实时以太网EtherCAT的技术和应用Word文件下载.docx
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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
1.6.1EtherCAT标准8
1.6.2Ethernet/IP标准8
1.6.3PowerLink标准8
1.6.4Profinet标准9
1.6.5Sercos-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
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
2.2EtherCAT运行原理12
2.3EtherCAT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
2.3.9EtherCAT实现CANopen(CoE)19
2.3.10EtherCAT实现伺服驱动(SoE)20
2.3.11EtherCAT实现以太网(EoE)20
2.3.12EtherCAT实现文件读取(FoE)21
2.4EtherCAT成本21
2.5EtherCAT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
2.6EtherCAT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
3.2EtherCAT主站程序26
3.3EtherCAT从站结构26
3.4数据通信27
结语28
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。
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(RealTimeEthernet,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。
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,并使Ethernet全面应用于工业控制领域成为可能。
1.2.1通信确定性与实时性
快速以太网、交换式以太网技术和全双工通信的发展给解决以太网的非确定性和非实时性问题提供了契机和可能。
首先,Ethernet的通信速率从1OM、100M增大到如今的1000M、10G,在数据吞吐量相同的情况下,通信速率的提高意味着网络负荷的减轻和网络传输延时的减小,即网络碰撞机率大大下降。
其次,采用星型网络拓扑结构,交换机将网络划分为若干个网段。
Ethernet交换机由于具有数据存储、转发的功能,使各端口之间输入和输出的数据帧能够得到缓冲,不再发生碰撞。
再次,全双工通信又使得端口闻两对双绞线(或两根光纤)上分别同时接收和发送报文帧,也不会发生冲突。
1.2.2稳定性与可靠性
由于工业现场的机械、气候、尘埃等条件非常恶劣,因此对设备的工业可靠性提出了更高的要求。
在工厂环境中,工业网络必须具备较好的可靠性、可恢复性及可维护性。
为了解决在不间断的工业应用领域,在极端条件下网络也能稳定工作的问题,德国Hirschmann等公司专门开发和生产了工业以太网交换机等产品,安装在标准DIN导轨上,并有冗余电源供电。
1.2.3安全性
工业系统的网络安全是工业以太网应用必须考虑的另一个安全性问题。
工业以太网可以将企业传统的三层网络系统,即信息管理层、过程监控层、现场设备层,合成一体,使数据的传输速率更快、实时性更高,并可与Internet无缝集成,实现数据的共享,提高工厂的运作效率。
但同时也引入了一系列的网络安全问题,工业网络可能会受到包括病毒感染、黑客的非法入侵与非法操作等网络安全威胁。
一般情况下,可以采用网关或防火墙等对工业网络与外部网络进行隔离,还可以通过权限控制、数据加密等多种安全机制加强网络的安全管理。
1.2.4总线供电问题
总线供电(或称总线馈电)是指连接到现场设备的线缆不仅传输数据信号,还能给现场设备提供工作电源。
对于现场设备供电可以采取以下方法:
(1)在目前以太网标准的基础上适当地修改物理层的技术规范,将以太网的曼彻斯特信号调制到一个直流或低频交流电源上,在现场设备端再将这两路信号分离开来。
(2)不改变目前物理层的结构,而通过连接电缆中的空闲线缆为现场设备提供电源。
1.3实时以太网的技术优势
1.3.1应用广泛
以太网是应用最广泛的计算机网络技术,几乎所有的编程语言如VisualC++、Java、VisualBasic等都支持以太网的应用开发。
1.3.2通信速率高
目前,10、100Mb/s的快速以太网已开始广泛应用,1Gb/s以太网技术也逐渐成熟,而传统的现场总线最高速率只有12Mb/s。
显然,以太网的速率要比传统现场总结要快的多,完全可以满足工业控制网络不断增长的带宽要求。
1.3.3成本低廉
以太网网卡的价格较之现场总线网卡要便宜得多(约为1/10);
另外,以太网已经应用多年,人们对以太网的设计、应用等方面有很多经验,具有相当成熟的技术。
大量的软件资源和设计经验可以显著降低系统的开发和培训费用,降低系统的整体成本,并大大加快系统的开发和推广速度。
1.3.4资源共享能力强
随着Internet/Intranet的发展,以太网已渗透到各个角落,网络上的用户已解除了资源地理位置上的束缚,在联人互联网的任何一台计算机上就能浏览工业控制现场的数据,实现“控管一体化”,这是其他任何一种现场总线都无法比拟的。
1.3.5可持续发展潜力大
以太网的引人将为控制系统的后续发展提供可能性,用户在技术升级方面无需独自的研究投入,对于这一点,任何现有的现场总线技术都是无法比拟的。
1.4实时以太网的关键技术
针对工业现场设备间通信具有实时性强、数据信息短、周期性较强等特点和要求,经过认真细致的调研和分析,以下技术基本解决了以太网应用于现场设备间通信的关键技术。
1.4.1实时通信技术
其中采用以太网交换技术、全双工通信、流量控制等技术,以及确定性数据通信调度控制策略、简化通信站软件层次、现场设备层网络微网段化等针对工业过程控制的通信实时性措施,解决了以太网通信的实时性。
1.4.2总线供电技术
采用直流电源耦合、电源冗余管理等技术,设计了能网络代电或总线供电的以太网集线器,解决了以太网总线的供电问题。
1.4.3远距离传输技术
采用网络分层、控制区域微网段化、网络超小时滞中继以及光纤等技术解决以太网的远距离传输问题。
1.4.4网络安全技术
采用控制区域微网段化,各控制区域通过具有网络隔离和安全过滤的现场控制器与系统主干相连,实现各控制区域与其他区域之间的逻辑上的网络隔离。
1.4.5可靠性技术
采用分散结构化设计、EMC设计、冗余、自诊断等可靠性设计技术等,提高基于以太网技术的现场设备可靠性,经实验室EMC测试,设备可靠性符合工业现场控制要求。
1.5实时以太网的未来技术
1.5.1工业以太网的防爆保护
目前工业以太网的本质安全的问题还没有很好解决。
未来这个技术解决后,第一台用双绞线连接的本质安全的以太网交换机的问世将具有重大意义。
1.5.2未来的网络拓扑结构
现在大部分的工业网络都支持菊花链型的拓扑结构,但是这个存在安全隐患的不稳定。
同时,当流量突发时,以句话两式连接的交换机在吞吐量和带宽将受到限制。
而环形拓扑结构就可以很好的解决这个问题,当其中一个节点失效时,不影响其他节点的正常工作。
1.5.3让交换机学习自动化语
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- 实时 以太网 EtherCAT 技术 应用
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