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上海勇控自動化設備有限公司
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長春BECKHOFF倍福總經銷EL2124
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上海勇控自動化設備有限公司
：文志勇
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目前有多種用于提供實時能力的以太網方案： 例如，通過較高級的協議層禁止 CSMA/CD 存取過程，并使用時間分片或輪詢技術來取代它。其它方案使用交換機，并采用精確的時間控制方式分配以太網報文。盡管這些解決方案能夠比較快和準確地將數據包傳送到所連接的以太網節點，但帶寬的利用率卻很低，特別是對于典型的自動化設備，因為即使是對于非常小的數據量，也必須要發送一個完整的以太網幀。而且，重新定向到輸出或驅動控制器以及讀取輸入數據所需的時間主要取決于執行方式。通常也需要使用一條子總線，特別是在模塊化 I/O 系統中，這些系統與 Beckhoff K-bus 一樣，通過同步子總線系統加快傳輸速度，盡管如此，這樣的同步還是無法避免通訊總線傳輸的延遲。
通過采用 EtherCAT 技術，Beckhoff 突破了其它以太網解決方案的這些系統限制： 不必再像從前那樣在每個連接點接收以太網數據包，然后進行解碼并復制過程數據。當幀通過每一個設備（直達 I/O 端子模塊）時，EtherCAT 從站控制器讀取與該設備相關的數據。同樣，輸入數據可以飛速插入至數據流中。幀被傳遞（僅被延遲幾位）過去的時候，從站會識別出相關命令，并進行相應處理。此過程是在從站控制器中通過硬件實現的，因此與協議堆棧軟件的 Run-Time 系統或處理器性能無關。網段中的zui后一個 EtherCAT 從站將經過充分處理的報文發回，這樣該報文就作為一種響應報文由*個從站返回到主站。
從以太網的角度看，Ether¬CAT 總線網段是一個可接收和發送以太網幀的大型以太網設備。但是，該“設備“不包含帶下游微處理器的單個以太網控制器，而只包含大量的 EtherCAT 從站。與其它任何以太網設備一樣，EtherCAT 不需要通過交換機就可以建立通訊，因而產生一個純粹的 EtherCAT 系統。
以太網直達端子模塊
以太網系統直達系統中的每個設備，即直達每個 I/O 端子模塊；無需使用子總線。只需將耦合器的傳輸介質由雙絞線（100BASE-TX）轉換為 E-bus 總線即可滿足電子端子排的要求。端子排內的 E-bus 信號類型（LVDS）并不是的，它還可用于 10 千兆位以太網。在端子排末端，物理總線特性被轉換回 100BASE-TX 標準。
標準以太網 MAC 或便宜的標準網卡（NIC）足以作為控制器中的硬件使用。DMA（直接存儲器存取）用于將數據傳輸到 PC。這意味著網絡訪問對 CPU 性能沒有影響。在 Beckhoff 多端口卡中運用了相同的原理，它在一個 PCI 插槽中捆綁zui多 4 個以太網通道。
協議
EtherCAT 協議針對過程數據進行了優化，它被直接傳送到以太網幀，或被壓縮到 UDP/IP 報文中。UDP 協議在其它子網中的 EtherCAT 網段由路由器進行尋址的情況下使用。以太網幀可能包含若干個 EtherCAT 報文，每個報文專門用于特定存儲區域，該存儲區域可編制大小達 4GB 的邏輯過程鏡像。由于數據鏈獨立于網絡中 EtherCAT 端子模塊的物理順序；可進行任意尋址。從站之間可進行廣播、多點傳送和通訊。
該協議還可處理通常為非循環的參數通訊。參數的結構和含義通過 CANopen 設備行規進行設定，這些設備行規用于各種設備類別和應用。EtherCAT 還支持符合 IEC61491 標準的從屬行規。該行規以 SERCOS 命名，獲得運動控制應用領域的普遍認可。
除了符合主站/從站原理的數據交換外，EtherCAT 還非常適用于控制器之間（主站/主站）的通訊。可自由尋址的過程數據網絡變量以及各種參數化、診斷、編程和遠程控制服務，可以滿足眾多要求。用于主站/從站和主站/主站通訊的數據接口是相同的。
性能
EtherCAT 在網絡性能上達到了一個新的高度。1000 個分布式 I/O 數據的刷新時間僅為 30μs － 其中包括端子模塊周期時間。通過一個以太網幀，可以交換高達 1486 字節的過程數據，幾乎相當于 12000 個數字量 I/O。而這一數據量的傳輸僅用 300 μs。
與 100 個伺服軸的通訊只需 100 μs。在此期間，可以向所有軸提供設置值和控制數據，并報告它們的實際位置和狀態。分布式時鐘技術保證了這些軸之間的同步抖動小于 1 微秒。
利用 EtherCAT 技術的優異性能，可以實現用傳統現場總線系統所無法實現的控制方法。這樣，通過總線也可以形成超高速控制回路。以前需要本地硬件支持的功能現在可在軟件中加以映射。巨大的帶寬資源使狀態數據與任何數據可并行傳輸。EtherCAT 技術使得通訊技術與現代高性能的工業 PC 相匹配。總線系統不再是控制理念的“瓶頸”。分布式 I/O 的數據傳遞超過了只能由本地 I/O 接口才能實現的性能。
這種網絡性能優勢在有相對中等計算能力的小型控制器中較為明顯。EtherCAT 循環速度如此之快，使得它可以在兩個控制周期之間完成。因此，控制器總有可用的輸入數據，輸出編址的延遲zui小。在無需增強本身計算能力的基礎上，控制器的響應行為得到顯著改善。
EtherCAT 技術的原理具備擴展性，不束縛于 100M 帶寬 – 擴展至 Gbit 的以太網也是可能的。
EtherCAT 替代 PCI
隨著 PC 組件小型化的加速發展，工業 PC 的體積主要取決于所需要的插槽數目。高速以太網帶寬以及 EtherCAT 通訊硬件（EtherCAT 從站控制器）數據帶寬的利用，開辟了新的應用可能性： 通常位于工業 PC 中的接口被轉移到 EtherCAT 系統中的智能化接口端子模塊上。除分布式 I/O、軸和控制單元外，現場總線主站、高速串行接口、網關及其它通訊接口等復雜系統可以通過 PC 上的一個以太網端口進行尋址。甚至對無協議變體限制的其它以太網設備也可通過分布式交換機端子模塊進行連接。工業 PC 主機體積越來越小，成本也越來越低，一個以太網接口足以應對所有的通訊任務。
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總線耦合模塊 BK系列
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