工业以太网现场总线EtherCAT第1部分：概述

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国家标准 GB/T31230.1一2014 工业以太网现场总线EtherCAT 第1部分概述 IndustrialethernetfiedbusEtherCAT一Part1:.Overview 2014-09-30发布 2015-04-01实施 国家质量监督检验检疫总局 发布 国家标准化管理委员会国家标准
GB/I31230.1一2014 目 次 前言 范围 规范性引用文件 缩略语 EtherCAT的概念 对0S基本参考模型的映射 5.1 概述 每个服务和协议特性的简述 6.l物理层服务和协议特性概述 6.2数据链路层服务特性概述 数据链路层协议特性概达 6.3 6.4应用层服务特性概述 6.5应用层协议特性概述 数据类型AsE 数据类型对象的形式定义 图1一般的现场总线网络 图2DL/AL服务和协议的概念 图3基本现场总线参考模型 表1OsI和EtherCAT各层
GB/T31230.1一2014 前 言 GB/T31230(工业以太网现场总线EtherCAT》分为以下6个部分: -第1部分:概述; 第2部分;物理层服务和协议规范 第3部分:数据链路层服务定义; 第4部分:数据链路层协议规范; 第5部分;应用层服务定义 第6部分;应用层协议规范 本部分为GB/T31230的第1部分 本部分按照GB/T1.12009给出的规则起草 本部分由机械工业联合会提出 本部分由全国工业过程测量和控制标准化技术委员会(SAC/TC124)归口 本部分起草单位;机械工业仪器仪表综合技术经济研究所、北京仪综测业科技发展有限公司,西南 大学、上海自动化仪表股份有限公司、中科院(沈阳)自动化研究所、清华大学、北京航空航天大学、北京 交通大学、北京和利时系统工程有限公司,中科院计算所顺德分所,欧姆龙工业自动化公司、倍福北京分 公司,ETG 本部分主要起草人;谢素芬、高镜媚、刘丹、刘枫,包伟华、杨志家、王雪、刘艳强、范瑜、罗安、陈冰冰、 李天兵,关鹏、范斌、程庚
GB/T31230.1一2014 工业以太网现场总线EtherCAT 第1部分概述 范围 本部分与IEC标准的关系 1.1 GB/T31230的本部分依赖于IEC61158系列标准类型12中相对应的部分 1.2概述 本部分通过以下内容介绍GB/T31230的概述和导则 -说明GB/T31230的结构和内容; -关联GB/T31230的结构与GB/T9387OS基本参考模型 展示GB/T31230的逻辑结构 规范性引用文件 下列文件对于本文件的应用是必不可少的 凡是注日期的引用文件,仅注日期的版本适用于本文 件 凡是不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件 GB/T9387(所有部分信息技术开放系统互连基本参考模型 缩略语 以下缩略语适用于本文件,部分基于GB/T9387.1的概念 AL:应用层(N=7)[Applicationlayer(N=7 AR;应用关系(Applicationrelationship AREP;应用关系端点(Applicationrelationshipendpoint) DL-;数据链路层(作为前缀)[Data-linklayer(asaprefix)] DLL;数据链路层(N=2)[Data-linklayerN=2 IETF;因特网工程任务组(InternetEngineeringTaskForce P因特网协议(见RFC791)[lnternetProtocol(seeRFc791] n)-layer:OSI基本参考模型的n层(layernoftheOSIBasicReferenceModel Osl!,开放系统互连(open、 SystemS1ntercOnnectiOn Ph;物理层(作为前级)[Physicallayer aprefix) aS Phl:物理层(N=1Physicallayer(N=1力 EtherCAT的概念 从概念上讲,现场总线是一种数字式通信网络,用于将工业控制和仪表设备集成为一个系统 典型 设备有变送器、传感器、执行机构和控制器
GB/I31230.1一2014 EtherCAT协议已被工程化,以支持任何工业部门及相关领域的信息处理、监视和控制系统 图1 示出了在过程车间的传感器、执行机构,本地控制器之间,并与可编程控制器互连在一起的一个高完整 性的低层通信应用示例 信息系统网络 网关 现场总线网段 过程空间 工厂车间 控制器 可编" 可编 可编程控制器 传感器 执行机构 监控系统 网桥 现场总线网段 图1一般的现场总线网络 图2阐明了数据链路层和应用层的服务与协议视点之间的差异 协议部分表示层实现者的视点 服务部分表示层用户的视点 面向层用户 面向层实现者 的视点 的视点 AL服务 AL协议 EtherCAT的第5部分 EtherCAT的第6部分 -模型和概念 -语法定义和编码 -数据类型定义 -应用关系程序 -应用对象 -协议机状态机 服务播述 -通信端点管理 DL服务 DL协议 eeT的望整分 EtherCAT的第4部分 -模型和极念 -编码 -服务描述 -媒体访问 -管理服务 -协议机状态机 图2DL/AL服务和协议的概念 应用层结构如下 -GB/T31230.5的类型特定部分中的应用服务元素(AsE)描述“做什么” -GB/T31230.6的类型特定部分中的应用关系(AR)描述“怎么做” 数据链路层结构如下 -GB/T31230.3的类型特定部分中的数据链路层服务和模型描述“做什么”; GB/T31230.4的类型特定部分中的数据链路层协议机以及媒体访问原理描述“怎么做” 物理层的结构类似,但因其服务容易描述,因此,这些服务定义与物理层协议规范在同一规范 (GB/T31230.2)中:
GB/T31230.1一2014 物理层服务和模型描述“做什么” -物理层电磁和机械规范描述“怎么做” 对osI基本参考模型的映射 5.1概述 采用GB/T9387的原理、方法论和模型来描述EtherCAT的协议类型 Os!模型提供了对通信标 准的分层方法,据此可独立地开发和修改各层 EtherCAT规定了完整的OSI通信栈由顶至底的功能， 以及潜在地规定了通信栈用户的某些功能 OS1的中间层(第3第6层)的功能可浓缩到EtherCAT 的数据链路层或EhercAT的应用层,或可由一个单独的层实现 同样,为了简化用户操作 EtherCAT应用层可提供现场总线应用层的用户公用的若干特性 表1列出了os1各层、它们的功能以及在EtherCAT基本现场总线参考模型(见图3)中等效的 各层 表1oOs和EtherCAT各层 各层 能 EthercAT各层 OSI 功 应用层 GB/T31230.5 应用层 将位于通信栈中的命令要求译成低层所理解的形式,反之亦然 GB/T31230,6) 表示层 将数据变换为标准化的网络格式,或将标准化的网络格式变换为数据 会话层 创建和管理低层间的对话 提供透明可靠的数据传输在可能包括多个链接的网络间端到端的 传输层 或个 传输》 网络层 执行报文路由 ，或 数据链路层 数据链路层 控制对通信媒体的访问 执行差错检测在一条链路上的点到点传输 GB/T31230.3、 GB/T31230,4) 以一种适合于通信媒体的形式对发送/接收的信号进行编码/译码 规 物理层 物理层 GB/T31230.2) 定通信媒体的特性 注:与个表示这一层的功能(当存在时)可包括在按箭头所指的方向最近的现场总线层内 因此网络层和传输 层功能可包括在数据链路层或者应用层中,而会话层和表示层功能可包括在应用层中,但不能包括在数据链 路层中 应用层 菜到 数据链路层 物理层 效体 图3基本现场总线参考模型
