工业以太网EtherCAT的技术和应用.doc_ethercat工业以太网应用技术资源-CSDN文库

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实时以太网 EtherCAT 的技术和应用
目    录
1 实时以太网的发展历史................................................................................................... 3
2 实时以太网的发展现状................................................................................................... 4
2.1 通信确定性与实时性............................................................................................ 4
2.2 稳定性与可靠性.................................................................................................... 4
2.3 安全性................................................................................................................... 5
2.4 总线供电问题........................................................................................................ 5
3 实时以太网的技术优势................................................................................................... 5
3.1 应用广泛............................................................................................................... 5
3.2 通信速率高............................................................................................................ 5
3.3 成本低廉............................................................................................................... 6
3.4 资源共享能力强.................................................................................................... 6
3.5 可持续发展潜力大................................................................................................ 6
4 实时以太网的关键技术................................................................................................... 6
4.1 实时通信技术........................................................................................................ 6
4.2 总线供电技术........................................................................................................ 6
4.3 远距离传输技术.................................................................................................... 7
4.4 网络安全技术........................................................................................................ 7
4.5 可靠性技术............................................................................................................ 7
5 实时以太网的未来技术................................................................................................... 7
5.1 工业以太网的防爆保护........................................................................................ 7
5.2 未来的网络拓扑结构............................................................................................ 7
5.3 让交换机学习自动化语言....................................................................................8
5.4 安全增长的重要性................................................................................................ 8
5.5 无线网络提供新的应用可能................................................................................ 8
5.6 更高的网络带宽.................................................................................................... 8
6 实时以太网的主流五种标准........................................................................................... 8
6.1 EtherCAT 标准........................................................................................................ 9
6.2 Ethernet/IP 标准.................................................................................................... 9
6.3 PowerLink 标准...................................................................................................... 9
6.4 Pronet 标准........................................................................................................ 10
6.5 Sercos-III 标准...................................................................................................... 10
7 实时以太网的五种标准比较......................................................................................... 10
7.1 硬件和软件的差异.............................................................................................. 10
7.2 实现确定性的方案.............................................................................................. 11
7.3 实现实时性的异同.............................................................................................. 12
7.4 纵向 IT 集成的实现............................................................................................. 12
1 传统现场总线及以太网的实时能力.............................................................................12
2 EtherCAT 运行原理......................................................................................................... 14
3 EtherCAT 技术特征......................................................................................................... 15
3.1 协议..................................................................................................................... 15
/ 29

3.2 帧结构................................................................................................................. 16
3.3 拓扑..................................................................................................................... 17
3.4 分布时钟.............................................................................................................. 18
3.5 实时性................................................................................................................. 18
3.6 故障诊断.............................................................................................................. 19
3.7 可靠性................................................................................................................. 20
3.8 安全性................................................................................................................. 20
3.9 EtherCAT 实现 CANopen（CoE）......................................................................... 20
3.10 EtherCAT 实现伺服驱动（SoE）.......................................................................21
3.11 EtherCAT 实现以太网（EoE）...........................................................................22
3.12 EtherCAT 实现文件读取（FoE）.......................................................................22
4 EtherCAT 成本................................................................................................................. 22
5 EtherCAT 实施................................................................................................................. 23
5.1 主站..................................................................................................................... 23
5.2 主站实施.............................................................................................................. 24
5.3 从站..................................................................................................................... 24
5.4 从站控制器.......................................................................................................... 25
6 EtherCAT 总结................................................................................................................. 26
1 系统概述........................................................................................................................ 27
2 EtherCAT 主站程序......................................................................................................... 27
3 EtherCAT 从站结构......................................................................................................... 28
4 数据通信........................................................................................................................ 28
/ 29

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 Ethernet EtherCAT 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(RealTime

Ethernet，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

3 / 29

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。

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rookie_always

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