EtherCAT技術(shù)介紹的資料第1頁/共75頁2EtherCAT–用于控制和自動化技術(shù)的以太網(wǎng)第2頁/共75頁3EtherCAT是以太網(wǎng)現(xiàn)場總線!EtherCAT是直達I/O級的實時以太網(wǎng)。再也無須下掛子系統(tǒng)沒有網(wǎng)關(guān)延時輸出輸出,傳感器，驅(qū)動器，顯示單元:

所有設(shè)備位于同一個總線上。第3頁/共75頁4EtherCAT：更快傳輸速率:2x100Mbaud(全雙工)刷新時間:256開關(guān)量I/O：11μs1000開關(guān)量I/O

分布于100節(jié)點：30μs=0.03ms200模擬量I/O(16位)：50μs,20kHz采樣頻率100伺服軸(每8字節(jié)IN+OUT)：

100μs=0.1ms12000開關(guān)量

I/O：

350μs第4頁/共75頁5EtherCAT：更快!I/O和驅(qū)動使用的以太網(wǎng)帶寬Ethernetheaderdata:≥46字節(jié)CRCI/O請求及輸出數(shù)據(jù)datapayload:

e.g.2bit…6byte4字節(jié)22字節(jié)IPG12字節(jié)I/O輸入數(shù)據(jù)及響應(yīng)Ethernetheaderdata:≥46字節(jié)CRCIPG節(jié)點響應(yīng)時間以太網(wǎng)幀:≥84字節(jié)

(incl.preamble+IPGInterPacketGap)每個節(jié)點4輸入字節(jié)+4輸出字節(jié):4,75%

應(yīng)用程序數(shù)據(jù)率at0μs每節(jié)點響應(yīng)時間1,9%

應(yīng)用程序數(shù)據(jù)率at10μs每節(jié)點響應(yīng)時間第5頁/共75頁6EtherCAT：更快!帶寬使用比較:每節(jié)點4字節(jié)用戶數(shù)據(jù):polling/timeslicing:

ca.2.5%廣播

(master→slaves)

ca.20…30%每節(jié)點2數(shù)據(jù)位的用戶數(shù)據(jù):EtherCAT:80…97%第6頁/共75頁7實用原則:以太網(wǎng)“飛一般”通過絕對尋址，實現(xiàn)最小的協(xié)議頭DVIIPC....優(yōu)勢:專門針對分布式I/O的優(yōu)化報文結(jié)構(gòu)完全的硬件通訊:最好的性能若網(wǎng)絡(luò)中只有EtherCat設(shè)備，則無須交換機顯著的診斷功能以太網(wǎng)兼容的維護性能第7頁/共75頁8實用原則:以太網(wǎng)“飛一般”可使用標準交換機通過交換機:

一個Mac地址可訪問多達65535個節(jié)點(可選!)SwitchDVIIPC....第8頁/共75頁9實用原則:以太網(wǎng)“飛一般”?飛一般“的運算，節(jié)約時間數(shù)據(jù)在報文傳送期間可以修改或添加，而無需堆棧、緩存或分解/組合。每個節(jié)點最小的報文延時最佳性能vomMastertoMasterfrom

Master第9頁/共75頁10EtherCAT性能40軸(每軸6字節(jié)輸入/輸出數(shù)據(jù))50I/O站，總共560個EtherCAT總線端子2000數(shù)字量+200模擬量I/O,總線長度500mEtherCAT性能:循環(huán)時間230μs

at33%總線負載,報文長度77μs比較:

1個CAN幀(8字節(jié)過程數(shù)據(jù))，在總線速率500kBit/s時:250μs第10頁/共75頁11EtherCAT性能*Source:EthernetPowerlinkSpecV2.0,App.340軸(每軸6字節(jié)輸入/輸出數(shù)據(jù))50I/O站，總共560個EtherCAT總線端子2000數(shù)字量+200模擬量I/O,總線長度500mEtherCAT性能:循環(huán)時間230μs

at33%總線負載,報文長度77μs比較:ProfinetIRT763μs,PowerlinkV22347μs*,ProfinetRT6355μs第11頁/共75頁12EtherCAT性能*Source:EthernetPowerlinkSpecV2.0,App.340軸(每軸20字節(jié)輸入/輸出數(shù)據(jù))50I/O站，總共560個EtherCAT總線端子2000數(shù)字量+200模擬量I/O,總線長度500mEtherCAT性能:循環(huán)時間276μs

at44%總線負載,報文長度122μs比較:ProfinetIRT763μs,PowerlinkV22347μs*,ProfinetRT6355μs56%保留帶寬,e.g.forTCP/IP0%保留帶寬第12頁/共75頁13CycleTime

