实时以太网EtherCAT的技术和应用

实时以太网EtherCAT的技术和应用

目录

摘要： (3)

关键词： (3)

前言 (3)

一．实时以太网 (3)

1.1 实时以太网的发展历史 (3)

1.2 实时以太网的发展现状 (4)

1.2.1 通信确定性与实时性 (4)

1.2.2 稳定性与可靠性 (4)

1.2.3 安全性 (4)

1.2.4 总线供电问题 (5)

1.3 实时以太网的技术优势 (5)

1.3.1 应用广泛 (5)

1.3.2 通信速率高 (5)

1.3.3 成本低廉 (5)

1.3.4 资源共享能力强 (5)

1.3.5 可持续发展潜力大 (6)

1.4 实时以太网的关键技术 (6)

1.4.1 实时通信技术 (6)

1.4.2 总线供电技术 (6)

1.4.3 远距离传输技术 (6)

1.4.4 网络安全技术 (6)

1.4.5 可靠性技术 (6)

1.5 实时以太网的未来技术 (7)

1.5.1 工业以太网的防爆保护 (7)

1.5.2 未来的网络拓扑结构 (7)

1.5.3 让交换机学习自动化语言 (7)

1.5.4 安全增长的重要性 (7)

1.5.5 无线网络提供新的应用可能 (7)

1.5.6 更高的网络带宽 (7)

1.6 实时以太网的主流五种标准 (8)

1.6.1 EtherCAT标准 (8)

1.6.2 Ethernet/IP标准 (8)

1.6.3 PowerLink标准 (8)

1.6.4 Profinet标准 (9)

1.6.5 Sercos-III标准 (9)

1.7 实时以太网的五种标准比较 (9)

1.7.1 硬件和软件的差异 (9)

1.7.2 实现确定性的方案 (10)

1.7.3 实现实时性的异同 (11)

1.7.4 纵向IT集成的实现 (11)

二．EtherCAT实时以太网技术 (11)

2.1 传统现场总线及以太网的实时能力 (11)

2.2 EtherCAT运行原理 (12)

2.3 EtherCAT技术特征 (14)

2.3.1 协议 (14)

2.3.2 帧结构 (15)

2.3.3 拓扑 (16)

2.3.4 分布时钟 (17)

2.3.5 实时性 (17)

2.3.6 故障诊断 (18)

2.3.7 可靠性 (19)

2.3.8 安全性 (19)

2.3.9 EtherCAT实现CANopen（CoE） (19)

2.3.10 EtherCAT实现伺服驱动（SoE） (20)

2.3.11 EtherCAT实现以太网（EoE） (20)

2.3.12 EtherCAT实现文件读取（FoE） (21)

2.4 EtherCAT成本 (21)

2.5 EtherCAT实施 (21)

2.5.1 主站 (22)

2.5.2 主站实施 (22)

2.5.3 从站 (23)

2.5.4 从站控制器 (23)

2.6 EtherCAT总结 (24)

三．基于EtherCAT的多轴运动控制卡实现 (25)

3.1 系统概述 (25)

3.2 EtherCAT主站程序 (26)

3.3 EtherCAT从站结构 (26)

3.4 数据通信 (27)

结语 (28)

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。