EtherCAT設(shè)備協(xié)議用于機(jī)器或機(jī)器部件內(nèi)部的I/O等現(xiàn)場設(shè)備通信，這已經(jīng)廣為人知并被業(yè)界廣泛采用，它經(jīng)常被簡稱為 EtherCAT 協(xié)議。除了基本特性外，EtherCAT具有以下突出的優(yōu)點(diǎn)：在很短的周期時(shí)間（ < 100 µs）下仍具有很精確的確定性；可在驅(qū)動器和測量應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)精確同步；同時(shí)，在I/O 層使用EtherCAT技術(shù)能降低布線和調(diào)試成本。而過程控制層需要進(jìn)一步的通信方法來操作車間或整個(gè)工廠。EtherCAT 技術(shù)的工廠自動化協(xié)議（EtherCAT Automation Protocol）為此提供了相應(yīng)解決方案。

動態(tài)印刷：為更完美地完成任務(wù)，報(bào)紙定位及在封面頁指定位置進(jìn)行地址印刷必須實(shí)現(xiàn)精確同步

現(xiàn)場級設(shè)備由上位控制器來控制。在汽車行業(yè)等大型工廠中，都是很多生產(chǎn)線協(xié)同工作。工廠中每個(gè)區(qū)域的控制器都需要交換數(shù)據(jù)。某些情況下，工廠中不同區(qū)域 I/O 設(shè)備之間也可能需要數(shù)據(jù)交換。

這樣的應(yīng)用對必須在生產(chǎn)控制層使用的通信協(xié)議提出了以下要求：

EtherCAT 主站之間的數(shù)據(jù)交換（主站-主站的通信），即控制層數(shù)據(jù)交換

EtherCAT 主站與人機(jī)界面之間的數(shù)據(jù)交換

將上位控制器連接到下層 EtherCAT 網(wǎng)段（路由）

EtherCAT 主站與其它設(shè)備（如組態(tài)工具）之間的數(shù)據(jù)交換

附加需求：

標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)通信接口

對周期時(shí)間和同步?jīng)]有嚴(yán)格要求

周期在毫秒級的通信

采用標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)設(shè)備（如普通交換機(jī)）

這些需求可通過 EtherCAT 工廠自動化協(xié)議 (EAP)實(shí)現(xiàn)，該協(xié)議能夠加強(qiáng)整個(gè)系統(tǒng)內(nèi) EtherCAT 的垂直集成。

EtherCAT 協(xié)議類型

EtherCAT 協(xié)議可通過以太網(wǎng) (EtherType 0x88A4)、UDP（用戶數(shù)據(jù)報(bào)文協(xié)議，UDP 端口 0x88A4）或 TCP（傳輸控制協(xié)議，TCP 端口 0x88A4）進(jìn)行傳輸。傳輸介質(zhì)方面，可使用銅纜或光纜的快速以太網(wǎng)，或千兆以太網(wǎng)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(jìn)行連接的復(fù)雜部件（例如，地面?zhèn)魉脱b置、高架倉儲系統(tǒng)等）。

在用戶數(shù)據(jù)報(bào)文中插入EtherCAT 幀（圖 1）。

圖 1：EtherCAT 協(xié)議傳輸

EtherCAT 幀頭指定了 EtherCAT 協(xié)議類型。

與 EtherCAT 主站相連的 EtherCAT 從站總是使用 EtherCAT 設(shè)備協(xié)議。

為實(shí)現(xiàn)該協(xié)議，EtherCAT 從站中使用了一個(gè) EtherCAT 通信芯片，即 EtherCAT 從站控制器 (ESC)。該控制器只對類型 1 報(bào)文進(jìn)行評估。此類型的 EtherCAT 幀中可傳輸周期性和非周期性數(shù)據(jù)。

類型 4 和 5 用于 EtherCAT 自動化協(xié)議。如果是過程數(shù)據(jù)，則使用類型 4；對于郵箱數(shù)據(jù)，EtherCAT 幀頭中使用類型 5。郵箱協(xié)議（CoE、SoE 和 FoE）既可用于 EtherCAT 設(shè)備協(xié)議，同樣也適用于 EtherCAT 自動化協(xié)議。

