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SIEMENS  CPU模塊系列技術參數

通過采用 EtherCAT 技術， BeckhoFF 突破了其它以太網解決方案的這些系統限制：不必再像從前那樣在每個連接點接收以太網數據包，然后進行解碼并復制為過程數據。當幀通過每一個設備（包括底層端子設備）時，EtherCAT從站控制器讀取對于該設備十分重要的數據。同樣，輸入數據可以在報文通過時插入至報文中。在幀被傳遞 （僅被延遲幾位）過去的時候，從站會識別出相關命令，并進行處理。此過程是在從站控制器中通過硬件實現的，因此與協議堆棧軟件的實時運行系統或處理器性能無關。網段中的最后一個EtherCAT從站將經過充分處理的報文返回，這樣該報文就作為一個響應報文由*個從站返回到主站。

　　從以太網的角度看，EtherCAT總線網段只是一個可接收和發(fā)送以太網幀的大型以太網設備。但是，該“設備”不包含帶下游微處理器的單個以太網控制器，而只包含大量的EtherCAT從站。與其它任何以太網一樣，EtherCAT不需要通過交換機就可以建立通訊，因而產生一個純粹的EtherCAT系統。

端子實現以太網：

　　系統的每個設備都保證使用完整的以太網協議，甚至每個I/O端子亦如此，無需使用子總線。只需將耦合器的傳輸介質由雙絞線（100baseTX）轉換為E總線即可滿足電子端子排的要求。端子排內的E總線信號類型（LVDS）并不是的，它還可用于10千兆位以太網。在端子排末端，物理總線特性被轉換回 100baseTX 標準。

　　標準以太網MAC或便宜的標準網卡（NIC）足以作為控制器中的硬件使用。DMA（直接存儲器存?。┯糜趯祿鬏數絇C。這意味著網絡訪問對CPU性能沒有影響。在BeckhoFF多端口卡中運用了相同的原理，它在一個PCI插槽中捆綁最多4個以太網通道。

協議處理*在硬件中進行 | 協議 ASIC 可靈活組態(tài)。過程接口2-64 kB

協議：

　　EtherCAT 協議針對過程數據進行了優(yōu)化，它被直接傳送到以太網幀，或被壓縮到 UDP/IP 數據報文中。 UDP 協議在其它子網中的 EtherCAT 網段由路由器進行尋址的情況下使用。以太網幀可能包含若干個 EtherCAT 報文，每個報文專門用于特定存儲區(qū)域，該存儲區(qū)域可編制大小達 4GB 的邏輯過程鏡像。由于數據鏈獨立于 EtherCAT 端子物理順序，因此可以對 EtherCAT 端子進行任意編址。從站之間可進行廣播、多點傳送和通訊。

　　該協議還可處理通常為非循環(huán)的參數通訊。參數的結構和含義通過 CANOPEN設備行規(guī)進行設定，這些設備行規(guī)用于多種設備類別和應用。EtherCAT 還支持符合 IEC61491 標準的從屬行規(guī)。該行規(guī)以 SERCOS™ 命名，被全球運動控制應用領域普遍認可。

　　除了符合主站/從站原理的數據交換外，EtherCAT還非常適用于控制器之間（主站/主站）的通訊?？勺杂删幹返倪^程數據網絡變量以及各種參數化、診斷、編程和遠程控制服務，可以滿足眾多要求。用于主站/從站和主站/主站通訊的數據接口是相同的。

FMMU: 報文處理*在硬件中進行

性能：

　　EtherCAT在網絡性能上達到了一個新的高度。1000個分布式I/O數據的刷新周期僅為30μs，其中包括端子循環(huán)時間。通過一個以太網幀，可以交換高達1486字節(jié)的過程數據，幾乎相當于12000個數字量I/O。而這一數據量的傳輸僅用300μs。

　　與100個伺服軸的通訊只需100μs。在此期間，可以向所有軸提供設置值和控制數據，并報告它們的實際位置和狀態(tài)。分布式時鐘技術保證了這些軸之間的同步時間偏差小于1微秒。

　　利用 EtherCAT 技術的優(yōu)異性能，可以實現用傳統現場總線系統所無法實現的控制方法。這樣，通過總線也可以形成超高速控制回路。以前需要本地硬件支持的功能現在可在軟件中加以映射。巨大的帶寬資源使狀態(tài)數據與任何數據可并行傳輸。EtherCAT技術使得通訊技術與現代高性能的工業(yè)PC相匹配?？偩€系統不再是控制理念的瓶頸。分布式I/O的數據傳遞超過了只能由本地I/O接口才能實現的性能。

　　這種網絡性能優(yōu)勢在有相對中等的計算能力的小型控制器中較為明顯。EtherCAT的高速循環(huán)，可以在兩個控制循環(huán)之間完成。因此，控制器總有可用的輸入數據，輸出編址的延遲最小。在無需增強本身計算能力的基礎上，控制器的響應行為得到顯著改善。

