26.09.2012 工业以太网现场总线
EtherCAT 以太网现场总线 EtherCAT 一网到底, 协议处理直达 I/O 层 无需任何下层子总线 无网关延迟 单一系统即可涵盖所有设备 : 输入输出, 传感器, 执行器, 驱动, 显示. EtherCAT Technology Group, 2
EtherCAT 速度更快 传输速率 : 2 x 100 Mbit/s ( 高速以太网, 全双工模式 ) 刷新时间 : 256 数字量 I/O:11 µs 分布于 100 节点的 1000 开关量 I/O:30 µs = 0.03 ms 200 模拟量 I/O (16 bit) :50 µs, 采样率 20 khz 100 伺服轴 ( 每个 8 Byte IN+OUT) : 100 µs = 0.1 ms 12000 数字量 I/O: 350 µs EtherCAT Technology Group, 3
性能比较 : 应用案例 40 轴 ( 每轴 20 Byte 输入和输出数据 ) 50 I/O 站, 共计 560 个 EtherCAT 总线端子模块 2000 个数字量 + 200 个模拟量, 总线长度 500 米 EtherCAT: 循环时间 = 276 µs 总线负载 44%, 报文长度 = 122 µs 在这样短的循环时间下, 仍有 56% 的带宽为其他通讯保留, 如 TCP/IP EtherCAT Technology Group, 4
运行原理 : 飞速传输的以太网帧 Slave Device EtherCAT Slave Controller Slave Device EtherCAT Slave Controller 在帧的传输过程中过程数据被提取或插入 : 每个从站的过程数据量几乎无限制 (1 Bit 60 Kbyte, 如果需要则使用几个以太网帧传输 ) 每一个循环中帧的报文数据构成可以不同 如 : 超短循环时间用于轴数据, 稍长循环用于 I/O 刷新 支持异步的 事件触发的通信 EtherCAT Technology Group, 5
运行原理 : 飞速传输的以太网帧 EtherCAT Technology Group, 6
HDR 1 HDR 2 HDR 2 运行原理 : 飞速传输的以太网帧 Master Ethernet Header ECAT HDR PLC Data NC Data Data n Ethernet 隐含式寻址方式实现协议消耗最小化 针对分布式 I/O 的优化报文结构 通讯完全在硬件中完成 最优性能 (+ 可预测 ) 若网络中全部为 EtherCAT 设备, 则无需交换机 出色的诊断功能 保留对以太网的兼容性 EtherCAT Technology Group, 7
EtherCAT 提升整个系统性能 传统现场总线 I/O 的响应时间 I PLC Task O I PLC Task O I PLC Task O I PLC Task O I PLC Task T mpd 总线周期 总线周期 总线周期总线周期总线周期总线周期总线周期 T I/O T I/O T I/O T I/O T I/O T I/O T I/O T I/O T I/O T I/O T I/O T I/O T I/O T I/O T I/O 最佳情况的响应时间最差情况的响应时间 输入 ( 最差情况 ) 输出 ( 最佳情况 ) 输出 T mpd : 主站处理延迟 T I/O : 本地 I/O 刷新时间 ( 本地子总线 + 固件刷新 ) EtherCAT Technology Group, 8
EtherCAT 提升整个系统性能 I PLC Task O I PLC Task O I PLC Task O I PLC Task O I PLC Task T mpd 无需专用的主站设备 总线周期总线周期总线周期总线周期总线周期总线周期总线周期 T I/O T I/O T I/O T I/O T I/O T I/O T I/O T I/O T I/O T I/O T I/O T I/O T I/O T I/O T I/O 无需底层扩展总线 EtherCAT Technology Group, 9
EtherCAT 提升整个系统性能 EtherCAT 系统的响应时间 : I PLC Task O I PLC Task O I PLC Task O I PLC Task O I PLC Task 最差的情况 最好的情况 EtherCAT 总线周期 输入 ( 最差的情况 ) 输入 ( 最好的情况 ) 输出 采用同样的控制器,EtherCAT 系统的响应时间显著减少 无底层本地 I/O 循环及扩展总线延时 非常简单的协议使得无需再使用专用的主站系统 ( 如主站插卡 ) EtherCAT Technology Group, 10
逻辑过程映像区 现场总线 : 要求控制系统内实现映射 传统现场总线系统需生成物理过程映像区 该物理映像区必须映射为逻辑过程映像区 Control System, e.g. IPC Data n 现场总线卡 / 主站卡 DPRAM node 1 节点 1 PLC Data NC Data node 2 node 3 node 4 节点 2 节点 3 映射 节点 4 EtherCAT Technology Group, 11
逻辑过程映像区 现场总线 : 要求控制系统内实现映射 仅有一个映像区的系统亦如此 映射过程是必须的 Control System, e.g. PLC 现场总线卡 / 映射 DPRAM node 1 node 2 node 3 node 4 主站卡 节点 1 节点 2 节点 3 节点 4 EtherCAT Technology Group, 12
