Pracovní princip EtherCAT
1. Princip činnosti:
K dispozici je řada řešení Ethernet pro poskytování funkcí v reálném čase: proces přístupu CSMA / CD je například zakázán prostřednictvím vrstvy protokolů vyšší úrovně a nahrazen procesem časového řezu nebo dotazování. Jiné řešení používají vyhrazené přepínače a pro distribuci ethernetových paketů používají přesné časové řízení. I když tato řešení mohou dodávat pakety na připojené ethernetové uzly rychleji a přesněji, využití šířky pásma je velmi nízké, zejména u typických automatizačních zařízení, protože i pro velmi malé objemy dat musí být zaslána kompletní rámce Ethernet. Kromě toho čas potřebný k přesměrování na výstupní nebo řídící jednotku a čtení vstupních dat závisí především na způsobu provádění. Většinou je také třeba používat systém sběrnic, zejména v modulárním I / O systému, v těchto systémech a BeckhoFF K-bus, díky synchronnímu systému sběrnic pro zrychlení přenosové rychlosti, ale tato synchronizace se nedá vyhnout zpoždění způsobené přenosem komunikační sběrnice.
Použitím technologie EtherCAT společnost BeckhoFF překonala tato systémová omezení jiných ethernetových řešení: Místo přijímání ethernetových paketů v každém bodě připojení jako předtím, dekódování a kopírování jako procesní data. Když rám prochází každým zařízením (včetně základního koncového zařízení), regulátor slave EtherCAT čte data důležitá pro zařízení. Stejně tak mohou být vstupní data vloženy do zprávy při procházení. Když je rámec předán (jen několik málo bitů zpožděno), slave rozpozná příslušný příkaz a zpracuje ho. Tento proces je implementován v hardwaru v podřízeném řadiči a je proto nezávislý na operačním systému v reálném čase nebo na výkonu procesoru v protokolovém stackovém softwaru. Poslední modul EtherCAT slave v segmentu vrátí plně zpracovanou zprávu tak, aby zpráva byla vrácena jako odpověď od prvního podřízeného k nadřízenému.
Z pohledu Ethernetu je segment sběrnice EtherCAT jednoduše velkým zařízením Ethernet, které přijímá a odesílá rámce Ethernet. Ovšem "zařízení" neobsahuje jediný řadič Ethernet s mikroprocesorem navazujícím na výstup, ale pouze velký počet slavec EtherCAT. Stejně jako ostatní Ethernet, EtherCAT dokáže komunikovat bez nutnosti přepínače, čímž vytvoří čistý systém EtherCAT.
2. Terminály implementují Ethernet:
Každé zařízení systému zaručuje použití kompletního protokolu Ethernet, a to i pro každý vstupní / výstupní terminál, aniž by byla použita sběrnice. Jednoduše přeměňte převodové médium spojky z kroucené dvojice (100baseTX) na sběrnici E, aby vyhovoval požadavkům elektronického svorkovnice. Typ signálu sběrnice E (LVDS) v terminálovém bloku není určen, může být také použit pro 10 Gigabit Ethernet. Na konci svorkovnice jsou fyzické charakteristiky sběrnice převedeny zpět na standard 100baseTX.
Standardní ethernetové MAC nebo levné standardní síťové karty (NICs) jsou dostatečné pro použití jako hardware v řadiči. DMA (Přímý přístup k paměti) se používá k přenosu dat do počítače. To znamená, že přístup k síti nemá vliv na výkon CPU. Stejný princip se používá v multiportové kartě BeckhoFF, která sdružuje až 4 ethernetové kanály v jednom slotu PCI.
3. Zpracování protokolu je plně provedeno v hardwaru
3.1 protokol:
Protokol EtherCAT je optimalizován pro procesní data a je přenášen přímo do ethernetových rámců nebo je komprimován do datagramů UDP / IP. Protokol UDP se používá, když router směruje segment EtherCAT v jiných podsítích. Rámeček Ethernet může obsahovat několik zpráv EtherCAT, z nichž každá je určena pro konkrétní paměťovou oblast, která může být použita pro programování logického procesního obrazu o velikosti až 4 GB. Vzhledem k tomu, že datový řetězec je nezávislý na fyzické sekvenci terminálů EtherCAT, terminály EtherCAT mohou být volně řešeny. Slave stanice mohou vysílat, vysílat a komunikovat.
