充的EtherCAT G技术，传输速率可达1000Mbit/s；同时EtherCAT基于标准以太网帧传输，单帧数据用容量可达1486 Bytes。这使得在传输数据量方面EtherCAT有无比的优越性。③拓扑的灵活性EtherCAT几乎支持所有的拓扑结构：星型、线性、树型、菊花链型等，并支持各类电缆、光纤等多种通信介质，还支持热插拔特性，保证了各设备之间连接的灵活性。同时EtherCAT几乎没有设备容量限制，最大从站设备数可达65535个，使得网络中无需交换机的存在，仅通过设备间的拓扑结构即能使得EtherCAT数据直达每个从站。④同步的精准性对于像多个伺服轴执行协同运动等一类应用，其对数据同步性要求甚高。而EtherCAT可选择使用分布式时钟（DC）的方式同步节点，并采用完全基于硬件的时间校准机制，使得整个系统抖动时间远小于1us，能够完全适用于这样的应用之下。如下图所示，300个EtherCAT站点间的信号时间抖动仅有20ns：⑤高可用性EtherCAT可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站点与主站设备中的以太网端口连接，即可将线型拓扑结构扩展为环型冗余拓扑结构。当线缆损坏或站点故障发生时，主站堆栈中的附加软件检测就会检测到，并立刻切到换冗余线路中运行，而各站点无需为此而改变，甚至不会意识到网络通信正在冗余线路中运行。2. ISO/OSI参考模型图：EtherCAT的ISO/OSI参考模型EtherCAT仅使用了物理层、链路层、应用层三层协议，与多数传统的现场总线相同，但相比于其它实时以太网协议，如PROFINET、EtherNet/IP等，其协议栈更加精简。这也是EtherCAT协议的实时性优越于其它实时以太网协议的重要原因之一。3.EtherCAT主从架构图：EtherCAT主从架构EtherCAT网络采用主从架构，网络组态于PC主机上进行配置，需要使用到相应的EMI（EtherCAT Master Information Files）、ESI（EtherCAT Slave Information Files）文件，经专用配置软件（通常于主站配置软件中集成）进行配置后生成ENI（EtherCAT Network Information Files）文件下载至主站中，主站便依据该文件进行整个网络的识别。图中关于EtherCAT从站设备的内部组成，即是一个实现EtherCAT协议OSI模型的过程：RJ45网口、PHY物理层芯片用于实现物理层协议；ESC用于实现链路层协议，通常使用倍福官方的ET1100芯片实现；MCU则用于实现应用层协议，需要厂商自行根据相应的协议编写程序代码，或是直接使用协议栈代码实现。4.报文帧传输方式EtherCAT报文帧只能由主站进行发送，在一个通讯周期内，主站发送以太网数据帧给各个从站，数据帧到达从站后，每个从站根据寻址从数据帧内提取相应的数据，并把它反馈的数据写入数据帧。当数据帧发送到最后一个从站后返回，并通过第一个从站返回至主站。这种传输方式能够在一个周期内实现数据通讯，还改善了带宽利用率，最大有效数据利用率达90%以上。(这种传输方式有点类似于现实生活中的环型地铁，列车上的人到达自己的目的站点后下车，每个站点的人也会相应上车。)发布于 2020-10-10 14:37以太网（Ethernet）交换机网络通信赞同 323 条评论分享喜欢收藏申请
EtherCAT学习之路——概述 - 知乎
EtherCAT学习之路——概述 - 知乎首发于EtherCAT学习之路切换模式写文章登录/注册EtherCAT学习之路——概述白细胞 最近在做基于EtherCAT的项目，看了一些网上的博客，感觉写的都比较松散。虽然，自己也是才开始学习，希望能把这段时间学到的东西总结一下。这是倍福的官方介绍，有时间的可以看一下。1.EtherCAT简介 EtherCAT是由德国BECKHOFF自动化公司于2003年提出的实时工业以太网技术。它具有高速和高数据有效率的特点，支持多种设备连接拓扑结构。其从站节点使用专用的控制芯片，主站使用标准的以太网控制器。 EtherCAT是一种工业以太网技术，看到的大多数应用场景都是伺服电机。因为是基于以太网的技术，所以EtherCAT相比于CAN总线而言，速率上要快不少。EtherCAT可以达到100M的速率，而CAN只有1M。此外，EtherCAT还具备低延时和精准同步的特点。 在工业总线中，低延时、精准同步是用户的关键需求。试想一下，工厂中某个器件的生产需要A/B/C三个机器协同操作，原本预想的是A先操作期间，然后B把器件传递给C，C再操作。如果，A/B/C不同步，或者操作命令的传达有延时，A还没有操作完器件，B就已经开始进行传递了。这时要么器件损坏，要么就做出来个半成品。而EtherCAT相比于普通的以太网技术就有这两点的优点。2.EtherCAT基本原理 EtherCAT基本原理这一节PLC攻城狮的《浅析EtherCAT 总线》讲的还是比较清楚，推荐大家看一下。下面我就简单说一下自己的理解。 倍福官方对EtherCAT的传递机制的命名叫做：ON The Fly。图 2-1 On The Fly On The Fly技术可以从两方面来解读，第一个方面是以太帧“时分复用”。一般以太帧里都只包含了一个设备发送的消息，5个设备就会发送5条以太帧。而EtherCAT则是多个从站共享一条以太帧。就像图2-1中的火车，EtherCAT主站发出了“火车”（以太帧），各个从站则从这辆火车的不同的“车厢”（子报文）中提取或插入自己的“乘客”（消息）。这样一来就实现了以太帧的“时分复用”，只用一条以太帧（最大1486byte），就可以让各个从站都收发出自己的消息，大大的降低了通信的延时（这一部分《浅析EtherCAT 总线》里面讲的比较清楚，还没理解的同学可以看看）。 On The Fly影响的另一个方面就是总线仲裁了。所谓总线（例如CAN总线），就是大家都共用一条通道来通信，各个设备都挂载在同一条总线上。所以，当一个总线上的多个设备同时想要发消息的时候，就会产生冲突，所以，就有总线仲裁的机制。控制器决定当前时刻，谁来发消息，谁来“占用”这条总线。而EtherCAT玩了一个花样，EtherCAT的各个设备之间是一种P2P（Point to Point）的连接方式，这些设备根本没有连接在“同一条”总线上。下面是EtherCAT的连接结构。图 2-2 EtherCAT连接结构 图2-2中，最左边的是主站，后面的都是从站，各个从站下面还挂载了不同的设备。可以看到主站向从站1发送以太帧，从站1接收、处理完自己的子报文后，再把以太帧发送给从站；从站2接收，处理完自己的子报文后在发送给从站3；如此往返，直到最后一个从站n接收处理完自己的消息，再把这条以太帧返回回去。所以，各个从站之间根本就不会存在总线冲突。EtherCAT只需要预先配置好各个从站占用的子报文位置，也就是On The Fly技术，就可以解决总线总裁这一个老大难的问题，确实是一箭双雕。 当然，这种解决方案也是有它的缺点的。比如，从站数量非常多的时候，最后一个从站就需要等前面的从站一次次转发才能收到消息。当然，我觉得EtherCAT应该也想到了这点，应该也采取了某种机制来避免这种最远设备延迟的缺陷。但是，我还没深挖这个问题，所以，没看到相关的解决机制。如果有了解的同学希望能指教一下。3.EtherCAT系统组成 EtherCAT系统主要就一个主站和若干从站组成。如图3-1所示：图3-1 EtherCAT系统组成 EtherCAT一般使用软件的方式来实现主站，包括倍福的TwinCAT，Igh，KingStar等等都是基于一台实时操作系统的PC，通过以太网卡，来实现主站的功能。因为，主站不是我的项目重点，所以，目前了解的还不多。先挖一个坑，后面有时间了研究一下，再来补上。现在我是用TwinCAT的免费版来学习和调试的。TwinCAT本身是收费的，不过，它有试用版，试用版不具备实时功能，调试一下设备还是足够了。 从站的组成如图3-2所示：图 3-2 从站组成 从站一般是有3部分器件组成的：物理层器件、EtherCAT从站控制器（EtherCAT Slave Control）和微处理器（MCU）。物理层器件就是以太网的PHY芯片和网口，ESC是实现EtherCAT协议栈的专用ASIC，从站控制微处理器主要实现应用层（如CANopen）和用户自定义的程序。 