Princíp práce EtherCAT
1. Princíp činnosti:
Na zabezpečenie funkcií v reálnom čase je k dispozícii množstvo riešení Ethernet: proces prístupu CSMA / CD je napríklad zakázaný prostredníctvom vrstvy protokolov vyššej úrovne a je nahradený procesom časového rozdelenia alebo volania. Iné riešenia používajú vyhradené prepínače a používajú presné časové riadenie na distribúciu paketov Ethernet. Hoci tieto riešenia dokážu rýchlejšie a presnejšie dodávať pakety do pripojených ethernetových uzlov, využitie šírky pásma je veľmi nízke, a to najmä pre typické automatizačné zariadenia, pretože aj pri veľmi malých objemoch dát sa musí poslať kompletný rámček Ethernet. Okrem toho čas potrebný na presmerovanie na výstup alebo riadiacu jednotku a čítanie vstupných údajov závisí predovšetkým od spôsobu vykonávania. Zvyčajne je potrebné používať aj podzvukový systém, najmä v modulárnom systéme I / O, v týchto systémoch a BeckhoFF K-bus, prostredníctvom systému synchrónnych podsystémov na urýchlenie prenosovej rýchlosti, ale takáto synchronizácia sa nedá vyhnúť oneskorenie spôsobené prenosom komunikačnej zbernice.
Použitím technológie EtherCAT spoločnosť BeckhoFF prekonala tieto systémové obmedzenia iných ethernetových riešení: namiesto toho, aby prijímala ethernetové pakety v každom bode pripojenia ako predtým, dekódovala a kopírovala ako procesné dáta. Keď rámec prechádza cez každé zariadenie (vrátane základného koncového zariadenia), regulátor slave EtherCAT číta údaje dôležité pre zariadenie. Podobne môžu byť vstupné dáta vložené do správy pri prechode. Po prechode rámca (len oneskorené niekoľko bitov) podriadený identifikuje príslušný príkaz a spracuje ho. Tento proces je implementovaný v hardvéri v podriadenom regulátore, a preto je nezávislý od operačného systému v reálnom čase alebo výkonu procesora v protokole stack softvér. Posledná jednotka EtherCAT v segmente vráti úplne spracovanú správu tak, aby správa bola vrátená ako odpoveď od prvého podriadeného k hlavnému.
Z hľadiska siete EtherCat je segmentom zbernice EtherCAT jednoducho veľké zariadenie Ethernet, ktoré môže prijímať a odosielať rámce Ethernet. Avšak "zariadenie" neobsahuje jediný Ethernetový riadiaci procesor s mikroprocesorom, ale iba veľkým počtom podriadených EtherCAT. Rovnako ako akýkoľvek iný Ethernet, EtherCAT dokáže vytvoriť komunikáciu bez potreby prepínača, čím vytvorí čistý systém EtherCAT.
2. Terminály implementujú Ethernet:
Každé zariadenie systému zaručuje použitie kompletného protokolu Ethernet, a to aj pre každý vstupný / výstupný terminál bez použitia podružnej zbernice. Jednoducho preveďte prenosové médium spojky z krúteného páru (100baseTX) na zbernicu E, aby ste splnili požiadavky na elektronickú svorkovnicu. Typ signálu zbernice E (LVDS) v svorkovnici nie je určený, ale môže byť použitý aj pre 10 Gigabit Ethernet. Na konci svorkovnice sa charakteristiky fyzickej zbernice prevedú späť na štandard 100baseTX.
Štandardné ethernetové MAC alebo lacné štandardné sieťové karty (NIC) sú dostatočné na použitie ako hardvér v regulátore. DMA (Direct Memory Access) sa používa na prenos údajov do PC. Znamená to, že prístup k sieti nemá vplyv na výkon CPU. Rovnaký princíp sa používa v multiportovej karte BeckhoFF, ktorá zväzuje až 4 kanály Ethernet v jednom slotu PCI.
3. Spracovanie protokolu je úplne vykonané v hardvéri
3.1 protokol:
EtherCAT protokol je optimalizovaný pre procesné dáta a prenáša sa priamo do rámov Ethernet alebo je komprimovaný do dátových grafov UDP / IP. Protokol UDP sa používa vtedy, keď smerovač smeruje segmentom EtherCAT v iných podsietiach. Rámec Ethernet môže obsahovať niekoľko správ EtherCAT, z ktorých každá je určená pre špecifickú oblasť pamäte, ktorú je možné použiť na programovanie logického procesného obrazu s veľkosťou až 4 GB. Keďže dátový reťazec je nezávislý od fyzickej sekvencie terminálov EtherCAT, terminály EtherCAT je možné riešiť voľne. Slave stanice môžu vysielať, rozširovať a komunikovať.
