以太網控制自動化技術。
EtherCAT是壹種基於以太網的開放式現場總線系統。常稱為實時以太網，開放式實時以太網。
EtherCAT是壹種確定性工業以太網，最早由德國Beckhoff公司開發。
EtherCAT主要用於實現自動超高速通信。
以太貓簡評
倍福基於以太網現場總線系統的以太網Cat(Ethernet for Control Automation Technology)技術具有性能優異、拓撲靈活、系統配置簡單等特點。
EtherCAT突破了傳統現場總線系統的限制，為現場總線技術領域樹立了新的性能標準:30？1000 I/O可秒更新，利用以太網和互聯網技術實現垂直優化整合，網絡容量幾乎無限。
使用EtherCAT後，您可以用簡單的線性拓撲取代昂貴的星型以太網拓撲，而無需昂貴的基本組件。EtherCAT還可以使用傳統的交換機連接模式來集成其他以太網設備。
其他實時以太網方案需要專門的主站硬件或者掃描卡，而EtherCAT只需要低成本的標準以太網卡就可以實現。
EtherCAT通信性能優異，布線簡單，對其他協議開放。傳統的現場總線系統已經到了極限，而EtherCAT則有所突破，建立了新的技術標準——30？1000 I/O數據可秒更新，可選擇雙絞線或光纖，利用以太網和互聯網技術實現垂直優化集成。使用EtherCAT，您可以用簡單的線性拓撲取代昂貴的星型以太網拓撲，而無需昂貴的基本組件。EtherCAT還可以使用傳統的交換機連接模式來集成其他以太網設備。其他實時以太網方案需要與控制器的特殊連接，而EtherCAT只需壹個低成本的標準以太網卡(NIC)即可實現。
EtherCAT有很多機制支持主站和從站，從站和主站之間的通信。
它實現了安全功能，采用了技術上可行、經濟的方法，使以太網技術可以向下擴展到I/O級。EtherCAT功能優秀，可以完全兼容以太網，可以將互聯網技術嵌入到簡單的設備中，最大限度地利用以太網提供的巨大帶寬。它是壹種實時性好、成本低的網絡技術。
EtherCAT的背景+協議原理+設備規定
參見:
梳理以太貓+協議原理+設備規定的背景
以太貓特征
功能簡述:
技術亮點
–以太網直接終端模塊–完全連續性
–以太網過程接口可從1位擴展至64 kB。
–首個面向現場層的真正以太網解決方案。
–精確計時，適合時間同步
表演
–12μs處理256個數字I/O。
在–30μs內處理1000個數字I/O
200個模擬I/O(16位)在–50μs內處理，采樣速率為20 kHz。
–100伺服軸每100μ s處理壹次
在–350μs內處理12000個數字I/O
拓撲結構
–總線、樹形或星形拓撲
–壹個系統最多可容納65，535臺設備。
–系統規模:幾乎無限(> 500公裏)
–可帶或不帶開關操作。
–經濟高效的電纜鋪設:工業以太網電纜(5類)
–雙絞線電纜物理層:
–以太網100base-tx，兩個設備之間的最大距離為100米
–或:兩個從站之間光纜的最大距離為20公裏。
–支持總線段的熱插拔
地址空間
–網絡範圍的進程映像:4gb
–設備進程映像:1位至64k字節
–地址分配:可自由配置。
–設備地址選擇:通過軟件自動選擇。
成本優勢
–無需網絡調整:降低工程成本。
–帶軟件主站的硬實時功能:無需插卡。
–無需主動基礎設施組件(交換機等)。)
–ether cat使用的以太網電纜和連接器低於傳統現場總線使用的電纜和連接器。
–ether cat直接I/O終端模塊:不需要復雜的總線耦合器。
