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为什么要研究EtherCAT（工业以(yi)太(tai)网的(de)明日(ri)之(zhi)星）
EtherCAT是(shi)一种工业以(yi)太网的(de)通信协议，性(xing)能远(yuan)远(yuan)优于(yu)传统的(de)现场总(zong)线，如CAN、Profibus等。
在(zai)工(gong)业自动化领域，伺服运动控制系(xi)统作为机器(qi)人及数控设备的核心(xin)组成(cheng)部分，对其(qi)相关技(ji)术的研究尤为重要(yao)。目前(qian)各领域技(ji)术的进步，促使工(gong)业设备需求不断(duan)提(ti)高(gao)，传(chuan)统伺服控制系(xi)统中使用的工(gong)业现场总线受限于老旧的协议技(ji)术及硬件规格，导致其(qi)数据传(chuan)输速度、实时性等方面越(yue)(yue)来越(yue)(yue)难以(yi)满足逐渐提高的系(xi)统总线(xian)数据传输需求。基于(yu)新现场总线(xian)技(ji)术(shu)的多轴伺(si)服控制系(xi)统在自(zi)动化(hua)控制领域的应用已(yi)成为一种趋势。
在以往的工业网络(luo)中，传统现场总(zong)线是(shi)应用于(yu)工业网络中最为广(guang)泛的技术。根据 IEC 61158，现(xian)场(chang)总线(xian)(xian)的(de)定义是(shi)(shi): 安装在(zai)生(sheng)产(chan)过(guo)程区(qu)域(yu)的(de)现(xian)场(chang)设(she)备或仪表(biao)与控(kong)(kong)制(zhi)室(shi)内(nei)的(de)自(zi)(zi)动(dong)控(kong)(kong)制(zhi)装置或系(xi)统(tong)之间(jian)的(de)一(yi)(yi)(yi)种数(shu)字、串行、双向、多(duo)节(jie)点通(tong)信(xin)的(de)数(shu)据(ju)总线(xian)(xian)。根(gen)据(ju)IEC61158 国际(ji)标(biao)(biao)准(zhun)(zhun)(zhun)建立的(de)目的(de)是(shi)(shi)将现(xian)存的(de)多(duo)种总线(xian)(xian)标(biao)(biao)准(zhun)(zhun)(zhun)统(tong)一(yi)(yi)(yi)成(cheng)一(yi)(yi)(yi)款(kuan)通(tong)用的(de)标(biao)(biao)准(zhun)(zhun)(zhun)。如(ru)果这(zhei)样，那么(me)一(yi)(yi)(yi)方(fang)面(mian)制(zhi)造商可(ke)以(yi)比较(jiao)方(fang)便的(de)生(sheng)产(chan)设(she)备，另一(yi)(yi)(yi)方(fang)面(mian)用户可(ke)以(yi)方(fang)便的(de)选用适合功能(neng)的(de)设(she)备而(er)(er)不(bu)必受(shou)困于单一(yi)(yi)(yi)总线(xian)(xian)标(biao)(biao)准(zhun)(zhun)(zhun)下的(de)产(chan)品。可(ke)是(shi)(shi)事(shi)实是(shi)(shi)各大公司(si)并未因(yin)此而(er)(er)形成(cheng)共识，结果依旧是(shi)(shi)群雄混(hun)战。大公司(si)经(jing)过(guo)多(duo)年的(de)发(fa)展(zhan)(zhan)，由于各自(zi)(zi)的(de)总线(xian)(xian)产(chan)品已经(jing)占据(ju)了一(yi)(yi)(yi)定的(de)市场(chang)份额，并不(bu) 担(dan)心多(duo)种总线(xian)(xian)产(chan)品之间(jian)的(de)不(bu)兼容会影响(xiang)销售，而(er)(er)不(bu)改(gai)变的(de)话(hua)则(ze)对用户选用设(she)备造成(cheng)影响(xiang)，用户无法真正根(gen)据(ju)自(zi)(zi)身成(cheng)本(ben)和(he)需要的(de)考虑选用设(she)备，而(er)(er)是(shi)(shi)更多(duo) 的(de)依赖之前(qian)选用设(she)备标(biao)(biao)准(zhun)(zhun)(zhun)的(de)要求，灵活(huo)性(xing)(xing)较(jiao)差。这(zhei)些已经(jing)阻碍工业控(kong)(kong)制(zhi)和(he)自(zi)(zi)动(dong)化系(xi)统(tong)的(de)进(jin)一(yi)(yi)(yi)步发(fa)展(zhan)(zhan)，传(chuan)统(tong)的(de)现(xian)场(chang)总线(xian)(xian)这(zhei)种先天性(xing)(xing)不(bu)足亟需解决(jue)(jue)。