Protokol dokáže tiež bežne komunikovať s necyklickou komunikáciou parametrov. Štruktúra a význam parametrov sú stanovené profilom zariadenia CANOPEN a tieto profily zariadení sa používajú pre rôzne triedy zariadení a aplikácie. EtherCAT tiež podporuje závislé pravidlá, ktoré sú v súlade s normou IEC 61491. Profil je pomenovaný podľa SERCOSTM a vo svete aplikácií na riadenie pohybu je všeobecne uznávaný.
Okrem výmeny dát v súlade s princípom master / slave je EtherCAT veľmi vhodný aj na komunikáciu medzi riadiacimi jednotkami (master / master). Voľne adresovateľné premenné procesných dátových sietí, ako aj rôzne parametrizácie, diagnostika, programovanie a služby diaľkového ovládania môžu spĺňať množstvo požiadaviek. Dátové rozhranie pre komunikáciu master / slave s master / master je rovnaké.
FMMU: Spracovanie správ je úplne vykonané v hardvéri
3.2 výkon:
EtherCAT dosiahla novú výšku výkonu siete. Obnovovací cyklus s 1000 distribuovanými vstupno-výstupnými údajmi je len 30μs, vrátane doby terminálneho cyklu. S rámom Ethernet je možné vymeniť až 1486 bajtov procesných dát, čo zodpovedá takmer 12 000 digitálnym vstupom / výstupom. Prenos tohto objemu údajov je iba 300 μs.
Komunikácia so 100 servo osami trvá len 100 μs. Počas tejto doby môžu byť nastavené hodnoty a riadiace údaje poskytnuté na všetky osi a ich aktuálna poloha a stav môžu byť hlásené. Technológia rozdelených hodín zaručuje, že čas synchronizácie medzi týmito osami sa odchyľuje o menej ako 1 mikrosekundu.
Využitím vynikajúceho výkonu technológie EtherCAT je možné realizovať riadiacu metódu, ktorú nemožno realizovať bežným systémom zbernice. Týmto spôsobom môže byť cez zbernicu vytvorená tiež ultraľahká riadiaca slučka. Funkcie, ktoré predtým vyžadovali lokálnu vyhradenú hardvérovú podporu, môžu teraz byť mapované v softvéri. Obrovské zdroje šírky pásma umožňujú, aby sa stavové údaje prenášali paralelne s ľubovoľnými údajmi. Technológia EtherCAT umožňuje komunikáciu s modernými vysokovýkonnými priemyselnými počítačmi. Zbernicový systém už nie je prekážkou riadiacej koncepcie. Distribuovaný prenos dát I / O presahuje výkon, ktorý je možné dosiahnuť iba lokálnymi I / O rozhraniami.
Výhoda tejto výkonnosti siete je zrejmá v malých riadiacich jednotkách s relatívne miernym výpočtovým výkonom. Vysokorýchlostnú slučku EtherCAT je možné dokončiť medzi dvoma riadiacimi cyklami. Preto má regulátor vždy najnovšie dostupné vstupné dáta a oneskorenie v adresovaní výstupov je minimálne. Riadenie reakcie správanie je výrazne vylepšené bez potreby zvýšiť svoj vlastný výpočtový výkon.
Princíp technológie EtherCAT je škálovateľný, nie je obmedzený na 100M šírku pásma - Ethernet rozšírený na Gigabit je tiež možný.
3.3 EtherCAT nahrádza PCI:
Pri zrýchlení miniaturizácie komponentov počítača závisí veľkosť priemyselných počítačov predovšetkým od požadovaného počtu slotov.
Použitie vysokorýchlostnej šírky pásma Ethernet a dátového pásma komunikačného hardvéru EtherCAT (EtherCAT Slave Controller) otvára nové možnosti aplikácie: rozhrania, ktoré sa obvykle nachádzajú v IPC, sa prenášajú na inteligentné terminály rozhrania v systéme EtherCAT. Okrem distribuovaných I / O, osí a riadiacich jednotiek môžu byť komplexné systémy, ako napríklad masterbus fieldbus, vysokorýchlostné sériové rozhrania, brány a ďalšie komunikačné rozhrania adresované cez Ethernetový port na PC. Dokonca aj iné Ethernetové zariadenia, ktoré nie sú obmedzené na varianty protokolov, môžu byť pripojené cez distribuované spínacie terminály. Veľkosť priemyselného hostiteľa počítača sa zmenšuje a menšia a náklady sa zvyšujú a znižujú. Rozhranie Ethernet je dostatočné pre všetky komunikačné úlohy.