高达 4 GByte 的逻辑过程映像区 HDR 1 HDR 2 HDR 3 EtherCAT: 映射过程转移到从站设备 Master Ethernet Header ECAT HDR PLC Data NC Data Data n Ethernet Data n PLC Data NC Data 报文 1 报文 2 报文 n 大大减轻控制系统负担, 主站变得非常简单 数据根据应用要求被传输 : 非常快速, 灵活, 高效! EtherCAT Technology Group, 13
直接内存读取节省时间和资源 现场总线卡 : 高达 30% 的 CPU 时间用于数据备份 PC Control with Fieldbus cards Scanner card, DP RAM PC RAM Control task PCI bus CPU memcopy NIC 是 PCI 总线主控设备, PC Control with EtherCAT PC RAM 数据由 DMA 提供, 直接传送到 PC RAM : 解放 CPU 更佳性能 MAC PCI bus CPU DMA Control task EtherCAT Technology Group, 14
EtherCAT 传输延时的测量 EtherCAT 节点可测试帧发出和返回的时间差 EtherCAT 帧进行处理的传输方向 EtherCAT 帧回传方向 EtherCAT Technology Group, 15
EtherCAT 传输延时的测量 EtherCAT 节点测量帧离开和返回的时间差 IPC Master EtherCAT Technology Group, 16
分布时钟 精准同步 (<< 1 µs!) 通过分布时钟的精确校准实现 IPC Master M S t S S S S S S EtherCAT Technology Group, 17
分布时钟 采用 Scope View 长时间监视两个独立的设备 两设备间距 300 个节点, 线缆长度 120 米 Simultaneousness: ~15 ns Interrupt Node 300 Interrupt Node 1 Jitter: ~ +/-20ns EtherCAT Technology Group, 18
EtherCAT 是工业以太网! EtherCAT 采用标准以太网帧 : IEEE 802.3 可替换为 UDP/IP ( 若需要 IP 路由 ) 保持标准的以太网帧 MTU: max. 1514 Byte 48 Bit 48 Bit 16 Bit 16 Bit 48-1498 Byte 32 Bit Destination Source EtherType Header EtherCAT Datagrams CRC Embedded in Standard Ethernet Frame, EtherType 0x88A4 1 n EtherCAT Datagrams Ethernet H. 160 Bit 64 Bit IP Header UDP H. 16 Bit 48-1470 Byte Header EtherCAT Datagrams CRC Or: via UDP/IP UDP Port 0x88A4 11 Bit 1 Bit 4 Bit Length Res. Type EtherCAT Technology Group, 19
EtherCAT 是工业以太网! 对 TCP/IP 完全透明 所有因特网技术 (HTTP, FTP, Webserver, ) 均可实现, 且不影响系统的实时性能! EtherCAT Slave Device Standard TCP/IP Stack Ethernet Application TCP UDP Real Time Application IP Acyclic Data Mailbox Process Data EtherCAT MAC / DLL Ethernet PHY Ethernet PHY EtherCAT Technology Group, 20
纵向集成 (I) 通过交换机实现 主站 以太网交换机 + 可采用任何以太网协议与上层通讯 + IPC/ 控制器端仅需一个以太网口即可实现 - 但是 : 经过交换机转发,EtherCAT 网络性能可能收到影响 ( 交换机延迟和通常的以太网冲突 ) EtherCAT Technology Group, 21
纵向集成 (II) 通过第二个以太网口 主站 第二个以太网口 + 可采用任何以太网协议与上层通讯 + EtherCAT 系统性能不受影响 - 但是 : 需要在 IPC/ 控制器端集成第二个以太网口 EtherCAT Technology Group, 22
纵向集成 (III) 通过以太网网关设备 主站 以太网网关 + 可采用任何以太网协议与上层通讯 + IPC/ 控制器端仅需一个以太网口即可实现 + EtherCAT 系统性能不受影响 EtherCAT Technology Group, 23
以太网网关设备 : 任何以太网协议 连接任何以太网设备或网络的接口设备 以太网帧插入 EtherCAT 协议 : Ethernet over EtherCAT EtherCAT Switchport Ethernet MAC PHY RX1 RX2 TX RX RX3 µc RX4 Fragmentation PHY Mailbox Process Data EtherCAT MAC / DLL PHY TX2 TX3 TX1 TX2 TX3 TX1 EtherCAT Technology Group, 24