50μs=0,05ms報文Time:7μsgrid

0,02msOutputswitches@EndofFrameEtherCAT性能第13頁/共75頁14?慢“的控制系統(tǒng)同樣受益現(xiàn)有現(xiàn)場總線I/O的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)buscyclebuscyclebuscyclebuscyclebuscyclebuscyclebuscycleTmpdTI/OTI/OTI/OTI/OTI/OTI/OTI/OTI/OTI/OTI/OTI/OTI/OTI/OTI/OTI/OPLCtaskOIPLCtaskOIPLCtaskOIPLCtaskOIPLCtaskI輸出最快反應(yīng)時間Tmpd:主站處理延時TI/O:本地I/O刷新時間(本地擴展總線+固件)最慢反應(yīng)時間輸入(最好的情況)輸入(最差的情況)第14頁/共75頁15?慢“的控制系統(tǒng)同樣受益使用EtherCAT的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)TmpdTI/OTI/OTI/OTI/OTI/OTI/OTI/OTI/OTI/OTI/OTI/OTI/OTI/OTI/OTI/OPLCtaskOIPLCtaskOIPLCtaskOIPLCtaskOIPLCtaskI無需下掛總線無需要專門的主站設(shè)備buscyclebuscyclebuscyclebuscyclebuscyclebuscyclebuscycle第15頁/共75頁16PLCtaskOIPLCtaskOIPLCtaskOIPLCtaskOIPLCtaskI?慢“的控制系統(tǒng)同樣受益使用EtherCAT的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第16頁/共75頁17PLCtaskOIPLCtaskOIPLCtaskOIPLCtaskOIPLCtaskITDMA(NIC)TEtherCATcycleTDMA

(通過直接內(nèi)存訪問的數(shù)據(jù)傳送往返以太網(wǎng)控制器的時間）可以忽略不計?慢“的控制系統(tǒng)同樣受益使用EtherCAT的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第17頁/共75頁18?慢“的控制系統(tǒng)同樣受益使用EtherCAT的反應(yīng)時間PLCtaskOIPLCtaskOIPLCtaskOIPLCtaskOIPLCtaskI輸入(最差情況)輸出最差情況下反應(yīng)時間輸入(最佳情況)最佳情況反應(yīng)時間明顯降低–——同樣的控制器性能再也沒有下掛本地I/O循環(huán)和總線擴展延時得益于極其簡單的協(xié)議，系統(tǒng)無需專門的主站第18頁/共75頁19?慢“的控制系統(tǒng)同樣受益EtherCAT提高了系統(tǒng)性能無需要改變CPU，反應(yīng)速度加倍第19頁/共75頁20現(xiàn)場總線:需要在控制系統(tǒng)中映射傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線系統(tǒng)生成一個物理的過程映像區(qū)物理的過程映像區(qū)必須映射到邏輯過程映像區(qū)控制系統(tǒng),e.g.IPC現(xiàn)場總線掃描器/

主站邏輯過程映像區(qū)PLCdatadatanNCdataDPRAMnode1node2node3node4node1node2node3node4映射第20頁/共75頁21控制系統(tǒng),e.g.IPC現(xiàn)場總線掃描器/

主站現(xiàn)場總線:需要在控制系統(tǒng)中映射一個控制系統(tǒng)的應(yīng)用項目只能使用一個的過程映像還需保存過程數(shù)據(jù)的映射關(guān)系。邏輯過程映像區(qū)processdataDPRAMnode1node2node3node4node1node2node3node4映射第21頁/共75頁22EtherCAT:映射關(guān)系移至從站設(shè)備邏輯過程映像:多達4G字節(jié)0232報文結(jié)構(gòu)EthernetHDRHDR1PLCdataHDR2NCdataHDRndatanCRCPLCdatadatanNCdataSub

