Zasada działania EtherCAT
1. Zasada działania:
Dostępnych jest wiele rozwiązań Ethernetowych zapewniających funkcjonalność w czasie rzeczywistym: na przykład proces dostępu CSMA / CD jest wyłączony za pośrednictwem warstwy protokołu wyższego poziomu i zastąpiony procesem czasowym lub procesem odpytywania. Inne rozwiązania wykorzystują dedykowane przełączniki i wykorzystują dokładną kontrolę czasu do dystrybucji pakietów Ethernet. Chociaż rozwiązania te mogą szybciej i dokładniej dostarczać pakiety do podłączonych węzłów sieci Ethernet, wykorzystanie przepustowości jest bardzo niskie, szczególnie w przypadku typowego sprzętu automatyzacji, ponieważ nawet w przypadku bardzo małych woluminów danych należy wysłać kompletną ramkę Ethernet. Ponadto czas wymagany do przekierowania do wyjścia lub kontrolera napędu i odczytywania danych wejściowych zależy przede wszystkim od trybu wykonania. Zwykle trzeba również użyć sub-bus, zwłaszcza w modułowym systemie I / O, tych systemach i BeckhoFF K-bus, poprzez synchroniczny system sub-bus, aby przyspieszyć prędkość transmisji, ale taka synchronizacja nie będzie w stanie uniknąć opóźnienie spowodowane transmisją magistrali komunikacyjnej.
Korzystając z technologii EtherCAT, BeckhoFF przełamał ograniczenia systemowe innych rozwiązań Ethernetowych: zamiast odbierać pakiety Ethernet w każdym punkcie połączenia, jak wcześniej, dekodować i kopiować jako dane procesowe. Kiedy ramka przechodzi przez każde urządzenie (łącznie z podstawowym urządzeniem końcowym), sterownik slave EtherCAT odczytuje dane ważne dla urządzenia. Podobnie dane wejściowe mogą być wstawiane do wiadomości podczas jej przesyłania. Kiedy ramka jest przekazywana (tylko kilka bitów jest opóźnionych), urządzenie podrzędne rozpoznaje odpowiednie polecenie i przetwarza je. Proces ten jest implementowany w sprzęcie w kontrolerze podrzędnym i dlatego jest niezależny od wydajności systemu operacyjnego lub wydajności procesora stosu protokołów. Ostatni element podrzędny EtherCAT w segmencie zwraca w pełni przetworzony komunikat, tak że komunikat jest zwracany jako odpowiedź od pierwszego urządzenia slave do wzorca.
Z punktu widzenia sieci Ethernet segment sieci EtherCAT to po prostu duże urządzenie Ethernet, które może odbierać i wysyłać ramki Ethernet. Jednak "urządzenie" nie zawiera pojedynczego kontrolera Ethernet z dalszym mikroprocesorem, ale tylko dużą liczbę urządzeń slave EtherCAT. Jak każdy inny Ethernet, EtherCAT może nawiązać komunikację bez potrzeby przełącznika, tworząc w ten sposób czysty system EtherCAT.
2. Terminale implementują Ethernet:
Każde urządzenie systemu gwarantuje korzystanie z pełnego protokołu Ethernet, nawet dla każdego terminala I / O, bez korzystania z sub-bus. Po prostu przekonwertuj medium transmisyjne łącznika z pary skręconej (100baseTX) na szynę E, aby spełnić wymagania elektronicznego bloku zacisków. Typ sygnału magistrali E (LVDS) w bloku zacisków nie jest dedykowany, może być również używany do 10 Gigabit Ethernet. Na końcu bloku zacisków fizyczne właściwości magistrali są konwertowane z powrotem do standardu 100baseTX.
Standardowe sieci MAC lub tanie standardowe karty sieciowe (NIC) są wystarczające do użycia jako sprzęt w kontrolerze. DMA (Direct Memory Access) służy do przesyłania danych do komputera. Oznacza to, że dostęp do sieci nie ma wpływu na wydajność procesora. Ta sama zasada jest stosowana na karcie wieloportowej BeckhoFF, która łączy do 4 kanałów Ethernet w jednym gnieździe PCI.
3. Przetwarzanie protokołu jest całkowicie wykonywane na sprzęcie
3.1 protokół:
Protokół EtherCAT jest zoptymalizowany dla danych procesowych i jest przesyłany bezpośrednio do ramek Ethernet lub kompresowany do datagramów UDP / IP. Protokół UDP jest używany, gdy segment EtherCAT w innych podsieciach jest adresowany przez router. Ramka Ethernet może zawierać kilka komunikatów EtherCAT, z których każda jest przeznaczona do określonego obszaru pamięci, który może być użyty do zaprogramowania logicznego obrazu procesu o wielkości do 4 GB. Ponieważ łańcuch danych jest niezależny od fizycznej sekwencji terminali EtherCAT, zaciski EtherCAT mogą być swobodnie adresowane. Stacje slave mogą rozgłaszać, rozsyłać i komunikować się.
