引言

现场总线已成为自动化技术的集成组件，通过大量的实践试验和测试，如今已获得广泛应用。正是由于现场总线技术的普及，才使基于PC的控制系统得以广泛应用。

虽然控制器CPU的性能(尤其是IPC的性能)发展迅猛，但传统的现场总线系统正日趋成为控制系统性能发展的“瓶颈”。急需技术革新的另一个因素则是由于传统的解决方案并不十分理想。传统的方案是，按层划分的控制体系通常都由几个辅助系统所组成(周期系统)：即实际控制任务、现场总线系统、 I/O 系统中的本地扩展总线或外围设备的简单本地固件周期。正常情况下，系统响应时间是控制器周期时间的3-5倍。

在现场总线系统之上的层面(即网络控制器)中，以太网往往在某种程度上代表着技术发

展的水平。该方面目前较新的技术是驱动或I/O级的应用，即过去普遍采用现场总线系统的这些领域。这些应用类型要求系统具备良好的实时能力、适应小数据量通讯，并且价格经济。EtherCAT可以满足这些需求，并且还可以在I/O级实现因特网技术。

以太网和实时能力

目前，有许多方案力求实现以太网的实时能力。例如，CSMA/CD介质存取过程方案，即禁止高层协议访问过程，而由时间片或轮循方式所取代的一种解决方案;另一种解决方案则是通过专用交换机精确控制时间的方式来分配以太网包。这些方案虽然可以在某种程度上快速准确地将数据包传送给所连接的以太网节点，但是CONTROL ENGINEERING China版权所有，输出或驱动控制器重定向所需要的时间以及读取输入数据所需要的时间都要受制于具体的实现方式。

如果将单个以太网祯用于每个设备，那么，理论上讲，其可用数据率非常低。例如，最短的以太网祯为84字节(包括内部的包间隔IPG)。如果一个驱动器周期性地发送4字节的实际值和状态信息，并相应地同时接收4字节的命令值和控制字信息，那么，即便是总线负荷为100%(即：无限小的驱动响应时间)时，其可用数据率也只能达到4/84= 4.8%。如果按照10 µs的平均响应时间估计，则速率将下降到1.9%。对所有发送以太网祯到每个设备(或期望祯来自每个设备)的实时以太网方式而言，都存在这些限制，但以太网祯内部所使用的协议则是例外。

EtherCAT工作原理

EtherCAT技术突破了其他以太网解决方案的系统限制：通过该项技术，无需接收以太网数据包，将其解码，之后再将过程数据复制到各个设备。EtherCAT从站设备在报文经过其节点时读取相应的编址数据，同样，输入数据也是在报文经过时插入至报文中。整个过程中控制工程网版权所有，报文只有几纳秒的时间延迟。

由于发送和接收的以太网祯压缩了大量的设备数据，所以可用数据率可达90%以上。100 Mb/s TX的全双工特性完全得以利用，因此CONTROL ENGINEERING China版权所有，有效数据率可以达到> 100 Mb/s (> 2 x 100 Mb/s的90%) (参见图3)。

符合IEEE 802.3标准的以太网协议无需附加任何总线即可访问各个设备。耦合设备中的物理层可以将双绞线或光纤转换为LVDS(一种可供选择的以太网物理层标准[4，5])，以满足电子端子块等模块化设备的需求。这样CONTROL ENGINEERING China版权所有，就可以非常经济地对模块化设备进行扩展了。之后，便可以如普通以太网一样，随时进行从底板物理层LVDS到100 Mb/s TX物理层的转换。

协议

EtherCAT是用于过程数据的优化协议，凭借特殊的以太网类型CONTROL ENGINEERING China版权所有，可以在以太网祯内直接传送。EtherCAT协议可包括几个EtherCAT报文，每个报文都服务于一块逻辑过程映像区的特定内存区域，该区域最大可达4GB字节。数据顺序不依赖于网络中以太网端子的物理顺序，可任意编址。从站之间的广播、多播和通讯均得以实现。如果需要实现最大化性能，并且需要将EtherCAT组件作为同一子网控制器进行操作，则可直接传送以太网祯。