Protokol může také běžně pracovat s komunikací s normálními necyklickými parametry. Struktura a význam parametrů jsou nastaveny pomocí profilu zařízení CANOPEN a tyto profily zařízení se používají pro různé třídy a aplikace zařízení. EtherCAT také podporuje závislé pravidla, které odpovídají standardu IEC 61491. Profil je pojmenován podle SERCOSTMu a je všeobecně uznávaný ve světě aplikací pro řízení pohybu.
Kromě výměny dat v souladu se zásadou master / slave je EtherCAT velmi vhodný i pro komunikaci mezi řídicími jednotkami (master / master). Volně adresovatelné proměnné procesních datových sítí, jakož i různé parametrizační, diagnostické, programovací a dálkově ovládané služby mohou splňovat řadu požadavků. Datové rozhraní pro komunikaci master / slave s master / master je stejné.
FMMU: Správa zpráv je plně provedena v hardwaru
3.2 výkon:
EtherCAT dosáhla nové výšky výkonu sítě. Obnovovací cyklus 1000 distribuovaných vstupních a výstupních dat je pouze 30μs, včetně doby terminálu. S rámem Ethernet lze vyměnit až 1486 bajtů procesních dat, což odpovídá téměř 12 000 digitálním I / O. Přenos tohoto objemu dat je pouze 300 μs.
Komunikace se 100 servo osami trvá jen 100 μs. Během této doby lze nastavit nastavené hodnoty a řídící data na všechny osy a jejich skutečná pozice a stav lze ohlásit. Technologie distribuovaných hodin zajišťuje, že doba synchronizace mezi těmito osami se odchyluje o méně než 1 mikrosekundu.
Využitím špičkového výkonu technologie EtherCAT je možné realizovat řídicí metodu, kterou nelze realizovat běžným systémem sběrnice. Tímto způsobem může být prostřednictvím sběrnic vytvořena také ultrarychlostní regulační smyčka. Funkce, které dříve vyžadovaly lokální vyhrazenou podporu hardwaru, lze nyní mapovat v softwaru. Obrovské zdroje šířky pásma umožňují odesílání stavových dat paralelně s jakýmikoli daty. Technologie EtherCAT umožňuje komunikační technologii přizpůsobit moderním vysoce výkonným průmyslovým počítačům. Sběrnicový systém již není překážkou koncepce řízení. Distribuovaný přenos dat I / O přesahuje výkon, který lze dosáhnout pouze lokálním I / O rozhraním.
Tato výhoda v síti je zřejmá u malých řadičů s relativně mírným výpočtovým výkonem. Vysokorychlostní smyčku EtherCAT lze dokončit mezi dvěma cykly řízení. Řadič má proto vždy nejnovější dostupné vstupní data a zpoždění při adresování výstupů je minimální. Reakční chování řídící jednotky je výrazně vylepšeno bez nutnosti vylepšovat vlastní výpočetní výkon.
Princip EtherCAT technologie je škálovatelný, neomezený na šířku pásma 100M - Ethernet rozšířený na Gigabit je také možný.
3.3 EtherCAT nahrazuje PCI:
Při zrychlení miniaturizace PC komponentů závisí velikost průmyslových počítačů především od požadovaného počtu slotů.
Použití vysokorychlostní šířky pásma Ethernet a datové pásmo komunikačního hardwaru EtherCAT (EtherCAT Slave Controller) otevírá nové možnosti aplikace: rozhraní, která jsou obvykle umístěna v IPC, jsou přenášena na inteligentní terminály rozhraní v systému EtherCAT. Vedle distribuovaných I / O, os a řídicích jednotek lze komplexní systémy, jako jsou masterbus fieldbus, vysokorychlostní sériová rozhraní, brány a další komunikační rozhraní adresovat prostřednictvím portu Ethernet na PC. Dokonce i další ethernetová zařízení, která nejsou omezena na varianty protokolů, mohou být připojena přes distribuované spínací terminály. Velikost průmyslového PC hostu se stává stále menší a menší a náklady jsou stále nižší a nižší. Rozhraní Ethernet je dostatečné pro všechny komunikační úlohy.
