簡介
EtherCAT（以太網控制自(zì)動化技術(shù)）是一個以以太網爲基礎的開放(fàng)架構的現場總線系統，EtherCAT名稱中的CAT爲Control Automation Technology（控制自(zì)動化技術(shù)）首字母的縮寫。最初由德國(guó)倍福自(zì)動化有限公司(Beckhoff Automation GmbH) 研發。EtherCAT爲系統的實時性能和拓撲的靈活性樹(shù)立了新的标準，同時，它還(hái)符合甚至降低了現場總線的使用成本。EtherCAT的特點還(hái)包括高精度設備同步，可(kě)選線纜冗餘，和功能性安全協議(yì)(SIL3)。
原理(lǐ)
目前有多種用于提供實時功能的以太網方案：例如(rú)，通過較高級的協議(yì)層禁止CSMA/CD存取過程，并使用時間片或輪詢過程來(lái)取代它。其它方案使用專用交換機(jī)，并采用精确的時間控制方式分(fēn)配以太網數據包。盡管這些解決方案能夠比較快(kuài)和比較準确地将數據包傳送到所連接的以太網節點，但(dàn)帶寬的利用率卻很低，特别是對于典型的自(zì)動化設備，因爲即使對于非常小的數據量，也必須要發送一個完整的以太網幀。而且，重新定向到輸出或驅動控制器，以及讀(dú)取輸入數據所需的時間主要取決于執行方式。通常也需要使用一條子總線，特别是在模塊化I/O系統中，這些系統與Beckhoff K-總線一樣，通過同步子總線系統加快(kuài)傳輸速度，但(dàn)是這樣的同步将無法避免引起通訊總線傳輸的延遲。
通過采用EtherCAT技術(shù)， Beckhoff突破了其它以太網解決方案的這些系統限制：不必再像從(cóng)前那樣在每個連接點接收以太網數據包，然後進行解碼并複制爲過程數據。當幀通過每一個設備（包括底層端子設備）時，EtherCAT從(cóng)站(zhàn)控制器讀(dú)取對于該設備十分(fēn)重要的數據。同樣，輸入數據可(kě)以在報文通過時插入至報文中。在幀被傳遞 （僅被延遲幾位）過去(qù)的時候，從(cóng)站(zhàn)會識别出相(xiàng)關命令，并進行處理(lǐ)。此過程是在從(cóng)站(zhàn)控制器中通過硬件(jiàn)實現的，因此與協議(yì)堆棧軟件(jiàn)的實時運行系統或處理(lǐ)器性能無關。網段中的最後一個EtherCAT從(cóng)站(zhàn)将經過充分(fēn)處理(lǐ)的報文返回，這樣該報文就(jiù)作(zuò)爲一個響應報文由第一個從(cóng)站(zhàn)返回到主站(zhàn)。
從(cóng)以太網的角度看(kàn)，EtherCAT總線網段隻是一個可(kě)接收和發送以太網幀的大(dà)型以太網設備。但(dàn)是，該“設備”不包含帶下遊微處理(lǐ)器的單個以太網控制器，而隻包含大(dà)量的EtherCAT從(cóng)站(zhàn)。與其它任何以太網一樣，EtherCAT不需要通過交換機(jī)就(jiù)可(kě)以建立通訊，因而産生(shēng)一個純粹的EtherCAT系統。
性能
EtherCAT在網絡性能上達到了一個新的高度。1000個分(fēn)布式I/O數據的刷新周期僅爲30μs，其中包括端子循環時間。通過一個以太網幀，可(kě)以交換高達1486字節的過程數據，幾乎相(xiàng)當于12000個數字量I/O。而這一數據量的傳輸僅用300μs。
與100個伺服軸的通訊隻需100μs。在此期間，可(kě)以向所有軸提供設置值和控制數據，并報告它們的實際位置和狀态。分(fēn)布式時鍾技術(shù)保證了這些軸之間的同步時間偏差小于1微秒。
利用 EtherCAT 技術(shù)的優異性能，可(kě)以實現用傳統現場總線系統所無法實現的控制方法。這樣，通過總線也可(kě)以形成超高速控制回路(lù)。以前需要本地專用硬件(jiàn)支持的功能現在可(kě)在軟件(jiàn)中加以映射。巨大(dà)的帶寬資源使狀态數據與任何數據可(kě)并行傳輸。EtherCAT技術(shù)使得(de)通訊技術(shù)與現代高性能的工(gōng)業PC相(xiàng)匹配。總線系統不再是控制理(lǐ)念的瓶頸。分(fēn)布式I/O的數據傳遞超過了隻能由本地I/O接口才能實現的性能。
