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实时以太网EtherCAT的技术和应用
摘要：
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。
关键词：
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言
大型的自动化厂商都有自己定义的工业以太网协议，因此交换机学习自动化语言后，就可以用自己熟悉的自动化工具配置网络。
1.5.4安全增长的重要性
工业以太网能够实现从管理级到现场级的数据传输，因此用户只需要掌握一种网络技术即可。
但是网络的透明度的增加也同时带来了安全隐患。
分布式安全体系的建立，能够将内部网络分为一个个独立的安全单元，通过相应的协议规则通信。
1.5.5无线网络提供新的应用可能
如今的无线网络技术WLAN（WirelessLAN）被广泛的应用于办公环境中。
移动性、灵活性、易于安装、低成本，无线通信的这些优点渐渐被应用于工业环境中。
无线网络有很多不同技术特点的技术标准，WiMAX技术的传输距离在70公里以内，适合于大厂区范围内的数据通信，通信速率可达到640Mb/s。
BlueTooth技术的传输半径在10m以内，适合于办公环境内的通信。
ZigBee技术是一种超低功耗的无线通信标准，很灵活，可以用于传感器级别的数据通信。
1.5.6更高的网络带宽
随着互联网技术的发展，网络带宽将会越来越大，现在千兆以太网技术已经比较成熟并应用广泛，万兆以太网技术也正在完善和普及，十万兆以太网技术也开始崭露头角。
随着以太网速率的增加，将来可能更多的设备和信息都会连接到以太网上，真正实现E网通天下。
1.6实时以太网的主流五种标准
2005年IEC标准化组织公布了11种实时以太网标准，这11种实时以太网标准成为当前获得国际承认的标准，每个标准都有自己的公司联盟和组织提供技术制定、推广、开发等支持。
这11种标准分别为Ethernet/IP、Profinet、P-Net、InterBus、Vnet/IP、TCnet、EtherCAT、PowerLink、EPA、Modbus-RTPS、Sercos-III。
下面只选择市场及技术较成熟的5种主流实时以太网标准分别介绍。
1.6.1EtherCAT标准
EtherCAT（EthernetforControlAutomationTechnology）由德国Beckhoff公司开发，并得到ETG（EtherCATTechnologyGroup）国际组织的支持。
EtherCAT是一个可用于现场级的超高速I/O网络，它使用标准的以太网物理层和常规的以太网卡，传输媒体可为双绞线或光纤。
传统以太网技术用于现场级的最大问题是通信效率低，仅为0．77％，为了提高通信效率，EtherCAT采用了类似Interbus现场总线的集总帧等时通讯原理。
EtherCAT开发了专用ASIC芯片FMMU（现场总线内存管理单元）用于I／0模块，这样一来，EtherCAT可采用标准以太网帧，并以特定的环状拓扑发送数据，在FMMU单元的控制下，网络上的每个站（或I/O单元）均从以太网帧上取走与该站有关的数据，或者插入该站要输出的数据。
EtherCAT还通过内部优先级系统，使实时以太网帧比其它数据帧有较高的优先级。
EtherCAT几乎支持任何拓扑结构，包括线性、树型与星型等，在l00Mbps时允许两个设备之间最大电缆长度为100米，可连接多至65535个设备。
1.6.2Ethernet/IP标准
2000年3月，ControlNet国际组织（ControlNetInternational，CI）和DeviceNet供应商协会（OpenDeviceVendorAssociation，ODVA）共同开发了Ethernet／IP实时以太网，IP代表是工业协议（IndustrialProtoco1）。
Ethernet／IP是一种开放的工业网络标准，它充分采用现成商用的EthernetTCP／IP芯片、物理媒体和协议组，支持显性和隐性报文。
作为实时控制网络，Ethernet／IP在TCP／IP之上附加一个公共的应用层CIP（CommonIndustrialProtoco1），CIP的控制部分用于实时I/O报文，信息部分用于报文交换。
1.6.3PowerLink标准
ETHERNETPowerlink（简称EPL）实时以太网标准是由奥地利贝加莱公司（B&R）于2001年11月创议和开发的，得到了EPSG（EPL标准化）协会的支持。
世界上已有300多个制造厂、供应商和用户使用这项技术。
ETHERNETPowerlink标准是在CANopen协议基础上发展而来的，它基于高速以太网，建立了一种特殊的时序机制SCNM（时间片通信管理机制），因此保证了数据传输的确定性。
EPL系统中MN（ManagingNode）节点作为主控制器去管理SCNM，CN（ControledNode）由一些现场设备构成，它们通过以太网HUB相连，路由器则负责IP地址转换和IP报文的信息安全。