EtherCAT技術的原理具備擴展性，不束縛于100M帶寬 – 擴展至G兆位的以太網也是可能的。

EtherCAT 替代 PCI：

　　隨著PC組件小型化的加速發(fā)展，工業(yè)PC的體積主要取決于所需要的插槽數目。

　　高速以太網帶寬以及EtherCAT通訊硬件（EtherCAT從站控制器）數據帶寬的利用，開辟了新的應用可能性：通常位于IPC中的接口被轉移到EtherCAT系統中的智能化接口端子上。除分散式I/O、軸和控制單元外，現場總線主站、高速串行接口、網關和其它通訊接口等復雜系統可以通過PC上的一個以太網端口進行尋址。甚至對無協議變體限制的其它以太網設備也可通過分布式交換機端子進行連接。工業(yè)PC主機體積越來越小，成本也越來越低，一個以太網接口足以應對所有的通訊任務。

用以太網代替 PCI 現場總線設備（Profibus、CANOPEN、DeviceNet、AS-i 等）通過分布式現場總線主站端子進行集成。不使用現場總線主站節(jié)省了 PC 中的 PCI 插槽。

拓撲結構：

總線形、樹形或星型：EtherCAT支持幾乎所有拓撲結構。因此，源于現場總線的總線形結構也可用于以太網。將總線和分支結構相結合特別有助于系統布線。所的接口都位于耦合器上，無需使用附加交換機。當然，也可以使用傳統的基于交換機的星形以太網拓撲結構。

　　采用不同的傳輸電纜可以最大限度地發(fā)揮布線的靈活性。靈活而價格低廉的標準以太網插接電纜可通過以太網模式( 100baseTX )或通過E總線來傳輸信號。光纖( PFO )可以用于特殊的應用場合。以太網帶寬（如不同的光纜及銅纜）可以結合交換機或媒介轉換器使用。快速以太網的物理特性可以使設備之間的距離達到100米，而E-bus只能保障10米的間距?？焖僖蕴W或 E-bus 可以按照距離要求進行選擇。EtherCAT 系統最多可容納65535個設備，因此整個網絡規(guī)模幾乎是無限制的。

可自由選擇拓撲結構 | 布線上有最大的靈活性：是否使用交換機，是采用總線形拓撲結構，還是樹形拓樸結構，可任意選配組合。自動進行地址分配；無需設置 IP 地址。

分布式時鐘：

　　精確同步在廣泛要求同時動作的分布過程中顯得尤為重要，如幾個伺服軸在執(zhí)行同時聯動任務時。

　　分布時鐘的精確校準是同步的較有效解決方案。相反地，如果采用*同步，當通訊出現錯誤時，同步數據的品質將受到很大影響，在通訊系統中，分步式校準時鐘在某種程度上具備錯誤延遲的容錯性。在EtherCAT中，數據交換*基于純粹的硬件設備。由于通訊利用了邏輯環(huán)網結構和全雙工快速以太網而又有實際環(huán)網結構，“主站時鐘”可以簡單而精確地確定對每個“從站時鐘”的運行補償，反之亦然。分布時鐘基于該值進行調整，這意味著它可以在網絡范圍內提供信號抖動小于1微秒的、非常精確的時鐘基。

　　然而，高性能分布時鐘不僅用于同步，而且也可以提供數據采集時本地時間的精確信息。由于引進新的擴展數據類型，被測量值可被分配以非常精確的時間戳。

熱連接：

　　許多應用都需要在運行過程中改變I/O組態(tài)。例如，具備變更特性的處理中心，裝備傳感器的工具系統，智能化的傳輸設備，靈活的工件執(zhí)行器，及可單獨關閉印刷單元的印刷機等。EtherCAT系統考慮到了這些需求：“熱連接”功能可以將網絡的各個部分連在一起或斷開，或“動態(tài)”進行重新組態(tài)，從而針對變化的組態(tài)提供了靈活的響應能力。

高可用性：

　　可選的電纜冗余性可滿足日益增長的對提高系統可用性的需求，這樣無需關閉網絡就可以更換設備。

　　EtherCAT還支持帶熱待機功能的冗余主站。由于EtherCAT從站控制器在遇到中斷時立即將幀自動返回，設備故障不會導致整個網絡關閉。例如，可將電纜保護拖鏈特別配置為短棒的形式以防備斷線。

安全性：

　　安全功能一般是從自動化網絡、通過硬件或使用安全總線系統單獨實現的。由于有了TwinSAFE（BeckhoFF的安全技術），現在可以使用EtherCAT安全協議，在同一網絡上進行安全相關通訊和控制通訊。

