BECKHOFF倍福模块ES3042​                        

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​

 结构

坚固的外壳、安全可靠的触点和性能稳定的电子元件是 Beckhoff 公司组件的显著特点。一个 I/O 站由一个 EtherCAT 耦合器和几乎任何数量的端子模块构成。EtherCAT 系统zui多可容纳 65535 个设备，因此整个网络规模几乎是无限制的。

电子端子模块与 EtherCAT 耦合器直接相连。端子模块间采取直接插入的连接方式，无需其它操作。这意味着每一个电子端子模块都可被独立替换。这些端子模块可以安装在标准的 DIN 导轨上。除了水平安装方式外，也可采取其它安装方式。.

与 Beckhoff 总线端子模块一样，EtherCAT 端子模块外部轮廓*的与端子模块外壳的尺寸匹配。一个带 LED 的清晰排列的连接面板显示状态和可抽拉的触点标签，以确保在现场区分清楚。3 线制连接方式带有一个额外的保护导体接口，可以直接连接传感器和执行器。

信号混合不受限制

相对应的 EtherCAT 端子模块适用于自动化领域内任何常用的数字量和模拟量信号类型。传统的现场总线设备（如 PROFIBUS、CANopen 或 DeviceNet）都可通过本地现场总线主/从端子模块被轻松集成入 EtherCAT 系统。免除了在 PC 的 PCI 插槽上增加现场总线主站卡。通过交换机端子模块可在本地集成任何一台以太网设备。

EtherCAT 端子模块对通道数作了细分，使所需的 I/O 通道达到位精度。数字量 EtherCAT 端子模块设计为 2、4 或 8 通道。针对标准的模拟量信号 ±10V，0…10V，0…20mA 及 4…20mA 可提供 1、2、4、8 通道型号的总线端子模块，其外壳均为标准型号。

灵活的连接系统

EtherCAT 端子模块系统提供了不同的连接方式，可以适应各个具体应用场合。ELxxxx 系列的 EtherCAT 端子模块的外壳中包含各种电子元件和连接层。ESxxxx 系列的 EtherCAT 端子模块带一个可插拔连接层。在维修时，可以从机箱顶部将 ES 系列总线端子模块中作为插拔式连接器的整个线路拆卸下来。

目前有多种用于提供实时能力的以太网方案： 例如，通过较高级的协议层禁止 CSMA/CD 存取过程，并使用时间分片或轮询技术来取代它。其它方案使用交换机，并采用精确的时间控制方式分配以太网报文。尽管这些解决方案能够比较快和准确地将数据包传送到所连接的以太网节点，但带宽的利用率却很低，特别是对于典型的自动化设备，因为即使是对于非常小的数据量，也必须要发送一个完整的以太网帧。而且，重新定向到输出或驱动控制器以及读取输入数据所需的时间主要取决于执行方式。通常也需要使用一条子总线，特别是在模块化 I/O 系统中，这些系统与 Beckhoff K-bus 一样，通过同步子总线系统加快传输速度，尽管如此，这样的同步还是无法避免通讯总线传输的延迟。

通过采用 EtherCAT 技术，Beckhoff 突破了其它以太网解决方案的这些系统限制： 不必再像从前那样在每个连接点接收以太网数据包，然后进行解码并复制过程数据。当帧通过每一个设备（直达 I/O 端子模块）时，EtherCAT 从站控制器读取与该设备相关的数据。同样，输入数据可以飞速插入至数据流中。帧被传递（仅被延迟几位）过去的时候，从站会识别出相关命令，并进行相应处理。此过程是在从站控制器中通过硬件实现的，因此与协议堆栈软件的 Run-Time 系统或处理器性能无关。网段中的zui后一个 EtherCAT 从站将经过充分处理的报文发回，这样该报文就作为一种响应报文由*个从站返回到主站。

从以太网的角度看，Ether¬CAT 总线网段是一个可接收和发送以太网帧的大型以太网设备。但是，该“设备“不包含带下游微处理器的单个以太网控制器，而只包含大量的 EtherCAT 从站。与其它任何以太网设备一样，EtherCAT 不需要通过交换机就可以建立通讯，因而产生一个纯粹的 EtherCAT 系统。

以太网直达端子模块

以太网系统直达系统中的每个设备，即直达每个 I/O 端子模块；无需使用子总线。只需将耦合器的传输介质由双绞线（100BASE-TX）转换为 E-bus 总线即可满足电子端子排的要求。端子排内的 E-bus 信号类型（LVDS）并不是的，它还可用于 10 千兆位以太网。在端子排末端，物理总线特性被转换回 100BASE-TX 标准。

标准以太网 MAC 或便宜的标准网卡（NIC）足以作为控制器中的硬件使用。DMA（直接存储器存取）用于将数据传输到 PC。这意味着网络访问对 CPU 性能没有影响。在 Beckhoff 多端口卡中运用了相同的原理，它在一个 PCI 插槽中捆绑zui多 4 个以太网通道。

