1000_PLC_EtherCAT 技术介绍.ppt

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1、EtherCAT:EthernetControlAutomationTechnology,1,EtherCAT:介绍,Beckhoff工业PC,Beckhoff驱动技术,BeckhoffLightbus,BeckhoffTwinCAT,Beckhoff总线端子,Beckhoff现场总线端子盒,Beckhoff嵌入式控制器,BeckhoffPC总线卡，交换机,BeckhoffEtherCAT,EtherCAT:EthernetControlAutomationTechnology,2,EtherCAT用于控制和自动化技术的以太网,EtherCAT:EthernetControlAutomatio

2、nTechnology,3,EtherCAT是以太网现场总线!,EtherCAT是直达I/O级的实时以太网。再也无须下挂子系统没有网关延时输出输出,传感器，驱动器，显示单元:所有设备位于同一个总线上。,EtherCAT:EthernetControlAutomationTechnology,4,EtherCAT：更快,传输速率:2x100Mbaud(全双工)刷新时间:256开关量I/O：11s1000开关量I/O分布于100节点：30s=0.03ms200模拟量I/O(16位)：50s,20kHz采样频率100伺服轴(每8字节IN+OUT)：100s=0.1ms12000开关量I/O：350s

3、,EtherCAT:EthernetControlAutomationTechnology,5,EtherCAT：更快!,I/O和驱动使用的以太网带宽,Ethernetheader,data:46字节,CRC,I/O,请求及输出数据,4字节,22字节,IPG,12字节,以太网帧:84字节(incl.preamble+IPGInterPacketGap),每个节点4输入字节+4输出字节:4,75%应用程序数据率at0s每节点响应时间1,9%应用程序数据率at10s每节点响应时间,EtherCAT:EthernetControlAutomationTechnology,6,EtherCAT：更快!

4、,带宽使用比较:每节点4字节用户数据:polling/timeslicing:ca.2.5%广播(masterslaves)ca.2030%每节点2数据位的用户数据:EtherCAT:8097%,EtherCAT:EthernetControlAutomationTechnology,7,实用原则:以太网“飞一般”,通过绝对寻址，实现最小的协议头,优势:专门针对分布式I/O的优化报文结构完全的硬件通讯:最好的性能若网络中只有EtherCat设备，则无须交换机显著的诊断功能以太网兼容的维护性能,EtherCAT:EthernetControlAutomationTechnology,8,实用原则

5、:以太网“飞一般”,可使用标准交换机通过交换机:一个Mac地址可访问多达65535个节点,(可选!),EtherCAT:EthernetControlAutomationTechnology,9,实用原则:以太网“飞一般”,飞一般“的运算，节约时间数据在报文传送期间可以修改或添加，而无需堆栈、缓存或分解/组合。每个节点最小的报文延时最佳性能,vomMaster,toMaster,fromMaster,EtherCAT:EthernetControlAutomationTechnology,10,EtherCAT性能,40轴(每轴6字节输入/输出数据)50I/O站，总共560个EtherCAT总

6、线端子2000数字量+200模拟量I/O,总线长度500mEtherCAT性能:循环时间230sat33%总线负载,报文长度77s比较:1个CAN帧(8字节过程数据)，在总线速率500kBit/s时:250s,EtherCAT:EthernetControlAutomationTechnology,11,EtherCAT性能,*Source:EthernetPowerlinkSpecV2.0,App.3,40轴(每轴6字节输入/输出数据)50I/O站，总共560个EtherCAT总线端子2000数字量+200模拟量I/O,总线长度500mEtherCAT性能:循环时间230sat33%总线负载

7、,报文长度77s比较:ProfinetIRT763s,PowerlinkV22347s*,ProfinetRT6355s,EtherCAT:EthernetControlAutomationTechnology,12,EtherCAT性能,*Source:EthernetPowerlinkSpecV2.0,App.3,40轴(每轴20字节输入/输出数据)50I/O站，总共560个EtherCAT总线端子2000数字量+200模拟量I/O,总线长度500mEtherCAT性能:循环时间276sat44%总线负载,报文长度122s比较:ProfinetIRT763s,PowerlinkV22347

