Principiul de lucru EtherCAT
1. Principiul de funcționare:
Există o serie de soluții Ethernet disponibile pentru a furniza funcționalități în timp real: de exemplu, procesul de accesare CSMA / CD este dezactivat printr-un strat de protocol de nivel superior și înlocuit cu un proces de șablon sau proces de votare. Alte soluții utilizează comutatoare dedicate și utilizează control precis al timpului pentru a distribui pachetele Ethernet. Deși aceste soluții pot livra pachete la nodurile Ethernet conectate mai rapid și mai precis, utilizarea latimei de bandă este foarte scăzută, în special pentru echipamentele tipice de automatizare, deoarece chiar și pentru volume foarte mici de date, trebuie trimis un cadru Ethernet complet. Mai mult decât atât, timpul necesar redirecționării către controlerul de ieșire sau unitate și citirea datelor de intrare depinde în primul rând de modul de execuție. În mod obișnuit, de asemenea, trebuie să utilizați un sub-bus, mai ales în sistemul I / O modular, aceste sisteme și busul BeckhoFF K, prin intermediul sistemului sub-autobuz sincron pentru a accelera viteza de transmisie, dar această sincronizare nu va fi capabilă să evite întârzierea cauzată de transmisia magistralei de comunicație.
Prin utilizarea tehnologiei EtherCAT, BeckhoFF a întrerupt aceste limitări de sistem ale altor soluții Ethernet: în loc să primească pachete Ethernet la fiecare punct de conectare ca și înainte, decodarea și copierea ca date de proces. Când un cadru trece prin fiecare dispozitiv (inclusiv dispozitivul terminal subiacent), controlerul slave EtherCAT citește date importante pentru dispozitiv. În mod similar, datele de intrare pot fi introduse în mesaj pe măsură ce trece. Când cadrul este trecut (doar câteva biți întârziate), slave-ul recunoaște comanda relevantă și o procesează. Acest proces este implementat în hardware în controlerul slave și, prin urmare, este independent de sistemul de operare în timp real sau de performanța procesorului în software-ul stack protocol. Ultimul slave EtherCAT din segmentul returnează mesajul complet procesat, astfel încât mesajul să fie returnat ca răspuns de la primul slave la comandă.
Din perspectiva Ethernet, segmentul de magistrală EtherCAT este pur și simplu un dispozitiv Ethernet mare care poate primi și trimite cadre Ethernet. Cu toate acestea, "dispozitivul" nu include un singur controler Ethernet cu un microprocesor în aval, ci doar un număr mare de roboți EtherCAT. Ca orice alt Ethernet, EtherCAT poate stabili o comunicare fără a avea nevoie de un comutator, creând astfel un sistem EtherCAT pur.
2. Terminalele implementează Ethernet:
Fiecare dispozitiv al sistemului garantează utilizarea unui protocol Ethernet complet, chiar și pentru fiecare terminal I / O, fără a utiliza o sub-bus. Pur și simplu transformați mediul de transmisie al cuplajului din perechea de fire răsucite (100baseTX) în magistrala E pentru a îndeplini cerințele blocului electronic de conexiuni. Tipul de semnal de pe magistrala E (LVDS) din blocul de borne nu este dedicat, poate fi de asemenea utilizat pentru 10 Gigabit Ethernet. La sfârșitul blocului terminal, caracteristicile magistralei fizice sunt convertite înapoi la standardul 100baseTX.
Ethernet standard Ethernet sau carduri standard de rețea ieftine (NIC) sunt suficiente pentru a fi folosite ca hardware în controler. DMA (Acces direct la memorie) este utilizat pentru a transfera date pe PC. Aceasta înseamnă că accesul la rețea nu are niciun efect asupra performanței procesorului. Același principiu este folosit în cardul multiport BeckhoFF, care îmbină până la 4 canale Ethernet într-un singur slot PCI.
3. Procesarea protocolului este efectuată complet în hardware
Protocolul 3.1:
Protocolul EtherCAT este optimizat pentru datele de proces și este transferat direct în rame Ethernet sau comprimat în datagramuri UDP / IP. Protocolul UDP este utilizat atunci când segmentul EtherCAT din alte subrețele este adresat de către router. Un cadru Ethernet poate conține mai multe mesaje EtherCAT, fiecare fiind dedicată unei zone de memorie specifice care poate fi utilizată pentru a programa o imagine proces logică de până la 4GB. Deoarece lanțul de date este independent de secvența fizică a terminalelor EtherCAT, terminalele EtherCAT pot fi abordate în mod liber. Posturile slave pot difuza, transmite multicast și comunica.