看到这里没有通信基础知识的通信可能就有点懵逼了。物理层，数据链路层，应用层这些是个啥玩意？这里我就简单说一下，想要深入理解还是可以看看OSI模型，大多数的通信技术都脱离不了这个框架。图 3-3 OSI模型 这里偷了个懒，盗用一下PLC攻城狮的图片。OSI中有7层，EtherCAT系统中只用了3层：物理层、数据链路层、应用层。先降维的说一下这几层是啥意思。最基本的通信就是咱们人类说话，我就以我们普通对话来讲解一下这三层的意思。 物理层：人类的语言是通过嘴发声，声波在空气中传播，传递到耳朵，耳朵听音再汇聚到大脑，大脑最终判断出声音中的信息。我们的嘴、耳、声波和空气就是物理层。物理层的重点是信号在介质中的传递表示，不同的字有不同的发音规则，不同的频率和声调，比如“哦”，我们就需要发出“o”这个音，我们听到“o”这个音的时候，才能判断出“哦”这个字。计算机通信的原理和这个也是一样的，信号在光纤、电缆以及空气中传播，计算机需要判断电缆上的电平的高低来判断0,1bit。当然，计算机比人类要傻很多，它不知道“某句话”的“发音”是从什么时候开始的，什么时候结束的，所以，物理层还需要告诉它信号的起始时刻和持续的长度等等。 数据链路层：通过前面的物理层，我们已经具备了基本的发声的手段，通过嘴改变声音的频率、音调、音长等特征（通信系统中，天线或者光模块改变信号的电平高低、信号频率、调制方式等特征），让声音在空气中传播（通信系统中，信号在相应的介质中传播），然后，耳朵识别这些频率、音调、音长等特征（通信系统中，接收端的识别信号的电平高低、频率、调制方式），最终实现口到耳的传播。 但是，光是这样还足够实现通信。试想一下，你和你的几个朋友处在一个嘈杂的环境当中，远处有汽车的轰鸣，旁边还有小孩子在哭闹，你的朋友们每个人在抢着发言，大家七嘴八舌的，根本听不清对方在说什么。所以，你和你的朋友之间想要对话就必须克服两个困难，第一，屏蔽掉耳旁的那些轰鸣声、哭闹声；第二，需要建立一种对话机制，让大家互相可以听清对方的话语。 第一点中描述的那些轰鸣、哭闹声，实际上就是通信系统中的噪声，噪声太大时，我们是无法通信的，因为我们根本听不清旁边的人在说些什么，只能听到轰鸣、哭闹声。最简单克服噪声的办法就是提高信号的发射功率，也就是大声地说话，让自己的声音盖过那些哭闹声，也即是通信系统中的功率控制。还有一种办法就是我们过滤掉一些噪声，虽然，这些声音都会进入我们的耳朵，但是，我们的大脑可以过滤掉一些不关注的声音，专注的去接收那些关注的声音，也即是通信系统中的频率选择。此外，大家七嘴八舌的说话也是一个问题。7,8个人同时在说话，你能听清楚一两个就不错了，其他人在说啥，根本没法听清。所以，我们说话的时候，一般会有一个轮流的机制。每个人说两句，别人说话的时候，别插嘴。或者，两个人说悄悄话，不打扰到别人，自己也听得清。这里的轮流说话机制，就是通信系统中的“时分复用”或者“频分复用”；一个人说7个人听，就是广播；1对1的悄悄话就是单播。数据链路层实际上就是用来解决以上的这些问题。 数据链路层会将待传输的消息组成一个帧，如图3-4所示：图3-4 EtherCAT帧结构 这个帧里就会包含目的地址、源地址、帧数据、帧校验位等。通过目的地址就可以确定帧传递的对象，通过源地址接收方也可以知道是谁发送了这条帧。在数据帧之外的地方，一般还会存在一个控制器（比如EtherCAT主站），这个控制器会决定，其他的从站什么时候传输数据，数据可以占用多少的资源。在其他的一些更复杂的通信系统中，数据链路层还会根据当前的信道条件（噪声情况），来决定各个设备的发射功率，调制方式等。 应用层：说完了数据链路层，我们还需要继续了解一下应用层。首先需要明确的一点，这里的应用层和我们手机、电脑上的应用程序不是一个东西。最为常见的应用层协议就是HTTP。简单来说，应用层是对数据的一种格式约定。这里还是用人类的对话来打个比方。你和一个老外，大家都有口有耳，也都是文明人，知道等对方说完自己再说。但是，你不懂英文，他不懂中文，你们还是无法交流。他说了“double”，你以为是“打包”；他说“You need cry deal”，你以为是“有你的快递”。这实际上就是你们的应用层协议不对等，他安装的是“英语”应用层协议，你安装的是“中文”应用层协议，大家说话牛头不对马嘴，根本无法交流。再夸张一点，我和你都是中国人，我们都听得懂中文，当时我是学通信的，你是学自动化的，我说PRACH信道，信道检查与估计，匹配滤波这些词的时候，你能明白每一个字的意思，但是连着一起是啥就不知道了。这就是因为你确实“通信系统”这个应用层协议。应用层协议最终的目的，就是让消息的收发双方知道这一串“1010101010”代表的是什么意思。本来这一章准备昨天就写完了，谁知道写了这么多无关的内容，后面准备新开一个博客把OSI的7层就讲一下，然后再把这一节删除掉。4.学习书目 其实，前面说了这么多，我觉得只有这一节最重要，介绍一下我的参考书目。网上虽然有各种各样的博客、知乎文字，但是始终是比不上书本上的详细和系统的。网上这些博客可能可以吃个快餐，但绝对不是什么捷径。不系统的学习，只能让你一知半解，能做个Demo出来就不错了。一旦遇到一点bug，根本无从下手。所以，一定要多读书，读好书。 这里有几本书要给大家推荐一下。 首先是北京航空航天大学出版社，郇极、刘艳强编写的《工业以太网现场总线EtherCAT驱动程序设计及应用》。这本书详细的介绍了EtherCAT协议、从站控制芯片以及相关应用层协议。我这里的大多数内容都取自于这本书中，如果能把这本书都看懂、看明白，那EtherCAT从站开发，应该不会有太大的难点。 第二是周立功的《CANopen轻松入门》。EtherCAT是一个数据链路层的协议，所以还需要配合上层的应用层协议才能更好的工作，CANopen即是工业物联网中一个比较常用的应用层协议。事实上，进行从站开发的时候，应用层协议会占到很大的比例。因为，EtherCAT从站一般都会使用一个专用ASIC（如ET1100）来实现EtherCAT协议栈，也即是完成数据链路层的工作。对于数据链路层，我们只需要做一些配置工作，而应用层协议则需要通过软件来实现。 第三是倍福官方的《EtherCAT Slave Information Specification 》和《Application Note ET9300》。前面说了，EtherCAT协议栈的功能都是在ET1100上实现的，开发从站是不涉及这部分数据链路层的代码的。但是，我们还是对从站进行相应的配置，包括PDI控制，SYNC信号脉冲宽度等信息（称为EtherCAT Slave Information，ESI）。这些信息的配置就在《EtherCAT Slave Information Specification》里有详细讲解。此外，从站开发还需要实现CANopen等应用层协议。对于应用层协议的实现，在《Application Note ET9300》里有比较详细的讲解。像ET1100、AX58100、LAN9252这些EtherCAT控制芯片，其芯片厂商都会提供一些Demo程序，这些Demo程序实际上都是基于《Application Note ET9300》里的软件框架来完成的。《Application Note ET9300》只有英文版，我自己也还没有看完，而且比较重要，后面专门拿一章来细讲。 第四是SSC，这是倍福提供的一个软件。前面说了，从站开发的两个关键步骤是EtherCAT控制芯片的配置和应用层协议的实现。倍福提供了SSC这样一个软件，它可以直接根据配置和需求，生成所需的xml描述文件和应用层代码。当然，这个软件生成的代码原生只适配与倍福自己的ET1100或ET1200芯片，其他的LAN9252、AX58100都做一些修改。这个东西看着很美好，也就那么回事。其实，每个芯片厂商都有提供自己的Demo程序，这些Demo程序都简单实现了应用层协议。如果是使用非倍福的芯片，不如直接在芯片厂商的Demo程序上改，这样可以避免一些莫名其妙的bug。不过，如果所需的应用层协议，芯片厂商没有提供Demo程序的话，还是需要用SSC生成一个参考，然后，再基于这个参考来修改。题外话原本以为一个晚上可以搞定的工作，生生花了2个晚上。很多地方写得比较零碎，特别是OSI那一段扯得有点远了，写了不少和主题无关的内容，后面找时间再重新精简一下。第一次写博客，可能有不少不准确或者错误的地方，还请大家见谅。如有不对之处，还请多多指教。编辑于 2020-03-13 16:39工业互联网/物联网平台个人博客以太网（Ethernet）赞同 19716 条评论分享喜欢收藏申请转载文章被以下专栏收录EtherCAT学习之路EtherCAT从站开
