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PLC高速数据采集分析系统 ─ 详尽解析质量管理及工业大数据来源 |
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EtherCAT（Control
Automation Technology，以太网控制自动化技术）是一个以以太网为基础的开放架构的现场总线系统，最初由德国倍福自动化有限公司(Beckhoff Automation GmbH) 研发，EtherCAT为系统的实时性能和拓扑的灵活性树立了新的标准，同时，它还符合甚至降低了现场总线的使用成本，EtherCAT的特点还包括高精度设备同步，可选线缆冗余和功能性安全协议(SIL3)。 EtherCAT主张"以太网控制自动化技术"，它是一个开源、高性能的系统。 EtherCAT是IEC规范(IEC/PAS 62407)。 目前有多种用于提供实时功能的以太网方案：例如，通过较高级的协议层禁止CSMA/CD存取过程，并使用时间片或轮询过程来取代它，其它方案使用专用交换机，并采用精确的时间控制方式分配以太网数据包，尽管这些解决方案能够比较快和比较准确地将数据包传送到所连接的以太网节点，但带宽的利用率却很低，特别是对于典型的自动化设备，因为即使对于非常小的数据量，也必须要发送一个完整的以太网帧，而且，重新定向到输出或驱动控制器，以及读取输入数据所需的时间主要取决于执行方式，通常也需要使用一条子总线，特别是在模块化I/O系统中，这些系统与Beckhoff
K-总线一样，通过同步子总线系统加快传输速度，但是这样的同步将无法避免引起通讯总线传输的延迟。 通过采用EtherCAT技术，Beckhoff突破了其它以太网解决方案的这些系统限制：不必再像从前那样在每个连接点接收以太网数据包，然后进行解码并复制为过程数据，当帧通过每一个设备（包括底层端子设备）时，EtherCAT从站控制器读取对于该设备十分重要的数据，同样，输入数据可以在报文通过时插入至报文中。在帧被传递（仅被延迟几位）过去的时候，从站会识别出相关命令，并进行处理，此过程是在从站控制器中通过硬件实现的，因此与协议堆栈软件的实时运行系统或处理器性能无关，网段中的最后一个EtherCAT从站将经过充分处理的报文返回，这样该报文就作为一个响应报文由第一个从站返回到主站。 从以太网的角度看，EtherCAT总线网段只是一个可接收和发送以太网帧的大型以太网设备，但是，该“设备”不包含带下游微处理器的单个以太网控制器，而只包含大量的EtherCAT从站，与其它任何以太网一样，EtherCAT不需要通过交换机就可以建立通讯，因而产生一个纯粹的EtherCAT系统。 系统的每个设备都保证使用完整的以太网协议，甚至每个I/O端子亦如此，无需使用子总线，只需将耦合器的传输介质由双绞线（100baseTX）转换为E总线即可满足电子端子排的要求，端子排内的E总线信号类型（LVDS）并不是专用的，它还可用于10千兆位以太网，在端子排末端，物理总线特性被转换回100baseTX标准。 标准以太网MAC或便宜的标准网卡（NIC）足以作为控制器中的硬件使用，DMA（直接存储器存取）用于将数据传输到PC，这意味着网络访问对CPU性能没有影响，在Beckhoff多端口卡中运用了相同的原理，它在一个PCI插槽中捆绑最多4个以太网通道。 协议处理完全在硬件中进行, 协议ASIC可灵活组态。 EtherCAT协议针对过程数据进行了优化，它被直接传送到以太网帧，或被压缩到UDP/IP数据报文中，UDP协议在其它子网中的EtherCAT网段由路由器进行寻址的情况下使用。以太网帧可能包含若干个EtherCAT报文，每个报文专门用于特定存储区域，该存储区域可编制大小达4GB的逻辑过程镜像，由于数据链独立于EtherCAT端子物理顺序，因此可以对EtherCAT端子进行任意编址，从站之间可进行广播、多点传送和通讯。 该协议还可处理通常为非循环的参数通讯，参数的结构和含义通过CANopen设备行规进行设定，这些设备行规用于多种设备类别和应用，EtherCAT还支持符合IEC61491标准的从属行规。该行规以SERCOS命名，被全球运动控制应用领域普遍认可。 除了符合主站/从站原理的数据交换外，EtherCAT还非常适用于控制器之间（主站/主站）的通讯，可自由编址的过程数据网络变量以及各种参数化、诊断、编程和远程控制服务，可以满足众多要求，用于主站/从站和主站/主站通讯的数据接口是相同的。 FMMU: 报文处理完全在硬件中进行。 EtherCAT在网络性能上达到了一个新的高度，1000个分布式I/O数据的刷新周期仅为30μs，其中包括端子循环时间，通过一个以太网帧，可以交换高达1486字节的过程数据，几乎相当于12000个数字量I/O，而这一数据量的传输仅用300μs。 与100个伺服轴的通讯只需100μs，在此期间可以向所有轴提供设置值和控制数据，并报告它们的实际位置和状态，分布式时钟技术保证了这些轴之间的同步时间偏差小于1微秒。 利用EtherCAT技术的优异性能，可以实现用传统现场总线系统所无法实现的控制方法，这样，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，巨大的带宽资源使状态数据与任何数据可并行传输，EtherCAT技术使得通讯技术与现代高性能的工业PC相匹配，总线系统不再是控制理念的瓶颈，分布式I/O的数据传递超过了只能由本地I/O接口才能实现的性能。 这种网络性能优势在有相对中等的计算能力的小型控制器中较为明显，EtherCAT的高速循环，可以在两个控制循环之间完成，因此，控制器总有可用的最新输入数据，输出编址的延迟最小，在无需增强本身计算能力的基础上，控制器的响应行为得到显著改善。 EtherCAT技术的原理具备扩展性，不束缚于 EtherCAT可替代PCI，随着PC组件小型化的加速发展，工业PC的体积主要取决于所需要的插槽数目。高速以太网带宽以及EtherCAT通讯硬件（EtherCAT从站控制器）数据带宽的利用，开辟了新的应用可能性：通常位于IPC中的接口被转移到EtherCAT系统中的智能化接口端子上。除分散式I/O、轴和控制单元外，现场总线主站、高速串行接口、网关和其它通讯接口等复杂系统可以通过PC上的一个以太网端口进行寻址。甚至对无协议变体限制的其它以太网设备也可通过分布式交换机端子进行连接，工业PC主机体积越来越小，成本也越来越低，一个以太网接口足以应对所有的通讯任务。 用以太网代替PCI现场总线设备（PROFIBUS、CANopen、DeviceNet、AS-i等）通过分布式现场总线主站端子进行集成，不使用现场总线主站节省了PC中的PCI插槽。 可实现0.1ms有效采样周期的数据采集，数据源类型为5，不支持STRING数据类型，请用CHAR代替，需要FC1100或FC1121支持。组态方式类同上节。 Beckhoff倍福等为代表。
建议组建独立的EtherCAT网络进行高速数据采集，典型网络图如下：
在PLC程序中根据要采集的信号定义一个结构体TPDA，注意第一个字节为PLC主站站号，要与Config.csv中的连接识别号对应。
程序中将值赋给TPDA实例如，PDA AT %QW1000:TPDA;
组态软件中插入一个变量，连接到PDA。
方式二：不需要专用的EtherCAT从站网卡。 建立连接选择EtherCAT通讯协议下的EtherCAT Automation Protocol[Network Variables]。EtherCAT按MAC地址传送数据，如下图，PDA数据源类型为5，其它参考4.34节。示例程序及PDA组态见EtherCAT_TwinCAT3.zip。
PDA中组态如下图。
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