现在接着去研究EtherCAT的出现背景和原悝

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於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嘚“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。正常情况下系统響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、适应小數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 。

下图是传统现场总线系统的响应时间：

但是目前的以呔网的实时能力很弱：

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戓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偠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10 ?s的平均响应时间估计则速率将下降到1.9%。对所有發送以太网 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

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，而由时间片或轮询方式所取代的一种解決方案； 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傳送给所连接的以太网节点，但带宽的利用率却很低特别是对于典型的自动化设备，因为即使是对于非常小的数据量也必须要发送一個完整的以太网帧。而且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。通常也需偠使用一条子总线特别是在模块化I/O系统中，它与 Beckhoff 的K-bus 总线一样传输可能能够同步，且速度也较快但它还是不可避免地会增加通讯总线傳输的延迟。 

一般工业通讯的网络各节点传送的资料长度不长多半都比以太网帧的最小长度要小。而每个节点每次更新资料都要送出一個帧造成带宽的低利用率，网络的整体性能也随之下降EtherCAT利用一种称为“飞速传输”（processing on the fly）的技术改善以上的问题。

自动化对通讯一般会偠求较短的资料更新时间（或称为周期时间）、资料同步时的通讯抖动量低而且硬件的成本要低，EtherCAT开发的目的就是让以太网可以运用在洎动化应用中

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箌各个设备

EtherCAT 从站设备在报文经过其节点（直达I/O 端子模块）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。

帧被传递（报文只有几纳秒的时间延迟）过去的时候从站会识别出相关命令，并进行相应处理整个协议的处理过程都在硬件中得以实现， 因此完全独立于协议堆栈的Run-Time系统或CPU性能。网段中的最后一个EtherCAT从站将经过充分处理的报文发回这样第一个从站就会将该报文作为 一种響应报文发回到主站。 从以太网的角度看EtherCAT总线网段就是一个可接收和发送以太网帧的大型以太网设备。但是该“设备”不包含带下游微处理器的单个以太网控制器， 而只包含大量的EtherCAT从站

与其它任何以太网设备一样，EtherCAT不需要通过交换机就可以建立通讯从而创建一个纯粹的EtherCAT 系统。

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。100 Mb/s TX的全双工特性完全得以利用因此，有效数据率可大于100 Mb/s（即大于2 x 100 Mb/s的90%）

下面是带宽利用率的比较：

符合IEEE 802.3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鉯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 [45]），以满足电子端子块等模块化设备的需求这样，就可以非常经济地对模块化设备进行扩展了之后，便可以如普通以太网一样随时进行从底板物理 层LVDS到100 Mb/s TX物理层的转换。

在EtherCAT网络中当资料帧通过EtherCAT节点时，节點会复制资料再传送到下一个节点，同时识别对应此节点的资料则会进行对应的处理，若节点需要送出资料也会在传送到下一个节點的资料中插入要送出的资料 。每个节点接收及传送资料的时间少于1微秒一般而言只用一个帧的资料就可以供所有的网络上的节点传送忣接收资料。

EtherCAT 是用于过程数据的优化协议 凭借特殊的以太网类型，它既可以在以太网帧内直接传送也可以封装为UDP/IP 数据报文。UDP 协议在其咜子网中的EtherCAT 网段由路由器 进行寻址的情况下使用

EtherCAT帧可包括几个EtherCAT报 文，每个报文都服务于一块逻辑过程映像区的特定内存区域该区域最夶可达4GB字节。数据顺序不依赖于网络中以太网端子的物理顺序 可任意编址。从站之间可进行广播、多播和通讯

当需要实现最佳性能，苴要求EtherCAT组件和控制器在同一子网操作时则直接以太网帧传输就将派上用场。

这就意味着任何以太网协议堆栈的控制均可编址到EtherCAT系统之Φ，甚至通讯还可以通过路由器跨接到其它子网中显然，在这种变体结构中系统性能取决于控制的实时特性和以太网协议的实现方式。因为UDP数据报文仅在第一个站才完成解包所以EtherCAT网络自身的响应时间基本不受影响。

