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2024-03-14 20:27:15

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

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rCAT_百度百科网页新闻贴吧知道网盘图片视频地图文库资讯采购百科百度首页登录注册进入词条全站搜索帮助首页秒懂百科特色百科知识专题加入百科百科团队权威合作下载百科APP个人中心EtherCAT播报讨论上传视频开放架构收藏查看我的收藏0有用+10本词条由“科普中国”科学百科词条编写与应用工作项目审核。EtherCAT（以太网控制自动化技术）是一个开放架构，以以太网为基础的现场总线系统，其名称的CAT为控制自动化技术（Control Automation Technology）字首的缩写。EtherCAT是确定性的工业以太网，最早是由德国的Beckhoff公司研发。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。中文名以太网控制自动化技术外文名EtherCAT本质现场总线系统特点实时性，灵活性目的以太网可以运用在自动化应用中研发公司德国的Beckhoff公司目录1机能原理2通讯协定3性能4拓扑5同步6设备行规7机能安全8实现机能原理播报编辑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。 [1]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。通讯协定播报编辑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，定址顺序也没有限制。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。性能播报编辑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10kHz的速率更新，一般的更新速率约为1–30kHz，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。 [2]拓扑播报编辑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几乎支持所有的网络拓扑，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。同步播报编辑为了系统的同步，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，单位是纳秒（ns）。设备行规播报编辑设备行规（device profile）描述应用需要的参数及设备的机能特性，包括可能依设备种类而不同的状态机。总线技术中已有许多可靠的设备行规，例如I/O设备、驱动器或阀等设备。EtherCAT同时支持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。机能安全播报编辑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机能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。自2005年起已有使用Safety over EtherCAT的产品上市。实现播报编辑EtherCAT主站可以用软件，在标准的以太网媒体接入控制器中实现。许多供应商有提供在不同操作系统下的程式码，也有许多开源软件或共享软件。EtherCAT从站需要特殊的EtherCAT从站控制器，才能实现飞速传输（processing on the fly）的技术。EtherCAT从站控制器可以用FPGA来实现，且已有现成的代码，此控制器也可以用ASIC来实现。新手上路成长任务编辑入门编辑规则本人编辑我有疑问内容质疑在线客服官方贴吧意见反馈投诉建议举报不良信息未通过词条申诉投诉侵权信息封禁查询与解封©2024 Baidu 使用百度前必读 | 百科协议 | 隐私政策 | 百度百科合作平台 | 京ICP证030173号京公网安备110000020000

EtherNet/IP和EtherCAT有什么区别？ - 知乎

EtherNet/IP和EtherCAT有什么区别？ - 知乎首页知乎知学堂发现等你来答切换模式登录/注册IP 地址以太网（Ethernet）EthernetEtherNet/IP和EtherCAT有什么区别？EtherNet/IP和EtherCAT有什么区别？各自应用在什么场合下面？求解答显示全部关注者12被浏览191,366关注问题写回答邀请回答好问题添加评论分享6 个回答默认排序莫木关注EtherNet/IP指的是"以太网工业协议"(Ethernet Industrial Protocol)。它定义了一个开放的工业标准，将传统的以太网与工业协议相结合。EtherNet/IP是基于TCP/IP系列协议，因此采用以原有的形式OSI层模型中较低的4层。所有标准的以太网通信模块，如PC接口卡、电缆、连接器、集线器和开关都能与 EtherNet/IP 一起使用。（七层模型，亦称OSI（Open System Interconnection）。用于计算机或通信系统间互联的标准体系）EtherCAT (实时工业以太网）是一个开放架构，以以太网为基础的现场总线系统，其名称的CAT为控制自动化技术。简单地说，他们是工业控制中用到的通讯方式（自动化通讯协定），ethercat具有实时性（响应时间快），灵活性（拓扑行）等优势。说的不好，仅供参考。。。发布于 2021-01-16 15:33赞同 9添加评论分享收藏喜欢收起晨控工业RFID 关注CK-GW06-E01与汇川PLC的EtherNet/IP通信准备阶段：CK-GWO6-E01网关POE交换机网线汇川PLC编程软件汇川AC801-0221-U0R0型号PLC1.打开汇川PLC编程软件lnoProShop(V1.6.2)SP2。新建工程，选择对应的PLC型号，编程语言选择为“结构化文本（ST）语言”，然后点击确定。（本次以AC801-0221-U0R0型号为例）双击PLC型号，进入通信设置选择对应的网关，点击扫描设备，选择对应的PLC型号，然后点击确定，查看是否与PLC通信成功。双击网络组态，添加对应的EDS文件。添加完成EDS文件后，双击“CkReader”，网络组态完成。双击“CkReader (CkReader)”更改对应网关的IP地址。（本次以192.168.1.210为例）选择连接，配置“输出数据集”和“输入数据集”选择数据类型为byte，数量大小为396.选择“Application”右击添加对象，选择“全局变量列表”，点击打开。打开“全局变量列表”，创建两个映射读卡器内存的数组分别对应输入输出，数量大小为0~395，创建两个数组存储读写的数据，数量大小为0~1000。（如下图所示）双击“Ethernet (Ethernet)”进入以太网界面，选择对应PLC的IP，然后点击确定。（本次以192.168.1.88为例）组态完成后下载至PLC中，然后点击运行，此时网关的网络连接指示灯ETH闪烁，PLC与网关通信成功。发布于 2022-07-21 17:16赞同 2添加评论分享收藏喜欢

