用于運動控制的實時以太網(wǎng)總線技術(shù)

1、學(xué)術(shù)活動方式：地址：9003大樓2504室：010-6277 3517傳真：010-6277 3517機(jī)械工程系綠色制造Department of MechanicalEngineering：用于運動的實時以太網(wǎng)總線技術(shù)2014 年 12 月 12 日提 綱背景介紹主流以太網(wǎng)總線技術(shù)EtherCAT議EtherCAT文獻(xiàn)調(diào)研總結(jié)與展望提 綱背景介紹主流以太網(wǎng)總線技術(shù)EtherCAT議EtherCAT文獻(xiàn)調(diào)研總結(jié)與展望本科生畢業(yè)設(shè)計答辯傳統(tǒng)工業(yè)以太網(wǎng)傳統(tǒng)工業(yè)以太網(wǎng)：在工業(yè)領(lǐng)域使用的以太網(wǎng)技術(shù)，在技術(shù)上與遵循IEEE802.3以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)相兼容，在穩(wěn)定性和實時性等方面能夠滿足之前工業(yè)現(xiàn)場的要

2、求。、與Internet集成、傳輸速度快。性能：管控1.實時性能：傳輸速度、響應(yīng)時間響應(yīng)時間1ms100ms，傳輸速度達(dá)到百兆、千兆以上。2.通信不確定性：采用CSMA/CD介質(zhì)機(jī)制反復(fù)偵聽、檢測，數(shù)據(jù)傳遞中出現(xiàn)不可預(yù)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(wǎng)總線基于以太網(wǎng)的總線技術(shù)背景介紹實時以太網(wǎng)實時以太網(wǎng)(real time Ethernet，RTE)：是工業(yè)以太網(wǎng)的延伸，可以滿足工業(yè)領(lǐng)域?qū)?shù)據(jù)通訊實時性和同步性的要求。不再兼容IEEE802.3以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)（嚴(yán)格意義上，不再是以太網(wǎng)），遵循的是IEC61158 IEC61784-2標(biāo)準(zhǔn)，性能：1. 實時性：響應(yīng)時間幾十

3、µs，傳輸速度達(dá)到百兆、千兆以上。2. 通信不確定性：克服，對工業(yè)以太網(wǎng)的修改部分采用工交換式以太網(wǎng)技術(shù)（AFDX），則交換機(jī)各端口之間的輸入和輸出不受CSMA/CD機(jī)制的約束，避免了?；谝蕴W(wǎng)的總線技術(shù)背景介紹實時以太網(wǎng)分類實時以太網(wǎng)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(wǎng)、修改以太網(wǎng)基于以太網(wǎng)的總線技術(shù)背景介紹實時以太網(wǎng)分類實時以太網(wǎng)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(wǎng)、修改以太網(wǎng)1、基于TCP/IP實現(xiàn)通過上層合理的來應(yīng)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(yīng)用。（Modbus/TC

4、P、Ethernet/IP）基于以太網(wǎng)的總線技術(shù)背景介紹實時以太網(wǎng)分類實時以太網(wǎng)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(wǎng)、修改以太網(wǎng)2、基于以太網(wǎng)的實現(xiàn)使用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)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(wǎng)幀進(jìn)行傳輸?？梢詫崿F(xiàn)較高的實時性。（Ethernet Powerlink、EPA、PROFINet RT）基于以太網(wǎng)的總線技術(shù)背景介紹實時以太網(wǎng)分類實時以太網(wǎng)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(wǎng)、修改以太網(wǎng)3、修改以太網(wǎng)的實現(xiàn)在實時通道時MAC接管通訊控，簡化通訊數(shù)據(jù)處理。從站由