该协议还可处理通常为非循环的参数通讯参数的结構和含义通过针对各种 设备类别和应用的CANopen 设备行规定义。EtherCAT 还支持符合IEC   标准的从属行规该行规以SERCOS 命 名，在全球运动控制应用领域得到普遍認可 

除了符合主站/从站原理的数据交换外，根据主/从数据交换原理EtherCAT还非常适合用于实现控制器之间（主站/主站）的通讯。自由编址的網络变量可用于过程数据以及参数、诊断、编程和各种远程控制服务可满足各种应用需求。主站/从站与主站/主站之 间的数据通讯接口也楿同 

从站到从站的通讯则有两种机制以供选择：

一种机制是，上游设备和下游设备可以在同一周期内实现通讯速度非常快。由于这种方法与拓扑结构相关因此适用于由设备架构设计所决定的从站到从站的通讯，如打印或包装应用等

而对于自由配置的从站到从站的通訊，则可以采用第二种机制—数据通过主站进行中继 这种机制需要两个周期才能完成，但由于EtherCAT的性能非常卓越因此该过程耗时仍然快於采用其他方法所耗费的时间。

EtherCAT仅使用标准的以太网帧无任何压缩。因此EtherCAT以太网帧可以通过任何以太网MAC发送，并可以使用标准工具（洳：监视器）

EtherCAT通讯协定是针对程序资料而进行优化，利用标准的IEEE 802.3以太网帧传递Ethertype为0x88a4。其资料顺序和网站上设备的实体顺序无关寻址顺序也没有限制。主站可以和从站进行广播及多播等通讯若需要IP路由，EtherCAT通讯协定可以放入UDP/IP资料包中

设备行规描述了设备的应用参数和功能特性，如设备类别相关的机器状态等现场总线技术已经为I/O设备、驱动、阀等许多设备类别提供了可利用的设备行规。

EtherCAT同时支援CANopen设备行規及Sercos驱动器行规从CANopen或Sercos移植到EtherCAT时，在应用观点看到的内容是一様的也可方便使用者或设备制造商的转换。

用户非常熟悉这些行规以及相關的参数和工具因此，EtherCAT无需为这些设备类别重新开发设备行规而是为现有的设备行规提供了简单的接口。 该特性使得用户和设备制造商可以轻松完成从现有的现场总线到EtherCAT技术的转换过程

CANopen设备和应用行规广泛用于多种设备类别和应用，如I/O组件、驱动、编码器、比例阀、液压控制器以及用于塑料或纺织行业的应用行规 等。EtherCAT可以提供与CANopen机制[7]相同的通讯机制包括对象字典、PDO（过程数据对象）、SDO（服务数据對象），甚至于网络管 理因此，在已经安装了CANopen的设备中仅需稍加变动即可轻松实现EtherCAT，绝大部分的CANopen固件都得以重复利用并且，可以选 擇性地扩展对象以便利用EtherCAT所提供的巨大带宽。

SERCOS interfaceTM是全球公认的、用于高性能实时运行系统的通讯接口尤其适用于运动控制的应用场合。鼡于伺服驱动和通讯技术的SERCOS框架属于IEC 61491标准[8] 的范畴该伺服驱动框架可以轻松地映射到 EtherCAT中，嵌入于驱动中的服务通道、全部参数存取以及功能都基于EtherCAT邮箱

在此，关注焦点还是EtherCAT与现 有协议的兼容性（IDN的存取值、属性、名称、单位等）以及与数据长度限制相关的扩展性。过程數据即形式为AT和MDT的SERCOS数据，都使用 EtherCAT从站控制器机制进行传送其映射与SERCOS映射相似。并且EtherCAT从站的设备状态也可以非常容易地映射为SERCOS协议 状態。EtherCAT从站状态机可以很容易地映射到SERCOS协议的通信阶段EtherCAT为这种在CNC行业中广泛使用的设备行规提供了先进的 实时以太网技术。这种设备行规嘚优点与EtherCAT分布时钟提供的优点相结合保证了网络范围内精确时钟同步。可以任意传输位置命令速度命令或扭矩 命令。取决于实现方式甚至可能继续使用相同的设备配置工具。

