EtherCAT介紹12: EtherCAT匯流排的安全性Safety over EtherCAT

 概述

國內目前對設備安全的認證實際上基本上沒有，僅有的是加一些急停、安全門等那已經算不錯的了。

而我們一些出口到歐美的設備，如果沒有這些安全性的標準認證，那是不予驗收的。

誠然，如果要設備符合安全標準，那增加的成本是成倍數的，當然客戶也能接受這樣的成本，售價自然也會高點。但是，真正掌握設備的安全設計實際上理論性的和實踐性的經驗都是非常寶貴，掌握這些的工程師相對較少。掌握最基礎的費用也不低。人均2400RMB呢。

如果您是EtherCAT匯流排伺服、IO模組等研發企業或組織，可以深入研究這一塊，開發和定製FSOE功能的控制器和IO等產品，國內是個空白市場（個人觀點，如果國內已經有了，請留言區留下具體產品信息）。

FSOE（Safety Over EtherCAT）

除了採用安全感測器（如光幕、安全門監控設備或雙手控制單元）通常通過評估設備進行監控，並通過硬接線邏輯影響安全輸出，目前也出現了一種新趨勢：自動化組件和通信系統中的智能安全解決方案允許將安全技術整合到機器設計中。

高級通信系統不僅提供控制信息的確定性傳輸，還允許在同一介質上傳輸安全相關數據。

而EtherCAT協議的安全性解決方案基于Safety over EtherCAT協議。

FSOE協議在EtherCAT技術組(ETG)內披露，旨在實現EtherCAT上的安全數據通信。該協議的特點包括：

符合IEC 61508的SIL 3標準。

同一通信系統上傳輸安全和非安全信息。

協議獨立於傳輸系統和介質。

安全過程數據的長度不受協議限制。

可能實現非常短的幀長度。

傳輸速度和週期時間不受限制。

Safety over EtherCAT技術包括軟件架構和硬件架構。該協議通過德國技術檢驗協會(TÜV)的評估，並被認證為符合IEC 61508 SIL 3標準的用於在Safety over EtherCAT設備之間傳輸過程數據的協議。

好處

採用這種協議的好處有：

將安全概念無縫整合到機器設計中。

無需為標準和安全應用開發單獨的工具。

簡單處理和透明的安全功能。

安全功能提供出色的診斷選項。

控制和安全信息使用單一通信系統。

實時和確定性方面沒有性能限制。

靈活的擴展選項。

例如，在倍福系統裡面可以採用SafetyInput輸入模組及SafetyOutput輸出模組接入安全性的感測器信號和安全輸出信號，而且也支持伺服驅動器的Safety Drive；同時可以在同一系統（Automatic Logic）裡面直接添加安全控制的邏輯（SafetyLogic），非常的便捷。

當然，關於這塊的詳細技術說明，一篇文章不足以完全說清楚，詳情還請大家查閲參考連結的文獻資料。

參考資料：

https://www.kebamerica.com/blog/what-is-failsafe-over-ethercat-fsoe/

https://www.ethercat.org/en/safety.html

https://www.ethercat.org/pdf/englishpcc0107_safety_over_ethercat_e.pdf

EtherCAT介紹11：EoE/CoE/FoE等

 設備行規（Device Profile）

設備通信行規（Device Profile）描述了應用參數和設備的功能行為，包括設備類特有的狀態機。

對於許多設備類別，現場匯流排技術已經提供了可靠的設備配置檔案，例如 I/O設備、驅動器或閥門。用戶熟悉這些配置檔案以及相關參數和工具。因此，沒有為這些設備類別開發專門的EtherCAT設備配置檔案。取而代之的是為現有設備配置檔案提供了簡單的介面。這將極大地幫助用戶和設備製造商從現有現場匯流排遷移到EtherCAT的過程中提供極大的幫助。

為了支持更多種類的設備以及更廣泛的應用層，主要建立了以下 EtherCAT 通信行規：

基于EtherCAT的CAN應用協議（CoE） 

符合IEC 61800-7-204標準的伺服驅動設備行規（SoE） 

Ethernet over EtherCAT（EoE） 

File access over EtherCAT（FoE） 

ADS over EtherCAT（AoE）

CoE

CANopen over EtherCAT (CoE) 使用 CoE 協議，EtherCAT 可提供與 CANopen® 標準 EN 50325-4 相同的通信機制：包括對 像字典、過程數據對象映像（PDO）以及服務數據對象（SDO），甚至相似的網絡管理。因 此，在已經實施了 CANopen 的設備中，僅需稍加變動即可輕鬆實現EtherCAT，而且絶大部 分的 CANopen 韌體甚至都能得以重複利用。可以突破 8 位元組的 PDO 限制，並可使用 EtherCAT 增強的頻寬資源實現整個對象字典的上傳。

另外，設備行規，如驅動器行規CiA402，也可 以被重複應用EtherCAT。例如下方在CODESYS編輯器中添加IndraDrive_MPB20_21_CoE的伺服：