EtherCAT 接线更灵活 标准以太网拓扑结构 : 星型拓扑 EtherCAT Technology Group, 25
EtherCAT 接线更灵活 灵活的树型结构 自由扩展 支持各种拓扑结构, 如线型, 星型, 树型, 总线型 + 可实现多层次拓扑 ; 可自由组合各种拓扑 每个 EtherCAT 网段可容纳 65,535 个节点, 网络规模几乎无限 Master Line Star/Tree Drop Line EtherCAT Technology Group, 26
大型 EtherCAT 系统测试 10,056 个 EtherCAT 节点 EtherCAT Technology Group, 27
EtherCAT 接线更灵活 EtherCAT 支持多种以太网物理层 : 100BASE-TX ( 两节点最大间距 100 米 ) 100BASE-FX ( 两节点最大间距 2 公里 ) LVDS ( 模块化设备 ) 100 m LVDS* Master 2 km Ethernet on 100BASE-TX up to 100 m with transformer coupling Ethernet on LVDS* physical layer: for modular devices Ethernet on 100BASE-FX (fibre optics) up to 2 km 允许任意数量的物理层改动 * LVDS: Low Voltage Differential Signaling, 基于 ANSI/TIA/EIA-644 的低压差分信号, 对 IEEE 802.3ae 同样适用 (10G 以太网 ) EtherCAT Technology Group, 28
EtherCAT 取代 PCI 保护您的投资 实现从传统现场总线到 EtherCAT 系统的平稳过渡 无缝集成现有的现场总线设备, 如 : AS-Interface CANopen CC-Link ControlNet DeviceNet Ethernet/IP FIPIO Interbus IO-Link Lightbus LonWorks Modbus Plus, RTU, TCP PROFIBUS PROFINET IO 低成本总线网关实现系统的最大限度扩展性 EtherCAT Technology Group, 29
EtherCAT 取代 PCI 更新时间 : 过程映像更新时间 : PCI (500 Bytes input and output data each): 400 µs 过程映像更新时间 : EtherCAT (1.500 Bytes input and output data): 150 µs EtherCAT Technology Group, 30
EtherCAT 取代 PCI 控制系统中 (IPC 或 PLC 中 ) 无需再有插槽 然而系统却具备最大限度的扩展性 EtherCAT EtherCAT Technology Group, 31
EtherCAT 配置更简单 拓扑结构 : 拓扑目标与现实的自动对比 诊断 : 精确定位故障 网络规划 : 系统性能独立于 : 从站的实施 拓扑结构 ( 无交换机 / 集线器 ) 寻址 : 无需手动编址 自动进行地址配置 地址可被保留 添加新节点是无需重新配置整个网络的地址 EtherCAT Technology Group, 32
EtherCAT 成本更低 (1): 硬件 主站 : 无需专用插卡 ( 辅助处理器 ) 主板集成的网口即可满足要求 从站 : 低成本从站控制器 FPGA 或 ASIC 简单的从站 : 无需实施微处理器 32 Bit µc 无需功能强大的微处理器 基础设施 : 无需交换机 / 集线器 标准以太网线缆和接头 EtherCAT Technology Group, 33
EtherCAT 成本更低 (2): 工程 实施工具 : 标准以太网监测工具, 如, 微软网络监视器或 Wireshark: 免费获取 解析软件 : 免费获取 网络规划仅需少量工作 : 简单的组态 默认配置即可生效, 无需网络调试 改善的诊断 : 更快的排错可以减少停机时间 快速配置 : 无需地址配置 EtherCAT Technology Group, 34
设备 + 基础结构成本比较 配置举例 (Beckhoff 产品 ) PLC (CX1000) 10 个站点 400 DI / 400 DO 100 米长线缆 11 个总线接头 ( 现场总线 ) 21 个总线接头 (EtherCAT) 便宜的 紧凑型 现场总线耦合器 EtherCAT Technology Group, 35
设备 + 基础结构成本比较 Example Configuration List Price* Difference And just for reference: 100 % - 121,5 % + 21,5 % 123,7 % + 23,7 % 121,9 % + 21,9 % 143,7 % + 43,7 % EtherCAT Technology Group, Profinet RT / Ethernet/IP: switches not taken into account * Beckhoff Price List 01/2010
EtherCAT 实施轻松 : 从站 从站的实施 : 所有实时性相关功能都由 ASIC 或 FPGA 实现 ESC 硬件中处理实时协议 集成通讯状态机 网络性能独立于 从站微处理器的性能 协议堆栈 对于使用或不适用微处理器 ( 作为 Host CPU) 的应用 集成了 DPRAM (1 8kByte) 集成了分布时钟 对微处理器的高精度中断 EtherCAT Technology Group, 37