5、專門的硬件制，徹底避免報文實現(xiàn)。（EtherCAT、SERCOSIII、PROFINet IRT）基于以太網(wǎng)的總線技術(shù)背景介紹提 綱背景介紹主流以太網(wǎng)總線技術(shù)EtherCAT議EtherCAT文獻(xiàn)調(diào)研總結(jié)與展望本科生畢業(yè)設(shè)計答辯總線種類IEC61158第四版規(guī)定了20種現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)和實時以太網(wǎng)，其中實時以太網(wǎng)八款?，F(xiàn)場總線基于以太網(wǎng)的總線技術(shù)類型技術(shù)名稱種類類型技術(shù)名稱種類Type1TS61158現(xiàn)場總線Type11TCnetRTEType2CIP現(xiàn)場總線Type12EtherCATRTEType3Profibus3Ethernet PowerlinkRTEType4P2NET現(xiàn)場總線

6、Type14EPARTEType5FF HSE高速以太網(wǎng)Type15Modbus2 RTPSRTEType6SwiftNet被撤消Type16SERCOS.現(xiàn)場總線Type7WorldFIP現(xiàn)場總線Type17VNET/ IPRTEType8INTERBUS現(xiàn)場總線Type18CC2Link現(xiàn)場總線Type9FF H1現(xiàn)場總線Type19SERCOS RTEType10PROFINETRTEType20HART現(xiàn)場總線總線實時以太網(wǎng)性能對比四款常用實時以太網(wǎng)總線性能對比：基于以太網(wǎng)的總線技術(shù)比較項Ethernet POWERLINKProfiNet IRTSERCOSIIIEtherCAT抖動

7、<<1uS1uS<1uS<<1uS循環(huán)周期100uS(Max)1ms25us100uS傳輸距離100m100m40m100m是否需特殊硬件無CFPGA 或 ASICASIC需20萬開放性開源技術(shù)需需始創(chuàng)公司B&R（萊）SIEMENSRexrothBeckhoff拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)任意拓?fù)涫芟奘芟蓿ōh(huán)形）靈活拓?fù)渫椒绞絀EEE1588時鐘同步IEEE1588時鐘同步分布時鐘網(wǎng)絡(luò)編程簡單復(fù)雜復(fù)雜復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)關(guān)注I/O，運動現(xiàn)場總線運動運動I/O，運動控制總線提 綱背景介紹主流以太網(wǎng)總線技術(shù)EtherCAT議EtherCAT文獻(xiàn)調(diào)研總結(jié)與展望本科生畢業(yè)設(shè)計答辯由于 Ethe

8、rCAT 網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)具有高速度、強(qiáng)實時性、支持分布時鐘、布線方便等特點，支持多種設(shè)備連接拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在運動在實時通道制，徹底避免報文的硬件實現(xiàn)。一般主站直接BECKHOFF提供二次開發(fā)設(shè)計。中應(yīng)用廣泛。時MAC接管通訊控。從站由專門，從站在ET1100的基礎(chǔ)上基于以太網(wǎng)的總線技術(shù)1. 不需要專門的運動單元2. 多軸精確同步3. 靈活的拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)4. 避免報文，實時性抖動<<1uS循環(huán)周期100us傳輸距離100m是否需特殊硬件ASIC開放性需始創(chuàng)公司Beckhoff拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)靈活拓?fù)渫椒绞椒植紩r鐘網(wǎng)絡(luò)關(guān)注I/O，運動EtherCATEtherCAT(Ethernet for Cont

9、rol Automation Technology)由德國Beckhoff公司于2003年提出的實時以太網(wǎng)技術(shù)，使用主從模式介質(zhì)，主站以太網(wǎng)幀到各個從站，從站數(shù)據(jù)。主站使用的是標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)接口卡，從站使用專門的EtherCAT從站控制器ESC（ EtherCAT送數(shù)據(jù)Slave Cller）。 “數(shù)據(jù)列車”基于以太網(wǎng)的總線技術(shù)EtherCAT拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)EtherCAT支持三種物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：線形、樹形、星形等EtherCAT拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對其性能有很大的影響基于以太網(wǎng)的總線技術(shù)EtherCAT數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)一個EtherCAT以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀包含一個或多個EtherCAT子報文， 每個子報文尋址的設(shè)備或區(qū)域。幀結(jié)