Protocolul se poate ocupa, de asemenea, în mod obișnuit de comunicarea parametrilor non-ciclici. Structura și semnificația parametrilor sunt stabilite de profilul dispozitivului CANOPEN și aceste profiluri ale dispozitivelor sunt utilizate pentru o varietate de clase și aplicații ale dispozitivelor. EtherCAT suportă, de asemenea, reguli dependente care respectă standardul IEC 61491. Profilul este denumit după SERCOSTM și este universal recunoscut în lumea aplicațiilor de control al mișcării.
În plus față de schimbul de date în conformitate cu principiul master / slave, EtherCAT este, de asemenea, foarte potrivit pentru comunicarea între controlori (master / master). Datele variabile ale rețelei de date cu procesare liberă, precum și diverse servicii de parametrizare, diagnosticare, programare și telecomandă pot îndeplini numeroase cerințe. Interfața de date pentru comunicarea master / slave cu comandantul / maestrul este aceeași.
FMMU: procesarea mesajelor se efectuează complet în hardware
Performanța 3.2:
EtherCAT a atins o nouă înălțime în performanța rețelei. Ciclul de reîmprospătare a 1000 de date I / O distribuite este de numai 30μs, inclusiv timpul ciclului terminal. Cu un cadru Ethernet, pot fi schimbate până la 1486 octeți de date de proces, ceea ce corespunde aproape 12 000 de intrări / ieșiri digitale. Transmisia acestui volum de date este de numai 300 μs.
Comunicarea cu 100 servo-axe durează doar 100 μs. În acest timp, valorile stabilite și datele de control pot fi furnizate tuturor axelor și pot fi raportate poziția și starea lor efectivă. Tehnologia distribuită a ceasului asigură că timpul de sincronizare dintre aceste axe se abate cu mai puțin de 1 microsecundă.
Utilizând performanța superioară a tehnologiei EtherCAT, este posibilă implementarea unei metode de control care nu poate fi realizată cu un sistem convențional de bus field. În acest fel, printr-o magistrală se poate forma o buclă de control ultrafast. Caracteristicile care au necesitat anterior suport hardware specific local pot fi acum cartografiate în software. Resursele de lățime de bandă uriașe permit transmiterea datelor de stare în paralel cu orice date. Tehnologia EtherCAT permite tehnologia de comunicare să se potrivească cu PC-urile industriale moderne de înaltă performanță. Sistemul de autobuz nu mai este gâtuirea conceptului de control. Transferul de date I / O transferat depășește performanța care poate fi obținută numai de interfața I / O locală.
Acest avantaj al performanței rețelei este evident în controlorii mici, cu o putere de calcul relativ moderată. Circuitul de mare viteză al EtherCAT poate fi completat între două cicluri de control. Prin urmare, controlerul are întotdeauna cele mai recente date de intrare disponibile, iar întârzierea adresării la ieșire este minimă. Comportamentul de răspuns al controlerului este îmbunătățit în mod semnificativ fără a fi necesară îmbunătățirea propriei puteri de calcul.
Principiul tehnologiei EtherCAT este scalabil, fără a se limita la lățimea de bandă de 100M - este posibilă și extinderea Ethernet la Gigabit.
3.3 EtherCAT înlocuiește PCI:
Odată cu accelerarea miniaturizării componentelor PC, dimensiunea PC-urilor industriale depinde în principal de numărul necesar de sloturi.
Utilizarea lărgimii de bandă Ethernet de mare viteză și a lărgimii de bandă de date a hardware-ului de comunicație EtherCAT (EtherCAT Slave Controller) deschide noi posibilități de aplicare: interfețele care sunt de obicei localizate în IPC sunt transferate la terminalele inteligente de interfață din sistemul EtherCAT. În plus față de distribuite I / O, axe și unități de control, sistemele complexe, cum ar fi magistralele fieldbus, interfețele seriale de mare viteză, gateway-urile și alte interfețe de comunicație pot fi abordate printr-un port Ethernet de pe PC. Chiar și alte dispozitive Ethernet care nu sunt limitate la variante de protocol pot fi conectate prin terminale distribuite distribuite. Dimensiunea gazdei PC industriale devine tot mai mică și mai mică, iar costul devine mai mic și mai mic. O interfață Ethernet este suficientă pentru toate sarcinile de comunicare.
