發布日期：2022-07-14 點擊率：37
概述
EtherCAT技術協會(EtherCAT Technology Group，簡稱ETG)是為來自于各種工業領域的主要用戶公司和領先的自動化設備制造商提供的平臺，旨在共同支持，推廣及發展EtherCAT技術。
一、組織
ETG的組織結構
ETG的組織架構如下：
每個ETG成員都能積極參與技術工作組與項目團隊的工作，為EtherCAT技術的發展做出貢獻。為方便海外會員的參與，每年兩次的技術委員會(TC)代表大會都在德國法蘭克福國際機場附近舉辦。除了參加委員會外，ETG成員還可以通過技術咨詢委員會(TAB)將技術更改需求直接提交給TC主席進行評估。技術咨詢委員會負責審查和發布EtherCAT的詳細信息，選擇和批準一致性測試工具，發布最新版本。同時，技術咨詢委員會也是一致性評判的仲裁機構。
全球EtherCAT推廣活動由市場營銷委員會(MC)牽頭。ETG日本地區委員會組織發起EtherCAT在日本的推廣活動，并提供資金支持。ETG全體會員大會決定ETG地方規劃細則并選舉董事會。ETG全體會員大會通常與SPS/IPC/DRIVES貿易展同期舉行。不能到德國參加會議的會員，可在地方會員會議(如日本、韓國等)上獲得最新的ETG活動信息，同時提供相應的反饋。
董事會監督管理人員，負責選擇和指定EtherCAT測試中心并指導其運作。同時，董事會負責任命技術咨詢委員會成員和技術委員會主席。
組織的目標
EtherCAT是開放的技術。EtherCAT技術協會推廣這種技術并確保每一個對該技術感興趣的公司都可以實施和應用EtherCAT。
同時，EtherCAT技術協會通過定義功能需求，一致性測試來保證EtherCAT實施的兼容性以及認證流程。
ETG的目標是保證EtherCAT技術滿足并超越最廣泛的有可能實現的任何行業的應用要求。為了實現這個目標，該協會結合了來自于機械制造，系統集成，以及最終用戶和自動化供應商的領先控制和應用方面的專家，提供關于現有技術的應用案例和對協議未來如何完善的建議等高質量反饋。
EtherCAT技術協會組織用戶和供應商會議(如，技術委員會)，通過經常性定期會議宣布EtherCAT技術的最新進展及相關討論。
會員的收益
ETG是全球最大的工業以太網組織，擁有 3075 個會員單位。EtherCAT技術協會鼓勵EtherCAT設備提供商加入ETG，從而獲取研發產品及應用實施的支持，同時獲得供應商識別碼(Vendor ID)以及一致性測試工具。EtherCAT用戶可以通過加入ETG表明其對該技術的支持和應用。
● ETG會員可以進入EtherCAT網頁中的“會員專區”下載協議，技術實施指南，EtherCAT基礎知識以及及時更新的技術信息，并加入開發者論壇。
● 僅對ETG會員提供EtherCAT研發產品的支持。
● 協會會員優先得到規范草案，白皮書，原型評估產品及首批產品，從而可首先進行評估、使用或實施EtherCAT技術。
● 會員可以合法參加工作組或技術委員會，并影響EtherCAT技術協議未來的完善。所有 ETG技術工作組(ETG Technical Working Groups)的列表可參見網站“會員專區”的相關內容。
● ETG在國際標準委員會(IEC及ISO等)上代表會員利益。
● 關于協會，更深入的技術研發和可能的市場參與，最新活動等信息(member newsletter)通過ETG的信息郵箱發布給所有會員單位。
● 會員單位可以使用EtherCAT的徽標(Logo)，表現其對該技術的支持;會員單位也可以使用EtherCAT技術協會的徽標，以表現其擁有該協會的會員資格。
● ETG會員有權在EtherCAT產品指南( Product Guide)上及ETG全球主要自動化展覽會的聯合展臺上推廣其EtherCAT產品。
● 成為會員是免費的，不收取任何費用。
如何申請ETG會員
通過電話或電子郵件聯系ETG總部或當地的ETG辦公室。提供必要的信息，例如要求以及會員申請表，有興趣的客戶可以在網站的下載專區下載 ETG By-Laws申請表。
二、技術
EtherCAT–以太網現場總線：
● EtherCAT一網到底，協議處理直達I/O層;
