EtherCAT通信及應用一、EtherCAT協議二、EtherCAT通信模塊組成三、庫卡機器人的IO配置一、EtherCAT協議EtherCAT是由德國Beckhoff公司于2003年提出的實時工業以太網技術。其性能優越，具有高速和高數據有效率的特點，支持多種設備連接拓撲結構，適合網絡化運動控制系統。EtherCAT采用主從模式介質訪問機制（MAC，MediaAccessControl），從站節點使用專用的控制芯片，主站使用標準的以太網控制器。EtherCAT的主要特點如下：（1）適用性廣，任何帶商用以太網控制器的控制單元都可以作為EtherCAT主站。（2）兼容性強，EtherCAT完全符合以太網標準，可以與其他以太網設備及協議并存于同一總線。（3）無須從屬子網，復雜節點或簡單IO節點均可作為EtherCAT從站。（4）高效率，最大化利用以太網帶寬進行用戶數據傳輸。（5）刷新周期短，可以達到小于100us的數據刷新周期，可以用于伺服技術中底層的閉環控制。（6）同步性能好，各從站節點設備可以達到小于1us的時鐘同步精度。一、EtherCAT協議1.EtherCAT通信原理EtherCAT通信基于主從通信結構，主站負責控制運算及數據幀收發任務，從站負責響應數據幀執行相關指令動作。在物理層面，EtherCAT支持通過總線型、樹形或菊型拓撲連接。主站使用標準以太網芯片和物理接口，從站則使用專用的EtherCAT從站通信控制芯片(ESC)管理EtherCAT通信，支持標準物理接口和倍福提出的EBUS接口，采用EBUS接口時不需要額外的物理層芯片。在數據鏈路層，EtherCAT數據幀屬于集總幀，一個數據幀內可包含多個從站節點的數據。一、EtherCAT協議如圖1，EtherCAT獨有的數據幀即時處理技術(processingonthefly)，使得數據幀可在一個通信周期中完成多個從站數據的交換工作，數據幀經過一個從站節點時，從站ESC將從中取出所需的數據，并將從站當前的狀態數據寫入到數據幀對應的報文位置，數據幀在從站節點內不做停留，而是直接再往下一個從站發送，由此實現超高速控制回路。圖1數據幀即時處理一、EtherCAT協議2.EtherCAT協議規范EtherCAT遵循ISO/IEC8802-3規定，使用標準的IEEE802.3以太網數據幀，主站使用標準的以太網接口卡即可。EtherCAT使用保留的以太網類型0x88A4和其他以太網幀相區別，因此可以和其他協議在同一網絡并行運行。EtherCAT使用以太網數據幀傳輸EtherCAT數據包，也可以使用UDP/IP協議格式傳輸EtherCAT數據包，但EtherCAT從站不處理非EtherCAT數據幀，其他類型的以太網應用數據可以分段打包為EtherCAT數據子報文在網段內透明傳輸，以實現相應的通信服務。一、EtherCAT協議EtherCAT數據幀包括14字節的以太網幀頭、2個字節的EtherCAT頭和14~1498字節的EtherCAT數據以及4字節的幀校驗序列。數據區由一個或多個EtherCAT子報文組成，每個子報文對應獨立的設備或從站存儲區域，如圖2所示。圖2EtherCAT幀結構一、EtherCAT協議每個EtherCAT子報文包括子報文頭、數據區和相應的工作計數器（WKC,WorkingCounter）。WKC記錄了子報文被從站操作的次數，主站為每個通信服務子報文設置預期的WKC。發送子報文中的WKC初值為0，子報文如果被從站正確處理則WKC值增加，主站側通過比較返回的WKC值和預期WKC值來判斷子報文是否被正確處理。EtherCAT通信由主站發送EtherCAT幀讀寫從站設備的內部存儲區來實現，EtherCAT支持兩種尋址方式操作從站控制器內部存儲區：設備尋址和邏輯尋址。不同尋址方式的設置由子報文頭中8位命令數據區決定。其中，設備尋址又包括三種不同的尋址機制：順序尋址、設置尋址和廣播尋址。順序尋址又稱為自動增量尋址，順序尋址時，從站地址由其在網段內的連接位置確定，其主要用于系統啟動階段，主站配置站點地址給各個從站。