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SIEMENS  CPU模塊系列技術(shù)參數(shù)

通過采用 EtherCAT 技術(shù)， BeckhoFF 突破了其它以太網(wǎng)解決方案的這些系統(tǒng)限制：不必再像從前那樣在每個連接點接收以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包，然后進行解碼并復制為過程數(shù)據(jù)。當幀通過每一個設(shè)備（包括底層端子設(shè)備）時，EtherCAT從站控制器讀取對于該設(shè)備十分重要的數(shù)據(jù)。同樣，輸入數(shù)據(jù)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(guān)命令，并進行處理。此過程是在從站控制器中通過硬件實現(xiàn)的，因此與協(xié)議堆棧軟件的實時運行系統(tǒng)或處理器性能無關(guān)。網(wǎng)段中的最后一個EtherCAT從站將經(jīng)過充分處理的報文返回，這樣該報文就作為一個響應(yīng)報文由*個從站返回到主站。

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

端子實現(xiàn)以太網(wǎng)：

　　系統(tǒng)的每個設(shè)備都保證使用完整的以太網(wǎng)協(xié)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(zhì)由雙絞線（100baseTX）轉(zhuǎn)換為E總線即可滿足電子端子排的要求。端子排內(nèi)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(wǎng)。在端子排末端，物理總線特性被轉(zhuǎn)換回 100baseTX 標準。

　　標準以太網(wǎng)MAC或便宜的標準網(wǎng)卡（NIC）足以作為控制器中的硬件使用。DMA（直接存儲器存取）用于將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C。這意味著網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)通道。

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

協(xié)議：

　　EtherCAT 協(xié)議針對過程數(shù)據(jù)進行了優(yōu)化，它被直接傳送到以太網(wǎng)幀，或被壓縮到 UDP/IP 數(shù)據(jù)報文中。 UDP 協(xié)議在其它子網(wǎng)中的 EtherCAT 網(wǎng)段由路由器進行尋址的情況下使用。以太網(wǎng)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(shù)據(jù)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(xié)議還可處理通常為非循環(huán)的參數(shù)通訊。參數(shù)的結(jié)構(gòu)和含義通過 CANOPEN設(shè)備行規(guī)進行設(shè)定，這些設(shè)備行規(guī)用于多種設(shè)備類別和應(yīng)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(yīng)用領(lǐng)域普遍認可。

　　除了符合主站/從站原理的數(shù)據(jù)交換外，EtherCAT還非常適用于控制器之間（主站/主站）的通訊。可自由編址的過程數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)變量以及各種參數(shù)化、診斷、編程和遠程控制服務(wù)，可以滿足眾多要求。用于主站/從站和主站/主站通訊的數(shù)據(jù)接口是相同的。

FMMU: 報文處理*在硬件中進行

性能：

　　EtherCAT在網(wǎng)絡(luò)性能上達到了一個新的高度。1000個分布式I/O數(shù)據(jù)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(wǎng)幀，可以交換高達1486字節(jié)的過程數(shù)據(jù)，幾乎相當于12000個數(shù)字量I/O。而這一數(shù)據(jù)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(shè)置值和控制數(shù)據(jù)，并報告它們的實際位置和狀態(tài)。分布式時鐘技術(shù)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(shù)的優(yōu)異性能，可以實現(xiàn)用傳統(tǒng)現(xiàn)場總線系統(tǒng)所無法實現(xiàn)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(xiàn)在可在軟件中加以映射。巨大的帶寬資源使狀態(tài)數(shù)據(jù)與任何數(shù)據(jù)可并行傳輸。EtherCAT技術(shù)使得通訊技術(shù)與現(xiàn)代高性能的工業(yè)PC相匹配。總線系統(tǒng)不再是控制理念的瓶頸。分布式I/O的數(shù)據(jù)傳遞超過了只能由本地I/O接口才能實現(xiàn)的性能。

　　這種網(wǎng)絡(luò)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(shù)據(jù)，輸出編址的延遲最小。在無需增強本身計算能力的基礎(chǔ)上，控制器的響應(yīng)行為得到顯著改善。

EtherCAT技術(shù)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(wǎng)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(shù)目。

