EtherCAT作為工業以太網現場總線有什麽優勢和特點？

EtherCAT EtherCAT技術突破了其他以太網解決方案的系統限制:通過該技術，無需接收以太網數據包，對其進行解碼，然後將過程數據復制到各種設備。EtherCAT從設備在消息通過其節點時處理以太網幀:當幀通過節點時，嵌入在每個從站中的FMMU（現場總線存儲管理單元）讀取相應的尋址數據，同時將消息傳輸到下壹個設備。同樣，輸入數據在消息經過時被插入到消息中。在整個過程中，消息只有幾納秒的時間延遲。主站也非常經濟，商用標準網卡（NIC）或任何與主板集成的以太網控制器都可以用作硬件接口。這些接口的* * *本質是通過DMA（直接內存讀取）將數據傳輸到PC，即網絡讀取不需要占用CPU資源。協議EtherCAT協議在以太網幀內采用官方指定的以太網類型。采用這種以太網類型允許在以太網幀內直接傳輸控制數據，而無需重新定義標準以太網幀。以太網幀可以由多個子消息組成，每個子消息服務於邏輯進程映像區的壹個特定內存區域，最多可達4GB。數據順序與物理順序無關，因此以太網終端模塊的尋址可以隨意排序。還可以實現從站之間的廣播、組播和通信。當EtherCAT組件與主站控制器運行在同壹個子網中時，或者當控制軟件直接讀取以太網控制器時，它可以使用以太網幀直接傳輸數據。然而，EtherCAT並不局限於單個子網的應用。EtherCAT UDP將EtherCAT協議封裝為UDP/IP數據消息，這意味著任何以太網協議棧的控制權都可以尋址到EtherCAT系統，甚至可以通過路由器將通信橋接到其他子網。在這種情況下，系統性能顯然取決於控制器及其以太網協議的實時性能。EtherCAT網絡本身的響應時間幾乎不受影響:UDP數據幀只需在第壹個站點解包。Performance EtherCAT使網絡性能達到了壹個新的高度。借助網絡控制器從節點和主站中FMMU的直接內存訪問，協議處理過程完全在硬件中完成。整個協議處理過程是在硬件中實現的，因此它完全獨立於協議棧的實時運行系統、CPU性能或軟件實現。1000 I/O的更新時間僅為30 s .單個以太網幀最多可交換1486字節的過程數據，這幾乎相當於12000個數字輸入和輸出，而傳輸這些數據只需300 s，而100個伺服軸的通信僅為100 s..在此期間，系統用命令值和控制數據更新所有軸的實際位置和狀態，分布式時鐘技術使軸的同步偏差小於1微秒。即使保證了這種性能，帶寬仍然足以實現異步通信，例如TCP/IP、下載參數或上傳診斷數據。超高性能的EtherCAT技術可以實現傳統現場總線系統無法企及的控制理念。例如，以太網系統現在不僅可以處理速度控制，還可以處理分布式驅動器的電流控制。巨大的帶寬可以實現各數據信息及其狀態信息的同時傳輸。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。EtherCAT取代PCI是因為主板集成了以太網卡，不再需要接口卡插槽。隨著PC組件朝著小型化和經濟性方向的快速發展，工業PC的體積越來越依賴於插槽的數量。快速以太網的帶寬和EtherCAT通信硬件的過程數據長度為該領域的發展提供了新的可能性:IPC中的傳統接口現在可以轉變為集成的EtherCAT接口終端。除了處理分布式I/O外，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連接。由於壹個以太網接口足以滿足整個外圍設備的通信要求，因此不僅大大簡化了IPC主機的尺寸，還降低了IPC主機的成本。拓撲結構EtherCAT幾乎支持任何拓撲類型，包括線型、樹形和星形。以現場總線命名的總線結構或線性結構也可以用於以太網，並且它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性、分支或樹叉結構的組合拓撲。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。您還可以選擇不同的電纜來提高連接的靈活性:靈活而經濟的標準超5類以太網電纜可以采用100BASE-TX模式或E-Bus（LVDS）來傳輸信號。塑料封裝光纖（PFO）可用於特殊應用。不同以太網線的完整組合（如不同的光纖和銅纜）也可以通過交換機或媒體轉換器實現。根據距離的要求，可以選擇快速以太網或E-bus的物理層作為物理介質。快速以太網物理層允許兩個設備之間的最大電纜長度為100米，而E-Bus可以連接的最大距離為10米。由於連接的設備數量可以高達65535臺，因此網絡的容量幾乎是無限的。分布式時鐘的精確同步對於同時運行的分布式進程尤為重要。例如，當幾個伺服軸同時執行協調運動時就是這種情況。最有效的同步方法是精確安排分布式時鐘（參考IEEE 1588標準【6】）。與完全同步通信中通信故障會立即影響同步質量的情況相比，分布式時鐘對通信系統中可能出現的相關故障延遲具有出色的容錯能力。使用EtherCAT，數據交換完全基於“父”和“子”時鐘的純硬件機制。由於通信采用邏輯環形結構（借助於全雙工快速以太網的物理層），主時鐘可以簡單而準確地確定各從站中時鐘傳播的延遲偏移。分布式時鐘都基於該值進行調整，這意味著可以在網絡中使用小於1微秒的非常精確和確定的同步誤差時基。此外，高分辨率分布式時鐘不僅可以用於同步，還可以為數據采集提供準確的本地時間信息。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如此。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高分辨率系統時間能夠與測量值聯系起來。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。熱連接熱連接功能可以連接網絡的所有部分，並自由解耦或重新配置；所提供的靈活響應特性改變了許多需要在運行時更改I/O配置的應用程序的要求。例如，具有變化特性的加工中心、配備有傳感器的工具系統或智能傳輸設備、柔性工件致動器等。EtherCAT系統考慮了這些要求:任意配置。EtherCAT功能安全性傳統上，安全功能是獨立於自動化網絡實現的，使用特殊硬件或特殊安全總線系統。EtherCAT安全功能使安全相關通信和控制通信能夠在同壹網絡上實現。安全協議基於EtherCAT應用層，不會影響底層操作。它通過了IEC61508標準認證，符合總體安全等級（SIL）3。數據長度是可變的，因此可用於安全I/O和安全伺服驅動技術。與其他EtherCAT數據壹樣，安全數據可以在不使用安全路由器或網關的情況下傳輸。完全符合EtherCAT功能安全認證的產品已投放市場。以太貓協議的安全性符合IEC 61748-3標準中的FSCP 12。Open EtherCAT技術與以太坊完全兼容，真正做到了開放。該協議可以與提供各種服務的其他以太網協議共存，並且所有協議都共存於同壹物理介質中-通常它只會對整個網絡的性能產生很小的影響。標準以太網設備可以通過集線器終端連接到EtherCAT系統，這不會影響周期時間。配備傳統現場總線接口的設備可以通過EtherCAT現場總線主終端的連接集成到網絡中。UDP協議變體允許設備集成到任何插槽接口中。EtherCAT技術小組確保每個感興趣的組織都可以實施和使用該網絡。EtherCAT協議將在最終技術規範制定後發布。