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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都是很敏感的，而強健的系統又不會很快。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，在工業通信領域，性能（通信效率）和可靠性（系統錯誤帶來的影響）有著緊密聯系。然而，取決于不同的技術，其關系是令人驚訝的：高效導致系統在發生錯誤時變得不穩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。一旦發生錯誤，何時、何地、發生什么情況以及發生的原因是關鍵問題，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，人們必須關注數據的一致性。

以太網已經盛行于很多應用中。采用100 Mbit/s（快速以太網）的物理數據傳輸，其物理數據傳輸的強健性已經在工業領域得到證實。因此，我們需要討論的是物理層之上協議層的效率及相關可靠性。

給每個I/O一個獨立的數據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議開銷的調查。如果每個網絡參與者都使用一個單獨的以太網幀將導致巨大的協議開銷，因為即使發送最小幀也有84 byte (如圖1 )，而每個網絡參與者（節點）典型的有效負載是小于8 byte（比如CAN是1到8之間），這導致了超過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據幀造成影響。

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

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

盡管以太網物理層通常是強健的，但強的電磁干擾信號還是可以導致通信錯誤。相比傳統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絡周期內錯誤概率要小得多。

正常情況下，大多數的網絡應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聯都會造成嚴重情況。在本文開頭介紹的比較現實的例子中，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。

位錯誤的數量不會對處理質量產生影響

在運動控制應用中，出現單個通訊錯誤時，需要使用困難的算法來插入目標值和實際值。獨立數據幀的通訊方式會帶來幾乎不可預見的結果，尤其當幾個軸耦合時。因此這種有更高錯誤周期率的級聯會產生危險。此外，該解決方案底至10%的效率甚至增加了錯誤周期率，使得實現可靠的應用控制更為困難。

速度和位置的控制問題也關系到運動控制本身。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量和所得到的控制誤差沒有直接的依賴關系。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

每個節點對應一個單獨的數據幀的傳輸方式的另一個問題是錯誤隔離。一般來說以太網可以避免傳播干擾，因為每個連接點都是由一個特殊的收發器控制。現在的以太網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生，例如電源干擾可以在同一個時刻影響多個節點。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議的設備，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期差，對屏蔽的干擾可能會出現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這樣的普通數據幀，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標準定義的典型交換機轉發，這種方式至少要比EtherCAT慢10倍，因為它要同時將不同的幀發送給不同的網絡參與者。這個過程會產生很大的時間延遲，并導致干擾傳輸的情況下影響多個不同的的數據幀。因此，不同周期或通信類型的數據會被影響。出于這個原因，干擾傳播是一個非常關鍵的因素，它某種形式上總是意味著多米諾效應。

EtherCAT技術則相反，轉發時間非常短，以至于即使干擾發生在數據幀頭的位置，也不會影響旁邊站點上的前一個幀的末尾數據。

當幾個獨立幀被影響，產生的錯誤類型很難定義。一些輸入數據是新的，其他是舊的，從而判斷只有單獨錯誤的方法是不正確的，它需要特別復雜的錯誤處理策略。

此外，大多數交換機/橋在接收到正確數據幀后才會轉發（存儲和轉發），這會導致每個接口會接受不同的數據幀，這樣干擾傳播會影響大量的數據幀。

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據請求發給從站，然后由從站返回直接反饋。這種重復的轉發時間是對周期時間的一個限制。而且對于丟失單個輸出數據幀的反應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，直到錯誤超時觸發系統，通常需要三個周期。

圖3：慢速處理多個數據幀的影響

相反地，EtherCAT從站可以直接進行反饋。快速的轉發使得輸入數據在輸出數據傳輸完成后出現在主站當中。如果反饋失敗，主站可以立即開啟對應處理，而且得益于超小的轉發變動使得精確的超時成為可能。

原則上，EtherCAT的形式像一個傳統現場總線，可以安排立即重發。因為后者在主站進行更加復雜的錯誤處理，實際過程數據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舊的過程數據。EtherCAT更關注短的周期時間，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：相比獨立數據幀，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據處理的魯棒性。這也使得產品具有更好的質量及更快的錯誤反應。通過減少的周期時間來提高提高產品質量是非常好的方法，甚至是在出現錯誤的情況下。如果沒有錯誤發生則質量還能進一步提升。因此，即使在有干擾的環境中，EtherCAT也可以成功的運行。

圖4:EtherCAT直接反饋方式

總結

總之，EtherCAT是可靠的網絡設計的基礎，降低了帶寬使用量，從而減少了錯誤頻率，快速的數據幀轉發避免了干擾的傳播。得益于以太網的對等連接，反射和其它干擾被避免了，使得錯誤概率極低，錯誤發生的地方也很容易檢測，從而通信更可靠。

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

EtherCAT印證了自動化技術的基本原則：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

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