EtherCAT - 以太网现场总线系统的EtherCAT (Ethernet for Control Automation Technology)技术教程 - 知乎
EtherCAT - 以太网现场总线系统的EtherCAT (Ethernet for Control Automation Technology)技术教程 - 知乎首发于IT技术专栏切换模式写文章登录/注册EtherCAT - 以太网现场总线系统的EtherCAT (Ethernet for Control Automation Technology)技术教程iiidd777IT技术分享及教程EtherCAT - 以太网现场总线本文深入阐述了基于以太网现场总线系统的EtherCAT (Ethernet for Control Automation Technology)技术。EtherCAT为现场总线技术领域树立了新的性能标准，具备灵活的网络拓扑结构，系统配置简单，和现场总线系统一样操作直观简便。另外，由于EtherCAT实施的成本低廉，因此使系统得以在过去无法应用现场总线网络的场合中选用该现场总线。1. 引言1.1 以太网和实时能力2. EtherCAT 运行原理3. EtherCAT 技术特征3.1 协议3.2 拓扑3.3 分布时钟3.4 性能3.5 诊断3.6 高可靠性3.7 安全性3.8 EtherCAT 取代PCI3.9 设备行规3.9.1 EtherCAT实现CAN总线应用层协议 (CoE)3.9.2 EtherCAT实现伺服驱动设备行规IEC61491 (SoE)3.10 EtherCAT实现以太网(EoE)3.11 EtherCAT实现文件读取(FoE)3.12 ADS over EtherCAT (AoE)4. 基础设施成本5. EtherCAT 实施5.1 主站5.1.1 主站实施服务5.1.2 主站样本代码5.2 从站5.2.1 EtherCAT Slave Controller5.2.2 从站评估工具包6. 小结7. 参考文献1. 引言页首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 （参见图1）。图1: 传统现场总线系统响应时间在现场总线系统 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。1.1 以太网和实时能力目前，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。2. EtherCAT 运行原理页首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（参见图2）。整个过程中，报文只有几纳秒的时间延迟。图 2: 过程数据插入至报文中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%）（参见图3）。图 3: 带宽利用率的比较符合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。3. EtherCAT 技术特征页首3.1 协议EtherCAT是用于过程数据的优化协议，凭借特殊的以太网类型，它可以在以太网帧内直接传送。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。从站之间的广播、多播和通讯均得以实现。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（参见图4），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。图 4: EtherCAT：符合IEEE 802.3 [3]的标准帧另外，根据主/从数据交换原理，EtherCAT也非常适合控制器之间（主/从）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，满足广泛的应用需求。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。按照文献[3]所述，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）。3.2 拓扑EtherCAT几乎支持任何拓扑类型，包括线型、树型、星型等（参见图5）。通过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。图 5: 灵活的拓扑结构：线型、树型或星型拓扑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；塑封光纤（PFO）则可用于特殊应用场合；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。快速以太网的物理层（100BASE-TX ）允许两个设备之间的最大电缆长度为100米。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。3.3. 分布时钟精确同步对于同时动作的分布式过程而言尤为重要。例如，几个伺服轴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（请参阅IEEE 1588标准[6]）。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比，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，数据交换就完全基于纯硬件机制。由于通讯采用了逻辑环结构 （借助于全双工快速以太网的物理层），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。分布时钟均基于该值进行调整，这意味着可以在网络范围内使用非常精确的、小于1 微秒的、确定性的同步误差时间基（参见图6）。而跨接工厂等外部同步则可以基于IEEE 1588 标准。图 6: 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此外，高分辨率的分布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。3.4 性能EtherCAT使网络性能达到了一个新境界。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（参见表1）。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。表 1: EtherCAT性能概貌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。 3.5 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。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）。可以通过评估CRC校验，有效检测出数据传送期间的位故障——32 位CRC多项式的最小汉明距为4。除断线检测和定位之外，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。3.6 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。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（见图7）。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。图 7: 使用标准从站设备的低成本线缆冗余3.7 安全性为了实现EtherCAT安全数据通信，EtherCAT安全通信协议已经在ETG组织内部公开。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（见图8）。