EAP 通信路由

組態(tài)工具必須支持經(jīng)由EtherCAT 主站到 EtherCAT 從站的通信路由，以便主站設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換，或便于組態(tài)工具為EtherCAT下層網(wǎng)段中的驅(qū)動器設(shè)置參數(shù)。

為此，使用 EtherCAT 郵箱協(xié)議 AoE（EtherCAT自動化設(shè)備協(xié)議）顯得非常有用，它具有路由功能，因而可通過層層傳輸?shù)竭_(dá)底層對象目錄。

主站中的每個(gè)以太網(wǎng)端口都用作一個(gè) AoE 設(shè)備，并被分配獨(dú)立的NetID。在例子中（如圖 2），端口 1 和端口 2 分別配有一個(gè) AoE NetID。端口到端口的路由是由主站中的 AoE 路由器執(zhí)行，該路由器同樣也分配有一個(gè) AoE NetID。

通過 AoE NetID，可以訪問任何端口或 AoE 設(shè)備及相關(guān)信息。提供給網(wǎng)絡(luò)的信息被組織為對象目錄。具體信息內(nèi)容則視AoE 設(shè)備/端口的任務(wù)而所有不同。

圖 2：EAP設(shè)備識別

設(shè)備數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

對象目錄

對象目錄即是變量和參數(shù)列表。每個(gè)條目都可通過總索引及其子索引來尋址。整個(gè)索引空間劃分為多個(gè)范圍，如下表。

將索引空間劃分為明確的范圍使數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)更加清晰。同時(shí)，也將成為使用算法的基礎(chǔ)，這種算法用于對過程數(shù)據(jù)（PDO 組態(tài)和 PDO 分配）組織整理。

EAP 的行規(guī)特定索引范圍

索引 0x6000 之后的行規(guī)特定范圍是由所謂的設(shè)備行規(guī)進(jìn)行詳細(xì)說明。分別針對不同類別的設(shè)備（驅(qū)動器、I/O 設(shè)備）規(guī)定了相應(yīng)的設(shè)備行規(guī)。

模塊化設(shè)備行規(guī)(MDP 行規(guī)編號 5001）用于 EAP。此行規(guī)詳細(xì)說明了如何按照列表使用索引空間。特殊類別的設(shè)備按子行規(guī)（例如，網(wǎng)關(guān)設(shè)備）在表格中進(jìn)行了分類。EtherCAT 自動化協(xié)議具有自己的子行規(guī)編號 (1000)，類似于用于下層網(wǎng)段主站功能的 EtherCAT 設(shè)備協(xié)議 (1100)。AoE 路由器子行規(guī)編號為 9000。

在同時(shí)支持 EtherCAT 自動化協(xié)議和 EtherCAT 設(shè)備協(xié)議的主站上，網(wǎng)絡(luò)端口分別擁有各自的對象目錄和相應(yīng)的子行規(guī)編號（另見圖 2）。

1.子行規(guī) 1000 – EtherCAT 自動化協(xié)議

子行規(guī) 1000 的對象目錄用于兩個(gè) EAP 設(shè)備通信的組態(tài)。它描述了 EAP 所使用的過程數(shù)據(jù)。

2.子行規(guī) 1100 – EtherCAT 設(shè)備協(xié)議

EtherCAT 網(wǎng)絡(luò)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(guī) 9000 – EtherCAT 路由器信息

路由器對象目錄列表中包含可用的設(shè)備接口及其 AoE NetID。

EAP – 周期性數(shù)據(jù)交換

EAP 中過程數(shù)據(jù)的交換可按照“推送”或“輪詢”方式進(jìn)行。“推送”模式中，每臺通信設(shè)備周期性地發(fā)送數(shù)據(jù)，或按某一周期的倍數(shù)發(fā)送。接收方被配置來接收某些發(fā)送方的某些數(shù)據(jù)。發(fā)送方與接收方之間的數(shù)據(jù)配置根據(jù)子行規(guī) 1000定義的對象目錄來完成。

在“輪詢”模式下，設(shè)備對數(shù)據(jù)進(jìn)行輪詢。為此，上位主站 PC 通常會向設(shè)備發(fā)送報(bào)文，設(shè)備使用自有報(bào)文響應(yīng)。通過這種方式可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備同步。.