1.6.4Profinet标准
Profinet实时以太网是由PI（ProfibusInternationa1）组织于2001年8月提出的基于以太网的自动化标准。
Profinet将工厂自动化和企业信息管理层IT技术以及有线通信与无线通信技术有机地融为一体，同时又完全保留了Profibus现有的开放性。
Profinet构成从I/O级直至协调管理级的基于组件的分布式自动化系统的体系结构方案。
Profinet用于实现基于实时以太网的各种应用集成，Profinet-I/0支持简单分散式现场设备集成，Profinet-IRT支持苛求时间要求的运动控制集成以及Profinet-CBA支持基于组件的分布式自动化系统的集成。
1.6.5Sercos-III标准
SERCOS（SerialRealtimeCOmmunicationSystem）数字运动控制总线是运动控制领域的专用总线。
该总线由SI（SERCOSInternational）集团提供支持，该集团包括50家控制器生产商和30家驱动器生产商。
Sercos-III是第三代基于以太网的运动控制高速总线接口。
它将以太网的物理层和协议与Sercos接口机理有机的结合在一起，该总线采用TDMA时分多路时间片通信机制实现实时性和确定性。
1.7实时以太网的五种标准比较
1.7.1硬件和软件的差异
各种实时方案从他们符合或不符合以太网TCP/IP标准来说，是各不相同的。
关于硬件，Profinet-IRT、Sercos-III和EtherCAT（在从站中）的使用不是建立在标准以太网控制器上的，而是需要特殊硬件（专用集成电路或FPGA现场可编订阵列）。
这意味着这些实时方案在操作时，依赖于制造商定制的硅器件。
相反，PowerLink和Ethernet／IP使用标准的以太网控制器作为硬件平台。
至于网络软件（OSI层3和层4），Profinet-IRT、Sercos-III、EtherCAT和PowerLink使用专门的软件栈。
仅Ethernet/IP是完全建立在同时满足硬件和软件两方面的以太网TCP/IP之上的。
1.7.2实现确定性的方案
为了使以太网具有实时性能，它必须以一种确定性的方法进行响应。
为此，各种基于以太网实时方法采用了不同的机制。
●Powerlink是一种基于循环的实时系统。
它在CSMA/CD机制中叠加了一个时间槽机制。
主站（控制器）在一段分配的通讯循环时期内，连续轮询从站（驱动器）。
其剩余的循环时间是留为异步数据的传输，如设备的配置。
通过一个标准以太网报文，传输数据对PowerLink，实时数据采用Ethertype，普通数据采用IP。
通过标准以太网网络集线器，在一个实时段相互连接所有站点（主站与从站）。
●Profinet-IRT，为了达到硬实时，也可使用时间槽机制。
因此，某带宽保留以用于实时数据传输（IRT=等时实时同步），并且异步通讯也可使用保留的带宽。
通过优于标准集成在现场设备的专用交换机来连接站点，而不是通过标准的以太网交换机。
这些专用集成交换机包含一个专用集成电路，以100Mbps的数据速率控制或四个端口。
●Sercos-III使用以太网物理层（1OOMbps）和以太网报文，同时，保留现有的Sercos机制。
同样的，Sercos-III是基于带宽，用于等时同步（实时信道）和异步（1P信道）数据传输的时间空挡机制。
Sercos-III运行无需网络集线器或交换机。
每个站点都具有专用的集成电路或带有两个通讯端口的FPGA，使它能够通过线形或环形拓扑图进行连接。
●EtherCAT使用以太网报文结构，但是采用一种完全不同的基本运行模式。
在一个通讯循环内，报文不会分别发送到每个站点，而是一个单一以太网报文贯穿所有站点/从站。
以太网报文中的数据区分为若干实时和普通数据段。
在实时数据区，连续的子报文定义了所有站点的首部及过程数据，从而增加了协议中的用户数据率（在运动控制应用中，64字节最短的以太网结构的用户数据率通常低于15％）。
从站具有专用集成电路或FPGA，可将输入的以太网格式数据转换为一个内部名为E总线。
由于EtherCAT从站仅能够解释EtherCAT帧，为了能够引导通用数据通过从站，故将通用数据封装在EtherCAT帧中。
如果通用数据包太大，无法在一个循环中传输，则将被分别传送，从而通过多个EtherCAT帧。
封装信道及打开封装信道采用网关功能，发生在主站（虚拟以太网交换机）或从站中。
整个协议处理是基于硬件的。
从站不会以常规模式处理输入的以太网报文一一揭示其内容，之后为转发而复制过程数据。
取而代之的是，在报文通过从站的同时，EtherCAT从站在读写报文中来自和到达预定站点的过程数据。
EtherCAT机制允许执行非常短的循
●Ethernet/IP是完全基于以太网标准仅有的一个实时方案。
和其他协议相比，Ethernet/IP并不是基于循环，而是基于时间，这意味着它仅需要通过现场站点及时接收指令，还意味着整个系统的性能能够独立于网络性能来完成。