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。图 8: 使用黑色通道的EtherCAT安全通信软件构件EtherCAT安全协议已经由德国技术监督局（TÜV）评估为满足IEC61508定义的SIL3等级的安全设备之间传输过程数据的通信协议。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。图 9: EtherCAT安全系统图9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么有限制。· 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。3.8 EtherCAT 取代PCI随着PC组件急剧向小型化方向发展，工业PC的体积日趋取决于插槽的数目。而快速以太网的带宽和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——IPC 中的传统接口现在可以转变为集成的EtherCAT接口端子（参见图10）。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。图 10: 分布式现场总线接口即使是其他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 （参见图11），因此，这不仅极大地精简了IPC主机的体积和外观，而且也降低了IPC主机的成本。图 11: EtherCAT使控制器的体积显著减小3.9 设备行规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。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。3.9.1 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。3.9.2 EtherCAT实施伺服驱动 设备行规IEC 61491 (SoE)SERCOS interface™ 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（参见图12）。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。图 12: 同时并存的多个设备行规和协议3.10 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（参见图13）。图 13: 对所有以太网协议完全透明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。3.11 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。3.12 ADS over EtherCAT (AoE)ADS over EtherCAT (AoE)是由EtherCAT规范定义的客户端-服务器邮箱协议。尽管CoE协议提供了详尽的描述，但AoE则更适合路由与并行服务的应用：通过网关设备访问子网络，如EtherCAT至CANopen® 或 EtherCAT至IO-Link™ 网关设备。AoE使EtherCAT主站应用（如PLC程序）可以访问所属CANopen® 或 IO-Link™从站的各个参数。AoE路由机制开销远低于因特网协议（IP）所定义的开销，并且发送方和接收方寻址参数始终包含在AoE报文中。因此，EtherCAT主站和从站端的实施更为精简。AoE也通过EtherCAT自动化协议（EAP）进行非周期通信的标准化，从而为上位机MES系统或主计算机、EtherCAT主站及其从属的现有设备之间提供无缝通信。同时，AoE也提供了从远程诊断工具获取EtherCAT网络诊断信息的标准化方法。4. 基础设施成本页首由于EtherCAT无需集线器和交换机，因此，在环境条件允许的情况下，可以节省电源、安装费用等设备方面的投资，只需使用标准的以太网电缆和价格低廉的标准连接器即可。如果环境条件有特殊要求，则可以依照IEC标准，使用增强密封保护等级的连接器。5. EtherCAT 实施页首EtherCAT技术是面向经济的设备而开发的，如I/O 端子、传感器和嵌入式控制器等。EtherCAT使用遵循IEEE802.3标准的以太网帧。这些帧由主站设备发送，从站设备只是在以太网帧经过其所在位置时才提取和/或插入数据。因此，EtherCAT 使用标准的以太网MAC，这正是其在主站设备方面智能化的表现。同样，EtherCAT在从站控制器中使用专用芯片，这也是其在从站设备方面智能化的表现——无论本地处理能力是否强大或软件品质好坏与否，专用芯片均可在硬件中处理过程数据协议，并提供最佳实时性能。5.1 主站EtherCAT可以在单个以太网帧中最多实现1486字节的分布式过程数据通讯。其它解决方案一般是，主站设备需要在每个网络周期中为各个节点处理、发送和接收帧。而EtherCAT系统与此不同之处在于，在通常情况下，每周期仅需要一个或两个帧即可完成所有节点的全部通讯，因此，EtherCAT主站不需要专用的通讯处理器。主站功能几乎不会给主机CPU带来任何负担，轻松处理这些任务的同时，还可以处理应用程序，因此EtherCAT 无需使用昂贵的专用有源插接卡，只需使用无源的NIC卡或主板集成的以太网MAC设备即可。EtherCAT主站很容易实现，尤其适用于中小规模的控制系统和有明确规定的应用场合。例如，如果某个单个过程映像的PLC没有超过1486 字节，那么在其周期时间内循环发送这个以太网帧就足够了。因为报文头运行时不会发生变化，所以只需将常数报文头插入到过程映像中，并将结果传送到以太网控制器即可。EtherCAT映射不是在主站产生，而是在从站产生（外围设备将数据插入所经以太网帧的相应位置），因此，此时过程映像已经完成排序。该特性进一步减轻了主机CPU的负担。可以看到，EtherCAT主站完全在主机CPU中采用软件方式实现，相比之下，传统的慢速现场总线系统通过有源插接卡方可实现主站的方式则要占用更多的资源，甚至服务于DPRAM的有源卡本身也将占用可观的主机资源。系统配置工具（通过生产商获取）可提供包括相应的标准 XML 格式启动顺序在内的网络和设备参数。图 14: 主站实施的单个过程映像5.1.1 主站实施服务已经在各种实时操作系统上实现了EtherCAT主站，包括但并不限于：eCos, INtime, MICROWARE OS-9, MQX, On Time RTOS-32, Proconos OS, Real-Time Java, RT Kernel, RT-Linux, RTX, RTXC, RTAI Linux, PikeOS, Linux with RT-Preempt, QNX, VxWin + CeWin, VxWorks, Windows CE, Windows XP/XPE with CoDeSys SP RTE, Windows NT/NTE/2000/XP/XPE/Vista with TwinCAT RTE, Windows 7 and XENOMAI Linux.可以获得开源主站协议栈，作为示例代码或商业软件。也有各种公司提供各种硬件平台上的实施服务。可以在EtherCAT网站上的产品区找到快速增长的供应商信息[1]。5.1.2 主站样本代码另一种EtherCAT主站的实现方式是使用样本代码，花费不高。软件以源代码形式提供，包括所有的EtherCAT主站功能，甚至还包括EoE（EtherCAT实现以太网）功能（见图15）。开发人员只要把这些应用于Windows环境的代码与目标硬件及所使用的RTOS加以匹配就可以了。该软件代码已经成功应用于多个系统。图 15: 主站样本代码结构5.2 从站EtherCAT从站设备使用一个价格低廉的从站控制器芯片ESC。从站不需要微处理器就可以实现EtherCAT通信。可以通过I/O接口实现的简单设备可以只由ESC和其下的PHY，变压器和RJ45接头。给从站的过程数据接口是32位的I/O接口。这种从站没有可配置的参数，所以不需要软件或邮箱协议。EtherCAT状态机由ESC处理。ESC的启动信息从EEPROM中读取，它也支持从站的身份识别。更复杂的可配置从站有使用一个CPU。这个CPU和ESC之间使用8位或16位并行接口或串行SPI接口。