实时以太网EtherCAT的技术和应用.docx
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实时以太网EtherCAT的技术和应用
实时以太网 EtherCAT 的技术和应用
摘 要:
.........................................................................................................................................3
关键词:
.........................................................................................................................................3
前言 .................................................................................................................................................3
一.实时以太网 .............................................................................................................................3
1.1 实时以太网的发展历史 ..................................................................................................3
1.2 实时以太网的发展现状 ..................................................................................................4
1.2.1 通信确定性与实时性 ...........................................................................................4
1.2.2 稳定性与可靠性 ...................................................................................................4
1.2.3 安全性 ...................................................................................................................4
1.2.4 总线供电问题 .......................................................................................................5
1.3 实时以太网的技术优势 ..................................................................................................5
1.3.1 应用广泛 ...............................................................................................................5
1.3.2 通信速率高 ...........................................................................................................5
1.3.3 成本低廉 ...............................................................................................................5
1.3.4 资源共享能力强 ...................................................................................................5
1.3.5 可持续发展潜力大 ...............................................................................................6
1.4 实时以太网的关键技术 ..................................................................................................6
1.4.1 实时通信技术 .......................................................................................................6
1.4.2 总线供电技术 .......................................................................................................6
1.4.3 远距离传输技术 ...................................................................................................6
1.4.4 网络安全技术 .......................................................................................................6
1.4.5 可靠性技术 ...........................................................................................................6
1.5 实时以太网的未来技术 ..................................................................................................7
1.5.1 工业以太网的防爆保护........................................................................................7
1.5.2 未来的网络拓扑结构 ...........................................................................................7
1.5.3 让交换机学习自动化语言....................................................................................7
1.5.4 安全增长的重要性 ...............................................................................................7
1.5.5 无线网络提供新的应用可能................................................................................7
1.5.6 更高的网络带宽 ...................................................................................................7
1.6 实时以太网的主流五种标准...........................................................................................8
1.6.1 EtherCAT 标准 ........................................................................................................8
1.6.2 Ethernet/IP 标准.....................................................................................................8
1.6.3 PowerLink 标准.......................................................................................................8
1.6.4 Profinet 标准 ..........................................................................................................9
1.6.5 Sercos-III 标准.........................................................................................................9
1.7 实时以太网的五种标准比较...........................................................................................9
1.7.1 硬件和软件的差异 ...............................................................................................9
1.7.2 实现确定性的方案 .............................................................................................10
1.7.3 实现实时性的异同 .............................................................................................11
1.7.4 纵向 IT 集成的实现 ............................................................................................11
1 / 28
二.EtherCAT 实时以太网技术 ...................................................................................................11
