工业以太网EtherCAT协议分析与研究

电气与自动化工程学院

《控制网络与通信》

期末大作业报告

题目：工业以太网EtherCAT

协议分析与研究

姓名：吉宇

学号：160514205

班级：测控142

学年：2016～2017学年第二学期

目录

1.引言 (1)

1.1选题意义及课题来源 (1)

1.2国内外研究和发展现状 (1)

2.主流工业以太网技术对比 (2)

2.1工业以太网概述 (2)

2.2实时工业以太网的比较 (2)

3.ETHERCAT系统运行原理 (3)

3.1E THER CAT系统组成 (3)

3.2E THER CAT数据帧 (4)

3.3E THER CAT寻址方式和通信服务 (5)

3.4应用层 (5)

4.应用案例 (6)

5．结束语 (8)

参考文献 (9)

1.引言

1.1选题意义及课题来源

在 Internet等信息网络技术飞速应用的时代，工业上提出了一种重要的方案来解决工业现场设备和设备系统之间的信息集成，这就是现场总线。由于现场总线经济实用、可靠、简单，所以得到了许多工业化企业、标准团体等的密切关注，得到了非常广泛的研究和应用。

然而在其不断的发展过程和实际应用中，一些不好之处逐渐显现：如标准过多，相互之间又不可兼容，信息不能全面连接集成，传输速率较低，并且在工业上使用的现在现场总线需配备单独的实时网络，使用的成本也比较高。基于以上不足，工业化企业因此逐渐将发展目光转向了具有管理方便、兼容性好、传输速度快、开放性强、结构简单、功耗低和成本低等优点的以太网。

1.2国内外研究和发展现状

目前，国内外已经开发出了多种工业以太网产品，如 Profi Net、Powerlink、Modbus/TCP、Ethernet/IP、EtherCAT、EPA等。在众多工业以太网协议中，EtherCAT凭借它的卓越的实时性优势、拓扑结构灵活、配置简单、易于实现、基于以太网标准及技术的开放性等优势，已经逐渐成为工业控制领域发展的主流。

国外很多企业对EtherCAT的技术研究已经比较深入，而且已经开发出了比较成熟的产品，除了德国Beckhoff之外，还有美国Kollmorgen、意大利Phase、美国 NI、SEW、TrioMotion、MKS、Omron、Copley Controls 等自动化设备公司都推出了一系列支持 EtherCAT驱动设备。

1.3主要内容及章节安排

第一节为引言。本章主要介绍本文的选题意义和针对课题研究背景做简单介绍，概述了国内外研究和发展现状与对本文的主要内容进行安排。

第二节为工业以太网技术对比。通过对几种主流的实时工业以太网进行对比分析，得出 EtherCAT协议的优势。

第三节为 EtherCAT运行原理。对EtherCAT协议相关的理论知识进行介绍，包括系统主从站组成、EherCAT协议帧、EtherCAT报文寻址方式及通信命令、协

议应用层等。

第四节例举了工业生产中使用EtherCAT的一个具体案例。从案例中，也可以看到EtherCAT相比于其它工业以太网的优势

2.主流工业以太网技术对比

2.1工业以太网概述

工业以太网是应用在工控制领域的一种以太网技术，它建立在IEEE802.3 标准之上，与普通的以太网兼容。普通的以太网通信是传递信息，而工业以太网不仅要传递信息，同时要对现场设备进行控制。工业以太网技术的特点主要表现在以下方面：

(1)通信的实时性和确定性

工业以太网与普通的以太网不同，它具有严格的实时性要求，以保证设备快速的响应。目前根据不同的应用场合，将实时性要求划分为三个范围，分别是：信息集成和较低要求的自动化应用场合，实时响应时间是100ms或者更长；绝大多数自动化应用场合实时响应时间要求是5~10ms；对于高性能的同步运动控制应用，特别是在有数百个节点下的伺服控制系统场合，实时响应时间要求低于1ms，同步传输和抖动时间小于1us。

(2)稳定性和可靠性

工业现场环境常常会比较恶劣，这使得工业以太网必须具有良好的稳定性和可靠性，以保证系统中某个或某些组件发生故障了都不会导致整个控制网络的瘫痪。

(3)工业以太网协议

工业以太网源于、而又不同于普通的以太网，它将网络技术延伸到工业应用领域，并对其进行简化和改进以适合工业应用的要求。为了满足工业以太网实时性的要求，世界各大公司和标准组织纷纷提出各种实时性的技术方案，从而产生了RTE(real- time ethernet，实时工业以太网)。这些方案建立在IEEE802.3标准基础上，通过对以太网进行实时性扩展来提高实时性，并且使工业以太网与普通以太网能够无缝连接。

2.2 实时工业以太网的比较

目前使用较广泛的实时以太网协议有：Ethernet/IP、Powerlink、Profi Net 以及 EtherCAT。下表 2-1 对本章第二小节中简述的四种实时工业以太网做出了一个简要的比较：

根据上表的比较，可以看到 Ether CAT 在拓扑结构上比其它标准灵活，采用的是等时传输，报文的实时处理能力明显比其他协议强，各方面的性能都是比较突出的。EtherCAT具有以下优点：

(1) 优越的性能

EtherCAT是当前通信速度最快、时钟同步性能最卓越的通信系统，其性能不受网络拓扑结构的影响，不需要任何底层系统的支持。据测试，1000开关量I/O分布于100 节点的轮询周期只有30μs；100伺服轴(每8字节IN+OUT)的轮

询周期只有100μs。

(2)灵活的拓扑结构

EtherCAT支持线型、树型、星型及环型等拓扑结构，并且不受限于级联集

线器或交换机的数量，每个网段可容纳65535个节点，同时支持冗余、热连接和

热交换，支持一主多从、多主多从的通信方式。

(3)良好的性价比

系统成本与现场总线价格相当，但性能要优越；在主站构建上不需特殊硬件，

可兼容标准网卡。

3.EtherCAT系统运行原理

3.1 EtherCAT系统组成

EtherCAT是主从式的系统结构，它是一种充分利用了以太网全双工特性的