Ethernet se používá namísto zařízení sběrnice PCI fieldbus (Profibus, CANopen, DeviceNet, AS-i atd.) Pro integraci prostřednictvím distribuovaných master terminálů sběrnice. Nepoužívá-li master bus fieldbus, uloží PCI sloty v počítači.
3.4 Topologie:
Bus, strom nebo hvězda: EtherCAT podporuje téměř jakoukoli topologii. Proto lze pro Ethernet použít i strukturu sběrnic odvozenou od sběrnice. Kombinace sběrnice a rozvětvovacích struktur je zvláště užitečná pro systémovou kabeláž. Všechna rozhraní se nacházejí na spojce a nejsou vyžadovány žádné další spínače. Samozřejmě je možné použít také tradiční topologii ethernetu založenou na přepínačích.
Použití různých přenosových kabelů maximalizuje flexibilitu kabeláže. Flexibilní a levný standardní ethernetový patch kabel může přenášet signály přes Ethernetový režim (100baseTX) nebo přes sběrnici E. Optické vlákno (PFO) lze použít pro speciální aplikace. Ethernetová šířka pásma (např. Různé kabely z optických vláken a měděné kabely) lze použít ve spojení s přepínači nebo měniči média. Fyzické vlastnosti zařízení Fast Ethernet umožňují, aby vzdálenost mezi zařízeními dosáhla 100 metrů, zatímco E-bus může zaručit vzdálenost 10 metrů. Fast Ethernet nebo E-bus lze volit podle požadavků na vzdálenost. Systém EtherCAT může obsahovat až 65 535 zařízení, takže celá síť je téměř neomezená
4. Svobodná volba topologie
Kabeláž má maximální flexibilitu: zda používat přepínače, zda použije topologii sběrnice nebo topologii stromu. Automatické přiřazení adres; není třeba nastavit adresu IP.
4.1 Rozložené hodiny:
Přesná synchronizace je obzvláště důležitá v distribučním procesu, kdy je zapotřebí široké spektrum souběžných akcí, například v případě, kdy několik servosystémů provádí současně propojovací úlohy.
Přesné kalibrace distribuovaných hodin je nejúčinnějším řešením pro synchronizaci. Naopak, pokud je použita plná synchronizace, kvalita synchronizačních dat bude značně ovlivněna, když dojde k chybám v komunikaci. V komunikačním systému jsou krok za krokem kalibrační hodiny do určité míry tolerantní k chybovému zpoždění. V systému EtherCAT je výměna dat zcela založena na čistých hardwarových zařízeních. Vzhledem k tomu, že komunikace využívá strukturu logických prstenců, plně duplexní Fast Ethernet a skutečnou strukturu kruhové sítě, "master clock" může jednoduše a přesně určit kompenzaci provozu pro každý "podřízený čas" a naopak. Rozložené hodiny jsou nastaveny na základě této hodnoty, což znamená, že může poskytnout velmi přesné hodiny s méně než 1 mikrosekundovým jitterem v síti.
Vysoce výkonné distribuované hodiny se však nepoužívají pouze pro synchronizaci, ale také poskytují přesné informace o místním čase při sběru dat. Díky zavedení nových rozšířených typů dat mohou být naměřené hodnoty přiřazeny velmi přesnými časovými razítky.
4.2 Hot připojení:
Mnoho aplikací vyžaduje změnu konfigurace I / O během provozu. Například zpracovatelské středisko s měnícími se vlastnostmi, systém nářadí vybavený snímačem, inteligentní přenosové zařízení, pružný akční člen obrobku a tiskárna, která může samostatně uzavřít tiskovou jednotku. Systém EtherCAT bere v úvahu tyto požadavky: Funkce "horké připojení" může připojit nebo odpojit různé části sítě nebo "dynamicky" rekonfigurovat tak, aby pružně reagovala na měnící se konfigurace.
