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圖片來源：Karl-Martin Skontorp

在我們的日常感覺中，通常具有超高性能的系統(tǒng)都是很敏感的，而強健的系統(tǒng)又不會很快。這一點也適用于計算機、相機和汽車：賽車相對脆弱，而強大的越野車卻比較慢。同樣，在工業(yè)通信領(lǐng)域，性能（通信效率）和可靠性（系統(tǒng)錯誤帶來的影響）有著緊密聯(lián)系。然而，取決于不同的技術(shù)，其關(guān)系是令人驚訝的：高效導(dǎo)致系統(tǒng)在發(fā)生錯誤時變得不穩(wěn)定的觀點并不完全適用于所有場合。以下文章將證明使用EtherCAT所展示出的不同情況。

在工業(yè)通信中，不同通信方式中的錯誤情況將帶來不同的影響。一旦發(fā)生錯誤，何時、何地、發(fā)生什么情況以及發(fā)生的原因是關(guān)鍵問題，并必須迅速找到答案（這并不容易）。另一方面，在處理錯誤問題時，人們必須關(guān)注數(shù)據(jù)的一致性。

以太網(wǎng)已經(jīng)盛行于很多應(yīng)用中。采用100 Mbit/s（快速以太網(wǎng)）的物理數(shù)據(jù)傳輸，其物理數(shù)據(jù)傳輸?shù)膹娊⌒砸呀?jīng)在工業(yè)領(lǐng)域得到證實。因此，我們需要討論的是物理層之上協(xié)議層的效率及相關(guān)可靠性。

給每個I/O一個獨立的數(shù)據(jù)幀意味著巨大的帶寬開銷和高錯誤率

一種評估效率的方法是針對協(xié)議開銷的調(diào)查。如果每個網(wǎng)絡(luò)參與者都使用一個單獨的以太網(wǎng)幀將導(dǎo)致巨大的協(xié)議開銷，因為即使發(fā)送最小幀也有84 byte (如圖1 )，而每個網(wǎng)絡(luò)參與者（節(jié)點）典型的有效負載是小于8 byte（比如CAN是1到8之間），這導(dǎo)致了超過90%的帶寬開銷。

圖1：7個例子中的有6個因為一個隨機的周期錯誤對獨立的數(shù)據(jù)幀造成影響。

機器設(shè)備通常使用線性拓撲的通信系統(tǒng)。然而快速以太網(wǎng)架構(gòu)要求有源耦合的接口。耦合由所謂的橋接局域網(wǎng)的設(shè)備或交換機實現(xiàn)，其中交換機經(jīng)常被集成到網(wǎng)絡(luò)節(jié)點（如I/O設(shè)備或者伺服驅(qū)動器）中。因為所有數(shù)據(jù)會在每個節(jié)點被處理一次，即每個節(jié)點都可以獲取一個共用幀上的完整的用戶數(shù)據(jù)信息——就如同EtherCAT的運行機制——幀在系統(tǒng)中傳輸?shù)耐瑫r被處理，這種處理協(xié)議的方法可以被命名為共享幀解決方案（圖2）。其結(jié)果是即使連接的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)量很少的情況下，也會有小于50%的協(xié)議開銷。如果系統(tǒng)的總有效負載超過400個字節(jié)，這會使共享幀解決方案中數(shù)據(jù)幀開銷小于10%。

圖2：共享數(shù)據(jù)幀機制下，7個例子中只有1個會因為一個隨機周期錯誤對數(shù)據(jù)幀造成影響。

盡管以太網(wǎng)物理層通常是強健的，但強的電磁干擾信號還是可以導(dǎo)致通信錯誤。相比傳統(tǒng)的獨立幀傳輸方式對干擾帶來的影響，共享幀的方式在一個網(wǎng)絡(luò)周期內(nèi)錯誤概率要小得多。

正常情況下，大多數(shù)的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序可以克服單一的錯誤而不造成任何損失。但是如果緊挨著有兩個錯誤，則是很嚴重的情況。因此，每個周期的通信錯誤之間的關(guān)聯(lián)都會造成嚴重情況。在本文開頭介紹的比較現(xiàn)實的例子中，獨立幀方式比共享幀方式會造成更多的損壞幀，因為共享幀只使用了1/6的傳輸時間，因此共享幀受到的影響只是7（？）種例子中的一種。

位錯誤的數(shù)量不會對處理質(zhì)量產(chǎn)生影響

在運動控制應(yīng)用中，出現(xiàn)單個通訊錯誤時，需要使用困難的算法來插入目標(biāo)值和實際值。獨立數(shù)據(jù)幀的通訊方式會帶來幾乎不可預(yù)見的結(jié)果，尤其當(dāng)幾個軸耦合時。因此這種有更高錯誤周期率的級聯(lián)會產(chǎn)生危險。此外，該解決方案底至10%的效率甚至增加了錯誤周期率，使得實現(xiàn)可靠的應(yīng)用控制更為困難。

速度和位置的控制問題也關(guān)系到運動控制本身。位置值控制比僅有小變化的速度值更為重要。早期的方式是在相互作用下錯誤可以互補。而且編程的原則“只要沒有變化，保持數(shù)值不變”，有助于減少一般的錯誤影響，以及避免捆綁錯誤。