除了兼容性(xing)(xing)，在(zai)以(yi)往的(de)工业网(wang)络中，传(chuan)统(tong)现(xian)场(chang)总线(xian)(xian)还有(you)相(xiang)互连(lian)接方(fang)式(shi)，连(lian)通(tong)方(fang)式(shi)，操作(zuo)控(kong)(kong)制(zhi)方(fang)式(shi)等需要解决(jue)(jue)，并且传(chuan)统(tong)现(xian)场(chang)总线(xian)(xian)它的(de)传(chuan)输性(xing)(xing)能(neng)、响(xiang)应时间(jian)、速率等方(fang)面(mian)也无法达(da)到人(ren)们(men)在(zai)工业方(fang)面(mian)对它的(de)标(biao)(biao)准(zhun)(zhun)(zhun)。
因此开发一种更加(jia)优良(liang)、性能更加(jia)符合标准的(de)(de)工(gong)业通信技术(shu)成为了自动化(hua)通信领域的(de)(de)人们迫切需求。
在众多通(tong)信技(ji)术中，曾(ceng)用(yong)于(yu)计算机通(tong)信领域的以太网技(ji)术引起(qi)了人们的注意(yi)，Ethernet 拥有易(yi)于(yu)连接，连通方(fang)便的(de)(de)优点(dian)，并(bing)且价格也(ye)较(jiao)为(wei)(wei)(wei)(wei)理想(xiang)，传输速度可以达到工业(ye)控制所需要(yao)(yao)的(de)(de)标准，这些优点(dian)使它成为(wei)(wei)(wei)(wei)了(le)用(yong)于(yu)开发(fa)工业(ye)网(wang)(wang)络的(de)(de)首(shou)选。通用(yong)的(de)(de)工业(ye)以太网(wang)(wang)定义为(wei)(wei)(wei)(wei): 技术上与商用(yong)以太网(wang)(wang)兼容(rong)，但(dan)在(zai)产品(pin)设计上必须满足工业(ye)现(xian)场(chang)对(dui)实时性(xing)、可靠性(xing)、可互操作性(xing)、抗干扰性(xing)、本质(zhi)安全(quan)性(xing)、环境适应(ying)性(xing)等方(fang)面的(de)(de)需要(yao)(yao)，是继(ji)现(xian)场(chang)总(zong)线之后发(fa)展(zhan)起来的(de)(de)、被广(guang)泛认(ren)同(tong)为(wei)(wei)(wei)(wei)颇具发(fa)展(zhan)前景的(de)(de)一种工业(ye)通信网(wang)(wang)络。工业(ye)以太网(wang)(wang)采用(yong) TCP /IP 协议，和 IEEE 802.3标准兼容(rong)，但(dan)在(zai)应(ying)用(yong)层会加(jia)入各自(zi)特有的(de)(de)协议( 通常为(wei)(wei)(wei)(wei)IEEE 802.3/IEEE 802.3u) 。
虽然，传统以太网技术采用(yong)介质访问(wen)方式为竞争式的共享介质技术（CSMA/CD）对(dui)间歇传输、突发(fa)性长报文(wen)传输有着很(hen)高的(de)(de)效率。但(dan)是(shi)Ethernet具(ju)有很(hen)大(da)(da)的(de)(de)随机性，并且不能承受大(da)(da)的(de)(de)网络(luo)负(fu)(fu)载，当节点数(shu)(shu)增多、数(shu)(shu)据通信量增大(da)(da)、负(fu)(fu)载加重的(de)(de)情况下以太网的(de)(de)效率下降(jiang)很(hen)多。有资料表明以太网的(de)(de)有效带宽利用(yong)率不超(chao)过40%。因此无法直(zhi)接将 Ethernet用(yong)于自动化通信上，需要对(dui)它的(de)(de)传输方式(shi)进行修改。