10、構(gòu)目的地址：接收方MAC 址方MAC地源地址：址幀結(jié)構(gòu)：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：校驗序列基于以太網(wǎng)的總線技術(shù)EtherCAT數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)一個EtherCAT以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀包含一個或多個EtherCAT子報文， 每個子報文尋址的設(shè)備或區(qū)域。子報文結(jié)構(gòu)命令字節(jié)：子報文類型引號：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(biāo)志數(shù)據(jù)：用戶數(shù)據(jù)WKC：工作計數(shù)器基于以太網(wǎng)的總線技術(shù)EtherCAT分布時鐘分布時鐘(DC，Distributed Clock)： 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，

11、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(shè)備使用相同的系統(tǒng)時間各設(shè)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(wǎng)段內(nèi)從站之間時鐘同步。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。Toffset傳輸延遲：數(shù)據(jù)幀在從站之間的傳輸存在延遲，包括設(shè)備內(nèi)部的延遲和物理連接的延遲。 Tdelay基于以太網(wǎng)的總線技術(shù)EtherCAT延時與偏移量在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測量過程tlocal (n) = tsy

12、s _ ref + toffset (n)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)T2 (n) - T1= toffset (n) + tdelay (n)傳輸延遲基于以太網(wǎng)的總線技術(shù)t(n) = (T - T ) - (T ' (n) - T ' (n) / 2delay4132= (T4 - T1 ) - (T3 (n) - T2 (n) / 2toffset (n) = T2 (n) - T1 - tdelay (n)EtherCAT時鐘同步初始化過程，時鐘初始偏差量和傳輸延遲數(shù)值已經(jīng)保存在從站中，在同步時，先計算出時間tsys _ local (

13、n) = tlocal - toffset (n)鐘漂移量D t = tsys _ local (n) - tdelay (n) - tsys _ ref= tlocal (n) - tdelay (n) - toffset (n) - tsys _ ref時間，然后計算時鐘漂移量D t同步方法：本地時間是以10ns為從站，當(dāng)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?；谝蕴W(wǎng)的總線技術(shù)總線通訊提 綱背景介紹主流以太網(wǎng)總線技術(shù)EtherCAT議EtherCAT文獻(xiàn)調(diào)研總結(jié)與展望本科生畢業(yè)設(shè)計答辯2013年，北京航空航天大學(xué)的郇極、強(qiáng)、

14、單春榮等結(jié)合EtherCAT實時以太網(wǎng)，在EtherCAT主從站配置方法進(jìn)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(jìn)行理論分析與實驗驗證。另外，對EtherCAT冗余主站進(jìn)行開發(fā)設(shè)計，可以應(yīng)對突發(fā)故障，提高穩(wěn)定性主站一直周期性數(shù)據(jù)幀兩個伺服電機(jī)運動，通信周期 2ms郇極等, 實時工業(yè)以太網(wǎng)EtherCAT時序特性分析系統(tǒng). 北京航空航天大學(xué)學(xué)報, 2013. 39(09):基于以太網(wǎng)的總線技術(shù)文獻(xiàn)調(diào)研2013年，上海交通大學(xué)的、，實時多軸運動系統(tǒng)進(jìn)行分析，基于實時以太網(wǎng)總線IEEE1588時鐘進(jìn)行時鐘同步算法的研究，提出一濾波器的PI種長級聯(lián)路徑實時以太網(wǎng)的時

15、鐘同步算法，設(shè)計基于時鐘伺服，降低同步誤差的增長率。同時，在考慮實時以太網(wǎng)延遲等因素的基礎(chǔ)上，根據(jù)軌跡誤差最小提出分布式位置同步，并進(jìn)行預(yù)實提出驗驗證。實時以太網(wǎng)運動系統(tǒng)和高精度的多軸同步均方根誤差（RSME）. 實時以太網(wǎng)下多軸運動的同步問題研究D. 上海交通大學(xué)基于以太網(wǎng)的總線技術(shù)文獻(xiàn)調(diào)研2008年，北京交通大學(xué)的、譚，詳細(xì)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(jié)合建立的模型不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。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(jìn)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

