1 網(wǎng)關(guān)概述：架起高速實(shí)時(shí)以太網(wǎng)與工業(yè)通用協(xié)議的橋梁

在工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)中，EtherCAT因其高速、高實(shí)時(shí)性的特性，在控制器與高性能驅(qū)動(dòng)器、IO模塊間得到廣泛應(yīng)用；而Modbus TCP則以其簡(jiǎn)單、通用、成本低廉的優(yōu)勢(shì)，在連接變頻器、流量計(jì)、溫度采集模塊等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備方面占據(jù)重要地位。三格電子推出的EtherCAT轉(zhuǎn)ModbusTCP網(wǎng)關(guān)，型號(hào)：SG-ECAT_S-TCP。正是為了解決這兩種協(xié)議之間的互聯(lián)互通難題而設(shè)計(jì)。

這款網(wǎng)關(guān)采用數(shù)據(jù)映射的核心工作方式，在EtherCAT側(cè)作為從站，連接TwinCAT、CodeSYS等主流PLC系統(tǒng)；在Modbus TCP側(cè)則可根據(jù)需要靈活配置為主站或從站，從而實(shí)現(xiàn)了EtherCAT網(wǎng)絡(luò)與Modbus TCP網(wǎng)絡(luò)之間的雙向數(shù)據(jù)透明傳輸。這使得用戶無(wú)需深入了解復(fù)雜的協(xié)議細(xì)節(jié)，即可快速實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成，顯著降低了工程門檻和升級(jí)改造成本。

2 產(chǎn)品架構(gòu)與工作原理

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

三格電子的EtherCAT轉(zhuǎn)ModbusTCP網(wǎng)關(guān)采用經(jīng)典的雙棧協(xié)議處理架構(gòu)。其核心是在硬件平臺(tái)之上分別實(shí)現(xiàn)EtherCAT從站協(xié)議棧和Modbus TCP主/從站協(xié)議棧，通過(guò)內(nèi)部的數(shù)據(jù)映射區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

2.2 工作原理與數(shù)據(jù)流

網(wǎng)關(guān)工作的核心是數(shù)據(jù)映射機(jī)制。其具體數(shù)據(jù)處理流程如下：

EtherCAT數(shù)據(jù)接收：網(wǎng)關(guān)的EtherCAT從站接口接收來(lái)自主站的周期性子報(bào)文。

協(xié)議解析與數(shù)據(jù)提取：專用芯片解析EtherCAT幀，將過(guò)程數(shù)據(jù)提取到輸入映射區(qū)。

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與重組：根據(jù)預(yù)設(shè)的映射規(guī)則，將數(shù)據(jù)重新組織成Modbus TCP請(qǐng)求幀格式。

Modbus TCP通信：網(wǎng)關(guān)作為主站時(shí)，主動(dòng)向Modbus TCP從站設(shè)備發(fā)送請(qǐng)求；作為從站時(shí)，則等待并響應(yīng)主站的請(qǐng)求。

反向數(shù)據(jù)流：Modbus TCP側(cè)接收到的數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)類似的反向處理過(guò)程，被更新到EtherCAT的輸出映射區(qū)，供下一個(gè)周期EtherCAT主站讀取。

這種設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了兩種協(xié)議之間的透明傳輸，用戶只需關(guān)注數(shù)據(jù)的源地址和目標(biāo)地址的映射關(guān)系，無(wú)需關(guān)心底層的協(xié)議轉(zhuǎn)換細(xì)節(jié)。

3 硬件設(shè)計(jì)深度解析

3.1 核心硬件配置

EtherCAT從站芯片：網(wǎng)關(guān)采用AX58100作為EtherCAT從站專用芯片。該芯片專為工業(yè)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)設(shè)計(jì)，支持FreeRUN模式，能夠高效處理EtherCAT協(xié)議，確保通信的實(shí)時(shí)性和確定性。

