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[導(dǎo)讀]引言 又到周末了,今天來聊一聊 EtherCAT總線。 一項技術(shù)發(fā)明一定不是為了發(fā)明而發(fā)明,一定是有需要解決問題的。 以太網(wǎng)用在工業(yè)通信中遇到了什么問題呢?

首先工業(yè)通信的要求是:

低延時

高響應(yīng)

高可靠

例如:如果通過傳統(tǒng)的以太網(wǎng)協(xié)議要做實時數(shù)據(jù)的監(jiān)控(1ms), 主站發(fā)出的數(shù)據(jù)會被路由到每一個子站,子站再發(fā)數(shù)據(jù)回給主站。無論是子站還是主站都在不停的發(fā)數(shù)據(jù)和接受數(shù)據(jù)。

就好像大家都開車去上班,每個數(shù)據(jù)幀就是一輛車,再保證不出事故的前提下,只有更寬的路才能保證不遲到,不堵車。


ethercat交換機

而工業(yè)通信還有一個特點,就是本身數(shù)據(jù)量不大(不是視頻或下載),大部分都是開關(guān)量和模擬量。如果用以太網(wǎng),則都要根據(jù)OSI模型一層一層加協(xié)議。就好比每個人上班都是要單獨開一輛車一樣。


ethercat交換機

所以想解決不遲到,只有兩種方法:

修更寬的路(增加帶寬)

大家都做公共交通(改變協(xié)議)

修更寬的路需要花更多的錢(整個網(wǎng)絡(luò)硬件升級,整個網(wǎng)絡(luò)速度遵循木桶原則)

而是EtherCAT就是火車

像火車一樣的EtherCAT

EtherCAT是一個開放架構(gòu),以以太網(wǎng)為基礎(chǔ)的現(xiàn)場總線系統(tǒng),其名稱的CAT為控制自動化技術(shù)(Control Automation Technology)字首的縮寫。EtherCAT是確定性的工業(yè)以太網(wǎng),最早是由德國的Beckhoff(倍福)公司研發(fā)。

EtherCAT使用相同的物理和數(shù)據(jù)鏈路層。EtherCAT中,主站發(fā)送數(shù)據(jù),整個網(wǎng)絡(luò)可能只有一個數(shù)據(jù)幀依次將通過每個節(jié)點(像火車一樣)。


ethercat交換機

主站是唯一允許發(fā)送幀的節(jié)點,子站只能轉(zhuǎn)發(fā)幀。數(shù)據(jù)幀就像火車一樣,從主站開出,途經(jīng)各個子站,把對于子站的數(shù)據(jù)放下或者帶上,最后回到主站。

這種方法有助于確保實時操作并避免延遲。


ethercat交換機

EtherCAT數(shù)據(jù)幀像地鐵一樣

EtherCAT網(wǎng)絡(luò)不需要交換機。每個EtherCAT設(shè)備通常有兩個以太網(wǎng)端口,第一個端口是接收端口,另一個是發(fā)送端口,發(fā)送給另一個設(shè)備。

實時性是EtherCAT的主要優(yōu)勢,使得EtherCAT可以成為高性能的分散式I/O系統(tǒng):包含一千個分散式數(shù)位輸入/輸出的程序資料交換只需30us,相當(dāng)于在100Mbit/s的以太網(wǎng)傳輸125個字節(jié)的資料。讀寫一百個伺服軸的系統(tǒng)可以以10 kHz的速率更新,一般的更新速率約為1–30 kHz,但也可以使用較低的更新速率,以避免太頻繁的直接內(nèi)存存取影響主站個人電腦的運作。

雖然子站設(shè)備添加數(shù)據(jù)過程到數(shù)據(jù)幀過程中仍有一點延遲,但EtherCAT的單一數(shù)據(jù)流大大提高了帶寬利用率。這個優(yōu)點也可能是一個缺點。因為許多子站設(shè)備可能無法適應(yīng)這種高速,使得EtherCAT網(wǎng)絡(luò)可能需要放慢速度以適應(yīng)這些設(shè)備。

EtherCAT還使用分布式時鐘系統(tǒng)。當(dāng)EtherCAT的數(shù)據(jù)幀通過每個節(jié)點時,節(jié)點向其數(shù)據(jù)添加“已接收消息”時間戳。每個節(jié)點在收到消息時添加時間戳,然后在返回主站的路上,當(dāng)數(shù)據(jù)幀移回節(jié)點時,每個節(jié)點再次附加一個時間戳。


ethercat交換機

然后,主節(jié)點對每個節(jié)點都有準(zhǔn)確的計算,因為時間戳數(shù)據(jù)是在每次數(shù)據(jù)幀傳輸時計算的。

借助EtherCAT固有環(huán)形拓?fù)?,由于分布式時鐘機制確保了每次準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)傳輸,這是EtherCAT的優(yōu)勢之一。

另一個優(yōu)點是網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞男问?。許多不同的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇梢栽贓therCAT網(wǎng)絡(luò)中使用。因為它使用以全雙工(雙向軌道),當(dāng)檢測到端頭時,數(shù)據(jù)幀將自動從子站返主站。這使得EtherCAT的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)很靈活。


ethercat交換機

考慮到EtherCAT所固有環(huán)技術(shù),在環(huán)形拓?fù)渲羞B接的網(wǎng)絡(luò)將形成冗余結(jié)構(gòu)。因為它本身就是一個環(huán)形。

EtherCAT與標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)相比具有很大的優(yōu)勢:響應(yīng)時間快,每臺設(shè)備的數(shù)據(jù)要求最低,和低實施成本。

通過上面的介紹是不是感覺到EtherCAT設(shè)計的很巧妙,因為它真的就像火車一樣。

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