Se utilizează Ethernet în loc de dispozitive PCI fieldbus (Profibus, CANopen, DeviceNet, AS-i, etc.) pentru a se integra prin terminalele master distribuite. Nu folosiți un master fieldbus salvează sloturi PCI în PC.
3.4 Topologie:
Bus, arbore sau stea: EtherCAT suportă aproape orice topologie. Prin urmare, structura de magistrală derivată pe câmp poate fi utilizată și pentru Ethernet. Combinarea structurilor de autobuz și ramificație este deosebit de utilă pentru cablarea sistemului. Toate interfețele sunt amplasate pe cuplaj și nu sunt necesare comutatoare suplimentare. Desigur, se poate utiliza și o topologie tradițională de bază Ethernet bazată pe comutatoare.
Folosind diferite cabluri de transmisie maximizați flexibilitatea cablării. Cablul Ethernet standard flexibil și ieftin poate transmite semnale prin modul Ethernet (100baseTX) sau prin magistrala E. Fibrele optice (PFO) pot fi utilizate pentru aplicații speciale. Lățimea de bandă Ethernet (de exemplu, diferite cabluri cu fibră optică și cabluri de cupru) poate fi utilizată împreună cu comutatoarele sau convertoarele media. Caracteristicile fizice ale Fast Ethernet pot face distanța dintre dispozitive să ajungă la 100 de metri, în timp ce magistrala E poate garanta distanța de 10 metri. Fast Ethernet sau E-bus pot fi selectate în funcție de cerințele de distanță. Sistemul EtherCAT poate găzdui până la 65 535 de dispozitive, astfel încât întreaga rețea este aproape nelimitată
4. Alegerea liberă a topologiei
Există o flexibilitate maximă în ceea ce privește cablarea: dacă se utilizează întrerupătoare, dacă se utilizează o topologie de magistrală sau o topologie arbore. Atribuirea automată a adreselor; nu este nevoie să setați o adresă IP.
4.1 Ceas distribuit:
Sincronizarea exactă este deosebit de importantă în procesul de distribuție, unde sunt necesare o gamă largă de acțiuni simultane, cum ar fi atunci când mai multe servo-axe îndeplinesc sarcini simultane de legare.
Calibrarea exactă a ceasului distribuit este soluția cea mai eficientă pentru sincronizare. În schimb, dacă se utilizează o sincronizare completă, calitatea datelor de sincronizare va fi foarte afectată atunci când apar erori de comunicare. În sistemul de comunicații, ceasul de calibrare pas cu pas este tolerant pentru o întârziere de eroare într-o oarecare măsură. În EtherCAT, schimbul de date se bazează exclusiv pe dispozitive hardware pure. Deoarece comunicarea utilizează o structură de rețea logică, Ethernet full-duplex Fast Ethernet și o structură reală a rețelei de sonerie, "ceasul master" poate determina simplu și precis compensarea de funcționare pentru fiecare "ceas slave" și invers. Ceasul distribuit este ajustat pe baza acestei valori, ceea ce înseamnă că poate oferi o bază de ceas foarte precisă cu mai puțin de 1 biceg de microsecundă în rețea.
Cu toate acestea, ceasurile distribuite de înaltă performanță nu sunt folosite numai pentru sincronizare, ci oferă și informații exacte despre ora locală în timpul achiziției de date. Datorită introducerii unor noi tipuri de date extinse, valorile măsurate pot fi atribuite cu timbre de timp foarte precise.
4.2 Conexiune caldă:
Multe aplicații necesită modificarea configurației I / O în timpul funcționării. De exemplu, un centru de procesare cu caracteristici în schimbare, un sistem de scule dotat cu senzori, un dispozitiv inteligent de transmisie, un dispozitiv de acționare flexibil al piesei de prelucrat și o imprimantă care poate închide independent unitatea de imprimare. Sistemul EtherCAT ia în considerare aceste cerințe: Funcția "conexiune la cald" poate conecta sau deconecta diferitele părți ale rețelei sau le "reconfigurează" în mod dinamic pentru a oferi un răspuns flexibil configurațiilor în schimbare.
