用于運動控制的實時以太網總線技術

學術活動用于運動控制的實時以太網總線技術2014年

12月12日提綱背景介紹主流以太網總線技術EtherCAT協(xié)議EtherCAT文獻調研總結與展望提綱清華大學本科生畢業(yè)設計論文答辯背景介紹主流以太網總線技術EtherCAT協(xié)議EtherCAT文獻調研總結與展望背景介紹傳統(tǒng)工業(yè)以太網基于以太網的總線技術傳統(tǒng)工業(yè)以太網：在工業(yè)控制領域使用的以太網技術，在技術上與遵循IEEE802.3以太網標準的商用以太網相兼容，在產品穩(wěn)定性和實時性等方面能夠滿足之前工業(yè)現(xiàn)場的要求。性能：管控一體化、與Internet集成、傳輸速度快。1.實時性能：傳輸速度、響應時間響應時間1ms~100ms，傳輸速度達到百兆、千兆以上。2.通信不確定性：采用CSMA/CD介質訪問機制

反復偵聽、檢測，數(shù)據(jù)傳遞中出現(xiàn)不可預知的延遲，影響實時性實時性和通訊不確定性的限制催生了實時以太網總線背景介紹實時以太網基于以太網的總線技術

實時以太網(realtimeEthernet，RTE)：是工業(yè)以太網的延伸，可以滿足工業(yè)控制領域對數(shù)據(jù)通訊實時性和同步性的要求。不再兼容IEEE802.3以太網標準（嚴格意義上，不再是以太網），遵循的是IEC61158IEC61784-2標準，性能：1.實時性：響應時間幾十μs，傳輸速度達到百兆、千兆以上。2.通信不確定性：克服，對工業(yè)以太網的修改部分采用全雙工交換式以太網技術（AFDX），則交換機各端口之間的輸入和輸出不受CSMA/CD機制的約束，避免了沖突。背景介紹實時以太網分類基于以太網的總線技術實時以太網按照不同的實時性和成本要求使用不同的原理分為三類：基于TCP/IP、以太網、修改以太網背景介紹實時以太網分類基于以太網的總線技術實時以太網按照不同的實時性和成本要求使用不同的原理分為三類：基于TCP/IP、以太網、修改以太網1、基于TCP/IP實現(xiàn)通過上層合理的控制來應對通訊中非確定性因素。只適用于實時性要求不高的工業(yè)過程自動化應用。（Modbus/TCP、Ethernet/IP）背景介紹實時以太網分類基于以太網的總線技術實時以太網按照不同的實時性和成本要求使用不同的原理分為三類：基于TCP/IP、以太網、修改以太網2、基于以太網的實現(xiàn)—使用標準的以太網通信硬件，但不使用TCP/IP來傳輸，引入專門的過程數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，使用特定以太網幀進行傳輸?？梢詫崿F(xiàn)較高的實時性。（EthernetPowerlink、EPA、PROFINetRT）背景介紹實時以太網分類基于以太網的總線技術實時以太網按照不同的實時性和成本要求使用不同的原理分為三類：基于TCP/IP、以太網、修改以太網3、修改以太網的實現(xiàn)——在實時通道內由實時MAC接管通訊控制，徹底避免報文沖突，簡化通訊數(shù)據(jù)處理。從站由專門的硬件實現(xiàn)。（EtherCAT、SERCOS—III、PROFINetIRT）提綱清華大學本科生畢業(yè)設計論文答辯背景介紹主流以太網總線技術EtherCAT協(xié)議EtherCAT文獻調研總結與展望總線產品總線種類基于以太網的總線技術類型技術名稱種類類型技術名稱種類Type1TS61158現(xiàn)場總線Type11TCnetRTEType2CIP現(xiàn)場總線Type12EtherCATRTEType3Profibus現(xiàn)場總線Type13EthernetPowerlinkRTEType4P2NET現(xiàn)場總線Type14EPARTEType5FFHSE高速以太網Type15Modbus2RTPSRTEType6SwiftNet被撤消Type16SERCOSⅠ.Ⅱ現(xiàn)場總線Type7WorldFIP現(xiàn)場總線Type17VNET/IPRTEType8INTERBUS現(xiàn)場總線Type18CC2Link現(xiàn)場總線Type9FFH1現(xiàn)場總線Type19SERCOSⅢRTEType10PROFINETRTEType20HART現(xiàn)場總線IEC61158第四版規(guī)定了20種現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網和實時以太網，其中實時以太網八款。實時以太網性能對比基于以太網的總線技術四款常用實時以太網總線性能對比：總線產品比較項EthernetPOWERLINKProfiNetIRTSERCOSIIIEtherCAT抖動<<1uS1uS<1uS<<1uS循環(huán)周期100uS(Max)1ms25us100uS傳輸距離100m100m40m100m是否需特殊硬件無ASICFPGA或

