工業(yè)以太網(wǎng)EtherCAT的實時性研究

胡振豪+左小五+萬紅平

摘 要：工業(yè)以太網(wǎng)EtherCAT以實時性好、拓?fù)潇`活、易于實現(xiàn)等特點得到了廣泛應(yīng)用。實時性是控制系統(tǒng)的重要技術(shù)指標(biāo)之一，研究控制系統(tǒng)的實時性能有效提高網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)自身的實時性，減少傳輸過程中的通信延時。研究工業(yè)以太網(wǎng)EtherCAT的實時性解決方案，提出基于EtherCAT網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的通信延時計算方法，通過實驗構(gòu)建一個基于EtherCAT網(wǎng)絡(luò)的控制系統(tǒng)。計算系統(tǒng)中數(shù)據(jù)幀形成所需時間，以及從站節(jié)點延時、在介質(zhì)的傳播延時及主站接收和轉(zhuǎn)發(fā)延時，分析工程中通信延時的各組成部分。實驗結(jié)果證明，EtherCAT具有良好的實時性，能夠滿足大部分工業(yè)現(xiàn)場的實時性需求。

關(guān)鍵詞：工業(yè)以太網(wǎng)；EtherCAT；實時性；通信延時

DOIDOI：10.11907/rjdk.172309

中圖分類號：TP393

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-7800（2018）002-0179-03

0 引言

實時性是指系統(tǒng)對某事件反應(yīng)時間的可測性，是控制系統(tǒng)的重要技術(shù)指標(biāo)之一[1]。以太網(wǎng)采用多路存取監(jiān)聽碰撞檢測（CSMA/CD）的方式，無法保證延遲時間和通信響應(yīng)，使以太網(wǎng)不能滿足工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用的實時性需求[2]。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，目前幾種主流的工業(yè)以太網(wǎng)都提出了各自的實時性解決方案。Ethernet/IP和Modbus/TCP采取的方法是使用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)硬件及標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP協(xié)議棧，通過對應(yīng)用層協(xié)議的合理控制，以減小通信過程中的不確定性；Powerlink、EPA和Profinet采取的方法是使用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)硬件，但對TCP/IP協(xié)議進(jìn)行了一些改進(jìn)，通過某種時間控制層訪問以太網(wǎng)資源，進(jìn)而控制數(shù)據(jù)傳輸過程，達(dá)到延時可控效果[3]；而EtherCAT采取的方法是僅利用以太網(wǎng)物理層的專用從站，并對協(xié)議進(jìn)行了修改。對于實時通信的數(shù)據(jù)采用介質(zhì)訪問控制方式，對于非實時通信的數(shù)據(jù)則按照原先的通信協(xié)議傳輸[4]。實際上，EtherCAT采用了InterBus的集總線幀技術(shù)，數(shù)據(jù)鏈路層提供的I/O節(jié)點需要更新的數(shù)據(jù)由FMMU模塊直接集成到數(shù)據(jù)幀格式中發(fā)送出去，此過程在從站硬件中實現(xiàn)[5]，因此減少了延遲時間，確保了網(wǎng)絡(luò)的實時性需求。

1 EtherCAT實時性

影響EtherCAT實時性的因素主要包括網(wǎng)絡(luò)通信的實時性和控制系統(tǒng)的實時性，控制系統(tǒng)的實時性體現(xiàn)在自身系統(tǒng)硬件及規(guī)模等方面，而網(wǎng)絡(luò)通信的實時性則體現(xiàn)在通信延時的高低。通信延時是指控制器與所在網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點通信一個周期所需的時間，在EterCAT網(wǎng)絡(luò)中，通信延時TEtherCAT由數(shù)據(jù)幀形成所需時間TData、從站節(jié)點延時TNode、電纜介質(zhì)傳播延時TMedium以及主站接收和轉(zhuǎn)發(fā)延時TMaster幾部分組成[6]。因此，EtherCAT網(wǎng)絡(luò)中的通信延時為：

