EtherCAT数字控制总线底漆

ETHERCAT底漆

1.EtherCAT -这是什么?

多年来，需要开放的低成本数字控制总线用于自动化和运动控制。有些是可用的，但有专有技术。随着EtherCAT的引入，它已成为基于以太网的控制总线的公开标准。

EtherCAT专为工业外围设备的确定性控制而设计，包括但不限于伺服和步进驱动器、I/O模块、传感器和编码器。基本上，任何EtherCAT设备都可以连接到给定的网络。作为一种开放技术，EtherCAT可以根据系统架构使用多个协议处理多个功能。出于本文的目的，我们将重点讨论在闭环运动和I/O控制系统中使用EtherCAT运行CoE (CanOpen over EtherCAT)协议。还提到了其他EtherCAT协议。

EtherCAT已经被越来越多的自动化和控制组件供应商接受为首选总线。原因包括性能、多功能性和易于实现。在我写这篇文章的时候，有超过80个I/O供应商，110个不同的驱动器供应商(从)和超过150个主控制器可用。EtherCAT也已成为半导体行业的公认标准，使其成为采用和实施最多的工业控制网络

EtherCAT技术克服了其他以太网解决方案的系统限制。也就是说，不再接收到以太网数据包，然后在每个连接处解释并将其作为进程数据复制。相反，通过新开发的FMMU（现场总线存储器管理单元）在从每个从节点中进行以太网帧[电报]，该从节点在电报转发到下一个设备时读取到它的数据。帧仅在每个节点中的微秒部分延迟，并且只有一个帧可以解决许多节点。

2.实施
传统的闭环伺服系统包括10个或多个电线加驱动启用的模拟命令和编码器位置反馈。对于高轴计数系统，各个连接可以加起来。模拟系统中的性能很好，但是有短暂的拍摄。没有能力读取或写入驱动器参数信息。运动控制器和驱动器是系统中的两个单独单元。该系统的分辨率通常为12-16位，命令，编码器脉冲计数通常由于频率限制而具有电动机速度的折衷。

随着系统分辨率要求的增加和更高的轴数系统变得越来越普遍，对运动/机器控制器和伺服驱动器之间的智能接口的需求是必要的。EtherCAT通过为各种外设(包括驱动器和I/O控制)提供简单、灵活、廉价的数字接口，满足了这一需求。

传统的三轴模拟伺服系统每轴至少需要10根线。

EtherCAT给伺服控制系统带来了一些明显的优势:

• 取代模拟速度或扭矩命令到伺服驱动器，编码器位置反馈，驱动器启用与单一Cat5e电缆。
• 在速度命令系统中可以实现更高的系统分辨率 - 32位与12-16位速度参考。
• 布线成本大大降低和简化。容易扩展。
• 主控制器可以读取和写入参数数据的驱动器，使一个更多功能和集成的系统。
• 驱动参数可以在上电时由主机发送，简化配置和更换。
• 对用户透明——从用户程序的角度来看，EtherCAT系统运行与模拟系统相同。

EtherCAT设备可以在线，星形或树拓扑中连接。运动控制系统中最常见的是线路配置，也称为下面所示的菊花。在此配置中，不需要额外的以太网交换机，保持系统成本低。可以使用标准EtherCAT设备轻松创建树配置，或者使用特殊的EtherCAT支持的开关进行星形配置来处理电报数据包传输。无论物理拓扑如何，都有一个单个EtherCAT电报，在一个“逻辑”路径上围绕整个网络转发。主控制器将在此路径上以顺序找到从设备，并根据其通过网络基于其位置，自动将其分配地址。或者，可以通过硬件交换机设置从设备的特定节点地址。

运动控制中最常用的EtherCAT配置是“Line”连接

由于采用100Base-T以太网物理层，任意两个节点之间的距离可达100m。如果EtherCAT网络以环形配置布线(需要主设备上的两个端口)，它可以提供电缆冗余。在大多数系统中，通常不使用或不需要这种冗余。EtherCAT主机可以在PC或嵌入式控制器的软件中使用任何标准以太网MAC实现。

对于从设备，需要一个EtherCAT从控制器（ESC），以便执行“动态”原理。这通常使用FPGA，ASIC或微处理器来实现。在常用的行配置中，链中的最后一个从站将自动关闭打开的端口并返回以太网帧，如果未检测到下游设备。从设备通常具有两个端口，但可能只有一个端口，旨在坐在网络的末尾。