4.3 Vysoká dostupnost:
Volitelná volitelná kabeláž splňuje rostoucí požadavek na vyšší dostupnost systému, takže zařízení lze vyměnit bez vypnutí sítě.
EtherCAT také podporuje redundantní hlavní stanice s horkým pohotovostním režimem. Vzhledem k tomu, že podřízený řadič EtherCAT automaticky vrátí snímky při přerušení, selhání zařízení nezpůsobí vypnutí celé sítě. Například řetězec pro ochranu kabelu může být speciálně konfigurován ve formě krátké lišty, aby nedošlo k jeho poškození.
4.4 Bezpečnost:
Bezpečnostní funkce jsou obecně implementovány odděleně od automatizační sítě, pomocí hardwaru nebo pomocí vyhrazeného bezpečnostního sběrnicového systému. Díky bezpečnostní technologii TwinSAFE (bezpečnostní technologie společnosti BeckhoFF) je nyní možné použít bezpečnostní protokol EtherCAT pro komunikaci v oblasti bezpečnosti a řídicí komunikaci ve stejné síti.
Bezpečnostní protokol je založen na aplikační vrstvě EtherCAT a nemá vliv na spodní vrstvy. Tento bezpečnostní protokol byl certifikován podle IEC 61508 pro dosažení úrovně integrace bezpečnosti (SIL) 3 a může po dosažení příslušných opatření dosáhnout i SIL4. Délka dat se může měnit tak, že protokol je stejně použitelný pro bezpečnostní vstupní / výstupní data a bezpečnostní technologii. Stejně jako ostatní data EtherCAT mohou být zabezpečená data směrována bez použití zabezpečeného směrovače nebo brány.
4.5 Diagnóza:
Diagnostické funkce sítě jsou velmi důležité pro zvýšení dostupnosti sítě a zkrácení doby uvedení do provozu (čímž se sníží celkové náklady). Chyby mohou být vyloučeny pouze rychle, pokud jsou rychle a přesně zjištěny a jasně identifikovány. Proto při vývoji EtherCAT byla věnována zvláštní pozornost typickým diagnostickým funkcím.
Během testovací operace se kontroluje kontinuita konfigurace I / O terminálu pomocí specifikované konfigurace. Topologie musí také odpovídat konfiguraci. Díky vestavěné identifikaci topologie lze I / O potvrdit při spuštění systému nebo po jeho automatické instalaci.
Bitové chyby při přenosu dat lze zjistit pomocí platné 32bitové CRC. Navíc k detekci a lokalizaci zlomových bodů přenáší fyzickou vrstvu a topologii systémovým protokolem EtherCAT skutečnou kvalitu sledování jednotlivých přenosových segmentů. Automatickou analýzou příslušných čítačů chyb lze přesně lokalizovat kritickou síťovou část. Můžete zjistit a lokalizovat zdroje konstantní chyby, jako jsou interference EMC, vadné konektory nebo poškozené kabely, a to i v případě, že nemají nadměrný dopad na schopnost samotné léčby sítě.
4.6 Otevřenost:
Technologie EtherCAT je nejen plně kompatibilní s rozhraním Ethernet, ale má také speciální charakteristiky otevřeného designu: tento protokol může existovat společně s dalšími protokoly Ethernet, které poskytují různé služby a všechny protokoly existují ve stejném fyzickém prostředí - obvykle pouze Celkový výkon sítě malý dopad. Standardní ethernetové zařízení lze připojit k systému EtherCAT přes terminál přepínače, což neovlivňuje dobu cyklu. Zařízení s tradičním rozhraním průmyslové sběrnice mohou být integrována do sítě prostřednictvím připojení hlavního terminálu průmyslové sběrnice EtherCAT. Variant protokolu UDP umožňuje, aby zařízení bylo integrováno do libovolného rozhraní slotu. EtherCAT je plně otevřený protokol, který byl identifikován jako formální specifikace IEC (IEC / PAS62407).