3. EtherCAT网络基础与从站配置
EtherCAT（Ethernet for Control Automation Technology）是Omron Sysmac自动化平台中承担高速运动控制与远程I/O通信的主干现场总线。理解它的协议原理、拓扑结构、从站扫描机制以及PDO映射方式，是完成NJ/NX系列控制器与伺服、远程I/O、安全模块集成的基础。本节从数据帧处理机制出发，逐步过渡到实际从站配置与过程数据交换的观察方法。
一、EtherCAT协议原理：飞读飞写与逻辑寻址
EtherCAT与普通以太网最大的区别在于它不采用“接收—解析—转发”的存储转发方式，而是使用On-the-fly（飞读飞写）处理机制。主站发送一个标准以太网帧，帧内封装多个EtherCAT子报文，每个子报文携带逻辑地址、命令字和数据区。当该帧依次经过各从站时，从站的ESC（EtherCAT Slave Controller）芯片在帧经过的瞬间读取属于自己的输出数据、写入输入数据，然后立即把帧转发给下一个从站，无需完整缓存整帧。
这种机制带来两个关键特性：一是通信周期与从站数量几乎无关，只与帧长度和物理延迟有关；二是所有从站共享同一帧，因此需要逻辑寻址而非IP寻址。主站为每个从站分配一个16位逻辑地址，并在过程数据映像中为每个从站的数据分配固定偏移量。从站通过FMMU（Fieldbus Memory Management Unit）把逻辑地址映射到本地物理存储区，实现“按位置读写”。
EtherCAT使用分布式时钟（DC）实现从站间同步。主站周期性发送ARMW（Auto Increment Read Multiple Write）报文，各从站根据自身传播延迟补偿本地时钟，使所有从站的时钟偏差控制在纳秒级。对于NJ/NX控制器驱动1S系列伺服做多轴插补，DC同步是保证轴间同步精度的前提。
二、拓扑结构：线型、分支与冗余
EtherCAT物理层基于100BASE-TX，但拓扑不限于交换机星型。常见结构包括：
- 线型（Daisy Chain）：主站→从站1→从站2→…→末端从站。最常用，布线简单，但末端从站故障会影响其后所有从站。
- 分支型：从站ESC通常带2~4个端口，可在一台从站处分出支路，形成树形。适合设备分布在不同机柜或工位的场景。
- 环型冗余：主站两个网口分别接环网两端，正常时数据单向流动，断点发生时自动从另一方向重构，切换时间通常小于1个通信周期。NJ/NX支持此模式，需在Sysmac Studio中启用冗余并配置从站端口。
实际工程中，伺服驱动器常采用线型串联，远程I/O可挂在分支端口，安全模块建议靠近主站以减少安全响应时间。拓扑规划时需注意：每个从站的输入/输出延迟会累加，末端从站与主站之间的总延迟应小于通信周期的1/4，否则DC同步精度下降。
三、从站扫描与ESI文件
在Sysmac Studio中新建EtherCAT网络后，第一步是从站扫描。主站通过广播读取各从站EEPROM中的ESI（EtherCAT Slave Information）信息，包括厂商ID、产品代码、修订号、支持的PDO和同步模式。扫描结果会以树形列表显示在“EtherCAT”节点下。
若从站未被自动识别，通常有三种原因：ESI文件未安装、从站未上电、网线或端口故障。Omron提供ESI文件库，也可从从站厂商官网下载XML文件，通过“安装ESI文件”导入。导入后重新扫描，从站应出现在列表中，并显示其默认PDO配置。
四、PDO映射与过程数据交换
PDO（Process Data Object）是EtherCAT周期通信中实际传输的过程数据单元。每个从站有两类PDO：TxPDO（从站→主站，如伺服的实际位置、状态字）和RxPDO（主站→从站，如目标位置、控制字）。PDO映射决定了哪些对象字典条目被放入PDO，以及它们在过程映像中的偏移和长度。
以1S系列伺服为例，默认映射通常包含：
| PDO方向 | 对象 | 索引 | 长度 | 含义 |
|---|---|---|---|---|
| RxPDO | 控制字 | 0x6040 | 16 bit | 使能、启动、复位 |
| RxPDO | 目标位置 | 0x607A | 32 bit | 位置指令 |
| TxPDO | 状态字 | 0x6041 | 16 bit | 就绪、报警、到位 |
| TxPDO | 实际位置 | 0x6064 | 32 bit | 位置反馈 |
在Sysmac Studio中，PDO映射可在从站“过程数据”编辑器中查看和修改。修改后需重新下载配置，主站会重新计算过程映像大小。若映射总长度超过从站ESC缓冲区，下载会报错，此时需精简映射或提高通信周期。
过程数据交换的观察方法：在“监视”选项卡中查看各从站的输入/输出变量，或在用户程序中直接引用映射后的变量名（如MC_Axis001.ActPos）。若数据不更新，检查从站是否进入OP状态、DC是否同步、PDO映射是否与从站实际支持一致。
示例：NJ501-1500 + 1S伺服 + GX远程I/O
通信周期：1 ms
DC模式：启用，同步窗口 500 ns
从站1（伺服）：RxPDO 0x6040+0x607A，TxPDO 0x6041+0x6064
从站2（远程I/O）：RxPDO 16 bit输出，TxPDO 16 bit输入
过程映像总长度：约 24 字节
观察点：MC_Axis001.Status 的 bit10（Target reached）在定位完成后置1五、从站状态机与配置检查
EtherCAT从站遵循ESM（EtherCAT State Machine）状态机：Init → Pre-Operational → Safe-Operational → Operational。扫描完成后从站通常处于Pre-OP，此时可读写邮箱参数但无过程数据。下载配置后主站请求进入Safe-OP，从站开始发送输入数据但输出保持安全状态。确认无错误后进入OP，过程数据双向交换。
若从站无法进入OP，常见原因包括：PDO映射不匹配、DC同步失败、看门狗超时、从站硬件故障。Sysmac Studio的“EtherCAT诊断”窗口会显示当前状态和错误码，例如0x001B表示同步管理器看门狗超时，0x0024表示无效输出配置。根据错误码调整映射或周期后重新下载即可。