要求的CPU性能取决于从站的应用，EtherCAT协议软件在其上运行。EtherCAT协议栈管理EtherCAT状态机和应用层协议，可以实现CoE协议和支持固件下载的FoE协议。EoE协议也可以实施。5.2.1 EtherCAT Slave Controller目前，有多家制造商均提供EtherCAT从站控制器。通过价格低廉的FPGA，也可实现从站控制器的功能，可以购买授权以获取相应的二进制代码。从站控制器通常都有一个内部的DPRAM，并提供存取这些应用内存的接口范围：· 串行SPI（串行外围接口）主要用于数量较小的过程数据设备，如模拟量I/O模块、传感器、编码器和简单驱动等。该接口通常使用8位微控制器，如微型芯片PIC、DSP、Intel 80C51等(见图16)。· 8/16位微控制器并行接口与带有DPRAM接口的传统现场总线控制器接口相对应，尤其适用于数据量较大的复杂设备。通常情况下，微控制器使用的接口包括Infineon 80C16x、Intel 80x86、Hitachi SH1、ST10、ARM和TI TMS320等系列(见图16)。· 32位并行I/O接口不仅可以连接多达32位数字输入/输出，而且也适用于简单的传感器或执行器的32位数据操作。这类设备无需主机CPU(见图17)。图 16: 从站硬件：带主机CPU的FPGA图 17: 从站硬件：带直接I/O的FPGA关于EtherCAT从站控制器的最新信息，请登录EtherCAT网站[1]。5.2.2 从站评估工具包倍福公司提供的从站评估工具包使接口操作变得简便易行。由于采用了EtherCAT，无需功能强大的通讯处理器，因此，可将从站评估工具包中的8位微处理器作为主机CPU使用。该工具包还包括源代码形式的从站主机软件（相当于协议堆栈）和参考主站软件包（TwinCAT）。6. 小结页首EtherCAT 拥有杰出的通讯性能，接线非常简单，并对其它协议开放。传统的现场总线系统已达到了极限，而EtherCAT则突破建立了新的技术标准——30 µs内可以更新1000个I/O数据，可选择双绞线或光纤，并利用以太网和因特网技术实现垂直优化集成。使用 EtherCAT，可以用简单的线型拓扑结构替代昂贵的星型以太网拓扑结构，无需昂贵的基础组件。EtherCAT还可以使用传统的交换机连接方式，以集成其它的以太网设备。其它的实时以太网方案需要与控制器进行特殊连接，而EtherCAT只需要价格低廉的标准以太网卡(NIC) 便可实现。EtherCAT拥有多种机制，支持主站到从站、从站到从站以及主站到主站之间的通讯（参见图18）。它实现了安全功能，采用技术可行且经济实用的方法，使以太网技术可以向下延伸至I/O级。EtherCAT功能优越，可以完全兼容以太网，可将因特网技术嵌入到简单设备中，并最大化地利用了以太网所提供的巨大带宽，是一种实时性能优越且成本低廉的网络技术。图 19: 网络结构形式多样7. 参考文献页首[1]EtherCAT Technology Group (ETG) http://www.ethercat.org[2]IEC 61158-3/4/5/6-12 (Ed.1.0), Industrial communication networks – Fieldbus specifications – Part 3-12: Data-link layer service definition – Part 4-12: Data-link layer protocol specification – Part 5-12: Application layer service definition – Part 6-12: Application layer protocol specification – Type 12 elements (EtherCAT)[3]IEEE 802.3: Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection (CSMA/CD) Access Method and Physical Layer Specifications[4]IEEE 802.3ae-2002: CSMA/CD Access Method and Physical Layer Specifications: Media Access Control (MAC) Parameters, Physical Layers, and Management Parameters for 10 Gb/s Operation[5]ANSI/TIA/EIA-644-A, Electrical Characteristics of Low Voltage Differential Signaling (LVDS) Interface Circuits[6]IEEE 1588-2002: IEEE Standard for a Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control Systems[7]EN 50325-4: Industrial communications subsystem based on ISO 11898 (CAN) for controller-device interfaces. Part 4: CANopen[8]IEC 61800-7-301/304 (Ed.1.0), Adjustable speed electrical power drive systems – Part 7-301: Generic interface and use of profiles for power drive systems – Mapping of profile type 1 to network technologies – Part 7-304: Generic interface and use of profiles for power drive systems – Mapping of profile type 4 to network technologies[9]SEMI E54.20: Standard for Sensor/Actuator Network Communications for EtherCAT.为何使用EtherCAT？EtherCAT独特的运行机制使其成为“工程师的明智之选”。此外，以下特点对某些应用具有特别的优势。1. 卓越的性能总的来说 EtherCAT 是最快的工业以太网技术，同时它提供纳秒级精确的同步。目标系统由总线系统控制或监测的所有应用都将从此大大获益。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 性能可以改善精度，获得更高的吞吐量，并降低成本。2. 灵活的拓扑在 EtherCAT 应用中，机器结构决定网络拓扑结构，而非反之。在传统的工业以太网系统中，可安装的交换机和集线器的数量是有限的，从而限制了整个的网络拓扑结构。而 EtherCAT 无需交换机或集线器，因此没有这样的局限性。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。由于自动链接检测功能，节点和网段可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。因此可在机器运转过程中进行设备交换。3. 简单且耐用配置、检测、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，无需手动配置。低总线负载和点对点的物理层改善了抗电磁干扰的能力。网络可靠地定位检测潜在的干扰，从而大大减少了排除错误的时间。在启动时，网络将目标拓扑与现实拓扑对比从而检测差异。EtherCAT 出色的性能使得系统配置时降低对网络调试的需求。由于高带宽，可以将其他的 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。4. 集成安全功能性安全作为一个网络结构的集成部分？对于 FSoE（Functional Safety over EtherCAT）来说不是问题。