16、始偏移量取為（0ns線性拓?fù)洌┑碾S機(jī)數(shù)，從站處理延時誤差（010ns）的隨機(jī)數(shù)，從站的傳輸延時誤差?。?60ns）的隨機(jī)數(shù)， 從站數(shù)目取300，得出每個從站的同步誤差。結(jié)論：1.300個從站的時鐘同步誤差遠(yuǎn)小于1s（樹型拓?fù)洌cETG給出的數(shù)據(jù)一致。2.，K約為0.230.25，誤差累積速率，可以估算線性拓?fù)?，線性拓?fù)溲舆t。, 譚. EtherCAT時鐘同步的誤差分析J. 自動化技術(shù)與應(yīng)用, 2011(7):22-26.基于以太網(wǎng)的總線技術(shù)文獻(xiàn)調(diào)研大連理工大學(xué)的、謝香林、，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(shè)器，并對Ether

17、CAT總線進(jìn)行性能的分析，同時分析了電機(jī)伺服系計伺服統(tǒng)的性能進(jìn)行實驗分析。對不同的實時以太網(wǎng)進(jìn)行性能分析比較，對延遲時間、循環(huán)周期進(jìn)行分析，同樣，EtherCAT性能更具優(yōu)勢。謝香林. EtherCAT網(wǎng)絡(luò)及其伺服運動系統(tǒng)研究J. 2008,Wang L, Guoli M, Wang J. Implementing for Networked Motion Control System with Large-Capacity Data AcquisitionJ. Procedia Engineering, 2011,15:28-32.Wang L, Li M, Qi J,. Design Ap

18、proach Based on EtherCAT Protocol for a Networked Motion Control SystemJ. International Journal of Distributed Sensor Networks, 2014,2014:1-15.基于以太網(wǎng)的總線技術(shù)文獻(xiàn)調(diào)研2012年，工業(yè)大學(xué)的、強(qiáng)，開發(fā)了基于EtherCAT實時以太網(wǎng)的開放數(shù)控系統(tǒng)，并進(jìn)行性能測試，包括實時性、同步性時間差（小于80 s）、聯(lián)動性能測試。2013年，湖南大學(xué)的，基于EtherCAT總線開發(fā)和配置從站控、制器，并對其同步性能進(jìn)行分析。2012年，2012年南昌航空大學(xué)的科

19、技大學(xué)的、2011年華南理工大學(xué)的件，開發(fā)配置從站。等均基于EtherCAT實時以太網(wǎng)結(jié)合各自環(huán)境條. 基于實時以太網(wǎng)的開放式數(shù)控系統(tǒng)研究D.工業(yè)大學(xué), 2012. 基于EtherCAT的伺服運動系統(tǒng)研究D.科技大學(xué), 2012.基于以太網(wǎng)的總線技術(shù)文獻(xiàn)調(diào)研都靈理工大學(xué)的Cena, G; Bertolotti I. C.; Scanzio, S等對EtherCAT分布時鐘的結(jié)構(gòu)、性能等進(jìn)行全面系統(tǒng)的分析。主要研究EtherCAT拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(jìn)行定量分析（ns級別），其同步特性與拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及數(shù)量有關(guān)。對其他實時以太網(wǎng)時鐘同步性能也進(jìn)行了

20、研究，如Powerlink總線的性能。Cena G, Bertolotti I C, Scanzio S,. Evaluation of EtherCAT Distributed Clock PerformanceJ. IEEE Transactions on Industrial Informatics.Cereia M, Bertolotti I C, Scanzio S. Performance of a Real-Time EtherCAT Master Under LinuxJ. IEEE Transactions on Industrial Informatics. Perform

21、ance analysis of Ethernet Powerlink networks for distributed control and automation systemsJ. Computer Standards InterfacesCena G, Seno L, Valenzano A,基于以太網(wǎng)的總線技術(shù)文獻(xiàn)調(diào)研ABB 研究中心的Prytz G, Dalimir Orfanus等對EtherCAT和PROFINET IRT性能進(jìn)行比較分析，并對延遲誤差進(jìn)行理論分析。在實時性能上，EtherCAT性能 優(yōu)于PROFINET IRT；同時，搭建實驗平臺，對EtherCAT實時以太網(wǎng)的抖動特性進(jìn)行分析、測量。Knezic M等對EtherCAT拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了非常詳細(xì)的