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p;然而，EtherCAT不仅限于单个子网的应用。EtherCAT UDP将EtherCAT协议封装为 UDP/IP数据报文(参见图4)，这就意味着，任何以太网协议堆栈的控制均可编址到EtherCAT系统之中，甚至通讯还可以通过路由器跨接到其它子网中。显然，在这种变体结构中CONTROL ENGINEERING China版权所有，系统性能取决于控制的实时特性和以太网协议的实现方式。因为UDP数据报文仅在第一个站才完成解包，所以EtherCAT网络自身的响应时间基本不受影响。

另外，根据主/从数据交换原理，EtherCAT 也非常适合控制器之间(主/从)的通讯。自由编址的网络变量可用于过程数据以及参数、诊断、编程和各种远程控制服务，满足广泛的应用需求。同理，主站/从站与主站/主站之间的数据通讯接口相同。

从站到从站的通讯则有两种机制以供选择。一种机制是，上游设备和下游设备可以在同一周期内实现通讯，速度非常快。由于这种方法与拓扑结构高度相关，因此适用于由设备架构设计所决定的从站到从站的通讯，如打印或包装应用等。而对于自由配置的从站到从站的通讯，则可以采用第二种机制——数据通过主站进行中继。这种机制需要两个周期才能完成CONTROL ENGINEERING China版权所有，但由于EtherCAT的性能非常卓越，因此该过程耗时仍然小于采用其他方法所耗费的时间。

按照文献[3]所述，EtherCAT仅使用标准的以太网祯，无任何压缩。因此，EtherCAT 以太网祯可以通过任何以太网MAC发送，并可以使用标准工具(如：monitor)。

EtherCAT几乎支持任何拓扑类型CONTROL ENGINEERING China版权所有，包括线型、树型、星型等(参见图5)。通过现场总线而得名的总线或线型结构也可用于以太网，并且不受限于级联交换机或集线器的数量。

最有效的系统连线方法是对线型、分支或树叉结构进行拓扑组合。因为所需接口在I/O 模块等很多设备中都已存在，所以无需附加交换机。当然，仍然可以使用传统的、基于以太网的星型拓扑结构。

还可以选择不同的电缆以提升连线的灵活性：灵活、廉价的标准以太网补偿电缆可采用 100 Mb/s TX模式传送信号;塑封光纤(POF)可补充用于特殊应用场合;还可以通过交换机或介质转换器实现不同以太网连线(如：不同的光纤和铜电缆)的完整组合。

快速以太网的物理层(100 M b/s-TX)允许两个设备之间的最大电缆长度达到100米。由于连接的设备数量可达65535CONTROL ENGINEERING China版权所有，因此，网络的容量几乎没有限制。

精确同步对于同时动作的分布式过程而言尤为重要。例如，几个伺服轴同时执行协调运动时，便是如此。

最有效的同步方法是精确排列分布时钟(请参阅IEEE 1588标准[6])。与完全同步通讯中容易出现通讯故障CONTROL ENGINEERING China版权所有，立即影响同步品质的情况相比，分布排列的时钟对于通讯系统中可能存在的相关故障延迟具有极好的容错性。

采用EtherCAT，数据交换就完全基于纯硬件机制。由于通讯采用了逻辑环结构 (借助于全双工快速以太网的物理层)，主站时钟可以简单、精确地确定各个从站时钟传播的延迟偏移，反之亦然。分布时钟均基于该值进行调整，这意味着可以在网络范围内使用非常精确的、小于1 微秒的、确定性的同步误差时间基(参见图6)。而跨接工厂等外部同步则可以基于IEEE 1588 标准。

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nbsp; 此外，高分辨率的分布时钟不仅可以用于同步，还可以提供数据采集的本地时间精确信息。当采样时间非常短暂时，即使是出现一个很小的位置测量瞬时同步偏差，也会导致速度计算出现较大的阶跃变化控制工程网版权所有，例如，运动控制器通过顺序检测的位置计算速度便是如此。而在EtherCAT中，引入时间戳数据类型作为一个逻辑扩展，以太网所提供的巨大带宽使得高分辨率的系统时间得以与测量值进行链接。这样，速度的精确计算就不再受到通讯系统的同步误差值影响，其精度要高于基于自由同步误差的通讯测量技术。