–ether cat從控制器高度集成，因此接口成本低。
草案
–優化的協議直接內置於以太網幀中
–完全由硬件實施
–用於路由和接口:UDP數據報
–交付時處理
–用於精確同步的分布式時鐘
–時間戳數據類型，用於納秒範圍內的解析。
–用於高分辨率測量的過采樣數據類型。
診斷
–斷點檢測
–連續的“線路質量”測量可以準確定位傳輸故障。
–拓撲視圖
嚙合/界面
–標準以太網設備的開關終端模塊
–現場總線設備的現場總線終端模塊
–分布式串行接口
–通信網關
–通往其他EtherCAT系統的網關
公開
–與以太網完全兼容
–可以通過交換機和路由器運行。
–可與其他協議混合使用。
–互聯網技術(網絡服務器、FTP等。)
–與現有總線終端模塊系列兼容。
–該協議完全開放。
–ether cat符合IEC、ISO和SEMI標準。
以太貓技術協會
–壹個擁有眾多成員公司的國際聯盟組織。
–成員包括用戶和制造商。
–支持技術開發
–確保互操作性。
–整合和制定設備法規
現在詳細解釋壹下它的特點:
EtherCAT協議處理完全在硬件中進行。
協議ASIC可以靈活配置。進程接口可以從1位擴展到64k字節。
參見:
使得以太網可以直接到達終端模塊；
符合IEEE 802.3標準的以太網協議可以訪問各種設備，不需要任何額外的總線。耦合設備中的物理層從100BASE-TX或–FX轉換為E-bus，以滿足電子端子板等模塊化設備的要求。端子板中的E-bus信號類型(LVDS)不是唯壹的，它也可用於10 Gbit以太網。在端子板的末端，物理總線特性被轉換回100BASE-TX標準。
主板集成的以太網MAC足以作為主站設備中的硬件。DMA(直接內存訪問)用於將數據傳輸到主內存，減輕了CPU訪問網絡數據的負擔。Beckhoff的多端口卡使用相同的原理，在壹個PCI插槽中捆綁多達4個以太網通道。
EtherCAT的性能
EtherCAT將網絡性能提升到了壹個新的水平。
1000 I/O的更新時間只有30？這也包括I/O周期時間。單個以太網幀最多可以交換1486字節的過程數據，幾乎相當於12000個數字輸入輸出，而傳輸這些數據只需要300秒。s .
每100與100伺服軸通信？s執行壹次。在此期間，所有軸的實際位置和狀態以及控制值和控制數據都可以更新。分布式時鐘技術使軸的同步偏差小於65438±0微秒。
超高性能的EtherCAT技術可以實現傳統現場總線系統達不到的控制理念。
這樣也可以通過總線形成超高速控制回路。以前需要本地專用硬件支持的功能現在可以在軟件中實現。巨大的帶寬資源使得狀態數據能夠與任何數據並行傳輸。EtherCAT使通信技術適應現代工業PC的超強計算能力。總線系統不再是控制概念的瓶頸，分布式I/O可能比大多數本地I/O接口運行得更快。
這種網絡性能優勢在計算能力相對中等的小型控制器中非常明顯。EtherCAT周期時間非常短，可以在兩個控制周期之間完成。因此，控制器總能得到最新的輸入數據；輸出以最小延遲進行尋址。控制器的響應行為可以在不增強其自身計算能力的情況下得到顯著改善。
借助於從站的硬件集成和網絡控制器主站的直接內存訪問，整個協議處理過程在硬件中實現，因此完全獨立於實時運行的系統、CPU性能或協議棧的軟件實現。
1000 I/O的更新時間只有30？這也包括I/O周期時間。
單個以太網幀最多可以交換1486字節的過程數據，幾乎相當於12000個數字輸入輸出，而傳輸這些數據只需要300秒。s .