Protokół może również obsługiwać normalną nie-cykliczną komunikację parametrów. Struktura i znaczenie parametrów są ustalane przez profil urządzenia CANOPEN, a profile urządzeń są używane dla różnych klas urządzeń i aplikacji. EtherCAT obsługuje także reguły zależne, które są zgodne z normą IEC 61491. Profil nosi nazwę SERCOSTM i jest powszechnie rozpoznawany w świecie aplikacji do sterowania ruchem.
Oprócz wymiany danych zgodnie z zasadą nadrzędna / podrzędna, EtherCAT jest również bardzo odpowiedni do komunikacji między sterownikami (master / master). Dowolnie adresowalne zmienne sieciowe danych procesowych, a także różne usługi parametryzacji, diagnostyki, programowania i zdalnego sterowania mogą spełniać liczne wymagania. Interfejs danych dla komunikacji master / slave z urządzeniem master / master jest taki sam.
FMMU: Przetwarzanie wiadomości jest całkowicie wykonywane na sprzęcie
3.2 wydajność:
Technologia EtherCAT osiągnęła nowy poziom wydajności sieci. Cykl odświeżania 1000 rozproszonych danych we / wy wynosi tylko 30 μs, w tym czas cyklu końcowego. Dzięki ramce Ethernet można wymieniać do 1486 bajtów danych procesowych, co odpowiada prawie 12.000 cyfrowych operacji wejścia / wyjścia. Transmisja tej objętości danych wynosi tylko 300 μs.
Komunikacja ze 100 osiami serwa zajmuje tylko 100 μs. W tym czasie wartości zadane i dane sterujące mogą być dostarczane do wszystkich osi, a ich faktyczna pozycja i status mogą być raportowane. Rozproszona technologia zegara zapewnia, że czas synchronizacji między tymi osiami różni się o mniej niż 1 mikrosekundę.
Wykorzystując doskonałą wydajność technologii EtherCAT, możliwe jest wdrożenie metody sterowania, której nie można zrealizować w konwencjonalnym systemie magistrali polowej. W ten sposób można uzyskać ultraszybką pętlę sterowania za pośrednictwem magistrali. Funkcje, które wcześniej wymagały lokalnej dedykowanej obsługi sprzętu, można teraz mapować w oprogramowaniu. Ogromne zasoby przepustowości umożliwiają przesyłanie danych statusu równolegle z dowolnymi danymi. Technologia EtherCAT umożliwia łączność z nowoczesnymi wysokowydajnymi komputerami przemysłowymi. System magistrali nie jest już wąskim gardłem koncepcji sterowania. Rozproszony transfer danych we / wy przekracza wydajność, którą można osiągnąć tylko za pomocą lokalnego interfejsu We / Wy.
Ta zaleta wydajności sieci jest widoczna w małych kontrolerach o stosunkowo umiarkowanej mocy obliczeniowej. Szybką pętlę EtherCAT można wykonać między dwoma cyklami sterowania. Dlatego kontroler zawsze ma najnowsze dostępne dane wejściowe, a opóźnienie w adresowaniu wyjść jest minimalne. Zachowanie kontrolera jest znacznie poprawione bez potrzeby zwiększania mocy obliczeniowej.
Zasada technologii EtherCAT jest skalowalna, nie ogranicza się do pasma 100M - możliwe jest także Ethernet rozszerzony do Gigabit.
3.3 EtherCAT zastępuje PCI:
Wraz z przyspieszeniem miniaturyzacji komponentów PC, wielkość komputerów przemysłowych zależy głównie od wymaganej liczby gniazd.
Zastosowanie szerokopasmowej przepustowości sieci Ethernet i przepustowości danych sprzętu komunikacyjnego EtherCAT (EtherCAT Slave Controller) otwiera nowe możliwości zastosowania: interfejsy, które zwykle znajdują się w IPC, są przesyłane do inteligentnych terminali interfejsów w systemie EtherCAT. Oprócz rozproszonych we / wy, osi i jednostek sterujących, złożone systemy, takie jak magistrale fieldbus, interfejsy szeregowe o dużej prędkości, bramy i inne interfejsy komunikacyjne mogą być adresowane za pośrednictwem portu Ethernet na komputerze PC. Nawet inne urządzenia Ethernet, które nie są ograniczone do wariantów protokołów, mogą być podłączone za pośrednictwem rozproszonych terminali przełączających. Rozmiar hosta PC przemysłowego staje się coraz mniejszy, a koszty stają się coraz niższe. Interfejs Ethernet jest wystarczający dla wszystkich zadań komunikacyjnych.