EtherCAT使网络性能达到了一个新境界。借助于从站硬件集成和网络控制器主站的直接内存存取，整个协议的处理过程都在硬件中得以实现，因此，完全独立于协议堆栈的实时运行系统、CPU 性能或软件实现方式。1000个I/O的更新时间只需30 µs，其中还包括I/O周期时间。单个以太网祯最多可进行1486字节的过程数据交换，几乎相当于12000个数字输入和输出，而传送这些数据耗时仅为300 µs。

100个伺服轴的通讯也非常快速：可在每100µs中更新带有命令值和控制数据的所有轴的实际位置及状态，分布时钟技术使轴的同步偏差小于1微秒。而即使是在这种节奏下，带宽仍足以实现异步通讯，如TCP/IP、下载参数或上载诊断数据。

超高性能的EtherCAT技术可以实现传统的现场总线系统无法迄及的控制理念。EtherCAT使通讯技术和现代工业PC所具有的超强计算能力相适应，总线系统不再是控制理念的瓶颈，分布式I/O可能比大多数本地I/O接口运行速度更快。EtherCAT技术原理具有可塑性，并不束缚于100 M bps的通讯速率，甚至有可能扩展为1000 M bps的以太网。

诊断

现场总线系统的实际应用经验表明，有效性和试运行时间关键取决于诊断能力。只有快速而准确地检测出故障，并明确标明其所在位置CONTROL ENGINEERING China版权所有，才能快速排除故障。因此，在EtherCAT的研发过程中，特别注重强化诊断特征。

试运行期间，驱动或I/O 端子等节点的实际配置需要与指定的配置进行匹配性检查，拓扑结构也需要与配置相匹配。由于整合的拓扑识别过程已延伸至各个端子，因此，这种检查不仅可以在系统启动期间进行，也可以在网络自动读取时进行(配置上载)。

可以通过评估CRC校验，有效检测出数据传送期间的位故障——32 位CRC多项式的最小汉明距为4。除断线检测和定位之外，EtherCAT系统的协议、物理层和拓扑结构还可以对各个传输段分别进行品质监视控制工程网版权所有，与错误计数器关联的自动评估还可以对关键的网络段进行精确定位。此外，对于EMI影响、连接器破损或电缆损坏等一些渐变或变化的错误源而言，即便它们尚未过度应变到网络自恢复能力的范围，也可对其进行检测与定位。

高可靠性

选择冗余电缆可以满足快速增长的系统可靠性需求，以保证设备更换时不会导致网络瘫痪。增加冗余特性耗费不高，仅需在主站设备端增加使用一个标准的以太网端口(无需专用网卡或接口)，并将单一的电缆从总线型拓扑结构转变为环型拓扑结构。当设备或电缆发生故障时，也仅需一个周期即可完成切换。因此，即使是针对运动控制要求的应用，电缆出现故障时也不会有任何问题。

EtherCAT还支持主站在线待机冗余功能。一旦出现中断、设备故障等问题，EtherCAT从站控制器可以立即自动返回以太网祯，所以不会导致整个网络崩溃。例如：应用冗余链就可以指定分支配置，防止电缆断线。

安全

不管是使用硬件还是使用专用的安全总线系统，传统观念总是认为，自动化网络应与安全功能相分离。但EtherCAT所实现的安全功能可以在同一网络中将安全相关的通讯和控制通讯融合为一体。安全协议基于EtherCAT应用层，不受低层协议的影响，并遵循IEC61508 标准认证控制工程网版权所有，满足安全集成级(SIL)4的要求。数据长度可以变化的，因此该协议既完全适合于安全 I/O 数据，也适合于安全驱动技术。和其它EtherCAT数据一样，安全数据可以通过无安全功能的路由器或网关实现路由。目前，首批获得完全认证的EtherCAT安全产品已经上市。

EtherCAT取代PCI

随着PC组件急剧向小型化方向发展控制工程网版权所有，工业PC的体积日趋取决于插槽的数目。而快速以太网的带宽和EtherCAT通讯硬件的过程数据长度则为该领域的发展提供了新的可能性——IPC 中的传统接口现在可以转变为集成的EtherCAT接口端子。

除了可以对分布式I/O进行编址CONTROL ENGINEERING China版权所有，还可以对驱动和控制单元以及现场总线主站、快速串行接口、网关和其它通讯接口等复合系统进行编址。