GB/I31230.1一2014 每个服务和协议特性的简述 物理层服务和协议特性概述 6.1 6.1.1EtherCAT:线缆和光纤媒体 EtherCAT规定IsO/IEC8802-3物理层及以下变型: 导线媒体,l00Mbit/s,低压差分信号模式(平行稠合),符合ANSITIA/EIA-644A规定 数据链路层服务特性概述 6.2 EtherCAT支持数据链路服务,其能提供IsO/IEC8886中规定的服务中的无连接子集 6.3数据链路层协议特性概述 EtherCAT支持用于EtherCATDL-服务的DL-协议 最大系统大小含不限个数的段,每个段含有 2i"个节点 每个节点最大有21"个对等端以及发布者/订阅者DLCEP 6.4应用层服务特性概述 包含在应用过程中的FAL应用实体(AE)提供FAL 服务和协议 下ALAE是由一组面向对象的 应用服务单元(ASE)和一个管理AE的管理实体(LME)组成 ASE提供工作在一系列相关的应用过 程对象(APO)类的通信服务 在FALAsE中有一个管理AsE,它提供一组用于管理FAL类实例的 通用服务 虽然这些服务从应用的视点规定了如何发出和传送请求和响应,但并未包括请求和响应的应用要 用它们做些什么的规范 就是说,并未对应用的行为特性方面做出规定;仅仅是规定了它们能发送/接 收什么请求和响应 这就使FAL用户在标准化这类对象的行为特性中具有更大的灵活性 EtherCAT支持提供无连接循环数据交换的应用服务和用于不同ASE的自发通信 6.5应用层协议特性概述 现场总线应用层(FAL)是一种应用层通信标准,被设计用来支持自动化环境下的各设备间时间关 键的应用请求和响应的传送 “时间关键”一词用来描述带时窗的应用,在此时窗内,必须按某些已定义 的确定性等级完成一个或多个规定的动作 在此时窗内没有完成规定的动作,有可能造成需要该动作 的应用的失败,甚至会影响设备、厂房及可能的人身安全 EtherCAT支持规定EtherCAT应用服务元素的抽象语法、编码及行为的应用协议 数据类型ASE 7.1数据类型对象的形式定义 7.1.1数据类型类 7.1.1.1模板 数据类型类规定数据类型类树的根 它的父类“top”表明FAL类树的顶端
GB/T31230.1一2014 FALASE DATATYPEASE CLASS: DATATYPE CLASSID. 5FIXEDIENGTH&.STRING),6STRUCTURE),12(ARRAY PARENTCLASS: TOP ATTRIBUTES Ke Data eyattribute: typenumericidentifier o o Keyattribute" Datatypename Attribute FormatFIXEDLENGTH,STRING,STRUCTURE,ARRAY)4(c m Format=FIXEDlENGTHSTRING Constraint c Constrain Format=FIXEDIENGTHSTRING 4. mAttribute' Oetetlength c Constraint Format=STRCTURE 5. mAttribute: Numberoffields 5.2 Attribute: Listoffields m 5.2.1 o Attribute: Fieldname 5.2.2 mAttribute: Fielddatatype c Constraint: Format=ARRAY Numberofarrayelements 6.1 mAttribute: 6.2 mAttribute: Arrayelementdatatype 7.1.1.2属性 -Datatypenumericidentifier 该可选属性定义相关数据类型的数值标识符 -Datatypename 该可选属性标识相关数据类型的名称 Format 该必备属性标识数据类型为固定长度、字符串、数组或数据结构 -Octetlength 该条件属性定义相关类型对象大小的表示 当Format属性的值为“FIXEDLENGTH”或 “STRING"时显示该属性 对于FIXEDLENGTH数据类型,它以八位位组个数表示长度 对于STRING数据类型,它以八位位组个数表示一个字符串的单个元素的长度 Numberoffieds 该条件属性定义结构中字段的数量 当Format属性的值为“STRUCTURE”时显示该属性 -Listoffields 该条件属性是包含在结构中有序字段的列表 由编号和类型规定每个字段 字段以其出现的 顺序从0开始按顺序编号 通过用编号来标识字段支持对结构中部分字段的访问 当 Format属性的值为"STRUcTURE"时,显示该属性 Field Iname 该有条件的可选属性规定字段名称 当Format属性的值为“STRUCTURE”时显示该 属性 Fielddatatype 该条件属性规定字段的数据类型 当Forma属性的值为“STRUCTURE”时显示该属 性 通过数值id来引用一个构造数据类型定义,或在此嵌人一个构造数据类型定义,该属
GB/I31230.1一2014 性本身可以规定一个构造的数据类型 当嵌人描述时,应当使用以下给出的Embedded data-typedeseription描述 -Numberof arrayelements 该条件属性定义了用于数组类型的元素个数 当数组大小为“n”个元素时,数组元素索引应 从“0”开始,到“n-1” 当Format属性的值为“ARRAY”时显示该属性 Arrayelementdata type 该条件属性规定数组元素的数据类型 数组的所有元素应具有相同的数据类型 当Fon Ormat 属性的值为“ARRAY”时显示该属性 通过数值id来引用一个构造数据类型定义,或在此嵌 个构造数据类型定义,该属性本身可以规定一个构造的数据类型 当嵌人描述时,应当使 用以下给出的Embedded-data-typedescription Embedded-data- description -type！ 该属性用于通归定义结构或数组中的版人数据类型 以下的模板定义了它的内容 在模板中 显示的属性中,除了embeddeddatayp属性,它对于该属性是一个递归引用,其余属性由上 面的数据类型类定义 该属性用于定义嵌套元素 ATTRIBUTES: mAttribute: FormatFIXEDIENGTH,STRING,STRUCTURE,ARRAY c Constraint: Format=FIXEDIENGTHISTRING 2.1 DatatypenumericlIDvalue m Attribute: 2.2 m Attribute: Octetlength c) Constraint: Format=STRUCTURE 3.1 m Attribute: Numberoffields 3.2 m Attribute: Listoffields 3.2.1 Attribute: m Embeddeddatatypedescription Format=ARRAY c) Constraint 4. Numberofarrayelements m Attribute: 4.2 m Attribute: Embeddeddatatypedescription

