EtherCAT技术介绍-cn

10.07.2012以太网现场总线EtherCAT:-速度更快-同步性-工业以太网-灵活-应用简单-成本低廉-实施轻松-经实践考验-开放性-一致性-安全性-冗余性-通用性©EtherCATTechnologyGroup,20102•EtherCAT一网到底，协议处理直达I/O层•无任何下层子总线EtherCAT–以太网现场总线EtherCAT:-速度更快-同步性-工业以太网-灵活-应用简单-成本低廉-实施轻松-经实践考验-开放性-一致性-安全性-冗余性-通用性©EtherCATTechnologyGroup,20103•其他技术需要本地I/O循环+网关FieldbusControllerMasterforLocalExtensionBusCPURAMFlashDriverI/OI/OI/OI/OFieldbusControllerI/OCPURAMFlashDriverEtherCAT–以太网现场总线EtherCAT:-速度更快-同步性-工业以太网-灵活-应用简单-成本低廉-实施轻松-经实践考验-开放性-一致性-安全性-冗余性-通用性©EtherCATTechnologyGroup,20104•EtherCAT:RealtimedowntotheI/OEtherCATControllerEtherCATControllerDriverEtherCATControllerEtherCATControllerEtherCATControllerEtherCAT–以太网现场总线EtherCAT:-速度更快-同步性-工业以太网-灵活-应用简单-成本低廉-实施轻松-经实践考验-开放性-一致性-安全性-冗余性-通用性©EtherCATTechnologyGroup,20095EtherCAT–以太网现场总线•EtherCAT一网到底，协议处理直达I/O层•无任何下层子总线•无网关延迟•单一系统即可涵盖所有设备：输入输出，传感器，执行器，驱动，显示….EtherCAT:-速度更快-同步性-工业以太网-灵活-应用简单-成本低廉-实施轻松-经实践考验-开放性-一致性-安全性-冗余性-通用性©EtherCATTechnologyGroup,20096EtherCAT速度更快•传输速率:–2x100Mbit/s(高速以太网,全双工模式)•刷新时间:–256数字量I/O：11µs–分布于100节点的1000开关量I/O：30µs=0.03ms–200模拟量I/O(16bit)：50µs,采样率20kHz–100伺服轴(每个8ByteIN+OUT)：100µs=0.1ms–12000数字量I/O：350µsEtherCAT:-速度更快-同步性-工业以太网-灵活-应用简单-成本低廉-实施轻松-经实践考验-开放性-一致性-安全性-冗余性-通用性©EtherCATTechnologyGroup,20097•I/O和驱动使用的以太网带宽：–以太网帧:≥84Bytes（含：帧前导+帧间间隙）–每节点4Byte输入+4Byte输出:•有效带宽使用率4,75%@每个节点响应时间为0µs•有效带宽使用率1,9%@每个节点响应时间为10µsEtherCAT速度更快EthernetHeaderData:≥46BytesCRCDatapayload:e.g.2Bit..6Byte4Bytes22BytesIPG12BytesNodereactiontimeEthernetHeaderData:≥46BytesCRCIPGRequestwithoutputdataMasterResponsewithinputdataI/OEtherCAT:-速度更快-同步性-工业以太网-灵活-应用简单-成本低廉-实施轻松-经实践考验-开放性-一致性-安全性-冗余性-通用性©EtherCATTechnologyGroup,20098EtherCAT速度更快•不同通讯方式的带宽利用率比较:–每节点4Byte用户数据:•轮询/时间片:~2..5%–每节点2Bit用户数据:•EtherCAT:~80..97%(全双工,2x100MBit/s)0102030405060708090100Polling/TimeslicingEtherCATEtherCAT:-速度更快-同步性-工业以太网-灵活-应用简单-成本低廉-实施轻松-经实践考验-开放性-一致性-安全性-冗余性-通用性©EtherCATTechnologyGroup,20099运行原理:飞速传输的以太网帧•如同一个高速火车:–“火车”(以太网帧)不停地飞速行驶–即便从狭窄的窗户也可以看到整个“火车”–“车厢”(子报文)长度可变–可以在每列“火车”经过时“提取”或“插入”单独的“乘客”(Bit)或整个“一组乘客”—甚至是多组乘客Car27EtherCAT:-速度更快-同步性-工业以太网-灵活-应用简单-成本低廉-实施轻松-经实践考验-开放性-一致性-安全性-冗余性-通用性©EtherCATTechnologyGroup,200910SlaveDeviceEtherCATSlaveControllerSlaveDeviceEtherCATSlaveController•在帧的传输过程中过程数据被提取或插入:–每个从站的过程数据量几乎无限制（1Bit…60Kbyte,如果需要则使用几个以太网帧传输）–每一个循环中帧的报文数据构成可以不同。如：超短循环时间用于轴数据，稍长循环用于I/O刷新–支持异步的、事件触发的通信运行原理:飞速传输的以太网帧EtherCAT:-速度更快-同步性-工业以太网-灵活-应用简单-成本低廉-实施轻松-经实践考验-开放性-一致性-安全性-冗余性-通用性©EtherCATTechnologyGroup,200911运行原理:飞速传输的以太网帧•隐含式寻址方式实现协议消耗最小化–针对分布式I/O的优化报文结构–通讯完全在硬件中完成—最优性能（+可预测）！