用于运动控制的实时以太网总线技术

学术活动用于运动控制的实时以太网总线技术2014年

12月12日提纲背景介绍主流以太网总线技术EtherCAT协议EtherCAT文献调研总结与展望提纲清华大学本科生毕业设计论文答辩背景介绍主流以太网总线技术EtherCAT协议EtherCAT文献调研总结与展望背景介绍传统工业以太网基于以太网的总线技术传统工业以太网：在工业控制领域使用的以太网技术，在技术上与遵循IEEE802.3以太网标准的商用以太网相兼容，在产品稳定性和实时性等方面能够满足之前工业现场的要求。性能：管控一体化、与Internet集成、传输速度快。1.实时性能：传输速度、响应时间响应时间1ms~100ms，传输速度达到百兆、千兆以上。2.通信不确定性：采用CSMA/CD介质访问机制

反复侦听、检测，数据传递中出现不可预知的延迟，影响实时性实时性和通讯不确定性的限制催生了实时以太网总线背景介绍实时以太网基于以太网的总线技术

实时以太网(realtimeEthernet，RTE)：是工业以太网的延伸，可以满足工业控制领域对数据通讯实时性和同步性的要求。不再兼容IEEE802.3以太网标准（严格意义上，不再是以太网），遵循的是IEC61158IEC61784-2标准，性能：1.实时性：响应时间几十μs，传输速度达到百兆、千兆以上。2.通信不确定性：克服，对工业以太网的修改部分采用全双工交换式以太网技术（AFDX），则交换机各端口之间的输入和输出不受CSMA/CD机制的约束，避免了冲突。背景介绍实时以太网分类基于以太网的总线技术实时以太网按照不同的实时性和成本要求使用不同的原理分为三类：基于TCP/IP、以太网、修改以太网背景介绍实时以太网分类基于以太网的总线技术实时以太网按照不同的实时性和成本要求使用不同的原理分为三类：基于TCP/IP、以太网、修改以太网1、基于TCP/IP实现通过上层合理的控制来应对通讯中非确定性因素。只适用于实时性要求不高的工业过程自动化应用。（Modbus/TCP、Ethernet/IP）背景介绍实时以太网分类基于以太网的总线技术实时以太网按照不同的实时性和成本要求使用不同的原理分为三类：基于TCP/IP、以太网、修改以太网2、基于以太网的实现—使用标准的以太网通信硬件，但不使用TCP/IP来传输，引入专门的过程数据传输协议，使用特定以太网帧进行传输。可以实现较高的实时性。（EthernetPowerlink、EPA、PROFINetRT）背景介绍实时以太网分类基于以太网的总线技术实时以太网按照不同的实时性和成本要求使用不同的原理分为三类：基于TCP/IP、以太网、修改以太网3、修改以太网的实现——在实时通道内由实时MAC接管通讯控制，彻底避免报文冲突，简化通讯数据处理。从站由专门的硬件实现。（EtherCAT、SERCOS—III、PROFINetIRT）提纲清华大学本科生毕业设计论文答辩背景介绍主流以太网总线技术EtherCAT协议EtherCAT文献调研总结与展望总线产品总线种类基于以太网的总线技术类型技术名称种类类型技术名称种类Type1TS61158现场总线Type11TCnetRTEType2CIP现场总线Type12EtherCATRTEType3Profibus现场总线Type13EthernetPowerlinkRTEType4P2NET现场总线Type14EPARTEType5FFHSE高速以太网Type15Modbus2RTPSRTEType6SwiftNet被撤消Type16SERCOSⅠ.Ⅱ现场总线Type7WorldFIP现场总线Type17VNET/IPRTEType8INTERBUS现场总线Type18CC2Link现场总线Type9FFH1现场总线Type19SERCOSⅢRTEType10PROFINETRTEType20HART现场总线IEC61158第四版规定了20种现场总线、工业以太网和实时以太网，其中实时以太网八款。实时以太网性能对比基于以太网的总线技术四款常用实时以太网总线性能对比：总线产品比较项EthernetPOWERLINKProfiNetIRTSERCOSIIIEtherCAT抖动<<1uS1uS<1uS<<1uS循环周期100uS(Max)1ms25us100uS传输距离100m100m40m100m是否需特殊硬件无ASICFPGA或

ASICASIC开放性开源技术需授权需授权需授权20万人民币始创公司B&R（贝加莱）SIEMENSRexrothBeckhoff拓扑结构任意拓扑受限受限（环形）灵活拓扑同步方式IEEE1588时钟同步IEEE1588时钟同步