Ethernet sa používa namiesto zariadení priemyselnej zbernice PCI (Profibus, CANopen, DeviceNet, AS-i atď.) Na integráciu prostredníctvom distribuovaných hlavných terminálov zbernice. Nepoužívajte Masterbus pre ukladanie PCI slotov do počítača.
3.4 Topológia:
Autobus, strom alebo hviezda: EtherCAT podporuje takmer akúkoľvek topológiu. Štruktúra zbernice získaná zbernicou sa preto môže použiť aj pre sieť Ethernet. Kombinácia zbernicových a rozvetvovacích štruktúr je zvlášť užitočná pre systémovú kabeláž. Všetky rozhrania sú umiestnené na spojke a nie sú potrebné žiadne ďalšie spínače. Samozrejme, môže byť použitá aj tradičná topológia Ethernet starých prepínačov.
Použitie rôznych prenosových káblov maximalizuje flexibilitu kabeláže. Flexibilný a lacný štandardný kábel Ethernet patch môže prenášať signály cez Ethernet (100baseTX) alebo cez zbernicu E. Pre špeciálne aplikácie je možné použiť optické vlákno (PFO). Šírka pásma siete Ethernet (napr. Rôzne káble z optických vlákien a medené káble) sa môže použiť v spojení s prepínačmi alebo konvertormi médií. Fyzické vlastnosti Fast Ethernet môžu dosiahnuť vzdialenosť medzi zariadeniami až 100 metrov, zatiaľ čo E-bus môže garantovať vzdialenosť 10 metrov. Zariadenie Fast Ethernet alebo E-Bus možno zvoliť podľa požiadaviek na vzdialenosť. Systém EtherCAT môže obsahovať až 65 535 zariadení, takže celá sieť je takmer neobmedzená
4. Voľný výber topológie
Kabeláž má maximálnu flexibilitu: či už používať prepínače, či sa použije topológia zbernice alebo topológia stromu. Automatické priradenie adresy; nie je potrebné nastaviť adresu IP.
4.1 Rozdelené hodiny:
Presná synchronizácia je obzvlášť dôležitá v procese distribúcie, kde je potrebná široká škála súbežných akcií, napríklad v prípade, keď viaceré servosilvy vykonávajú simultánne spojovacie úlohy.
Presné kalibrácie distribuovaných hodín je najefektívnejším riešením na synchronizáciu. Naopak, ak sa použije úplná synchronizácia, kvalita synchronizačných údajov bude výrazne ovplyvnená, ak dôjde k chybám v komunikácii. V komunikačnom systéme sú krok za krokom kalibračné hodiny tolerantné k oneskoreniu chyby do určitej miery. V sieti EtherCAT je výmena údajov úplne založená na čistých hardvérových zariadeniach. Pretože komunikácia využíva logickú štruktúru sieťového pripojenia, plne duplexný Fast Ethernet a skutočnú štruktúru kruhovej siete, "master clock" môže jednoducho a presne určiť kompenzáciu prevádzky pre každý "slave hodiny" a naopak. Rozložené hodiny sú nastavené na základe tejto hodnoty, čo znamená, že môže poskytnúť veľmi presnú časovú základňu s menej ako 1 mikrosekundovým jitterom v sieti.
Vysokovýkonné distribuované hodiny sa však nielen používajú na synchronizáciu, ale poskytujú aj presné informácie o miestnom čase počas získavania údajov. Z dôvodu zavedenia nových rozšírených dátových typov môžu byť namerané hodnoty priradené veľmi presnými časovými pečiatkami.
4.2 Horúce pripojenie:
Mnohé aplikácie vyžadujú zmenu konfigurácie I / O počas prevádzky. Napríklad spracovateľské stredisko s meniacimi sa charakteristikami, systém náradia vybavený snímačom, inteligentné prevodové zariadenie, pružný ovládač obrobku a tlačiareň, ktorá môže samostatne zatvoriť tlačiarenskú jednotku. Systém EtherCAT zohľadňuje tieto požiadavky: Funkcia "horúce pripojenie" môže pripojiť alebo odpojiť rôzne časti siete alebo ich "dynamicky" prekonfigurovať tak, aby poskytovala flexibilnú odpoveď na zmenu konfigurácie.