1.1 數(shù)據(jù)幀形成所需時間TData

在EtherCAT網(wǎng)絡(luò)中，有兩種尋址方式：設(shè)備尋址和邏輯尋址。根據(jù)EtherCAT的報文格式，如圖1所示，在使用設(shè)備尋址時，每個從站都有一個16位的本地地址空間，EtherCAT可以通過設(shè)備的位置地址和節(jié)點地址尋址[7]。使用邏輯尋址時，每個設(shè)備都有一個32位的邏輯地址空間，從站利用FMMU將數(shù)據(jù)從邏輯過程數(shù)據(jù)鏡像映射到其本地地址空間，當(dāng)主站配置好FMMU時，從站即可根據(jù)FMMU中的配置信息在邏輯過程數(shù)據(jù)鏡像中通過邏輯地址空間尋址。因此，數(shù)據(jù)幀形成所需的時間TData根據(jù)兩種尋址方式的不同而有所不同。

因為EtherCAT保留以太網(wǎng)幀的格式，報文不能低于64Bytes，如圖1所示，其附加字節(jié)達(dá)到32Bytes，因此在所需傳輸數(shù)據(jù)量長度小于32Bytes時，需要增加一個補(bǔ)充位DPad，此時數(shù)據(jù)幀形成所需的時間為：

1.2 從站節(jié)點延時TNode

在EtherCAT網(wǎng)絡(luò)中，從主站向從站方向傳輸數(shù)據(jù)時，從站需要接收處理自己站的對應(yīng)數(shù)據(jù)，產(chǎn)生一個處理延時。而從最后一個從站回傳給主站的數(shù)據(jù)，在經(jīng)過之前的從站時，從站不再作處理，因此只有一個轉(zhuǎn)發(fā)延時。EtherCAT支持兩種類型的物理層：以太網(wǎng)物理層和EBUS[8]。從站物理層接口是MII，則需要外接以太網(wǎng)物理層芯片PHY和電壓隔離器，這會增加接收和轉(zhuǎn)發(fā)的額外時間Textra，但這種方式支持100BASE-TX和100BASE-FX接線，使兩節(jié)點間最大間距達(dá)到100m和2km，適合較遠(yuǎn)距離的傳輸。而EBUS的物理層使用基于ANSI/TIA/EIA-644的低壓差分信號（LVDS），速度可達(dá)100Mbit/s，EBUS不僅可以攜帶EtherCAT幀，而且可以攜帶任何以太網(wǎng)幀。從站接口是EBUS，則不需要外部芯片，但是傳輸距離最大僅為10m，常用于背板的總線[9]。因此，根據(jù)從站節(jié)點接收口P0與發(fā)送口P1類型不同，延時TNode會有以下幾種情況，如表1所示。

1.3 主站接收與轉(zhuǎn)發(fā)延時TMaster

主站是由一個MII口和一個EBUS口組成的，主站的接收和轉(zhuǎn)發(fā)延時TMaster是由MII到EBUS的處理延時TM_E_P和EBUS到MII的轉(zhuǎn)發(fā)延時TE_M_F組成的。因此，主站的接收和轉(zhuǎn)發(fā)延時為：

1.4 在介質(zhì)中的傳播延時TMedium

一般信號在電纜中的傳播延時為4.3ns/m，在光纖中的傳播延時為5ns/m，所以在電纜介質(zhì)的傳播延時為：

2 工程應(yīng)用及通信延時計算

現(xiàn)基于工業(yè)以太網(wǎng)EtherCAT技術(shù)，組建某工程控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，圖2為該工程系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。采用雙線環(huán)網(wǎng)冗余，共有32路I/O模塊71個，擴(kuò)展模塊12個，耦合模塊12個。

I/O模塊為EBUS輸入、EBUS輸出，耦合模塊為MII輸入、EBUS輸出，末端模塊為EBUS輸入、MII輸出。圖中從站較多，為方便計算，將系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖簡化，簡化的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。endprint

2.1 通信延時計算

2.1.1 數(shù)據(jù)幀形成所需時間TData計算

因為系統(tǒng)中大多為I/O數(shù)據(jù)，采用周期性過程數(shù)據(jù)采集，因此一般采用邏輯尋址，根據(jù)式（5）、（6）得出數(shù)據(jù)幀形成所需的時間為：

2.1.2 從站節(jié)點延時TNode計算

根據(jù)倍福公司提供的硬件數(shù)據(jù)[10]，如表2所示，可以得到各種類型從站的節(jié)點延時。I/O模塊輸入輸出接口都為EBUS，則其普通輸入輸出的從站節(jié)點延時TNode_EE為280ns；耦合模塊的輸入接口為MII，輸出接口為EBUS，則耦合模塊的從站節(jié)點延時TNode_ME為770ns；擴(kuò)展模塊輸入為EBUS，輸出接口為MII，則擴(kuò)展模塊的從站節(jié)點延時TNode_EM為770ns。因此，從站節(jié)點數(shù)據(jù)幀延遲時間為：

