EtherCAT — это технология промышленного Ethernet реального времени, предложенная немецкой компанией по автоматизации BECKOFF в 2003 году. Он отличается высокой скоростью и высокой эффективностью передачи данных, а также поддерживает различные топологии подключения устройств. В подчиненном узле используется выделенный чип управления, а в главной станции — стандартный контроллер Ethernet.

Основные особенности EtherCAT следующие:

① Широкая применимость: любой блок управления, поддерживающий коммерческий контроллер Ethernet, может использоваться в качестве главной станции EtherCAT. От небольшого 16-битного процессора до ПК с процессором 3 ГГц — любой компьютер может стать системой управления EtherCAT.

② Полностью совместимый со стандартами Ethernet, EtherCAT может сосуществовать с другими устройствами и протоколами Ethernet на одной шине, а для EtherCAT также можно использовать стандартные структурные компоненты, такие как коммутаторы Ethernet.

③Подчиненная подсеть не требуется, в качестве подчиненных устройств EtherCAT можно использовать сложные узлы или узлы 1/0 только с 2 битами;

④ Высокая эффективность, максимальное использование полосы пропускания Ethernet для передачи пользовательских данных.

⑤ Цикл обновления короткий и может достигать менее 100 мкс. Его можно использовать для базового управления с обратной связью в сервотехнологии.

⑥ Качество синхронизации хорошее, каждое ведомое устройство может обеспечить точность синхронизации часов менее 1 мкс.

В настоящее время EtherCAT вошел во множество соответствующих международных стандартов:

• Тип 12 в соответствии с IEC61158;

• CPF12 в соответствии с IEC61784;

• В IEC61800 EtherCAT поддерживает CANopen DS402 и SERCOS;

. В IS015745 EtherCAT поддерживает DS301.

EtherCAT поддерживает различные топологии подключения устройств: линейную, древовидную или звездообразную структуру, а доступной физической средой являются стандартные Ethernet-кабели 100Base-TX или оптические кабели. Расстояние между станциями может достигать 100 м при использовании кабеля 100Base-TX. К сети можно подключить максимум 65535 устройств. Структура кольца «главный-подчиненный» с использованием «полнодуплексной» технологии связи Fast Ethernet показана на рисунке 1.2.

С точки зрения Ethernet сегмент EtherCAT можно просто рассматривать как независимое устройство Ethernet. Это «устройство» получает и отправляет сообщения Ethernet. Однако это «устройство» не имеет Ethernet-контроллера и соответствующего микропроцессора, а состоит из множества подчиненных станций EtherCAT. Эти ведомые устройства непосредственно обрабатывают полученную телеграмму, извлекают или вставляют из телеграммы соответствующие пользовательские данные, а затем передают телеграмму следующему ведомому устройству EtherCAT. Последний ведомый EtherCAT отправляет обратно полностью обработанную телеграмму, которая отправляется первым ведомым устройством на блок управления в качестве ответной телеграммы. Этот процесс использует тот факт, что устройство Ethernet независимо обрабатывает направленную передачу (Tx и Rx) и работает в полнодуплексном режиме, а исходящие сообщения возвращаются в блок управления через линию Rx.

Когда сообщение проходит через подчиненный узел, подчиненная станция распознает соответствующие команды и обрабатывает их соответствующим образом. Обработка информации осуществляется аппаратно с задержкой примерно 100-500 нс (в зависимости от устройства физического уровня), при этом производительность связи не зависит от времени отклика микропроцессора управления подчиненным устройством. Каждое подчиненное устройство имеет адресную память максимальной емкостью 64 КБ, которая может выполнять непрерывные или синхронные операции чтения и записи. В сообщение Ethernet можно встроить несколько командных данных EtherCAT, при этом каждые данные соответствуют независимому устройству или области памяти.

EtherCAT значительно улучшил производительность полевой шины. Например, время обновления входа и выхода управления 1000 переключателями составляет около 30 мкс. Один кадр Ethernet может вместить до 1486 байт данных процесса, что эквивалентно 12 000 коммутационных цифровых входов и выходов, а время обновления составляет примерно 300 мкс. Цикл передачи данных для управления 100 серводвигателями составляет примерно 100 мкс.

EtherCAT использует специальное определение типа кадра данных Ethernet, использует кадры данных Ethernet для передачи пакетов данных EtherCAT, а также может использовать формат протокола UDP/IP для передачи пакетов данных EtherCAT. Пакет данных EtherCAT может состоять из нескольких подсообщений EtherCAT, как показано на рисунке 1.2. Подчиненная станция EtherCAT не обрабатывает кадры данных, не относящиеся к EtherCAT. Другие типы данных приложений Ethernet могут быть сегментированы и упакованы в подсообщения данных EtherCAT для прозрачной передачи внутри сегмента сети для обеспечения соответствующих услуг связи.