基于這種方式就可以精確定位到故障節點位置，還有可能發生故障的具體信息，方便我們進行故障的排除和解決。

EoE

Ethernet over EtherCAT（EoE）EtherCAT 仍使用乙太網物理層和乙太網數據幀。

乙太網也通常與基于 TCP/IP 協議的 IT應用數據傳輸聯繫在一起。使用 EoE 協議，可以在 EtherCAT 網段實現乙太網數據的傳輸。乙太網設備通過交換機 連接埠與EtherCAT網段連接。乙太網數據幀通EtherCAT 協議進行傳輸，就其自身而言，與 互聯網協議（例如，TCP/IP、VPN、PPPoE（DSL）等）相似，這使得EtherCAT網絡對乙太網 設備完全透明。帶有交換機連接埠的設備負責將 TCP/IP 數據片段插入到 EtherCAT 數據流中， 避免了對網絡實時性的影響。

另外，EtherCAT 設備也可以支持乙太網協議（例如 HTTP 協議），因此在 EtherCAT 網段 外，這些 EtherCAT 設備看上去就像一個標準的乙太網節點。主站設備如同一個鏈路層交換 機，根據各個節點的 MAC地址通過 EoE 發送數據幀給對應的節點。諸如整合 web伺服器、 電子郵件、FTP傳輸等所有的互聯網技術都可以在 EtherCAT 環境中得以應用。

其他

Servo Profile over EtherCAT（SOE） SERCOS™ 被認為是一種實時通信介面，尤其適用於運動控制。用於伺服驅動的 SERCOS™行規屬於國際標準 IEC 61800-7 的範疇。標準還包含了該行規對應于 EtherCAT 行規的 映射。包含訪問驅動內部參數和功能的服務通道被映射到 EtherCAT 郵箱。

File access over EtherCAT（FoE）FoE 協議與 TFTP（Trivial File Transfer Protocol）協議類似，可通過網絡訪問設備中的檔案 以及將統一的韌體跨網絡上傳到設備。FoE 協議有意識地用一種精簡模式定義，因此可由 BootLoader 程序支持，而無需 TCP/IP 協議堆棧。

ADS over EtherCAT (AoE)作為基于郵箱的客戶端-伺服器協議，ADS over EtherCAT（AoE）由 EtherCAT 規範定義。諸如基于 EtherCAT 的 CAN 應用協議（CoE）提供了詳細的語義概念，而 AoE 則通過路由和 並行服務完美地補充了無論何種用例所需的這些功能。例如，使用來自PLC程序的（CANopen®、IO-Link™等）網關設備通過 EtherCAT 訪問子網。與因特網協議（IP）提供的類似服務相比，AoE 的開銷要小得多。發送方和接收方尋 址參數始終包含在 AoE 報文中，因此，對伺服器和客戶端的實施可以非常精簡。AoE 可以 選擇通過 EtherCAT 自動化協議（EAP）進行非週期性數據通信。因此，可以通過網關連接 實現 MES 系統、EtherCAT 主站和從站現場匯流排設備之間的無縫通信。AoE 服務作為一種標 準意味著它能夠從遠程診斷工具獲取 EtherCAT 網絡診斷信息。

EtherCAT介紹10：取代PCI

 PCI

PCI(Peripheral Component Interconnect)是 一種由英特爾（Intel）公司1991年推出的用於定義局部匯流排的標準。此標準允許在計算機內安裝多達10個遵從PCI標準的擴展卡。

PCI插槽是基于PCI局部匯流排的擴展插槽，其顏色一般為乳白色，位於主板上AGP插槽的下方，ISA插槽的上方。其位寬為32位或64位，工作頻率為33MHz,最大數據傳輸率為133MB/sec(32位)和266MB/sec(64位)。可插接顯卡、音效卡、網卡、內置Modem、內置ADSLModem、USB2.0卡、IEEE1394卡、IDE介面卡、RAID卡、電視卡、視頻採集卡以及其它種類繁多的擴展卡。PCI插槽是主板的主要擴展插槽，通過插接不同的擴展卡可以獲得目前電腦能實現的幾乎所有功能，是名副其實的“萬用”擴展插槽。

取代PCI

在這種PCI卡的應用中，基本上用卡就可以行了。如下圖一般的連接和系統框架：

但是這裡面有幾點值得考慮：

1）接線和佈線。這種方式必須要考慮到PCI的介面穩固性，然後還需要接很大的綫纜。

2）多軸。如果軸數，IO數量多時，這種方式要插太多卡，每個卡上面需要接密密麻麻的綫纜。

3）體積。帶卡槽的工控機一般的體積都很大，美觀和安裝空間還有散熱等都要考慮。

通過EtherCAT匯流排方案，控制器就能把上述所有的功能放到類似上圖的高性能控制器中，不要考慮擴展卡槽等結構可能出現的接觸不良等問題。

當然，我們遇到類似的方案時，需要綜合考慮客戶的需求和習慣，還有成本週期等因素，最後選擇合適的方案。