分布时钟网络编程简单复杂复杂复杂网络关注I/O，运动控制现场总线运动控制运动控制I/O，运动控制提纲清华大学本科生毕业设计论文答辩背景介绍主流以太网总线技术EtherCAT协议EtherCAT文献调研总结与展望基于以太网的总线技术由于EtherCAT网络通信技术具有高速度、强实时性、支持分布时钟、布线方便等特点，支持多种设备连接拓扑结构，在运动控制中应用广泛。在实时通道内由实时MAC接管通讯控制，彻底避免报文冲突。从站由专门的硬件实现。一般主站直接购买，从站在BECKHOFF提供芯片ET1100的基础上二次开发设计。EtherCAT抖动<<1uS循环周期100us传输距离100m是否需特殊硬件ASIC开放性需授权始创公司Beckhoff拓扑结构灵活拓扑同步方式分布时钟网络关注I/O，运动控制1.不需要专门的运动控制单元2.多轴精确同步3.灵活的拓补结构4.避免报文冲突，实时性基于以太网的总线技术EtherCAT(EthernetforControlAutomationTechnology)由德国Beckhoff公司于2003年提出的实时以太网技术，使用主从模式介质访问控制，主站发送以太网帧到各个从站，从站读取数据。主站使用的是标准以太网接口卡，从站使用专门的EtherCAT从站控制器ESC（EtherCATSlaveController）。

“数据列车”方式发送数据EtherCAT拓扑结构基于以太网的总线技术EtherCAT支持三种物理拓扑结构：线形、树形、星形等EtherCATEtherCAT拓扑结构对其性能有很大的影响数据帧结构基于以太网的总线技术EtherCAT帧结构目的地址：接收方MAC地址源地址：发送方MAC地址帧结构：0x88A4数据长度：报数据区长度类型：是否通讯，1通讯FCS：校验序列一个EtherCAT以太网数据帧包含一个或多个EtherCAT子报文，

每个子报文寻址独立的设备或存储区域。数据帧结构基于以太网的总线技术一个EtherCAT以太网数据帧包含一个或多个EtherCAT子报文，

每个子报文寻址独立的设备或存储区域。EtherCAT子报文结构命令字节：子报文类型索引号：子报文编码子报文地址：从站地址长度：报文数据区字节数R：保留位M：是否为最后一个报文中断：中断到来时标志数据：用户发送数据WKC：工作计数器分布时钟基于以太网的总线技术

分布时钟(DC，DistributedClock)：主站连接的第一个具有分布时钟功能的从站作为参考时钟，以参考时钟来同步其他从站和主站的从时钟。实现使得所有EtherCAT设备使用相同的系统时间，控制各设备的同步执行。与其他总线的显著区别，IEEE1588时钟。优点：实现全网段内从站之间时钟同步。EtherCAT时钟初始偏差量：每个分布时钟从站都有本地时钟，本地时钟独立运行，系统启动时本地时钟与参考时钟之间的差值。传输延迟：数据帧在从站之间的传输存在延迟，包括设备内部的延迟和物理连接的延迟。延时与偏移量基于以太网的总线技术在EtherCAT工作前，时钟初始偏差量和传输延迟均需要测量出来，写入从站时钟。测量过程在分布时钟初始化过程完成EtherCAT测量过程传输延迟信号传送到第n的从站时，参考时钟从站T1，从站n时间为T2(n)总线通讯时钟同步基于以太网的总线技术初始化过程，时钟初始偏差量和传输延迟数值已经保存在从站中，在同步时，先计算出本地系统时间，然后计算时钟漂移量本地系统时间时钟漂移量同步方法：从站控制本地时间是以10ns为单位，当时钟漂移量为正时，本地时钟比参考时钟快，则本地时钟每10ns增加9ns，否则，每10ns增加11ns。提纲清华大学本科生毕业设计论文答辩背景介绍主流以太网总线技术EtherCAT协议EtherCAT文献调研总结与展望文献调研基于以太网的总线技术2013年，北京航空航天大学的郇极、刘艳强、单春荣等结合EtherCAT实时以太网，在EtherCAT主从站配置方法进行了系统的研究。并利用时序分析仪，对EtherCAT总线延迟时间和周期时间进行理论分析与实验验证。控制主站一直发送周期性数据帧控制两个伺服电机运动，通信周期2ms另外，对EtherCAT冗余主站进行开发设计，可以应对突发故障，提高稳定性郇极等,实时工业以太网EtherCAT时序特性分析系统.北京航空航天大学学报,2013.39(09):文献调研基于以太网的总线技术许雄.实时以太网下多轴运动控制的同步问题研究[D].上海交通大学同时，在考虑实时以太网延迟等因素的基础上，根据轨迹误差最小提出分布式位置同步控制，并进行仿真预实提出验验证。实时以太网运动控制系统和高精度的多轴同步控制均方根误差（RSME）2013年，上海交通大学的许雄、熊振华，针对实时多轴运动控制系统进行分析，基于实时以太网总线IEEE1588时钟进行时钟同步算法的研究，提出一种针对长级联路径实时以太网的时钟同步算法，设计基于卡尔曼滤波器的PI时钟伺服，降低同步误差的增长率。文献调研基于以太网的总线技术2008年，北京交通大学的汪雅楠、谭南林，详细介绍了EtherCAT分布时钟同步过程，建立了引入误差量的从站延时模型，之后结合建立的模型针对不同拓扑结构进行仿真分析。汪雅楠,谭南林.EtherCAT时钟同步的误差仿真分析[J].自动化技术与应用,2011(7):22-26.仿真分析时，只需要得出各个从站的系统时间，以第一个从站为参考时钟，系统时间为0，进入下一从站是，增加三部分，时钟初始偏移量、从站处理延迟和从站传输延迟。其中，初线性拓扑树型拓扑结论：1.300个从站的时钟同步误差远小于1μs（仿真），与ETG给出的数据一致。2.针对线性拓扑，，K约为0.23~0.25，误差累积速率，可以估算线性拓扑延迟。始偏移量取为（0~