所提到的情況表明，一個周期中的錯誤數(shù)量和所得到的控制誤差沒有直接的依賴關(guān)系。單獨的錯誤甚至可能比捆綁錯誤還要危險。

獨立幀的方式不能阻止多種錯誤

每個節(jié)點對應(yīng)一個單獨的數(shù)據(jù)幀的傳輸方式的另一個問題是錯誤隔離。一般來說以太網(wǎng)可以避免傳播干擾，因為每個連接點都是由一個特殊的收發(fā)器控制?，F(xiàn)在的以太網(wǎng)物理層不是總線型的，而是對等接口的集合，無論如何錯誤都可能產(chǎn)生，例如電源干擾可以在同一個時刻影響多個節(jié)點。另一個有可比性的錯誤源是在直接屏蔽的方式中保護導(dǎo)體的接觸不良。雖然EtherCAT不推薦這樣使用，但尤其對于支持多協(xié)議的設(shè)備，必須要遵循這個方法，且不可以使用替代的方法。由于機柜接地有時會比預(yù)期差，對屏蔽的干擾可能會出現(xiàn)在電纜連接的不同部分。在這種情況下，診斷是非常困難的，因此，應(yīng)盡可能避免這種干擾的傳播。

如果你使用類似EtherCAT這樣的普通數(shù)據(jù)幀，那么這種干擾傳輸只會影響同一幀幾次

短的獨立幀使用IEEE標(biāo)準(zhǔn)定義的典型交換機轉(zhuǎn)發(fā)，這種方式至少要比EtherCAT慢10倍，因為它要同時將不同的幀發(fā)送給不同的網(wǎng)絡(luò)參與者。這個過程會產(chǎn)生很大的時間延遲，并導(dǎo)致干擾傳輸?shù)那闆r下影響多個不同的的數(shù)據(jù)幀。因此，不同周期或通信類型的數(shù)據(jù)會被影響。出于這個原因，干擾傳播是一個非常關(guān)鍵的因素，它某種形式上總是意味著多米諾效應(yīng)。

EtherCAT技術(shù)則相反，轉(zhuǎn)發(fā)時間非常短，以至于即使干擾發(fā)生在數(shù)據(jù)幀頭的位置，也不會影響旁邊站點上的前一個幀的末尾數(shù)據(jù)。

當(dāng)幾個獨立幀被影響，產(chǎn)生的錯誤類型很難定義。一些輸入數(shù)據(jù)是新的，其他是舊的，從而判斷只有單獨錯誤的方法是不正確的，它需要特別復(fù)雜的錯誤處理策略。

此外，大多數(shù)交換機/橋在接收到正確數(shù)據(jù)幀后才會轉(zhuǎn)發(fā)（存儲和轉(zhuǎn)發(fā)），這會導(dǎo)致每個接口會接受不同的數(shù)據(jù)幀，這樣干擾傳播會影響大量的數(shù)據(jù)幀。

反饋可以幫助加快錯誤處理

出于效率的原因，獨立幀方式一般不提供及時的反饋。需要有主站將更新的輸出數(shù)據(jù)請求發(fā)給從站，然后由從站返回直接反饋。這種重復(fù)的轉(zhuǎn)發(fā)時間是對周期時間的一個限制。而且對于丟失單個輸出數(shù)據(jù)幀的反應(yīng)也限制在單個站點上——而不能直接通知控制單元。在這種情況下，主站不能采取任何措施。這種錯誤最早會在一個周期后獲得，直到錯誤超時觸發(fā)系統(tǒng)，通常需要三個周期。

圖3：慢速處理多個數(shù)據(jù)幀的影響

相反地，EtherCAT從站可以直接進行反饋?？焖俚霓D(zhuǎn)發(fā)使得輸入數(shù)據(jù)在輸出數(shù)據(jù)傳輸完成后出現(xiàn)在主站當(dāng)中。如果反饋失敗，主站可以立即開啟對應(yīng)處理，而且得益于超小的轉(zhuǎn)發(fā)變動使得精確的超時成為可能。

原則上，EtherCAT的形式像一個傳統(tǒng)現(xiàn)場總線，可以安排立即重發(fā)。因為后者在主站進行更加復(fù)雜的錯誤處理，實際過程數(shù)據(jù)的可用性上需要更多的帶寬（使用EtherCAT只有15%），或者使用處理器的性能來修復(fù)舊的過程數(shù)據(jù)。EtherCAT更關(guān)注短的周期時間，這樣會減少錯誤的可能。

更高的效率可以獲得更短的周期時間和更好的故障排除

最后且同樣重要的是：相比獨立數(shù)據(jù)幀，EtherCAT可以達到非常短的周期時間，這帶來了更高的精度并增加數(shù)據(jù)處理的魯棒性。這也使得產(chǎn)品具有更好的質(zhì)量及更快的錯誤反應(yīng)。通過減少的周期時間來提高提高產(chǎn)品質(zhì)量是非常好的方法，甚至是在出現(xiàn)錯誤的情況下。如果沒有錯誤發(fā)生則質(zhì)量還能進一步提升。因此，即使在有干擾的環(huán)境中，EtherCAT也可以成功的運行。

圖4:EtherCAT直接反饋方式

總結(jié)

總之，EtherCAT是可靠的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的基礎(chǔ)，降低了帶寬使用量，從而減少了錯誤頻率，快速的數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)發(fā)避免了干擾的傳播。得益于以太網(wǎng)的對等連接，反射和其它干擾被避免了，使得錯誤概率極低，錯誤發(fā)生的地方也很容易檢測，從而通信更可靠。

此外，一個系統(tǒng)的可靠性會在很大程度上受較低的協(xié)議復(fù)雜性和降低通訊接口上幀流量的影響。簡明的設(shè)計是好的控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，也是他的耐用性的必要條件。

EtherCAT印證了自動化技術(shù)的基本原則：效率和可靠性可以兼得！

Appendix

AUTHOR:

Dr. Karl Weber

Senior Technology Expert

EtherCAT Technology Group

Nuremberg, Germany

PICTURES:

Lead: Karl-Martin Skontorp

All others: EtherCAT Technology Group