EtherCAT –   用于实现自动化的超高速通讯 I/O

技术亮点

• 以太网直达端子模块 – 具有完全连续性

• 以太网过程接口可从 2 位扩展到 64 kB

• 第一款真正的现场级以太网解决方案

性能

• 12 μs 内 256 个数字量 I/O

• 30 μs 内 1000 个数字量 I/O

• 50 μs 内 200 个模拟量 I/O（16 位），相当于 20 kHz 采样率

• 100 μs 内 100 个伺服轴

• 350 μs 内 12,000 个数字量 I/O

• 流通量：10 kbyte/ms，分配给 1500 个设备

拓扑结构

• 总线形、树形或星形拓扑结构

• 可容纳多达 65,535 个设备

• 网络规模：几乎无限（> 500 km）

• 有无交换机均可运行

• 经济高效的电缆敷设：标准以太网连接电缆（CAT5）

• 双绞线电缆物理层：

• 以太网 100base-TX，两个设备之间最大距离为100 m

• 选项：光缆长度有 50 至 2000 m 可选

• 支持总线网段的热插拔

地址空间

• 网络范围的过程映像：4 Gbyte

• 设备过程映像：2 位至 64 kbyte

• 地址分配：可自由组态

• 设备地址选择：通过软件自动进行

协议

• 直接内置于以太网帧内的优化协议

• 完全由硬件实现

• 用于路由和接口：UDP 数据报文

• 传递时进行处理

• 用于精确同步的分布式时钟

• 时间戳数据类型，用于纳秒范围内的分辨率

• 用于高分辨率测量的过采样数据类型

诊断

• 断点检测

• 连续的“线路质量”测量能够精确定位传输故障

接口

• 用于标准以太网设备的交换机端子模块

• 用于现场总线设备的现场总线端子模块

• 分布式串行接口

• 通讯网关

开放性

• 与以太网完全兼容

• 可以通过交换机和路由器运行

• 可以与其它协议混合运行

• 互联网技术（Web 服务器、FTP 等）

• 可与现有的总线端子模块系列兼容

• 协议完全公开

• EtherCAT 是 IEC 技术规范

运行原理

运行原理

目前有多种用于提供实时能力的以太网方案： 例如，通过较高级的协议层禁止 CSMA/CD 存取过程，并使用时间分片或轮询技术来取代它。其它方案使用专用交换机，并采用精确的时间控制方式分配以太网报文。尽管这些解决方案能够比较快和准确地将数据包传送到所连接的以太网节点，但带宽的利用率却很低，特别是对于典型的自动化设备，因为即使是对于非常小的数据量，也必须要发送一个完整的以太网帧。而且，重新定向到输出或驱动控制器以及读取输入数据所需的时间主要取决于执行方式。通常也需要使用一条子总线，特别是在模块化 I/O 系统中，这些系统与 Beckhoff   K-bus 一样，通过同步子总线系统加快传输速度，尽管如此，这样的同步还是无法避免通讯总线传输的延迟。

通过采用 EtherCAT 技术，Beckhoff 突破了其它以太网解决方案的这些系统限制： 不必再像从前那样在每个连接点接收以太网数据包，然后进行解码并复制过程数据。当帧通过每一个设备（直达 I/O 端子模块）时，EtherCAT 从站控制器读取与该设备相关的数据。同样，输入数据可以飞速插入至数据流中。帧被传递（仅被延迟几位）过去的时候，从站会识别出相关命令，并进行相应处理。此过程是在从站控制器中通过硬件实现的，因此与协议堆栈软件的 Run-Time 系统或处理器性能无关。网段中的最后一个 EtherCAT 从站将经过充分处理的报文发回，这样该报文就作为一种响应报文由第一个从站返回到主站。

从以太网的角度看，Ether¬CAT 总线网段是一个可接收和发送以太网帧的大型以太网设备。但是，该“设备“不包含带下游微处理器的单个以太网控制器，而只包含大量的 EtherCAT 从站。与其它任何以太网设备一样，EtherCAT 不需要通过交换机就可以建立通讯，因而产生一个纯粹的 EtherCAT 系统。

以太网直达端子模块

以太网系统直达系统中的每个设备，即直达每个 I/O 端子模块；无需使用子总线。只需将耦合器的传输介质由双绞线（100BASE-TX）转换为 E-bus 总线即可满足电子端子排的要求。端子排内的 E-bus 信号类型（LVDS）并不是专用的，它还可用于 10 千兆位以太网。在端子排末端，物理总线特性被转换回 100BASE-TX 标准。

标准以太网 MAC 或便宜的标准网卡（NIC）足以作为控制器中的硬件使用。DMA（直接存储器存取）用于将数据传输到 PC。这意味着网络访问对 CPU 性能没有影响。在 Beckhoff 多端口卡中运用了相同的原理，它在一个 PCI 插槽中捆绑最多 4 个以太网通道。

