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EtherCAT – 工业以太网现场总线

2 3目 录
3 总线系统也许并不意味着所有 …
4 EtherCAT 技术概览
6 EtherCAT 技术协会
8 为何选用 EtherCAT?
10
EtherCAT 技术详解
10 EtherCAT: 基于以太网技术
11 EtherCAT 运行原理
12 EtherCAT 协议
14 灵活的拓扑结构
16 EtherCAT P: 通信与电源集成在一根线缆中
18 用于高精度同步的分布式时钟
20 诊断和错误定位
21 高可用性
22 EtherCAT 系统概览图
24 Safety over EtherCAT 实现安全数据传输
26 设备行规
28 基于 EtherCAT 自动化协议(EAP)的厂级通信
31 集成其他总线系统
32 EtherCAT、工业 4.0 和 IoT
34
实施 EtherCAT 接口
36 主站设备的实施
38 从站设备的实施
40 一致性测试及认证
43
联系方式
总线系统也许并不意味着所有 …
…但没有它,就不会有机器 !
它不仅是系统架构的核心部分,而
且其性能决定着整个系统能否达到最高性
能。同时,总线系统也是决定系统成本、
调试时间和稳定性的关键因素。这就是为
什么一个优秀的工程师在系统设计的第一
步就要选择正确的总线技术的原因。
本书将为您介绍工业以太网现场总线
EtherCAT。您不仅能学习到什么是 EtherCAT,
同时,还将了解为什么 EtherCAT 是最快的工
业以太网标准。本书也对全球最大的总线组
织 EtherCAT 技术协会(ETG)进行了介绍。
更为重要的是,我们希望传达给您:
为什么 EtherCAT 是您应用的正确选择。如果
您有任何问题,请随时与我们联系。我们对
EtherCAT 满腔热情,我们期待您的反馈。
EtherCAT 技术协会执行董事,
Martin Rostan,
代表 EtherCAT 技术协会团队
Martin Rostan,执行董事,
EtherCAT 技术协会
在全球战略会议上的全球 ETG 团队

4 5EtherCAT 技术概览
EtherCAT 是一项高性能、低成本、应用
简易、拓扑灵活的工业以太网技术。它于
2003 年被引入市场,并于 2007年成为国际标
准。EtherCAT 技术协会(EtherCAT Technology
Group,ETG)推广 EtherCAT 技术,并负责对
该项技术的持续研发。EtherCAT 是一项开放
的技术:允许任何人实施或应用。
运行机制
EtherCAT 的关键工作原理在于其节点对
以太网数据帧的处理:在数据帧向下游传输
的过程中,每个节点读取寻址到该节点的数
据,并将它的数据写入数据帧。这种传输方
式提高了带宽利用率,使得每个周期通常用
一个数据帧就足以实现整个系统的数据刷
新,同时,网络无需使用交换机或集线器。
网络性能
EtherCAT 处理帧的独特方式使得它成为
最快的工业以太网技术;没有任何其他技
术能获得比 EtherCAT 拥有更高的带宽利用
率或相应的性能。
灵活的拓扑
除了其速度优势以外,一个 EtherCAT 网
络最多可支持 65,535 个设备,而不受在拓扑
结构中放置位置的限制:线型、总线型、树
型、星型——或任意组合。快速以太网物理层
允许两个设备最大间距 100 米( 330 英尺),
采用光纤则设备间距可以更远。EtherCAT 还
可以提供更高的拓扑灵活性,如设备的热连
接、热插拔,以及通过环网实现的线缆冗
余。
多功能型
EtherCAT 适用于集中式和分散式的系统
结构。它可以支持主站-从站,主站-主站,
和从站-从站,以及包含下级现场总线的通
信。在工厂层,通信由 EtherCAT 自动化协议
(EtherCAT Automation Protocol)覆盖——完
全基于现有的网络基础架构。
使用简单
相比于传统的现场总线系统,EtherCAT
是显而易见的选择:节点地址可被自动设
置,无需网络调试,集成的诊断信息可精
确定位错误。即使具有这些优势,EtherCAT
却比其他的工业以太网技术使用更加简单:
无需配置交换机,无需处理复杂的 MAC 或
IP 地址。
成本低廉
EtherCAT 以现场总线的成本提供工业
以太网的全部优势。这是如何实现的呢?
