近期編者發(fā)現(xiàn)，在網(wǎng)絡(luò)上流傳的某些比較各種工業(yè)以太網(wǎng)通訊技術(shù)的文章中,，針對(duì)EtherCAT部分的描述有誤,，在此希望ETG對(duì)相應(yīng)錯(cuò)誤部分給予糾正，防止讀者被誤導(dǎo),。此外,，針對(duì)該文章中指出的TSN技術(shù)適用于現(xiàn)場(chǎng)層的應(yīng)用的觀點(diǎn)，我們借此機(jī)會(huì)給予我們的解讀。
以某一家現(xiàn)場(chǎng)總線組織為名的關(guān)于多家工業(yè)以太網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)總線的對(duì)比只是站在某一種總線角度進(jìn)行技術(shù)比較,，對(duì)于廣大用戶來(lái)說(shuō)并不具有代表性和權(quán)威性,，且因其對(duì)EtherCAT技術(shù)了解的片面性，文章中在技術(shù)層面出現(xiàn)很多錯(cuò)誤,，為工業(yè)以太網(wǎng)用戶帶來(lái)諸多困擾,。
我們?cè)诖肆信e了以下技術(shù)錯(cuò)誤并進(jìn)行了相應(yīng)的糾正，以幫助用戶正確理解工業(yè)以太網(wǎng)以及EtherCAT技術(shù),。
錯(cuò)誤一
關(guān)于主流通訊協(xié)議的循環(huán)周期比較
按照?qǐng)D示中關(guān)于EtherCAT的參數(shù)：70多個(gè)節(jié)點(diǎn),，100個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)量，循環(huán)周期要超過(guò)1700微秒,。
實(shí)際中采用硬件測(cè)試過(guò)的EtherCAT性能
1000個(gè)開(kāi)關(guān)量分布在100個(gè)節(jié)點(diǎn)上,，循環(huán)周期為30微秒
100個(gè)伺服軸，每個(gè)軸8字節(jié)的輸入/輸出數(shù)據(jù),，循環(huán)周期為100微秒
EtherCAT與其他千兆以太網(wǎng)及TSN性能比較
上圖中所示,，與其他的基于千兆以太網(wǎng)的總線技術(shù)與TSN比較，EtherCAT的真實(shí)性能應(yīng)該如圖中最底層的平面（藍(lán)色平面）所示,。顯然,，EtherCAT的性能明顯優(yōu)于其他的技術(shù)。
錯(cuò)誤二
關(guān)于EtherCAT循環(huán)周期時(shí)間的計(jì)算公式
正確的EtherCAT系統(tǒng)
最小循環(huán)周期公式
對(duì)于通常的EtherCAT系統(tǒng)中含有的三類設(shè)備：輸入設(shè)備,、輸出設(shè)備,、輸入輸出混合設(shè)備。對(duì)于含有以上三類設(shè)備的EtherCAT系統(tǒng)的最小循環(huán)周期公式應(yīng)為：
τ= 8（40 + max（44, 4 ×（x+12）））/C
說(shuō)明： EtherCAT協(xié)議定義數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu),，可以將數(shù)據(jù)報(bào)文分成多個(gè)子報(bào)文,，每個(gè)子報(bào)文可以對(duì)應(yīng)一個(gè)到多個(gè)從站。一般情況下子報(bào)文都是對(duì)應(yīng)同類的一系列設(shè)備,，例如所有輸入模塊對(duì)應(yīng)一個(gè)子報(bào)文,，所有輸出模塊對(duì)應(yīng)一個(gè)子報(bào)文，所有輸入輸出的模塊對(duì)應(yīng)一個(gè)子報(bào)文,。這樣如果系統(tǒng)中以上三類設(shè)備,，外加一個(gè)用于監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)機(jī)的廣博子報(bào)文后，公式應(yīng)該是4×（x+12）,。文中提到的是將每一個(gè)從站都對(duì)應(yīng)一個(gè)子報(bào)文,，這不是必須的，絕大多數(shù)情況都不會(huì)使用到這種極限方式,。
錯(cuò)誤三
公式后的錯(cuò)誤說(shuō)明
“這里介紹的所有方程都是假設(shè)了簡(jiǎn)單的情況,，其中輸入和輸出數(shù)據(jù)量相等，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為完美的總線型,。然而在實(shí)際應(yīng)用中,，這種比較取決于許多其他參數(shù)：
輸入數(shù)據(jù)與輸出數(shù)據(jù)的比率
具有直接交叉通信的設(shè)備的百分比
