|
EtherCAT設備協議用于機器或機器部件內部的I/O等現場設備通信，這已經廣為人知并被業界廣泛采用，它經常被簡稱為 EtherCAT 協議。除了基本特性外，EtherCAT具有以下突出的優點：在很短的周期時間（ < 100 µs）下仍具有很精確的確定性；可在驅動器和測量應用中實現精確同步；同時，在I/O 層使用EtherCAT技術能降低布線和調試成本。而過程控制層需要進一步的通信方法來操作車間或整個工廠。EtherCAT 技術的工廠自動化協議（EtherCAT Automation Protocol）為此提供了相應解決方案。
動態印刷：為更完美地完成任務，報紙定位及在封面頁指定位置進行地址印刷必須實現精確同步。
現場級設備由上位控制器來控制。在汽車行業等大型工廠中，都是很多生產線協同工作。工廠中每個區域的控制器都需要交換數據。某些情況下，工廠中不同區域 I/O 設備之間也可能需要數據交換。
這樣的應用對必須在生產控制層使用的通信協議提出了以下要求：
| EtherCAT 主站之間的數據交換（主站-主站的通信），即控制層數據交換
| EtherCAT 主站與人機界面之間的數據交換
| 將上位控制器連接到下層 EtherCAT 網段（路由）
| EtherCAT 主站與其它設備（如組態工具）之間的數據交換
附加需求：
| 標準以太網通信接口
| 對周期時間和同步沒有嚴格要求
| 周期在毫秒級的通信
| 采用標準基礎設備（如普通交換機）
這些需求可通過 EtherCAT 工廠自動化協議 (EAP)實現，該協議能夠加強整個系統內 EtherCAT 的垂直集成。
EtherCAT 協議類型
EtherCAT 協議可通過以太網 (EtherType 0x88A4)、UDP（用戶數據報文協議，UDP 端口 0x88A4）或 TCP（傳輸控制協議，TCP 端口 0x88A4）進行傳輸。傳輸介質方面，可使用銅纜或光纜的快速以太網，或千兆以太網連接，也可以使用無線連接。因此，它甚至可以集成在工廠中不能用固定電纜進行連接的復雜部件（例如，地面傳送裝置、高架倉儲系統等）。
在用戶數據報文中插入EtherCAT 幀（圖 1）。
EtherCAT 幀頭指定了 EtherCAT 協議類型。
EtherCAT 設備協議 類型 1：EtherCAT 數據報文
EtherCAT 工廠自動化協議 類型 4：過程數據通信
類型 5：郵箱通信
與 EtherCAT 主站相連的 EtherCAT 從站總是使用 EtherCAT 設備協議。
為實現該協議，EtherCAT 從站中使用了一個 EtherCAT 通信芯片，即 EtherCAT 從站控制器 (ESC)。該控制器只對類型 1 報文進行評估。此類型的 EtherCAT 幀中可傳輸周期性和非周期性數據。
類型 4 和 5 用于 EtherCAT 自動化協議。如果是過程數據，則使用類型 4；對于郵箱數據，EtherCAT 幀頭中使用類型 5。郵箱協議（CoE、SoE 和 FoE）既可用于 EtherCAT 設備協議，同樣也適用于 EtherCAT 自動化協議。
EAP 通信路由
組態工具必須支持經由EtherCAT 主站到 EtherCAT 從站的通信路由，以便主站設備之間的數據交換，或便于組態工具為EtherCAT下層網段中的驅動器設置參數。
為此，使用 EtherCAT 郵箱協議 AoE（EtherCAT自動化設備協議）顯得非常有用，它具有路由功能，因而可通過層層傳輸到達底層對象目錄。
主站中的每個以太網端口都用作一個 AoE 設備，并被分配獨立的NetID。在例子中（如圖 2），端口 1 和端口 2 分別配有一個 AoE NetID。端口到端口的路由是由主站中的 AoE 路由器執行，該路由器同樣也分配有一個 AoE NetID。
圖2：EAP 設備識別
通過 AoE NetID，可以訪問任何端口或 AoE 設備及相關信息。提供給網絡的信息被組織為對象目錄。具體信息內容則視AoE 設備/端口的任務而所有不同。
對象目錄
對象目錄即是變量和參數列表。每個條目都可通過總索引及其子索引來尋址。整個索引空間劃分為多個范圍，如下表。
索引空間的劃分
將索引空間劃分為明確的范圍使數據結構更加清晰。同時，也將成為使用算法的基礎，這種算法用于對過程數據（PDO 組態和 PDO 分配）組織整理。
EAP 的行規特定索引范圍
索引 0x6000 之后的行規特定范圍是由所謂的設備行規進行詳細說明。分別針對不同類別的設備（驅動器、I/O 設備）規定了相應的設備行規。
