倍福EtherCAT介绍及应用
摘要：EtherCAT–用于控制和自动化技术的以太网EtherCAT是以太网现场总线●EtherCAT是直达I/O级的实时以太网。●再也无须下挂子系统●没有网关延时●输出输出,传感器，驱动器，显示单元: 所有设备位于同一个总线上。EtherCAT：更快传输速率:2x100Mbaud（全双工）刷新时间:●256开关量I/O：11μs●1000开关量I/O分布于100节点：30μs=0.03ms●200模拟量I/O（16位）：50μs,20kHz采样频率●100伺服轴（每8字节IN+OUT）：100
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EtherCAT –用于控制和自动化技术的以太网
EtherCAT 是以太网现场总线
●EtherCAT是直达I/O级的实时以太网。
●再也无须下挂子系统
●没有网关延时
●输出输出, 传感器，驱动器，显示单元: 所有设备位于同一个总线上。
EtherCAT ：更快
传输速率: 2 x 100 Mbaud
（全双工）
刷新时间:
●256开关量 I/O ：11 μs
●1000开关量 I/O 分布于 100 节点：30 μs = 0.03 ms
●200模拟量 I/O （16 位）：50 μs, 20 kHz 采样频率
●100伺服轴（每 8 字节 IN+OUT）： 100 μs = 0.1 ms
●12000开关量 I/O ： 350 μs
I/O和驱动使用的以太网带宽
以太网帧: ≥ 84 字节（incl. preamble + IPG Inter Packet Gap）
带宽使用比较:
●每节点4字节用户数据:
●polling/time slicing: ca. 2.5%
●广播（master → slaves）ca. 20…30%
●每节点2数据位的用户数据:
●EtherCAT:80…97%
实用原则: 以太网“飞一般”
通过绝对寻址，实现最小的协议头
优势:
●专门针对分布式I/O的优化报文结构
●完全的硬件通讯: 最好的性能
●若网络中只有EtherCat设备，则无须交换机●显著的诊断功能
●以太网兼容的维护性能
●可使用标准交换机
●通过交换机: 一个Mac地址可访问多达65535 个节点
“飞一般”的运算，节约时间
数据在报文传送期间可以修改或添加，而无需堆栈、缓存或分解/组合。
每个节点最小的报文延时最佳性能
EtherCAT 性能：
●40轴（每轴6字节输入/ 输出数据）
●50 I/O 站，总共560个 EtherCAT 总线端子
●2000数字量 + 200 模拟量I/O, 总线长度 500 m
●EtherCAT性能 : 循环时间 230μs at 33% 总线负载, 报文长度 77μs
●比较: 1 个CAN 帧（8 字节过程数据），在总线速率 500 kBit/s时: 250μs
"慢"的控制系统同样受益现有现场总线I/O的系统结构
使用 EtherCAT的反应时间
●反应时间明显降低–——同样的控制器性能
●再也没有下挂本地I/O循环和总线扩展延时
●得益于极其简单的协议，系统无需专门的主站
现场总线: 需要在控制系统中映射
●传统的现场总线系统生成一个物理的过程映像区●物理的过程映像区必须映射到逻辑过程映像区
直接内存访问节约时间
现场总线卡: 多达 30% 的 CPU 时间用于数据复制
EtherCAT: NIC 是PCI总线主站, 数据由DMA提供, 直接放到 PC 内存:
●CPU减负
●更高的性能
EtherCAT 传送延时的测量（I）
测量EtherCAT 节点数据帧发出和返回之间的时间差
可计算任意节点间的传送延时
EtherCAT 分布时钟
精确同步（<< 1 μs!），通过分布时钟的精确调整来实现！
使用SCOPE VIEW长期观察两个独立设备——300个节点，节点间电缆长度120米
EtherCAT 是工业以太网
●对 TCP/IP完全透明
●可使用所以英特网技术: HTTP, FTP, …
●无需严格的实时能力
●任何以太网设备均可连接到交换机的端口
●使用标准浏览器访问Web Server
●虚拟以太网交换机可路由任何以太网帧
●可从以太网段的内部及外部路由
EtherCAT 布线更为灵活
电信号: 100 baseTX and E-bus
E-bus: 低压差信号（LVDS）符合ANSI/TIA/EIA-644 用 IEEE 802.3ae标准
EtherCAT 代替 PCI
保护你的投资:
●现有总线系统的无缝集成
●过程映像区的刷新时间，经 PCI （500 字节输入/输出数据）: 400 μs
●过程映像区的刷新时间，经 EtherCAT（1500 字节输入/输出数据）: 150 μs
●不再在控制系统（IPC或PLC）中要求占一个槽
●然而却具备最大限度的扩展性
EtherCAT 配置容易
地址:
●无需要手动设置地址
●地址可以自动分配
●地址可保持–新加入节点后，不会改变原节点的地址
拓普结构:
自动拓普目标/实际对比
诊断:
精确定位诊断
网络规划:
性能独立于:
从站实例
拓普结构（无交换机/集线器）
EtherCAT 成本更低
主站:
减少了硬件，带来以下好处:
主板集成的以太网控制器实现实时功能，不需要通讯协处理器没有特殊的插入卡,主板集成的以太网口已足够
所以: 在主站端，有明显的成本优势
从站:
价廉物美的EtherCAT从站控制器实现通讯功能
对于简单的设备: 不需要 μC
实时特征普遍独立于μC 性能和堆栈处理时间
所以: 在从站端，也有明显的成本优势
底层结构:
标准的以太网电缆和连接器
没有交换机和集线器
所以:在底层结构上，也有明显的成本优势
实现/工具:
标准网络监视工具: Microsoft or EtherReal
剖析软件: 免费
不要求高分辨率的时间分析器
开发工具: 430 ? - 含从站样品代码
主站样品代码: 1000 ?
所以:入门成本低，实现成本低
从站:
开发工具，含样品代码（源代码）
所有时间性严格的功能都在ASIC或FPGA上实现
EtherCAT 发展良好
Quote Schuler 公司:
该系统使我们，在Schuler集团现在使用的所有应用中，实现了快速驱动和液压控制，另一个重要的因素是, 因为 EtherCAT的良好性能，我们还有足够的潜力在将来解决复杂的控制任务，而不会出现速度问题
EtherCAT上的安全技术
EtherCAT 安全协议: 符合 IEC 61508
●最初基于K-bus
●后也可直接基于EtherCAT
EtherCAT的高度实用性
在传输途径上:
主站热备冗余
电缆冗余
设备间轻便交换
网段之间的热连接
EtherCAT 应用场合
高速应用, e.g.:
包装机
高速印刷机
注塑机
木工机械
机床工具（CNC）
机器人技术
…
分布范围广的应用场合, e.g.:
物料处理,
logistics
数据采集
EtherCAT 应用场合
由于主站价格便宜，并且布线简单，可用于
小型嵌入式控制器
小型PLC
任何基于PC控制的应用–无论有或没有实时性要求
现在，EtherCAT 使得出于成本考虑，要求直接接线的场合也可以使用现场总线技术。