8、s*,ProfinetRT6355s,56%保留带宽,e.g.forTCP/IP,0%保留带宽,EtherCAT:EthernetControlAutomationTechnology,13,CycleTime50s=0,05ms,报文Time:7s,grid0,02ms,OutputswitchesEndofFrame,EtherCAT性能,EtherCAT:EthernetControlAutomationTechnology,14,慢“的控制系统同样受益,现有现场总线I/O的系统结构,输出,最快反应时间,Tmpd:主站处理延时TI/O:本地I/O刷新时间(本地扩展总线+固件),最慢反应时

9、间,EtherCAT:EthernetControlAutomationTechnology,15,慢“的控制系统同样受益,使用EtherCAT的系统结构,无需下挂总线,无需要专门的主站设备,buscycle,buscycle,buscycle,buscycle,buscycle,buscycle,buscycle,EtherCAT:EthernetControlAutomationTechnology,16,慢“的控制系统同样受益,使用EtherCAT的系统结构,EtherCAT:EthernetControlAutomationTechnology,17,TDMA(通过直接内存访问的数据传

10、送往返以太网控制器的时间）可以忽略不计,慢“的控制系统同样受益,使用EtherCAT的系统结构,EtherCAT:EthernetControlAutomationTechnology,18,慢“的控制系统同样受益,使用EtherCAT的反应时间,输入,(最差情况),输出,最差情况下反应时间,最佳情况,反应时间明显降低同样的控制器性能再也没有下挂本地I/O循环和总线扩展延时得益于极其简单的协议，系统无需专门的主站,EtherCAT:EthernetControlAutomationTechnology,19,慢“的控制系统同样受益,EtherCAT提高了系统性能无需要改变CPU，反应速度加倍,

11、EtherCAT:EthernetControlAutomationTechnology,20,现场总线:需要在控制系统中映射,传统的现场总线系统生成一个物理的过程映像区物理的过程映像区必须映射到逻辑过程映像区,控制系统,e.g.IPC,现场总线扫描器/主站,逻辑过程映像区,PLCdata,datan,NCdata,DPRAM,node1,node2,node3,node4,映射,EtherCAT:EthernetControlAutomationTechnology,21,控制系统,e.g.IPC,现场总线扫描器/主站,现场总线:需要在控制系统中映射,一个控制系统的应用项目只能使用一个的过程

12、映像还需保存过程数据的映射关系。,逻辑过程映像区,processdata,DPRAM,node1,node2,node3,node4,node1,node2,node3,node4,映射,EtherCAT:EthernetControlAutomationTechnology,22,EtherCAT:映射关系移至从站设备,逻辑过程映像:多达4G字节,0,232,报文结构,EthernetHDR,HDR1,PLCdata,HDR2,NCdata,HDRn,datan,CRC,PLCdata,datan,NCdata,控制系统解放出来,主站变得非常简单根据应用的需要传送数据：非常迅速，灵活，高效,

13、EtherCAT:EthernetControlAutomationTechnology,23,直接内存访问节约时间,现场总线卡:多达30%的CPU时间用于数据复制EtherCAT:NIC是PCI总线主站,数据由DMA提供,直接放到PC内存:CPU减负更高的性能,PCRAM,PCRAM,使用现场总线卡的PCControl,PCIbus,Scannercard,DPRAM,使用EtherCAT的PCControl,NICcard,DMAtransfer,controltask,memcopy,controltask,DMA,PCIbus,EtherCAT:EthernetControlAutom

14、ationTechnology,24,EtherCAT传送延时的测量(I),测量EtherCAT节点数据帧发出和返回之间的时间差,vomMaster,EtherCATframe,EtherCAT:EthernetControlAutomationTechnology,25,EtherCAT传送延时的测量(II),可计算任意节点间的传送延时,EtherCAT:EthernetControlAutomationTechnology,26,EtherCAT分布时钟,精确同步(1s!)，通过分布时钟的精确调整来实现！,EtherCAT:EthernetControlAutomationTechnolo