浅析EtherCAT 总线 - 知乎

浅析EtherCAT 总线 - 知乎首发于PLC攻城狮切换模式写文章登录/注册浅析EtherCAT 总线PLC攻城狮引言又到周末了，今天来聊一聊 EtherCAT总线。一项技术发明一定不是为了发明而发明，一定是有需要解决问题的。以太网用在工业通信中遇到了什么问题呢？首先工业通信的要求是：低延时高响应高可靠例如：如果通过传统的以太网协议要做实时数据的监控（1ms），主站发出的数据会被路由到每一个子站，子站再发数据回给主站。无论是子站还是主站都在不停的发数据和接受数据。就好像大家都开车去上班，每个数据帧就是一辆车，再保证不出事故的前提下，只有更宽的路才能保证不迟到，不堵车。而工业通信还有一个特点，就是本身数据量不大（不是视频或下载），大部分都是开关量和模拟量。如果用以太网，则都要根据OSI模型一层一层加协议。就好比每个人上班都是要单独开一辆车一样。所以想解决不迟到，只有两种方法：修更宽的路（增加带宽）大家都做公共交通（改变协议）修更宽的路需要花更多的钱（整个网络硬件升级，整个网络速度遵循木桶原则）而是EtherCAT就是火车像火车一样的EtherCATEtherCAT是一个开放架构，以以太网为基础的现场总线系统，其名称的CAT为控制自动化技术（Control Automation Technology）字首的缩写。EtherCAT是确定性的工业以太网，最早是由德国的Beckhoff（倍福）公司研发。EtherCAT使用相同的物理和数据链路层。EtherCAT中，主站发送数据，整个网络可能只有一个数据帧依次将通过每个节点（像火车一样）。主站是唯一允许发送帧的节点，子站只能转发帧。数据帧就像火车一样，从主站开出，途经各个子站，把对于子站的数据放下或者带上，最后回到主站。这种方法有助于确保实时操作并避免延迟。EtherCAT数据帧像地铁一样EtherCAT网络不需要交换机。每个EtherCAT设备通常有两个以太网端口，第一个端口是接收端口，另一个是发送端口，发送给另一个设备。实时性是EtherCAT的主要优势，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。虽然子站设备添加数据过程到数据帧过程中仍有一点延迟，但EtherCAT的单一数据流大大提高了带宽利用率。这个优点也可能是一个缺点。因为许多子站设备可能无法适应这种高速，使得EtherCAT网络可能需要放慢速度以适应这些设备。EtherCAT还使用分布式时钟系统。当EtherCAT的数据帧通过每个节点时，节点向其数据添加“已接收消息”时间戳。每个节点在收到消息时添加时间戳，然后在返回主站的路上，当数据帧移回节点时，每个节点再次附加一个时间戳。然后，主节点对每个节点都有准确的计算，因为时间戳数据是在每次数据帧传输时计算的。借助EtherCAT固有环形拓扑，由于分布式时钟机制确保了每次准确的数据传输，这是EtherCAT的优势之一。另一个优点是网络拓扑的形式。许多不同的网络拓扑可以在EtherCAT网络中使用。因为它使用以全双工（双向轨道），当检测到端头时，数据帧将自动从子站返主站。这使得EtherCAT的网络拓扑结构很灵活。考虑到EtherCAT所固有环技术，在环形拓扑中连接的网络将形成冗余结构。因为它本身就是一个环形。EtherCAT与标准以太网相比具有很大的优势：响应时间快，每台设备的数据要求最低，和低实施成本。通过上面的介绍是不是感觉到EtherCAT设计的很巧妙，因为它真的就像火车一样。更多精彩，请关注公众号：PLClion发布于 2019-08-31 12:12实业科技通信赞同 15421 条评论分享喜欢收藏申请转载文章被以下专栏收录PLC攻城狮拓宽眼界，掌握