–若网络中全部为EtherCAT设备，则无需交换机–出色的诊断功能–保留对以太网的兼容性MasterEthernetHeaderECATHDRPLCDataNCDataDatanEthernetHDR1HDR2HDR2EtherCAT:-速度更快-同步性-工业以太网-灵活-应用简单-成本低廉-实施轻松-经实践考验-开放性-一致性-安全性-冗余性-通用性©EtherCATTechnologyGroup,200912性能比较:应用案例•40轴(每轴20Byte输入和输出数据)•50I/O站，共计560个EtherCAT总线端子模块•2000个数字量+200个模拟量,总线长度500米•EtherCAT:循环时间=276µs总线负载44%,报文长度=122µs在这样短的循环时间下，仍有56%的带宽为其他通讯保留，如TCP/IP。EtherCAT:-速度更快-同步性-工业以太网-灵活-应用简单-成本低廉-实施轻松-经实践考验-开放性-一致性-安全性-冗余性-通用性©EtherCATTechnologyGroup,200913‘慢速’系统同样受益于EtherCAT总线周期总线周期总线周期总线周期总线周期总线周期总线周期TmpdTI/OTI/OTI/OTI/OTI/OTI/OTI/OTI/OTI/OTI/OTI/OTI/OTI/OTI/OTI/OPLCTaskOIPLCTaskOIPLCTaskOIPLCTaskOIPLCTaskI输入(最差情况)输出最佳情况的响应时间Tmpd:主站处理延迟TI/O:本地I/O刷新时间(本地子总线+固件刷新)最差情况的响应时间输出(最佳情况)传统现场总线I/O的响应时间EtherCAT:-速度更快-同步性-工业以太网-灵活-应用简单-成本低廉-实施轻松-经实践考验-开放性-一致性-安全性-冗余性-通用性©EtherCATTechnologyGroup,200914‘慢速’系统同样受益于EtherCAT采用EtherCAT的系统结构:TmpdTI/OTI/OTI/OTI/OTI/OTI/OTI/OTI/OTI/OTI/OTI/OTI/OTI/OTI/OTI/OPLCTaskOIPLCTaskOIPLCTaskOIPLCTaskOIPLCTaskI无需底层扩展总线无需专用的主站设备总线周期总线周期总线周期总线周期总线周期总线周期总线周期EtherCAT:-速度更快-同步性-工业以太网-灵活-应用简单-成本低廉-实施轻松-经实践考验-开放性-一致性-安全性-冗余性-通用性©EtherCATTechnologyGroup,200916‘慢速’系统同样受益于EtherCATEtherCAT系统的响应时间:•采用同样的控制器，EtherCAT系统的响应时间显著减少•无底层本地I/O循环及扩展总线延时•非常简单的协议使得无需再使用专用的主站系统（如主站插卡）PLCTaskOIPLCTaskOIPLCTaskOIPLCTaskOIPLCTaskI输入(最差的情况)输出最差的情况输入(最好的情况)最好的情况EtherCAT总线周期EtherCAT:-速度更快-同步性-工业以太网-灵活-应用简单-成本低廉-实施轻松-经实践考验-开放性-一致性-安全性-冗余性-通用性©EtherCATTechnologyGroup,200917ControlSystem,e.g.IPC现场总线:要求控制系统内实现映射•传统现场总线系统需生成物理过程映像区•该物理映像区必须映射为逻辑过程映像区现场总线卡/主站卡逻辑过程映像区PLCDataDatanNCDataDPRAMnode1node2node3node4节点1节点2节点3节点4映射EtherCAT:-速度更快-同步性-工业以太网-灵活-应用简单-成本低廉-实施轻松-经实践考验-开放性-一致性-安全性-冗余性-通用性©EtherCATTechnologyGroup,200918现场总线:要求控制系统内实现映射•仅有一个映像区的系统亦如此•映射过程是必须的ControlSystem,e.g.PLC现场总线卡/主站卡逻辑过程映像区DPRAMnode1node2node3node4节点1节点2节点3节点4映射EtherCAT:-速度更快-同步性-工业以太网-灵活-应用简单-成本低廉-实施轻松-经实践考验-开放性-一致性-安全性-冗余性-通用性©EtherCATTechnologyGroup,200919EtherCAT:映射过程转移到从站设备•大大减轻控制系统负担，主站变得非常简单•数据根据应用要求被传输：非常快速，灵活，高效！PLCDataNCDataDatanEthernet高达4GByte的逻辑过程映像区HDR1HDR2HDR3报文1报文2报文nPLCDataDatanNCDataMasterEthernetHeaderECATHDREtherCAT:-速度更快-同步性-工业以太网-灵活-应用简单-成本低廉-实施轻松-经实践考验-开放性-一致性-安全性-冗余性-通用性©EtherCATTechnologyGroup,200921EtherCAT传输延时的测量(1)•EtherCAT节点可测试帧发出和返回的时间差EtherCAT幁进行处理的传输方向EtherCAT幁回传方向EtherCAT:-速度更快-同步性-工业以太网-灵活-应用简单-成本低廉-实施轻松-经实践考验-开放性-一致性-安全性-冗余性-通用性©EtherCATTechnologyGroup,200922IPCEtherCAT传输延时的测量(2)•EtherCAT节点测量帧离开和返回的时间差MasterEtherCAT:-速度更快-同步性-工业以太网-灵活-应用简单-成本低廉-实施轻松-经实践考验-开放性-一致性-安全性-冗余性-通用性©EtherCATTechnologyGroup,200923分布时钟•精准同步(1µs!)—通过分布时钟的精确校准实现M∆tIPCSMasterSSSSSSEtherCAT:-速度更快-同步性-工业以太网-灵活-应用简单-成本低