FSoE 是得到实际验证的，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，一个非安全要求的控制器可以接受并处理安全数据。5. 低成本易实现EtherCAT 以相当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获得：ASIC 芯片、FPGA，或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时间关键任务，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，从而节省了该类组件及其安装、配置和维护的成本。基于这些原因，EtherCAT广泛适用于：· 机器人· 机床· 包装机械· 印刷机· 塑料制造机器· 冲压机· 半导体制造机器· 试验台· 测试系统· 抓取机器· 电厂· 变电站· 材料处理应用· 行李运送系统· 舞台控制系统· 自动化装配系统· 纸浆和造纸机· 隧道控制系统· 焊接机· 起重机和升降机· 农场机械· 海岸应用· 锯木厂· 窗户生产设备· 楼宇控制系统· 钢铁厂· 风机· 家具生产设备· 铣床· 自动引导车· 娱乐自动化· 制药设备· 木材加工机器EtherCAT 常见问题1. EtherCAT技术· 1.1 EtherCAT性能远高于我的应用需求。为什么我还要使用该技术？· 1.2. 为何使用EtherCAT可以降低成本？· 1.3 EtherCAT是否仅局限于主站与从站的通讯应用？· 1.4 如何保证EtherCAT设备的兼容性?2. EtherCAT 技术协会· 2.1 我必须成为ETG会员才可以使用EtherCAT吗？· 2.2 我必须成为ETG会员才可以实施EtherCAT吗？· 2.3 如何成为EtherCAT技术协会的会员？· 2.4. 会员可以享有何种利益？· 2.5 为何ETG会员资格是免费的？· 2.6 将来会否收取会费？· 2.7 ETG会员如何影响该技术的发展？· 2.8 EtherCAT技术协会的法律地位？3. EtherCAT: 开放的技术· 3.1 EtherCAT是一个开放性的技术。这意味着什么？· 3.2 是否有专利权？· 3.3 如何授权？· 3.4 开放源代码是怎样的情况？· 3.5 是否有多种渠道获取EtherCAT从站控制器？4. 实施方面· 4.1 我们想实施一个EtherCAT从站设备，应该如何开始？· 4.2 我们想实施一个EtherCAT主站设备，应该怎么做呢？· 4.3 EtherCAT从站控制芯片的授权如何？· 4.4 FPGA的授权费用如何？· 4.5 是否必须 将我们的EtherCAT设备递交给一致性测试中心接受检测吗？5. EtherCAT Vendor ID· 5.1 什么是EtherCAT Vendor ID？· 5.2 我们的子公司/合作伙伴有EtherCAT Vendor ID。我们可以在我们的设备上使用它吗？· 5.3 我们正在使用技术提供商提供的接口板在我们的设备上增加EtherCAT接口。那么。我们可以在我们的设备上使用该技术提供商的Vendor ID吗？· 5.4 何谓二级Vendor ID?· 5.5 我们有一个CANopen® 的Vendor ID。我们可以在EtherCAT设备上使用它吗？· 5.6 我们如何申请Vendor ID？6. Safety over EtherCAT· 6.1 是否需要添加一个EtherCAT接口来连接我的FSoE设备？· 6.2 是否需要为我的FSoE设备实施一个独立的控制器结构？· 6.3 我是否可以在其他非EtherCAT通讯系统中使用Safety over EtherCAT？· 6.4 是否有经过认证的Safety over EtherCAT堆栈可供使用？· 6.5 是否有Safety over EtherCAT的一致性测试？· 6.6 我的Safety over EtherCAT设备是否需要经过相关机构（如TUV, BGIA）的认可？· 6.7 我是否需要在设备上市前在FSoE测试中心进行官方测试？· 6.8 为何我在设备上实施Safety over EtherCAT协议需要授权？· 6.9 我如何可以获得并使用Safety over EtherCAT的Logo？· 6.10 我是一个EtherCAT主站的提供商。我如何支持Safety over EtherCAT设备？· 6.11 我是机械设备制造商。我需要授权才可以使用Safety over EtherCAT的设备吗？· 1. EtherCAT技术· 1.1 EtherCAT性能远高于我的应用需求。为什么我还要使用该技术？卓越的现场总线性能决不会有坏处。即使对于慢速控制，使用EtherCAT也可以改善响应时间并简化配置工作，因为缺省配置就可以满足要求。此外，更短的响应时间可以改善您应用的性能，因为这缩减了传输等待时间（如，在下一个处理被初始化前对输入信号的等待时间）。如果您对性能要求并不苛刻，也可以因为EtherCAT的其它优势而选用它，比如，成本更低，更加灵活的拓扑结构，或者仅仅是使用方便。总而言之，您采用EtherCAT，就无需采用昂贵慢速的系统了。· 1.2. 为何使用EtherCAT可以降低成本？有这样几种原因：低成本的从站控制器降低了从站设备的成本。无需任何特殊的主站卡，主板集成的以太网控制器即可满足要求。无需交换机或集线器，因此降低了基础设施的成本。使用标准以太网线缆。实施简单，因此降低了实施成本。支持自动配置，无需任何手动设置地址，无需任何网络调整，因此降低了配置成本。· 1.3 EtherCAT是否仅局限于主站与从站的通讯应用？不是的。与其他实时工业以太网系统一样，一个设备（主站）必须要担任网络管理、组织介质读取控制的任务。对于EtherCAT，有两种方式可以实现从站与从站的通讯：在同一个循环周期内基于拓扑结构，其中上游设备可以与下游设备交换数据，而独立于拓扑结构的情况需要在两个总线周期实现数据交换。EtherCAT比其他的协议更具有速度优势，即使需要两个周期实现从站与从站的通讯，相对来讲也是高速高效的。· 1.4 如何保证EtherCAT设备的兼容性? 对于一个通讯技术来说，保证其实施的一致性及兼容性是该技术成功的重要因素。因此EtherCAT技术协会非常重视这些特性。技术实施协议方面的一致性是兼容性的前提，这意味着来自于不同厂商的设备可以在同一个应用网络中协同工作。为保证一致性，必须使用一致性测试工具（CTT）。此外，我们还有遍布全球的一致性测试中心（ETC）。对于通过EtherCAT一致性测试的设备，ETC将颁发官方一致性证书。更多关于一致性测试及设备认证的信息可以在一致性测试页面找到。· 2. EtherCAT 技术协会· 2.1 我必须成为ETG会员才可以使用EtherCAT吗？不需要。但是，您或许希望通过加入ETG来向您的客户或供应商展示您对该技术的支持。对于一个ETG会员，您将被邀请参加ETG会议，获取详细的技术规范及相关信息，并影响该技术的发展。· 2.2 我必须成为ETG会员才可以实施EtherCAT吗？虽然我们建议您加入ETG（见2.3/2.4），但如果您在您的机器或生产线上集成EtherCAT设备，那么我们认为您是最终用户，并不必须加入ETG。EtherCAT设备制造商必须要加入ETG，并获得一个EtherCAT Vendor ID。详情请在下载专区（请使用您的会员登录账号）下载EtherCAT Vendor ID政策（EtherCAT Vendor ID Policy）。会员资格免费获取（见2.5/2.6）。· 2.3 如何成为EtherCAT技术协会的会员？可以通过给ETG总部发邮件info@ethercat.org申请ETG的会员资格。您将得到所有必须的信息，如需求，会员申请表格等。在成为会员之前，请仔细阅读ETG By-Laws· 2.4. 会员可以享有何种利益？ETG会员优先享受技术支持，可获取仅提供给会员的EtherCAT规范、指南、免费从站代码和其他支持工具及相关信息。会员将被邀请参加ETG会议，如技术委员会（TC）或技术工作组（TWG），对规范进行审核和讨论。ETG会员有资格参加指定的EtherCAT培训和研发课程。此外，ETG会员还可以在EtherCAT官网上推广其产品，并作为合作伙伴参与我们的全球系列研讨会和全球重要展览会上的ETG联合展台。ETG会员权益· 2.5 为何ETG会员资格是免费的？