　　該安全協議基于EtherCAT的應用層，不影響較低層。此安全協議已根據IEC61508進行了認證，可達到安全集成級別(SIL)3，在采取相關措施后甚至可達到SIL4。數據長度可以變化，使得該協議對安全I/O數據和安全驅動技術同樣適用。與其它EtherCAT數據一樣，安全數據無需使用安全路由器或網關就可得到路由。

診斷：

　　網絡的診斷能力對于增強網絡可用性和縮短調試時間（從而降低總成本）來說非常重要。只有當錯誤被快速而準確地檢測出，并且清楚地指明其所在位置時，錯誤才能被及時的排除。因此，在EtherCAT的研發(fā)過程中，特別注重典型的診斷特征。

　　在試運行期間，將使用的配置檢測I/O端子實際配置的連續(xù)性。拓撲結構也要與配置相匹配。因為有內置的拓撲結構識別，I/O可以在系統啟動時，或通過自動上裝配置時進行確認。

　　數據傳輸過程中的位錯誤可以通過有效的32位CRC校驗碼檢測到。除斷點檢測和定位外，通過EtherCAT系統協議，傳輸物理層和拓撲結構使得高品質監(jiān)控每個獨立的傳輸段成為現實。通過自動分析相關錯誤計數器，可以精確定位關鍵網絡部分?？蓹z測并定位EMC干擾、有缺陷的連接器或損壞的電纜等不斷變化的錯誤來源，即使它們尚未對網絡的自愈能力產生過度影響。

開放性：

　　EtherCAT技術不僅與以太網*兼容，而且還有特別的設計開放性特點：該協議可與其他提供各種服務的以太網協議并存，并且所有的協議都并存于同一物理介質中-通常只會對整個網絡性能有很小程度的影響。標準的以太網設備可通過交換機端子連接至一個EtherCAT系統，該端子并不會影響循環(huán)時間。配備傳統現場總線接口的設備可通過EtherCAT現場總線主站端子的連接集成到網絡中。UDP協議變體允許設備整合于任何插槽接口中。EtherCAT是一個*開放式協議，它已被認定為一個正式IEC規(guī)范(IEC/PAS62407)。

1 系統組成

現場總線控制系統主要由PC機、ISA或PCI總線智能適配器、智能測控模塊、組態(tài)軟件、HMI軟件、COM服務器、用戶軟件等構成。

現場總線系統中所有信息的傳遞都是雙向的，COM服務器介于智能適配器和上位機軟件之間，負責完成數據的傳輸。上位機軟件相當于客戶機端應用軟件，它使用COM服務器提供的接口來操作適配器，對適配器進行初始化及向特定單元寫入和讀出數據。

由于在Windows保護模式下不能直接訪問存儲器，所以需要編寫VxD驅動程序，將物理地址轉換成線性地址，然后COM就可以象使用DLL一樣調用VxD的函數，完成對ISA或PCI總線智能適配器的操作。

從測控模塊到上位機軟件自下而下的數據傳輸完成了用戶對測控模塊的監(jiān)測；而上層軟件通過COM將數據送往適配器，再由適配器送往測控模塊，實現了用戶對測控模塊工作參數的設置及工作狀態(tài)的管理。圖1給出了系統軟件結構框圖。

2 組態(tài)軟件的功能

現場總線控制系統組態(tài)軟件是一套基于Windows 98和Windows 2000平臺（或更高版本）、用于快速構造和生成上位機監(jiān)控系統的組成軟件，它提供了從數據采集到數據處理、遠程控制、報警處理、報表輸出等實際工程問題的完整解決方案。它使用COM服務器提供的接口與適配器進行數據交換，是COM客戶機端的程序。

3 COM組件技術

組件是完成一定功能的軟件塊，可以被其它程序使用，而且容易替換。為了使每個人編寫的組件具有可移植性，必須建立一個標準，保證其兼容性和可互換性。COM正是這樣一種標準，遵循COM規(guī)則就可以建立能夠相互交換數據的組件。

在現場總線控制系統中，COM組件服務器負責組態(tài)軟件等上位機軟件與智能適配器之間的數據傳輸，因為適配器通過CAN現場總線與測控模塊連接，所以對適配器的操作就是對模塊的監(jiān)測與控制。

COM服務器提供的接口中有適配器初始化、模塊檢查、向模塊發(fā)送數據及讀取模塊數據等函數。下面著重介紹數據發(fā)送接收模式及如何編寫這4個有代表性的函數。

3.1 適配器初始化函數

只有適配器初始化成功后，才能進行其它操作。由于在Windows保護模式下不能直接訪問適配器，COM程序需要調用VxD程序將存儲對應的物理地址轉換成線性地址指針lpBaseAddress，這樣對適配器的操作就轉換成對以該指針為首地址的數組的操作。向這個數組的0x3F0、0x3F1和0x3F8單元分別寫入上閏機節(jié)點號以及適配器與模塊間的通信波特率和適配器程序規(guī)定的命令字0xC6（表示適配器初始化），等待幾十ms后，如果適配器接收到上面的數據并做出適當的反應，它會將0x3F8單元清零，這就表示初始化適配器成功；如果該單元不為零，則初始化失敗。