報文1Sub

報文2Sub

報文nDVIIPC....控制系統(tǒng)解放出來,主站變得非常簡單根據(jù)應(yīng)用的需要傳送數(shù)據(jù)：非常迅速，靈活，高效第22頁/共75頁23直接內(nèi)存訪問節(jié)約時間現(xiàn)場總線卡:

多達30%的CPU時間用于數(shù)據(jù)復(fù)制EtherCAT:

NIC是PCI總線主站,數(shù)據(jù)由DMA提供,直接放到PC內(nèi)存:

CPU減負

更高的性能PCRAMPCRAM使用現(xiàn)場總線卡的PCControl

PCI

busScannercard,DPRAMCPU使用EtherCAT的PCControlNICcard,DMAtransfercontroltaskmemcopycontroltaskDMACPUPCI

bus第23頁/共75頁24EtherCAT傳送延時的測量(I)測量EtherCAT節(jié)點數(shù)據(jù)幀發(fā)出和返回之間的時間差vomMasterEtherCATframe第24頁/共75頁25EtherCAT傳送延時的測量(II)可計算任意節(jié)點間的傳送延時DVIIPC....第25頁/共75頁26EtherCAT分布時鐘精確同步(<<1μs!)，通過分布時鐘的精確調(diào)整來實現(xiàn)！MSSSSSSSS?tDVIIPC....第26頁/共75頁27EtherCAT分布時鐘使用SCOPEVIEW長期觀察兩個獨立設(shè)備——300個節(jié)點，節(jié)點間電纜長度120米，jitter:~+/-20nssimultaneousness:~15ns第27頁/共75頁28EtherCAT使用標準的幀:IEEE802.3

可選擇UDP/IP(如果需要IP路由)

無縮短幀EtherCAT是工業(yè)以太網(wǎng)!MTU:max.1514bytesourcedestinationheaderEthertype…CRC16bit16bit48bit48bit32bitEthernetH.IPheaderUDPH.header內(nèi)嵌標準以太網(wǎng)幀w.EtherType88A4hOr:viaUDP/IPwithUDPport88A4htyperes.length…CRC1bit4bit11bit160bit64bit01112151..nEtherCAT

commands第28頁/共75頁29EtherCAT設(shè)備EtherCAT是工業(yè)以太網(wǎng)!對TCP/IP完全透明

可使用所以英特網(wǎng)技術(shù):HTTP,FTP,…無需嚴格的實時能力EthernetPHYEtherCATMAC/DLLprocessdatamailboxEthernetPHYIPTCPUDPEthernet

應(yīng)用acyclic

data實時應(yīng)用標準的TCP/IPstack第29頁/共75頁30EtherCAT是工業(yè)以太網(wǎng)!任何以太網(wǎng)設(shè)備均可連接到交換機的端口使用標準瀏覽器訪問WebServerDVIIPC....虛擬以太網(wǎng)交換機功能交換機端口webserver第30頁/共75頁31EtherCAT是工業(yè)以太網(wǎng)!虛擬以太網(wǎng)交換機可路由任何以太網(wǎng)幀可從以太網(wǎng)段的內(nèi)部及外部路由DVIIPC....交換機端口SwitchSwitch虛擬以太網(wǎng)交換機功能第31頁/共75頁32垂直統(tǒng)一管理(I)可使用任何以太網(wǎng)協(xié)議只需要一個以太網(wǎng)口(在IPC/控制器端)但是:經(jīng)過交換機，性能會有所降低(并出現(xiàn)通常的以太網(wǎng)沖突)DVIIPC....Switch...經(jīng)交換機第32頁/共75頁33垂直統(tǒng)一管理(II)可使用任何以太網(wǎng)協(xié)議只需要一個以太網(wǎng)口(在IPC/控制器端)EtherCAT性能不受影響DVIIPC....Switch經(jīng)過交換機端口端子第33頁/共75頁34垂直統(tǒng)一管理(III)可使用任何以太網(wǎng)協(xié)議只需要第二個以太網(wǎng)口(在IPC/控制器端，e.g.FC9002)EtherCAT性能不受影響...經(jīng)過第二個以太網(wǎng)口DVIIPC....Switch第34頁/共75頁35外部時鐘同步:IEEE1588交換機端口使用集成的IEEE1588boundaryclockMSSSSSSSSDVIIPC....IEEE1588