首先,EtherCAT 不需要任何有源基础设施组
件。主站设备无需特殊插卡,从站设备可
选使用多个供应商提供的高集成度低成本
的芯片。此外,无需昂贵的 IT 专家进行网
络调试或系统维护。
工业以太网
EtherCAT 也支持常用的因特网技术,却
并不影响网络的实时性能。“Ethernet over
EtherCAT”协议可以传输 FTP、http 和 TCP/IP。
功能性安全
“Safety over EtherCAT”如同 EtherCAT
本身——精简而高速。功能性安全直接建
立在总线中,可以选择集中式或分散式的
安全逻辑。由于使用“黑色通道”(“Black-
Channel”)的方法,它同样适用于其他总线
系统。
开放的技术
EtherCAT
是一项国际标准化的开放技
术,这意味着任何人都能以兼容方式免费
使用该技术。但是,作为一项开放的技术
并不意味着任何人可以肆意修改 EtherCAT
以满足他/她的需求,否则会丧失其互操作
性。全球最大的现场总线组织,EtherCAT 技
术协会,负责 EtherCAT 技术在未来的完善
工作,因此该技术仍保有开放性和互操作
性。
久经考验
EtherCAT 目前在全球广泛领域有多种多
样的应用。EtherCAT 广泛应用于机器控制、
测量设备、医疗设备、汽车和移动设备以
及无数的嵌入式系统中。

6 7
国际标准
EtherCAT 技术协会是 IEC 的官方合作
伙伴。EtherCAT 和 Safety over EtherCAT 都
是 IEC 标准(IEC 61158 和 IEC 61784)。这
些标准不仅包括底层协议层,还包括应用
层和设备行规,如针对伺服产品的设备行
规。SEMI™(Semiconductor Equipment and
Materials International,国际半导体设备和
材料协会)已接受 EtherCAT 作为半导体工
业的通信标准(E54.20)。ETG 半导体技术
工作组的各任务组定义工业具体设备行规
和实施指南。
EtherCAT 规范有中文、英文、日文和韩
文版本可供选择。
申请会员资格
ETG 会员资格向所有公司开放,包括设
备制造商和最终用户。ETG 会员权益:
获得技术规范及访问开发者论坛;
以参加技术工作组的方式影响 EtherCAT
技术未来的发展;
获得本地 ETG 代表处的实施支持;
获得免费的从站堆栈代码、软件工具和
其他研发工具;
被允许使用 EtherCAT 和 ETG 的 Logo;
在 ETG 官网的 EtherCAT 产品指南中,以
及展会和其他 ETG 活动中展示其 EtherCAT
产品或服务。
章程、入会申请表,以及其他信息可
以通过 info@ethercat.org.cn 和
www.ethercat.org.cn 获得。
EtherCAT 技术协会确保 EtherCAT 技术
对所有潜在用户开放。协会将 EtherCAT 设
备制造商、技术提供商及用户聚集在一起
以进一步研发、完善该技术。协会设有多
个技术工作组,工作组的专家认真地从事
EtherCAT 各方面具体的研发工作。所有这些
活动旨为一个共同目标:保持 EtherCAT 的
稳定性和互操作性。这就是为何 EtherCAT 只
有一个版本,而非每年发布一个新版本的
原因。
ETG 每年在欧洲、亚洲和美国组织多场
互操作性测试活动(Plug Fest)。该活动聚集
EtherCAT 设备开发者进行测试以保证设备的
互操作性。每个制造商在产品发布前,应使
用官方的 EtherCAT 一致性测试工具进行相关
EtherCAT设备的一致性测试。若其通过了授
权测试实验室的一致性测试,ETG 将为制造
商颁发官方一致性认证证书。
ETG 负责组织国际研讨会、研发培训,
并参加全球的展览会。同时,ETG 还提供产
品指南、联合展台和研讨会产品展示,以
帮助其会员的 EtherCAT 产品开拓市场。
ETG 是全球拥有会员数量最多的现场总
线组织。会员列表可以在 ETG 网站主页查
看。然而,最重要的并不是会员数量,而
是这些会员的活跃度。无论从会员数量、设
备多样性,以及在欧洲、亚洲、美国的采
用率方面来看,EtherCAT 都是非常出色的。
EtherCAT 发展历程
EtherCAT 技术协会
全球活动
EtherCAT 技术协会活跃在世界各地。在德
国、中国、日本、韩国和美国的 ETG 代表处的
专家为本地 ETG 会员的实施提供全程支持。
技术工作组(TWG)负责技术的维护工
作,工作组通过对设备行规和实施指南的定
义来改善并统一设备行为。欢迎所有会员为
TWG 做积极的贡献。
在很多国家,EtherCAT是国家标准,如中国
和韩国。
EtherCAT 展台展示技术亮点及产品的
广泛性。
ETG 定期举行区域性会员大会。
2011
标准 μP+μC 集成
EtherCAT 接口
2009
ETG 会员数量突破 1000
在德国和日本成立
测试中心
2008
EtherCAT 一致性