2.1.3 主站接收與轉(zhuǎn)發(fā)延時TMaster計算

根據(jù)式（8）計算得到主站接收和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)幀的延遲時間為：

2.1.4 電纜介質(zhì)傳播延時TMedium計算

該工程系統(tǒng)采用的是環(huán)網(wǎng)，在線路正常，沒有出現(xiàn)故障的情況下，數(shù)據(jù)幀在電纜中不存在來回傳輸，因此電纜長度即為數(shù)據(jù)在電纜介質(zhì)中傳播的長度。據(jù)估計，工程中需用電纜長度500m，光纖長度16km，因此根據(jù)式（9）可計算得數(shù)據(jù)幀在電纜介質(zhì)中的傳播延遲時間：

2.2 結(jié)果計算

根據(jù)以上計算數(shù)據(jù)和式（1），得到該工程中的通信延時為：

在介質(zhì)中傳播延時占通信延時的百分比：

工程約有100個節(jié)點的2 000多個開關(guān)量I/O，以及16.5km長的線路，基于工業(yè)以太網(wǎng)EtherCAT構(gòu)建的如此規(guī)模的控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中，通信延時僅為0.12ms，在介質(zhì)中傳播延時占通信延時的68%，幾乎將實時性做到了極致。相比于profibus-DP網(wǎng)絡(luò)中相同規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)，通信延時最多可達(dá)到10ms，遠(yuǎn)高于EtherCAT。而且在對實時性要求較高的控制信號進(jìn)行通信時，一般采用實時性較好的I/O通信，在對實時性要求不太高的采集信號進(jìn)行通信時，則一般采用非實時性通信。在EtherCAT中，通信延時要比許多現(xiàn)場總線I/O的延時低，因此很多傳感器的采集信號、電壓電流信號都可采用實時通信的方式。EtherCAT良好的實時性不僅滿足了工業(yè)控制的需求，而且改變了行業(yè)內(nèi)一貫的通信方式。

3 結(jié)語

綜上述，在本文構(gòu)建的基于工業(yè)以太網(wǎng)EtherCAT的工程系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中，從站節(jié)點延時與介質(zhì)傳播延時為通信延時的主要組成部分。因此，系統(tǒng)的規(guī)模和節(jié)點數(shù)是影響系統(tǒng)通信延時的重要因素。通過計算分析通信延時的各個組成部分，可以系統(tǒng)地分析該工程的延遲時間，進(jìn)一步驗證了工業(yè)以太網(wǎng)EtherCAT總線具有良好的實時性，為工業(yè)控制提供了一種新的思路。

參考文獻(xiàn)：

[1] 伍一帆.實時以太網(wǎng)EtherCAT協(xié)議的研究[D].杭州：浙江工業(yè)大學(xué)，2009.

[2] 吳瑞強(qiáng).控制系統(tǒng)的實時性研究與優(yōu)化[D].杭州：浙江大學(xué)，2006.

[3] 陸超.工業(yè)現(xiàn)場總線與以太網(wǎng)接口技術(shù)和通訊協(xié)議的研究[D].無錫：江南大學(xué)，2006.

[4] 曹晶.EtherCAT從站設(shè)備的開發(fā)[D].武漢：武漢科技大學(xué)，2010.

[5] 馬玉敏，張浩，朱志浩，等.Interbus現(xiàn)場總線技術(shù)[J].自動化儀表，2004（8）：1-3，9.

[6] 戴俊良.EtherCAT網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中的實時性研究[D].長沙：湖南大學(xué)，2014.

[7] 單春榮，劉艷強(qiáng)，郇極.工業(yè)以太網(wǎng)現(xiàn)場總線EtherCAT及驅(qū)動程序設(shè)計[J].制造業(yè)自動化，2007（11）：79-82.

[8] 王維建.工業(yè)以太網(wǎng)EtherCAT技術(shù)的原理及其實現(xiàn)[J].微計算機(jī)信息，2010（13）：51-52.

[9] 郇極，劉艷強(qiáng).工業(yè)以太網(wǎng)現(xiàn)場總線EtherCAT驅(qū)動程序設(shè)計及應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)大學(xué)出版社，2010.

[10] BECKHOFF.Beckhoff ET1100 slave controller harder data sheet[EB/OL].http：//www.beckhoff.com.endprint