15、gy,27,EtherCAT分布时钟,使用SCOPEVIEW长期观察两个独立设备300个节点，节点间电缆长度120米，,jitter:+/-20ns,simultaneousness:15ns,EtherCAT:EthernetControlAutomationTechnology,28,EtherCAT使用标准的帧:IEEE802.3可选择UDP/IP(如果需要IP路由)无缩短帧,EtherCAT是工业以太网!,EtherCAT:EthernetControlAutomationTechnology,29,EtherCAT设备,EtherCAT是工业以太网!,对TCP/IP完全透明可使用所以

16、英特网技术:HTTP,FTP,无需严格的实时能力,EthernetPHY,EtherCATMAC/DLL,processdata,mailbox,EthernetPHY,IP,TCP,UDP,Ethernet应用,acyclicdata,实时应用,标准的TCP/IPstack,EtherCAT:EthernetControlAutomationTechnology,30,EtherCAT是工业以太网!,任何以太网设备均可连接到交换机的端口使用标准浏览器访问WebServer,虚拟以太网交换机功能,交换机端口,webserver,EtherCAT:EthernetControlAutomatio

17、nTechnology,31,EtherCAT是工业以太网!,虚拟以太网交换机可路由任何以太网帧可从以太网段的内部及外部路由,交换机端口,虚拟以太网交换机功能,EtherCAT:EthernetControlAutomationTechnology,32,垂直统一管理(I),可使用任何以太网协议只需要一个以太网口(在IPC/控制器端)但是:经过交换机，性能会有所降低(并出现通常的以太网冲突),.经交换机,EtherCAT:EthernetControlAutomationTechnology,33,垂直统一管理(II),可使用任何以太网协议只需要一个以太网口(在IPC/控制器端)EtherCA

18、T性能不受影响,经过交换机端口端子,EtherCAT:EthernetControlAutomationTechnology,34,垂直统一管理(III),可使用任何以太网协议只需要第二个以太网口(在IPC/控制器端，e.g.FC9002)EtherCAT性能不受影响,.经过第二个以太网口,EtherCAT:EthernetControlAutomationTechnology,35,外部时钟同步:IEEE1588,交换机端口使用集成的IEEE1588boundaryclock,M,S,S,S,S,S,S,S,S,IEEE1588grandmasterclock,boundaryclock,E

19、therCAT:EthernetControlAutomationTechnology,36,EtherCAT布线更为灵活,标准的以太网结构:星型不理想此装置用于演示目的;-),EtherCAT:EthernetControlAutomationTechnology,37,EtherCAT布线更为灵活,线型拓普:无论多少节点都可以一条线串接起来,最多65535个节点,EtherCAT:EthernetControlAutomationTechnology,38,EtherCAT布线更为灵活,电信号:100baseTXandE-bus,Etherneton100baseTx物理层:100m以内,

20、withtransformercoupling,EthernetonE-bus物理层:10m以内,E-bus:低压差信号(LVDS)符合ANSI/TIA/EIA-644用IEEE802.3ae标准,允许任意数量的物理层改动,EtherCAT:EthernetControlAutomationTechnology,39,EtherCAT布线更为灵活,电缆:标准的CAT5电缆，无交叉,拓普型式:菊花链“,EtherCAT:EthernetControlAutomationTechnology,40,EtherCAT布线更为灵活,拓普型式:带分支菊花链“,电缆:标准的CAT5电缆，无交叉,Ether

21、CAT:EthernetControlAutomationTechnology,41,EtherCAT布线更为灵活,灵活的树型结构可任意扩展,电缆:标准的CAT5电缆，无交叉,EtherCAT:EthernetControlAutomationTechnology,42,EtherCAT代替PCI,保护你的投资:,现有总线系统的无缝集成过程映像区的刷新时间，经PCI(500字节输入/输出数据):400s过程映像区的刷新时间，经EtherCAT(1500字节输入/输出数据):150s,EtherCAT:EthernetControlAutomationTechnology,43,EtherCAT

