前言

EtherCAT（以太網(wǎng)控制自動(dòng)化技術(shù)）是一個(gè)開(kāi)放架構(gòu)，以以太網(wǎng)為基礎(chǔ)的現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)，其名稱(chēng)的CAT為控制自動(dòng)化技術(shù)（Control?Automation?Technology）字首的縮寫(xiě)。EtherCAT是確定性的工業(yè)以太網(wǎng)，最早是由德國(guó)的Beckhoff公司研發(fā)。

自動(dòng)化對(duì)通訊一般會(huì)要求較短的信息更新時(shí)間（或稱(chēng)為周期時(shí)間）、信息同步時(shí)的通訊抖動(dòng)量低，而且硬件的成本要低，EtherCAT開(kāi)發(fā)的目的就是讓以太網(wǎng)可以運(yùn)用在自動(dòng)化應(yīng)用中。

機(jī)能原理

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一般工業(yè)通訊的網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)傳送的資料長(zhǎng)度不長(zhǎng)，多半都比以太網(wǎng)幀的最小長(zhǎng)度要小。而每個(gè)節(jié)點(diǎn)每次更新資料都要送出一個(gè)幀，造成帶寬的低利用率，網(wǎng)絡(luò)的整體性能也隨之下降。EtherCAT利用一種稱(chēng)為“飛速傳輸”（processing on the fly）的技術(shù)改善以上的問(wèn)題。?[1]?

在EtherCAT網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)資料幀通過(guò)EtherCAT節(jié)點(diǎn)時(shí)，節(jié)點(diǎn)會(huì)復(fù)制資料，再傳送到下一個(gè)節(jié)點(diǎn)，同時(shí)識(shí)別對(duì)應(yīng)此節(jié)點(diǎn)的資料，則會(huì)進(jìn)行對(duì)應(yīng)的處理，若節(jié)點(diǎn)需要送出資料，也會(huì)在傳送到下一個(gè)節(jié)點(diǎn)的資料中插入要送出的資料。每個(gè)節(jié)點(diǎn)接收及傳送資料的時(shí)間少于1微秒，一般而言只用一個(gè)幀的資料就可以供所有的網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)傳送及接收資料。

通訊協(xié)定

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EtherCAT通訊協(xié)定是針對(duì)程序資料而進(jìn)行優(yōu)化，利用標(biāo)準(zhǔn)的IEEE 802.3以太網(wǎng)幀傳遞，Ethertype為0x88a4。其資料順序和網(wǎng)站上設(shè)備的實(shí)體順序無(wú)關(guān)，定址順序也沒(méi)有限制。主站可以和從站進(jìn)行廣播及多播等通訊。若需要IP路由，EtherCAT通訊協(xié)定可以放入U(xiǎn)DP/IP資料包中。

性能

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EtherCAT的周期時(shí)間短，是因從站的微處理器不需處理以太網(wǎng)的封包。所有程序資料都是由從站控制器的硬件來(lái)處理。此特性再配合EtherCAT的機(jī)能原理，使得EtherCAT可以成為高性能的分散式I/O系統(tǒng)：包含一千個(gè)分散式數(shù)位輸入/輸出的程序資料交換只需30us，相當(dāng)于在100Mbit/s的以太網(wǎng)傳輸125個(gè)字節(jié)的資料。讀寫(xiě)一百個(gè)伺服軸的系統(tǒng)可以以10kHz的速率更新，一般的更新速率約為1–30kHz，但也可以使用較低的更新速率，以避免太頻繁的直接內(nèi)存存取影響主站個(gè)人電腦的運(yùn)作。?[2]?

