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谟阡余
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1) 整个过程中, 报文只有几纳秒的时间延迟图 1: 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

1 EtherCAT 在高压系统可行性分析 1EtherCAT 运行原理 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 1) 整个过程中, 报文只有几纳秒的时间延迟图 1: 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 2) 图 2: 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, 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 2.

2 符合 IEEE 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, 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 2. EtherCAT 技术特征 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 3), 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 3:EtherCAT: 符合 IEEE 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,

3 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 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 ) 2.1 拓扑结构 EtherCAT 几乎支持任何拓扑类型, 包括线型树型星型等 ( 参见图 4) 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 4: 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

4 设备数量可高达 65535, 因此, 网络的容量几乎没有限制 2.2 时钟同步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图 5 是相距电缆长度为有 120 米的两个分布系统, 带有 300 个节点的示波器比较而跨接工厂等外部同步则可以基于 IEEE 1588 标准此外, 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图 5: 同步性与一致性 :

2.3 网络性能 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

5 2.3 网络性能 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 2.4 诊断功能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

6 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 2.5 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 2.6 安全性不管是使用硬件还是使用专用的安全总线系统, 传统观念总是认为, 自动化网络应与安全功能相分离但 EtherCAT 所实现的安全功能可以在同一网络中将安全相关的通讯和控制通讯融合为一体安全协议基于 EtherCAT 应用层, 不受低层协议的影响, 并遵循 IEC61508 标准认证, 满足安全集成级 (SIL)4 的要求数据长度可以变化的, 因此该协议既完全适合于安全 I/O 数据, 也适合于安全驱动技术和其它 EtherCAT 数据一样, 安全数据可以通过无安全功能的路由器或网关实现路由目前, 首批获得完全认证的 EtherCAT 安全产品已经上市 3 从站控制器的设计 Xilinx 和 Altera 等 FPGA 制造商均提供 EtherCAT 从站控制器通过购买带有 EtherCAT 功能的 FPGA 芯片, 可实现从站控制器的功能, 也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

7 常使用 8 位微控制器, 如微型芯片 PIC DSP Intel 80C51 等 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 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 德国 Beckhoff 公司提供 EtherCAT ASIC 芯片 ET1100 和 ET1200, 这两款芯片为实现 EtherCAT 从站提供了一种结构紧凑经济高效的解决方案它们直接在硬件中处理 EtherCAT 协议, 因而可确保硬件设备的高性能和实时性, 而与任何下游从站微控制器及相关软件无关通过芯片提供的三个过程数据接口数字量 I/O SPI 和 8/16 位 μc(et1200 无该接口 ),EtherCAT ASIC 能够实现简单的数字量模块, 而不再需要微控制器或研发自带处理器的智能设备这两种 ASIC 芯片都带有分布式时钟功能, 通过该功能能够实现 EtherCAT 从站 << 1 μs 的高精度同步芯片供电电压为 3.3 V 或 5 V; 内核电压为 2.5 V, 由集成的同相稳压器生成或者直接供电 ET1100 是一种适用于任何类型 EtherCAT 设备的解决方案 ;ET1200 则特别适用于将 E-bus/LVDS( 低压差分信号技术 ) 作为内部接口的模块化设备由于这两种 ASIC 芯片结构紧凑, 且外部组件数量少, 因此它们仅需极小的安装空间 ET1200 ASIC 芯片是 ET1100 的小型变体 ; 其 QFN48 外壳尺寸仅为 7 x 7 mm, 芯片结构更为紧凑该设备带有 16 个数字量 I/O 接口和用于实现高精度同步的分布式时钟硬件通过快速串行接口 (20 Mbit/s) 寻址 1 kb 的 DPRAM ET1200 有两个 EtherCAT 端口, 其中一个可被用作 MII 来连接一个标准的物理层 ; 另一个端口用于 LVDS, 因此 ET1200 特别适用于将 LVDS 用作内部总线物理层的模块化设备 Beckhoff 公司也提供 EtherCAT 的 FPGA 的 IP core, 具体价钱大概为 8000 欧元利用 IP core 我们就可以自己设计应用系统无须受控制器的限制以上几种方式都需要加入 EtherCAT 协会,EtherCAT 协会对所有公司开放其会员资格, 并且是免费的只要申请加入 ETG 即可所需要的材料包括 :

8 公司的名称, 网址 ( 英文 ), 联系人 ( 您 ) 的姓名, 电话, 传真, 官方地址的全部英文信息具体步骤如下 : 1 将这些英文信息发给北京分部, 之后转交给德国, 并请他们发给我们相关的申请表格和 By law 2 填写好申请表, 并签署同意 By law 所述条款, 传送给德国 ETG 总部或者转交给北京, 由他们来帮我们发送给德国 3 经过 ETG 董事会审核, 确定是否受与我们会员资格这需要一定的时间 4 在批准成为会员后, 会给我们一个用户名和密码, 可以凭借该信息登陆 ETG 网站上的会员专区, 并共享所有的 EtherCAT 技术数据 5 协助 ETG 提供公司 Logo 等相关信息 4 总结 EtherCAT 可选择双绞线或光纤通讯, 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 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支持主站到从站从站到从站以及主站到主站之间的通讯它实现了安全功能, 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

目录目录 EtherCAT 信息 AFS/AFM60 EtherCAT 电气安装通讯配置常见故障处理 Page 2 of 24

目录目录 EtherCAT 信息 AFS/AFM60 EtherCAT 电气安装通讯配置常见故障处理 Page 2 of 24 AFS/AFM60 EtherCAT 快速指引 Page 1 of 24 目录目录... 2 1. EtherCAT 信息... 3 2. AFS/AFM60 EtherCAT 电气安装... 5 3. 通讯配置... 9 4 常见故障处理... 22 Page 2 of 24 1. EtherCAT 信息 1.1 EtherCAT 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