EtherCAT现场总线的国家标准化研究

【摘 要】EtherCAT是一种基于以太网的新兴现场总线技术，自从德国倍福公司推出以来，就凭借其实时性和拓扑的灵活性，在现场总线行业树立了新的行业标准。在国际上，EtherCAT依靠自身的技术协会EtherCAT技术协会（EtherCAT Technology Group，缩写为ETG）进行技术推广。在国内，国家标准化管理委员会正在为工业以太网总线EtherCAT技术制定相应的国标，现在已提交送审稿。如此一来，EtherCAT技术在我们必将取得进一步的推动发展和应用。

【关键词】EtherCAT ETG GB/T

一、引言

EtherCAT作为最新一代的开放的实时以太网现场总线协议，最早是由德国的倍福自动化有限公司（Beckhoff Automation GmbH）研发。现在由EtherCAT技术协会（EtherCAT Technology Group，简称ETG）来统一组织和管理。EtherCAT技术是基于工业以太网技术的开发的，这样的话，用户只需要主板集成的MAC口或者廉价的标准网卡，就可以完成组态，系统价格与其余现场总线相当，甚至是更加便宜。但是相比其他现场总线技术，性能却要强劲许多，包括65535个从站节点，自动设置地址，通讯速度更快等等。所以，EtherCAT非常适用于高速、精密控制等场合。现在，EtherCAT技术已经广泛地应用于设备控制、机器人、嵌入式系统、楼宇自动化、运输系统等领域，并且呈现出越发强劲的发展势头。有鉴于此，国家标准化委员会正在积极地为EtherCAT制定相应的国家标准，笔者有幸参与了送审稿的翻译和校队工作。本文通过对EtherCAT的技术优势的分析，国家标准化的制定流程，工业以太网国标送审稿的研究，总结EtherCAT现场总线的优势，并给出相应的依据。

二、EtherCAT现场总线优势

（一）开放性

EtherCAT的协议是完全公开的；并且已经成为了IEC、ISO及SEMI的标准协议。对应的协议号是IEC61158、IEC61784、ISO15745和SEMI E54.20， 并且我国正在为其指定国家标准。

为了推广技术和保证技术的开放性，以技术主要发起人为主，成立了EtherCAT技术小组。小组的主要任务是支持、完善和推广EtherCAT技术。截止2012年7月2日，ETG共计有2050个会员，光是从2011年的5月到2012年的5月，就新增加了超过380个会员[1]。现在ETG已经成为了全球最大的现场总线组织[1]。在中国，截止2012年2月，中国区共有超过200个会员，也正是因为EtherCAT在我国的蓬勃发展，所以国家急需要制定相应的国家标准。

（二）高速性

EtherCAT突破了其他以太网解决方案固有的局限性：从站设备在报文经过其节点时读取带有相应寻址信息的数据；同样，输入数据也是在报文经过时插入至报文中。整个过程，报文只有几个纳秒的时间延迟。这样发送和接收的以太网帧压缩了大量数据，所以通道的利用率可以达到90%，100Mb/s的全双工特性可以完全得到利用。

下面举一个具体的例子来更好的体现EtherCAT的高速性[2]。

在一个有40轴（每轴20字节输入输出数据）、50个I/O站、2000个数字量和200个模拟量的总线环境下，各种工业以太网技术的循环时间如下表所示：

（三）低价

过去的现场总线无论主站还是从站设备都需要专用的设备，整个系统构建下来花费不小。使用EtherCAT技术的成本可以做到更低。

从硬件角度看，主站不需要专用插卡，集成的网口就可以满足要求了，现在许多的自动化设备都标配有网口，这样就不需要新的成本投入；从站采用低成本的从站控制器FPGA或者ASIC，不需要功能强大的微处理器；辅助设备方面，不需要交换机/集线器，只要使用标准的以太网线缆和接头就可以完成网络组态了。

下面我们用一个网络配置的实例来说明[2]：

如果我们要配置一个拥有10个站点，400个数字输入，400个数字输出的，100米长线缆，11个现场总线接头的网络。EtherCAT网络的总成本是最低的。Profibus贵了21.5%，DeviceNet贵了23.7%，CAN Open贵了21.9%.