100伺服軸的通訊也很快:每100就可以用？所有帶指令值和控制數據的軸的實際位置和狀態以秒為單位更新，采用分布式時鐘技術，軸的同步偏差小於1微秒。即使保證這個性能，帶寬仍然足夠實現異步通信，比如TCP/IP，下載參數或者上傳診斷數據。
超高性能的EtherCAT技術可以實現傳統現場總線系統達不到的控制理念。EtherCAT使通信技術適應現代工業PC的超強計算能力。總線系統不再是控制概念的瓶頸，分布式I/O可能比大多數本地I/O接口運行得更快。EtherCAT技術的原理是塑料，不限於100 M bps的通信速率，甚至可能擴展到1000 M bps的以太網。
簡而言之:
由於從站的微處理器不需要處理以太網數據包，因此EtherCAT的周期時間很短。所有程序數據都由從站控制器的硬件處理。這壹特性，結合EtherCAT的功能原理，使得EtherCAT成為壹個高性能的分布式I/O系統:交換包括1000個分布式數字輸入/輸出在內的程序數據只需要30us，相當於在100Mbit/s的以太網中傳輸125字節的數據。讀寫壹百個伺服軸的系統可以以10 kHz的速率更新，壹般更新速率在1–30k Hz左右，但也可以采用較低的更新速率，避免過於頻繁的直接內存訪問影響主站個人電腦的運行。
以太網拓撲
總線形、樹形或星形:EtherCAT支持幾乎任何類型的拓撲。
因此，以現場總線命名的總線結構或線性結構也可用於以太網，且不受級聯交換機或集線器數量的限制。
最有效的系統連接方法是線型、樹枝或樹叉結構的拓撲組合。因為所需的接口已經存在於許多設備中，例如I/O模塊，所以不需要附加交換機。
當然，基於以太網的傳統星型拓撲仍然可以使用。
還可以選擇不同的線纜來提高連接的靈活性:靈活經濟的標準超五類以太網線纜可以100BASE-TX的方式傳輸信號，兩個設備之間的最大線纜長度為100 m..
不同以太網線(如不同的光纖和銅纜)的完全組合也可以通過交換機或媒體轉換器實現。
可以根據每根電纜的間距單獨選擇信號變量。由於連接的設備數量可以高達65535，網絡的容量幾乎是無限的。
簡而言之:
EtherCAT使用全雙工以太網物理層，從站可能有兩個或更多端口。如果設備沒有檢測到下遊的其他設備，從站的控制器將自動關閉相應的端口並返回以太網幀。由於上述特點，EtherCAT幾乎支持所有的網絡拓撲，包括總線、樹或星形，現場總線常用的總線拓撲也可以用在以太網中。
EtherCAT的拓撲可以是網絡線路、分支或存根的任意組合。具有三個或更多以太網接口的設備可以用作分路器，而不必使用網絡交換機。由於使用了100BASE-TX的以太網物理層，兩臺設備之間的距離可以達到100m，壹個EtherCAT段的網絡最多可以有65535臺設備。如果EtherCAT網絡采用環形拓撲(主站設備需要兩個通訊口)，網絡還具有電纜冗余的功能。
以太貓的速度
EtherCAT技術的原理是塑料，不限於100 Mbaud的通信速率，甚至可能擴展到Gbit的以太網。
EtherCAT取代PCI
隨著PC組件向小型化發展，工業PC的體積越來越依賴於插槽的數量。高速以太網的帶寬和EtherCAT通信硬件的過程數據長度為這壹領域的發展提供了新的可能性:工業PC中的傳統接口現在可以轉變為集成的EtherCAT接口終端模塊。
除了處理分布式I/O，它還可以處理復雜系統，如驅動和控制單元、現場總線主站、快速串行接口、網關和其他通信接口。甚至其他沒有協議限制的以太網設備變體也可以通過分布式交換機端口設備進行連接。因為壹個以太網接口就足以滿足整個外圍設備的通信。
因此，這不僅大大簡化了工業PC主機的尺寸和外觀，而且降低了工業PC主機的成本。
以太網分布式時鐘
精確同步對於同時運動的分配過程尤為重要，比如幾個伺服軸同時進行協調運動時。最有效的同步方法是準確地安排分布式時鐘。
