工業以太網EtherCAT的實時性研究

胡振豪+左小五+萬紅平

摘 要：工業以太網EtherCAT以實時性好、拓撲靈活、易于實現等特點得到了廣泛應用。實時性是控制系統的重要技術指標之一，研究控制系統的實時性能有效提高網絡系統自身的實時性，減少傳輸過程中的通信延時。研究工業以太網EtherCAT的實時性解決方案，提出基于EtherCAT網絡控制系統的通信延時計算方法，通過實驗構建一個基于EtherCAT網絡的控制系統。計算系統中數據幀形成所需時間，以及從站節點延時、在介質的傳播延時及主站接收和轉發延時，分析工程中通信延時的各組成部分。實驗結果證明，EtherCAT具有良好的實時性，能夠滿足大部分工業現場的實時性需求。

關鍵詞：工業以太網；EtherCAT；實時性；通信延時

DOIDOI：10.11907/rjdk.172309

中圖分類號：TP393

文獻標識碼：A 文章編號：1672-7800（2018）002-0179-03

0 引言

實時性是指系統對某事件反應時間的可測性，是控制系統的重要技術指標之一[1]。以太網采用多路存取監聽碰撞檢測（CSMA/CD）的方式，無法保證延遲時間和通信響應，使以太網不能滿足工業現場應用的實時性需求[2]。經過幾十年的發展，目前幾種主流的工業以太網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準的以太網硬件及標準TCP/IP協議棧，通過對應用層協議的合理控制，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準的以太網硬件，但對TCP/IP協議進行了一些改進，通過某種時間控制層訪問以太網資源，進而控制數據傳輸過程，達到延時可控效果[3]；而EtherCAT采取的方法是僅利用以太網物理層的專用從站，并對協議進行了修改。對于實時通信的數據采用介質訪問控制方式，對于非實時通信的數據則按照原先的通信協議傳輸[4]。實際上，EtherCAT采用了InterBus的集總線幀技術，數據鏈路層提供的I/O節點需要更新的數據由FMMU模塊直接集成到數據幀格式中發送出去，此過程在從站硬件中實現[5]，因此減少了延遲時間，確保了網絡的實時性需求。

1 EtherCAT實時性

影響EtherCAT實時性的因素主要包括網絡通信的實時性和控制系統的實時性，控制系統的實時性體現在自身系統硬件及規模等方面，而網絡通信的實時性則體現在通信延時的高低。通信延時是指控制器與所在網絡中所有節點通信一個周期所需的時間，在EterCAT網絡中，通信延時TEtherCAT由數據幀形成所需時間TData、從站節點延時TNode、電纜介質傳播延時TMedium以及主站接收和轉發延時TMaster幾部分組成[6]。因此，EtherCAT網絡中的通信延時為：

1.1 數據幀形成所需時間TData

在EtherCAT網絡中，有兩種尋址方式：設備尋址和邏輯尋址。根據EtherCAT的報文格式，如圖1所示，在使用設備尋址時，每個從站都有一個16位的本地地址空間，EtherCAT可以通過設備的位置地址和節點地址尋址[7]。使用邏輯尋址時，每個設備都有一個32位的邏輯地址空間，從站利用FMMU將數據從邏輯過程數據鏡像映射到其本地地址空間，當主站配置好FMMU時，從站即可根據FMMU中的配置信息在邏輯過程數據鏡像中通過邏輯地址空間尋址。因此，數據幀形成所需的時間TData根據兩種尋址方式的不同而有所不同。

因為EtherCAT保留以太網幀的格式，報文不能低于64Bytes，如圖1所示，其附加字節達到32Bytes，因此在所需傳輸數據量長度小于32Bytes時，需要增加一個補充位DPad，此時數據幀形成所需的時間為：