3.2 數據傳輸格式

適配器初始化成功后，就可以同它交換數據了。下而簡單說明一下發(fā)送數據和接收數據的格式。

適配器初始化得到的線性地址指針lpBaseAddress的1～5單元分別存放上位機節(jié)點號、模塊節(jié)點號、保留字、發(fā)送或接收字節(jié)長度及模塊操作的命令字。lpBaseAddress[6]～lpBaseAddress[256]存放所要發(fā)送的數據；從lpBaseAddress[0x106]單元開始存放接收到的數據，lpBaseAddress[0x3F8]存放操作適配器的命令字，適配器根據這個單元內容進行處理，如果是0xC6，則初始化適配器和模塊上的CAN控制器；如果是0xC7，則將數組里的數送給模塊上的E2PROM，模塊收到數據后根據lpBaseAddress[5]的命令字進行相應處理；如果是0xB0，則按照接收到的數據配置模塊工作狀態(tài)；如果是0xA5，則將此時的測量值送到適配器上，由COM程序讀出。

3.3 模塊檢查函數

適配器初始化成功后，還要檢查適配器與下面的測控模塊是否連接好，或者是否存在組態(tài)軟件要組態(tài)的模塊，也就是要進行模塊檢查操作。模塊檢查的命令字是0xAD，向數組的1～5單元分別寫入上位機節(jié)點號、模塊節(jié)點號、保留字、發(fā)送數據長度和模塊檢查命令字0xAD，向0x3F8單元寫入0xC7（表示向適配器寫入數據），等待幾十ms后，如果0x3F8單元清零而且0x100單元被置為0xAA，表示該模塊存在而且可以通信；否則，表明該模塊不存在或者硬件上有問題。

3.4 寫適配器數據函數

在確定了網絡中存在哪些可通信的模塊之后，就可以向它們發(fā)送數據并進行配置。為了實現向適配器發(fā)送數據，總共編寫了4個函數、SendData（[in]BYTE SendBuf[256]）、SendFinish（[in]BOOL bFinish）、FinishQuery（[out]BOOL＊bFinish）和ReceiveResult（[out]BOOL ＊bSendFinish）。SendData負責把一個模塊所需要發(fā)送的數據以數組的形式放到服務器的一個二維數組（Room[64][256]）里，每個模塊的數據作為一行。由于向適配器發(fā)送數據后，要等待一段時間判斷模塊是否接收成功，所以SendFinish中開啟輔助線程來發(fā)送數據并等待結果，這相可不占用COM主程序的時間，使客戶調用接口函數后能立即返回，執(zhí)行其它操作。FinishQuery查詢數據發(fā)送是否結束。ReceiveResult彈出一個非模式對話框，顯示哪些模塊接收到數據，哪些沒有。

3.5 讀適配器數據函數

除了向適配器發(fā)送數據，還可以從適配器上讀取模塊傳上來的數據。讀取數據的命令字是0xA5。實現該任務的函數是GetPV（[in]BYTE bDesNode，[out]float value[8]），*個參數是模塊節(jié)點號，第二個參數是返回的測量值數組。

這里，COM是用ATL編寫的本地服務器，COM對象的線程是套間線程。接口定義了6個函數，COM程序流程圖如圖2所示。

變頻器是將工頻電源轉換成任意頻率、任意電壓交流電源的一種電氣設備，變頻器的使用主要是調整電機的功率、實現電機的變速運行。變頻器的組成主要包括控制電路和主電路兩個部分，其中主電路還包括整流器和逆變器等部件。

　　變頻器的工作原理是通過控制電路來控制主電路，主電路中的整流器將交流電轉變?yōu)橹绷麟姡绷髦虚g電路將直流電進行平滑濾波，逆變器最后將直流電再轉換為所需頻率和電壓的交流電，部分變頻器還會在電路內加入CPU等部件，來進行必要的轉矩運算。

　　變頻器的誕生源于交流電機對無級調速的需求，隨著晶閘管、靜電感應晶體管、耐高壓絕緣柵雙極型晶閘管等部件的出現，電氣技術有了日新月異的變化，變頻器調速技術也隨之發(fā)展，特別脈寬調制變壓變頻調速技術更是讓變頻器登上了新的臺階。

　　變頻器的工頻電源一般是50Hz或60Hz，無論是在家用領域或生產領域，工頻電源的頻率和電壓都是恒定不變的。以工頻電源工作的電機在調速時可能會造成功率的下降，而通過變頻器的調整，電機在調速時就可以減少功率損失。