22、代替PCI,不再在控制系统（IPC或PLC）中要求占一个槽然而却具备最大限度的扩展性,EtherCAT,EtherCAT:EthernetControlAutomationTechnology,44,EtherCAT配置容易！,地址:无需要手动设置地址地址可以自动分配地址可保持新加入节点后，不会改变原节点的地址,EtherCAT:EthernetControlAutomationTechnology,45,EtherCAT配置容易！,拓普结构:自动拓普目标/实际对比诊断:精确定位诊断网络规划:性能独立于:从站实例拓普结构(无交换机/集线器),EtherCAT:EthernetControlAu

23、tomationTechnology,46,EtherCAT成本更低！,主站:减少了硬件，带来以下好处:主板集成的以太网控制器实现实时功能，不需要通讯协处理器没有特殊的插入卡,主板集成的以太网口已足够所以:在主站端，有明显的成本优势,EtherCAT:EthernetControlAutomationTechnology,47,EtherCAT成本更低！,从站:价廉物美的EtherCAT从站控制器实现通讯功能对于简单的设备:不需要C实时特征普遍独立于C性能和堆栈处理时间所以:在从站端，也有明显的成本优势,EtherCAT:EthernetControlAutomationTechnology,

24、48,EtherCAT成本更低！,底层结构:标准的以太网电缆和连接器没有交换机和集线器所以:在底层结构上，也有明显的成本优势,EtherCAT:EthernetControlAutomationTechnology,49,EtherCAT成本更低！,实现/工具:标准网络监视工具:MicrosoftorEtherReal剖析软件:免费不要求高分辨率的时间分析器开发工具:430-含从站样品代码主站样品代码:1000所以:入门成本低，实现成本低,EtherCAT:EthernetControlAutomationTechnology,50,EtherCAT更易实现！,从站:开发工具，含样品代码(源代

25、码)所有时间性严格的功能都在ASIC或FPGA上实现,EtherCAT:EthernetControlAutomationTechnology,51,EtherCAT更易实现！,主站:主站样品源代码EtherCAT配置工具XML数据格式,EtherCAT:EthernetControlAutomationTechnology,52,EtherCAT更易实现！,示例:主站仅含一个过程映像:典型用于只有一个控制任务的小型控制器多达1486字节过程数据过程数据头通讯保持不变可用最少的工作实现主站不要求独立的通讯处理器(e.g.插入式板卡)比现有的总线系统简单得多比工业以太网的实现方式简单得多,con

26、stantheader,completelysorted(mapped)processdata,Padding字节andCRCgeneratedbyEthernetcontroller(MAC),DA,SA,Type,FrameHDR,EtherCATHDR,Data,Ethernetheader,EtherCAT报文,ECAT,(6),(6),(2),(2),(10),(0.1486),CTR,Workingcounter:constant,FCS,Ethernet,(4),Pad.,(032),(2),EtherCAT:EthernetControlAutomationTechnology

27、,53,EtherCAT发展良好,目前已有成系列的产品售出的节点数比以下总线更多PROFINETIRT,PowerlinkVersion2andSERCOSIIIalltogether,EtherCAT:EthernetControlAutomationTechnology,54,EtherCAT发展良好,QuoteSchuler公司:该系统使我们，在Schuler集团现在使用的所有应用中，实现了快速驱动和液压控制，另一个重要的因素是,因为EtherCAT的良好性能，我们还有足够的潜力在将来解决复杂的控制任务，而不会出现速度问题,EtherCAT:EthernetControlAutomati

28、onTechnology,55,EtherCAT使用完善的设备模型,EtherCAT设备,EtherCAT从站控制器,ProcessData,Mailbox,Ethernet物理层,IP,TCP,UDP,FileAccess,Ethernet,ServiceChannel,IDN,SDO,ObjectDictionary,PDOMap-ping,ATMDT,FoE,EoE,SoE,CoE,CoE/SoE,FileSystem,Bootloader,HTTP,FTP,Servodrive(IEC61491*)Applikation,CANopen(EN50325-4)Application,Pr