即使是其他无协议限制的以太网设备变体CONTROL ENGINEERING China版权所有，也可以通过分布式交换机端口设备进行连接。由于一个以太网接口足以满足整个外围设备的通讯 (参见图 8)，因此，这不仅极大地精简了IPC主机的体积和外观，而且也降低了IPC主机的成本。

设备框架

设备框架描述了设备的应用参数和功能特性，如设备类别相关的机器状态等。现场总线技术已经为I/O设备、驱动、阀等许多设备类别提供了可利用的设备框架。用户非常熟悉这些框架以及相关的参数和工具，因此，EtherCAT无需为这些设备类别重新开发设备框架，而是为现有的设备框架提供了简单的接口。该特性使得用户和设备制造商可以轻松完成从现有的现场总线到EtherCAT技术的转换过程。

EtherCAT实现CANopen(CoE)

CANopen设备和应用框架广泛用于多种设备类别和应用，如I/O组件、驱动、编码器、比例阀、液压控制器，以及用于塑料或纺织行业的应用框架等。EtherCAT可以提供与CANopen机制[7]相同的通讯机制，包括对象字典、PDO(过程数据对象)、SDO(服务数据对象)，甚至于网络管理。因此，在已经安装了CANopen的设备中，仅需稍加变动即可轻松实现EtherCAT，绝大部分的CANopen固件都得以重复利用。并且控制工程网版权所有，可以选择性地扩展对象，以便利用EtherCAT所提供的巨大带宽。

EtherCAT实现遵循IEC 61491的伺服驱动框架(SoE)

SERCOS interface™是全球公认的、用于高性能实时运行系统的通讯接口，尤其适用于运动控制的应用场合。用于伺服驱动和通讯技术的SERCOS框架属于IEC 61491标准[8]

的范畴。该伺服驱动框架可以轻松地映射到 EtherCAT中，嵌入于驱动中的服务通道、全部参数存取以及功能都基于EtherCAT邮箱(参见图9)。在此，关注焦点还是EtherCAT与现有协议的兼容性(IDN的存取值、属性、名称、单位等)，以及与数据长度限制相关的扩展性。过程数据，即形式为AT和MDT的SERCOS数据，都使用EtherCAT从站控制器机制进行传送，其映射与SERCOS映射相似。并且控制工程网版权所有，EtherCAT从站的设备状态也可以非常容易地映射为SERCOS协议状态。

这些伺服驱动框架应用了EtherCAT先进的实时以太网技术，并广泛采纳于CNC的应用之中。设备框架的优势与EtherCAT的优势相结合：分布时钟保证了网络范围的精确同步，并且控制工程网版权所有，可以选择性地传送位置、速度或转矩命令。根据具体的实施方法，驱动还有可能继续使用现有的配置工具。

EtherCAT 实现以太网(EoE)

EtherCAT技术不仅完全兼容以太网，而且在“设计”之初就具备良好的开放性特征——该协议可以在相同的物理层网络中包容其它基于以太网的服务和协议，通常可将其性能损失降到最小。对以太网的设备类型没有限制，设备可通过交换机端口在EtherCAT段内进行连接。以太网祯通过EtherCAT协议开通隧道，这也正是VPN、 PPPoE (DSL) 等因特网应用所普遍采取的方法。EtherCAT网络对以太网设备而言是完全透明的，其实时特性也不会发生畸变(参见图10)。

EtherCAT设备可以包容其它的以太网协议，因此具备标准以太网设备的一切特性。主站的作用与第2层交换机所起的作用一样，可按照编址信息将以太网祯重新定向到相应的设备。因此，集成万维网服务器、电子邮件和FTP 传送等所有的因特网技术都可以在EtherCAT的环境中得以应用。

EtherCAT实现文件存取(FoE)

这种简单的协议与TFTP类似，允许存取设备中的任何数据结构。因此，无论设备是否支持TCP/IP，都有可能将标准化固件上载到设备上。

基础设施投资

由于EtherCAT无需集线器和交换机，因此，在环境条件允许的情况下，可以节省电源、安装费用等设备方面的投资，只需使用标准的以太网电缆和价格低廉的标准连接器即可。如果环境条件有特殊要求CONTROL ENGINEERING China版权所有，则可以依照IEC标准CONTROL ENGINEERING China版权所有，使用增强密封保护等级的连接器。