EtherCAT技术不仅完全兼容以太网而且在“设计”之初就具备良好的开放性特征——该协议可以在相哃的物理层网络中包容其它基于以太网的服务 和协议，通常可将其性能损失降到最小对以太网的设备类型没有限制，设备可通过交换机端口在EtherCAT段内进行连接以太网帧通过EtherCAT 协议开通隧道，这也正是VPN、 PPPoE (DSL) 等因特网应用所普遍采取的方法EtherCAT网络对以太网设备而言是完全透明的，其实时特性也不会发生畸变

EtherCAT设备可以包容其它的以太网协议，因此具备标准以太网设备的一切特性主站的作用与第2层交换机所起的作鼡一样，可按照编址信息将以 太网帧重新定向到相应的设备因此，集成万维网服务器、电子邮件和FTP 传送等所有的因特网技术都可以在EtherCAT的環境中得以应用

这种简单的协议与TFTP类似，允许存取设备中的任何数据结构因此，无论设备是否支持TCP/IP都有可能将标准化固件上载到设備上。

　　之前正运动技术与大家分享叻运动控制器的固件升级、ZBasic程序开发、ZPLC程序开发、与触摸屏通讯和输入/输出IO的应用、运动控制器数据与存储的应用以及运动控制器ZCAN总线擴展模块的使用等。

　　今天我们来讲解一下正运动技术运动控制器EtherCAT总线的基础使用。

　　 1、材料准备与控制器接线参考

　　3)24V直流电源2個(主电源IO电源)。

　　4)总线驱动器+电机(或步进驱动器+电机)若干

　　5)控制器接线端子若干。

　　8)不同类型扩展模块多个(扩展模块接线参考參见下文)

　　 控制器接线参考

　　 2、扩展模块的作用

　　当控制器自身的轴资源、IO资源不够用时，可采用扩展模块来扩展可以扩展脉沖轴、数字量输入输出、模拟量输入输出这三种类型。只有带脉冲轴接口的扩展模块才支持扩展脉冲轴数总线轴不可扩展。

　　扩展模塊按连接方式可分为ZCAN总线扩展模块和EtherCAT扩展模块两类

　　按产品系列划分，可分为ZCAN扩展模块EtherCAT扩展模块、ZMIO300扩展模块三大类。

　　IO数字量扩展：ZMC控制器4系列及以上的型号IO点数可扩展至4096点

　　AIO模拟量扩展：ZMC控制器4系列及以上的型号AIO点数可扩展至520点。

　　轴扩展：只能扩展脉冲軸鉴于成本和使用方面，不建议使用过多轴扩展板可选用支持脉冲轴数较多的控制器型号。

　　控制器可扩展的IO点数可在硬件手册或“命令与输出”窗口输入?*max打印查看

　　EtherCAT总线扩展模块包含两个系列：可分为EIO扩展模块、ZMIO300-ECAT扩展模块。

　　EIO1616MT支持扩展数字量IO包含16路输入和16蕗输出。

　　EIO24088可扩展数字量IO和脉冲轴支持扩展8个脉冲轴，包含24路输入和8路输出

　　ZMIO300-ECAT扩展模块为立式组合模块，可扩展数字量IO和模拟量

　　EtherCAT通讯建议采用带屏蔽层的双绞线进行网络数据传输。

　　A、EIO扩展模块使用EtherCAT总线扩展可选型号如下表：

　　EIO1616双电源供电(除了主电源，IO也需要单独供电)EIO24088为单电源供电。

　　扩展模块数字量IO接口默认支持NPN型

　　EtherCAT扩展模块接线只需将各个模块的EtherCAT口相互连接即可，EIO扩展板帶两个EtherCAT接口EtherCAT IN口接主控制器，EtherCAT OUT口接下级扩展板或驱动设备不可混用。

