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电气与自动化工程学院
《控制网络与通信》 期末大作业报告
题目： 工业以太网EtherCAT
协议分析与研究 姓 名： 吉宇 学 号： 160514205 班 级： 测控142 学 年： 2016～2017学年第二学期
项目 评分比例 得分 选题 10% 结构与内容 40% 正文样式 30% 参考文献 20% 大作业总成绩 100%
目 录
1.引言 ········································································································································· 1
1.1选题意义及课题来源 ········································································································· 1 1.2国内外研究和发展现状 ····································································································· 1
2.主流工业以太网技术对比 ························································································· 2
2.1工业以太网概述 ··················································································································· 2 2.2 实时工业以太网的比较 ···································································································· 2
3.ETHERCAT系统运行原理 ····························································································· 3
3.1 ETHERCAT系统组成 ·············································································································· 3 3.2 ETHERCAT数据帧 ··················································································································· 4 3.3 ETHERCAT寻址方式和通信服务 ······················································································ 5 3.4应用层 ······································································································································ 5
4.应用案例 ······························································································································· 6 5．结束语 ································································································································· 8 参考文献 ···································································································································· 9
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《控制网络与通信》大作业
1.引言
1.1选题意义及课题来源
在 Internet等信息网络技术飞速应用的时代，工业上提出了一种重要
的方案来解决工业现场设备和设备系统之间的信息集成，这就是现场总线。由于现场总线经济实用、可靠、简单，所以得到了许多工业化企业、标准团体等的密切关注，得到了非常广泛的研究和应用。
然而在其不断的发展过程和实际应用中，一些不好之处逐渐显现：如标准过多，相互之间又不可兼容，信息不能全面连接集成，传输速率较低，并且在工业上使用的现在现场总线需配备单独的实时网络，使用的成本也比较高。基于以上不足，工业化企业因此逐渐将发展目光转向了具有管理方便、兼容性好、传输速度快、开放性强、结构简单、功耗低和成本低等优点的以太网。
1.2国内外研究和发展现状
目前，国内外已经开发出了多种工业以太网产品，如 Profi Net、Powerlink、Modbus/TCP、Ethernet/IP、EtherCAT、EPA等。在众多工业以太网协议中，EtherCAT凭借它的卓越的实时性优势、拓扑结构灵活、配置简单、易于实现、基于以太网标准及技术的开放性等优势，已经逐渐成为工业控制领域发展的主流。