2.1 传统现场总线及以太网的实时能力.............................................................................11
2.2 EtherCAT 运行原理 .........................................................................................................12
2.3 EtherCAT 技术特征 .........................................................................................................14
2.3.1 协议 .....................................................................................................................14
2.3.2 帧结构 .................................................................................................................15
2.3.3 拓扑 .....................................................................................................................16
2.3.4 分布时钟 .............................................................................................................17
2.3.5 实时性 .................................................................................................................17
2.3.6 故障诊断 .............................................................................................................18
2.3.7 可靠性 .................................................................................................................19
2.3.8 安全性 .................................................................................................................19
2.3.9 EtherCAT 实现 CANopen(CoE) ........................................................................19
2.3.10 EtherCAT 实现伺服驱动(SoE).......................................................................20
2.3.11 EtherCAT 实现以太网(EoE) ..........................................................................20
2.3.12 EtherCAT 实现文件读取(FoE).......................................................................21
2.4 EtherCAT 成本 .................................................................................................................21
2.5 EtherCAT 实施 .................................................................................................................21
2.5.1 主站 .....................................................................................................................22
2.5.2 主站实施 .............................................................................................................22
2.5.3 从站 .....................................................................................................................23
2.5.4 从站控制器 .........................................................................................................23
2.6 EtherCAT 总结 .................................................................................................................24
三. 基于 EtherCAT 的多轴运动控制卡实现.............................................................................25
3.1 系统概述 ........................................................................................................................25
3.2 EtherCAT 主站程序 .........................................................................................................26
3.3 EtherCAT 从站结构 .........................................................................................................26
3.4 数据通信 ........................................................................................................................27
结语 ...............................................................................................................................................28
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摘要:
分析了实时以太网技术的发展现状和发展趋势,并比较了当前主流
的五种以太网标准的技术特点。
针对 EtherCAT 实时以太网技术进行了细致的介
绍和分析,并介绍了一种基于 EtherCAT 技术构建的多轴运动控制卡的实现。
关键词:
以太网EthernetEtherCAT 运动控制
前言
长期以来,现场总线技术争论不休,工业网络通信的互连、互通与互操作
问题很难解决,严重阻碍了现场总线技术的发展和推广应用,于是现场总线开
始转向三十年来最成功的以太网网络技术。
经过近几年的努力,以太网技术已
经被工业自动化系统广泛接受。
为了满足高实时性能应用的需要,各大公司和
标准组织纷纷提出各种提升工业以太网实时性的技术解决方案,以太网的实时
响应时间可以提高到低于1ms,从而产生了实时以太网(RealTime Ethernet,简
称RTE)。
经过多年的努力,实时以太网已经取得了多项关键技术的突破,可以
通过实时以太网对底层的控制器和传感器进行操作,实现E网到底。
一.实时以太网
按照国际电工委员会 IEC/sc65 的定义,实时以太网是建立在 IEEE802.3 标
准的基础上,通过对其和相关标准的实时扩展提高实时性,并且做到与标准以
太网完全无缝连接的工业以太网。
1.1 实时以太网的发展历史
以太网(Ethernet)这个名字来自于无线电技术。
19世纪时,很多科学家认
为电磁波的传输需要一种媒介, 这种媒介被称为”Ether”。
在20世纪70年代
中期,美国XEROX公司提出了以太网这个新概念,采用了CSMA/CD (载波侦听多
路存取/冲突检测)的访问方法。
第一个以太网系统,能够通过1000多米的同轴
电缆,连接超过100个站点,实现3Mbps的数据传输速率。
70年代后期, 由DEC、Intel和XEROX公司组成的DIX工作组将以太网的传输
速率提高到了10MB/s。
1995年,IEEE正式通过802.3u快速以太网标准。
快速
以太网仍然采用CSMA/CD协议,但物理层则提供1OOM/s传输速率。
随后以太网
技术进一步发展到1000MB/s(千兆网)和l0000MB/s(万兆网)。
在这些网络中,
不仅仅使用同轴电缆,也可采用双绞线电缆、光纤以及无线传输。
传输速度高
达100GB/s及以上的以太网网络也正在规划中。
2003年5月,为了规范RTE的工作,1EC/sc65c专门成立了WG11实时以太网
工作组,负责制定IEC61784—2“基于ISO/lEC8802.3的实时应用系统中工业通
信网络行规”国际标准,该标准包括l1种实时以太网行规集。
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1.2 实时以太网的发展现状
Ethernet过去被认为是一种“非确定性”的网络,作为信息技术的基础,
是为IT领域应用而开发的,在工业控制领域只能得到有限应用,这是由于:
(1)
Ethernet的介质访问控制(MAC)层协议采用带碰撞检侧的载波侦听多址访问
(CSMA/CD)方式,当网络负荷较重时,网络的确定性不能满足工业控制的实时
性要求;
(2)Ethernet所用的接插件、集线器、交换机和电缆等是为办公室应用
而设计的,不符合工业现场亚劣环境要求;(3)在工厂环境中,Ethernet抗干扰
(EMI)性能较差,若用于危险场合,以太网不具备本质安全性能;(4)Ethernet
不能通过信号线向现场设备供电问题。
随着IT技术和总线技术的发展,上述问题在实时以太网中正在迅速得到解
决
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