【正文】 各類工業(yè)總線對比EtherCAT（以太網(wǎng)控制自動化技術(shù)）是一個以以太網(wǎng)為基礎(chǔ)的開放架構(gòu)的現(xiàn)場總線系統(tǒng)，EterCAT名稱中的CAT為ControlAutomation Technology（控制自動化技術(shù)）首字母的縮寫。最初由德國倍福自動化有限公司(Beckhoff AutomationGmbH)研發(fā)。EtherCAT為系統(tǒng)的實時性能和拓撲的靈活性樹立了新的標準，同時，它還符合甚至降低了現(xiàn)場總線的使用成本。EtherCAT的特點還包括高精度設(shè)備同步，可選線纜冗余，和功能性安全協(xié)議(SIL3)。EtherCAT EtherCAT技術(shù)突破了其他以太網(wǎng)解決方案的系統(tǒng)限制：通過該項技術(shù)，無需接收以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包，將其解碼，之后再將過程數(shù)據(jù)復(fù)制到各個設(shè)備。EtherCAT從站設(shè)備在報文經(jīng)過其節(jié)點時處理以太網(wǎng)幀：嵌入在每個從站中的FMMU（現(xiàn)場總線存儲管理單元）在幀經(jīng)過該節(jié)點時讀取相應(yīng)的編址數(shù)據(jù)，并同時將報文傳輸?shù)较乱粋€設(shè)備。同樣，輸入數(shù)據(jù)也是在報文經(jīng)過時插入至報文中。整個過程中，報文只有幾納秒的時間延遲。 主站方面也非常經(jīng)濟，商用的標準網(wǎng)卡（NIC）或任何主板集成的以太網(wǎng)控制器可以用作硬件接口。這些接口的共性就是數(shù)據(jù)通過DMA（直接內(nèi)存讀?。﹤鬏斨罰C，即網(wǎng)絡(luò)讀取時無需占用CPU資源。 協(xié)議 EtherCAT協(xié)議在以太網(wǎng)幀內(nèi)采用官方指定的以太類型。采用這種以太類型即可允許在以太網(wǎng)幀內(nèi)直接傳輸控制數(shù)據(jù)，而無需重新定義標準以太網(wǎng)幀。該以太網(wǎng)幀可由多種子報文組成，每個子報文服務(wù)于邏輯過程映像區(qū)的特定內(nèi)存區(qū)，該區(qū)域最大可達4GB。數(shù)據(jù)序列是獨立于物理順序的，所以以太網(wǎng)端子模塊的編址可以隨意排序。從站之間的廣播，多播和通訊也可得以實現(xiàn)。 當EtherCAT組件與主站控制器運行在同一個子網(wǎng)，或者在控制軟件直接讀取以太網(wǎng)控制器時，可以使用以太網(wǎng)幀直接傳輸數(shù)據(jù)。 然而，EtherCAT不僅限于單個子網(wǎng)的應(yīng)用。EtherCAT UDP將EtherCAT協(xié)議封裝為UDP/IP數(shù)據(jù)報文，這就意味著，任何以太網(wǎng)協(xié)議堆棧的控制均可編址到EtherCAT系統(tǒng)之中，甚至通訊還可以通過路由器跨接到其它子網(wǎng)中。在這種情況下，系統(tǒng)性能顯然取決于控制器及其以太網(wǎng)協(xié)議的實時性能。EtherCAT網(wǎng)絡(luò)本身的響應(yīng)時間幾乎不受影響：UDP數(shù)據(jù)幀只需要在第一個站點解包。 性能 EtherCAT使網(wǎng)絡(luò)性能達到了一個新高度。借助于從站節(jié)點中的FMMU和網(wǎng)絡(luò)控制器主站的直接內(nèi)存存取，協(xié)議的處理過程完全在硬件中完成。整個協(xié)議的處理過程都在硬件中得以實現(xiàn)，因此，完全獨立于協(xié)議堆棧的實時運行系統(tǒng)、CPU 性能或軟件實現(xiàn)方式。1000個I/O的更新時間只需30 s。單個以太網(wǎng)幀最多可進行1486字節(jié)的過程數(shù)據(jù)交換，幾乎相當于12000個數(shù)字輸入和輸出，而傳送這些數(shù)據(jù)耗時僅為 300 s. 100個伺服軸的通訊也僅為100s。在此期間，系統(tǒng)更新帶有命令值和控制數(shù)據(jù)的所有軸的實際位置及狀態(tài)，分布時鐘技術(shù)使軸的同步偏差小于1微秒。而即使是在保證這種性能的情況下，帶寬仍足以實現(xiàn)異步通訊，如TCP/IP、下載參數(shù)或上載診斷數(shù)據(jù)。 超高性能的EtherCAT技術(shù)可以實現(xiàn)傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線系統(tǒng)無法迄及的控制理念。例如，以太網(wǎng)系統(tǒng)現(xiàn)在不僅可以處理速度控制，也可用于分布式驅(qū)動的電流控制。巨大的帶寬可以實現(xiàn)每個數(shù)據(jù)信息與其狀態(tài)信息同時傳輸。EtherCAT使通訊技術(shù)和現(xiàn)代工業(yè)PC所具有的超強計算能力相適應(yīng)，總線系統(tǒng)不再是控制理念的瓶頸，分布式I/O可能比大多數(shù)本地I/O接口運行速度更快。 EtherCAT取代PCI 由于主板集成了以太網(wǎng)卡，用于接口卡的插槽不再是必要條件。隨著PC組件急劇向小型化經(jīng)濟化方向發(fā)展，工業(yè)PC的體積日趨取決于插槽的數(shù)目。