模塊化設備行規(MDP 行規編號 5001）用于 EAP。此行規詳細說明了如何按照列表使用索引空間。特殊類別的設備按子行規（例如，網關設備）在表格中進行了分類。EtherCAT 自動化協議具有自己的子行規編號 (1000)，類似于用于下層網段主站功能的 EtherCAT 設備協議 (1100)。AoE 路由器子行規編號為 9000。
在同時支持 EtherCAT 自動化協議和 EtherCAT 設備協議的主站上，網絡端口分別擁有各自的對象目錄和相應的子行規編號（另見圖 2）。
1.子行規 1000 – EtherCAT 自動化協議
子行規 1000 的對象目錄用于兩個 EAP 設備通信的組態。它描述了 EAP 所使用的過程數據。
2.子行規 1100 – EtherCAT 設備協議
EtherCAT 網絡的對象目錄列出了所有連接的從站。對象目錄中用模塊來表述從站。
3.子行規 9000 – EtherCAT 路由器信息
路由器對象目錄列表中包含可用的設備接口及其 AoE NetID。
EAP – 周期性數據交換
EAP 中過程數據的交換可按照“推送”或“輪詢”方式進行。“推送”模式中，每臺通信設備周期性地發送數據，或按某一周期的倍數發送。接收方被配置來接收某些發送方的某些數據。發送方與接收方之間的數據配置根據子行規 1000定義的對象目錄來完成。
在“輪詢”模式下，設備對數據進行輪詢。為此，上位主站 PC 通常會向設備發送報文，設備使用自有報文響應。通過這種方式可以實現設備同步。
過程數據結構
過程數據報文的內容描述方式與 EtherCAT 從站的過程數據相同。一個報文對應一個 SyncManager 區域，這樣，報文的過程數據結構就可通過 PDO 分配和 PDO 設置來確定。
圖3：過程數據報文結構
各報文段具有以下含義：
設備在自 0x6000 開始的索引范圍內定義其輸出變量（Tx 過程變量）。每個變量都使用索引（變量1—>0x6000、變量 2 —>0x6001 等）。名稱、長度和變量類型（例如，過程數據或診斷數據）與變量的實際值進行組合。只有變量值本身能在過程數據報文中傳輸。
圖4：是過程數據組態結構的一個示例。上面部分顯示了 Tx 過程數據的結構及報文組態，下面部分顯示了接收到的 Rx 過程數據及相關的 Rx 變量。
然后，可以借助于來自 0x1A00 的 Tx 映射 PDO 對過程變量進行任意分組。一個變量也可傳輸到多個 PDO 中。通過映射描述的變量結構與變量 ID、版本 (Version) 和歷史時間 (Quality) 進行組合。這是在從 0xD000 開始的 Tx 過程數據范圍內完成的。
此時，過程數據必須分配給以太網幀傳輸。每個過程數據的分配和指令是通過從 0x8000 開始的范圍內的分配對象來定義。.
接收方可通過所接收幀的幀頭發布者 ID 來確定發送方。這樣，通過 PDO 頭中的變量 ID 和版本，接收方就可以找到過程數據索引（從 0xE000 開始），其中包含對內部目標變量的引用。因此，目標變量的索引將由映射（從 0x1600）決定，接收到的變量值以輸入變量的形式存儲在索引中。
同發送方一樣，接收方的過程數據結構的組態也是任意的。分配給 Rx 過程變量的索引獨立于 Tx 過程變量的索引。
由于輸出和輸入變量已經預組態，因此不再需要在通信開始之前建立附加連接。
EAP – 非周期性數據交換
為了組態輸出和輸入變量以及訪問主站或 EtherCAT 從站的對象目錄，將啟用非周期性數據訪問。為此，將使用 AoE (Automation Device Protocol over EtherCAT) 協議。這樣就可對多個對象目錄進行尋址。
圖 5：AoE 郵箱報文的結構
類型 5（郵箱通信）報文用作傳輸協議。幀結構與 EtherCAT 網段中的郵箱通信完全相同（圖 5）。
郵箱協議 CoE、SoE 和 FoE 又可以映射在 AoE 協議上。所以，組態工具可以連接到主站，例如，為組態而訪問 EtherCAT 網絡中的驅動器。
通過 EAP 實現工廠自動化的示例
太陽能電池組件的生產過程相當復雜，需要使用標記和識別系統、測量單元以及專門處理模塊。
所使用的輸送系統可劃分為多達 14 個工藝島，其中每段都配有一臺控制 PC 和一臺操作 PC。并可根據需要在生產線上的任意位置連接控制面板。
數據交換是通過 EAP 實現的。每個站直接與前一站和下一站進行雙向通信，交換狀態和控制信息：每個方向上傳輸 600 個字節，周期時間為 10 毫秒。除此之外，還要與控制 PC 進行通信，使每個站額外增加 1 kB 的雙向數據交換。
圖 6：太陽能電池組生產裝置的通信結構
|
