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为什么要研究EtherCAT(工业以太网的明日之星)
2024-02-26 15:14:44

为什么要研究EtherCAT(工业以太网的明日之星)

EtherCAT是一种工业以太网的通信协议,性能远远优于传统的现场总线,如CAN、Profibus等。

在工业自动化领域,伺服运动控制系统作为机器人及数控设备的核心组成部分,对其相关技术的研究尤为重要。目前各领域技术的进步,促使工业设备需求不断提高,传统伺服控制系统中使用的工业现场总线受限于老旧的协议技术及硬件规格,导致其数据传输速度实时性等方面越来越难以满足逐渐提高的系统总线数据传输需求。基于新现场总线技术的多轴伺服控制系统在自动化控制领域的应用已成为一种趋势。

在以往的工业网络中,传统现场总线是应用于工业网络中最为广泛的技术。根据 IEC 61158,现场总线的定义是: 安装在生产过程区域的现场设备或仪表与控制室内的自动控制装置或系统之间的一种数字、串行、双向、多节点通信的数据总线。根据IEC61158 国际标准建立的目的是将现存的多种总线标准统一成一款通用的标准。如果这样,那么一方面制造商可以比较方便的生产设备,另一方面用户可以方便的选用适合功能的设备而不必受困于单一总线标准下的产品。可是事实是各大公司并未因此而形成共识,结果依旧是群雄混战。大公司经过多年的发展,由于各自的总线产品已经占据了一定的市场份额,并不 担心多种总线产品之间的不兼容会影响销售,而不改变的话则对用户选用设备造成影响,用户无法真正根据自身成本和需要的考虑选用设备,而是更多 的依赖之前选用设备标准的要求,灵活性较差。这些已经阻碍工业控制和自动化系统的进一步发展,传统的现场总线这种先天性不足亟需解决。除了兼容性,在以往的工业网络中,传统现场总线还有相互连接方式,连通方式,操作控制方式等需要解决,并且传统现场总线它的传输性能、响应时间、速率等方面也无法达到人们在工业方面对它的标准。

因此开发一种更加优良、性能更加符合标准的工业通信技术成为了自动化通信领域的人们迫切需求。

在众多通信技术中,曾用于计算机通信领域的以太网技术引起了人们的注意,Ethernet 拥有易于连接,连通方便的优点,并且价格也较为理想,传输速度可以达到工业控制所需要的标准,这些优点使它成为了用于开发工业网络的首选。通用的工业以太网定义为: 技术上与商用以太网兼容,但在产品设计上必须满足工业现场对实时性、可靠性、可互操作性、抗干扰性、本质安全性、环境适应性等方面的需要,是继现场总线之后发展起来的、被广泛认同为颇具发展前景的一种工业通信网络。工业以太网采用 TCP /IP 协议,和 IEEE 802.3标准兼容,但在应用层会加入各自特有的协议( 通常为IEEE 802.3/IEEE 802.3u) 。

虽然,传统以太网技术采用介质访问方式为竞争式的共享介质技术(CSMA/CD)对间歇传输、突发性长报文传输有着很高的效率。但是Ethernet具有很大的随机性,并且不能承受大的网络负载,当节点数增多、数据通信量增大、负载加重的情况下以太网的效率下降很多。有资料表明以太网的有效带宽利用率不超过40%。因此无法直接将 Ethernet用于自动化通信上,需要对它的传输方式进行修改。

与商用以太网相比,工业以太网的技术特征体现在对以下方面的特殊要求。①具有高实时性与良好的时间确定性。②传送信息多为短帧信息,且信息交换频繁。③容错能力强,可靠性、安全性好。④控制网络结构具有高度分散性。⑤控制网络协议简单、实用,工作效率高。 ⑥控制设备的智能化与控制功能的自治性。⑦与信息网络之间有高效率的通信,易于实现与 信息网络的集成。⑧设备的可靠性与环境适应性。⑨远距离传输。⑩总线供电。

工业以太网有三种实现方式,即TCP/IP方式、以太网方式、修改以太网方式。其中,TCP/IP 的方式仍然采用传统的TCP/IP协议栈进行通信,通过上层的合理调度减少数据传输过程中的不确定性,使用这种方式有Mobus/TCP和Ethernet/IP等协议这种方式的数据传输实时性不高;以太网的方式采用标准的以太网设备,这样传输普通的以太网数据仍然可以使用TCP/IP协议,而用于传输控制信号的过程数据则使用专门的协议传输,使用这种方式的有Ethernet Powerlink、PROFINet RT和中国的EPA(Ethernet for Plant Automation)等协议,可以实现较高的实时性;修改以太网的方式采用经过修改的以太网协议传输数据,而使用专门的硬件处理数据,使得响应时间小于1ms,它的实时数据和非实时数据也是分开传输的,彻底避免数据报文冲突,使用这种方式的有SERCOS-III、PROFINetIRT和EtherCAT等协议,EtherCAT 技术是由德国BECKHOFF自动化公司提出并实现的工业以太网技术,是目前最快的工业以太网解决方案。

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    (图为:宽带利用率的比较)

可以看出EtherCAT具有卓越的有效数据率

一个完整的EtherCAT系统可以分为主站从站两个部分,主站使用标准以太网设备传输数据,从站使用专用的控制芯片处理数据,支持线形、树形或星形等多种拓扑结构,具有超高的性能、灵活性和成本优势,EtherCAT协议与普通的现场总线协议相比有以下特点:

1)EtherCAT具有广泛的适应性,无论是简单的16位微处理器还是复杂的PC系统,只要控制单元带有普通的以太网控制器都可以构成EtherCAT主站。

2)EtherCAT是一种特殊的以太网协议,使用该协议的数据可以使用常用的以太网设备,可以节省设备更新的成本。 

3) EtherCAT可以灵活选择从站类型,无论是带有微处理器的复杂节 点还是只有2位I/O的简单节点可以用作EtherCAT从站。 

4) EtherCAT 数据传输速率高,由(2)知该协议数据符合标准的以太网协议,可以通过标准的以太网进行数据传输,可以充分利用以太网带宽 进行用户数据的传输。

5)EtherCAT 数据刷新周期短,使用专门的硬件处理数据,数据的刷新周期很小,低于100μs,可用于响应要求高的设备。 

6) EtherCAT具有良好的同步性能,设备之间的同步由专用硬件的相关寄存器完成,各个从站设备之间的时钟同步精度可以控制在1μs以内。

于是以EtherCAT为典型的基于Ethernet面向工业传输的各种各样的工业以太网技术被研发出来,是当今最流行的工业以太网标准之一。

 




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