而快速以太網(wǎng)的帶寬和EtherCAT通訊硬件的過程數(shù)據(jù)長度則為該領(lǐng)域的發(fā)展提供了新的可能性：IPC 中的傳統(tǒng)接口現(xiàn)在可以轉(zhuǎn)變?yōu)榧傻腅therCAT接口端子。除了可以對分布式I/O進行編址，還可以對驅(qū)動和控制單元以及現(xiàn)場總線主站、快速串行接口、網(wǎng)關(guān)和其它通訊接口等復(fù)合系統(tǒng)進行編址。即使是其他無協(xié)議限制的以太網(wǎng)設(shè)備變體，也可以通過分布式交換機端口設(shè)備進行連接。由于一個以太網(wǎng)接口足以滿足整個外圍設(shè)備的通訊要求，因此，這不僅極大地精簡了IPC主機的體積，而且也降低了IPC主機的成本。 拓撲結(jié)構(gòu) EtherCAT幾乎支持任何拓撲類型，包括線型、樹型、星型等。通過現(xiàn)場總線而得名的總線結(jié)構(gòu)或線型結(jié)構(gòu)也可用于以太網(wǎng)，并且不受限于級聯(lián)交換機或集線器的數(shù)量。最有效的系統(tǒng)連線方法是線型、分支或樹叉結(jié)構(gòu)的組合拓撲。因為所需接口在I/O 模塊等很多設(shè)備中都已存在，所以無需附加交換機。當然，仍然可以使用傳統(tǒng)的、基于以太網(wǎng)的星型拓撲結(jié)構(gòu)。 還可以選擇不同的電纜以提升連線的靈活性：靈活、經(jīng)濟的標準超五類以太網(wǎng)電纜可采用100BASETX模式或EBus（LVDS）傳送信號。塑封光纖（PFO）則可用于特殊應(yīng)用場合。還可通過交換機或介質(zhì)轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)不同以太網(wǎng)連線（如：不同的光纖和銅電纜）的完整組合。 根據(jù)對距離的要求，可選擇快速以太網(wǎng)的物理層或Ebus作為物理介質(zhì)。快速以太網(wǎng)物理層允許兩個設(shè)備之間的最大電纜長度為100米，而EBus可連接最大距離為10米。由于連接的設(shè)備數(shù)量可高達65535，因此，網(wǎng)絡(luò)的容量幾乎沒有限制。 分布時鐘 精確同步對于同時動作的分布式過程而言尤為重要。例如，幾個伺服軸同時執(zhí)行協(xié)調(diào)運動時，便是如此。 最有效的同步方法是精確排列分布時鐘（請參閱IEEE 1588標準[6]）。與完全同步通訊中通訊出現(xiàn)故障會立刻影響同步品質(zhì)的情況相比，分布排列的時鐘對于通訊系統(tǒng)中可能存在的相關(guān)故障延遲具有極好的容錯性。 采用EtherCAT，數(shù)據(jù)交換就完全基于“父”“子”時鐘的純硬件機制。由于通訊采用了邏輯環(huán)結(jié)構(gòu) （借助于全雙工快速以太網(wǎng)的物理層），主站時鐘可以簡單、精確地確定各個從站時鐘傳播的延遲偏移。分布時鐘均基于該值進行調(diào)整，這意味著可以在網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)使用非常精確的、小于1 微秒的、確定性的同步誤差時間基。 此外，高分辨率的分布時鐘不僅可以用于同步，還可以提供數(shù)據(jù)采集的本地時間精確信息。當采樣時間非常短暫時，即使是出現(xiàn)一個很小的位置測量瞬時同步偏差，也會導(dǎo)致速度計算出現(xiàn)較大的階躍變化，例如，運動控制器通過順序檢測的位置計算速度便是如此。而在EtherCAT中，引入時間戳數(shù)據(jù)類型作為一個邏輯擴展，以太網(wǎng)所提供的巨大帶寬使得高分辨率的系統(tǒng)時間得以與測量值進行鏈接。這樣，速度的精確計算就不再受到通訊系統(tǒng)的同步誤差值影響，其精度要高于基于自由同步誤差的通訊測量技術(shù)。 熱連接 熱連接功能能夠使網(wǎng)絡(luò)的各部分相連，并且解耦或重新自由配置；所提供的靈活響應(yīng)特性，改變了很多應(yīng)用需要在運行時變更I/O配置的需求。 例如，具備變更特性的處理中心，裝備傳感器的工具系統(tǒng)，或者智能化的傳輸設(shè)備，靈活的工件執(zhí)行器等。EtherCAT系統(tǒng)考慮到了這些需求：任意配置。 EtherCAT功能安全 傳統(tǒng)上，安全功能是獨立于自動化網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)的，使用專用硬件或?qū)ｉT的安全總線系統(tǒng)。EtherCAT安全功能使安全相關(guān)通信和控制通信可以在同一網(wǎng)絡(luò)上實現(xiàn)。安全協(xié)議基于EtherCAT應(yīng)用層，而不會影響底層運行。它由IEC61508標準認證，并滿足整體安全等級（SIL）3。數(shù)據(jù)長度是可變的，所以可以用于安全I/O和安全伺服驅(qū)動技術(shù)。和其它EtherCAT數(shù)據(jù)相同，安全數(shù)據(jù)可以不使用安全路由器或網(wǎng)關(guān)傳輸。完全符合EtherCAT功能安全認證的產(chǎn)品已經(jīng)上市。Safety over EtherCAT協(xié)議符合IEC 617483標