處理器與內(nèi)存：為保證數(shù)據(jù)處理的效率，網(wǎng)關(guān)配備了性能充足的處理器和雙端口內(nèi)存，用于實(shí)現(xiàn)EtherCAT過(guò)程數(shù)據(jù)與Modbus TCP數(shù)據(jù)區(qū)之間的高速交換。

3.2 接口與電源設(shè)計(jì)

通信接口：

EtherCAT接口：提供2個(gè)RJ45以太網(wǎng)接口，支持100BASE-TX，具備MDI/MDIX自檢測(cè)功能。需要注意的是，這兩個(gè)網(wǎng)口嚴(yán)格區(qū)分輸入和輸出，用于組成EtherCAT典型的鏈?zhǔn)酵負(fù)?，不能像普通交換機(jī)那樣隨意連接。

配置接口：提供一個(gè)獨(dú)立的配置口，用于連接電腦進(jìn)行網(wǎng)關(guān)參數(shù)設(shè)置。

電源設(shè)計(jì)：網(wǎng)關(guān)采用9-36V寬電壓直流輸入，典型值為12V/70mA。支持雙電源冗余供電，并帶有過(guò)壓、過(guò)流保護(hù)功能，適應(yīng)工業(yè)環(huán)境的嚴(yán)苛要求。電源接口支持壓線端子和圓頭電源兩種接法。

3.3 狀態(tài)指示與診斷

網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)了六個(gè)LED指示燈，提供直觀的狀態(tài)診斷信息：

PWR：電源指示燈，常亮表示供電正常。

SYS：系統(tǒng)狀態(tài)燈，正常工作時(shí)閃爍。

OP：EtherCAT狀態(tài)指示燈，常亮表示網(wǎng)關(guān)已進(jìn)入EtherCAT的OP狀態(tài)（操作狀態(tài)），與主站通信正常。

CAN（或類似通信指示）：用于指示Modbus TCP側(cè)的數(shù)據(jù)收發(fā)狀態(tài)。

此外，網(wǎng)關(guān)還設(shè)有恢復(fù)出廠設(shè)置按鍵。當(dāng)配置錯(cuò)誤導(dǎo)致工作異常時(shí)，可通過(guò)按住此按鍵后重新上電的方式清除當(dāng)前所有配置，恢復(fù)到出廠默認(rèn)狀態(tài)。

4 關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)與性能指標(biāo)

4.1 EtherCAT性能參數(shù)

協(xié)議支持：支持COE協(xié)議。

PDO數(shù)量：支持最多64個(gè)TPDO和64個(gè)RPDO。

數(shù)據(jù)容量：每個(gè)PDO可映射16個(gè)字節(jié)，故輸入和輸出數(shù)據(jù)最大各為1024字節(jié)。

工作模式：支持FreeRUN模式。

4.2 Modbus TCP性能參數(shù)

角色支持：可作為主站或從站。

連接數(shù)：作為主站時(shí)最多可連接7個(gè)Modbus TCP從站；作為從站時(shí)支持7個(gè)Modbus TCP主站連接。

支持的功能碼：全面支持01H、02H、03H、04H、05H、06H、0FH、10H等常用功能碼。

4.3 環(huán)境與電氣參數(shù)

工作溫度：-30~75℃。

工作濕度：5%~95%（無(wú)冷凝）。

安裝方式：支持DIN-35mm導(dǎo)軌安裝。

防護(hù)等級(jí)：典型為IP20。

5 典型應(yīng)用場(chǎng)景與實(shí)戰(zhàn)價(jià)值

5.1 生產(chǎn)線控制系統(tǒng)集成

在現(xiàn)代化智能工廠中，高層控制系統(tǒng)（如基于EtherCAT的PLC）需要與底層執(zhí)行設(shè)備（如支持Modbus TCP的變頻器、傳感器、機(jī)械手）進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。該網(wǎng)關(guān)能夠?qū)odbus TCP設(shè)備無(wú)縫集成到高速EtherCAT主干網(wǎng)絡(luò)中，打通信息流，實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)控與精準(zhǔn)控制。