一、EtherCAT協議設置尋址時，從站地址與其在網段內連接位置無關，地址可以由主站在數據鏈路啟動階段配置給從站，也可以由從站在上電初始化時候從自身的配置數據存儲區裝載。廣播尋址，可以用在從站初始化或者在需要時候掃描所有從站狀態。邏輯尋址是按照映射到網段內邏輯地址的設備尋址，報文內的32位地址區作為整體的數據邏輯地址完成設備的邏輯尋址，這種方式需要由現場總線內存管理單元（FMMU，FieldbusMemoryManagementUnit）實現，通過FMMU將從站設備物理地址映射到網段內邏輯地址。二、EtherCAT通信模塊組成I/O端子模塊系統是由電子端子模塊組成的模塊化I/O系統，它是EtherCAT端子模塊的一種，現場總線信號在總線耦合器的內部，獨立于現場總線的端子模塊上傳輸，EtherCAT在傳輸至獨立的端子模塊時仍保留完整的協議，相對應的EtherCAT端子模塊適用于任何常用的數字量和模擬量信號類型。根據信號的種類以及信號相對于機器人端的輸入與輸出情況，可以將I/O端子模塊分為數字量輸入模塊、數字量輸出模塊、模擬量輸入模塊以及模擬量輸出模塊。如圖3所示，為不同廠商生產的EtherCATI/O端子模塊，它們通過耦合器掛在機器人控制器的擴展IO端口（X44）上，這些掛接在機器人系統的端子模塊都是總線系統的從站。圖3EtherCAT端子模塊二、EtherCAT通信模塊組成1.耦合器耦合器用于連接EtherCAT與EtherCATI/O端子模塊。一個站點由一個耦合器、任意多個EtherCATI/O端子模塊和一個總線末端端子模塊組成。耦合器的作用是將來自以太網傳輸段（100BASE-TX）的傳遞報文轉換為E-bus信號。如圖4所示，耦合器（EK1100）通過ActIn以太網接口與網絡相連，ActOut以太網接口可用于連接同一網段上的EtherCAT設備。在EtherCAT網絡中，可將耦合器安裝在以太網信號傳輸段中的任意位置，但注意部分型號不能直接安裝在交換機上。圖4EtherCAT耦合器(EK1100)二、EtherCAT通信模塊組成2.數字量模塊數字量模塊包括數字量輸入模塊和數字量輸出模塊。數字量輸入端子模塊從執行層設備（傳感器等）中采集二進制控制信號，并以電隔離的形式將這些信號傳輸到上層自動化單元。圖5所示模塊有16個數字輸入通道。數字輸出模塊接收來自自動化設備（如機器人等）的二進制控制信號，并以電隔離的形式將信號傳輸到執行層設備。數字輸出模塊一般具有極性反轉保護功能，可處理負載電流，并可防止輸出過載和短路。數字量各通道信號狀態通過LED顯示。通過使用單導線連接技術，電源觸點之間連成回路，所有輸入的參考接地都是0V電源觸點。圖5數字量輸入模塊(EL1809)(a)實物(b)觸點組件二、EtherCAT通信模塊組成3.模擬量模塊模擬量模塊包括模擬量輸入模塊和模擬量輸出模塊。模擬量輸入模塊用于處理一定電壓或電流范圍內的信號。由于總線是數字傳輸協議，因此在模擬量傳輸的中需要數字化處理。模擬量被數字化后的分辨率為12或16位等（各型號的分辨率有所不同），并在電氣隔離的狀態下被傳送到上一級自動化設備。模擬量輸入端為2線制型，由處理層設備供電，端子模塊的各個電源觸點互相連接。所有輸入端的基準為0V電源觸點。二、EtherCAT通信模塊組成圖6所示模擬量輸出模塊用于向處理層設備輸出0-10V范圍內的模擬量信號。模塊型號不同輸出的信號類型（電流/電壓）以及范圍都有所不同。端子模塊能夠為處理層提供分辨率為不同的電氣隔離信號。圖示端子模塊有4個模擬量輸出通道，所有輸出通道具有一個公共的0V電源觸點，各輸出端口均由24V電源供電。模擬量各通道信號狀態均可通過LED顯示。圖6模擬量輸出模塊(KL4004)(a)實物(b)觸點組件三、庫卡機器人的IO配置1.工業機器人的I/O通信方式1.1I/O信號與I/O端子模塊1.1.1I/O信號分類I/O信號分為兩大類：模擬信號與數字信號，兩者區別如下。（1）模擬信號模擬信號是指信息參數在給定范圍內表現為連續的信號。實際生產生活中的各種物理量，如攝相機攝下的圖像、錄音機錄下的聲音、車間控制室所記錄的壓力、流量、轉速、濕度等等都是模擬信號。