【摘 要】EtherCAT是一種基于以太網(wǎng)的新興現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，自從德國(guó)倍福公司推出以來，就憑借其實(shí)時(shí)性和拓?fù)涞撵`活性，在現(xiàn)場(chǎng)總線行業(yè)樹立了新的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。在國(guó)際上，EtherCAT依靠自身的技術(shù)協(xié)會(huì)EtherCAT技術(shù)協(xié)會(huì)（EtherCAT Technology Group，縮寫為ETG）進(jìn)行技術(shù)推廣。在國(guó)內(nèi)，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)正在為工業(yè)以太網(wǎng)總線EtherCAT技術(shù)制定相應(yīng)的國(guó)標(biāo)，現(xiàn)在已提交送審稿。如此一來，EtherCAT技術(shù)在我們必將取得進(jìn)一步的推動(dòng)發(fā)展和應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】EtherCAT ETG GB/T

一、引言

EtherCAT作為最新一代的開放的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議，最早是由德國(guó)的倍福自動(dòng)化有限公司（Beckhoff Automation GmbH）研發(fā)?，F(xiàn)在由EtherCAT技術(shù)協(xié)會(huì)（EtherCAT Technology Group，簡(jiǎn)稱ETG）來統(tǒng)一組織和管理。EtherCAT技術(shù)是基于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的開發(fā)的，這樣的話，用戶只需要主板集成的MAC口或者廉價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)卡，就可以完成組態(tài)，系統(tǒng)價(jià)格與其余現(xiàn)場(chǎng)總線相當(dāng)，甚至是更加便宜。但是相比其他現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，性能卻要強(qiáng)勁許多，包括65535個(gè)從站節(jié)點(diǎn)，自動(dòng)設(shè)置地址，通訊速度更快等等。所以，EtherCAT非常適用于高速、精密控制等場(chǎng)合?，F(xiàn)在，EtherCAT技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于設(shè)備控制、機(jī)器人、嵌入式系統(tǒng)、樓宇自動(dòng)化、運(yùn)輸系統(tǒng)等領(lǐng)域，并且呈現(xiàn)出越發(fā)強(qiáng)勁的發(fā)展勢(shì)頭。有鑒于此，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)正在積極地為EtherCAT制定相應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，筆者有幸參與了送審稿的翻譯和校隊(duì)工作。本文通過對(duì)EtherCAT的技術(shù)優(yōu)勢(shì)的分析，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化的制定流程，工業(yè)以太網(wǎng)國(guó)標(biāo)送審稿的研究，總結(jié)EtherCAT現(xiàn)場(chǎng)總線的優(yōu)勢(shì)，并給出相應(yīng)的依據(jù)。

二、EtherCAT現(xiàn)場(chǎng)總線優(yōu)勢(shì)

（一）開放性

EtherCAT的協(xié)議是完全公開的；并且已經(jīng)成為了IEC、ISO及SEMI的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。對(duì)應(yīng)的協(xié)議號(hào)是IEC61158、IEC61784、ISO15745和SEMI E54.20， 并且我國(guó)正在為其指定國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

為了推廣技術(shù)和保證技術(shù)的開放性，以技術(shù)主要發(fā)起人為主，成立了EtherCAT技術(shù)小組。小組的主要任務(wù)是支持、完善和推廣EtherCAT技術(shù)。截止2012年7月2日，ETG共計(jì)有2050個(gè)會(huì)員，光是從2011年的5月到2012年的5月，就新增加了超過380個(gè)會(huì)員[1]?，F(xiàn)在ETG已經(jīng)成為了全球最大的現(xiàn)場(chǎng)總線組織[1]。在中國(guó)，截止2012年2月，中國(guó)區(qū)共有超過200個(gè)會(huì)員，也正是因?yàn)镋therCAT在我國(guó)的蓬勃發(fā)展，所以國(guó)家急需要制定相應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