4.3 Disponibilitate ridicată:
Redundanța cablurilor opționale îndeplinește cererea crescândă de disponibilitate sporită a sistemului, astfel încât echipamentele să poată fi înlocuite fără oprirea rețelei.
EtherCAT suportă, de asemenea, stațiile master redundante cu regim de așteptare în regim fierbinte. Deoarece controlerul slave EtherCAT returnează automat cadre atunci când se întâlnește o întrerupere, o defecțiune a dispozitivului nu va determina oprirea întregii rețele. De exemplu, lanțul de protecție a cablurilor poate fi configurat în mod special sub forma unei bare scurte pentru a preveni spargerea.
4.4 siguranță:
Funcțiile de securitate sunt, în general, implementate separat de rețeaua de automatizare, prin intermediul hardware-ului sau prin utilizarea unui sistem special de autobuz de securitate. Datorită tehnologiei TwinSAFE (tehnologia de securitate BeckhoFF), acum este posibil să se utilizeze protocolul de securitate EtherCAT pentru comunicații legate de securitate și comunicații de control în aceeași rețea.
Protocolul de securitate se bazează pe stratul de aplicație al EtherCAT și nu afectează straturile inferioare. Acest protocol de siguranță a fost certificat în conformitate cu IEC 61508 pentru a atinge un nivel de integrare în siguranță (SIL) 3 și poate ajunge chiar la SIL4 după ce a luat măsuri corespunzătoare. Lungimea datelor poate varia, astfel încât protocolul să fie aplicabil în egală măsură pentru datele de intrare / ieșire de siguranță și pentru tehnologia de siguranță. Ca și alte date EtherCAT, datele securizate pot fi direcționate fără a utiliza un ruter securizat sau un gateway.
4.5 Diagnosticul:
Capacitățile de diagnosticare ale rețelei sunt foarte importante pentru sporirea disponibilității rețelei și reducerea timpului de punere în funcțiune (reducând astfel costurile totale). Erori poate fi eliminată cu promptitudine numai dacă acestea sunt detectate rapid și precis și identificate în mod clar. Prin urmare, în timpul dezvoltării EtherCAT, sa acordat o atenție deosebită caracteristicilor tipice de diagnosticare.
În timpul operației de testare, configurația reală a terminalului I / O este verificată pentru continuitate utilizând configurația specificată. Topologia trebuie să se potrivească și configurației. Datorită identificării integrate a topologiei, I / O poate fi confirmată când sistemul este pornit sau când este instalat automat.
Erorile bit în timpul transmisiei de date pot fi detectate cu un CRC valid pe 32 de biți. În plus față de detectarea punctelor de rupere și de localizare, transmiterea stratului fizic și a topologiei prin protocolul sistemului EtherCAT face ca monitorizarea de înaltă calitate a fiecărui segment de transport individual să devină realitate. Prin analizarea automată a contoarelor de erori relevante, partea critică a rețelei poate fi localizată cu precizie. Puteți detecta și localiza surse de eroare constantă, cum ar fi interferențele EMC, conectorii defecți sau cablurile deteriorate, chiar dacă acestea nu au avut un impact excesiv asupra capacității rețelei de a se vindeca.
4.6 Deschiderea:
Tehnologia EtherCAT este nu numai pe deplin compatibilă cu Ethernet, dar are și caracteristici speciale de deschidere: acest protocol poate coexista cu alte protocoale Ethernet care oferă diverse servicii și toate protocoalele coexistă în același mediu fizic - de obicei numai Performanța generală a rețelei un impact mic. Un dispozitiv Ethernet standard poate fi conectat la un sistem EtherCAT printr-un terminal de comutare, care nu afectează timpul ciclului. Dispozitivele cu interfață tradițională de fieldbus pot fi integrate în rețea prin conectarea terminalului master fieldbus EtherCAT. Varianta de protocol UDP permite ca dispozitivul să fie integrat în orice interfață a slotului. EtherCAT este un protocol complet deschis care a fost identificat ca o specificație IEC formală (IEC / PAS62407).