模擬信號的頻率、幅度、相位都會因為時間的變化而出現連續變化。如圖7（a）所示，我們通常又把模擬信號稱為連續信號，它在一定的時間范圍內可以有無限多個不同的取值。三、庫卡機器人的IO配置（2）數字信號如圖7（b）所示，數字信號指自變量是離散的、因變量也是離散的信號，比如我們常見的二進制（0、1）就屬于數字信號當中的一種。數字信號在傳輸過程中不僅具有較高的抗干擾性，還可以通過壓縮，占用較少的帶寬，實現在相同的帶寬內傳輸更多、更高音頻、視頻等數字信號的效果，所以在數字電路中容易被處理，故其應用的范圍是比較廣泛的。(a)模擬信號(b)數字信號圖7信號分類三、庫卡機器人的IO配置

圖8模擬信號的數字處理三、庫卡機器人的IO配置1.1.2I/O端子模塊及分類I/O端子模塊系統是由電子端子模塊組成的模塊化I/O系統，它是EtherCAT端子模塊的一種，現場總線信號在總線耦合器的內部，獨立于現場總線的端子模塊上傳輸，EtherCAT在傳輸至獨立的端子模塊時仍保留完整的協議，相對應的EtherCAT端子模塊適用于任何常用的數字量和模擬量信號類型。根據信號的種類以及信號相對于機器人端的輸入與輸出情況，可以將I/O端子模塊分為數字量輸入模塊、數字量輸出模塊、模擬量輸入模塊以及模擬量輸出模塊。如圖9所示，為不同廠商生產的EtherCATI/O端子模塊，它們通過耦合器掛在機器人控制器的擴展IO端口（X44）上，這些掛接在機器人系統的端子模塊都是總線系統的從站。三、庫卡機器人的IO配置圖9EtherCAT端子模塊三、庫卡機器人的IO配置①耦合器耦合器用于連接EtherCAT與EtherCATI/O端子模塊。一個站點由一個耦合器、任意多個EtherCATI/O端子模塊和一個總線末端端子模塊組成。耦合器的作用是將來自以太網傳輸段（100BASE-TX）的傳遞報文轉換為E-bus信號。如圖10所示，耦合器（EK1100）通過ActIn以太網接口與網絡相連，ActOut以太網接口可用于連接同一網段上的EtherCAT設備。在EtherCAT網絡中，可將耦合器安裝在以太網信號傳輸段中的任意位置，但注意部分型號不能直接安裝在交換機上。圖10EtherCAT耦合器(EK1100)三、庫卡機器人的IO配置②數字量模塊數字量模塊包括數字量輸入模塊和數字量輸出模塊。數字量輸入端子模塊從執行層設備（傳感器等）中采集二進制控制信號，并以電隔離的形式將這些信號傳輸到上層自動化單元。圖11所示模塊有16個數字輸入通道。數字輸出模塊接收來自自動化設備（如機器人等）的二進制控制信號，并以電隔離的形式將信號傳輸到執行層設備。數字輸出模塊一般具有極性反轉保護功能，可處理負載電流，并可防止輸出過載和短路。數字量各通道信號狀態通過LED顯示。通過使用單導線連接技術，電源觸點之間連成回路，所有輸入的參考接地都是0V電源觸點。三、庫卡機器人的IO配置（a）實物（b）觸點組件圖11數字量輸入模塊(EL1809)三、庫卡機器人的IO配置

③模擬量模塊模擬量模塊包括模擬量輸入模塊和模擬量輸出模塊。模擬量輸入模塊用于處理一定電壓或電流范圍內的信號。由于總線是數字傳輸協議，因此在模擬量傳輸的中需要數字化處理。模擬量被數字化后的分辨率為12或16位等（各型號的分辨率有所不同），并在電氣隔離的狀態下被傳送到上一級自動化設備。模擬量輸入端為2線制型，由處理層設備供電，端子模塊的各個電源觸點互相連接。所有輸入端的基準為0V電源觸點。圖12所示模擬量輸出模塊用于向處理層設備輸出0-10V范圍內的模擬量信號。模塊型號不同輸出的信號類型（電流/電壓）以及范圍都有所不同。端子模塊能夠為處理層提供分辨率為不同的電氣隔離信號。圖示端子模塊有4個模擬量輸出通道，所有輸出通道具有一個公共的0V電源觸點，各輸出端口均由24V電源供電。模擬量各通道信號狀態均可通過LED顯示。三、庫卡機器人的IO配置（a）實物（b）觸點組件圖12模擬量輸出模塊(EL4004)三、庫卡機器人的IO配置1.2任務操作——I/O端子模塊的硬件連接（1）任務要求I/O端子模塊正確接入工業機器人系統是機器人系統信號順利配置的前提。