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

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1機能原理

2通訊協定

3性能

4拓撲

5同步

6設備行規

7機能安全

8實現

9參考資料

10其他參考資料

11外部連結

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EtherCAT

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EtherCAT（乙太網控制自動化技術[1]）是一個開放架構，以乙太網為基礎的現場總線系統，其名稱的CAT為控制自動化技術（Control Automation Technology）字首的縮寫。EtherCAT是確定性的工業以太網，最早是由德國的Beckhoff公司研發[2]。

自動化對通訊一般會要求較短的資料更新時間（或稱為週期時間）、資料同步（英语：Data synchronization）時的通訊抖动量低，而且硬體的成本要低，EtherCAT開發的目的就是讓乙太網可以運用在自動化應用中。

機能原理[编辑]

一般工業通訊的網路各節點傳送的資料長度不長，多半都比乙太網幀的最小長度要小。而每個節點每次更新資料都要送出一個幀，造成頻寬的低利用率，網路的整體性能也隨之下降。EtherCAT利用一種稱為「飛速傳輸」（processing on the fly）的技術改善以上的問題[3]。

EtherCAT 運作動畫

在EtherCAT網路中，當資料帧通過EtherCAT節點時，節點會複製資料，再傳送到下一個節點，同時識別對應此節點的資料，則會進行對應的處理，若節點需要送出資料，也會在傳送到下一個節點的資料中插入要送出的資料[2]

。每個節點接收及傳送資料的時間少於1微秒，一般而言只用一個帧的資料就可以供所有的網路上的節點傳送及接收資料。

通訊協定[编辑]

EtherCAT通訊協定是針對程序資料而進行優化，利用標準的IEEE 802.3以太網幀傳遞，Ethertype為0x88a4。其資料順序和網站上設備的實體順序無關，定址順序也沒有限制。主站可以和從站進行廣播及多播等通訊。若需要IP路由，EtherCAT通訊協定可以放入UDP/IP資料包中。

性能[编辑]

EtherCAT的週期時間短，是因從站的微處理器不需處理乙太網的封包。所有程序資料都是由從站控制器的硬體來處理。此特性再配合EtherCAT的機能原理，使得EtherCAT可以成為高性能的分散式I/O系統：包含一千個分散式數位輸入/輸出的程序資料交換只需30us[2]，相當於在100Mbit/s的乙太網傳輸125個位元組的資料。讀寫一百個伺服軸的系統可以以10 kHz的速率更新，一般的更新速率約為1–30 kHz，但也可以使用較低的更新速率，以避免太頻繁的直接記憶體存取影響主站個人電腦的運作。

拓撲[编辑]

EtherCAT使用全雙工的乙太網實體層，從站可能有二個或二個以上的埠。若設備沒偵測到其下游有其他設備，從站的控制器會自動關閉對應的埠並回傳以太網幀。由於上述的特性，EtherCAT幾乎支援所有的網路拓撲，包括總線式、樹狀或是星狀，現場總線常用的總線式拓撲也可以用在以太網中。

EtherCAT的拓撲可以用網路線、分枝或是短線（stub）作任意的組合。有三個或三個以上以太網接口的設備就可以當作分接器，不一定一定要用網路交換器。

由於使用100BASE-TX的以太網物理層，二個設備之間的距離可以到100公尺，一個EtherCAT區段的網路最多可以有65535個設備。若EtherCAT網路是使用環狀拓撲（主站設備需要有二個通訊埠），則此網路還有纜線冗餘的機能。

同步[编辑]

為了系統的同步，EtherCAT協定中有提供分散式时钟機制，即使通訊循環週期有抖動，时钟的抖動遠小於1µs，大約接近IEEE 1588精密時間協議（英语：Precision Time Protocol）的標準。因此EtherCAT的主站設備不需針對时钟使用特殊的硬體，可以用軟體實現在任何標準的乙太網MAC，即使沒有特殊的通訊協處理器也沒有關係。