4294967296ns）的随机数，从站处理延时误差（0~10ns）的随机数，从站的传输延时误差取（0~60ns）的随机数，从站数目取300，得出每个从站的同步误差。文献调研基于以太网的总线技术大连理工大学的王磊、谢香林、李木国，基于EtherCAT实时总线开发出用于海洋环境的伺服系统（海水的波动），同样开发配置主从站，在从站中设计伺服控制器，并对EtherCAT总线进行性能的分析，同时分析了电机伺服系统的性能进行实验分析。对不同的实时以太网进行性能分析比较，对延迟时间、循环周期进行分析，同样，EtherCAT性能更具优势。谢香林.EtherCAT网络及其伺服运动控制系统研究[J].2008,WangL,GuoliM,WangJ.ImplementingforNetworkedMotionControlSystemwithLarge-CapacityDataAcquisition[J].ProcediaEngineering,2011,15:28-32.WangL,LiM,QiJ,etal.DesignApproachBasedonEtherCATProtocolforaNetworkedMotionControlSystem[J].InternationalJournalofDistributedSensorNetworks,2014,2014:1-15.文献调研基于以太网的总线技术2012年武汉科技大学的黎妞、方康玲，2012年南昌航空大学的张根华、2011年华南理工大学的许阳钊等均基于EtherCAT实时以太网结合各自环境条件，开发配置从站。2012年，广东工业大学的方称生、高伟强，开发了基于EtherCAT实时以太网的开放数控系统，并进行性能测试，包括实时性、同步性时间差（小于80μs）、联动性能测试。2013年，湖南大学的张舜、周炎涛，基于EtherCAT总线开发和配置从站控制器，并对其同步性能进行分析。方称生.基于实时以太网的开放式数控系统关键技术研究[D].广东工业大学,2012.黎妞.基于EtherCAT的伺服运动控制系统研究[D].武汉科技大学,2012.文献调研基于以太网的总线技术都灵理工大学的Cena,G;BertolottiI.C.;Scanzio,S等对EtherCAT分布时钟的结构、性能等进行全面系统的分析。CenaG,BertolottiIC,ScanzioS,etal.EvaluationofEtherCATDistributedClockPerformance[J].IEEETransactionsonIndustrialInformatics.CereiaM,BertolottiIC,ScanzioS.PerformanceofaReal-TimeEtherCATMasterUnderLinux[J].IEEETransactionsonIndustrialInformatics.CenaG,SenoL,ValenzanoA,etal.PerformanceanalysisofEthernetPowerlinknetworksfordistributedcontrolandautomationsystems[J].ComputerStandardsInterfaces对其他实时以太网时钟同步性能也进行了研究，如Powerlink总线的性能。主要研究EtherCAT拓扑结构对同步误差的影响，通过理论分析与实验对EtherCAT分布时钟性能进行定量分析（ns级别），其同步特性与拓扑结构及数量有关。文献调研基于以太网的总线技术ABB研究中心的PrytzG,DalimirOrfanus等对EtherCAT和PROFINETIRT性能进行比较分析，并对延迟误差进行理论分析。在实时性能上，EtherCAT性能优于PROFINETIRT；同时，搭建实验平台，对EtherCAT实时以太网的抖动特性进行分析、测量。KnezicM等对EtherCAT拓扑结构进行