EtherCAT 实施轻松 : 主站 主站的实施 : - 可采用主站样本代码 ( 源码 ); - EtherCAT 配置工具 ; - ESI 和 ENI 的 XML 文件格式 EtherCAT Technology Group, 38
Safety over EtherCAT 功能性安全 为在 EtherCAT 安全设备间传输安全性过程数据,Safety over EtherCAT (FSoE) 定义了一个安全性通讯层 FSoE 是 EtherCAT Technology Group (ETG) 中的一项开放的技术 该协议基于 IEC 61508 开发, 因此 : 满足 Safety Integrity Level (SIL) 3 Residual Error Probability R(p) < 10-9 该协议由独立的 TÜV 认可 EtherCAT Technology Group, 39
Safety over EtherCAT 功能性安全 FSoE 帧映射在循环的 PDO 中 最小 FSoE 帧长 : 6 Byte 最大 FSoE 帧长 : 取决于从站设备的安全过程数据的数量 因此协议适用于安全 IO 及功能安全运动控制的应用 从 FSoE 主站到 FSoE 从站的被确认的传输, 反之亦然 安全设备参数可以在 FSoE 连接启动时从主站下载到从站 经认证的 Safety over EtherCAT 产品自 2005 年起上市 EtherCAT Technology Group, 40
Safety over EtherCAT 功能性安全 The FSoE 协议不局限于 : 通讯层及接口通讯层不是安全测量的部分 : 黑色通道 (assumed unsolved bit error rate: p = 10-2 ) 传输速度 Length of safe process data ( 任意安全过程数据长度 ) 可通过非安全网关, 现场总线系统或骨干网路由 EtherCAT Technology Group, 41
Safety over EtherCAT: 路由 可以由非安全网关路由 可由现场总线系统路由 适用于 ( 几乎所有 ) 总线系统的一个安全技术 EtherCAT Technology Group, 42
Safety over EtherCAT: 软件结构 黑色通道 安全数据和非安全数据在同一个总线中传输 Safety Application Device 1 Standard Application Standard Application Device 2 Safety Application Safety over EtherCAT Protocol Safety over EtherCAT Protocol Safety over EtherCAT EtherCAT Communication Interface EtherCAT Communication Interface EtherCAT DLL and AL EtherCAT Telegram Safety data container (FSoE Frame) EtherCAT Technology Group, 43
Safety over EtherCAT: 硬件结构 一个通道通讯系统 Model A according to IEC 61784-3 Annex A Device 1 Controller A Safety Protocol Controller A Safety Protocol Controller B Safety Protocol Controller B Safety Protocol EtherCAT Slave Controller PHY Trafo PHY Trafo Device 2 Controller B Safety Protocol Controller A Safety Protocol EtherCAT Slave Controller PHY Trafo PHY Trafo RJ45 RJ45 RJ45 RJ45 Controller A Safety Protocol Controller B Safety Protocol EtherCAT Technology Group, 44
Safety over EtherCAT: 应用案例 分布式安全逻辑 标准 PLC 路由安全信息 Standard PLC Safety Inputs Safety Outputs S S Safety Drives Safety Logic S S EtherCAT Technology Group, 45
无冗余 : 线缆故障 EtherCAT Master RX Unit TX Unit RX MAC 1 RX TX TX J J L L Slave 1 Slave 2 Slave N-1 Slave N RX TX... RX TX RX TX... RX TX TX RX TX RX TX RX TX RX EtherCAT Technology Group, 46
带冗余 : 系统配置 EtherCAT Master RX Unit TX Unit RX TX MAC 1 MAC 2 RX TX RX TX 仅需第二个以太网端口 无需其他特殊设备 J J J Slave 1 Slave 2 Slave N RX TX TX RX... RX TX TX RX... RX TX TX RX EtherCAT Technology Group, 47