ASICASIC開放性開源技術需授權需授權需授權20萬人民幣始創(chuàng)公司B&R（貝加萊）SIEMENSRexrothBeckhoff拓撲結構任意拓撲受限受限（環(huán)形）靈活拓撲同步方式IEEE1588時鐘同步IEEE1588時鐘同步

分布時鐘網絡編程簡單復雜復雜復雜網絡關注I/O，運動控制現(xiàn)場總線運動控制運動控制I/O，運動控制提綱清華大學本科生畢業(yè)設計論文答辯背景介紹主流以太網總線技術EtherCAT協(xié)議EtherCAT文獻調研總結與展望基于以太網的總線技術由于EtherCAT網絡通信技術具有高速度、強實時性、支持分布時鐘、布線方便等特點，支持多種設備連接拓撲結構，在運動控制中應用廣泛。在實時通道內由實時MAC接管通訊控制，徹底避免報文沖突。從站由專門的硬件實現(xiàn)。一般主站直接購買，從站在BECKHOFF提供芯片ET1100的基礎上二次開發(fā)設計。EtherCAT抖動<<1uS循環(huán)周期100us傳輸距離100m是否需特殊硬件ASIC開放性需授權始創(chuàng)公司Beckhoff拓撲結構靈活拓撲同步方式分布時鐘網絡關注I/O，運動控制1.不需要專門的運動控制單元2.多軸精確同步3.靈活的拓補結構4.避免報文沖突，實時性基于以太網的總線技術EtherCAT(EthernetforControlAutomationTechnology)由德國Beckhoff公司于2003年提出的實時以太網技術，使用主從模式介質訪問控制，主站發(fā)送以太網幀到各個從站，從站讀取數(shù)據(jù)。主站使用的是標準以太網接口卡，從站使用專門的EtherCAT從站控制器ESC（EtherCATSlaveController）。

“數(shù)據(jù)列車”方式發(fā)送數(shù)據(jù)EtherCAT拓撲結構基于以太網的總線技術EtherCAT支持三種物理拓撲結構：線形、樹形、星形等EtherCATEtherCAT拓撲結構對其性能有很大的影響數(shù)據(jù)幀結構基于以太網的總線技術EtherCAT幀結構目的地址：接收方MAC地址源地址：發(fā)送方MAC地址幀結構：0x88A4數(shù)據(jù)長度：報數(shù)據(jù)區(qū)長度類型：是否通訊，1通訊FCS：校驗序列一個EtherCAT以太網數(shù)據(jù)幀包含一個或多個EtherCAT子報文，

每個子報文尋址獨立的設備或存儲區(qū)域。數(shù)據(jù)幀結構基于以太網的總線技術一個EtherCAT以太網數(shù)據(jù)幀包含一個或多個EtherCAT子報文，