標準建立分散式时钟的程序是由主站送出一特定位址的廣播訊息給所有從站來啟動。若使用環狀拓撲，所有從站會在收到訊息時閂鎖內部時鐘，當訊息回來時會再閂鎖內部時鐘一次。主站會讀所有從站閂鎖的值，計算各個從站的延遲。為了消除抖動的影響及求得平均值，主站會儘可能的多次進行上述的程序。所有的從站延遲會依各從站在從站環狀拓撲的位置來計算，並記錄在一個偏移寄存器中。最後主站送出一個讀寫系統时钟的廣播訊息，會使第一個從站的時鐘為參考時鐘，其他從站的內部時鐘會調整到和第一個從站相同。

為了在初始化後保持時鐘的同步，主站或從站需定期的再送出廣播訊號，以計算各個從站內部時鐘的速度差異，若有需要時，從站需要可以調整自身時鐘的速度，或是有其他調整時鐘的機制。

系統時鐘是一個64位元的計時器，計數內容是從2000年1月1日0點0分開始所經過的時間，單位是奈秒（ns）。

設備行規[编辑]

設備行規（device profile）描述應用需要的參數及設備的機能特性，包括可能依設備種類而不同的狀態機。總線技術中已有許多可靠的設備行規，例如I/O設備、驅動器或閥等設備。EtherCAT同時支援CANopen設備行規及Sercos（英语：SERCOS interface）驅動器行規。從CANopen或Sercos移植到EtherCAT時，在應用觀點看到的內容是一様的，也可方便使用者或設備製造商的轉換。

機能安全[编辑]

EtherCAT有一個加強的協定版本，稱為Safety over EtherCAT，可以在同一個網路上進行機能安全相關的通訊和一般的控制通訊。此安全通訊是以EtherCAT的應用層為基礎，不會影響底層的通訊協定[4]。Safety over EtherCAT有通過IEC 61508的認證，符合安全完整性等級（SIL）3的要求。自2005年起已有使用Safety over EtherCAT的產品上市。

實現[编辑]

EtherCAT主站可以用軟體，在標準的乙太網MAC中實現。許多供應商有提供在不同作業系統下的程式碼，也有許多開源軟體或共享軟體。EtherCAT從站需要特殊的EtherCAT從站控制器，才能實現飛速傳輸（processing on the fly）的技術。EtherCAT從站控制器可以用FPGA來實現，且已有現成的代碼，此控制器也可以用ASIC來實現。

參考資料[编辑]

^ 自動化在線 EtherCAT簡介. [2012-08-23]. （原始内容存档于2016-03-04）.

^ 2.0 2.1 2.2 cechina EtherCAT 原理介紹. [2012-08-23]. （原始内容存档于2016-03-04）.

^ ethercat.org EtherCAT簡介 (PDF). [2012-08-23]. （原始内容 (PDF)存档于2012-07-21）.

^ The safety solution for EtherCAT (PDF). [2012-08-24]. （原始内容存档 (PDF)于2012-07-21）.

其他參考資料[编辑]

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外部連結[编辑]

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查论编自動化通訊協定程序自动化

AS-i

BSAP（英语：Bristol Standard Asynchronous Protocol）

CC-Link

CIP

CAN

CANopen

DeviceNet

ControlNet

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EtherCAT

Ethernet Global Data (EGD)（英语：Ethernet Global Data Protocol）

Ethernet Powerlink

EtherNet/IP

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主流工业以太网介绍和比较（EtherCAT、EtherNet/IP、ProfiNet、Modbus-TCP、Powerlink）_ethercat和ethernet的区别-CSDN博客

主流工业以太网介绍和比较（EtherCAT、EtherNet/IP、ProfiNet、Modbus-TCP、Powerlink）

最新推荐文章于 2024-01-09 10:12:38 发布

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原文链接：https://blog.csdn.net/xqmoo8/article/details/39743961

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1）EtherCAT是一个以以太网为基础的开放架构的现场总线系统，EterCAT名称中的CAT为Control Automation Technology（控制自动化技术）首字母的缩写。最初由德国倍福自动化有限公司(Beckhoff AutomationGmbH)研发。EtherCAT为系统的实时性能和拓扑的灵活性树立了新的标准，同时，它还符合甚至降低了现场总线的使用成本。EtherCAT的特点还包括高精度设备同步，可选线缆冗余，和功能性安全协议(SIL3)。