工业以太网现场总线EtherCAT第1部分：概述GB/T31230.1-2014

EtherCAT是一种基于以太网技术的实时总线，由德国Beckhoff自动化公司开发。EtherCAT采用了“传递式”通信方式，即只需经过一个节点就可以将数据传递到下一个节点，从而大大降低了通信延迟和硬件成本。

相比于其他现场总线，EtherCAT具有以下优点：

• 高速通信：通过采用实时以太网技术，EtherCAT可以达到最高100Mbps的通信速度。
• 简单易用：EtherCAT采用标准以太网接口，同时支持自动寻址和配置，使其更易于安装和调试。
• 高效可靠：EtherCAT通过使用分布式时钟同步机制，确保所有节点的时钟同步，从而提高了通信的可靠性和精度。

在应用领域方面，EtherCAT已经被广泛应用于各种自动化控制系统、机器人和工业设备中。例如：

• 工业自动化：EtherCAT可以用于实现对工厂生产线的自动化控制。
• 机器人控制：EtherCAT可以用于控制各种类型的机器人，从而实现高速、精准的运动控制。
• 医疗设备：EtherCAT可以用于控制各种类型的医疗设备，从而提高设备的精度和可靠性。

总的来说，EtherCAT作为一种先进的现场总线技术，在工业自动化领域有着广泛的应用前景。

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