在IT网络中操作EtherCAT设备
想象一个IT和OT网络无缝融合在一起的工厂——基于EtherCAT的设备可以直接从IT服务器室控制，而不需要专门的网关。
acontis技术允许用户使用标准IT网络作为EtherCAT的透明传输媒介，并为EC-Master主站软件提供功能包EOM。
acontis Feature Pack EOM的基础是EtherCAT的两种操作模式之一：直接模式和开放模式，每种模式根据现场应用服务于不同的目的。
- EtherCAT直接模式：将EtherCAT主站与EtherCAT网络直连。这是目前大多数EtherCAT系统的常见操作模式。
EtherCAT直接模式具有高效、易于配置、更小的延迟和最佳的实时性能，这使其成为需要快速响应时间的控制应用场景下的理想选择。
- EtherCAT开放模式 (EOM): EtherCAT主站与使能EOM的从站之间使用标准的IP通信方式连接，该子设备还将EtherCAT报文转发给与该使能EOM的设备直接连接的其他EtherCAT子设备。
EtherCAT开放模式通过允许与标准IT基础设施的集成和EtherCAT主站的集中操作提供了更大的灵活性，尽管这是以增加可变延迟为代价的。
了解性能和灵活性之间的权衡是为您的应用程序选择合适模式的关键-更多细节请参阅我们的博客：什么是EtherCAT开放模式？
EtherCAT直接模式
在直接模式下，一个EtherCAT网段直接连接到EtherCAT主站，如图1所示。
以太网帧的MAC地址字段将被忽略。为了通信，所有EtherCAT从站都使用EtherCAT从站控制器（ESC），而主站使用标准的以太网端口。
直接模式是使用EtherCAT设备协议（EDP）的应用程序的标准模式。它不需要交换机，因为从站通常有两个或更多端口，可以启用菊花链和其他拓扑结构。在直接模式下，EtherCAT独占主站中的以太网控制器。
直接模式的主要优点之一是“动态处理”原理，该原理与从站中的非常低的延迟相同，可以实现控制周期时间为1ms或更快的硬实时测量和控制应用。
（图）
图1：直接模式下的EtherCAT段
EtherCAT开放模式
EtherCAT主站使用标准的IP通信方式与分散的EtherCAT网段连接。
直接模式通常因其效率和实时性能而被使用，而开放模式通过允许与现有IT基础设施集成而提供了更大的灵活性。
在EtherCAT开放模式（EOM）中，一个或多个EtherCAT段可以连接到标准（现有）交换设备。当将EtherCAT网络集成到更大的共享IT环境中时，这种模式特别有用。
EtherCAT段中的第一个设备具有代表整个段的ISO/IEC 8802-3 MAC地址。该设备称为“EOM设备”，在以太网帧内用源地址字段替换目的地址字段，用自己的MAC地址替换源地址字段。这确保了如果帧遵循EtherCAT的编码规则，它将被所有从站处理后能顺利返回到EtherCAT主站。
任何标准EtherCAT从站都可以直接连接到EOM设备上，实现远程EtherCAT网段。
与EtherCAT直接模式相同，EtherCAT开放模式也使用EtherCAT设备协议（EDP）通过交换网络在主设备和子设备之间进行通信。为了通过交换网络传输EtherCAT电报，使用了标准的IP通信方法，如UDP。
如果EtherCAT系统在交换网络中使用UDP， EOM设备将以与MAC地址相同的方式处理源和目的IP地址以及UDP源和目的端口号。这确保了响应帧完全满足UDP/IP协议标准。
这也确保了其他协议（如TCP/IP）可以并行地共享相同的IT基础设施。
使用一台EtherCAT主站的EOM网络拓扑示例
acontis EOM扩展包使系统设置更加灵活：EtherCAT主站不能直接连接到机器内的EtherCAT从站，但它可以位于工厂内更合适的位置，例如：在一个受保护的服务器室控制气压。