利用不同的循環(huán)周期
拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（總線型,、星型、環(huán)型）,，以及設(shè)備之間的跳數(shù)
帶有自己背板總線的模塊化I/O的可用性”
關(guān)于EtherCAT性能的準(zhǔn)確說(shuō)明
EtherCAT的性能有很好的確定性,，對(duì)于確定了節(jié)點(diǎn)數(shù)和負(fù)載的應(yīng)用，就有確定的EtherCAT系統(tǒng)性能,，而無(wú)需考慮其他不必要的因素。
EtheCAT與輸入數(shù)據(jù)與輸出數(shù)據(jù)的比率無(wú)關(guān),。EtherCAT系統(tǒng)性能與傳輸時(shí)間和總數(shù)據(jù)量有關(guān),，而不是數(shù)據(jù)量中輸入輸出數(shù)據(jù)的比率。
EtheCAT性能與直接交叉通信的設(shè)備的百分比無(wú)關(guān),。EtherCAT從站物理層選擇交叉索引自適應(yīng)的PHY,，所以和“直接交叉通信的設(shè)備的百分比”無(wú)關(guān)，并且系統(tǒng)中無(wú)需全雙工的交換機(jī)及半雙工的HUB設(shè)備,。
EtherCAT性能受不同的循環(huán)周期的影響,，但這種方式是指主站可以優(yōu)化報(bào)文，不同類型的設(shè)備根據(jù)不同的任務(wù)周期發(fā)送數(shù)據(jù),，從而釋放主站的性能,。
EtherCAT支持多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（總線型、星型,、環(huán)型,、樹(shù)型、線型）,，且性能和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)無(wú)關(guān),。而且不涉及設(shè)備之間的跳數(shù)的問(wèn)題，不存在這方面影響,。
EtherCAT是一網(wǎng)到底,，沒(méi)有背板總線，因此不存在背板總線的影響,。
關(guān)于TSN和EtherCAT
TSN的用武之地在于異構(gòu)性網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性數(shù)據(jù)交換,，而在現(xiàn)場(chǎng)總線層的應(yīng)用中，TSN不會(huì)替代EtherCAT,。
TSN是Time Sensitive Networking（時(shí)間敏感性網(wǎng)絡(luò)）的縮寫(xiě),，是一個(gè)IEEE橋接（“交換技術(shù)”）的工作組的項(xiàng)目。因?yàn)閭鹘y(tǒng)的基于“Best effort”方式對(duì)普通以太網(wǎng)的應(yīng)用不能夠滿足廣泛的實(shí)時(shí)性需求（例如在音頻/視頻和廣泛的IT通信與EtherCAT系統(tǒng)通訊）,，所以該工作組旨在通過(guò)確定性的研究提升以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)性,。
它有如下特點(diǎn)：
●在IEEE802.1規(guī)范中，數(shù)據(jù)幀被盡可能快的轉(zhuǎn)發(fā),，避免阻塞,。
● 一部分帶寬被預(yù)留為“Stream”（數(shù)據(jù)高速通道），用于傳輸對(duì)時(shí)間要求更高的通訊。
●剩余的帶寬用于普通的數(shù)據(jù)傳輸（“延遲通道”）,。
從上圖中可見(jiàn),，實(shí)時(shí)性是通過(guò)在TSN中建立數(shù)據(jù)高速通道實(shí)現(xiàn)的。那么,，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)層的數(shù)據(jù)通訊,，通常是節(jié)點(diǎn)數(shù)眾多，響應(yīng)要求快,，周期性循環(huán)的通訊,，如果直接通過(guò)TSN連接帶有n個(gè)節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)，就要求建立n個(gè)數(shù)據(jù)高速通道,。這顯然會(huì)影響其他類型的數(shù)據(jù)通訊,，并且在網(wǎng)絡(luò)配置方面也是不切實(shí)際的。