EtherCAT使用分布式时钟(DC)技术克服了标准以太网TCP/IP的不确定性。这使得EtherCAT网络能够在主从机之间提供精确的时间同步，以保证协调运动控制所需的确定性操作。分布式时钟技术导致非常低的抖动，明显小于1µs，在同步主从之间，即使通信周期抖动。建立分布式时钟的典型过程是由主服务器向所有从服务器发送一个广播到某个地址。在接收到这个消息后，所有的奴隶将锁住他们的内部时钟的值两次，一次是在消息被接收时，一次是在消息返回时。然后，主服务器可以读取所有锁存值，并计算每个从服务器的延迟。这个过程可以重复许多次，以减少抖动和平均出来的值。根据每个从服务器在从服务器环中的位置计算总延迟，并将其上传到偏移寄存器。最后，主机在系统时钟上发出广播读/写。

在某些系统中，第一个从站是迫使所有其他从站的引用时钟适当地使用现在已知的偏移来设置其内部时钟。其他独立的EtherCAT主机如Trio的MC4X系列启动并维护参考时钟。

2．1．的EtherCAT电报
包含EtherCAT数据的简化以太网帧如下所示。EtherCAT协议在以太网帧内使用正式分配的0x88a4的EtherType。当从设备接收到以太网帧时，它首先要查看以太网，以确定它是否应该处理数据。否则，数据包已发送，并且没有完成。唯一的EtherType的优点允许在以太网帧内直接传输控制数据，而无需重新定义标准以太网帧。

用于闭环运动控制的典型电报将包含几个数据报，一个数据报对应一个被发送的命令。数据报的数量将根据所执行的功能而变化。数据报的长度将根据系统中从节点的数量而变化(我们将从节点定义为伺服驱动器、远程I/O模块或编码器)。

由主机发出特定的命令进行闭环运动控制。其中包括分布式系统时钟、处理数据对象(PDOs)和用于服务通道类型数据的邮箱。

每个数据报都以一个10字节的头开始，其中包含一个特定的EtherCAT命令。接下来是该命令所需的任何数据。工作计数器(WKC)终止每个数据报。WKC使主服务器能够监控电报在网络中传递时成功发生的内存交易的数量，也允许主服务器检测网络中缺失的节点。

在我们的示例中，分布式时钟(DC)是第一个数据报命令。正如前面提到的，DC将所有从服务器同步到主服务器。下一个数据报是逻辑读/写(LRW)命令，用于写入新的命令位置和从伺服驱动器读取实际位置。运动控制电报的第三个数据报是邮箱。电报中的邮箱是一种与网络上的任何节点读或写异步数据的机制。在主服务器上运行的用户程序可能想从从服务器请求数据。例如，在伺服驱动中，这可能是电机扭矩或母线电压。由于EtherCAT运动协议是基于CiA402 CanOpen标准的，从机字典中的任何有效对象都可以用来与主机交换数据。

2.2。初始化网络
在EtherCAT网络可以操作之前，必须首先初始化它。通过通过一系列四个州，主机通过主机自动初始化网络初始化网络。

在网络初始化之前，主服务器需要参数来识别和配置从服务器。从设备的制造商为此目的提供了ESI (EtherCAT从信息)数据文件。在大多数主机运行之前，将ESI文件加载到主控制器中。Trio MC4x系列为许多常用的从机维护了一个预加载ESI参数库，以方便自动配置，大大简化了新网络的调试。

在上电时，主站首先进入初始化（init）状态以识别网络上的所有从设备。在Init状态下，为ESC从芯片内的数据交换配置了低级邮箱。在成功完成INIT状态后，输入预op状态，该状态可以获得对邮箱的访问，并设置从属的COE对象。第三个状态是安全操作，主站开始包括I / O数据的循环数据传输。传输速率是由特定主设备定义的伺服周期。

最终状态是运行，将从站放入完整的运行模式。

下面展示了一个系统初始化示例，配置输出打印在Trio MC4x EtherCAT主机的终端窗口中。在这里，控制器在节点0标识一个具有网络I/O的系统，在节点0-5标识几个供应商驱动器。

>>
Ethercat状态：init（0）
Ethercat状态：预运作（0）
Ethercat状态：安全操作（0）
Ethercat状态：运营（0）
EtherCAT配置（0）：
750-354：0：3：1003（24：16/24：16/0：0/0：0）+（0）
SD RS2：1：0：1（1）
Sgdv: 2: 0: 2 (2)
AKD：3：0：3（3）
AMC：4：0：4（5）
Amc: 5: 0: 5 (6)
>>

3.性能
由于从设备中的主微处理器不涉及以太网分组的处理以传送过程图像的处理，因此EtherCAT非常适合于短循环时间。处理数据通信在具有非常低的传播延迟（<1μs）中的从ESC芯片硬件中处理。由于这种非常小的延迟和高带宽利用率，Ethercat拥有一些令人印象深刻的数字。可以在100μs和1000个数字I / O点以100μs地址到100个伺服轴（每个伺服轴（均为8bytes）。当然，其他因素可能会限制系统性能。