与商用以太网相比，工(gong)业以(yi)太网的(de)技术特征体现(xian)在对以(yi)下方面(mian)的(de)特殊要求。①具有(you)高(gao)实时性(xing)与良好(hao)的(de)时间确(que)定性(xing)。②传(chuan)送信(xin)(xin)(xin)(xin)息(xi)(xi)多为短帧信(xin)(xin)(xin)(xin)息(xi)(xi)，且信(xin)(xin)(xin)(xin)息(xi)(xi)交换频繁(fan)。③容(rong)错能(neng)力强(qiang)，可靠(kao)性(xing)、安全性(xing)好(hao)。④控(kong)制(zhi)网络结构具有(you)高(gao)度分散(san)性(xing)。⑤控(kong)制(zhi)网络协议简单、实用，工作效率(lv)高(gao)。 ⑥控(kong)制(zhi)设备的(de)智(zhi)能(neng)化与控(kong)制(zhi)功能(neng)的(de)自治性(xing)。⑦与信(xin)(xin)(xin)(xin)息(xi)(xi)网络之间有(you)高(gao)效率(lv)的(de)通信(xin)(xin)(xin)(xin)，易于实现与 信(xin)(xin)(xin)(xin)息(xi)(xi)网络的(de)集成(cheng)。⑧设备的(de)可靠(kao)性(xing)与环境(jing)适应性(xing)。⑨远(yuan)距离传(chuan)输。⑩总线供(gong)电(dian)。
工业以太网有三(san)种(zhong)实现方式，即(ji)TCP/IP方(fang)(fang)(fang)式(shi)(shi)(shi)、以(yi)太(tai)(tai)网(wang)(wang)(wang)方(fang)(fang)(fang)式(shi)(shi)(shi)、修改以(yi)太(tai)(tai)网(wang)(wang)(wang)方(fang)(fang)(fang)式(shi)(shi)(shi)。其中(zhong)，TCP/IP 的(de)(de)(de)(de)方(fang)(fang)(fang)式(shi)(shi)(shi)仍然采用(yong)(yong)(yong)传(chuan)(chuan)统(tong)的(de)(de)(de)(de)TCP/IP协议(yi)(yi)栈进(jin)行通(tong)信，通(tong)过上层(ceng)的(de)(de)(de)(de)合理调(diao)度减少数(shu)(shu)(shu)(shu)据传(chuan)(chuan)输(shu)过程中(zhong)的(de)(de)(de)(de)不确定性(xing)(xing)，使(shi)(shi)用(yong)(yong)(yong)这(zhei)种(zhong)(zhong)方(fang)(fang)(fang)式(shi)(shi)(shi)有(you)Mobus/TCP和(he)Ethernet/IP等协议(yi)(yi)这(zhei)种(zhong)(zhong)方(fang)(fang)(fang)式(shi)(shi)(shi)的(de)(de)(de)(de)数(shu)(shu)(shu)(shu)据传(chuan)(chuan)输(shu)实(shi)(shi)时(shi)性(xing)(xing)不高；以(yi)太(tai)(tai)网(wang)(wang)(wang)的(de)(de)(de)(de)方(fang)(fang)(fang)式(shi)(shi)(shi)采用(yong)(yong)(yong)标准的(de)(de)(de)(de)以(yi)太(tai)(tai)网(wang)(wang)(wang)设备(bei)，这(zhei)样(yang)传(chuan)(chuan)输(shu)普通(tong)的(de)(de)(de)(de)以(yi)太(tai)(tai)网(wang)(wang)(wang)数(shu)(shu)(shu)(shu)据仍然可以(yi)使(shi)(shi)用(yong)(yong)(yong)TCP/IP协议(yi)(yi)，而(er)用(yong)(yong)(yong)于传(chuan)(chuan)输(shu)控制信号的(de)(de)(de)(de)过程数(shu)(shu)(shu)(shu)据则使(shi)(shi)用(yong)(yong)(yong)专门(men)(men)的(de)(de)(de)(de)协议(yi)(yi)传(chuan)(chuan)输(shu)，使(shi)(shi)用(yong)(yong)(yong)这(zhei)种(zhong)(zhong)方(fang)(fang)(fang)式(shi)(shi)(shi)的(de)(de)(de)(de)有(you)Ethernet Powerlink、PROFINet RT和(he)中(zhong)国(guo)的(de)(de)(de)(de)EPA（Ethernet for Plant