TSN真正的用意在于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的搭建,。在未來(lái)的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)或者泛工業(yè)的應(yīng)用中,，同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)需要集成不同類型的設(shè)備、不同類型的通訊,，這些通訊設(shè)備之間需要進(jìn)行實(shí)時(shí)性交互時(shí),，正是TSN的用武之地。TSN通過(guò)對(duì)TSN交換機(jī)的配置鏈接不同的設(shè)備或者網(wǎng)段,，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)交互,。
這種實(shí)時(shí)性通過(guò)TSN配置給每個(gè)網(wǎng)段或者設(shè)備的“數(shù)據(jù)高速通道”實(shí)現(xiàn)。因此,，TSN嵌入在IEEE 802技術(shù)中有助于協(xié)調(diào)通信,，它會(huì)消除一些不必要的沖突，但不會(huì)改變基本規(guī)則,。TSN的兩個(gè)主要性能缺陷是無(wú)法改變的,，即針對(duì)小數(shù)據(jù)量的以太網(wǎng)幀處理效率以及復(fù)雜且耗時(shí)的轉(zhuǎn)發(fā)進(jìn)程。
在對(duì)于機(jī)器的控制中,，EtherCAT在典型的IO網(wǎng)段的性能比TSN高出近十倍,。EtherCAT作為當(dāng)今最快速的工業(yè)以太網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)總線可以和TSN技術(shù)完美結(jié)合。
如上圖所示,，在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中涉及到機(jī)器控制（多節(jié)點(diǎn),、高速響應(yīng)、硬實(shí)時(shí)性要求）采用EtherCAT網(wǎng)段,，每一個(gè)EtherCAT網(wǎng)段（含有多個(gè)EtherCAT節(jié)點(diǎn)設(shè)備）通過(guò)TSN交換機(jī)建立的一個(gè)高速數(shù)據(jù)通道與主站相連,。
這種用法非常高效，基于共享幀方式的EtherCAT由于網(wǎng)絡(luò)中多個(gè)從站設(shè)備的數(shù)據(jù)可以在同一個(gè)數(shù)據(jù)幀中傳輸,，EtherCAT連到TSN網(wǎng)絡(luò)中后,，使得TSN配置更加容易并高效,。整個(gè)EtherCAT網(wǎng)段僅利用了TSN的一個(gè)“高速通道”，并保證了在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中EtherCAT網(wǎng)段中所有設(shè)備與其他類型設(shè)備及EtherCAT主站的實(shí)時(shí)通訊,。
此外,，關(guān)于TSN規(guī)范制定工作還在進(jìn)程當(dāng)中，如下圖,，其中一些規(guī)范還處于草稿或者投票等階段,，只有一部分規(guī)范對(duì)外發(fā)布。值得注意的是,，現(xiàn)階段對(duì)于TSN網(wǎng)絡(luò)的配置工具目前還沒(méi)有發(fā)布,，有效的TSN網(wǎng)絡(luò)還不能組態(tài)。
為了保證EtherCAT技術(shù)與TSN的適用性,，EtherCAT技術(shù)協(xié)會(huì)已經(jīng)在2017年底發(fā)布了EtherCAT關(guān)于TSN的設(shè)備行規(guī)。該行規(guī)規(guī)范用于EtherCAT和TSN的使用,，文檔中對(duì)已發(fā)布的TSN規(guī)范和EtherCAT技術(shù)的結(jié)合進(jìn)行了定義,，此文檔可以在ETG官方網(wǎng)站下載，隨著TSN規(guī)范的完善,，此文檔也會(huì)相應(yīng)的更新版本,，當(dāng)前版本是ETG.1700 S （D） V0.9.0。
TSN的真正優(yōu)勢(shì)在于增強(qiáng)了包括很多機(jī)器在內(nèi)的本地網(wǎng)絡(luò)的性能,。它未來(lái)的發(fā)展必然會(huì)降低當(dāng)前機(jī)器到機(jī)器網(wǎng)絡(luò)器件的復(fù)雜性,。這將需要一個(gè)通用的協(xié)議基礎(chǔ)架構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，并且兩者都需要可以在機(jī)器層進(jìn)行有效處理的器件,。
在未來(lái)的自動(dòng)化系統(tǒng)中,，如何組織通信將比通信特性本身更重要。這就是為什么EtherCAT保留了現(xiàn)有元器件并提供了單獨(dú)對(duì)TSN功能的適配,。因此,，我們可以支持更強(qiáng)大的功能，并保護(hù)您對(duì)EtherCAT的資產(chǎn)投入,。