典型的EtherCAT运动控制系统具有1-5kHz的循环更新速率，最大在1-2KHz范围内。伺服周期的更新速率由主站设置，通常不需要更改，但是主机中的用户可设置参数。

因为EtherCAT是一个完全数字接口，所以可以实现高位分辨率。该协议基于发送和接收32位位置命令，导致最大位置为4,294,967,296计数。许多伺服驱动器支持反馈分辨率2^20.每次电机革命提供高达1,048,576个计数。具有传统正交编码器的高速频率限制（如系统）不是数字域中的问题。

具有非常高的轴数和更复杂的动作的系统，例如传动，凸轮和插值，可能会发现需要调整更新速率。这是为了适应大师所需的电报大小和计算开销。

4.协议
EtherCAT构建在标准IEEE 802.3以太网框架上，可以同时支持多种协议。这些包括;CanOpen over EtherCAT (CoE)， File over EtherCAT (FoE)， Safety over EtherCAT (FSoE)， Servo (Sercos) over EtherCAT (SoE)， Ethernet over EtherCAT (EoE)。尽管EtherCAT规范定义了所有这些协议，但slave只能实现其成功操作所必需的协议。

4.1。Coe - Canopen在Ethercat上
CoE由CAN In Automation (CiA)小组开发，包括底层的CanOpen应用层和通信配置文件(CiA 301)和几个设备配置文件，包括用于驱动和运动控制的CanOpen配置文件(CiA 402)。

COE是在EtherCAT控制系统中使用的主要协议，利用循环运动控制的明确定义的CANopen规范。适应over以太卡运行的协议是直截了当的，对于已经熟悉CANopen的许多供应商。标准CANopen对象用于将数据与从设备交换。

4．2.敌人-通过EtherCAT文件
文件通过EtherCAT允许使用诸如伺服驱动器之类的设备进行文件传输。这可以用来从主服务器上传固件或类似文件到从服务器。

4.3。FSOE - 以太网故障安全
为运动概述的数据报携带被认为是“不安全的”信息。也就是说，从机接收和执行的数据在设备之间不进行验证。FSoE，也被称为EtherCAT上的功能安全，定义了一个安全通信层，或“黑通道”，用于在支持FSoE设备之间传输安全流程数据。FSoE符合IEC 61508安全完整性等级(SIL) 3的要求，能够在同一通信系统上传输安全和标准信息，而不受传输速度和周期时间的限制。

EtherCAT上的安全使用两个FSoE设备之间的主/从关系。确保每个设备只有在收到新的有效消息后才返回自己的新消息。因此，在每个周期中，主控机和从机之间的完整传输路径被监控。这使得协议的实现非常精简，在通信系统访问方面有适度的要求，因为不需要时间同步的硬性计时。

EtherCAT master不必是安全master，这意味着经过认证的FSoE设备可以添加到任何适当启用的EtherCAT网络中，而不需要EtherCAT master本身进行认证。

4.4。SOE - 伺服（SERCOS）过度醚
SOE协议采用像以太卡上的标准标准的SERCOS，特别是用于运动控制应用。访问驱动器中驻留在驱动器中的所有参数和函数的访问基于EtherCAT邮箱。像Canopen一样，焦点是与现有协议兼容（访问IDN的值，属性，名称，单位等）。有很少的主人支持SOE，因为与更流行的COE协议相比，有很少的驱动器和外围从属选项。

4.5。EOE - 以太网上以太网
EtherCAT技术完全以太网兼容。无法通过EtherCAT开关端口连接到EtherCAT网络的以太网设备类型。以太网帧通过EtherCAT协议进行隧道，这是Internet应用程序的标准方法。EtherCAT网络对以太网设备完全透明，实时特性不会受损。

结论
EtherCAT继续获得越来越多的自动化和控制组件供应商的接受，作为首选的数字总线，在所有工业控制网络中采用和实现率最高。优势包括:通过实时处理以太网帧来实现最高的性能，通过消除对交换机的需求来降低安装成本，使用标准屏蔽以太网电缆简化主设备和从设备之间的连接。此外，可以很容易地将节点添加到现有系统中，以增加轴数和系统I/O。

除了文件传输(FoE)和安全(FSoE)之外，EtherCAT还提供了灵活性，以满足当前和未来机器和运动控制市场的需求。随着越来越多的供应商采用EtherCAT，用户将成为大量可用设备的最终受益者。