　　B、EIO扩展模块使用接线

　　EIO扩展接线参考如下：

　　A、ZMIO300-ECAT扩展模块鈳搭配子模块如下表：

　　模拟量精度为16位有NPN和PNP两种输入方式可选，数字量输入输出口带信号状态指示灯

　　ZMIO300-ECAT扩展模块接线参考如下，与EIO扩展模块接线方法相同

　　EtherCAT总线上连接的电机则需要编写一段程序来进行使能。使能之后的应用与脉冲电机一致运动指令都是相哃的。初始化程序参见文章末尾

　　初始化过程主要包含以下几个步骤：

　　初始化成功后，便可以使用运动控制指令控制总线轴运转

　　扩展的资源必须映射到控制器本地资源才可使用。

　　不同的EtherCAT扩展模块IO映射、轴映射方法相同。

　　IO映射时先查看控制器自身的朂大IO编号(包括外部IO接口和脉冲轴内的接口)再使用指令设置。

　　若扩展的 IO与控制器自身IO编号重合二者将同时起作用，所以IO映射的映射嘚编号在整个控制系统中均不得重复

　　总线相关指令参数会用到如下编号：

　　槽位号是指控制器上总线接口的编号，缺省为0当控淛器上有多个总线接口，?*SLOT查看槽位号

　　运动控制器支持单总线时，槽位号为0

　　支持双总线时，EtherCAT总线槽位号为0RTEX总线槽位号为1。

　　设备号是指一个槽位上连接的所有设备的编号从0开始，按设备在总线上的连接顺序自动编号可以通过NODE_COUNT(slot)指令查看。

　　控制器会自动識别出槽位上的驱动器编号从0开始，按驱动器在总线上的连接顺序自动编号

　　驱动器编号与设备号不同，只给槽位上的驱动器设备編号其他设备忽略。

　　NODE_IO指令设置设备的数字量IO起始编号单个设备的输入输出的起始编号一样。必须总线扫描后才能设置

　　NODE_AIO指令設置设备的模拟量IO起始编号，单个设备的输入输出的起始编号一样必须总线扫描后才能读取。

　　总线轴需要进行轴映射操作采用AXIS_ADDRESS指囹映射，操作方法如下：

　　轴映射写在总线初始化程序中总线扫描之后，开启总线之前

　　使用编程软件成功连接到控制器之后，執行总线扫描之后在线命令栏输入?*EtherCAT打印出每个NODE节点的状态。

　　Node：设备连接NODE编号

　　Axises：设备总轴数

　　Bindaxis：映射到控制器的轴号-1表示未映射

　　Target：电机位置

　　Encode：编码器位置

　　9、EtherCAT扩展模块参考配置

　　控制模块接线完成，使用ZDevelop软件连接上控制器运行总线初始化程序，咑开“控制器”-“控制器状态”窗口查看槽位0节点信息，可以看到EtherCAT总线连接的全部设备的信息

　　1)EIO扩展模块

　　EIO1616MT的节点号为0，扩展的數字量输入IO编号为共16个扩展的数字量输出IO编号为共16个。

　　1个ZMC432+2个总线驱动器

　　使用ZDevelop软件连接上控制器，执行完总线初始化程序后咑开“控制器”-“控制器状态”窗口，可查看槽位0节点信息或在线命令栏输入?*EtherCAT打印出每个NODE节点的状态。

　　此时总线上可以扫描到两个節点这两个节点均为总线驱动器，每个驱动器各带一个电机将节点0的轴映射到轴6，将节点1的轴映射到轴7

　　在线命令栏输入?*EtherCAT打印信息如下：

　　使用ZDevelop软件连接上控制器，执行完总线初始化程序后打开“控制器”-“控制器状态”窗口，可查看槽位0节点信息或在线命囹栏输入?*EtherCAT打印出每个NODE节点的状态。

　　节点1和2均为总线驱动器每个驱动器各带一个电机，将这两个轴的轴号分别映射为轴6、轴7

　　在線命令栏输入?*EtherCAT打印信息如下：

　　此初始化程序为通用版本，以上几种配置均适用使用时只需更改个别全局定义的参数即可。

　　运动控制模块根据实际使用情况编写

　　正运动技术运动控制器EtherCAT总线的基础使用就分享到这里，更多精彩内容请关注我们的公众号。

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