国外很多企业对EtherCAT的技术研究已经比较深入，而且已经开发出了比较成熟的产品，除了德国Beckhoff之外，还有美国Kollmorgen、意大利Phase、美国 NI、SEW、TrioMotion、MKS、Omron、Copley Controls 等自动化设备公司都推出了一系列支持 EtherCAT驱动设备。
1.3主要内容及章节安排
第一节为引言。本章主要介绍本文的选题意义和针对课题研究背景做简单介绍，概述了国内外研究和发展现状与对本文的主要内容进行安排。
第二节为工业以太网技术对比。通过对几种主流的实时工业以太网进行对比分析，得出 EtherCAT协议的优势。
第三节为 EtherCAT运行原理。对EtherCAT协议相关的理论知识进行介绍，包括系统主从站组成、EherCAT协议帧、EtherCAT报文寻址方式及通信命令、协
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议应用层等。
第四节例举了工业生产中使用EtherCAT的一个具体案例。从案例中，也可以看到EtherCAT相比于其它工业以太网的优势
2.主流工业以太网技术对比
2.1工业以太网概述
工业以太网是应用在工控制领域的一种以太网技术，它建立在IEEE802.3 标准之上，与普通的以太网兼容。普通的以太网通信是传递信息，而工业以太网不仅要传递信息，同时要对现场设备进行控制。工业以太网技术的特点主要表现在以下方面：
(1)通信的实时性和确定性
工业以太网与普通的以太网不同，它具有严格的实时性要求，以保证设
备快速的响应。目前根据不同的应用场合，将实时性要求划分为三个范围，分别是：信息集成和较低要求的自动化应用场合，实时响应时间是100ms或者更长；绝大多数自动化应用场合实时响应时间要求是5~10ms；对于高性能的同步运动控制应用，特别是在有数百个节点下的伺服控制系统场合，实时响应时间要求低于1ms，同步传输和抖动时间小于1us。 (2)稳定性和可靠性
工业现场环境常常会比较恶劣，这使得工业以太网必须具有良好的稳定
性和可靠性，以保证系统中某个或某些组件发生故障了都不会导致整个控制网络的瘫痪。
(3)工业以太网协议
工业以太网源于、而又不同于普通的以太网，它将网络技术延伸到工业
应用领域，并对其进行简化和改进以适合工业应用的要求。为了满足工业以太网实时性的要求，世界各大公司和标准组织纷纷提出各种实时性的技术方案，从而产生了RTE(real- time ethernet，实时工业以太网)。这些方案建立在 IEEE802.3标准基础上，通过对以太网进行实时性扩展来提高实时性，并且使工业以太网与普通以太网能够无缝连接。
2.2 实时工业以太网的比较
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目前使用较广泛的实时以太网协议有：Ethernet/IP、Powerlink、Profi Net以及 EtherCAT。下表 2-1 对本章第二小节中简述的四种实时工业以太网做出了一个简要的比较：
根据上表的比较，可以看到 Ether CAT 在拓扑结构上比其它标准灵活，采用的是等时传输，报文的实时处理能力明显比其他协议强，各方面的性能都是比较突出的。EtherCAT具有以下优点： (1) 优越的性能
EtherCAT是当前通信速度最快、时钟同步性能最卓越的通信系统，其性能不受网络拓扑结构的影响，不需要任何底层系统的支持。据测试，1000开关量I/O分布于100 节点的轮询周期只有30μs；100伺服轴(每8字节IN+OUT)的轮询周期只有100μs。 (2)灵活的拓扑结构
EtherCAT支持线型、树型、星型及环型等拓扑结构，并且不受限于级联集线器或交换机的数量，每个网段可容纳65535个节点，同时支持冗余、热连接和热交换，支持一主多从、多主多从的通信方式。 (3)良好的性价比
系统成本与现场总线价格相当，但性能要优越；在主站构建上不需特殊硬件，可兼容标准网卡。
3.EtherCAT系统运行原理
3.1 EtherCAT系统组成
EtherCAT是主从式的系统结构，它是一种充分利用了以太网全双工特性的
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实时工业以太网技术。EtherCAT主从站之间的交互是通过配备有普通网卡的主站将 EtherCAT数据帧发送至从站设备，当数据帧经过了所有的从站设备，这些从站可以直接处理接收到的报文，并从报文中的指定位置进行数据的读写，同时在硬件上利用工作计数器(WKC)的累加1 来表示从站正在进行数据处理。最后一个 Ether CAT从站发回经过处理之后的数据帧，通信结束。图 3-1 为系统工作原理框架图。从站通过内部的从站微处理器与从站控制器之间的高速数据交换来实现整个数据的快速传输。
图 3-1 系统工作原理框架图
3.2 EtherCAT数据帧
EtherCAT数据可以直接使用以太网帧传输，可以使用 0x88A4 的以太网帧数据类型且能够与符合标准的网络控制器实现匹配。如图 3-3 所示，EtherCAT 的数据结构中包含有包括 2 字节的数据头与44~ 1498 Bytes 的EtherCAT数据，该 EtherCAT数据又包括 EtherCAT头和 EtherCAT报文。EtherCAT报文可使用 n(n≥1)个报文来实现数据传输，不过总大小须控制在44~ 1498 Bytes 内。在具体设计中，从站报文数n 的设定以及每个报文所占数据数的计算都可根据实际应用要求来确定。EtherCAT无IP协议，但可将其封装在 IP/UDP 协议中。Ether CAT 的处理主要是 ESC 内部的硬件来完成，因此，其硬件处理能力决定了数据的处理速度。EtherCAT报文头含有4 Bytes 地址信息，用来进行寻址，不过在设备寻和逻辑寻址过程中的用法不相同。
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图 3-2 Ether CAT 数据帧结构