（二）高速性

EtherCAT突破了其他以太網(wǎng)解決方案固有的局限性：從站設(shè)備在報(bào)文經(jīng)過其節(jié)點(diǎn)時(shí)讀取帶有相應(yīng)尋址信息的數(shù)據(jù)；同樣，輸入數(shù)據(jù)也是在報(bào)文經(jīng)過時(shí)插入至報(bào)文中。整個(gè)過程，報(bào)文只有幾個(gè)納秒的時(shí)間延遲。這樣發(fā)送和接收的以太網(wǎng)幀壓縮了大量數(shù)據(jù)，所以通道的利用率可以達(dá)到90%，100Mb/s的全雙工特性可以完全得到利用。

下面舉一個(gè)具體的例子來更好的體現(xiàn)EtherCAT的高速性[2]。

在一個(gè)有40軸（每軸20字節(jié)輸入輸出數(shù)據(jù)）、50個(gè)I/O站、2000個(gè)數(shù)字量和200個(gè)模擬量的總線環(huán)境下，各種工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的循環(huán)時(shí)間如下表所示：

（三）低價(jià)

過去的現(xiàn)場(chǎng)總線無論主站還是從站設(shè)備都需要專用的設(shè)備，整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)建下來花費(fèi)不小。使用EtherCAT技術(shù)的成本可以做到更低。

從硬件角度看，主站不需要專用插卡，集成的網(wǎng)口就可以滿足要求了，現(xiàn)在許多的自動(dòng)化設(shè)備都標(biāo)配有網(wǎng)口，這樣就不需要新的成本投入；從站采用低成本的從站控制器FPGA或者ASIC，不需要功能強(qiáng)大的微處理器；輔助設(shè)備方面，不需要交換機(jī)/集線器，只要使用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)線纜和接頭就可以完成網(wǎng)絡(luò)組態(tài)了。

下面我們用一個(gè)網(wǎng)絡(luò)配置的實(shí)例來說明[2]：

如果我們要配置一個(gè)擁有10個(gè)站點(diǎn)，400個(gè)數(shù)字輸入，400個(gè)數(shù)字輸出的，100米長(zhǎng)線纜，11個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線接頭的網(wǎng)絡(luò)。EtherCAT網(wǎng)絡(luò)的總成本是最低的。Profibus貴了21.5%，DeviceNet貴了23.7%，CAN Open貴了21.9%.

三、EtherCAT現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)化

（一）中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)

我國(guó)將標(biāo)準(zhǔn)劃分為四個(gè)層次，即國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、地方標(biāo)準(zhǔn)、企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。各層次之間有一定的依從關(guān)系和內(nèi)在聯(lián)系，形成一個(gè)覆蓋全國(guó)又層次分明的標(biāo)準(zhǔn)體系。

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)分為強(qiáng)制性國(guó)標(biāo)（簡(jiǎn)稱GB）、推薦性國(guó)標(biāo)（簡(jiǎn)稱GB/T）和指導(dǎo)性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB/Z）。

EtherCAT在我們申請(qǐng)的國(guó)標(biāo)是GB/T，推薦性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

GB/T是指推薦性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，其中的“T”是推薦的意思。推薦性國(guó)標(biāo)是指生產(chǎn)、交換、使用等方面，通過經(jīng)濟(jì)手段調(diào)節(jié)而自愿采用的一類標(biāo)準(zhǔn)，又稱自愿標(biāo)準(zhǔn)。但推薦性標(biāo)準(zhǔn)國(guó)標(biāo)一經(jīng)接受并采用，或各方商定同意納入經(jīng)濟(jì)合同中，就成為各方必須遵守的技術(shù)依據(jù)，具有法律上的約束性。

（二）申請(qǐng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的條件

現(xiàn)場(chǎng)總線的種類繁多，但是真正入選成為我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)總線并不多。這是因?yàn)樵谖覈?guó)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的制定是需要滿足對(duì)應(yīng)的條件的[4]。

申請(qǐng)GB/T需要滿足下面的兩個(gè)條件：1.國(guó)內(nèi)有產(chǎn)品開發(fā)、生產(chǎn)；2.測(cè)試本體化。如上文所述，ETG在中國(guó)國(guó)內(nèi)的會(huì)員超過200位，提供了許多的EtherCAT相關(guān)產(chǎn)品，所以第一個(gè)條件滿足。對(duì)于測(cè)試本土化，現(xiàn)在ETG已經(jīng)在中國(guó)北京航空航天大學(xué)的數(shù)控與自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)室（LNC）建立了測(cè)試中心，這為EtherCAT在我國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)化掃清了最后的障礙。