会员年费或者其他的高额成本相对于获取一个开放的技术应该不是一个问题。因此，不仅没有ETG的会员费用，而且ETG会员获取协议堆栈，样本代码，评估套件，实施支持和其他的服务都是免费或者仅需很低的费用。· 2.6 将来会否收取会费？目前没有收取ETG会费的计划。如果将来需要收取会费（如，以支持ETG的外加服务），将由会员委员大会讨论通过决定。· 2.7 ETG会员如何影响该技术的发展？在ETG技术委员会会议上将对EtherCAT技术进行详细探讨，鼓励各ETG会员加入技术工作组和项目团队，并提出宝贵的建议和意见。 会员区有所有工作组的列表（需登录）ETG工作组欢迎各用户、OEM、系统集成商和设备制造商提供有价值的需求反馈，ETG的工作历史表明这种反馈非常有效。 技术使用者和开发者之间直接和个人的联系可以加强关于"Know-how"知识和技术信息的深层次交流。 查找ETG会员详细信息请点击这里：EtherCAT组织架构· 2.8 EtherCAT技术协会的法律地位？ETG是（类似于德国大多数工会或政党）受德国法律允许的非注册协会或社团组织。根据相关法规，由于ETG不销售任何产品，因此ETG是一个非盈利性组织。会员对协会资产共同承担有限责任——ETG无资产，因此事实负债为零。· 3. EtherCAT: 开放的技术· 3.1 EtherCAT是一个开放性的技术。这意味着什么？这意味着每一个人都可以使用，实施，并获利于该技术。还意味着EtherCAT实施应该是兼容的，任何人不应为防止他人使用而改变这种技术。EtherCAT是国际标准(IEC61158, IEC 61784, IEC 61800, ISO 15745)，同时也是SEMI标准(E54.20)。· 3.2 是否有专利权？是的，EtherCAT技术有专利权，如同其他任何值得拥有专利权的现场总线技术一样。 可以提供独特功能的技术需要专利权和授权以保护其不受复制和伪造的伤害。· 3.3 如何授权？对于EtherCAT主站实施的授权是免费的，但协议要求兼容性，以确保授权免费并提供法律效力。 对于从站设备，EtherCAT采用了CAN的授权模式（CAN是一个受专利保护的标准开放技术的出色样本）： 低额的授权费用已经“嵌入到”EtherCAT 从站控制器（ESC）芯片中，因此，设备制造商，最终用户，系统集成商，工具生产商等无需再付授权费用。· 3.4 开放源代码是怎样的情况？EtherCAT技术本身并不开源。 EtherCAT符合IEC，ISO和SEMI标准，因此每个人都可以平等地使用EtherCAT技术。 此外，无需缴纳主站使用授权费用。 ETG所有会员和EtherCAT用户组共同维护并促进EtherCAT技术的进一步发展。如果您有关于技术实施或者EtherCAT技术结合共享和开放源码系统方面的相关问题，请联系ETG总部或EtherCAT技术的专利方Beckhoff。· 3.5 是否有多种渠道获取EtherCAT从站控制器？有。EtherCAT从站控制器（ESC）实施可以从亚信电子、Beckhoff、Hilscher、HMS、英飞凌、Innovasic、Microchip、Profichip、德州仪器、Trinamics、瑞萨电子、Intel以及 Xilinx获取。更多实施也即将发布。EtherCAT从站控制器概述可在资料下载区进行查询：下载区· 4. 实施方面· 4.1 我们想实施一个EtherCAT从站设备，应该如何开始？可以参考EtherCAT Slave Implementation Guide（EtherCAT从站实施指南）作为从站实施的开始，请点击这里下载。该文件涵盖从站实施的起始步骤，包括开发硬件、软件、研讨会和培训、一致性，以及一步步的提示信息。 EtherCAT从站协议栈可以从多个供应商获取。 Beckhoff将从站协议栈代码(SSC)-源代码免费开放给所有ETG会员。 EtherCAT从站实施套件也可以从相关供应商获取。请在官方EtherCAT产品指南中查询更多从站评估套件：EtherCAT产品页面· 4.2 我们想实施一个EtherCAT主站设备，应该怎么做呢？对于主站来讲，你并不需要专用的硬件设备。任何以太网MAC都可以满足要求。EtherCAT对资源消耗非常小，因此也无需特殊的通讯处理器。主站代码可以从多种渠道获得，如一些通过样本代码包提供的免费开放代码，甚至一些包含了RTOS的主站产品。实施服务同样有不同的供应商可以提供。请点击此处了解EtherCAT产品情况。· 4.3 EtherCAT从站控制芯片的授权如何？当您从EtherCAT从站控制器供应商那里购买了ESC芯片，所有的EtherCAT功能已经包含在芯片中。对EtherCAT从站设备供应商来说，取得了ESC供应商资格则包含该授权，无需额外的EtherCAT授权费用。· 4.4 FPGA的授权费用如何？当您从您首选的半导体分销商那里购买了FPGA，EtherCAT代码尚未加载。EtherCAT IP核授权适用于Intel和Xilinx的FPGA。您只需支付一个授权即可制造尽可能多的EtherCAT从站设备。此外，也有基于数量的授权。· 4.5 是否必须 将我们的EtherCAT设备递交给一致性测试中心接受检测吗？不是。在官方EtherCAT测试中心进行一致性测试是可选的——但是，您的客户可能会需要一致性测试证书，而一致性测试证书只能通过官方测试后才能发放。您必须确保您的研发设施中应用了官方一致性测试工具（CTT）。每年，ETG都会维护和进一步发展CTT，CTT以订阅的方式提供。关于一致性的更多详情，请点击此处获得。· 5. EtherCAT Vendor ID· 5.1 什么是EtherCAT Vendor ID？EtherCAT Vendor ID是由EtherCAT技术协会为每一个供应商分配的唯一的标识号码。它与产品编码（product code ）一同将包含在EtherCAT设备的 标识对象中。EtherCAT Vendor ID 列表· 5.2 我们的子公司/合作伙伴有EtherCAT Vendor ID。我们可以在我们的设备上使用它吗？如果要求将Vendor ID授予合作伙伴公司，请联系ETG总部。但是，我们建议每个EtherCAT设备用户使用自己单独的Vendor ID。· 5.3 我们正在使用技术提供商提供的接口板在我们的设备上增加EtherCAT接口。那么。我们可以在我们的设备上使用该技术提供商的Vendor ID吗？不可以。该技术提供商的通信设备上附带有Vendor ID。您应使用自己独有的Vendor ID来替代它，以便于您的设备可以在网络中被识别。· 5.4 何谓二级Vendor ID?二级Vendor ID是从原Vendor ID派生出来的，专门用来标识通讯接口设备类产品的Vendor ID，但这类产品无法参加后续的一致性测试。· 5.5 我们有一个CANopen® 的Vendor ID。我们可以在EtherCAT设备上使用它吗？对于您的EtherCAT产品，你需要一个EtherCAT Vendor ID。然而，在您申请EtherCAT Vendor ID时，您可以提出申请与您CANopen® 的Vendor ID相同的号码，如果您申请的号码仍然可用，ETG则会分配给您。· 5.6 我们如何申请Vendor ID？非常简单，您仅需到EtherCAT网站的会员页面下载:EtherCAT Vendor ID 申请表格· 6. Safety over EtherCAT· 6.1 是否需要添加一个EtherCAT接口来连接我的FSoE设备？不需要。RSoE协议采用一个黑色通道实现；无需为此设置安全相关的标准通讯接口。控制器，ASIC以及链接，耦合器相关的通讯接口都可以保留使用。· 6.2 是否需要为我的FSoE设备实施一个独立的控制器结构？使用两个微控制器是实现SIL 3安全设备的常用方式。但这并不是Safety over EtherCAT规范的要求。实现这个协议必须满足以下要求：- 完全符合IEC 61508和IEC 61784-3；- 完全符合FSoE协议规范；- 完全符合安全完整性等级（SIL）要求和相应产品的指定需求。· 6.3 我是否可以在其他非EtherCAT通讯系统中使用Safety over EtherCAT？可以。该协议可以在任何通讯中使用，可以是EtherCAT通讯，现场总线系统，以太网或类似的通讯，光纤，同轴线缆，甚至无线传输。对于通讯总线耦合器或其他设备没有限制或特别要求。