29、ocessData,*IEC61491是SERCOS标准.SERCOSinterfaceisIGSe.V.的一个商标。,EtherCAT:EthernetControlAutomationTechnology,56,EtherCAT是一种开放的技术！,协议完全开放:EtherCATisIEC规范(IEC/PAS62407)正在投票成为ISO15745-4标准已有可用的从站控制器从站控制器提供协同工作的能力传递途径上第二个从站源控制器,EtherCAT:EthernetControlAutomationTechnology,57,EtherCAT是一种开放的技术！,建立:2003年11月任务:支

30、持，发展和促进EtherCAT已有超过175个成员公司，分别来自欧洲，北美和亚太地区：设备制造商最终用户提供提供商ETG是世界上最大的工业以太网组织所有人均可申请成为其成员,EtherCAT:EthernetControlAutomationTechnology,58,EtherCAT是一种开放的技术！,IEC管理委员会已批准ETG组织和IECSC65CWG11/12/13(SC65C:数字通讯）的联络关系,EtherCAT:EthernetControlAutomationTechnology,59,EtherCAT技术组成员,EtherCAT:EthernetControlAutomati

31、onTechnology,60,2005汉诺威展会ETG联合展台参展商,EtherCAT:EthernetControlAutomationTechnology,61,EtherCAT产品(部分)*,*someavailable,someannounced,EtherCAT:EthernetControlAutomationTechnology,62,EtherCAT是一种开放的技术,2004年3月ETG成员集会,EtherCAT:EthernetControlAutomationTechnology,63,EtherCAT是一种开放的技术,2004年3月ETG成员集会,EtherCAT:Et

32、hernetControlAutomationTechnology,64,EtherCAT是一种开放的技术,2004年5月ETG技术委会会议,EtherCAT:EthernetControlAutomationTechnology,65,EtherCAT是一种开放的技术,2004年7月ETG实例启动会议,EtherCAT:EthernetControlAutomationTechnology,66,EtherCAT:通过系统架构,主对从从对从主对主,Switch,Master,Master,EtherCAT:EthernetControlAutomationTechnology,67,Ethe

33、rCAT上的安全技术,EtherCAT安全协议:符合IEC61508最初基于K-bus后也可直接基于EtherCAT,K-bus,TwinSAFEBusTerminal,EtherCAT:EthernetControlAutomationTechnology,68,EtherCAT的高度实用性,在传输途径上:主站热备冗余电缆冗余设备间轻便交换网段之间的热连接,EtherCAT:EthernetControlAutomationTechnology,69,K-BusTerminals的无缝集成,即刻有超过150种标准端子类型+140种特殊端子类型已可用于EtherCAT。,K-bus,Ether

34、CAT:EthernetControlAutomationTechnology,70,EtherCAT获奖!,美国:ControlEngineering杂志的工程师选择奖;读者推选的2003年最佳新产品奖,瑞典:2003年度Scan自动化系统奖,波兰:年度产品,网络通讯类,EtherCAT:EthernetControlAutomationTechnology,71,EtherCAT应用场合,高速应用,e.g.:包装机高速印刷机注塑机木工机械机床工具(CNC)机器人技术分布范围广的应用场合,e.g.:物料处理,logistics数据采集,80scycletime,EtherCAT:Ethern

35、etControlAutomationTechnology,72,EtherCAT应用场合,由于主站价格便宜，并且布线简单，可用于小型嵌入式控制器小型PLC任何基于PC控制的应用无论有或没有实时性要求现在，EtherCAT使得出于成本考虑，要求直接接线的场合也可以使用现场总线技术。,EtherCAT:EthernetControlAutomationTechnology,73,EtherCAT和它的竞争对手,Performance,costs,min,max,-III,EtherCAT:EthernetControlAutomationTechnology,74,这就是EtherCAT!,www.ethercat.org,MartinRostanEtherCATTechnologyGroupOstendstr.19690482Nuremberg,GermanyPhone.+4991154056-20,Fax-29m.rostanethercat.org,