EtherCAT主要特点有: (1)完全符合以太网标准。普通以太网相关的技术都可以应用于EtherCAT网络中。EtherCAT设备可以与其他的以太网设备共存于同一网络中。普通的以太网卡、交换机、路由器等标准组件都可以在EtherCAT中使用。 (2)支持多种拓扑结构:线型、星型、树型。可以使用普通以太网使用的电缆或光缆。当使用1OOBase-TX电缆时允许两个设备之间的通信距离达100m。当使用100BASE-FX模式，使用两对光纤在全双工模式下，单模光纤能够达到40千米的传输距离，多模光纤能够达到2千米的传输距离。EtherCAT还能够使用Beckhoff公司自己设计的低压差分信号LUDS ( Low Voltage Differential Signaling，低压差分信号)线来低延时地通信，通信距离能够达到10米。 (3)广泛的适用性，任何带有普通以太网控制器的设备都有条件作为EtherCAT主站，比如嵌入式系统、普通的PC机、控制板卡等。

(4)高效率、刷新周期短。EtherCAT从站对数据帧的读取、解析、过程数据的提取与插入完全由硬件来实现，这使得数据帧的处理不受CPU的性能、软件的实现方式等影响，时间延迟极小、实时性很高。同时EtherCAT可以达到小于100us的数据刷新周期。

（5）EtherCAT以太网帧中能够压缩大量的设备数据，这使得EtherCAT网络有效数据率可达到90%以上。据官方测试1000个I/O更新时间仅仅30us，其中还包括I/O周期时间。而容纳1486个字节(相当于12000个I/O)的单个以太网帧的刷新时间紧紧300us。（6)同步性能很好。EtherCAT使用高分辨率的分布式时钟使各从站节点间的同步精度能够远小于lus。（7)无须从属子网。很复杂的节点或只有一两位的数字I/O都能被用作EtherCAT从站。 (8)拥有多种应用层协议接口来支持多种工业设备行规:CoE ( CANopen over EtherCAT)用来支持CANopen协议，SOE (SERCOE over EtherCAT)用来支持SERCOE 协议，EOE ( Ethernetover EtherCAT)用来支持普通的以太网协议，FOE ( File over EtherCAT）用于上传和下载固件程序或文件;AOE (ADS over EtherCAT)用于主从站之间非周期的数据访问服务。对多种行规的支持使得用户和设备制造商很容易从现场总线向EtherCAT转换。

2）Ethernet/IP是一个面向工业自动化应用的工业应用层协议。它建立在标准UDP/IP与TCP/IP协议之上，利用固定的以太网硬件和软件，为配置、访问和控制工业自动化设备定义了一个应用层协议。

Ethernet/IP是2000年3月由Control Net International和ODVA( Open DevicenetVendors Association共同开发的工业以太网标准。Ethernet/IP实现实时性的方法是在TCP/IP层之上增加了用于实时数据交换和运行实时应用的CIP协议(Common Industrial Protocol )。 Ethernet/IP在物理层和数据链路层采用标准的以太网技术，在网络层和传输层使用IP协议和TCP、UDP协议来传输数据。UDP是一种非面向连接的协议，它能够工作在单播和多播的方式，只提供设备间发送数据报的能力。对于实时性很高的I/O数据、运动控制数据和功能行安全数据，使用UDP/IP协议来发送。而TCP是一种可靠的、面向连接的协议。对于实时性要求不是很高的数据(如参数设置、组态和诊断等)采用TCP/IP协议来发送。 Ethernet/IP采用生产者/消费者数据交换模式。生产者向网络中发送有唯一标识符的数据包。消费者根据需要通过标识符从网络中接收需要的数据。这样数据源只需一次性地把数据传到网上，其它节点有选择地接收数据，这样提高了通信的效率。 Ethernet/IP是在CIP这个协议的控制下实现非实时数据和实时数据的传输。CIP是一个提供工业设备端到端的面向对象的协议，且独立于物理层及数据链路层，这使得不同供应商提供的设备能够很好的交互。另外，为了获得更好的时钟同步性能，2003年ODVA将IEEE 15888引入Ethernet/IP，并制定了CIPsync标准以提高Ethernet/IP的时钟同步精度。

3）PROFINET由PROFIBUS国际组织（PROFIBUS International，PI）推出，是新一代基于工业以太网技术的自动化总线标准。作为一项战略性的技术创新，PROFINET为自动化通信领域提供了一个完整的网络解决方案，囊括了诸如实时以太网、运动控制、分布式自动化、故障安全以及网络安全等当前自动化领域的热点话题，并且，作为跨供应商的技术，可以完全兼容工业以太网和现有的现场总线（如PROFIBUS）技术，保护现有投资。