通过这三个均基于标准的机制：
UDP，服务品质QoS（优先站点）和IEEE1588来保证实时传送。
1.7.3实现实时性的异同
下表对比五种标准在一个需要同步控制1OO根轴的应用的实时行为。
依照性能测试的两个分析标准为响应时间（循环时间）和抖动（也就是响应时间钟的变化）。
以太网方案
响应时间（100轴）
抖动
数据速率
Ethernet/IP
=1ms
<1ms
100Mbps
PowerLink
<1ms
<1ms
100Mbps
Profinet-IRT
<1ms
<1ms
100Mbps
Sercos-III
<0.5ms
<0.1ms
100Mbps
EtherCAT
=0.1ms
<0.1ms
100Mbps
通过观察此表，首先是感叹这五个实时方案强大的性能，它们都具有较短的响应时间，或达到1ms。
Ethernet/IP、Powerlink和Profinet-IRT在数量级上相似；在数量级上，Sercos-III和EtherCAT同其他三个实时方案相比则更快和更精确。
1.7.4纵向IT集成的实现
Ethernet/IP和Profinet是通用的通讯系统，并且它们的专用附件分别为ClPsvnc和Profinet-IRT可用于运动控制应用。
基于Powerlink和Sercos-III的系统特别适合多轴应用。
EtherCAT提供一个高效的路径,可实现极速的I/O传送和操作。
这五个基于以太网的实时方案优于传统的运动控制现场总线，具有一个决定性的优势：
即它们支持互联网技术，因而允许纵向IT集成，特别是Web技术在自动化行业中起到越来越重要的作用。
二．EtherCAT实时以太网技术
2.1传统现场总线及以太网的实时能力
现场总线已成为自动化技术的集成组件，通过大量的实践试验和测试，如今已获得广泛应用。
正是由于现场总线技术的普及，才使基于PC的控制系统得以广泛应用。
然而，虽然控制器CPU的性能（尤其是IPC的性能）发展迅猛，但传统的现场总线系统正日趋成为控制系统性能发展的“瓶颈”。
急需技术革新的另一个因素则是由于传统的解决方案并不十分理想。
传统的方案是，按层划分的控制体系通常都由几个辅助系统所组成（周期系统）：
即实际控制任务、现场总线系统、I/O系统中的本地扩展总线或外围设备的简单本地固件周期。
正常情况下，系统响应时间是控制器周期时间的3-5倍。
在现场总线系统之上的层面（即网络控制器）中，以太网往往在某种程度上代表着技术发展的水平。
该方面目前较新的技术是驱动或I/O级的应用，即过去普遍采用现场总线系统的这些领域。
这些应用类型要求系统具备良好的实时能力、适应小数据量通讯，并且价格经济。
EtherCAT可以满足这些需求，并且还可以在I/O级实现因特网技术（参见图1）。
图1：
传统现场总线系统响应时间
目前，有许多方案力求实现以太网的实时能力。
例如，CSMA/CD介质存取过程方案，即禁止高层协议访问过程，而由时间片或轮循方式所取代的一种解决方案；另一种解决方案则是通过专用交换机精确控制时间的方式来分配以太网包。
这些方案虽然可以在某种程度上快速准确地将数据包传送给所连接的以太网节点，但是，输出或驱动控制器重定向所需要的时间以及读取输入数据所需要的时间都要受制于具体的实现方式。
如果将单个以太网帧用于每个设备，那么，理论上讲，其可用数据率非常低。
例如，最短的以太网帧为84字节（包括内部的包间隔IPG）。
如果一个驱动器周期性地发送4字节的实际值和状态信息，并相应地同时接收4字节的命令值和控制字信息，那么，即便是总线负荷为100%（即：
无限小的驱动响应时间）时，其可用数据率也只能达到4/84=4.8%。
如果按照10µs的平均响应时间估计，则速率将下降到1.9%。
对所有发送以太网帧到每个设备（或期望帧来自每个设备）的实时以太网方式而言，都存在这些限制，但以太网帧内部所使用的协议则是例外。
2.2EtherCAT运行原理
EtherCAT技术突破了其他以太网解决方案的系统限制：
通过该项技术，无需接收以太网数据包，将其解码，之后再将过程数据复制到各个设备。
EtherCAT从站设备在报文经过其节点时读取相应的编址数据，同样，输入数据也是在报文经过时插入至报文中（参见图2）。
整个过程中，报文只有几纳秒的时间延迟。
图2：
过程数据插入至报文中
由于发送和接收的以太网帧压缩了大量的设备数据，所以有效数据率可达90%以上。
100Mb/sTX的全双工特性完全得以利用，因此，有效数据率可大于100Mb/s（即大于2x100Mb/s的90%）（参见图3）。
图3：
带宽利用率的比较
符合IEEE802.3标准的以太网协议无需附加任何总线即可访问各个设备。
耦合设备中的物理层可以将双绞线或光纤转换为LVDS（一种可供选择的以太网物理层标准[4，5]），以满足电子端子块等
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