　　高速以太網(wǎng)帶寬以及EtherCAT通訊硬件（EtherCAT從站控制器）數(shù)據(jù)帶寬的利用，開辟了新的應(yīng)用可能性：通常位于IPC中的接口被轉(zhuǎn)移到EtherCAT系統(tǒng)中的智能化接口端子上。除分散式I/O、軸和控制單元外，現(xiàn)場總線主站、高速串行接口、網(wǎng)關(guān)和其它通訊接口等復雜系統(tǒng)可以通過PC上的一個以太網(wǎng)端口進行尋址。甚至對無協(xié)議變體限制的其它以太網(wǎng)設(shè)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(wǎng)接口足以應(yīng)對所有的通訊任務(wù)。

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

拓撲結(jié)構(gòu)：

總線形、樹形或星型：EtherCAT支持幾乎所有拓撲結(jié)構(gòu)。因此，源于現(xiàn)場總線的總線形結(jié)構(gòu)也可用于以太網(wǎng)。將總線和分支結(jié)構(gòu)相結(jié)合特別有助于系統(tǒng)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(tǒng)的基于交換機的星形以太網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)。

　　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(wǎng)插接電纜可通過以太網(wǎng)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(yīng)用場合。以太網(wǎng)帶寬（如不同的光纜及銅纜）可以結(jié)合交換機或媒介轉(zhuǎn)換器使用?？焖僖蕴W(wǎng)的物理特性可以使設(shè)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(wǎng)或 E-bus 可以按照距離要求進行選擇。EtherCAT 系統(tǒng)最多可容納65535個設(shè)備，因此整個網(wǎng)絡(luò)規(guī)模幾乎是無限制的。

可自由選擇拓撲結(jié)構(gòu) | 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(jié)構(gòu)，還是樹形拓樸結(jié)構(gòu)，可任意選配組合。自動進行地址分配；無需設(shè)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(lián)動任務(wù)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(xiàn)錯誤時，同步數(shù)據(jù)的品質(zhì)將受到很大影響，在通訊系統(tǒng)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(shù)據(jù)交換*基于純粹的硬件設(shè)備。由于通訊利用了邏輯環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)和全雙工快速以太網(wǎng)而又有實際環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，“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(diào)整，這意味著它可以在網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)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(shù)據(jù)采集時本地時間的精確信息。由于引進新的擴展數(shù)據(jù)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(yīng)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(tǒng)，智能化的傳輸設(shè)備，靈活的工件執(zhí)行器，及可單獨關(guān)閉印刷單元的印刷機等。EtherCAT系統(tǒng)考慮到了這些需求：“熱連接”功能可以將網(wǎng)絡(luò)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(yīng)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(tǒng)可用性的需求，這樣無需關(guān)閉網(wǎng)絡(luò)就可以更換設(shè)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(shè)備故障不會導致整個網(wǎng)絡(luò)關(guān)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(wǎng)絡(luò)、通過硬件或使用安全總線系統(tǒng)單獨實現(xiàn)的。由于有了TwinSAFE（BeckhoFF的安全技術(shù)），現(xiàn)在可以使用EtherCAT安全協(xié)議，在同一網(wǎng)絡(luò)上進行安全相關(guān)通訊和控制通訊。

　　該安全協(xié)議基于EtherCAT的應(yīng)用層，不影響較低層。此安全協(xié)議已根據(jù)IEC61508進行了認證，可達到安全集成級別(SIL)3，在采取相關(guān)措施后甚至可達到SIL4。數(shù)據(jù)長度可以變化，使得該協(xié)議對安全I/O數(shù)據(jù)和安全驅(qū)動技術(shù)同樣適用。與其它EtherCAT數(shù)據(jù)一樣，安全數(shù)據(jù)無需使用安全路由器或網(wǎng)關(guān)就可得到路由。

診斷：

　　網(wǎng)絡(luò)的診斷能力對于增強網(wǎng)絡(luò)可用性和縮短調(diào)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(jié)構(gòu)也要與配置相匹配。因為有內(nèi)置的拓撲結(jié)構(gòu)識別，I/O可以在系統(tǒng)啟動時，或通過自動上裝配置時進行確認。

　　數(shù)據(jù)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(tǒng)協(xié)議，傳輸物理層和拓撲結(jié)構(gòu)使得高品質(zhì)監(jiān)控每個獨立的傳輸段成為現(xiàn)實。通過自動分析相關(guān)錯誤計數(shù)器，可以精確定位關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)的自愈能力產(chǎn)生過度影響。

開放性：

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

1 系統(tǒng)組成

現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)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(wù)器、用戶軟件等構(gòu)成。