（三） 國(guó)標(biāo)制作流程

工作組成員一般分為國(guó)內(nèi)專家小組和國(guó)外專家小組。包括制造商、最終用戶、集成商等成員。委員會(huì)審核通過的標(biāo)準(zhǔn)是75%以上成員贊成25%以下反對(duì)，如果委員會(huì)由超過25%以上成員反對(duì)，那么就需要重新審議項(xiàng)目。

EtherCAT申請(qǐng)國(guó)標(biāo)的工作從2012年2月份開始正式啟動(dòng)，2012年7月成立了工作組，前后經(jīng)過1年左右的翻譯、校隊(duì)工作后，2013年的2月份發(fā)出了征求意見稿，2013年6月發(fā)出送審稿，現(xiàn)在正在收集送審稿的投票工作，預(yù)計(jì)在2013

（四） EtherCAT國(guó)標(biāo)整體結(jié)構(gòu)

國(guó)標(biāo)共分為6個(gè)部分。

第一部分：概述

第二部分：物理層服務(wù)和協(xié)議規(guī)范

第三部分：數(shù)據(jù)鏈路層服務(wù)定義

第四部分：數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議規(guī)范

第五部分：應(yīng)用層服務(wù)定義

第六部分：應(yīng)用層協(xié)議規(guī)范

EtherCAT國(guó)標(biāo)內(nèi)容是使用翻譯法修改采用ETG.1000《EtherCAT規(guī)范》[5]，在技術(shù)內(nèi)容上與原國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)沒有差異，對(duì)文本進(jìn)行了適當(dāng)?shù)木庉嬓哉{(diào)整。

EtherCAT文檔結(jié)構(gòu)和OSI模型的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖3所示

所有的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議都是基于OSI網(wǎng)絡(luò)模型的，EtherCAT也不例外。EtherCAT總共使用了OSI中的應(yīng)用層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，而第3到第6層沒有在EtherCAT中實(shí)現(xiàn)。這樣保證了EtherCAT協(xié)議的簡(jiǎn)潔、高效，正因?yàn)閯冸x了IP，TCP等傳統(tǒng)的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層實(shí)現(xiàn)，所以使得EtherCAT的實(shí)時(shí)性得到了極大的保證。

四、結(jié)論

EtherCAT總線協(xié)議有許多吸引自控行業(yè)的特點(diǎn)：高速、開放、安全、冗余。正因?yàn)槿绱?，該技術(shù)自誕生起就取得了飛速的發(fā)展。鑒于此，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)正在積極的推進(jìn)EtherCAT的國(guó)標(biāo)化。

本文介紹了國(guó)標(biāo)制作的流程、條件，并且說明了EtherCAT國(guó)標(biāo)文檔的結(jié)構(gòu)。對(duì)EtherCAT總線技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用具有一定的意義，對(duì)于其他現(xiàn)場(chǎng)總線相關(guān)的研究亦有一定的參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1] EtherCAT Technology Group， EtherCAT工業(yè)以太網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)總線，2012

[2] EtherCAT Technology Group， Industrial Ethernet Technologies： Overview，2011

[3] 國(guó)際電工委員會(huì)， Serving global industrial automation ： IEC publishes new Field Standard. 2012-12-14

[4] EtherCAT技術(shù)協(xié)會(huì)， 一致性與互操作性， 2011

[5] EtherCAT技術(shù)協(xié)會(huì)，EtherCAT規(guī)范， 2013

作者簡(jiǎn)介：

宦卿（1983- ），男，上海人，上海交通大學(xué)工程碩士在讀，從事現(xiàn)場(chǎng)總線、人機(jī)界面硬件方面的研究（Email：gadfly0217@hotmail.com）；

陳堅(jiān)（1955- ），男，上海人，上海交通大學(xué)高級(jí)工程師，從事羅克韋爾現(xiàn)場(chǎng)總線方面的研究。