EtherCAT - 以太網(wǎng)現場(chǎng)總線(xiàn)
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現場(chǎng)總線(xiàn)已成為自動(dòng)化技術(shù)的集成組件，通過(guò)大量的實(shí)踐試驗和測試，如今已獲得廣泛應用。正是由于現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的普及，才使基于PC的控制系統得以廣泛應用。然而，雖然控制器CPU的性能（尤其是IPC的性能）發(fā)展迅猛，但傳統的現場(chǎng)總線(xiàn)系統正日趨成為控制系統性能發(fā)展的“瓶頸”。急需技術(shù)革新的另一個(gè)因素則是由于傳統的解決方案并不十分理想。傳統的方案是，按層劃分的控制體系通常都由幾個(gè)輔助系統所組成（周期系統）：即實(shí)際控制任務(wù)、現場(chǎng)總線(xiàn)系統、I/O系統中的本地擴展總線(xiàn)或外圍設備的簡(jiǎn)單本地固件周期。正常情況下，系統響應時(shí)間是控制器周期時(shí)間的3-5倍。 在現場(chǎng)總線(xiàn)系統之上的層面（即網(wǎng)絡(luò )控制器）中，以太網(wǎng)往往在某種程度上代表著(zhù)技術(shù)發(fā)展的水平。該方面目前較新的技術(shù)是驅動(dòng)或I/O級的應用，即過(guò)去普遍采用現場(chǎng)總線(xiàn)系統的這些領(lǐng)域。這些應用類(lèi)型要求系統具備良好的實(shí)時(shí)能力、適應小數據量通訊，并且價(jià)格經(jīng)濟。EtherCAT可以滿(mǎn)足這些需求，并且還可以在I/O級實(shí)現因特網(wǎng)技術(shù) （參見(jiàn)圖1）。
圖1: 傳統現場(chǎng)總線(xiàn)系統響應時(shí)間
1.1 以太網(wǎng)和實(shí)時(shí)能力
目前，有許多方案力求實(shí)現以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)能力。例如，CSMA/CD介質(zhì)存取過(guò)程方案，即禁止高層協(xié)議訪(fǎng)問(wèn)過(guò)程，而由時(shí)間片或輪循方式所取代的一種解決方案；另一種解決方案則是通過(guò)專(zhuān)用交換機精確控制時(shí)間的方式來(lái)分配以太網(wǎng)包。這些方案雖然可以在某種程度上快速準確地將數據包傳送給所連接的以太網(wǎng)節點(diǎn)，但是，輸出或驅動(dòng)控制器重定向所需要的時(shí)間以及讀取輸入數據所需要的時(shí)間都要受制于具體的實(shí)現方式。 如果將單個(gè)以太網(wǎng) 幀用于每個(gè)設備，那么，理論上講，其可用數據率非常低。例如，最短的以太網(wǎng)幀為84字節（包括內部的包間隔IPG）。如果一個(gè)驅動(dòng)器周期性地發(fā)送4字節的實(shí)際值和狀態(tài)信息，并相應地同時(shí)接收4字節的命令值和控制字信息，那么，即便是總線(xiàn)負荷為100%（即：無(wú)限小的驅動(dòng)響應時(shí)間)時(shí)，其可用數據率也只能達到4/84= 4.8%。如果按照10 μs的平均響應時(shí)間估計，則速率將下降到1.9%。對所有發(fā)送以太網(wǎng) 幀到每個(gè)設備(或期望幀來(lái)自每個(gè)設備)的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)方式而言，都存在這些限制，但以太網(wǎng)幀內部所使用的協(xié)議則是例外。
2. EtherCAT 運行原理
EtherCAT技術(shù)突破了其他以太網(wǎng)解決方案的系統限制：通過(guò)該項技術(shù)，無(wú)需接收以太網(wǎng)數據包，將其解碼，之后再將過(guò)程數據復制到各個(gè)設備。EtherCAT從站設備在報文經(jīng)過(guò)其節點(diǎn)時(shí)讀取相應的編址數據，同樣，輸入數據也是在報文經(jīng)過(guò)時(shí)插入至報文中（參見(jiàn)圖2）。整個(gè)過(guò)程中，報文只有幾納秒的時(shí)間延遲。
圖2: 過(guò)程數據插入至報文中
圖3: 帶寬利用率的比較
3. EtherCAT 技術(shù)特征
3.1 協(xié)議
EtherCAT是用于過(guò)程數據的優(yōu)化協(xié)議，憑借特殊的以太網(wǎng)類(lèi)型，它可以在以太網(wǎng)幀內直接傳送。EtherCAT幀可包括幾個(gè)EtherCAT報文，每個(gè)報文都服務(wù)于一塊邏輯過(guò)程映像區的特定內存區域，該區域最大可達4GB字節。數據順序不依賴(lài)于網(wǎng)絡(luò )中以太網(wǎng)端子的物理順序，可任意編址。從站之間的廣播、多播和通訊均得以實(shí)現。當需要實(shí)現最佳性能，且要求EtherCAT組件和控制器在同一子網(wǎng)操作時(shí)，則直接以太網(wǎng)幀傳輸就將派上用場(chǎng)。 然而，EtherCAT不僅限于單個(gè)子網(wǎng)的應用。EtherCAT UDP將EtherCAT協(xié)議封裝為UDP/IP數據報文（參見(jiàn)圖4），這就意味著(zhù)，任何以太網(wǎng)協(xié)議堆棧的控制均可編址到EtherCAT系統之中，甚至通訊還可以通過(guò)路由器跨接到其它子網(wǎng)中。顯然，在這種變體結構中，系統性能取決于控制的實(shí)時(shí)特性和以太網(wǎng)協(xié)議的實(shí)現方式。因為UDP數據報文僅在第一個(gè)站才完成解包，所以EtherCAT網(wǎng)絡(luò )自身的響應時(shí)間基本不受影響。
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