带冗余 : 线缆故障 EtherCAT Master RX Unit TX Unit RX TX MAC 1 MAC 2 RX TX RX TX J J J J Slave 1 Slave 2 Slave N-1 Slave N RX TX... RX TX RX TX... RX TX TX RX TX RX TX RX TX RX EtherCAT Technology Group, 48
EtherCAT 技术的开放性 协议完全公开 : EtherCAT 是 IEC, ISO 及 SEMI 标准 (IEC 61158, IEC 61784, ISO 15745, SEMI E54.20) 从站控制器可从多种渠道获得 从站控制器提供兼容性 ETG 组织兼容性测试 ( Plug Fests ), Workshops 和研讨会 一致性测试和认证 EtherCAT Technology Group, 49
EtherCAT 技术的开放性 主站堆栈适用于多种实时操作系统, 包括开源 / 共享的源代码! ecos Intime Linux with RT-Preempt On Time RTOS-32 PikeOS Proconos OS Real-Time Java RMOS RT Kernel RT-Linux RTXC Quadros RTAI Linux QNX VxWin + CeWin VxWorks Windows CE Windows XP/XPE with CoDeSys SP RTE Windows XP/XPE with TwinCAT RT-Extension XENOMAI Linux * 截止到 2009 年 5 月 EtherCAT Technology Group, 50
EtherCAT 技术的开放性 于 2003 年 11 月成立 任务 : 支持, 完善, 并推广 EtherCAT 技术 全球最大的现场总线组织 来自 6 大洲,50 多国家的 2000* 多个会员公司 : 设备制造商 最终用户 技术提供商 会员资格对所有对该技术感兴趣的公司开放 * 截止到 2012 年 7 月 EtherCAT Technology Group, 51
ETG 全球团队 ETG Office North America Seattle, Austin, WA TX ETG Headquarters Germany ETG Office Nuremberg China Beijing ETG Office Japan Yokohama Tokyo ETG Office Korea Seoul EtherCAT Technology Group, 52
Nov-03 Feb-04 May-04 Aug-04 Nov-04 Feb-05 May-05 Aug-05 Nov-05 Feb-06 May-06 Aug-06 Nov-06 Feb-07 May-07 Aug-07 Nov-07 Feb-08 May-08 Aug-08 Nov-08 Feb-09 May-09 Aug-09 Nov-09 Feb-10 May-10 Aug-10 Nov-10 Feb-10 May-11 Aug-11 Nov-11 Feb-12 May-12 ETG 会员发展 截止到 2012 年 7 月 2 日 : 2050 会员 2000 1500 May 2011 May 2012: + 380 1000 ETG 是全球最大的现场总线组织 500 0 EtherCAT Technology Group, 53
ETG 会员发展 - 中国 250 China 截止到 2012 年 2 月 : 200+ 会员 200 150 100 50 0 EtherCAT Technology Group, 54
EtherCAT: 广泛的产品选择 I/O, 控制器, HMI, 伺服驱动, 变速电机传感器, 从站 + 主站开发工具控制面板, 液压阀和各种阀产品, EtherCAT Technology Group, 55
EtherCAT 多品牌设备协同工作展示 EtherCAT Technology Group,
一致性及兼容性 一致性与兼容性对于一个成功的通讯技术非常重要 所有 EtherCAT 技术的用户都有义务一致性实施该技术协议 EtherCAT Conformance Test Tool (CTT, EtherCAT 一致性测试工具 ) CTT 的测试项目由 ETG 的一致性工作组提供 通过 EtherCAT Conformance Test 将获得 EtherCAT Test Center 颁发的官方认可的一致性证书, 从而证实产品的一致性 EtherCAT Technology Group, 57
EtherCAT: 通用的系统结构 主站与从站通讯 从站与从站通讯 主站与主站通讯 M2S Switchports Master M2M Switch Gateways M2S Master S2S EtherCAT Technology Group, 58
EtherCAT 应用领域 高端应用案例, e.g.: 包装机械 高速冲压机 注塑机 木工加工机械 机床 (CNC) 测试平台 机器人控制 要求分布广泛的应用, e.g.: 原材料处理 物流系统 数据采集 EtherCAT Technology Group, 59
EtherCAT 久经实践考验 自 2003 年 EtherCAT 产品推向市场 大量的应用案例 各种不同类别的 EtherCAT 产品 EtherCAT Technology Group, 60
EtherCAT 以太网现场总线. www.ethercat.org.cn 范斌 EtherCAT 技术协会中国代表处 EtherCAT Technology Group, 61