EtherCAT - 以太網(wǎng)現(xiàn)場總線
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現(xiàn)場總線已成為自動化技術(shù)的集成組件，通過大量的實踐試驗和測試，如今已獲得廣泛應(yīng)用。正是由于現(xiàn)場總線技術(shù)的普及，才使基于PC的控制系統(tǒng)得以廣泛應(yīng)用。然而，雖然控制器CPU的性能（尤其是IPC的性能）發(fā)展迅猛，但傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線系統(tǒng)正日趨成為控制系統(tǒng)性能發(fā)展的“瓶頸”。急需技術(shù)革新的另一個因素則是由于傳統(tǒng)的解決方案并不十分理想。傳統(tǒng)的方案是，按層劃分的控制體系通常都由幾個輔助系統(tǒng)所組成（周期系統(tǒng)）：即實際控制任務(wù)、現(xiàn)場總線系統(tǒng)、I/O系統(tǒng)中的本地擴展總線或外圍設(shè)備的簡單本地固件周期。正常情況下，系統(tǒng)響應(yīng)時間是控制器周期時間的3-5倍。 在現(xiàn)場總線系統(tǒng)之上的層面（即網(wǎng)絡(luò)控制器）中，以太網(wǎng)往往在某種程度上代表著技術(shù)發(fā)展的水平。該方面目前較新的技術(shù)是驅(qū)動或I/O級的應(yīng)用，即過去普遍采用現(xiàn)場總線系統(tǒng)的這些領(lǐng)域。這些應(yīng)用類型要求系統(tǒng)具備良好的實時能力、適應(yīng)小數(shù)據(jù)量通訊，并且價格經(jīng)濟。EtherCAT可以滿足這些需求，并且還可以在I/O級實現(xiàn)因特網(wǎng)技術(shù) （參見圖1）。
圖1: 傳統(tǒng)現(xiàn)場總線系統(tǒng)響應(yīng)時間
1.1 以太網(wǎng)和實時能力
目前，有許多方案力求實現(xiàn)以太網(wǎng)的實時能力。例如，CSMA/CD介質(zhì)存取過程方案，即禁止高層協(xié)議訪問過程，而由時間片或輪循方式所取代的一種解決方案；另一種解決方案則是通過專用交換機精確控制時間的方式來分配以太網(wǎng)包。這些方案雖然可以在某種程度上快速準(zhǔn)確地將數(shù)據(jù)包傳送給所連接的以太網(wǎng)節(jié)點，但是，輸出或驅(qū)動控制器重定向所需要的時間以及讀取輸入數(shù)據(jù)所需要的時間都要受制于具體的實現(xiàn)方式。 如果將單個以太網(wǎng) 幀用于每個設(shè)備，那么，理論上講，其可用數(shù)據(jù)率非常低。例如，最短的以太網(wǎng)幀為84字節(jié)（包括內(nèi)部的包間隔IPG）。如果一個驅(qū)動器周期性地發(fā)送4字節(jié)的實際值和狀態(tài)信息，并相應(yīng)地同時接收4字節(jié)的命令值和控制字信息，那么，即便是總線負荷為100%（即：無限小的驅(qū)動響應(yīng)時間)時，其可用數(shù)據(jù)率也只能達到4/84= 4.8%。如果按照10 μs的平均響應(yīng)時間估計，則速率將下降到1.9%。對所有發(fā)送以太網(wǎng) 幀到每個設(shè)備(或期望幀來自每個設(shè)備)的實時以太網(wǎng)方式而言，都存在這些限制，但以太網(wǎng)幀內(nèi)部所使用的協(xié)議則是例外。
2. EtherCAT 運行原理
EtherCAT技術(shù)突破了其他以太網(wǎng)解決方案的系統(tǒng)限制：通過該項技術(shù)，無需接收以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包，將其解碼，之后再將過程數(shù)據(jù)復(fù)制到各個設(shè)備。EtherCAT從站設(shè)備在報文經(jīng)過其節(jié)點時讀取相應(yīng)的編址數(shù)據(jù)，同樣，輸入數(shù)據(jù)也是在報文經(jīng)過時插入至報文中（參見圖2）。整個過程中，報文只有幾納秒的時間延遲。
圖2: 過程數(shù)據(jù)插入至報文中
圖3: 帶寬利用率的比較
3. EtherCAT 技術(shù)特征
3.1 協(xié)議
EtherCAT是用于過程數(shù)據(jù)的優(yōu)化協(xié)議，憑借特殊的以太網(wǎng)類型，它可以在以太網(wǎng)幀內(nèi)直接傳送。EtherCAT幀可包括幾個EtherCAT報文，每個報文都服務(wù)于一塊邏輯過程映像區(qū)的特定內(nèi)存區(qū)域，該區(qū)域最大可達4GB字節(jié)。數(shù)據(jù)順序不依賴于網(wǎng)絡(luò)中以太網(wǎng)端子的物理順序，可任意編址。從站之間的廣播、多播和通訊均得以實現(xiàn)。當(dāng)需要實現(xiàn)最佳性能，且要求EtherCAT組件和控制器在同一子網(wǎng)操作時，則直接以太網(wǎng)幀傳輸就將派上用場。 然而，EtherCAT不僅限于單個子網(wǎng)的應(yīng)用。EtherCAT UDP將EtherCAT協(xié)議封裝為UDP/IP數(shù)據(jù)報文（參見圖4），這就意味著，任何以太網(wǎng)協(xié)議堆棧的控制均可編址到EtherCAT系統(tǒng)之中，甚至通訊還可以通過路由器跨接到其它子網(wǎng)中。顯然，在這種變體結(jié)構(gòu)中，系統(tǒng)性能取決于控制的實時特性和以太網(wǎng)協(xié)議的實現(xiàn)方式。因為UDP數(shù)據(jù)報文僅在第一個站才完成解包，所以EtherCAT網(wǎng)絡(luò)自身的響應(yīng)時間基本不受影響。
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