1.2 從站節點延時TNode

在EtherCAT網絡中，從主站向從站方向傳輸數據時，從站需要接收處理自己站的對應數據，產生一個處理延時。而從最后一個從站回傳給主站的數據，在經過之前的從站時，從站不再作處理，因此只有一個轉發延時。EtherCAT支持兩種類型的物理層：以太網物理層和EBUS[8]。從站物理層接口是MII，則需要外接以太網物理層芯片PHY和電壓隔離器，這會增加接收和轉發的額外時間Textra，但這種方式支持100BASE-TX和100BASE-FX接線，使兩節點間最大間距達到100m和2km，適合較遠距離的傳輸。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100Mbit/s，EBUS不僅可以攜帶EtherCAT幀，而且可以攜帶任何以太網幀。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，根據從站節點接收口P0與發送口P1類型不同，延時TNode會有以下幾種情況，如表1所示。

1.3 主站接收與轉發延時TMaster

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

1.4 在介質中的傳播延時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，所以在電纜介質的傳播延時為：

2 工程應用及通信延時計算

現基于工業以太網EtherCAT技術，組建某工程控制系統網絡，圖2為該工程系統結構圖。采用雙線環網冗余，共有32路I/O模塊71個，擴展模塊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，將系統結構圖簡化，簡化的系統結構如圖3所示。endprint

2.1 通信延時計算

2.1.1 數據幀形成所需時間TData計算

因為系統中大多為I/O數據，采用周期性過程數據采集，因此一般采用邏輯尋址，根據式（5）、（6）得出數據幀形成所需的時間為：

2.1.2 從站節點延時TNode計算

根據倍福公司提供的硬件數據[10]，如表2所示，可以得到各種類型從站的節點延時。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點延時TNode_ME為770ns；擴展模塊輸入為EBUS，輸出接口為MII，則擴展模塊的從站節點延時TNode_EM為770ns。因此，從站節點數據幀延遲時間為：

2.1.3 主站接收與轉發延時TMaster計算

根據式（8）計算得到主站接收和轉發數據幀的延遲時間為：

2.1.4 電纜介質傳播延時TMedium計算

該工程系統采用的是環網，在線路正常，沒有出現故障的情況下，數據幀在電纜中不存在來回傳輸，因此電纜長度即為數據在電纜介質中傳播的長度。據估計，工程中需用電纜長度500m，光纖長度16km，因此根據式（9）可計算得數據幀在電纜介質中的傳播延遲時間：

2.2 結果計算

根據以上計算數據和式（1），得到該工程中的通信延時為：

在介質中傳播延時占通信延時的百分比：

工程約有100個節點的2 000多個開關量I/O，以及16.5km長的線路，基于工業以太網EtherCAT構建的如此規模的控制系統網絡中，通信延時僅為0.12ms，在介質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網絡中相同規模的網絡，通信延時最多可達到10ms，遠高于EtherCAT。而且在對實時性要求較高的控制信號進行通信時，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控制的需求，而且改變了行業內一貫的通信方式。

3 結語

綜上述，在本文構建的基于工業以太網EtherCAT的工程系統網絡中，從站節點延時與介質傳播延時為通信延時的主要組成部分。因此，系統的規模和節點數是影響系統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，可以系統地分析該工程的延遲時間，進一步驗證了工業以太網EtherCAT總線具有良好的實時性，為工業控制提供了一種新的思路。

參考文獻：

[1] 伍一帆.實時以太網EtherCAT協議的研究[D].杭州：浙江工業大學，2009.

[2] 吳瑞強.控制系統的實時性研究與優化[D].杭州：浙江大學，2006.

[3] 陸超.工業現場總線與以太網接口技術和通訊協議的研究[D].無錫：江南大學，2006.

[4] 曹晶.EtherCAT從站設備的開發[D].武漢：武漢科技大學，2010.

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

[6] 戴俊良.EtherCAT網絡控制系統中的實時性研究[D].長沙：湖南大學，2014.

[7] 單春榮，劉艷強，郇極.工業以太網現場總線EtherCAT及驅動程序設計[J].制造業自動化，2007（11）：79-82.

[8] 王維建.工業以太網EtherCAT技術的原理及其實現[J].微計算機信息，2010（13）：51-52.

[9] 郇極，劉艷強.工業以太網現場總線EtherCAT驅動程序設計及應用[M].北京：北京航空航天大學大學出版社，2010.

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