三、EtherCAT现场总线标准化

（一）中国国家标准

我国将标准划分为四个层次，即国家标准、行业标准、地方标准、企业标准。各层次之间有一定的依从关系和内在联系，形成一个覆盖全国又层次分明的标准体系。

国家标准分为强制性国标（简称GB）、推荐性国标（简称GB/T）和指导性国家标准（GB/Z）。

EtherCAT在我们申请的国标是GB/T，推荐性国家标准。

GB/T是指推荐性国家标准，其中的“T”是推荐的意思。推荐性国标是指生产、交换、使用等方面，通过经济手段调节而自愿采用的一类标准，又称自愿标准。但推荐性标准国标一经接受并采用，或各方商定同意纳入经济合同中，就成为各方必须遵守的技术依据，具有法律上的约束性。

（二）申请国家标准的条件

现场总线的种类繁多，但是真正入选成为我国国家标准的现场总线并不多。这是因为在我国工业控制网络标准的制定是需要满足对应的条件的[4]。

申请GB/T需要满足下面的两个条件：1.国内有产品开发、生产；2.测试本体化。如上文所述，ETG在中国国内的会员超过200位，提供了许多的EtherCAT相关产品，所以第一个条件满足。对于测试本土化，现在ETG已经在中国北京航空航天大学的数控与自动化实验室（LNC）建立了测试中心，这为EtherCAT在我国的标准化扫清了最后的障碍。

（三） 国标制作流程

工作组成员一般分为国内专家小组和国外专家小组。包括制造商、最终用户、集成商等成员。委员会审核通过的标准是75%以上成员赞成25%以下反对，如果委员会由超过25%以上成员反对，那么就需要重新审议项目。

EtherCAT申请国标的工作从2012年2月份开始正式启动，2012年7月成立了工作组，前后经过1年左右的翻译、校队工作后，2013年的2月份发出了征求意见稿，2013年6月发出送审稿，现在正在收集送审稿的投票工作，预计在2013

（四） EtherCAT国标整体结构

国标共分为6个部分。

第一部分：概述

第二部分：物理层服务和协议规范

第三部分：数据链路层服务定义

第四部分：数据链路层协议规范

第五部分：应用层服务定义

第六部分：应用层协议规范

EtherCAT国标内容是使用翻译法修改采用ETG.1000《EtherCAT规范》[5]，在技术内容上与原国际标准没有差异，对文本进行了适当的编辑性调整。

EtherCAT文档结构和OSI模型的对应关系如图3所示

所有的网络协议都是基于OSI网络模型的，EtherCAT也不例外。EtherCAT总共使用了OSI中的应用层、数据链路层和物理层，而第3到第6层没有在EtherCAT中实现。这样保证了EtherCAT协议的简洁、高效，正因为剥离了IP，TCP等传统的以太网网络层、传输层实现，所以使得EtherCAT的实时性得到了极大的保证。

四、结论

EtherCAT总线协议有许多吸引自控行业的特点：高速、开放、安全、冗余。正因为如此，该技术自诞生起就取得了飞速的发展。鉴于此，国家标准机构正在积极的推进EtherCAT的国标化。

本文介绍了国标制作的流程、条件，并且说明了EtherCAT国标文档的结构。对EtherCAT总线技术的进一步发展和应用具有一定的意义，对于其他现场总线相关的研究亦有一定的参考价值。

参考文献：

[1] EtherCAT Technology Group， EtherCAT工业以太网现场总线，2012

[2] EtherCAT Technology Group， Industrial Ethernet Technologies： Overview，2011

[3] 国际电工委员会， Serving global industrial automation ： IEC publishes new Field Standard. 2012-12-14

[4] EtherCAT技术协会， 一致性与互操作性， 2011

[5] EtherCAT技术协会，EtherCAT规范， 2013

作者简介：

宦卿（1983- ），男，上海人，上海交通大学工程硕士在读，从事现场总线、人机界面硬件方面的研究（Email：）；

陈坚（1955- ），男，上海人，上海交通大学高级工程师，从事罗克韦尔现场总线方面的研究。