● 無需任何下層子總線;
● 無網關延遲;
● 單一系統即可涵蓋所有設備：輸入輸出，傳感器，執行器，驅動，顯示。
EtherCAT速度更快：
● 傳輸速率:
§ 2 x 100 Mbit/s (高速以太網, 全雙工模式)。
● 刷新時間:
§ 256 數字量 I/O：11 μs;
§ 分布于 100 節點的 1000 開關量 I/O：30 μs = ms;
§ 200 模擬量 I/O (16 bit)：50 μs, 采樣率 20 kHz;
§ 100 伺服軸(每個 8 Byte IN+OUT)： 100 μs = 0.1 ms;
§ 12000 數字量 I/O： 350 μs。
飛速傳輸的以太網幀：
● 在幀的傳輸過程中過程數據被提取或插入:
§ 每個從站的過程數據量幾乎無限制(1 Bit…60 Kbyte, 如果需要則使用幾個以太網幀傳輸);
§ 每一個循環中幀的報文數據構成可以不同。如：超短循環時間用于軸數據，稍長循環用于I/O刷新;
§ 支持異步的、事件觸發的通信。
● 隱含式尋址方式實現協議消耗最小化：
§ 針對分布式I/O的優化報文結構;
§ 通訊完全在硬件中完成—最優性能(+可預測);
§ 若網絡中全部為EtherCAT設備，則無需交換機;
§ 出色的診斷功能;
§ 保留對以太網的兼容性。
分布時鐘：
● 精準同步(<< 1 μs!)—通過分布時鐘的精確校準實現;
● 采用Scope View長時間監視兩個獨立的設備;
● 兩設備間距300 個節點，線纜長度120米。
EtherCAT是工業以太網：
● EtherCAT采用標準以太網幀: IEEE 802.3;
● 可替換為UDP/IP (若需要IP路由);
● 保持標準的以太網幀;
● 對TCP/IP完全透明;
● 所有因特網技術(HTTP, FTP, Webserver,…)均可實現，且不影響系統的實時性能!
EtherCAT接線更靈活：
● 標準以太網拓撲結構：星型拓撲;
§ 靈活的樹型結構–自由擴展;
§ 支持各種拓撲結構，如線型，星型，樹型，總線型;
o 可實現多層次拓撲;可自由組合各種拓撲;
§ 每個EtherCAT網段可容納65,535個節點，網絡規模幾乎無限。
● EtherCAT支持多種以太網物理層：
§ 100base-TX (兩節點最大間距100米);
§ 100base-FX(兩節點最大間距2公里);
§ LVDS (模塊化設備);
● 允許任意數量的物理層改動。
EtherCAT配置更簡單：
● 拓撲結構:
§ 拓撲目標與現實的自動對比;
● 診斷：
§ 精確定位故障;
● 網絡規劃：
§ 系統性能獨立于:
o 從站的實施;
o 拓撲結構(無交換機/集線器);
● 尋址：
§ 無需手動編址;
§ 自動進行地址配置;
§ 地址可被保留;
o 添加新節點是無需重新配置整個網絡的地址。
EtherCAT成本更低：
● 主站:
§ 無需專用插卡(輔助處理器);
§ 主板集成的網口即可滿足要求;
● 從站:
§ 低成本從站控制器;
o FPGA 或 ASIC;
§ 簡單的從站：無需實施微處理器;
§ 無需功能強大的微處理器;
● 基礎設施:
§ 無需交換機/集線器;
§ 標準以太網線纜和接頭。
● 實施工具:
§ 標準以太網監測工具，如，微軟網絡監視器或Wireshark: 免費獲取;
§ 解析軟件: 免費獲取;
● 網絡規劃僅需少量的工作:
§ 簡單的組態;
§ 默認配置即可生效，無需網絡調試;
● 改善的診斷:
§ 更快的排錯可以減少停機時間;
● 快速配置:
§ 無需地址配置。
EtherCAT實施輕松：
● 從站的實施：
§ 所有實時性相關功能都由ASIC或FPGA實現;
o ESC硬件中處理實時協議;
§ 集成通訊狀態機;
§ 網絡性能獨立于：
o 從站微處理器的性能;
o 協議堆棧。
§ 對于使用或不適用微處理器(作為Host CPU)的應用：
o 集成了DPRAM (1…8kByte);
o 集成了分布時鐘;
o 對微處理器的高精度中斷。
● 主站的實施：
§ 可采用主站樣本代碼(源碼);
§ EtherCAT配置工具;
§ ESI和ENI的XML文件格式。
EtherCAT功能安全：