Automation）等协议(yi)(yi)，可以(yi)实(shi)(shi)现较(jiao)高的(de)(de)(de)(de)实(shi)(shi)时(shi)性(xing)(xing)；修改以(yi)太(tai)(tai)网(wang)(wang)(wang)的(de)(de)(de)(de)方(fang)(fang)(fang)式(shi)(shi)(shi)采用(yong)(yong)(yong)经过修改的(de)(de)(de)(de)以(yi)太(tai)(tai)网(wang)(wang)(wang)协议(yi)(yi)传(chuan)(chuan)输(shu)数(shu)(shu)(shu)(shu)据，而(er)使(shi)(shi)用(yong)(yong)(yong)专门(men)(men)的(de)(de)(de)(de)硬件处理数(shu)(shu)(shu)(shu)据，使(shi)(shi)得响(xiang)应时(shi)间小于1ms，它的(de)(de)(de)(de)实(shi)(shi)时(shi)数(shu)(shu)(shu)(shu)据和(he)非实(shi)(shi)时(shi)数(shu)(shu)(shu)(shu)据也是(shi)(shi)分开传(chuan)(chuan)输(shu)的(de)(de)(de)(de)，彻底避免数(shu)(shu)(shu)(shu)据报文冲突，使(shi)(shi)用(yong)(yong)(yong)这(zhei)种(zhong)(zhong)方(fang)(fang)(fang)式(shi)(shi)(shi)的(de)(de)(de)(de)有(you)SERCOS-III、PROFINetIRT和(he)EtherCAT等协议(yi)(yi)，EtherCAT 技术是(shi)(shi)由(you)德国(guo)BECKHOFF自动化公司提出并实(shi)(shi)现的(de)(de)(de)(de)工业(ye)以(yi)太(tai)(tai)网(wang)(wang)(wang)技术，是(shi)(shi)目前(qian)最快的(de)(de)(de)(de)工业(ye)以(yi)太(tai)(tai)网(wang)(wang)(wang)解决方(fang)(fang)(fang)案。
（图为：宽带利用率的比较）
可以(yi)看出EtherCAT具有(you)卓越的有(you)效数据(ju)率(lv)
一个完整(zheng)的EtherCAT系统(tong)可(ke)以(yi)分为主站(zhan)和从站两(liang)个部分，主(zhu)站使(shi)用标准以(yi)太网设(she)备(bei)传输数(shu)据，从站使(shi)用专用的(de)控制芯片(pian)处理数(shu)据，支持线形、树形或星形等多种拓扑结(jie)构(gou)，具(ju)有超高的(de)性(xing)能、灵活性(xing)和成本优势，EtherCAT协议与普通的(de)现场总(zong)线协议相比有以下特点：
（1）EtherCAT具有(you)(you)广泛(fan)的适(shi)应性，无论是(shi)简单的16位微处理器(qi)还(hai)是(shi)复杂的PC系统(tong)，只要控制(zhi)(zhi)单元带(dai)有(you)(you)普通(tong)的以太网控制(zhi)(zhi)器(qi)都可以构(gou)成EtherCAT主站(zhan)。
（2）EtherCAT是一种特(te)殊(shu)的(de)以(yi)(yi)(yi)太网协(xie)议，使用(yong)该协(xie)议的(de)数据可以(yi)(yi)(yi)使用(yong)常用(yong)的(de)以(yi)(yi)(yi)太网设备，可以(yi)(yi)(yi)节省(sheng)设备更新的(de)成本。
（3） EtherCAT可(ke)以灵活(huo)选(xuan)择(ze)从站(zhan)类型，无论(lun)是带有(you)微(wei)处(chu)理器的复杂节 点还是只有(you)2位I/O的简单(dan)节点可(ke)以用作EtherCAT从站(zhan)。
（4） EtherCAT 数(shu)据(ju)传(chuan)输速率高，由（2）知(zhi)该协议数(shu)据(ju)符(fu)合(he)标(biao)准的(de)以(yi)太(tai)网(wang)协议，可以(yi)通过标(biao)准的(de)以(yi)太(tai)网(wang)进行数(shu)据(ju)传(chuan)输，可以(yi)充分利用以(yi)太(tai)网(wang)带宽 进行用户(hu)数(shu)据(ju)的(de)传(chuan)输。
（5）EtherCAT 数据(ju)刷(shua)新周期短，使(shi)用(yong)专门的(de)(de)硬件处理数据(ju)，数据(ju)的(de)(de)刷(shua)新周期很小，低于100μs，可用(yong)于响应要求高的(de)(de)设(she)备。
（6） EtherCAT具有良好(hao)的(de)同步性(xing)能，设备之间(jian)的(de)同步由专用(yong)硬件的(de)相关寄存器完(wan)成，各个从站设备之间(jian)的(de)时钟同步精度可以控制(zhi)在1μs以内。
于是以EtherCAT为(wei)典型的(de)(de)基于Ethernet面向工业(ye)传(chuan)输的(de)(de)各种各样的(de)(de)工业(ye)以(yi)太网技术被研发出来，是(shi)当(dang)今最流行(xing)的(de)(de)工业(ye)以(yi)太网标(biao)准(zhun)之一。
