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倍福EtherCAT介绍及应用
摘要：EtherCAT–用于控制和自动化技术的以太网EtherCAT是以太网现场总线●EtherCAT是直达I/O级的实时以太网。●再也无须下挂子系统●没有网关延时●输出输出,传感器，驱动器，显示单元: 所有设备位于同一个总线上。EtherCAT：更快传输速率:2x100Mbaud（全双工）刷新时间:●256开关量I/O：11µs●1000开关量I/O分布于100节点：30µs=0.03ms●200模拟量I/O（16位）：50µs,20kHz采样频率●100伺服轴（每8字节IN+OUT）：100
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EtherCAT – 用于控制和自动化技术的以太网

    EtherCAT 是以太网现场总线
    ●EtherCAT 是直达I/O级的实时以太网。
    ●再也无须下挂子系统
    ●没有网关延时
    ●输出输出, 传感器，驱动器，显示单元:  所有设备位于同一个总线上。
    EtherCAT ：更快
    传输速率: 2 x 100 Mbaud
    （全双工）

    刷新时间:
    ●256 开关量 I/O ：11 µs
    ●1000 开关量 I/O 分布于 100 节点 ：30 µs = 0.03 ms
    ●200 模拟量 I/O （16 位） ：50 µs, 20 kHz 采样频率
    ●100 伺服轴 （每 8 字节 IN+OUT） ： 100 µs = 0.1 ms
    ●12000 开关量 I/O ： 350 µs

    I/O和驱动使用的以太网带宽
    以太网帧: ≥ 84 字节 （incl. preamble + IPG Inter Packet Gap）

    带宽使用比较:
    ●每节点4字节用户数据:
    ●polling/time slicing:  ca. 2.5%
    ●广播 （master → slaves）  ca. 20…30%
    ●每节点2数据位的用户数据:
    ●EtherCAT: 80…97%

    实用原则: 以太网 “飞一般”
    通过绝对寻址，实现最小的协议头

    优势:
    ●专门针对分布式I/O的优化报文结构
    ●完全的硬件通讯: 最好的性能
    ●若网络中只有EtherCat设备，则无须交换机
    ●显著的诊断功能
    ●以太网兼容的维护性能

    ●可使用标准交换机
    ●通过交换机:  一个Mac地址可访问多达65535 个节点
    “飞一般”的运算，节约时间 
    数据在报文传送期间可以修改或添加，而无需堆栈、缓存或分解/组合。
    每个节点最小的报文延时最佳性能

    EtherCAT 性能：
    ●40 轴 （每轴6字节输入/ 输出数据）
    ●50 I/O 站，总共560个 EtherCAT 总线端子
    ●2000 数字量 + 200 模拟量I/O, 总线长度 500 m
    ●EtherCAT性能 : 循环时间 230µs  at 33% 总线负载, 报文长度 77µs
    ●比较:  1 个CAN 帧 （8 字节过程数据），在总线速率 500 kBit/s时: 250µs

    "慢"的控制系统同样受益
    现有现场总线I/O的系统结构

    使用 EtherCAT的反应时间

    ●反应时间明显降低 –—— 同样的控制器性能
    ●再也没有下挂本地I/O循环和总线扩展延时
    ●得益于极其简单的协议，系统无需专门的主站

    现场总线: 需要在控制系统中映射
    ●传统的现场总线系统生成一个物理的过程映像区
    ●物理的过程映像区必须映射到逻辑过程映像区

    直接内存访问节约时间
    现场总线卡:  多达 30% 的 CPU 时间用于数据复制
    EtherCAT:  NIC 是PCI总线主站, 数据由DMA提供, 
    直接放到 PC 内存: 
     ●CPU 减负
     ●更高的性能