每個子報文尋址獨立的設備或存儲區(qū)域。EtherCAT子報文結構命令字節(jié)：子報文類型索引號：子報文編碼子報文地址：從站地址長度：報文數(shù)據(jù)區(qū)字節(jié)數(shù)R：保留位M：是否為最后一個報文中斷：中斷到來時標志數(shù)據(jù)：用戶發(fā)送數(shù)據(jù)WKC：工作計數(shù)器分布時鐘基于以太網的總線技術

分布時鐘(DC，DistributedClock)：主站連接的第一個具有分布時鐘功能的從站作為參考時鐘，以參考時鐘來同步其他從站和主站的從時鐘。實現(xiàn)使得所有EtherCAT設備使用相同的系統(tǒng)時間，控制各設備的同步執(zhí)行。與其他總線的顯著區(qū)別，IEEE1588時鐘。優(yōu)點：實現(xiàn)全網段內從站之間時鐘同步。EtherCAT時鐘初始偏差量：每個分布時鐘從站都有本地時鐘，本地時鐘獨立運行，系統(tǒng)啟動時本地時鐘與參考時鐘之間的差值。傳輸延遲：數(shù)據(jù)幀在從站之間的傳輸存在延遲，包括設備內部的延遲和物理連接的延遲。延時與偏移量基于以太網的總線技術在EtherCAT工作前，時鐘初始偏差量和傳輸延遲均需要測量出來，寫入從站時鐘。測量過程在分布時鐘初始化過程完成EtherCAT測量過程傳輸延遲信號傳送到第n的從站時，參考時鐘從站T1，從站n時間為T2(n)總線通訊時鐘同步基于以太網的總線技術初始化過程，時鐘初始偏差量和傳輸延遲數(shù)值已經保存在從站中，在同步時，先計算出本地系統(tǒng)時間，然后計算時鐘漂移量本地系統(tǒng)時間時鐘漂移量同步方法：從站控制本地時間是以10ns為單位，當時鐘漂移量為正時，本地時鐘比參考時鐘快，則本地時鐘每10ns增加9ns，否則，每10ns增加11ns。提綱清華大學本科生畢業(yè)設計論文答辯背景介紹主流以太網總線技術EtherCAT協(xié)議EtherCAT文獻調研總結與展望文獻調研基于以太網的總線技術2013年，北京航空航天大學的郇極、劉艷強、單春榮等結合EtherCAT實時以太網，在EtherCAT主從站配置方法進行了系統(tǒng)的研究。并利用時序分析儀，對EtherCAT總線延遲時間和周期時間進行理論分析與實驗驗證?？刂浦髡疽恢卑l(fā)送周期性數(shù)據(jù)幀控制兩個伺服電機運動，通信周期2ms另外，對EtherCAT冗余主站進行開發(fā)設計，可以應對突發(fā)故障，提高穩(wěn)定性郇極等,實時工業(yè)以太網EtherCAT時序特性分析系統(tǒng).北京航空航天大學學報,2013.39(09):文獻調研基于以太網的總線技術許雄.實時以太網下多軸運動控制的同步問題研究[D].上海交通大學同時，在考慮實時以太網延遲等因素的基礎上，根據(jù)軌跡誤差最小提出分布式位置同步控制，并進行仿真預實提出驗驗證。實時以太網運動控制系統(tǒng)和高精度的多軸同步控制均方根誤差（RSME）2013年，上海交通大學的許雄、熊振華，針對實時多軸運動控制系統(tǒng)進行分析，基于實時以太網總線IEEE1588時鐘進行時鐘同步算法的研究，提出一種針對長級聯(lián)路徑實時以太網的時鐘同步算法，設計基于卡爾曼濾波器的PI時鐘伺服，降低同步誤差的增長率。文獻調研基于以太網的總線技術2008年，北京交通大學的汪雅楠、譚南林，詳細介紹了EtherCAT分布時鐘同步過程，建立了引入誤差量的從站延時模型，之后結合建立的模型針對不同拓撲結構進行仿真分析。汪雅楠,譚南林.EtherCAT時鐘同步的誤差仿真分析[J].自動化技術與應用,2011(7):22-26.仿真分析時，只需要得出各個從站的系統(tǒng)時間，以第一個從站為參考時鐘，系統(tǒng)時間為0，進入下一從站是，增加三部分，時鐘初始偏移量、從站處理延遲和從站傳輸延遲。其中，初線性拓撲樹型拓撲結論：1.300個從站的時鐘同步誤差遠小于1μs（仿真），與ETG給出的數(shù)據(jù)一致。2.針對線性拓撲，，K約為0.23~0.25，誤差累積速率，可以估算線性拓撲延遲。始偏移量取為（0~