Ethernet jest wykorzystywany zamiast urządzeń PCI (Profibus, CANOPEN, DeviceNet, AS-i itp.) Do integracji za pośrednictwem rozproszonych terminali nadrzędnych Fieldbus. Nie używanie urządzenia fieldbus master oszczędza gniazda PCI w komputerze.
3.4 Topologia:
Autobus, drzewo lub gwiazda: EtherCAT obsługuje prawie każdą topologię. Dlatego też struktura magistrali pochodząca z magistrali polowej może być również wykorzystana do Ethernetu. Połączenie magistrali i rozgałęzień jest szczególnie przydatne w przypadku okablowania systemowego. Wszystkie interfejsy znajdują się na łączniku i nie są wymagane żadne dodatkowe przełączniki. Oczywiście można również zastosować tradycyjną, topologiczną topologię Ethernet opartą na przełączaniu.
Zastosowanie różnych kabli transmisyjnych maksymalizuje elastyczność okablowania. Elastyczny i niedrogi standardowy kabel sieciowy Ethernet może przesyłać sygnały w trybie Ethernet (100baseTX) lub za pośrednictwem magistrali E. Światłowód (PFO) może być używany do specjalnych zastosowań. Pasma Ethernet (np. Różne kable światłowodowe i kable miedziane) mogą być używane w połączeniu z przełącznikami lub konwerterami mediów. Fizyczne cechy Fast Ethernet mogą sprawić, że odległość między urządzeniami osiągnie 100 metrów, podczas gdy E-bus może zagwarantować jedynie 10-metrowy odstęp. Fast Ethernet lub E-bus mogą być wybierane zgodnie z wymaganiami dotyczącymi odległości. System EtherCAT może pomieścić do 65 535 urządzeń, więc cała sieć jest prawie nieograniczona
4. Swobodny wybór topologii
Istnieje maksymalna elastyczność okablowania: czy używać przełączników, czy używać topologii magistrali lub topologii drzewa. Automatyczne przydzielanie adresów; nie trzeba ustawiać adresu IP.
4.1 Rozproszony zegar:
Dokładna synchronizacja jest szczególnie ważna w procesie dystrybucji, gdzie wymagany jest szeroki zakres równoczesnych działań, na przykład gdy kilka osi serwa wykonuje jednoczesne zadania łączenia.
Dokładna kalibracja rozproszonego zegara jest najskuteczniejszym rozwiązaniem do synchronizacji. Odwrotnie, jeśli zostanie użyta pełna synchronizacja, na jakość danych synchronizacji będą miały duży wpływ błędy komunikacyjne. W systemie komunikacyjnym krokowy zegar kalibracji jest w pewnym stopniu odporny na opóźnienie błędu. W EtherCAT wymiana danych w całości opiera się na czystych urządzeniach sprzętowych. Ponieważ komunikacja wykorzystuje logiczną strukturę sieci pierścieniowej, pełny dupleks Fast Ethernet i rzeczywistą strukturę sieci pierścieniowej, "zegar główny" może łatwo i dokładnie określić kompensację działania dla każdego "zegara podległego" i na odwrót. Rozdzielany zegar jest dostosowywany w oparciu o tę wartość, co oznacza, że może zapewnić bardzo dokładną podstawę zegara o mniej niż 1 mikrosekundowym fluktuacji w sieci.
Jednak wysokowydajne zegary rozproszone są wykorzystywane nie tylko do synchronizacji, ale również dostarczają dokładnych informacji o czasie lokalnym podczas gromadzenia danych. Dzięki wprowadzeniu nowych rozszerzonych typów danych, zmierzone wartości mogą być przypisane z bardzo dokładnymi znacznikami czasu.
4.2 Gorące połączenie:
Wiele aplikacji wymaga zmiany konfiguracji We / Wy podczas pracy. Na przykład centrum przetwarzania o zmieniających się właściwościach, system narzędziowy z czujnikiem, inteligentne urządzenie transmisyjne, elastyczny element wykonawczy przedmiotu obrabianego i drukarka, która może niezależnie zamykać jednostkę drukującą. System EtherCAT uwzględnia następujące wymagania: Funkcja "gorące połączenie" może łączyć lub rozłączać różne części sieci lub "dynamicznie" je rekonfigurować, aby zapewnić elastyczną reakcję na zmieniające się konfiguracje.