拓?fù)?/h3>

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EtherCAT使用全雙工的以太網(wǎng)實(shí)體層，從站可能有二個(gè)或二個(gè)以上的埠。若設(shè)備沒(méi)偵測(cè)到其下游有其他設(shè)備，從站的控制器會(huì)自動(dòng)關(guān)閉對(duì)應(yīng)的埠并回傳以太網(wǎng)幀。由于上述的特性，EtherCAT幾乎支持所有的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，包括總線式、樹(shù)狀或是星狀，現(xiàn)場(chǎng)總線常用的總線式拓?fù)湟部梢杂迷谝蕴W(wǎng)中。

EtherCAT的拓?fù)淇梢杂镁W(wǎng)絡(luò)線、分枝或是短線（stub）作任意的組合。有三個(gè)或三個(gè)以上以太網(wǎng)接口的設(shè)備就可以當(dāng)作分接器，不一定一定要用網(wǎng)絡(luò)交換器。 由于使用100BASE-TX的以太網(wǎng)物理層，二個(gè)設(shè)備之間的距離可以到100米，一個(gè)EtherCAT區(qū)段的網(wǎng)絡(luò)最多可以有65535個(gè)設(shè)備。若EtherCAT網(wǎng)絡(luò)是使用環(huán)狀拓?fù)洌ㄖ髡驹O(shè)備需要有二個(gè)通訊埠），則此網(wǎng)絡(luò)還有纜線冗余的機(jī)能。

同步

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為了系統(tǒng)的同步，EtherCAT協(xié)定中有提供分散式時(shí)鐘機(jī)制，即使通訊循環(huán)周期有抖動(dòng)，時(shí)鐘的抖動(dòng)遠(yuǎn)小于1μs，大約接近IEEE 1588精密時(shí)間協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)。因此EtherCAT的主站設(shè)備不需針對(duì)時(shí)鐘使用特殊的硬件，可以用軟件實(shí)現(xiàn)在任何標(biāo)準(zhǔn)的的以太網(wǎng)MAC，即使沒(méi)有特殊的通訊協(xié)處理器也沒(méi)有關(guān)系。

標(biāo)準(zhǔn)建立分散式時(shí)鐘的程序是由主站送出一特定位址的廣播訊息給所有從站來(lái)啟動(dòng)。若使用環(huán)狀拓?fù)?，所有從站?huì)在收到訊息時(shí)閂鎖內(nèi)部時(shí)鐘，當(dāng)訊息回來(lái)時(shí)會(huì)再閂鎖內(nèi)部時(shí)鐘一次。主站會(huì)讀所有從站閂鎖的值，計(jì)算各個(gè)從站的延遲。為了消除抖動(dòng)的影響及求得平均值，主站會(huì)盡可能的多次進(jìn)行上述的程序。所有的從站延遲會(huì)依各從站在從站環(huán)狀拓?fù)涞奈恢脕?lái)計(jì)算，并記錄在一個(gè)偏移寄存器中。最后主站送出一個(gè)讀寫(xiě)系統(tǒng)時(shí)鐘的廣播訊息，會(huì)使第一個(gè)從站的時(shí)鐘為參考時(shí)鐘，其他從站的內(nèi)部時(shí)鐘會(huì)調(diào)整到和第一個(gè)從站相同。

為了在初始化后保持時(shí)鐘的同步，主站或從站需定期的再送出廣播訊號(hào)，以計(jì)算各個(gè)從站內(nèi)部時(shí)鐘的速度差異，若有需要時(shí)，從站需要可以調(diào)整自身時(shí)鐘的速度，或是有其他調(diào)整時(shí)鐘的機(jī)制。

系統(tǒng)時(shí)鐘是一個(gè)64位元的計(jì)時(shí)器，計(jì)數(shù)內(nèi)容是從2000年1月1日0點(diǎn)0分開(kāi)始所經(jīng)過(guò)的時(shí)間，單位是納秒（ns）。

設(shè)備行規(guī)