PROFINET是适用于不同需求的完整解决方案，其功能包括8个主要的模块，依次为实时通信、分布式现场设备、运动控制、分布式自动化、网络安装、IT标准和信息安全、故障安全和过程自动化。

现在PROFINET有三个版本，能够实现3种类型的通信：TCP/IP标准通信和两类实时通信。在这些版本中，PROFINET提出了对IEEE802.1 D和IEEE1588进行实时性扩展的技术方案，同时，根据不同的实时性要求采用不同的实时通道技术。 PROFINET提供的标准通道使用TCP/IP协议来进行非实时通信，用于设备参数化、组态和诊断数据的传输。两个实时通道:实时通道RT和实时通道IRT。实时通道RT是一种软实时(software real time方案，一般响应时间为l0ms，主要用于工厂自动化领域中的过程数据高xìng能循环传输、事件控制的信号与报警信号灯。实时通道IRT(IsochronousReal-time)使用了专用的ASIC芯片来对数据帧进行了解析，这样缩短了处理时间。该方案特别适用于高性能传输、过程数据的等时同步传输及需要快速时钟同步的运动控制领域。另外根据应用对象的不同，PROFINET有两种组网方式:PROFINETIO和PROFINET CBA。

4）MODBUS/TCP是简单的、中立厂商的用于管理和控制自动化设备的MODBUS系列通讯协议的派生产品。显而易见，它覆盖了使用TCP/IP协议的 “Intranet”和“Internet”环境中MODBUS 报文的用途。协议的最通用用途是为诸如PLC’s，I/O模块，以及连接其它简单域总线或I/O模块的网关服务的。 MODBUS/TCP协议是作为一种（实际的）自动化标准发行的。既然MODBUS已经广为人知，该规范只将别处没有收录的少量信息列入其中。然而，本规范力图阐明MODBUS中哪种功能对于普通自动化设备的互用性有价值，哪些部分是MODBUS作为可编程的协议交替用于PLC’s的“多余部分”。　　它通过将配套报文类型“一致性等级”，区别那些普遍适用的和可选的，特别是那些适用于特殊设备如PLC’s的报文。

5）POWERLINK=CANopen+Ethernet

鉴于以太网的蓬勃发展和CANopen在自动化领域里的广阔应用基础，EthernetPOWERLINK 融合了这两项技术的优点和缺点，即拥有了Ethernet的高速、开放性接口，以及CANopen在工业领域良好的SDO和PDO数据定义，在某种意义上说POWERLINK就是Ethernet 上的CANopen，物理层、数据链路层使用了Ethernet介质，而应用层则保留了原有的SDO和PDO对象字典的结构。

Ethernet Powerlink(简称EPL)是由奥地利B&R(贝加莱)公司于2001年开发出来的实时以太网解决方案。2003年，由全球自动化和驱动行业的领军公司成立了EPSGC EthernetPowerlink标准化组织)来标准化和强化Powerlink技术，EPL标准是在CANopen基础上发展来的。它实现实时性的方法是对TCP/IP协议栈进行了实时扩展，引入了SCNM ( slot communication network management，时间槽通信网络管理）机制来消除CSMA/CD的不确定性。SCNM原理是网络按照一个固定的周期进行通信。每个周期分为三个时间槽:同步时间槽、异步时间槽、空闲时间槽。实时性要求严格的数据在同步时间槽中传输。时间不苛刻的数据在异步时间槽中传输。在三种时间槽中又根据网络中通信节点的数目划分为不同的子时间槽。这样保证了实时数据的实时性传输，又杜绝了网络冲突的发生。

6） EPA是在“863”计划的支持下，由浙江大学、清华大学、浙江中控技术公司、大连理工大学、中科院自动化所等单位联合制定，是用于工业测量和控制系统的实时以太网标准。EPA实现实时性的方法是在ISO/IEC8802.3协议所规定的数据链路层之上增加了一个EPA-CSME ( communication schedulingmanagement entity，通信管理实体)。增加EPA-CSME，EPA-C SME用于对数据报文的调度管理，它支持两种通信调度方式:非实时的通信使用CSMA/CD通信机制，非实时数据直接在DLE层和DLS-Use:之间传输，不进行任何缓冲和处理;实时性使用确定性调度方式，EPA将DLS-User数据根据控制时序和优先级大小传送给DLE，然后经过PHY发送出去，这样避免了网络中报文的碰撞。另外，EPA网络为了避免冲突的发生将控制网络分成了若干个由网桥相互隔离的控制区域一一微网段。各微网段内通信互不干扰。不同微网段的设备的通信需要通过网桥转发来实现。这使得网络中的任何报文都被严格的监控，从而避免了广播风暴的产生。目前，一些公司，比如浙大中控，己经开发了多种产品EPA产品，包括基于EPA的控制系统、基于EPA的变送器、执行器、远程分散控制站、数据采集器、现场控制器、无纸记录仪。基于EPA的分布式网络控制系统己在工厂得到成功应用。 3 Ethernet Powerlink -----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