本次任務主要包括三方面內容。①四種類型的I/O端子模塊與耦合器的組合；②耦合器的供電接線以及接地保護；③耦合器與機器人控制系統的連接。三、庫卡機器人的IO配置（2）任務實施序號操作步驟示意圖1對準耦合器與I/O端子模塊的卡扣，依次將四個I/O端子模塊與耦合器組合。2將組合好的端子模塊硬件裝入機器人控制柜內。三、庫卡機器人的IO配置序號操作步驟示意圖3根據圖4-6所示的耦合器電源觸點輸入，將控制柜內部24V電源接入耦合器。4將工業以太網線纜一端插入控制柜I/O擴展端口X44上，另一端插入耦合器的信號輸入網口。三、庫卡機器人的IO配置序號操作步驟示意圖5將線纜將端子模塊的節點端口（PE）與機器人控制柜接地保護線連接在一起。6開啟機器人控制系統，如果耦合器上的電源LED常亮，則I/O端子模塊電源線接入正確。硬件接線完畢。三、庫卡機器人的IO配置2.WorkVisual軟件與系統配置2.1工業機器人控制系統項目的配置如果將工業機器人控制系統比作office辦公軟件，那么項目就是一個word文檔。在工業機器人控制系統項目中包含了工業機器人的控制系統組件、機器人本體信息、總線結構、安全控制以及RoboTeam（多機協作）配置等部分。即使有相同的硬件組成，不同的配置項目也會讓機器人的控制系統適應與不同的生產需求。工業機器人控制項目的配置需要使用WorkVisual軟件完成，其流程主要分為以下幾個步驟，具體如圖13所示。項目的具體配置方法可分別參考任務4.2及4.3中對應的任務操作。其中編輯信號注釋為非關鍵步驟，在連接總線之后也可直接生成代碼并導出。三、庫卡機器人的IO配置圖13項目配置流程三、庫卡機器人的IO配置2.2WorkVisual軟件的功能于由KRC4控制的機器人工作單元的工程環境軟件WorkVisual用于由庫卡機器人控制系統（KRC）控制的機器人工作單元的工程環境，其操作界面及各部分功能可詳見附錄I。WorkVisual軟件具有以下功能（部分）：①可以將項目從機器人控制系統傳輸到WorkVisual的工程環境。在每個具有網絡連接的機器人控制系統中都可選出任意一個項目并傳輸到WorkVisual里，即使電腦中尚沒有該項目時也能實現。②將項目與其它項目進行比較，如果需要則應用差值。一個項目可以與另一個項目比較，比較對象可以是機器人控制系統上的一個項目或PC中保存的項目，用戶可針對每一個不同點單獨決定是否沿用當前項目中的狀態還是想采用另一個項目中的狀態。③在線顯示機器人控制系統的系統信息三、庫卡機器人的IO配置④編輯安全配置安全配置包括機器人控制系統的信息、機器數據、通訊參數、各軸監控等。⑤對機器人離線編程可在WorkVisual軟件環境中新建程序模塊并鍵入程序指令，也可進行程序模塊在軟件中的導入與導出。⑥管理長文本編輯，即信號的注釋。⑦管理備選軟件包，如焊接工藝包KST_ArcTeach_Basic等⑧診斷功能⑨離線配置RoboTeam通過配置RoboTeam可實現最多四臺機器人以團隊形式進行協同作業。此外機器人還可以與附加軸運動系統（例如工件定位器或機器人線性軸）進行同步，以便執行在時間和空間上的協調運動。三、庫卡機器人的IO配置2.3任務操作——導入設備說明文件（1）任務要求EtherCAT的從站說明文件叫做EtherCATSlaveImplementation（ESI），此文件目的是描述可配置設備從站的具體功能以及可配置項目。為了可在WorkVisual中使用一個I/O設備，軟件需要先導入該設備的說明文件才能在項目中配置該I/O模塊。設備說明文件需從設備生產廠家處獲得。三、庫卡機器人的IO配置本任務將BeckhoffEtherCAT產品對應的XML設備說明文件導入WorkVisual軟件，導入文件見表1。表1待導入設備說明文件文件名稱（.xml）注釋BeckhoffEK11xx耦合器說明文件BeckhoffEL1xxx數字輸入模塊設備說明文件BeckhoffEL2xxx數字輸出模塊設備說明文件BeckhoffEL3xxx模擬輸入模塊設備說明文件BeckhoffEL4xxx模擬輸出模塊設備說明文件三、庫卡機器人的IO配置（2）任務實施序號操作步驟示意圖1選擇菜單欄中“文件”>“Import/Export”。