EtherCAT 用于控制和自 动化技术的以太网 德国倍福自动化 ( 上海 ) 有限公司 02.07.2012
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 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, 2009 2
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, 2009 3
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, 2009 4
运行原理 : 飞速传输的以太网帧 Master Ethernet Header ECAT HDR HDR 1 HDR 2 PLC Data NC Data Data n Ethernet HDR 2 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, 2009 5
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, 2009 6
EtherCAT 优化系统结构 慢 的控制系统同样受益 I bus cycle PLC task O T mpd bus cycle I PLC task O I PLC task O PLC task O bus cycle bus cycle bus cycle bus cycle bus cycle 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 输入 ( 最好的情况 ) 最快反应时间最慢反应时间 I T mpd : 主站处理延时 I 输出 PLC task T I/O : 本地 I/O 刷新时间 ( 本地扩展总线 + 固件 ) EtherCAT Technology Group, 2009 7
EtherCAT 优化系统结构 采用 EtherCAT 的系统结构 : 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, 2009 8
EtherCAT 优化系统结构 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, 2009 9
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, 2009 10
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 t S S S S S S S EtherCAT Technology Group, 2009 11
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, 2009 12
纵向集成 (1) 通过交换机端口 主站 交换机端口 + 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, 2009 13
纵向集成 (2)... 通过第二个以太网口 Master 2nd Ethernet Port + 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, 2009 14
纵向集成 (3) 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, 2009 15
EtherCAT 接线更灵活 标准以太网拓扑结构 : 星型拓扑 EtherCAT Technology Group, 2009 16
EtherCAT 接线更灵活 标准的以太网结构 : 星型不理想 此装置用于演示目的 ;- EtherCAT Technology Group, 2009 17
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, 2009 18
线型拓普 : 无论多少节点都可以一条线串接起来.. IPC DVI 最多 65535 个节点 EtherCAT Technology Group, 2009 19
星型.... IPC DVI LWL EtherCAT Technology Group, 2009 20
环型.... IPC DVI EtherCAT Technology Group, 2009 21
光线环型 2 km 2 km 2 km 2 km EtherCAT Technology Group, 2009 22
超大 EtherCAT 系统测试 10,056 个 EtherCAT 节点 EtherCAT Technology Group, 2009 23
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, 2009 24
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, 2009 25
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 : 寻址 从站的实施 拓扑结构 ( 无交换机 / 集线器 ) 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, 2009 26
EtherCAT 成本更低 : 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 µc 无需功能强大的 µc 基础设施 : 无需交换机 / 集线器 标准以太网线缆和接头 32 Bit µc EtherCAT Technology Group, 2009 27
设备 + 基础结构成本比较 配置举例 ( 采用 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, 2010 28
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, 2010 Profinet RT / Ethernet/IP: switches not taken into account * Beckhoff Price List 01/2010
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, 2009 30
Safety over 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, 2009 32
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, 2009 33
带冗余 : 标准配置 EtherCAT Master RX Unit TX Unit RX TX MAC 1 MAC 2 RX TX RX TX Only 2nd Ethernet Port required no special Interface Card J J J Slave 1 Slave 2 Slave N RX TX TX RX... RX TX TX RX... RX TX TX RX EtherCAT Technology Group, 2009 34
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, 2009 35
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, 2009 36
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, 2009 37
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 国家的 1000* 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 *as of April 2009 EtherCAT Technology Group, 2009 38
ETG 全球团队 ETG Office North America Austin, TX ETG Headquarters Germany Nuremberg ETG Office China Beijing ETG Office Japan Tokyo ETG Office Korea Seoul EtherCAT Technology Group, 2009 39
ETG 会员发展 1400 1200 1000 800 600 400 200 至 2010 年 9 月 : 1437 会员 0 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 EtherCAT Technology Group, 2010 40
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, 2009 41
EtherCAT 多品牌设备协同工作展示
ETG 会员 EtherCAT Technology Group, 2009 43
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 M2S Gateways Master S2S EtherCAT Technology Group, 2009 44
EtherCAT 以太网现场总线. www.ethercat.org.cn EtherCAT Technology Group, 2009 45
EtherCAT Technology Group, 2009 46
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模拟量 I/O 数字量 I/O 脉冲串 12 位 /16 位 计数器 / 频率测量电阻桥 RS232/RS485/TTY SSI/ 增量编码器接口 热电偶 /RTD EtherCAT Technology Group, 2009 49
系统构成 EtherCAT Technology Group, 2009 50
EtherCAT Technology Group, 2009 51