协议

EtherCAT 协议针对过程数据进行了优化，它被直接传送到以太网帧，或被压缩到 UDP/IP 报文中。UDP 协议在其它子网中的 EtherCAT 网段由路由器进行寻址的情况下使用。以太网帧可能包含若干个 EtherCAT 报文，每个报文专门用于特定存储区域，该存储区域可编制大小达 4GB 的逻辑过程镜像。由于数据链独立于网络中 EtherCAT 端子模块的物理顺序；可进行任意寻址。从站之间可进行广播、多点传送和通讯。

该协议还可处理通常为非循环的参数通讯。参数的结构和含义通过 CANopen 设备行规进行设定，这些设备行规用于各种设备类别和应用。EtherCAT 还支持符合 IEC61491 标准的从属行规。该行规以 SERCOS 命名，获得运动控制应用领域的普遍认可。

除了符合主站/从站原理的数据交换外，EtherCAT 还非常适用于控制器之间（主站/主站）的通讯。可自由寻址的过程数据网络变量以及各种参数化、诊断、编程和远程控制服务，可以满足众多要求。用于主站/从站和主站/主站通讯的数据接口是相同的。

性能

EtherCAT 在网络性能上达到了一个新的高度。1000 个分布式 I/O 数据的刷新时间仅为 30μs － 其中包括端子模块周期时间。通过一个以太网帧，可以交换高达 1486 字节的过程数据，几乎相当于 12000 个数字量 I/O。而这一数据量的传输仅用 300 μs。

与 100 个伺服轴的通讯只需 100 μs。在此期间，可以向所有轴提供设置值和控制数据，并报告它们的实际位置和状态。分布式时钟技术保证了这些轴之间的同步抖动小于 1 微秒。

利用 EtherCAT 技术的优异性能，可以实现用传统现场总线系统所无法实现的控制方法。这样，通过总线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现在可在软件中加以映射。巨大的带宽资源使状态数据与任何数据可并行传输。EtherCAT 技术使得通讯技术与现代高性能的工业 PC 相匹配。总线系统不再是控制理念的“瓶颈”。分布式 I/O 的数据传递超过了只能由本地 I/O 接口才能实现的性能。

这种网络性能优势在有相对中等计算能力的小型控制器中较为明显。EtherCAT 循环速度如此之快，使得它可以在两个控制周期之间完成。因此，控制器总有可用的输入数据，输出编址的延迟zui小。在无需增强本身计算能力的基础上，控制器的响应行为得到显著改善。

EtherCAT 技术的原理具备扩展性，不束缚于 100M 带宽 – 扩展至 Gbit 的以太网也是可能的。

EtherCAT 替代 PCI

随着 PC 组件小型化的加速发展，工业 PC 的体积主要取决于所需要的插槽数目。高速以太网带宽以及 EtherCAT 通讯硬件（EtherCAT 从站控制器）数据带宽的利用，开辟了新的应用可能性： 通常位于工业 PC 中的接口被转移到 EtherCAT 系统中的智能化接口端子模块上。除分布式 I/O、轴和控制单元外，现场总线主站、高速串行接口、网关及其它通讯接口等复杂系统可以通过 PC 上的一个以太网端口进行寻址。甚至对无协议变体限制的其它以太网设备也可通过分布式交换机端子模块进行连接。工业 PC 主机体积越来越小，成本也越来越低，一个以太网接口足以应对所有的通讯任务。

拓扑结构

总线形、树形或星型： EtherCAT 支持几乎所有拓扑结构。因此，源于现场总线的总线形结构也可用于以太网。将总线和分支结构相结合特别有助于系统布线。所需的接口都位于耦合器上，无需使用附加交换机。当然，也可以使用传统的基于交换机的星型以太网拓扑结构。

选用不同的传输电缆可以zui大限度地发挥布线的灵活性。灵活而价格低廉的标准以太网插接电缆可通过以太网模式（100baseTX）或通过 E-bus 来传输信号，两台设备之间的距离zui远可达 100 m。以太网带宽（如不同的光缆及铜缆）可以结合交换机或媒介转换器使用。对于每种电缆间距，信号变量可以单独选择。EtherCAT 系统zui多可容纳 65535 个设备，因此整个网络规模几乎是无限制的。

分布式时钟

精确同步在广泛要求同时动作的分布过程中显得尤为重要，如几个伺服轴在执行同时联动任务时。

分布时钟的精确校准是同步的zui有效解决方案。相反地，如果采用*同步，当通讯出现错误时，同步数据的品质将受到很大影响，在通讯系统中，分步式校准时钟在某种程度上具备错误延迟的容错性。在 EtherCAT 中，数据交换*基于纯粹的硬件设备。由于通讯利用了逻辑环网结构和全双工快速以太网而又有实际环网结构，“主站时钟”可以简单而精确地确定对每个“从站时钟”的运行补偿，反之亦然。分布时钟基于该值进行调整，这意味着它可以在网络范围内提供信号抖动小于 1 微秒的、非常精确的时钟基。

然而，高分辨率分布时钟不仅可用于同步，而且也可以提供数据采集时本地时间的精确信息。由于引进新的扩展数据类型，被测量值可被分配以非常精确的时间戳。