● 為在EtherCAT安全設備間傳輸安全性過程數據，Safety over EtherCAT(FSoE)定義了一個安全通訊層。
● FSoE是EtherCAT技術協會的一項開放技術。
● 該協議基于IEC 61508開發，因此：
§ 滿足安全完整性等級(SIL)3;
§ 殘留誤差概率R(p)< 10-9;
● 該協議獲得獨立的TüV 認證;
● SoE幀映射在循環的PDO中：
§ 最小的FSoE幀長：6 Byte;
§ 最大的FSoE幀長：取決于從站設備的安全過程數據的數量;
§ 因此協議適用于安全IO及功能安全運動控制的應用;
● 從FSoE主站到FSoE從站的被確認傳輸，反之亦然;
● 安全設備參數可以在FSoE連接啟動時，從主站下載到從站;
● 經認證的Safety over EtherCAT產品從2005年開始上市;
● FSoE協議不局限于：
§ 通訊層及接口通訊層不是安全測量的部分：黑色通道(assumed unsolved bit error rate: p = 10-2);
§ 傳輸速度;
§ 安全過程數據長度(Length of safe process data);
● 可通過非安全網關，現場總線系統或骨干網路由;
● 可以由非安全網關路由;
● 可由現場總線系統路由;
● 適用于(幾乎所有)總線系統的一種安全技術。
三、應用
1. 超高速EtherCAT助力空客高升力系統
位于德國不萊梅的空客工廠測試并生產A380 的機翼，在其測試系統中采用了倍福公司(Beckhoff)的工控機和EtherCAT系統。
在德國不萊梅的空客基地，空客公司為其飛機的提升系統裝備了“高升力”系統測試平臺。該測試涵蓋了飛機在飛行不同階段中可產生“額外提升力”的所有相關功能部件，其主要組件包括著陸翼、著陸板，以及所有航行子系統的驅動和控制部分。
空客測試平臺的尺寸和系統與原始的尺寸大小相匹配，巨大的鋼架結構包含了高升力系統所需的功能元件，雖然每次只對一個機翼進行配置，但一次可全部完成對驅動軸的裝配。為了檢測在不同情況下驅動和控制系統之間的交互情況，相應的機翼以一個四象限的驅動和若干模擬的信號建立模型。
通過該測試平臺，空客公司可完成多種研究。例如，用液壓缸和氣缸來模擬不同飛行階段中各部件所受到的空氣動力學負載。此外，通過對計算機控制的模擬，可以對一些特定的項目進行研究，比如模擬在長時間下某些結構元件的失效等。測試過程中，各個部件的運動，如副翼的伸展、撤回、擺動等，都由原始飛機控制系統控制，因此，飛機控制系統與測試平臺的控制系統是相互獨立的。
測試平臺的控制系統
測試系統控制所有模擬空氣動力學負載的液壓缸和氣缸，并對各種參數進行記錄。在特定情況下，動力負載會非常大，因此測試平臺的設計還要考慮到安全問題。除了人身安全防護之外，所有的防護措施都聚焦在元件上，如某些作為原型的、或者是價格非常昂貴的零部件。因此，系統中設計了多處的緊急停止、權限控制、帶核查的信號冗余記錄，以及對執行部件的安全控制。
位于德國 Essen 的Ingenieurgeinschaft公司，接受了委托，來設計這個測試平臺控制系統。使用EtherCAT技術來完成這樣一個控制系統，這還是首次。工程師們開發的系統主要是工程測試和液壓控制，該團隊由15 名來自不同行業背景的專家組成，如機械工程師、電氣工程師、IT專家等。
EtherCAT端子：超高速I/O 系統
高升力系統的規模之大從控制信號的數量上就可見一斑。系統中的數字/模擬量信號超過500 點，其中包括大約100個來自不同控制電路和檢測電路的執行信號。所有的I/O數據都通過倍福的EtherCAT端子系統進行處理。
Torsten Finke 博士是Ingenieurgeinschaft公司的三位經理之一，他如此解釋EtherCAT技術給該項目帶來的好處：“通過以太網，所有信號都能夠以一種更加可靠、簡單和快速的方式進行控制。由于模擬信號到端子的距離大大縮短，通過模數信號的轉換，克服了信號傳輸的長距離所帶來的問題。該系統的靈活性非常好，十分適合目前的項目。并且，EtherCAT的總線拓撲結構克服了傳統的星型結構，大大減少了電纜的成本以及發生錯誤的可能性。EtherCAT在帶寬和傳輸速度上都提供了一個很好的解決方案，并且，憑借超過10Khz 的時鐘頻率，整個系統實時性也得到了保證。”