現(xiàn)場總線系統(tǒng)中所有信息的傳遞都是雙向的，COM服務(wù)器介于智能適配器和上位機軟件之間，負責完成數(shù)據(jù)的傳輸。上位機軟件相當于客戶機端應(yīng)用軟件，它使用COM服務(wù)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(shù)據(jù)。

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(qū)動程序，將物理地址轉(zhuǎn)換成線性地址，然后COM就可以象使用DLL一樣調(diào)用VxD的函數(shù)，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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)送往適配器，再由適配器送往測控模塊，實現(xiàn)了用戶對測控模塊工作參數(shù)的設(shè)置及工作狀態(tài)的管理。圖1給出了系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)框圖。

2 組態(tài)軟件的功能

現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)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(gòu)造和生成上位機監(jiān)控系統(tǒng)的組成軟件，它提供了從數(shù)據(jù)采集到數(shù)據(jù)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(wù)器提供的接口與適配器進行數(shù)據(jù)交換，是COM客戶機端的程序。

3 COM組件技術(shù)

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(shù)據(jù)的組件。

在現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)中，COM組件服務(wù)器負責組態(tài)軟件等上位機軟件與智能適配器之間的數(shù)據(jù)傳輸，因為適配器通過CAN現(xiàn)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(wù)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(shù)據(jù)及讀取模塊數(shù)據(jù)等函數(shù)。下面著重介紹數(shù)據(jù)發(fā)送接收模式及如何編寫這4個有代表性的函數(shù)。

3.1 適配器初始化函數(shù)

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(diào)用VxD程序?qū)⒋鎯?yīng)的物理地址轉(zhuǎn)換成線性地址指針lpBaseAddress，這樣對適配器的操作就轉(zhuǎn)換成對以該指針為首地址的數(shù)組的操作。向這個數(shù)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(shù)據(jù)并做出適當?shù)姆磻?yīng)，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(shù)據(jù)傳輸格式

適配器初始化成功后，就可以同它交換數(shù)據(jù)了。下而簡單說明一下發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)；從lpBaseAddress[0x106]單元開始存放接收到的數(shù)據(jù)，lpBaseAddress[0x3F8]存放操作適配器的命令字，適配器根據(jù)這個單元內(nèi)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(shù)組里的數(shù)送給模塊上的E2PROM，模塊收到數(shù)據(jù)后根據(jù)lpBaseAddress[5]的命令字進行相應(yīng)處理；如果是0xB0，則按照接收到的數(shù)據(jù)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(shù)

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(shù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)），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(shù)據(jù)函數(shù)

在確定了網(wǎng)絡(luò)中存在哪些可通信的模塊之后，就可以向它們發(fā)送數(shù)據(jù)并進行配置。為了實現(xiàn)向適配器發(fā)送數(shù)據(jù)，總共編寫了4個函數(shù)、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(shù)據(jù)以數(shù)組的形式放到服務(wù)器的一個二維數(shù)組（Room[64][256]）里，每個模塊的數(shù)據(jù)作為一行。由于向適配器發(fā)送數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)并等待結(jié)果，這相可不占用COM主程序的時間，使客戶調(diào)用接口函數(shù)后能立即返回，執(zhí)行其它操作。FinishQuery查詢數(shù)據(jù)發(fā)送是否結(jié)束。ReceiveResult彈出一個非模式對話框，顯示哪些模塊接收到數(shù)據(jù)，哪些沒有。

3.5 讀適配器數(shù)據(jù)函數(shù)

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

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

變頻器是將工頻電源轉(zhuǎn)換成任意頻率、任意電壓交流電源的一種電氣設(shè)備，變頻器的使用主要是調(diào)整電機的功率、實現(xiàn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換為所需頻率和電壓的交流電，部分變頻器還會在電路內(nèi)加入CPU等部件，來進行必要的轉(zhuǎn)矩運算。

　　變頻器的誕生源于交流電機對無級調(diào)速的需求，隨著晶閘管、靜電感應(yīng)晶體管、耐高壓絕緣柵雙極型晶閘管等部件的出現(xiàn)，電氣技術(shù)有了日新月異的變化，變頻器調(diào)速技術(shù)也隨之發(fā)展，特別脈寬調(diào)制變壓變頻調(diào)速技術(shù)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(lǐng)域或生產(chǎn)領(lǐng)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(diào)速時可能會造成功率的下降，而通過變頻器的調(diào)整，電機在調(diào)速時就可以減少功率損失。