4.3 Vysoká dostupnosť:
Prípadná redundancia káblov spĺňa rastúci dopyt po zvýšenej dostupnosti systému, aby bolo možné vymeniť zariadenie bez vypnutia siete.
EtherCAT tiež podporuje redundantné hlavné stanice s horúcim pohotovostným režimom. Keďže podriadený ovládač systému EtherCAT automaticky vracia rámce pri prerušení, zlyhanie zariadenia nespôsobí vypnutie celej siete. Napríklad reťazec na ochranu káblov môže byť špeciálne nakonfigurovaný vo forme krátkej lišty, aby sa zabránilo poškodeniu.
4.4 Bezpečnosť:
Bezpečnostné funkcie sa spravidla implementujú oddelene od siete automatizácie, cez hardvér alebo pomocou vyhradeného systému bezpečnostnej zbernice. Vďaka technológii TwinSAFE (bezpečnostná technológia spoločnosti BeckhoFF) je teraz možné použiť bezpečnostný protokol EtherCAT na komunikáciu súvisiacu s bezpečnosťou a komunikáciu v tej istej sieti.
Bezpečnostný protokol je založený na vrstve aplikácie EtherCAT a nemá vplyv na spodné vrstvy. Tento bezpečnostný protokol bol certifikovaný podľa IEC 61508 na dosiahnutie úrovne bezpečnostnej integrácie (SIL) 3 a po prijatí príslušných opatrení môže dokonca dosiahnuť SIL4. Dĺžka údajov sa môže meniť tak, že protokol je rovnako uplatniteľný na bezpečnosť I / O dát a technológiu bezpečnostných pohonov. Podobne ako iné dáta EtherCAT môžu byť zabezpečené dáta smerované bez použitia zabezpečeného smerovača alebo brány.
4.5 Diagnóza:
Diagnostické funkcie siete sú veľmi dôležité pre zvýšenie dostupnosti siete a zníženie času uvedenia do prevádzky (čím sa znižujú celkové náklady). Chyby môžu byť okamžite odstránené iba vtedy, ak sú rýchlo a presne zistené a jasne identifikované. Preto sa počas vývoja EtherCAT venovala osobitná pozornosť typickým diagnostickým funkciám.
Počas skúšobnej prevádzky sa skontroluje skutočná konfigurácia vstupno-výstupného terminálu pre kontinuitu pomocou špecifikovanej konfigurácie. Topológia musí zodpovedať aj konfigurácii. Vďaka integrovanej identifikácii topológie je možné potvrdiť I / O pri spustení systému alebo po jeho automatickom nainštalovaní.
Bitové chyby počas prenosu dát je možné detegovať pomocou platného 32-bitového CRC. Okrem detekcie a umiestnenia zlomových bodov prenos fyzickej vrstvy a topológie systémovým protokolom EtherCAT robí vysoko kvalitné monitorovanie každého jednotlivého prenosového segmentu realitou. Automatickou analýzou príslušných počítadiel chýb môže byť kritická časť siete presne umiestnená. Môžete zistiť a lokalizovať zdroje konštantnej chyby, ako sú interferencie EMC, chybné konektory alebo poškodené káble, a to aj vtedy, ak nemali nepriaznivý vplyv na schopnosť samotnej liečby siete.
4.6 Otvorenosť:
Technológia EtherCAT je nielen plne kompatibilná s Ethernetom, ale má aj špeciálne charakteristiky otvoreného dizajnu: tento protokol môže existovať spolu s inými protokolmi Ethernet, ktoré poskytujú rôzne služby a všetky protokoly existujú na rovnakom fyzickom médiu - zvyčajne iba celkový výkon siete malý dosah. Štandardné zariadenie Ethernet môže byť pripojené k systému EtherCAT cez terminál prepínača, ktorý neovplyvňuje čas cyklu. Zariadenia s tradičným rozhraním pre priemyselnú zbernicu je možné integrovať do siete prostredníctvom pripojenia hlavného terminálu priemyselnej zbernice EtherCAT. Variant protokolu UDP umožňuje integrovať zariadenie do ľubovoľného rozhrania slotu. EtherCAT je plne otvorený protokol, ktorý bol identifikovaný ako formálna špecifikácia IEC (IEC / PAS62407).