协议

EtherCAT 协议针对过程数据进行了优化，它被直接传送到以太网帧，或被压缩到 UDP/IP 报文中。UDP 协议在其它子网中的 EtherCAT 网段由路由器进行寻址的情况下使用。以太网帧可能包含若干个 EtherCAT 报文，每个报文专门用于特定存储区域，该存储区域可编制大小达 4GB 的逻辑过程镜像。由于数据链独立于网络中 EtherCAT 端子模块的物理顺序；可进行任意寻址。从站之间可进行广播、多点传送和通讯。

该协议还可处理通常为非循环的参数通讯。参数的结构和含义通过 CANopen 设备行规进行设定，这些设备行规用于各种设备类别和应用。EtherCAT 还支持符合 IEC61491 标准的从属行规。该行规以 SERCOS 命名，获得全球运动控制应用领域的普遍认可。

除了符合主站/从站原理的数据交换外，EtherCAT 还非常适用于控制器之间（主站/主站）的通讯。可自由寻址的过程数据网络变量以及各种参数化、诊断、编程和远程控制服务，可以满足众多要求。用于主站/从站和主站/主站通讯的数据接口是相同的。

性能

EtherCAT 在网络性能上达到了一个新的高度。1000 个分布式 I/O 数据的刷新时间仅为 30μs － 其中包括端子模块周期时间。通过一个以太网帧，可以交换高达 1486 字节的过程数据，几乎相当于 12000 个数字量 I/O。而这一数据量的传输仅用 300 μs。

与 100 个伺服轴的通讯只需 100 μs。在此期间，可以向所有轴提供设置值和控制数据，并报告它们的实际位置和状态。分布式时钟技术保证了这些轴之间的同步抖动小于 1 微秒。

利用 EtherCAT 技术的优异性能，可以实现用传统现场总线系统所无法实现的控制方法。这样，通过总线也可以形成超高速控制回路。以前需要本地专用硬件支持的功能现在可在软件中加以映射。巨大的带宽资源使状态数据与任何数据可并行传输。EtherCAT 技术使得通讯技术与现代高性能的工业 PC 相匹配。总线系统不再是控制理念的“瓶颈”。分布式 I/O 的数据传递超过了只能由本地 I/O 接口才能实现的性能。

这种网络性能优势在有相对中等计算能力的小型控制器中较为明显。EtherCAT 循环速度如此之快，使得它可以在两个控制周期之间完成。因此，控制器总有可用的最新输入数据，输出编址的延迟最小。在无需增强本身计算能力的基础上，控制器的响应行为得到显著改善。

EtherCAT 技术的原理具备扩展性，不束缚于 100M 带宽 – 扩展至 Gbit 的以太网也是可能的。

EtherCAT 替代 PCI

随着 PC 组件小型化的加速发展，工业 PC 的体积主要取决于所需要的插槽数目。高速以太网带宽以及 EtherCAT 通讯硬件（EtherCAT 从站控制器）数据带宽的利用，开辟了新的应用可能性： 通常位于工业 PC 中的接口被转移到 EtherCAT 系统中的智能化接口端子模块上。除分布式 I/O、轴和控制单元外，现场总线主站、高速串行接口、网关及其它通讯接口等复杂系统可以通过 PC 上的一个以太网端口进行寻址。甚至对无协议变体限制的其它以太网设备也可通过分布式交换机端子模块进行连接。工业 PC 主机体积越来越小，成本也越来越低，一个以太网接口足以应对所有的通讯任务。

拓扑结构

总线形、树形或星型： EtherCAT 支持几乎所有拓扑结构。因此，源于现场总线的总线形结构也可用于以太网。将总线和分支结构相结合特别有助于系统布线。所需的接口都位于耦合器上，无需使用附加交换机。当然，也可以使用传统的基于交换机的星型以太网拓扑结构。

选用不同的传输电缆可以最大限度地发挥布线的灵活性。灵活而价格低廉的标准以太网插接电缆可通过以太网模式（100baseTX）或通过 E-bus 来传输信号，两台设备之间的距离最远可达 100 m。以太网带宽（如不同的光缆及铜缆）可以结合交换机或媒介转换器使用。对于每种电缆间距，信号变量可以单独选择。EtherCAT 系统最多可容纳 65535 个设备，因此整个网络规模几乎是无限制的。

分布式时钟

精确同步在广泛要求同时动作的分布过程中显得尤为重要，如几个伺服轴在执行同时联动任务时。

分布时钟的精确校准是同步的最有效解决方案。相反地，如果采用完全同步，当通讯出现错误时，同步数据的品质将受到很大影响，在通讯系统中，分步式校准时钟在某种程度上具备错误延迟的容错性。在 EtherCAT 中，数据交换完全基于纯粹的硬件设备。由于通讯利用了逻辑环网结构和全双工快速以太网而又有实际环网结构，“主站时钟”可以简单而精确地确定对每个“从站时钟”的运行补偿，反之亦然。分布时钟基于该值进行调整，这意味着它可以在网络范围内提供信号抖动小于 1 微秒的、非常精确的时钟基。