過程數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

過程數(shù)據(jù)報(bào)文的內(nèi)容描述方式與 EtherCAT 從站的過程數(shù)據(jù)相同。一個(gè)報(bào)文對應(yīng)一個(gè) SyncManager 區(qū)域，這樣，報(bào)文的過程數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)就可通過 PDO 分配和 PDO 設(shè)置來確定。

圖 3：過程數(shù)據(jù)報(bào)文結(jié)構(gòu)

各報(bào)文段具有以下含義：

圖 4 是過程數(shù)據(jù)組態(tài)結(jié)構(gòu)的一個(gè)示例。上面部分顯示了 Tx 過程數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)及報(bào)文組態(tài)，下面部分顯示了接收到的 Rx 過程數(shù)據(jù)及相關(guān)的 Rx 變量。

設(shè)備在自 0x6000 開始的索引范圍內(nèi)定義其輸出變量（Tx 過程變量）。每個(gè)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(shù)據(jù)或診斷數(shù)據(jù)）與變量的實(shí)際值進(jìn)行組合。只有變量值本身能在過程數(shù)據(jù)報(bào)文中傳輸。

然后，可以借助于來自 0x1A00 的 Tx 映射 PDO 對過程變量進(jìn)行任意分組。一個(gè)變量也可傳輸?shù)蕉鄠€(gè) PDO 中。通過映射描述的變量結(jié)構(gòu)與變量 ID、版本 (Version) 和歷史時(shí)間 (Quality) 進(jìn)行組合。這是在從 0xD000 開始的 Tx 過程數(shù)據(jù)范圍內(nèi)完成的。

此時(shí)，過程數(shù)據(jù)必須分配給以太網(wǎng)幀傳輸。每個(gè)過程數(shù)據(jù)的分配和指令是通過從 0x8000 開始的范圍內(nèi)的分配對象來定義。.

接收方可通過所接收幀的幀頭發(fā)布者 ID 來確定發(fā)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(shù)據(jù)索引（從 0xE000 開始），其中包含對內(nèi)部目標(biāo)變量的引用。因此，目標(biāo)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(fā)送方一樣，接收方的過程數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的組態(tài)也是任意的。分配給 Rx 過程變量的索引獨(dú)立于 Tx 過程變量的索引。

由于輸出和輸入變量已經(jīng)預(yù)組態(tài)，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(shù)據(jù)交換

為了組態(tài)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(shù)據(jù)訪問。為此，將使用 AoE (Automation Device Protocol over EtherCAT) 協(xié)議。這樣就可對多個(gè)對象目錄進(jìn)行尋址。

類型 5（郵箱通信）報(bào)文用作傳輸協(xié)議。幀結(jié)構(gòu)與 EtherCAT 網(wǎng)段中的郵箱通信完全相同（圖 5）。

郵箱協(xié)議 CoE、SoE 和 FoE 又可以映射在 AoE 協(xié)議上。所以，組態(tài)工具可以連接到主站，例如，為組態(tài)而訪問 EtherCAT 網(wǎng)絡(luò)中的驅(qū)動器。

圖 5：AoE 郵箱報(bào)文的結(jié)構(gòu)

通過 EAP 實(shí)現(xiàn)工廠自動化的示例

太陽能電池組件的生產(chǎn)過程相當(dāng)復(fù)雜，需要使用標(biāo)記和識別系統(tǒng)、測量單元以及專門處理模塊。

所使用的輸送系統(tǒng)可劃分為多達(dá) 14 個(gè)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(jù)需要在生產(chǎn)線上的任意位置連接控制面板。

數(shù)據(jù)交換是通過 EAP 實(shí)現(xiàn)的。每個(gè)站直接與前一站和下一站進(jìn)行雙向通信，交換狀態(tài)和控制信息：每個(gè)方向上傳輸 600 個(gè)字節(jié)，周期時(shí)間為 10 毫秒。除此之外，還要與控制 PC 進(jìn)行通信，使每個(gè)站額外增加 1 kB 的雙向數(shù)據(jù)交換。

圖 6：太陽能電池組生產(chǎn)裝置的通信結(jié)構(gòu)

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