同樣，EtherCAT技術的開放性也是一個很突出的優點，它可以獨立于主機平臺。例如，EtherCAT主機程序是在Linux 平臺下開發，并在項目中得到了很好的應用。TorstenFinke 博士解釋道：“主機程序運行在一臺通用的標準工控機上。系統中不需要專用的PLC，Linux 是個先進的服務器操作系統，并且，已被證明具有良好的穩定性、高效性，尤其是在網絡方面。和RTAI-Linux 內核的實時延伸相結合的開放式構架使得操作系統能夠得到硬實時性能，而在程序和服務方面沒有什么限制。”
來自倍福的C51xx 工控機提供了強大的計算能力。并且，諸如文件和Web 服務等傳統任務，也可以完成高精度時間的同步應用，這對系統進行實時分析是很重要的。EtherCAT技術在EhterCAT傳輸之上還提供了傳統以太網的優點，在同一硬件平臺上將實時和非實時通訊結合在一起，這是EtherCAT技術的一個重要特征。
軟件
控制邏輯可以通過Matlab的Simulink 來進行精確地開發。該數學模型可以轉化為C 代碼，編譯并以二進制模塊加載到控制系統的內核中。計算機間的通訊通過客戶服務器接口來進行。控制界面程序可以滿足不同的測試需求，同時，該軟件可以在網絡的任何電腦上運行。
通過特定的數據登錄服務，測試操作被記錄在計算機上并對整個處理過程擁有控制權限。該記錄操作可以根據具體情況對各個細節進行設置。系統記錄下連續信號和離散事件，并提供給相應的程序進行分析。數據組織可以在任何時間對數據進行操作。EhterCAT在大數據量交換的場合發揮了很大優勢，尤其是在一些純數據采集并且允許一定延時的情況下。有了EtherCAT現場總線技術，在儀表工程方面將不再有限制。
TorstenFinke 博士總結了EtherCAT技術在該項目中的應用：“空客方面對測試平臺的控制系統有著很高的要求。在該項目中，EtherCAT在技術、構造、成本等方面都提供了一個完美的解決方案，空客的高升力裝置已獲益于此。”
2. KUKA 公司 KR C4 機器人控制器采用高速、高確定性的工業以太網EtherCAT
在 1996 年，KUKA 機器人公司是全球首個引入基于 Windows PC 機器人控制器的機器人制造商。第一代控制器的成功激勵了其廣泛采用基于 Windows 的技術及基于 PC 技術，以帶來更高的處理器性能。將 IT 產品移植到自動化應用需要敢于創新，這使實現更高性價比成為可能。當新一代機器人控制器計劃制定后，除了 Windows 和 PC 以外，KUKA需要從 IT 界移植另一項成熟技術：基于以太網的、穩定的通信技術。機器人控制通信要求高性能、高速且具有良好時間確定性總線系統。因此，在 2010 年，KUKA 采用EtherCAT作為其 KR C4 機器人系列控制器的系統總線，采用開放的標準實現頂級的性能。
為了在自動化系統中集成機器人，一個標準的現場總線常被用于 IO層、底層單元及系統層的機器人控制器的通信。通常這樣的現場總線由客戶選定，而機器人控制必須可以連接到現有工業現場中。
同樣在機器人控制器中，不同組件(如伺服驅動器、位置變送器)之間的數據傳輸復雜，因此必需實施一種能滿足更高實時要求的控制任務。此外，內部設備必須進行安全技術和控制設施的數據交換。在之前的 KRC4 控制器中，KUKA 采用了多種通信技術，因此必須使用各種不同的接頭和線纜。當研發新的 KUKA 控制器時，他們重新審議了繼續使用新的基于以太網的技術——滿足實時性和安全需求，同時具備 IT 技術特性。以太網具備采用同樣一根線纜傳輸多種不同協議的特點，從而可顯著減少系統中的線纜數量。
KUKA 的另一個研發目標是減少不同通信技術的數量，并要求現場總線及內部總線盡可能保持一致。同時，盡量避免專用技術，而采用被廣泛認可的開放的工業標準。此外，使用配備有智能軟件功能的高速現代多核 PC來取代性能受限的硬件。越少的硬件意味著更高的平均故障間隔時間及更低的開發工作量、更低的單位成本及物流成本。其研發目標是硬件設備減少三分之一，而接頭和線纜的成本甚至可以降低 50%。
與現場總線層的通信：軟件堆棧還是網關?