grandmaster

clockboundary

clock第35頁/共75頁36EtherCAT布線更為靈活標準的以太網(wǎng)結(jié)構(gòu):星型不理想–此裝置用于演示目的;-)第36頁/共75頁37EtherCAT布線更為靈活線型拓普:無論多少節(jié)點都可以一條線串接起來DVIIPC....最多65535個節(jié)點第37頁/共75頁38EtherCAT布線更為靈活電信號:100baseTXandE-busDVIIPC....Etherneton100baseTx物理層:100m以內(nèi),withtransformercouplingEtherneton

E-bus物理層:10m以內(nèi)E-bus:

低壓差信號(LVDS)符合

ANSI/TIA/EIA-644用IEEE802.3ae標準允許任意數(shù)量的物理層改動第38頁/共75頁39EtherCAT布線更為靈活DVIIPC....電纜:標準的CAT5電纜，無交叉拓普型式:?菊花鏈“第39頁/共75頁40EtherCAT布線更為靈活拓普型式:帶分支?菊花鏈“DVIIPC....電纜:標準的CAT5電纜，無交叉第40頁/共75頁41EtherCAT布線更為靈活靈活的樹型結(jié)構(gòu)–可任意擴展電纜:標準的CAT5電纜，無交叉DVIIPC....第41頁/共75頁42EtherCAT代替PCI保護你的投資:現(xiàn)有總線系統(tǒng)的無縫集成過程映像區(qū)的刷新時間，經(jīng)

PCI(500字節(jié)輸入/輸出數(shù)據(jù)):400μs過程映像區(qū)的刷新時間，經(jīng)

EtherCAT(1500字節(jié)輸入/輸出數(shù)據(jù)):150μs第42頁/共75頁43EtherCAT代替PCI不再在控制系統(tǒng)（IPC或PLC）中要求占一個槽然而卻具備最大限度的擴展性EtherCAT第43頁/共75頁44EtherCAT配置容易！地址:無需要手動設(shè)置地址地址可以自動分配地址可保持–新加入節(jié)點后，不會改變原節(jié)點的地址第44頁/共75頁45EtherCAT配置容易！拓普結(jié)構(gòu):自動拓普目標/實際對比診斷:精確定位診斷網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃:性能獨立于:從站實例拓普結(jié)構(gòu)(無交換機/集線器)第45頁/共75頁46EtherCAT成本更低！主站:減少了硬件，帶來以下好處:主板集成的以太網(wǎng)控制器實現(xiàn)實時功能，不需要通訊協(xié)處理器沒有特殊的插入卡,主板集成的以太網(wǎng)口已足夠所以:在主站端，有明顯的成本優(yōu)勢第46頁/共75頁47EtherCAT成本更低！從站:價廉物美的EtherCAT從站控制器實現(xiàn)通訊功能對于簡單的設(shè)備:不需要μC實時特征普遍獨立于μC性能和堆棧處理時間所以:在從站端，也有明顯的成本優(yōu)勢第47頁/共75頁48EtherCAT成本更低！底層結(jié)構(gòu):標準的以太網(wǎng)電纜和連接器沒有交換機和集線器所以:在底層結(jié)構(gòu)上，也有明顯的成本優(yōu)勢第48頁/共75頁49EtherCAT成本更低！實現(xiàn)/工具:標準網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視工具:MicrosoftorEtherReal剖析軟件:免費不要求高分辨率的時間分析器開發(fā)工具:430€-含從站樣品代碼主站樣品代碼:1000€所以:入門成本低，實現(xiàn)成本低第49頁/共75頁50EtherCAT更易實現(xiàn)！從站:開發(fā)工具，含樣品代碼(源代碼)所有時間性嚴格的功能都在ASIC或FPGA上實現(xiàn)EtherCATstampProgrammerforFPGAPICprogram&debuginterfacePowersupplyPDIselectorSSIPICoverSSI32bitparallelinterface8/16bitμCinterfaceBasicboardEL9800第50頁/共75頁51EtherCAT更易實現(xiàn)！主站:主站樣品源代碼EtherCAT配置工具XML數(shù)據(jù)格式Devicedescription(XML)SystemconfigurationtoolNetworkdescriptionincl.boot-Up