    EtherCAT 传送延时的测量 （I）
    测量EtherCAT 节点数据帧发出和返回之间的时间差

    可计算任意节点间的传送延时

    EtherCAT 分布时钟
    精确同步 （<< 1 µs!） ，通过分布时钟的精确调整来实现！

    使用SCOPE VIEW长期观察两个独立设备——300个节点，节点间电缆长度120米

    EtherCAT 是工业以太网
    ●对 TCP/IP完全透明
    ●可使用所以英特网技术: HTTP, FTP, …
    ●无需严格的实时能力

    ●任何以太网设备均可连接到交换机的端口
    ●使用标准浏览器访问Web Server

    ●虚拟以太网交换机可路由任何以太网帧
    ●可从以太网段的内部及外部路由

    EtherCAT 布线更为灵活
    电信号: 100 baseTX and E-bus

    E-bus: 低压差信号 （LVDS） 符合  ANSI/TIA/EIA-644 用 IEEE 802.3ae标准

    EtherCAT 代替 PCI
    保护你的投资:
    ●现有总线系统的无缝集成
    ●过程映像区的刷新时间，经 PCI （500 字节 输入/输出数据）: 400 µs
    ●过程映像区的刷新时间，经 EtherCAT（1500 字节 输入/输出数据）: 150 µs

    ●不再在控制系统（IPC或PLC）中要求占一个槽
    ●然而却具备最大限度的扩展性

    EtherCAT 配置容易
    地址:
    ●无需要手动设置地址
    ●地址可以自动分配 
    ●地址可保持 – 新加入节点后，不会改变原节点的地址

    拓普结构:
    自动拓普目标/实际对比

    诊断:
    精确定位诊断

    网络规划:
    性能独立于:
    从站实例
    拓普结构（无交换机/集线器）

    EtherCAT 成本更低
    主站:
    减少了硬件，带来以下好处:
    主板集成的以太网控制器实现实时功能，不需要通讯协处理器
    没有特殊的插入卡,主板集成的以太网口已足够
    所以: 在主站端，有明显的成本优势
    从站:
    价廉物美的EtherCAT从站控制器实现通讯功能
    对于简单的设备: 不需要 µC 
    实时特征普遍独立于µC 性能和堆栈处理时间
    所以:  在从站端，也有明显的成本优势
    底层结构:
    标准的以太网电缆和连接器
    没有交换机和集线器
    所以:在底层结构上，也有明显的成本优势
    实现/工具:
    标准网络监视工具: Microsoft or EtherReal
    剖析软件: 免费
    不要求高分辨率的时间分析器
    开发工具: 430 ? - 含从站样品代码
    主站样品代码: 1000 ?
     所以:入门成本低，实现成本低
    从站:
    开发工具，含样品代码 （源代码）
    所有时间性严格的功能都在ASIC或FPGA上实现

    EtherCAT 发展良好
    Quote Schuler 公司: 
    该系统使我们，在Schuler集团现在使用的所有应用中，实现了快速驱动和液压控制，
    另一个重要的因素是, 因为 EtherCAT的良好性能，我们还有足够的潜力在将来解决复杂的控制任务，而不会出现速度问题

    EtherCAT上的安全技术
    EtherCAT 安全协议: 符合 IEC 61508
    ●最初基于K-bus
    ●后也可直接基于  EtherCAT

    EtherCAT的高度实用性
    在传输途径上:
    主站热备冗余
    电缆冗余
    设备间轻便交换
    网段之间的热连接

    EtherCAT 应用场合
    高速应用, e.g.:
    包装机
    高速印刷机
    注塑机
    木工机械
    机床工具 （CNC）
    机器人技术
    …
    分布范围广的应用场合, e.g.:
    物料处理, 
    logistics
    数据采集

    EtherCAT 应用场合
    由于主站价格便宜，并且布线简单，可用于
    小型嵌入式控制器
    小型PLC
    任何基于PC控制的应用  – 无论有或没有实时性要求
    现在，EtherCAT 使得出于成本考虑，要求直接接线的场合也可以使用现场总线技术。