與完全同步通信中的通信故障會立即影響同步質量的情況相反，分布式時鐘對通信系統中可能存在的相關故障延遲具有極好的容錯性。采用EtherCAT後，數據交換完全基於純硬件機制。由於通信采用邏輯環網結構(借助全雙工快速以太網物理層)，主時鐘可以簡單準確地確定各從站時鐘傳播的延遲偏移量，反之亦然。分布式時鐘基於該值進行調整，這意味著可以在網絡中使用信號抖動小於1微秒的非常精確和確定的同步誤差時基。
交叉工廠等外部同步可以基於IEEE 1588標準。詳見:精加工工業自動化規範時間同步:IEEE 1588。
此外，高分辨率分布式時鐘不僅可以用於同步，還可以提供數據采集的準確本地時間信息。當采樣時間很短時，即使位置測量的瞬時同步偏差很小，也會導致速度計算的階躍變化很大，例如運動控制器通過順序檢測計算位置的速度就是這樣。在EtherCAT中引入了時間戳數據類型作為邏輯擴展，以太網提供的巨大帶寬使得高分辨率的系統時間與測量值掛鉤。這樣，速度的精確計算不再受通信系統同步誤差值的影響，其精度高於基於自由同步誤差的通信測量技術。
由於新的擴展數據類型，測量值可以分配壹個非常準確的時間戳。
同步和壹致性:電纜長度為120m的兩個配電系統300節點示波器對比；
為了同步系統，EtherCAT協議提供了分布式時鐘機制。即使通信周期有抖動，時鐘的抖動也遠小於1？s，接近IEEE 1588精確時間協議的標準。因此，EtherCAT的主站設備不需要為時鐘使用專門的硬件，可以通過軟件在任何標準的以太網MAC中實現，即使沒有專門的通信協處理器。
建立分布式時鐘的標準過程始於主站向所有從站發送具有特殊地址的廣播消息。如果使用環形拓撲，所有從站在收到消息時都會鎖存內部時鐘，當消息返回時會再次鎖存內部時鐘。主站將讀取所有從站的鎖存值，並計算每個從站的延遲。為了消除抖動的影響，得到平均值，主站會盡可能多的執行上述程序。所有從站延遲將根據從站環形拓撲中每個從站的位置進行計算，並記錄在偏移寄存器中。最後主站發送廣播消息讀寫系統時鐘，會將第壹個從站的時鐘作為參考時鐘，其他從站的內部時鐘會調整為與第壹個從站相同。
為了使初始化後的時鐘保持同步，主站或從站需要定期發出廣播信號，計算各從站內部時鐘的速度差。如有必要，從站需要調整其自身時鐘的速度或具有其他機制來調整時鐘。
系統時鐘為64位定時器，從2000年6月65438+10月1日0: 00開始計算經過的時間，單位為納秒(ns)。
認識到
EtherCAT中提到的分布式時鐘和同步時鐘相當於:
兩個人(或更多人)壹起拿著手表。首先，檢查要點。
確保他們的時間相同。
這樣，在隨後的約定時間，我們可以壹起做某件事，保證同步完成。
否則會出現時間誤差，影響工作。
EtherCAT支持熱連接。
許多應用程序需要在運行期間更改I/O配置。例如，需求不斷變化的加工中心、配有傳感器或智能傳動系統的工具系統、柔性工件致動器或可單獨關閉印刷單元的印刷機。在EtherCAT系統的協議結構中已經考慮到了這些要求:熱連接功能可以連接或斷開網絡的所有部分，或者“快速”重新配置，對不斷變化的配置提供靈活的響應。
EtherCAT的高可靠性
冗余電纜的選擇可以滿足快速增長的系統可靠性需求，從而保證設備更換時網絡不會癱瘓。EtherCAT還支持主站冗余進行熱備份。在主站的設備端增加壹個標準的以太網口(沒有專門的網卡或接口)，將單根電纜由總線拓撲改為環形拓撲，就可以經濟地增加冗余。
當設備或電纜出現故障時，只需壹個周期即可完成切換。因此，即使對於需要運動控制的應用，電纜出現故障時也不會有問題。EtherCAT還支持主站冗余進行熱備份。由於EtherCAT從控制器芯片會在環路中斷時立即自動返回數據幀，因此壹個設備的故障不會導致整個網絡的癱瘓。例如，牽引設備可以配置在分支拓撲中，以防止電纜斷開。
以太貓的安全性:以太貓的安全性
