Ether CAT

EtherCATEtherCAT实时以太网EtherCAT（以太网控制自动化技术）是一个以以太网为基础的开放架构的现场总线系统，EtherCAT名称中的CAT为ControlAutomationTechnology（控制自动化技术）首字母的缩写。最初由德国倍福自动化有限公司(BeckhoffAutomationGmbH)研发。EtherCAT为用成本。EtherCAT的特点还包括高精度设备同步，可选线缆冗余，和功能性安全协议(SIL3)。EtherCAT(EthernetforControlAutomationTechnology)是一种实时以太网现场总线系统。EtherCAT具有速度快，布线容易的特点：且具有兼容性和开放性；适合于快速控制的应用场合。EtherCAT的工作原理以太网是一种802.3基带总线局域网，采用载波侦听多路访问/冲突检测（CSMA/CD）介质访问控制方式。实时以太网EtherCAT技术采用了主从介质访问方式，在基于EtherCAT的系统中，主站控制从站发送或接收数据。主站发送数据帧，从站在数据帧经过从站时读取相关报文中的输出数据。同时，从站的输入数据插入到同一数据帧的相关报文中。当该数据帧经过所有从站并与从站进行数据交换后，由EtherCAT系统中末端从站将数据帧返回，如图1。EtherCAT的性能EtherCAT支持各种拓扑结构，如总线型、星型、环形等，并且允许EtherCAT系统中出现多种结构的组合。支持多种传输电缆，如双绞线、光纤、光导总线等，以适应于不同的场合，以提升布线的灵活性。EtherCAT采用了精准的同步时钟系统。系统中的数据交换完全是基于纯硬件机制，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），主站时钟能简单、精确地确定各个从站传播的延迟偏移。分布时钟均基于主时钟进行调整，在网络范围内使用精确且确定的同步误差时间基。EtherCAT采用从站硬件集成以及网络控制器主站的直接存取，整个协议的处理都在硬件中实现，它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，所以过程数据传输速度快。如256个分布数字I/O仅需11μs，1000个分布数字I/O仅需30μs，200个模拟I/O（16bit）仅需50μs。EtherCAT具有较强的通信诊断能力，能迅速地排除故障；同时它也支持主站从站冗余检错，提高系统的可靠性；EtherCAT实现了在同一网络中将安全相关的通讯和控制通讯融合为一体，并遵循IEC61508标准，满足安全集成级（SIL）4的要求。EtherCAT协议EtherCAT技术可以充分利用全双工以太网的带宽。采用了主从方式的介质访问技术，由主站发送以太网数据帧到每个从站，实现数据的通信。EtherCAT帧符合ISO/IEC802.3标准，EtherCAT报文由多个EtherCAT子报文组成，位于标准以太网帧结构的数据区。每个子报文都服务于一块逻辑过程映像区的特定区域，该区域最大可达4GB字节。数据顺序不依赖于网中以太网端子的物理顺序，可任意编址。从站之间的广播、多播方式通讯得以实现。如果要实现最大化性能，并且需要将EtherCAT组件作为同一子网控制器进行操作，则可直接传送以太帧。由于EtherCAT不限于单个子网的应用，EtherCATUDP将EtherCAT协议封装为UDP/IP数据报文，如图2。这样，任何以太网协议堆栈的控制均可编址到EtherCAT系统之中。甚至还可以通过路由器使通讯跨接到其它子网。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.EtherCAT优点EtherCAT具有非常多的优势。它对过程数据的大小几乎没有限制，支持异步的、事件触发的通信。若网络中全部为EtherCAT设备，则无需交换机。它具有出色的诊断功能，保留对以太网的兼容性。它的有效数据通信率可以达到90％以上，并且传输速度非常快。在全双工模式下，它能够通过高速以太网以2x100Mbits的速度传输数据。它刷新1000个分布式I／O数据量的时间仅为30us，交换1486字节的过程数据所用的传输时间仅为300us。