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設(shè)備行規(guī)（device profile）描述應(yīng)用需要的參數(shù)及設(shè)備的機(jī)能特性，包括可能依設(shè)備種類(lèi)而不同的狀態(tài)機(jī)。總線技術(shù)中已有許多可靠的設(shè)備行規(guī)，例如I/O設(shè)備、驅(qū)動(dòng)器或閥等設(shè)備。EtherCAT同時(shí)支持CANopen設(shè)備行規(guī)及Sercos驅(qū)動(dòng)器行規(guī)。從CANopen或Sercos移植到EtherCAT時(shí)，在應(yīng)用觀點(diǎn)看到的內(nèi)容是一様?shù)模部煞奖闶褂谜呋蛟O(shè)備制造商的轉(zhuǎn)換。

機(jī)能安全

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EtherCAT有一個(gè)加強(qiáng)的協(xié)定版本，稱(chēng)為Safety over EtherCAT，可以在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行機(jī)能安全相關(guān)的通訊和一般的控制通訊。此安全通訊是以EtherCAT的應(yīng)用層為基礎(chǔ)，不會(huì)影響底層的通訊協(xié)定。Safety over EtherCAT有通過(guò)IEC 61508的認(rèn)證，符合安全完整性等級(jí)（SIL）3的要求。自2005年起已有使用Safety over EtherCAT的產(chǎn)品上市。

實(shí)現(xiàn)

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EtherCAT主站可以用軟件，在標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)媒體接入控制器中實(shí)現(xiàn)。許多供應(yīng)商有提供在不同操作系統(tǒng)下的程式碼，也有許多開(kāi)源軟件或共享軟件。EtherCAT從站需要特殊的EtherCAT從站控制器，才能實(shí)現(xiàn)飛速傳輸（processing on the fly）的技術(shù)。EtherCAT從站控制器可以用FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)，且已有現(xiàn)成的代碼，此控制器也可以用ASIC來(lái)實(shí)現(xiàn)。

Ethercat與以太網(wǎng)的區(qū)別：

Ethercat修改了Ethernet數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，將Ethernet的對(duì)等模式變成了主從模式，因此沒(méi)有Ethernet的碰撞檢測(cè)和載波監(jiān)聽(tīng)。

EtherCAT（以太網(wǎng)控制自動(dòng)化技術(shù)）是一個(gè)以以太網(wǎng)為基礎(chǔ)的開(kāi)放架構(gòu)的現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)，它符合甚至降低了現(xiàn)場(chǎng)總線的使用成本。?EtherCat不使用標(biāo)準(zhǔn)的芯片，一般不使用交換機(jī)，軟件也不是標(biāo)準(zhǔn)的，對(duì)以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行了一些修改。

Ethernet是工業(yè)以太網(wǎng)，EtherCAT是基于Ethernet的一種通信技術(shù)，通過(guò)獨(dú)有的EtherCAT協(xié)議完成通信。通信性?xún)r(jià)比是目前為止最高的。ETG已經(jīng)逐漸將各大設(shè)備制造廠家的設(shè)備（主站和伺服等）連接在了一起，EtherCAT本身的兼容性也得到了最大的發(fā)揮。

Ethercat協(xié)議棧

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參考：

winCAT 的世界：基于 PC 的開(kāi)放式控制技術(shù)

倍福推出的基于 PC 的控制技術(shù)定義了自動(dòng)化領(lǐng)域的全球標(biāo)準(zhǔn)。

TwinCAT 3（The Windows Control and Automation Technology）是Beckhoff推出第一款基于PC的控制器。

在軟件方面，1996 年推出的 TwinCAT（The Windows Control and Automation Technology，基于 Windows 的控制和自動(dòng)化技術(shù)）自動(dòng)化套件是倍?？刂葡到y(tǒng)的核心部分。

通過(guò)與 TwinCAT 軟件結(jié)合使用，基于開(kāi)放性和高度可擴(kuò)展性原則，構(gòu)建優(yōu)化協(xié)調(diào)的自動(dòng)化解決方案。

TwinCAT 可將任何一個(gè)基于 PC 的系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為一個(gè)帶多個(gè) PLC、NC、CNC 和機(jī)器人實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)。