4.3 Wysoka dostępność:
Opcjonalna redundancja kabli spełnia rosnące zapotrzebowanie na zwiększoną dostępność systemu, dzięki czemu można wymienić sprzęt bez wyłączania sieci.
EtherCAT obsługuje także nadmiarowe stacje master z gorącym trybem gotowości. Ponieważ kontroler podrzędny EtherCAT automatycznie zwraca ramki po napotkaniu przerwania, awaria urządzenia nie spowoduje wyłączenia całej sieci. Na przykład łańcuch zabezpieczający kabel może być specjalnie skonfigurowany w postaci krótkiego paska, aby zapobiec złamaniu.
4.4 bezpieczeństwo:
Funkcje bezpieczeństwa są na ogół implementowane oddzielnie od sieci automatyzacji, poprzez sprzęt lub za pomocą dedykowanego systemu magistrali bezpieczeństwa. Dzięki technologii TwinSAFE (technologia bezpieczeństwa BeckhoFF) możliwe jest teraz wykorzystanie protokołu bezpieczeństwa EtherCAT do komunikacji związanej z bezpieczeństwem oraz do komunikacji kontrolnej w tej samej sieci.
Protokół bezpieczeństwa jest oparty na warstwie aplikacji EtherCAT i nie ma wpływu na niższe warstwy. Ten protokół bezpieczeństwa został certyfikowany zgodnie z IEC 61508 w celu osiągnięcia poziomu integracji bezpieczeństwa (SIL) 3 i może osiągnąć poziom SIL4 po podjęciu odpowiednich działań. Długość danych może być różna, więc protokół jest w równym stopniu stosowany do danych bezpieczeństwa we / wy i technologii napędu bezpieczeństwa. Podobnie jak inne dane EtherCAT, dane bezpieczne mogą być kierowane bez użycia bezpiecznego routera lub bramy.
4.5 Diagnoza:
Możliwości diagnostyczne sieci są bardzo ważne dla zwiększenia dostępności sieci i skrócenia czasu uruchomienia (co zmniejsza ogólne koszty). Błędy można szybko wyeliminować tylko wtedy, gdy zostaną szybko i dokładnie wykryte i wyraźnie zidentyfikowane. Dlatego podczas rozwoju EtherCAT szczególną uwagę zwrócono na typowe cechy diagnostyczne.
Podczas działania testowego faktyczna konfiguracja terminala I / O jest sprawdzana pod kątem ciągłości przy użyciu określonej konfiguracji. Topologia musi również pasować do konfiguracji. Ze względu na wbudowaną identyfikację topologii, wejścia / wyjścia można potwierdzić, gdy system jest uruchamiany lub jest instalowany automatycznie.
Błędy bitowe podczas transmisji danych mogą zostać wykryte przy użyciu prawidłowego 32-bitowego CRC. Oprócz wykrywania i lokalizacji punktu przerwania transmisja warstwy fizycznej i topologii za pomocą protokołu systemu EtherCAT sprawia, że wysokiej jakości monitorowanie każdego pojedynczego segmentu transmisji staje się rzeczywistością. Dzięki automatycznej analizie odpowiednich liczników błędów można precyzyjnie zlokalizować krytyczną część sieci. Możesz wykryć i zlokalizować źródła stałego błędu, takie jak zakłócenia EMC, uszkodzone złącza lub uszkodzone kable, nawet jeśli nie miały nadmiernego wpływu na zdolność sieci do samoczynnego leczenia.
4.6 Otwartość:
Technologia EtherCAT jest nie tylko w pełni kompatybilna z Ethernetem, ale ma również specjalną charakterystykę otwartości projektu: ten protokół może współistnieć z innymi protokołami Ethernet, które zapewniają różne usługi, a wszystkie protokoły współistnieją w tym samym medium fizycznym - zwykle tylko Ogólna wydajność sieci została niewielki wpływ. Standardowe urządzenie Ethernet może być podłączone do systemu EtherCAT za pośrednictwem terminala przełączającego, co nie ma wpływu na czas cyklu. Urządzenia z tradycyjnym interfejsem fieldbus można zintegrować z siecią poprzez połączenie terminala master EtherCAT fieldbus. Wariant protokołu UDP umożliwia zintegrowanie urządzenia z dowolnym interfejsem gniazda. EtherCAT jest w pełni otwartym protokołem, który został określony jako formalna specyfikacja IEC (IEC / PAS62407).