然而，高分辨率分布时钟不仅可用于同步，而且也可以提供数据采集时本地时间的精确信息。由于引进新的扩展数据类型，被测量值可被分配以非常精确的时间戳。

热连接

许多应用都需要在运行过程中改变 I/O 组态。例如，具备变更特性的加工中心、装备传感器的刀具系统或智能化的传输系统，灵活的工件执行器或可单独关闭印刷单元的印刷机等。EtherCAT 系统的协议结构中就考虑到了这些需求：“热连接”功能可以将网络的各个部分连在一起或断开，或“飞速”进行重新组态，从而针对变化的组态提供了灵活的响应能力。

高可用性

可选的电缆冗余性可满足日益增长的对提高系统可用性的需求，这样无需关闭网络就可以更换设备。EtherCAT 还支持带热待机功能的冗余主站。由于 EtherCAT 从站控制器在遇到中断时立即将帧自动返回，设备故障不会导致整个网络关闭。例如，可将电缆保护拖链特别配置为短棒的形式以防备断线。

Safety over EtherCAT

为了实现 EtherCAT 安全相关数据通讯，我们完全开放 Safety over EtherCAT 协议。该安全协议符合 IEC 61508 标准，可达到安全集成级别（SIL）3，通过了德国技术检验机构（TÜV）的认证。EtherCAT 被用作为单通道通讯系统。传输介质是一个“黑色通道”，不包括在安全考虑范围内。因此，该安全协议也可通过其它通讯系统、干线或 WLAN 传输。传输周期可根据客户要求缩短，不会影响残留错误概率。在 Safety over EtherCAT 主站和从站之间进行的安全数据周期性交换被认为是一种连接，由看门狗监控。一个主站可以建立并监控不同从站的多个连接。

诊断

网络的诊断能力对于增强网络可用性和缩短调试时间（从而降低总成本）来说非常重要。只有当错误被快速而准确地检测出，并且清楚地指明其所在位置时，错误才能被及时的排除。因此，在 EtherCAT 的研发过程中，特别注重典型的诊断特征。

在试运行期间，将使用指定的配置检测 I/O 端子模块实际配置的连续性。拓扑结构也要与配置相匹配。由于内置的拓扑结构识别直达各个端子模块，I/O 可以在系统启动时，或通过自动上装配置时进行确认。

数据传输过程中的位错误可以通过评估每个设备上的 CRC 校验码进行检测。除断点检测和定位外，通过 EtherCAT 系统协议，传输物理层和拓扑结构使得高品质监控每个独立的传输段成为可能。通过自动分析相关错误计数器，可以精确定位关键网段。可检测并定位 EMC 干扰、有缺陷的连接器或损坏的电缆等不断变化的错误来源，即使它们尚未对网络的自愈能力产生过度影响。

开放性

EtherCAT 技术不仅与以太网完全兼容，而且还有特别的设计开放性特点： 该协议可与其它基于以太网的服务和协议并存于同一物理介质中 － 通常只会对整个网络性能有很小程度的影响。任何以太网设备均可通过交换机端子模块连接至一个 EtherCAT 总线网段内部，不会影响周期时间。带现场总线接口的设备可通过 EtherCAT 现场总线主站端子模块集成到网络中。UDP 协议变体允许设备整合于任何插槽接口中。EtherCAT 是一个完全开放式协议， 它已被认定为一个正式 IEC 规范（IEC/PAS62407）。

EtherCAT 技术组织

EtherCAT 技术组织（ETG）是一个自动化用户和生产厂商的协会组织，旨在为 EtherCAT 技术的开发提供支持。该协会代表着广泛的行业和应用领域。这样就确保了 EtherCAT 技术功能和接口以最佳方式用于多种应用领域。该组织可以确保将 EtherCAT 轻松而经济有效地集成到大量自动化设备中，并可保证设备的互操作性。EtherCAT 技术组织（ETG）是正式的 IEC 合作组织中现场总线标准化的成员。成员资格面对所有公司开放。

Real-time Ethernet: Ultra high-speed right up to the terminal

Outstanding performance, flexible topology and simple configuration characterise EtherCAT (Ethernet for control automation technology), the real-time Ethernet technology from Beckhoff. EtherCAT sets new standards where conventional fieldbus systems reach their limits: 1,000 distributed I/Os in 30 µs, almost unlimited network size, and optimum vertical integration thanks to Ethernet and internet technologies. With EtherCAT, the costly Ethernet star topology can be replaced with a simple line or tree structure – no expensive infrastructure com­ponents are required. All types of Ethernet devices can be integrated via a switch or switch port.