可模塊化擴(kuò)展的硬件和軟件組件便于隨時(shí)修改和添加功能，在需要時(shí)，控制解決方案具備的開(kāi)放性不僅允許集成第三方組件，還可以為現(xiàn)有設(shè)備和系統(tǒng)定制改造方案，這樣既能確保靈活性，又能保障客戶(hù)的投資安全。

TwinCAT 3 為工程技術(shù)開(kāi)辟了一條新的道路，并通過(guò)添加很多功能對(duì)實(shí)時(shí)內(nèi)核進(jìn)行擴(kuò)展。

工程環(huán)境完全集成在微軟的Visual Studio框架中，除了系統(tǒng)配置、運(yùn)動(dòng)控制、I/O和IEC61131 PLC編程語(yǔ)言之外，還可以進(jìn)行編程和調(diào)試。

TwinCAT 3 自動(dòng)化軟件(2張)

使用這些編程語(yǔ)言能夠創(chuàng)建可以在TwinCAT 3 實(shí)時(shí)內(nèi)核中執(zhí)行的模塊。能夠執(zhí)行的模塊數(shù)量幾乎無(wú)限。TwinCAT 3中的任務(wù)數(shù)量也得到了顯著提升。TwinCAT 3 實(shí)時(shí)內(nèi)核環(huán)境使得模塊能夠裝載到一個(gè)多核處理器的不同核上。

TwinCAT?是德國(guó)BECKHOFF公司開(kāi)發(fā)的基于Windows 操作系統(tǒng)的控制軟件，它是Windows操作系統(tǒng)下優(yōu)先級(jí)最高的線程。它借助工業(yè)PC或者嵌入式PC的強(qiáng)大運(yùn)算能力，使其變成一個(gè)功能強(qiáng)大的PLC及運(yùn)動(dòng)控制器，安裝在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)控制各種生產(chǎn)設(shè)備。

TwinCAT 于 1995 年首次推出市場(chǎng)，現(xiàn)在有兩種版本并存： TwinCAT 2 和 TwinCAT 3，以下簡(jiǎn)稱(chēng) TC2 和 TC3。

TC2 是上世紀(jì) 90 年代的軟件產(chǎn)品，針對(duì)單核 CPU 及 32 位操作系統(tǒng)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)。

TC3發(fā)布于2010年，支持32位或64位操作系統(tǒng)，支持多核CPU可以發(fā)揮全部 CPU 的運(yùn)算能力。

TC3和TC2除了開(kāi)發(fā)界面有所不同之外，編程、調(diào)試、通訊的原理和操作方法都幾乎完全相同。

TC2由PLC Control、System Manager和Scope View 等3種軟件實(shí)現(xiàn)的編程、配置、電子示波器功能。

TC3 把他們都作為插件集成在開(kāi)發(fā)環(huán)境 Microsoft Visual Studio中，增加了C/C++和Matlab/Simulink，以及面向?qū)ο缶幊?OOP)的支持。

相對(duì)于傳統(tǒng)的控制器， TwinCAT 為軟控制器，最大的特點(diǎn)是軟件與硬件分離。同樣的程序可以運(yùn)行在不同的PC上，也可以用來(lái)控制不同廠家的 IO 模塊以及驅(qū)動(dòng)器，兼容多種現(xiàn)場(chǎng)總線。

TwinCAT 軟PLC與傳統(tǒng)的PLC相比，CPU、存儲(chǔ)器和內(nèi)存資源都有了質(zhì)的提升。運(yùn)算速度快，尤其是傳統(tǒng) PLC 不擅長(zhǎng)的浮點(diǎn)運(yùn)算，比如多路溫控、液壓控制以及其它復(fù)雜算法時(shí)，TwinCAT PLC 可以輕松勝任。數(shù)據(jù)區(qū)和程序區(qū)僅受限于存儲(chǔ)介質(zhì)的容量。隨著IT技術(shù)的發(fā)展，用戶(hù)可以訂購(gòu)的存儲(chǔ)介質(zhì)CF卡、 Cfast卡及硬盤(pán)的容量越來(lái)越大，CPU的速度越來(lái)越快，價(jià)格也越來(lái)越便宜。因此TwinCAT PLC在需要處理和存儲(chǔ)大量數(shù)據(jù)比如趨勢(shì)、配方和文件時(shí)優(yōu)勢(shì)明顯。

