為什么說EtherCAT是提高控制系統(tǒng)性能的最佳解決方案？

如今，現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)已成為實(shí)時(shí)分布式控制的一個(gè)組成部分，而這也是一個(gè)提高控制和監(jiān)控生產(chǎn)過程安全性的有效方法。在開發(fā)項(xiàng)目前期，選擇適合的通信技術(shù)十分重要，因?yàn)樗鼪Q定了控制性能是否可以直接到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)層，以及設(shè)備的可選范圍。

雖然傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)（PROFIBUS、CANopen、DeviceNet、SERCOS等）或多或少也能夠提供安全快速的數(shù)據(jù)傳輸，但它們?cè)谒俣取⒄w生產(chǎn)力、可靠性和實(shí)時(shí)傳輸?shù)忍厥饪紤]因素方面不如EtherCAT技術(shù)。EtherCAT的出現(xiàn)有利于突破傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的瓶頸，因?yàn)樗试S通過使用共享內(nèi)存與應(yīng)用程序直接交換數(shù)據(jù)，僅需使用標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)適配器便能夠滿足需求，而無需額外的硬件。

EtherCAT：以太網(wǎng)控制自動(dòng)化技術(shù)

EtherCAT（Ethernet for Control Automation technology）是一種實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)特定傳輸?shù)挠矊?shí)時(shí)技術(shù)。它可以提供實(shí)時(shí)性能，旨在通過雙絞線或光纖電纜最大限度地利用高速全雙工以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸，以滿足工業(yè)過程控制需求。基于以太網(wǎng)技術(shù)的EtherCAT具有易于實(shí)施、擁有成本和標(biāo)準(zhǔn)化等優(yōu)點(diǎn)，使其成為工業(yè)應(yīng)用上旨在最大限度提高控制系統(tǒng)性能的完美解決方案。該技術(shù)的媒體訪問控制采用主/從原理，其中主站節(jié)點(diǎn)（通常是控制系統(tǒng)）將以太網(wǎng)幀發(fā)送到從站節(jié)點(diǎn)，從站節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)地從這些幀中提取并插入數(shù)據(jù)。

EtherCAT技術(shù)工作原理

從以太網(wǎng)的角度來看，EtherCAT部分可看作單個(gè)以太網(wǎng)設(shè)備，它接收和發(fā)送標(biāo)準(zhǔn)ISO/IEC802-3以太網(wǎng)幀。這個(gè)以太網(wǎng)設(shè)備可能由大量的EtherCAT從站設(shè)備組成，它們直接處理傳入的幀并提取相關(guān)的用戶數(shù)據(jù)，或者插入數(shù)據(jù)并將幀傳輸?shù)较乱粋€(gè)EtherCAT從站設(shè)備。網(wǎng)段內(nèi)的最后一個(gè)EtherCAT從站設(shè)備將完整處理的幀發(fā)回，以便第一個(gè)從站設(shè)備作為響應(yīng)幀返回給主站設(shè)備。

此過程利用以太網(wǎng)的全雙工模式，允許雙向獨(dú)立通信，可以在主站設(shè)備和由一個(gè)或多個(gè)從站設(shè)備組成的EtherCAT網(wǎng)段之間建立無需切換的直接通信，這體現(xiàn)了EtherCAT操作原理的靈活性。

Advantages

EtherCAT核心特性

NO.1 靈活的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

EtherCAT網(wǎng)絡(luò)能夠支持高達(dá)65,535個(gè)設(shè)備，且對(duì)其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)沒有限制，可以采用線型、樹型、星型等多種方式。

NO.2 高性能

由于EtherCAT協(xié)議的特定功能及其在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、數(shù)字映射方面的靈活性，因此，這項(xiàng)高性能的技術(shù)可以極大地提高生產(chǎn)力，例如通過直接內(nèi)存訪問(DMA)，數(shù)據(jù)能夠以最少的CPU使用率傳輸，從站自己讀寫數(shù)據(jù)，且只有一個(gè)報(bào)文返回給主站處理，進(jìn)而釋放主站資源。

NO.3 低成本

EtherCAT是一種實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，無需配置在主站、協(xié)處理器的特殊插件卡，也無需大量的處理能力，或大量處理能力的特殊插件卡，這項(xiàng)不依賴于集線器和交換機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)協(xié)議便是連接的唯一條件。

NO.4 易于集成

可以通過網(wǎng)關(guān)使用CAN、CANopen、EtherNET/IP等現(xiàn)場(chǎng)總線和工業(yè)以太網(wǎng)，或通過MailboxoverUDP、MailboxoverTCP第三方工具。