5.2 設(shè)備升級(jí)與改造

對(duì)于已擁有大量Modbus TCP設(shè)備但又希望引入高性能EtherCAT控制系統(tǒng)的企業(yè)，使用此網(wǎng)關(guān)是一種經(jīng)濟(jì)高效的方案。它保護(hù)了現(xiàn)有設(shè)備投資，避免了全面更換帶來(lái)的高昂成本，實(shí)現(xiàn)了新舊系統(tǒng)的平穩(wěn)過(guò)渡和協(xié)同工作。

5.3 數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控

在SCADA或MES系統(tǒng)中，網(wǎng)關(guān)可以作為Modbus TCP主站，輪詢收集多個(gè)從站設(shè)備（如電表、水表、溫度傳感器）的數(shù)據(jù)，然后通過(guò)EtherCAT網(wǎng)絡(luò)高效、實(shí)時(shí)地傳輸給上層監(jiān)控平臺(tái)或數(shù)據(jù)中心，滿足實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集的需求。

6 配置與使用指南

6.1 配置流程概要

硬件連接：正確連接電源，通過(guò)配置口將網(wǎng)關(guān)與PC相連。

軟件配置：

EtherCAT端：通過(guò)三格電子提供的ESI文件，在EtherCAT主站配置工具中導(dǎo)入網(wǎng)關(guān)的設(shè)備描述，并配置PDO映射。

Modbus TCP端：通過(guò)專用的網(wǎng)頁(yè)或配置軟件，設(shè)置IP地址、工作模式、數(shù)據(jù)映射表等參數(shù)。

下載配置：將配置好的參數(shù)下載到網(wǎng)關(guān)中。

系統(tǒng)連接與調(diào)試：將網(wǎng)關(guān)接入實(shí)際網(wǎng)絡(luò)，觀察指示燈狀態(tài)，進(jìn)行通信測(cè)試。

6.2 配置要點(diǎn)與注意事項(xiàng)

EtherCAT端口順序：必須確保EtherCAT網(wǎng)絡(luò)的輸入端口連接上游設(shè)備，輸出端口連接下游設(shè)備，以形成正確的菊花鏈拓?fù)洹?/p>

數(shù)據(jù)映射對(duì)齊：務(wù)必保證EtherCAT PDO中的數(shù)據(jù)與Modbus TCP寄存器地址之間的映射關(guān)系一一對(duì)應(yīng)且數(shù)據(jù)類型匹配。

網(wǎng)絡(luò)參數(shù)優(yōu)化：根據(jù)實(shí)際網(wǎng)絡(luò)負(fù)載和實(shí)時(shí)性要求，合理設(shè)置Modbus TCP主站的輪詢周期和超時(shí)時(shí)間。

7 總結(jié)

三格電子的SG-ECAT_S-TCP網(wǎng)關(guān)是一款設(shè)計(jì)成熟、性能穩(wěn)定的工業(yè)協(xié)議轉(zhuǎn)換設(shè)備。它通過(guò)高效的硬件設(shè)計(jì)和智能的數(shù)據(jù)映射機(jī)制，成功解決了EtherCAT與Modbus TCP之間的協(xié)議壁壘。其易于配置、穩(wěn)定可靠的特點(diǎn)，使其在工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)集成、設(shè)備改造升級(jí)、數(shù)據(jù)采集監(jiān)控等眾多場(chǎng)景中發(fā)揮著不可替代的作用，是構(gòu)建數(shù)字化、智能化工廠的理想通信橋梁。

隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的深入發(fā)展，此類協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)的價(jià)值將愈發(fā)凸顯，助力企業(yè)實(shí)現(xiàn)設(shè)備層、控制層、信息層的全面互聯(lián)互通。

審核編輯 黃宇