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虽然这些工业以太网都是国际标准，但是指的是IEC 61784里的标准，但是这些工业以太网不都是标准的以太网。即这些工业以太网并不都是符合IEEE802.3U的标准，这当中只有Modbus-TCP和EtherNet/IP是符合IEEE802.3U的，只有符合IEEE802.3U标准的，才能与IT和以太网将来的发展相兼容。而不符合IEEE802.3U标准的，基本上可以讲不是以太网，它们都对以太网进行了修改，或者是硬件或者是软件，已经不是以太网了。

各种工业以太网的区别其实主要就是协议的区别，其中最主要的还是应用层协议的区别，我们知道，按照ISO的参考模型，网络被划分为7层。

a. Modbus TCP和EtherNet/IP的区别主要是应用层不相同，ModbusTCP的应用层采用Modbus协议，而EtherNet/IP采用CIP协议，这两种工业以太网的数据链路层采用的是CSMA/CD，因此是标准的以太网，另外，这两种工业以太网的网络层和传输层采用TCP/IP协议族。还有一个区别是，Modbus协议中迄今没有协议来完成功能安全、高精度同步和运功控制等，而EtherNet/IP有CIPSafety、CIP Sync和CIP Motion来完成上述功能，所以才有Schneider加入ODVA，成为ODVA的核心成员来推广EtherNet/IP。由于这两种网络都是标准的TCP/IP以太网，所以所有标准以太网节点都可以接入这两种网络。

b. 至于EthernetPowerLink(EPL), Ethernet PowerLink就是个怪胎，PowerLink虽然在物理层和数据链路层还是采用标准的以太网，但是它又添加了另一个数据链路层，此EPL数据链路层在结构上为于以太网数据链路层之上。我们知道数据链路层的一个子层的MAC(介质访问)层的作用是[color=#FF0000]决定哪一个节点可以占有总线，也即决定哪个节点一个发送数据[/color]。所以本来由以太网的数据链路层来决定哪一个节点占用总线，现在它被位于它之上的EPL数据链路层给架空了，由这个EPL数据链路层通过软件的方式来决定哪个节点发送数据。所有在这样的一个EPL工业以太网系统中，不能使用交换机，只能使用HUB，所以对100M的网络，EPL总的带宽是小于100m,一盘情况下只有40－50M，而如果采用交换机的工业以太网，它的带宽可以达到大几百M,另外在EPL网络上，所有的节点都要实现EPL数据链路。没有实现EPL数据链路层的节点不能接入此网络。

c. PROFINET分为原来划分为v1,v2,v3，现在一般称为ProfiNetCBA、ProfiNet IO和ProfiNet IRT。也就是通过以太网来实现对等通讯、实时控制和运动控制。v1采用TCP/IP协议，采用标准的以太网，而V2和V3不采用tcp/ip协议，这两种都绕过tcp/ip协议，采用另外的网络层和传输层协议，采用ProfiNet的开发人员人员认为tcp/ip协议增加了数据在网络中的传输延迟，其实这是一种误解，据美国密歇根大学的教授研究后认为数据在TCP/IP中的传输延迟很小，他们研究得出数据在经过TCP,IP栈时延迟只有不到100微秒，如果采用UDP/IP时就更小，同时他们研究也得出数据在不同应用层延时比较大，不同的协议延迟不一样，但是相差不是很大，从200us-800us不等，他们经过实验后认为以太网的基础设施(指交换机、网卡等）和TCP/IP协议并不是影响工业以太网实时性的主要原因，而认为应用层协议才是主要原因。所以密歇根大学的教授认为绕开TCP/IP协议没有丝毫的意义，反而由于缺少了TCP/IP协议，使得设备也就缺少了IT功能，与其它现场总线没有区别。 ProfiNet V3就更特别了，它不完全采用标准以太网的数据链路层，有一不时间采用以太网的数据链路层(CSMA/CD)，而另外一部分时间采用自己的数据链路层，通过一个高精度的时间来完成。所以ProfiNet V3也就不是标准的以太网了，也就给Profinet v3带来如下的问题：不能采用标准的交换机、不能采用标准的以太网芯片、与企业网相连可能会出现问题，与标准以太网相连还要特殊的网关、添加和删除一个节点都需要重新组态网络和重新启动网络、至今没有千兆网络，还有最重要的是，当标准以太网以后发展了后，它不能与标准以太网相兼容，不具有将来以太网所应具有的功能。

