基于高速工业以太网的EtherCAT应用研究

叶一枝（上海电气集团股份有限公司中央研究院，上海，200070）



基于高速工业以太网的EtherCAT应用研究

叶一枝
（上海电气集团股份有限公司中央研究院，上海，200070）

摘要：随着工业4.0的发展，基于高速工业以太网的工业自动化现场总线（EtherCAT）技术发展迅速，在微电网、机器人和定日镜厂等领域，需要高速高效控制技术，以实现对控制对象的实时操作与控制，基于高速工业以太网的EtherCAT技术可以实现微秒级的实时控制。

关键词：高速工业以太网；EtherCAT；热镜场

0 引言

20世纪70年代出现微处理器出现，之后迅速被应用到工业控制领域中。在初始阶段微处理器主要应用在开关量逻辑控制中，同时多用于开环控制系统。随着控制结构、算法等的复杂度增加，基于微处理器的控制系统开始出现了两个发展方向：一是专业化、集成化的控制器，针对特定工业领域专门研制，功能单一，主要为了解决特定领域中的实际工程问题，成本一般较低，但扩展性及移植性差，同时研发周期较长；二是以PLC为代表的工业通用控制器，从通用化角度出发，从架构上讲实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，通过通用的I/O模块以搭积木的形式搭建整个控制系统，可以减少开发周期，功能强大，性能稳定但价格相对偏高，同时国产化程度很低，同时，多采用PC为主站，不利于实现整体系统的小型化。

控制器是控制系统中的核心处理单元，它的本身从结构和实现方法上可归结为嵌入式系统。总体来说，在过程控制系统中控制器在更好的开放性、更强的网络通信能力和更高的可靠性等方面的要求都尤为迫切。而从目前整体装备制造工业控制领域发展的趋势看，除了对控制系统的性能，对整体系统的体积、成本等方面的要求也越来越高。同时，控制技术的飞速发展以及市场的迅速变化对研发周期的控制也越来越严苛，因此，未来通用化控制器的研究必将成为主流。

1 EtherCAT技术概况

EtherCAT 使网络性能达到了新境界，1000 个I/O 的更新时间只需30 µs，其中还包括I/O 周期时间。与100 个伺服轴的通讯每100 µs 执行一次。可在这一周期时间内更新带有命令值和控制数据的所有轴的实际位置及状态，分布式时钟技术使轴的同步偏差小于1 微秒。通过总线也可以形成超高速控制回路。以前需要本地专用硬件支持的功能现在可在软件中加以映射。巨大的带宽资源使得状态数据能够与任何数据并行传输。EtherCAT使通讯技术和现代工业PC 所具有的超强计算能力相适应，总线系统不再是控制理念的瓶颈，分布式I/O 可能比大多数本地I/O接口运行速度更快。

随着PC 组件逐渐向小型化方向发展，工业PC的体积也日趋取决于插槽的数目。而高速以太网的带宽和EtherCAT 通讯硬件的过程数据长度则为该领域的发展提 供了新的可能性。

EtherCAT有一个加强的协定版本，称为Safety over EtherCAT，可以在同一个网络上进行安全相关的通讯和一般的控制通讯。此安全通讯是以EtherCAT的应用层为基础，不会影响底层的通讯协定。

EtherCAT技术不仅完全兼容以太网，而且在“设计”之初就具备良好的开放性特 征：该协议可以在相同的物理层网络中包容其它基于以太网的服务和协议，通常可将其性能损失降到最小。

2 基于高速工业以太网的EtherCAT热镜场控制

针对50MW镜场，传统的方案对控制系统采用三层结构，最上层为中央控制器，中层为镜组控制器，下层为底层控制器和电机。中央控制器和镜组控制器之间采用通讯以太网环网方式通讯，通讯协议拟定为工业以太网。镜组控制器和各个电机的底层控制器之间采用CAN进行通讯。

采用高速工业以太网的EtherCAT热镜场控制相对于传统控制方式来说，控制响应速度快，每个定日镜仅直接受主控制器控制，控制方式灵活多变，基于嵌入式平台开发，植入RTOS实时操作系统，可以实现信息交互和I/O控制功能，提供完备的硬件驱动以及软件平台。

3 EtherCAT应用系统架构

超高性能的EtherCAT技术可以实现传统的现场总线系统无法迄及的控制理念。EtherCAT使通讯技术和现代工业PC所具有的超强计算能力相适应，总线系统不再是控制理念的瓶颈，分布式I/O可能比大多数本地I/O接口运行速度更快。EtherCAT技术原理具有可塑性，并不束缚于100 M bps的通讯速率，甚至有可能扩展为1000 M bps的以太网。

图1是EtherCAT应用系统架构图，分为管理层、控制层、网络层和设备层。来自设备层的模拟信号和数字信号通过I/O端口将信息传送给从站控制器，从站控制器通过高速工业以太网的EtherCAT将信号快速上传给中央控制器，中央控制器内存有本地数据库，对数据进行存储和初步分析，管理层设置有规划设计、优化调度、运行维护和统计分析的功能，可对数据进行深度的挖掘和分析。

4 小结

针对工业4.0的大趋势，指出了基于高速工业以太网的EtherCAT技术优势，并以定日镜厂为应用案例，对比了传统控制方式和基于高速工业以太网控制方式，并给出了EtherCAT应用系统架构。

图1 基于高速工业以太网的EtherCAT的架构图

参考文献

［1］姚高华. 基于以太网的远程监控系统设计［D］. 华南理工大学，2013.

［2］罗湘平. 基于工业以太网的智能控制器设计［D］. 大连海事大学， 2011.

Research and application of EtherCAT based on high speed industrial Ethernet

Ye Yizhi
（Central Research Institute of Shanghai electric group，Shanghai，200070）

Abstract：Along with the development of industrial 4.0， based on fast industrial Ethernet in industrial automation Fieldbus EtherCAT technology is developing rapidly，in the field of micro grid，robot and a heliostat factory and need to high speed and high efficiency control technology，to achieve the real-time operation and control of the controlled object，based on fast industrial Ethernet EtherCAT technology can realize the real-time control of the microsecond.

Keywords：high speed industrial Ethernet；EtherCAT；thermal mirror field