4294967296ns）的隨機數(shù)，從站處理延時誤差（0~10ns）的隨機數(shù)，從站的傳輸延時誤差?。?~60ns）的隨機數(shù)，從站數(shù)目取300，得出每個從站的同步誤差。文獻調研基于以太網的總線技術大連理工大學的王磊、謝香林、李木國，基于EtherCAT實時總線開發(fā)出用于海洋環(huán)境的伺服系統(tǒng)（海水的波動），同樣開發(fā)配置主從站，在從站中設計伺服控制器，并對EtherCAT總線進行性能的分析，同時分析了電機伺服系統(tǒng)的性能進行實驗分析。對不同的實時以太網進行性能分析比較，對延遲時間、循環(huán)周期進行分析，同樣，EtherCAT性能更具優(yōu)勢。謝香林.EtherCAT網絡及其伺服運動控制系統(tǒng)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.文獻調研基于以太網的總線技術2012年武漢科技大學的黎妞、方康玲，2012年南昌航空大學的張根華、2011年華南理工大學的許陽釗等均基于EtherCAT實時以太網結合各自環(huán)境條件，開發(fā)配置從站。2012年，廣東工業(yè)大學的方稱生、高偉強，開發(fā)了基于EtherCAT實時以太網的開放數(shù)控系統(tǒng)，并進行性能測試，包括實時性、同步性時間差（小于80μs）、聯(lián)動性能測試。2013年，湖南大學的張舜、周炎濤，基于EtherCAT總線開發(fā)和配置從站控制器，并對其同步性能進行分析。方稱生.基于實時以太網的開放式數(shù)控系統(tǒng)關鍵技術研究[D].廣東工業(yè)大學,2012.黎妞.基于EtherCAT的伺服運動控制系統(tǒng)研究[D].武漢科技大學,2012.文獻調研基于以太網的總線技術都靈理工大學的Cena,G;BertolottiI.C.;Scanzio,S等對EtherCAT分布時鐘的結構、性能等進行全面系統(tǒng)的分析。CenaG,BertolottiIC,ScanzioS,etal.EvaluationofEtherCATDistributedClockPerformance[J].IEEETransactionsonIndustrialInformatics.CereiaM,BertolottiIC,ScanzioS.PerformanceofaReal-TimeEtherCATMasterUnderLinux[J].IEEETransactionsonIndustrialInformatics.CenaG,SenoL,ValenzanoA,etal.PerformanceanalysisofEthernetPowerlinknetworksfordistributedcontrolandautomationsystems[J].ComputerStandardsInterfaces對其他實時以太網時鐘同步性能也進行了研究，如Powerlink總線的性能。主要研究EtherCAT拓撲結構對同步誤差的影響，通過理論分析與實驗對EtherCAT分布時鐘性能進行定量分析（ns級別），其同步特性與拓撲結構及數(shù)量有關。文獻調研基于以太網的總線技術ABB研究中心的PrytzG,DalimirOrfanus等對EtherCAT和PROFINETIRT性能進行比較分析，并對延遲誤差進行理論分析。在實時性能上，EtherCAT性能優(yōu)于PROFINETIRT；同時，搭建實驗平臺，對EtherCAT實時以太網的抖動特性進行分析、測量。KnezicM等對EtherCAT拓撲結構進行