為了幫助項(xiàng)目開發(fā)者更快速地實(shí)現(xiàn)基于EtherCAT的解決方案，虹科推出了多種EtherCAT開發(fā)方案，其中包括提供網(wǎng)絡(luò)設(shè)備與IPC系統(tǒng)交互功能的虹科KPA EtherCAT Master協(xié)議棧、可用于創(chuàng)建和修改EtherCAT網(wǎng)絡(luò)配置的虹科KPA EtherCAT Studio等。

虹科KPA EtherCAT Master協(xié)議棧

幫你快速開發(fā)EtherCAT功能

虹科KPA EtherCAT Master 協(xié)議棧確保了EtherCAT技術(shù)的所有優(yōu)勢(shì)：循環(huán)時(shí)間短、高性能、低成本等。其內(nèi)核以ANSI“C”實(shí)現(xiàn)；因此，它可以很容易地移植到任何具有“C”編譯器的平臺(tái)。它甚至可以作為模塊在Linux內(nèi)核空間中運(yùn)行（與C++實(shí)現(xiàn)相反，如果C++代碼使用任何諸如虛函數(shù)、模板或異常等特性，則在加載內(nèi)核模塊時(shí)可能會(huì)遇到困難）。虹科KPA EtherCAT Master采用模塊化架構(gòu)設(shè)計(jì)，可為不同的操作系統(tǒng)提供可移植性和可擴(kuò)展性，并適應(yīng)各種硬件平臺(tái)。

帶捆綁模塊的虹科KPAEtherCAT Master主站架構(gòu)圖

說明/Explanation

應(yīng)用程序

這是一個(gè)調(diào)用主 API 函數(shù)的單獨(dú)進(jìn)程。應(yīng)用程序通過 API 對(duì) Master 進(jìn)行幾乎完全的控制：?jiǎn)?dòng)/停止 Master、進(jìn)行配置、更新 PI 等。

API

允許配置和管理 EtherCAT 總線的用戶應(yīng)用程序編程接口 (API)

RPC服務(wù)器

RPC 服務(wù)器負(fù)責(zé)與遠(yuǎn)程客戶端（例如，與 KPA EtherCAT Studio）建立連接并將請(qǐng)求轉(zhuǎn)發(fā)到 EtherCAT 主堆棧核心。它支持用戶到用戶和用戶到內(nèi)核模式（通過 IOCtl 調(diào)用）模式。

過程映像

過程映像由影子緩沖區(qū)（即直接向/從網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)）和活動(dòng)緩沖區(qū)（即包含從/向 KPA EtherCAT 主站客戶端接收/發(fā)送的數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)）組成

處理任務(wù)（外部任務(wù)）

實(shí)現(xiàn)特定應(yīng)用控制算法的回調(diào)函數(shù)。每次重復(fù) PI 更新（高優(yōu)先級(jí)）循環(huán)時(shí)都會(huì)調(diào)用此回調(diào)函數(shù)。

幀調(diào)度器

組裝 EtherCAT 幀并根據(jù)其優(yōu)先級(jí)將它們轉(zhuǎn)發(fā)到 EtherCAT 網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序的模塊。

EtherCAT 網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序

RPC 服務(wù)器負(fù)責(zé)與遠(yuǎn)程客戶端（例如，與 KPA EtherCAT Studio）建立連接并將請(qǐng)求轉(zhuǎn)發(fā)到 EtherCAT 主堆棧核心。它支持用戶到用戶和用戶到內(nèi)核模式（通過 IOCtl 調(diào)用）模式。

線程、互斥體、定時(shí)器等

處理線程、定時(shí)器、互斥體的依賴于操作系統(tǒng)的函數(shù)的包裝器。

NIC及其驅(qū)動(dòng)程序

網(wǎng)絡(luò)接口卡是一種物理設(shè)備，用于向/從 EtherCAT 網(wǎng)絡(luò)發(fā)送/接收幀。

遠(yuǎn)程客戶端

包括虹科KPA EtherCAT Studio和其他兼容程序

虹科KPA EtherCAT Master的主要功能包括通過 UDP 對(duì)智能從站進(jìn)行集中參數(shù)化、特殊接口適配操作系統(tǒng)、用于與運(yùn)行時(shí)或/和配置工具交互的 API、用于多個(gè) TCP/IP 或/和 UDP 連接的服務(wù)器等。結(jié)合現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的多種需求，虹科提供4種可選版本：基礎(chǔ)版、標(biāo)準(zhǔn)版、高級(jí)版、擴(kuò)展包，它們能夠滿足用戶不同層次的需求。