EtherCAT数据帧头由 EtherCAT数据长度、保留位及类型组成。其中，保留位的初始值一般默认为0，当类型值为 1 时表明 Ether CAT 数据处于与ESC 的通信过程中。以太网帧头则是由目的地址、源地址以及帧类型组成，其中目的地址指向接收方MAC(Media Access Control)地址，源地址指向发送方MAC地址。一个 Ether CAT数据帧内可以有一个或者多个 Ether CAT 子报文组成。具体数据帧结构如图3-2。
3.3 EtherCAT寻址方式和通信服务
EtherCAT通信的实现是通过由主站发送至从站的 EtherCAT数据帧来完成对从站设备内部存储区的读写操作，EtherCAT报文对 ESC 内部存储区有多种寻址操作方式，从而可以实现多种通信服务。EtherCAT段内寻址有设备寻址和逻辑寻址两种方式。设备寻址是面对一个从站进行读写操作。逻辑寻址是面向过程的数据操作，实现同一报文读写多个从站设备的多播功能。具备全部寻址方式的从站称为完整性从站，只具备部分寻址方式的从站则称为基本从站。
3.4应用层
应用层AL(Application Layer)为用户与网络之间提供接口，应用层在EtherCAT通信协议层次结构中是与用户联系最紧密最直接的一层，它可以直接与用户进行交互，实现面对具体的应用程序和控制任务等功能，EtherCAT应用层为各种服务协议与应用程序之间定义了接口，使其能够满足应用层所要求的各 种协议共同工作的需求。EtherCAT作为网络通信技术，支持CAN open 协议中的
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CiA402，以及 SERCOS 协议的应用层(即 CoE和SoE)等多种符合行规的设备和协议
4.应用案例
作为荷兰太阳能玻璃制造商 Scheutern 公司和德国 Interpane 公司的合资企业， 德国fglass 公司是玻璃生产与光伏组件制造领域的领先制造商，有着多年的经验和专业技术，并拥有最先进的生产设施和尖端的生产工艺。其涂层工艺方面的技术实力源自于德国 Interpane 开发与咨询公司，该公司一直专注于平板玻璃特殊涂层的应用工程、涂层工艺、机械制造以及工厂工程等方面。 德国Interpane 公司使用多年、并彻底掌握了涂层系统的工艺控制之后，iSATT 受托开发一种新的控制理念，以满足以下需求：
数量庞大的现场总线 I/O，以及 PROFIBUS 和CANopen 设备; 通过一个通用的现场总线集成安全 I/O; 集成玻璃传输伺服驱动系统与驱动柜;
溅射室采用模块化设计，在控制器运行中即可插装独立单元，无需重新
配置;
自动识别溅射室内各个功能模块的状态;
装载和卸载机械装置通过 PROFIBUS 进行通讯;。
在德国 iSATT 公司的创新理念下，使用中央控制平台取代了多个外部 CPU 控制系统。配有 Intel® Core™2 Duo CPU 的倍福工业 PC C5102、倍福 PLC 与运动控制软件 TwinCAT PTP，以及作为控制系统中枢的 EtherCAT 现场总线，均具备相当高的性能，是满足上述需求的理想设备。“出于以下考虑促使我们选择这种集中化的理念。”iSATT 总经理 Peter Hennes 说道，“一方面，不同位置的控制器之间不再需要交叉通信，其主要优势体现在集中的数据管理上。操作员/维护工程师能随时看到所有的数据，信号跟踪、程序修改以及系统维护等工作都可以在一个位置上完成。此外，只需要使用一个中央远程访问点，具有灵活的拓扑结构，一个 EtherCAT 主站便能够满足所有分布式 I/O的需求。”
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EtherCAT 网络总共包括：20个带有 EtherCAT 从站连接的伺服控制器，22个EtherCAT 端子站（其中含有 1000个数字量 I/O，60个模拟量 I/O，以及 57个安全通道），30个热连接组（带有 830个数字量 I/O），41个PROFIBUS 主站和 21 个 CAN 主站。工厂的扩充完成以后，还会另外添加 30个带有相同配置的热连接组。凭借 EtherCAT 强大的高速带宽资源， 用户无需在 PC 上集成现场总线主站，而通过 PROFIBUS 或 CANopen 主站模块集成在现场层，并将其插入何 EtherCAT 总线端子排即可。这就意味着，现场总线主站/从站端子模块之间的数据交换，可以直接整合到 EtherCAT 协议——逻辑/物理转换为端子适用的现场总线协议。因此，分布在一个 EtherCAT 网络中的现场总线主站数量几乎无任何限制，都可执行其相应任务。另一个有效改善是显著缩短了现场总线设备之间的电缆长度。使主站和从站距离更近，正如本应用案例中的阴极装置所示。 在 EK1101 EtherCAT 耦合器中有一个 ID 开关， 用于地址的分配。不仅可以在溅射室内任意位置执行操作，还可以识别阴极的类型。每个阴极类型均会分配到一个地址范围，并将被导入到 PLC 程序中，集成到所需的控制工艺。
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5．结束语
本文主要通过比较目前主流的工业以太网协议，分析了 EtherCAT协议的优势。具体论述了 EtherCAT运行原理包括 EtherCAT 协议系统主从站组成、EtherCAT协议数据帧、EtherCAT 报文寻址方式及通信命令、协议应用层。最后举isATT公司受托开发EtherCAT的实际案例。
工业以太网，依靠其传输速率快，兼容性好、资源共享能为强等优点，受到了各大工业自动化公司的青睐。目前随着快速以太网技术的发展，百兆及千兆从太网技术的成熟，在工业控制网络中，已经在控制层与信息层占据着主导的地位了，相信在不久的将来，工业以太网必将取代传统的现场总线通信方式，成为主流的工业控制通信网络，真正的实现一网到底的理念。
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参考文献
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