测试工具
2003
EtherCAT 被
引入市场
ETG 成立
2012
半导体工业行规
ETG 会员数量突破
2000
2013
ETG 会员数量突破
2500
在中国成立测试
中心
2015
成立 FSoE
测试中心
发起工业 4.0 和
物联网倡议
2005
功能性安全
Safety over EtherCAT
2007
EtherCAT 成为
IEC
标准
2006
EtherCAT ASIC
引入市场
2014
ETG 会员数量
突破 3000
在北美成立
测试中心
EtherCAT
成为
中国推荐性
国家标准
2016
ETG 会员数量
突破 4000
EtherCAT P 被
引入市场
2017
ETG 中国、韩国、
北美代表处
成立十周年
TSN 行规发表
2018
FSoE 成为
中国推荐性
国家标准
EtherCAT 发展历程

8 9
3. 简单且耐用
配置、检测、维护都与系统的成本息
息相关。以太网现场总线使得所有这些任
务变得异常简单:EtherCAT 可以自动配置地
址,而无需手动配置。低总线负载和点对
点的物理层改善了抗电磁干扰的能力。网
络可以准确地定位潜在的干扰,从而大大
减少了故障排除时间。在启动时,网络将
目标拓扑与现实拓扑对比从而检测差异。
EtherCAT 出色的性能使得系统配置时对
网络调试的需求得以降低。高带宽可以将
其他的 TCP/IP 与控制数据同时传输。然而,
EtherCAT 并不是基于 TCP/IP 的,因此无需使
用 MAC 地址或 IP 地址,更不需要 IT 专家配
置交换机或路由器。
4. 集成安全
功能性安全作为一个网络结构的集成
部分?对于 FSoE(Functional Safety over Eth-
erCAT)来说不是问题。FSoE 是得到实际验
证的,自 2005 年就有了通过 TÜV 认证的
FSoE 设备。协议满足 SIL 3 系统要求,且适
用于集中控制和分散控制系统。由于采用
了黑色通道的方式及特别精简的安全容器
(Safety-Container),FSoE 也可以应用于其他
总线系统。该集成方案及精简的协议可降低
系统成本。此外,一个对安全等级要求不
高的控制器也可以接收并处理安全数据。
1. 卓越的性能
总的来说 EtherCAT 是最快的工业以太
网技术,同时它提供纳秒级精确的同步。
目标系统由总线系统控制或监测的
所有应用都将从此大大获益。快速反应时
间减少了处理步骤中的状态转换等待时
间,从而显著提高了应用的效率。最后,
相对于设定了相同循环时间的其他总线系
统,EtherCAT 系统结构通常能减少 25%-30%
的 CPU 负载。而最好的情况下,EtherCAT 性
能可以提高精度,获得更高的吞吐量,并
降低成本。
2. 灵活的拓扑
在 EtherCAT 应用中,机器结构决定网络
拓扑。在传统的工业以太网系统中,可安装
的交换机和集线器的级联数量是有限的,这
限制了整个的网络拓扑结构。而 EtherCAT 无
需交换机或集线器,因此没有这样的局限
性。简而言之,EtherCAT 在网络拓扑方面没
有任何限制。几乎无限数量的节点可以组成
线型、树型、星型拓扑及任何拓扑的组合。
由于具备自动链接检测功能,节点和网段可
在运行中断开及重新连接——甚至连接到其
他地方。线型拓扑可以拓展为环形拓扑,从
而实现线缆冗余。主站设备仅需要第二个以
太网口即可实现这种冗余功能,而从站设备
已经具备了支持冗余功能的条件。因此可在
机器运转过程中进行设备交换。
为何选用 EtherCAT?
EtherCAT 独特的运行方式使得它成为“工程师的最佳选择”。此外,以下技术的特点
对某些应用具有特殊的优势:
5. 低成本易实现
EtherCAT 以相当甚至低于传统现场总线
系统的价格水平提供工业以太网的特性。对
于主站设备硬件仅需要一个以太网端口——
而无需昂贵的接口卡或协处理器。不同形式
的 EtherCAT 从站控制器可以从很多供应商获
得:ASIC 芯片、FPGA,或标准微处理器的可
选总线接口。由于这些便宜的控制器可以承
担所有对时间要求苛刻的任务,EtherCAT 自
身并不向从站设备 CPU 提出任何性能要求,
从而降低了设备成本。因为 EtherCAT 不需要
交换机或其他有源基础组件,从而节省了该
类组件及其安装、配置和维护的成本。
基于以上原因,EtherCAT 广泛适
用于如下行业:
机器人
机床
包装机械
印刷机
塑料制造机器
冲压机
半导体制造机器
试验台
测试系统
抓取机器
电厂
变电站
材料处理应用
行李运送系统
舞台控制系统
自动化装配系统
纸浆和造纸机
隧道控制系统
焊接机
起重机和升降机
农场机械
海岸应用
锯木厂
窗户生产设备
楼宇控制系统
钢铁厂
风机
家具生产设备
铣床
自动引导车
娱乐自动化
制药设备
木材加工机器
平板玻璃生产设备
称重系统
等等...
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