EtherCAT主站使用其标准以太网端口传输EtherCAT EDP帧，例如通过UDP传输到目标EtherCAT段的第一个设备。该设备接收到来自EtherCAT主站的帧，进行相应的处理并转发到本地EtherCAT段。这个EtherCAT段由标准EtherCAT从站组成-在这个段内的操作与EtherCAT直接模式相同，提供最小的抖动和低延迟，因为使用了标准EtherCAT从站。
在EtherCAT主站和EOM设备之间，显示了一个标准的IT网络-具有多个交换设备以及使用TCP/IP等协议的IT设备的同时操作。这部分的抖动和延迟是高度动态的，取决于运行期间的网络流量和系统修改。通过对网络的监控和对交换机的优化配置，可以提高该网络部分的实时性，直接影响到EtherCAT系统的性能。
图2：两个独立的EtherCAT段由两个主站使用EtherCAT开放模式操作
EC-Master软件架构与EtherCAT开放模式
EC-Master软件体系结构对EtherCAT Open Mode的适应主要体现在一个特殊的接口层
- 在EC-Master Core和现场验证的acontis实时以太网驱动程序之间添加了“EtherCAT开放模式层”。EOM层提供所有必要的功能，通过UDP或RAW帧传输EtherCAT设备协议，使其能够通过交换网络传输到目标EtherCAT网段。这包括基本的帧设置以及管理源地址和目标地址。
- 应用程序编程接口以及相关的代码示例支持初始化EOM层的附加函数调用，并且还提供了往返时间测量的非常多的函数，包括最小值、最大值和平均值。
该测量功能是监测和评估基于底层交换IP网络的EtherCAT系统可能性能的关键——根据测量结果，如果需要对交换IP网络进行额外优化以达到所需的抖动和反应时间，则可以很容易地确定其实时行为是否适合目标应用。
- 文档包括扩展的API描述以及配置EtherCAT主站函数和EOM层的说明
图3：使用acontis EOM扩展包的EC-Master软件架构
EtherCAT开放模式的主要优点和局限性
在EtherCAT开放模式下使用交换网络引入了许多机会，但也需要注意一些权衡，以实现最佳解决方案。
从积极的方面来看，开放模式提供了灵活性，可以将EtherCAT与现有的IT基础设施集成在一起，可以自由地放置EtherCAT主站，远离机器的恶劣环境。然而，由于所有以太网帧共享相同的基础设施，并且交换机通常在“存储和转发”的基础上运行，这导致与EtherCAT直接模式网络相比，EtherCAT EOM系统中的延迟明显更高。这些延迟是不一致的，不能提前精确计算，这影响了可实现的最小周期时间。可实现的性能在很大程度上取决于特定的IT网络、其配置和当前的网络负载。
灵活性和延迟之间的关键权衡：
灵活性：与现有IT基础设施集成，允许混合操作。
延迟：由于共享基础设施和“存储转发”交换，导致更高且不确定的延迟。
周期时间影响：可实现的最小周期时间受网络配置和负载的影响。
EOM的其他好处包括提高可靠性，因为EtherCAT主站可以放置在安全和受保护的环境中，例如IT服务器机房，与直接在机器上的恶劣环境相比，它对控制器的压力要小得多。此外，集中式控制器为维护提供了好处，因为这可以使用现有的IT框架来实现。
EOM还提供了快速使用辅助主站的机会，因为连接可以通过IT网络完成，不需要任何重新布线或硬件安装。
总的来说，EOM还可以提供成本效益，因为现有的IT基础设施可以为OT系统重用，并且每个EtherCAT主站能够控制多个分离的远程EtherCAT段。
另一方面，EOM也有一些限制，在系统设计时需要注意。这些限制包括由于it网络带来的更高延迟和动态抖动而导致的有限实时功能。此外，EtherCAT系统的配置也趋于复杂，因为它还包括EtherCAT主站和EOM设备之间基于IP的通信，为了实现良好的EtherCAT性能，优化IT网络配置需要IT知识。
最后但并非最不重要的是，与直接模式下的EtherCAT网络相比，网络安全方面与EOM更相关：EtherCAT主站和EtherCAT网段应在受保护的网络内，并且需要考虑通过IT网络对EtherCAT主站和EOM设备的额外攻击向量。