由于 PC 中集成了以太網硬件，與 PROFINET 或EtherNet/IP 這些基于以太網的現場總線的連接在軟件中完全得以實現，而無需后期的專用硬件支持。與傳統現場總線(如 PROFIBUS 或者DeviceNet)通過EtherCAT通信網關聯接，無需接口卡。
內部及與傳感器，執行器及 IO 的定位通信：以太網和EtherCAT
除了標準的以太網，完整的內部通信以及與底層 IO 層都通過EtherCAT通信。因此，KR C4 機器人控制器在保持之前的總線布局下僅采用 2 種不同的通信協議(線纜、接頭和以太網控制芯片)。
機器內部方面，在建立連接或在RoboTeam中時間同步多個機器人控制器，連接一個工程筆記本電腦時，則采用標準的以太網來尋址SmartPad KUKA 控制面板。
除了標準的以太網外，使用EtherCAT作為通信技術成為一種必然。這是因為標準的以太網技術并不能滿足對實時能力和安全協議的要求。而EtherCAT作為一個內部驅動總線，可用于尋址機器人內部的安全設備，以及SmartPad中安全相關的控制組件。此外，機器為尋址本地 IO 模塊、網關或傳統現場總線集成了一個EtherCAT主站接口。
為何選用EtherCAT?
與其他實時以太網技術相比，選用EtherCAT作為實時和安全通信技術的原因是EtherCAT有更多優勢支持 KUKA 實現研發目標。EtherCAT不需要特殊的主站硬件，僅在從站端需要。在主站，一個標準的以太網控制器即可完全滿足硬件要求，對 KR C4來說很多主站都是在 PC 中實施的。此外，線纜和接頭也是標準的以太網。
EtherCAT獨特的“on the fly”的數據處理方式(幀進行飛速傳輸的同時，從站進行數據處理)可以實現大數據吞吐量并使以太網數據有效率接近 100%。因此，這就可以將原來在硬件設備中實現的很多功能轉移到控制PC 的軟件中實現。
EtherCAT的安全協議 Safety overEtherCAT可以通過EtherCAT或以太網進行通信。KR C4 的基于 PC 的中央安全控制器也運行在專用的軟件中，與所有安全相關的設備(如本地安全模塊及SmartPad)進行通信。
除了 PROFINET 和EtherNet/IP 現場總線外，EtherCAT是全球接受最廣泛的工業以太網通信技術，EtherCAT擁有最大的供應商和用戶組織。市場上眾多的EtherCAT從站設備可滿足多種不同的新工業方案。而另一個優勢是：從最初發布時至今，EtherCAT標準、協議和 ASIC 芯片從未改變，從而保持了非常好的穩定性。
國際組織EtherCAT技術協會宣傳、支持和推廣EtherCAT技術。2010 年采用了EtherCAT的 KUKA控制器成功實現了在所有機器人中的應用。除了 KR C4 機器人控制器外，新的 KR AGILUS 機器人和 LBR iiwa輕型機器人配備的緊湊型控制器也基于EtherCAT技術實現。總之，在 KUKA 機器人控制器計劃中，仍把EtherCAT作為一項基礎技術實施。
（羅克韋爾自動化（中國）有限公司 華镕）
下一篇： PLC、DCS、FCS三大控
上一篇： 現場總線系列介紹之六