2選擇“導入設備說明文件”，點擊“繼續>”按鍵，進入待導入文件查找界面。三、庫卡機器人的IO配置序號操作步驟示意圖3點擊“查找…”按鈕，導航到存放文件的目錄。選擇“BeckhoffEL1xxx”文件，點擊“打開”。提示：在文件名右側邊框的下拉選項中需要選擇“EtherCATESI”，如右圖所示。4在待導入文件查找界面點擊“繼續>”，即進入右圖所示的設備說明界面，點擊“完成”按鍵。三、庫卡機器人的IO配置序號操作步驟示意圖5待導入成功后，即樣本更新后，點擊關閉。6參考步驟1~步驟5，將表4-1所列文件全部導入軟件，點擊“關閉”。導入成功后界面如右圖所示。現可以在樣本中使用已導入的文件。三、庫卡機器人的IO配置2.4任務操作——樣本掃描（1）任務引入樣本即為可掛接在機器人系統中的設備單元的說明文件，在軟件安裝、更新或新導入設備說明文件之后，需要進行樣本掃描操作，以使WorkVisual軟件識別當前用戶需要使用的設備樣本。本任務需要在未打開項目文件時執行。三、庫卡機器人的IO配置（2）任務實施序號操作步驟示意圖1選擇菜單欄中“工具”>“DTM樣本管理”。2點擊“查找安裝的DTM”按鍵。WorkVisual將在PC中查找相關的文件。查找結果將被顯示。三、庫卡機器人的IO配置序號操作步驟示意圖34所選文件將在區域“當前的DTM樣本”中顯示。點擊“OK”。樣本掃描完畢。三、庫卡機器人的IO配置2.5任務操作——連接WorkVisual與工業機器人控制系統（1）任務要求連接WorkVisual（PC端）與機器人控制系統是配置機器人系統項目以及項目導入與導出的必要條件。在連接時，機器人系統需處于“專家”用戶組，并且確保PC與機器人的IP地址在同一網段的不同位置。三、庫卡機器人的IO配置（2）任務實施序號操作步驟示意圖1將工業以太網線纜一端接在電腦網絡端口（左），另一端接在機器人控制柜的X66端口（緊湊型）提示：非緊湊型控制柜為KL1網口。

2在示教器中操作，將用戶切換至“專家（Expert）”模式。三、庫卡機器人的IO配置序號操作步驟示意圖3在主菜單界面，選擇“投入運行”，點擊“網絡配置”，查看機器人的IP地址。4記錄右圖所示的機器人IP地址和子網掩碼。三、庫卡機器人的IO配置序號操作步驟示意圖5PC端選擇“控制面板”>“網絡和Internet”>“網絡和共享中心”，點擊PC的“以太網”。6在“以太網狀態”界面點擊“屬性”，進入以太網屬性界面，選擇“Internet協議版本（TCP/IPv4）”，點擊“屬性”。三、庫卡機器人的IO配置序號操作步驟示意圖7將PC的IP地址更改如右圖所示，點擊“確定”。然后查看PC網絡狀態，若出現“黃色感嘆號”

，說明已與機器人連接成功。提示：IP地址前三位需要與機器人相同，IP地址最后一位可以取2~255任意值，但不能與機器人相同。子網掩碼要與機器人全部相同。三、庫卡機器人的IO配置2.6任務操作——載入并激活控制系統配置項目（1）任務要求創建新項目有以下三種方式。①建立一個空項目借助模板創建項目在現有項目的基礎上修改項目為保證只修改機器人I/O信號的配置，避免因項目中其他的設置產生改變導致不可預見的問題，本任務要求在4.2.4~4.2.5任務完成的前提下，在機器人現有項目的基礎上修改項目。三、庫卡機器人的IO配置（2）任務實施序號操作步驟示意圖1選擇菜單欄“文件”>“查找項目”。2點擊“更新”，在可用的單元界面顯示已連接機器人控制器的項目。選擇該項目并打開。提示：若未查找到項目，需參考4.2.5，重新連接Workvisual與機器人控制系統。三、庫卡機器人的IO配置（2）任務實施序號操作步驟示意圖3打開項目后，右鍵控制器選擇“設為激活的控制器”。直接雙擊該控制器，也可完成激活。4激活后的項目如右圖所示。提示：在不確定的情況下，不能改變機器人激活項目的任意參數，否則可能造成控制系統報錯，甚至導致機器損壞。三、庫卡機器人的IO配置2.7任務操作——配置I/O端子模塊（