d. EtherCat这种工业以太网也很奇怪，它们不使用标准的芯片，一般不使用交换机，软件也不是标准的，对以太网的数据帧进行了一些修改，我们知道一个数据帧只有一个源节点，但是对于EtherCat一个数据可能有多个源节点，即一个数据是由多个节点发送的数据组合而成的。所以对于这样的网络，标准的以太网设备也不能接入这样的网络。

我认为Ethernet/IP和ProfiNet这两种工业以太网都适合各个行业。首先这两种工业以太网都用于传输非实时数据，还可传输实时数据，即可以用于离散控制，也可用于过程控制(当然现在还不能用于本安应用)。其次，这两种工业以太网都可用于网络功能安全传输，Ethernet/IP有CIP Safety协议，而ProfiNet有Profisafe协议,还有在运动控制方面ProfiNet有 ProfiNet IRT，而EtherNet/IP则有CIP Safety,二者都可以用于中高端的运动控制。最后两者都有基于IEEE1588的高精度时钟同步。而Modbus TCP,EtherCat和PowerLink,都只能完成部分控制任务，如Modbus TCP一般只作常规IO实时和非实时数据。而EtherCat和PowerLink则更象是为运动控制而开发的，这二者好像没有功能安全、在PLC和DCS控制方面也没有得到大自动化公司的支持，况且这两者又对以太网进行修改，一个在软件，另一个在软件和硬件方面都进行了修改，都不能兼容标准的以太网设备，个人认为这样做得不偿失，为满足运动控制而不能兼容已有的标准的以太网设备而开发的工业以太网并不是以太网，与其说是工业以太网还不如说是另一种现场总线。 Ethernet/IP和ProfiNet间进行，而其它工业以太网都是这两者的陪衬，将会逐渐退出市场。 EtherNet/IP以后将由罗克韦尔自动化、Omron、施耐德和思科公司来推动，而ProfiNet将由业界老大西门子公司带领一些小公司去奋斗，由国内PLC厂商中的老二、老三和老五对老大，不知谁将引导未来。

其实，工业以太网里还有几个怪胎，举两个例： 1）SynqNet: 丹纳赫主导的，几乎只用在运动控制，而且据说只用在了半导体机械行业（奇怪的是，不才也搞半导体机械很久了，却从来没看到过SynqNet，孤陋寡闻啊）。只用了以太网的硬件，完全和我们平常说的以太网没有任何关系，连MAC层都没有。当然如此运用，速度性能当然好，但未来难说。 2）Sercos III: 光纤SercosII的新一代以太网版本，背后推手是博世力士乐，只用在运动控制。也基本上是只用了以太网底层硬件，系统里竟然连switch都不允许用。速度当然快，但只比SercosII快了一倍。估计用了SercosII的用户，谁会去更新到一个没快了多少的新系统啊，还没问世，就已经不被业界看好了。

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主流工业以太网介绍和比较（EtherCAT、EtherNet/IP、ProfiNet、Modbus-TCP、Powerlink）

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各种工业以太网比较（EtherCAT,EtherNet/IP,ProfiNet,Modbus-TCP,Powerlink）

协议和协议转换网关知识分享

09-22

6830

EtherCAT（以太网控制自动化技术）是一个以以太网为基础的开放架构的现场总线系统，Ethernet/IP是一个面向工业自动化应用的工业应用层协议。PROFINET由PROFIBUS国际组织（PROFIBUS International，PI）推出，是新一代基于工业以太网技术的自动化总线标准。MODBUS/TCP是简单的、中立厂商的用于管理和控制自动化设备的MODBUS系列通讯协议的派生产品。

EtherNet基础入门思维导图

07-12

1、包含标准以太网OSI模型

2、EtherCat协议

3、EtherNet/IP协议

适合新手扫盲，或对以太网知识学习要求不高的同学使用

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