EtherCAT有壹個增強的協議版本叫做Safety over EtherCAT，可以在同壹個網絡上進行安全相關通信和通用控制通信。這種安全通信基於EtherCAT的應用層，不會影響底層通信協議。EtherCAT上的安全通過了IEC 61508的認證，符合安全完整性等級(SIL)3的要求。
為了實現以太貓的安全數據通信，我們開放了以太貓安全協議，該協議已經在ETG組織中公開。該協議已獲得德國技術監督局(T？v)它被確定為符合IEC61508中定義的SIL3等級的要求。EtherCAT安全協議在設備上的實現必須滿足安全目標的要求。還必須考慮相應的產品相關要求。
EtherCAT用作傳輸安全和非安全數據的單壹通道。傳輸介質被視為“黑色信道”，不包含在安全協議中。
EtherCAT過程數據中的安全數據消息包括安全過程數據和所需的數據備份。這個“容器”在設備的應用層被安全地解析。溝通還是單壹渠道。這符合IEC61784-3附件中的模型A。因此，安全協議也可以通過其他通信系統、背板或WLAN傳輸。可以根據需要縮短傳輸周期，而不影響殘留錯誤率。以太網上的安全性主站和從站之間的安全數據循環交換被稱為由看門狗定時器監控的連接。壹個主站可以建立並監控幾個不同從站的連接。
上圖中的應用程序示例受益於這項技術。
安全組件可以用在自動化系統中任何需要的地方。系統中可以使用不同規模的本地輸入和輸出組件。根據需要，可以使用安全或非安全總線端子擴展額外的輸入和輸出。安全邏輯也嵌入在網絡中。這樣，控制任務可以在沒有安全擴展的標準PLC的情況下繼續處理。安全輸入和輸出功能所需的本地安全邏輯由智能安全總線終端實現。這樣就省去了昂貴的安全PLC帶來的成本，可以根據當前任務隨意裁剪邏輯功能。只有安全的EtherCAT主站和指定的安全從站通過不安全的標準PLC路由。
該協議對安全數據長度、通信介質或波特率沒有限制。
EtherCAT作為“黑色通道”使用，即通信系統在安全處理中沒有作用。
該方案被認為符合IEC61508中定義的SIL3水平。
自2005年以來，提供EtherCAT安全功能的產品已經上市。
EtherCAT的診斷
現場總線系統的實際應用經驗表明，其有效性和試運行時間取決於診斷能力。只有快速準確地檢測到故障，並清楚地標出故障位置，才能快速排除故障。因此，在EtherCAT的研發中，特別註重強化診斷特性。
網絡的診斷能力對於提高網絡可靠性，縮短調試時間，從而降低總成本非常重要。只有快速準確地檢測出故障並明確指出其位置，才能快速排除故障。因此，在EtherCAT的研發中，特別註重加強診斷功能。
在試運行期間，需要檢查驅動程序或I/O端子等節點的實際配置是否與指定配置匹配，拓撲結構也需要與配置匹配。
由於集成拓撲識別過程已經擴展到所有終端，所以不僅可以在系統啟動期間，而且可以在自動網絡讀取(配置上傳)期間進行這種檢查。
數據傳輸中的位故障可以通過評估每個設備上的CRC校驗來檢測，32位CRC多項式的最小漢明距離為4。除了斷點檢測和定位，EtherCAT系統的協議、物理層和拓撲還可以監控每個傳輸段的質量，與錯誤計數器關聯的自動評估也可以準確定位關鍵網段。此外，壹些逐漸或突然的錯誤源，如電磁幹擾、連接器或電纜損壞，即使它們沒有過度緊張到網絡自恢復能力的範圍，也可以被檢測和定位。
以太貓的開放性
EtherCAT技術不僅與以太網完全兼容，而且在“設計”之初就具有良好的開放性:該協議可以在同壹物理層網絡中容納其他基於以太網的服務和協議，並且通常將其性能損失降至最低。以太網對設備類型沒有限制，設備可以通過交換機端口連接到EtherCAT網段。不會影響周期時間。具有現場總線接口的設備可以通過EtherCAT現場總線主站的終端模塊集成到網絡中。UDP協議變體允許設備集成到任何插槽接口中。EtherCAT是壹個完全開放的協議，被公認為正式的IEC規範(IEC 61158，類型12)。