(XML)Process

imagedescription(XML)EtherCATmasterControltaskStandardEthernetMACHDRProcessdata第51頁/共75頁52EtherCAT更易實現(xiàn)！示例:主站僅含一個過程映像:典型用于只有一個控制任務(wù)的小型控制器多達1486字節(jié)過程數(shù)據(jù)過程數(shù)據(jù)頭通訊保持不變可用最少的工作實現(xiàn)主站不要求獨立的通訊處理器(e.g.插入式板卡)比現(xiàn)有的總線系統(tǒng)簡單得多比工業(yè)以太網(wǎng)的實現(xiàn)方式簡單得多…constantheadercompletelysorted(mapped)

processdataPadding字節(jié)andCRCgeneratedbyEthernetcontroller(MAC)DASATypeFrame

HDREtherCAT

HDR

DataEthernetheaderEtherCAT報文ECAT(6)(6)(2)(2)(10)(0….1486)CTRWorking

counter:

constantFCSEthernet(4)Pad.(0…32)(2)第52頁/共75頁53EtherCAT發(fā)展良好目前已有成系列的產(chǎn)品售出的節(jié)點數(shù)比以下總線更多

PROFINETIRT,

PowerlinkVersion2

andSERCOSIIIalltogether…第53頁/共75頁54EtherCAT發(fā)展良好QuoteSchuler公司:該系統(tǒng)使我們，在Schuler集團現(xiàn)在使用的所有應(yīng)用中，實現(xiàn)了快速驅(qū)動和液壓控制，另一個重要的因素是,因為EtherCAT的良好性能，我們還有足夠的潛力在將來解決復(fù)雜的控制任務(wù)，而不會出現(xiàn)速度問題第54頁/共75頁55EtherCAT使用完善的設(shè)備模型EtherCAT設(shè)備EtherCAT從站控制器ProcessDataMailboxEthernet物理層IPTCPUDPFileAccessEthernetServiceChannelIDNSDOObjectDictionaryPDO

Map-

pingAT

MDTFoEEoESoECoECoE/SoEFileSystem,

BootloaderHTTP,FTP,…Servodrive

(IEC61491*)

ApplikationCANopen(EN50325-4)

ApplicationProcessData*IEC61491是SERCOS標準.SERCOSinterface?isIGSe.V.的一個商標。第55頁/共75頁56EtherCAT是一種開放的技術(shù)！協(xié)議完全開放:EtherCATisIEC規(guī)范(IEC/PAS62407)正在投票成為ISO15745-4標準已有可用的從站控制器從站控制器提供協(xié)同工作的能力傳遞途徑上第二個從站源控制器第56頁/共75頁57EtherCAT是一種開放的技術(shù)！建立:2003年11月任務(wù):支持，發(fā)展和促進EtherCAT已有超過175個成員公司，分別來自歐洲，北美和亞太地區(qū)

：設(shè)備制造商最終用戶提供提供商ETG是世界上最大的工業(yè)以太網(wǎng)組織所有人均可申請成為其成員第57頁/共75頁58EtherCAT是一種開放的技術(shù)！IEC管理委員會已批準ETG組織和IECSC65CWG11/12/13(SC65C:數(shù)字通訊）的聯(lián)絡(luò)關(guān)系第58頁/共75頁59EtherCAT技術(shù)組成員第59頁/共75頁602005漢諾威展會

ETG聯(lián)合展臺參展商第60頁/共75頁61EtherCAT產(chǎn)品(部分)**someavailable,someannounced第61頁/共75頁62EtherCAT是一種開放的技術(shù)2004年3月ETG成員集會第62頁/共75頁63EtherCAT是一種開放的技術(shù)2004年3月ETG成員集會第63頁/共75頁64EtherCAT是一種開放的技術(shù)2004