TwinCAT 軟NC和傳統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制卡、運(yùn)動(dòng)控制模塊一樣，可以實(shí)現(xiàn)單軸定位運(yùn)動(dòng)、多軸聯(lián)動(dòng)、 3軸插補(bǔ)，也可以執(zhí)行G代碼文件。都是通過(guò)調(diào)用 IEC61131-3 中定義的標(biāo)準(zhǔn)的運(yùn)動(dòng)控制 FB來(lái)實(shí)現(xiàn)，與所有支持該標(biāo)準(zhǔn)的運(yùn)動(dòng)控制器廠商的指令集兼容。 Beckhoff公司開(kāi)發(fā)了幾乎所有驅(qū)動(dòng)器接口類(lèi)型Driver，包括總線通訊（CanOpen、 Sercos、 ProfiDrive 等）、脈沖控制、模擬量+編碼器，因此TwinCAT NC 所控制的255個(gè)軸可以獨(dú)立選擇或者修改任意接口類(lèi)型，而運(yùn)動(dòng)控制的PLC程序保持不變。由于運(yùn)動(dòng)控制器和PLC實(shí)際上工作于同一臺(tái)PC，二者之間的通訊只是兩個(gè)內(nèi)存區(qū)之間的數(shù)據(jù)交換，其數(shù)量和速度都遠(yuǎn)非傳統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制器可比。這使得凸輪耦合、自定義軌跡運(yùn)動(dòng)時(shí)數(shù)據(jù)修改非常靈活，并且響應(yīng)迅速。此外，Beckhoff公司還開(kāi)發(fā)了基于 winCAT NC的多種擴(kuò)展功能，包括機(jī)器人坐標(biāo)變換及輔助功能、按位置序列表實(shí)現(xiàn)多軸聯(lián)動(dòng)的 FIFO 通道，飛剪功能，張力控制功能等等。這些擴(kuò)展功能還在不斷豐富中。

TwinCAT的性能最主要依賴(lài)于CPU， Beckhoff公司提供PC控制平臺(tái)的完整產(chǎn)品線，CPU從單核ARM9 400MHz到12核Intel Xeon 2.4 GHz，多達(dá)20幾個(gè)性能等級(jí)。盡管控制器種類(lèi)繁多，無(wú)論是安裝在導(dǎo)軌上的EPC，還是安裝在電柜內(nèi)的Cabinet PC，還是集成到顯示面板的面板式PC，其控制原理、軟件操作都一模一樣，同一套程序可以移值到任何一臺(tái)PC-Based控制器上運(yùn)行。所以用戶(hù)在樣機(jī)開(kāi)發(fā)階段選擇相對(duì)高配的控制器以滿足功能擴(kuò)展的需求，而量產(chǎn)階段功能需求已經(jīng)穩(wěn)定，就可以根據(jù)實(shí)際情況選擇最經(jīng)濟(jì)合理的控制器。文章來(lái)源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-476465.html

到了這里，關(guān)于[工業(yè)互聯(lián)-9]：EtherCAT（以太網(wǎng)控制自動(dòng)化技術(shù)）+TwinCAT 在生產(chǎn)自動(dòng)化控制中的應(yīng)用 、的文章就介紹完了。如果您還想了解更多內(nèi)容，請(qǐng)?jiān)谟疑辖撬阉鱐OY模板網(wǎng)以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章，希望大家以后多多支持TOY模板網(wǎng)！