· 6.4 是否有经过认证的Safety over EtherCAT堆栈可供使用？有，在ETG内部有服务提供商能够提供预先认证的FSoE协议栈和安全研发服务。Safety over EtherCAT协议非常简洁，协议状态机有明确的界定。经验表明，使用或不使用预认证的堆栈都可以在短时间内轻松实施。· 6.5 是否有Safety over EtherCAT的一致性测试？是的。FSoE测试案例规范适用于FSoE设备，并通过TUV批准。对于FSoE从站，测试案例与EtherCAT测试工具配合使用，可以执行一个自动的测试。通常情况下，由于灵活的主站配置，对于主站堆栈的自动检测更复杂。因此，可用的测试案例规范可以用于对主站的认可。Safety over EtherCAT规则ETG.9100包括了对一个设备验收的完整测试流程。· 6.6 我的Safety over EtherCAT设备是否需要经过相关机构（如TUV, BGIA）的认可？是的。Safety over EtherCAT设备的研发需要评估。设备的实现包括通过EMC报告，Safety over EtherCAT一致性测试，并通过所有符合IEC 61508的安全周期流程。该评估将由机构实现。· 6.7 我是否需要在设备上市前在FSoE测试中心进行官方测试？是的。FSoE测试政策是需要通过官方FSoE测试中心测试的。进行FSoE一致性测试的前提是拥有有效的EtherCAT协议实施认证。FSoE测试中心的所有测试都可以在内部进行准备。· 6.8 为何我在设备上实施Safety over EtherCAT协议需要授权？Safety over EtherCAT是一种为很多设备制造商所采用的技术。对于这样一种技术来说，兼容性是保证在应用领域能进行互操作的重要功能。取得授权的设备制造商都有权实施这一技术，但其设备必须具有符合规范的兼容性。授权是免费的。使用FSoE最终设备的机器制造商及控制系统提供商则无需该项授权。· 6.9 我如何可以获得并使用Safety over EtherCAT的Logo？Safety over EtherCAT的logo可以从ETG总部获取。使用Safety over EtherCAT Logo的产品必须遵循由ETG发布的ETG9001 EtherCAT标识规则。· 6.10 我是一个EtherCAT主站的提供商。我如何支持Safety over EtherCAT设备？如果您只是想在EtherCAT环节支持现有的Safety over EtherCAT设备，则无需在主站上进行任何安全相关的实施。可采用带一个EtherCAT从站接口的FSoE主站，同时也可以被用作安全逻辑设备。只有从-从通信必须由EtherCAT主站支持，将安全数据报从FSoE主站路由至FSoE从站，反之亦然。· 6.11 我是机械设备制造商。我需要授权才可以使用Safety over EtherCAT的设备吗？不。您可以在机械设备中直接使用最终的Safety over EtherCAT产品，而无需授权。您务必留意产品中是否有SIL或PL认证，产品必须执行相关标准（IEC 62061, ISO 13849）或产品标准，以及与其他相关标准的兼容性，如必须符合国际的或国家的法律要求（如Directive of machinery, OSHA, UL等）。Vendor ID每个EtherCAT兼容设备必须使用由ETG分配的全球唯一的Vendor ID。EtherCAT Vendor ID的使用必须符合EtherCAT规范，并由ETG Vendor ID政策和相应的Vendor ID协议约束管理。为明确这一政策，一般规则如下：· 每个EtherCAT设备供应商必须是ETG会员，必须从EtherCAT技术协会取得有效的Vendor ID。· Vendor ID是免费的。· 在EtherCAT设备上市前，供应商必须实现Vendor ID。· 在机器中集成或使用EtherCAT设备的机器制造商，无需申请和使用Vendor ID。发布于 2021-05-28 14:08开放式 IEC 61131 控制系统设计（书籍）以太网（Ethernet）以太网协议赞同 181 条评论分享喜欢收藏申请转载文章被以下专栏收录IT技术专栏IT技术分享
EtherCAT协议基础知识(Part 1) - 知乎
EtherCAT协议基础知识(Part 1) - 知乎切换模式写文章登录/注册EtherCAT协议基础知识(Part 1)虹科工业智能互联一、EtherCAT概述1.特性①开放的技术EtherCAT全称EtherNet Control Automation Technology，是由德国倍福（Beckhoff）公司提出的一种实时以太网技术。EtherCAT是一种开放但不开源的技术，意味着您可以任意使用这项技术，但若要进行相关设备的开发，则需要向倍福公司获取相关授权。②快速性相比传统现场总线，EtherCAT的数据传输速率有了极大的提升，可选10Mbit/s或100Mbit/s，甚至依托补充的EtherCAT G技术，传输速率可达1000Mbit/s；同时EtherCAT基于标准以太网帧传输，单帧数据用容量可达1486 Bytes。这使得在传输数据量方面EtherCAT有无比的优越性。③拓扑的灵活性EtherCAT几乎支持所有的拓扑结构：星型、线性、树型、菊花链型等，并支持各类电缆、光纤等多种通信介质，还支持热插拔特性，保证了各设备之间连接的灵活性。同时EtherCAT几乎没有设备容量限制，最大从站设备数可达65535个，使得网络中无需交换机的存在，仅通过设备间的拓扑结构即能使得EtherCAT数据直达每个从站。④同步的精准性对于像多个伺服轴执行协同运动等一类应用，其对数据同步性要求甚高。而EtherCAT可选择使用分布式时钟（DC）的方式同步节点，并采用完全基于硬件的时间校准机制，使得整个系统抖动时间远小于1us，能够完全适用于这样的应用之下。如下图所示，300个EtherCAT站点间的信号时间抖动仅有20ns：⑤高可用性EtherCAT可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站点与主站设备中的以太网端口连接，即可将线型拓扑结构扩展为环型冗余拓扑结构。当线缆损坏或站点故障发生时，主站堆栈中的附加软件检测就会检测到，并立刻切到换冗余线路中运行，而各站点无需为此而改变，甚至不会意识到网络通信正在冗余线路中运行。2. ISO/OSI参考模型图：EtherCAT的ISO/OSI参考模型EtherCAT仅使用了物理层、链路层、应用层三层协议，与多数传统的现场总线相同，但相比于其它实时以太网协议，如PROFINET、EtherNet/IP等，其协议栈更加精简。这也是EtherCAT协议的实时性优越于其它实时以太网协议的重要原因之一。3.EtherCAT主从架构图：EtherCAT主从架构EtherCAT网络采用主从架构，网络组态于PC主机上进行配置，需要使用到相应的EMI（EtherCAT Master Information Files）、ESI（EtherCAT Slave Information Files）文件，经专用配置软件（通常于主站配置软件中集成）进行配置后生成ENI（EtherCAT Network Information Files）文件下载至主站中，主站便依据该文件进行整个网络的识别。图中关于EtherCAT从站设备的内部组成，即是一个实现EtherCAT协议OSI模型的过程：RJ45网口、PHY物理层芯片用于实现物理层协议；ESC用于实现链路层协议，通常使用倍福官方的ET1100芯片实现；MCU则用于实现应用层协议，需要厂商自行根据相应的协议编写程序代码，或是直接使用协议栈代码实现。4.报文帧传输方式EtherCAT报文帧只能由主站进行发送，在一个通讯周期内，主站发送以太网数据帧给各个从站，数据帧到达从站后，每个从站根据寻址从数据帧内提取相应的数据，并把它反馈的数据写入数据帧。当数据帧发送到最后一个从站后返回，并通过第一个从站返回至主站。这种传输方式能够在一个周期内实现数据通讯，还改善了带宽利用率，最大有效数据利用率达90%以上。(这种传输方式有点类似于现实生活中的环型地铁，列车上的人到达自己的目的站点后下车，每个站点的人也会相应上车。)发布于 2020-10-10 14:37以太网（Ethernet）交换机网络通信赞同 323 条评论分享喜欢收藏申请