這種網絡性能優勢在有相(xiàng)對中等的計(jì)算能力的小型控制器中較爲明顯。EtherCAT的高速循環，可(kě)以在兩個控制循環之間完成。因此，控制器總有可(kě)用的最新輸入數據，輸出編址的延遲最小。在無需增強本身(shēn)計(jì)算能力的基礎上，控制器的響應行爲得(de)到顯著改善。
EtherCAT技術(shù)的原理(lǐ)具備擴展性，不束縛于100M帶寬-擴展至G兆位的以太網也是可(kě)能的。
EtherCAT 替代 PCI
随着PC組件(jiàn)小型化的加速發展，工(gōng)業PC的體(tǐ)積主要取決于所需要的插槽數目。
高速以太網帶寬以及EtherCAT通訊硬件(jiàn)（EtherCAT從(cóng)站(zhàn)控制器）數據帶寬的利用，開辟了新的應用可(kě)能性：通常位于IPC中的接口被轉移到EtherCAT系統中的智能化接口端子上。除分(fēn)散式I/O、軸和控制單元外，現場總線主站(zhàn)、高速串行接口、網關和其它通訊接口等複雜系統可(kě)以通過PC上的一個以太網端口進行尋址。甚至對無協議(yì)變體(tǐ)限制的其它以太網設備也可(kě)通過分(fēn)布式交換機(jī)端子進行連接。工(gōng)業PC主機(jī)體(tǐ)積越來(lái)越小，成本也越來(lái)越低，一個以太網接口足以應對所有的通訊任務。
用以太網代替PCI現場總線設備（PROFIBUS、CANopen、DeviceNet、AS-i等）通過分(fēn)布式現場總線主站(zhàn)端子進行集成。不使用現場總線主站(zhàn)節省了PC中的PCI插槽。
總線拓撲結構
總線形、樹(shù)形或星型：EtherCAT支持幾乎所有拓撲結構。因此，源于現場總線的總線形結構也可(kě)用于以太網。将總線和分(fēn)支結構相(xiàng)結合特别有助于系統布線。所有接口都(dōu)位于耦合器上，無需使用附加交換機(jī)。當然，也可(kě)以使用傳統的基于交換機(jī)的星形以太網拓撲結構。
采用不同的傳輸電纜可(kě)以最大(dà)限度地發揮布線的靈活性。靈活而價格低廉的标準以太網插接電纜可(kě)通過以太網模式(100baseTX)或通過E總線來(lái)傳輸信号。光(guāng)纖(PFO)可(kě)以用于特殊的應用場合。以太網帶寬（如(rú)不同的光(guāng)纜及銅纜）可(kě)以結合交換機(jī)或媒介轉換器使用。快(kuài)速以太網的物理(lǐ)特性可(kě)以使設備之間的距離(lí)達到100米，而E-bus隻能保障10米的間距。快(kuài)速以太網或 E-bus可(kě)以按照(zhào)距離(lí)要求進行選擇。EtherCAT 系統最多可(kě)容納65535個設備，因此整個網絡規模幾乎是無限制的。
可(kě)自(zì)由選擇拓撲結構。布線上有最大(dà)的靈活性：是否使用交換機(jī)，是采用總線形拓撲結構，還(hái)是樹(shù)形拓樸結構，可(kě)任意選配組合。自(zì)動進行地址分(fēn)配；無需設置IP地址。
EtherCAT 技術(shù)組織
EtherCAT技術(shù)組織(ETG)是一個自(zì)動化用戶和廠(chǎng)商的協會，旨在爲EtherCAT技術(shù)的開發提供支持。該協會代表着廣泛的行業和應用領域。這樣就(jiù)确保了EtherCAT技術(shù)功能和接口以最佳方式用于多種應用。該組織可(kě)以确保将EtherCAT輕松而有經濟有效地集成到大(dà)量自(zì)動化設備中，并保證設備的互操作(zuò)性。EtherCAT技術(shù)組織（ETG）是正式IEC合作(zuò)組織中現場總線标準化的成員(yuán)。成員(yuán)資格面對所有公司開放(fàng)。
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