Принцип на работа на EtherCAT
1. Принцип на действие:
Съществуват редица Ethernet решения за осигуряване на функционалност в реално време: например процесът на достъп до CSMA / CD е деактивиран чрез протоколен слой на по-високо ниво и е заменен с временен процес или процес на избиране. Другите решения използват специализирани превключватели и използват точен контрол на времето за разпространение на Ethernet пакети. Макар че тези решения могат да доставят пакети на свързаните Ethernet възли по-бързо и по-точно, използването на честотната лента е много ниско, особено за типично оборудване за автоматизация, защото дори при много малки обеми данни трябва да бъде изпратена пълна Ethernet рамка. Освен това времето, необходимо за пренасочване към контролера на изхода или задвижващия механизъм, и четенето на входните данни, зависи преди всичко от начина на изпълнение. Обикновено също така трябва да се използва подсистема, особено в модулната I / O система, тези системи и BeckhoFF K-bus, чрез синхронна подсистема за ускоряване на скоростта на предаване, но такава синхронизация няма да може да избегне забавяне, причинено от предаването на комуникационната шина.
Чрез използването на технологията EtherCAT, BeckhoFF преодоля тези системни ограничения на други Ethernet решения: Вместо да получава Ethernet пакети във всяка точка на свързване както преди, декодиране и копиране като данни за процеса. Когато рамката преминава през всяко устройство (включително основното терминално устройство), подчиненият EtherCAT контролер чете данни, които са важни за устройството. По същия начин, входните данни могат да бъдат включени в съобщението, докато преминава. Когато рамката бъде предадена (само няколко бита е отложено), робът разпознава съответната команда и я обработва. Този процес се изпълнява в хардуер в подчинения контролер и следователно е независим от работата на операционната система или процесора в реално време на софтуера за протоколни стекове. Последният подчинен EtherCAT в сегмента връща напълно обработеното съобщение, така че съобщението да се върне като отговор от първия подчинен към главния.
От гледна точка на Ethernet, сегментът на шината EtherCAT е просто голямо Ethernet устройство, което може да приема и изпраща Ethernet рамки. Устройството обаче не включва един Ethernet контролер с микропроцесор надолу по веригата, но само голям брой EtherCAT роби. Подобно на всеки друг Ethernet, EtherCAT може да установи комуникация без нужда от комутатор, като по този начин създава чиста EtherCAT система.
2. Терминали изпълняват Ethernet:
Всяко устройство на системата гарантира използването на пълен Ethernet протокол, дори за всеки I / O терминал, без да се използва под-шина. Просто преобразувайте предавателната среда на съединителя от усукана двойка (100baseTX) към шина E, за да отговаряте на изискванията на електронния клеморед. Типът на сигнала от типа E (LVDS) в клемната кутия не е посветен, може да се използва и за 10 Gigabit Ethernet. В края на клемния блок характеристиките на физическата шина се преобразуват обратно в стандарта 100baseTX.
Стандартните Ethernet MAC или евтини стандартни мрежови карти (NIC) са достатъчни за използване като хардуер в контролера. DMA (Директен достъп до памет) се използва за прехвърляне на данни към компютъра. Това означава, че достъпът до мрежата няма ефект върху производителността на процесора. Същият принцип се използва в картата Multiport на BeckhoFF, която обединява до 4 Ethernet канала в един слот за PCI.
3. Обработката на протокола се извършва изцяло в хардуера
3.1 протокол:
Протоколът EtherCAT е оптимизиран за процесните данни и се прехвърля директно в Ethernet рамки или се компресира в UDP / IP дейтаграми. Протоколът UDP се използва, когато сегментът EtherCAT в други подмрежи е адресиран от рутера. Ethernet камерата може да съдържа няколко EtherCAT съобщения, всяка от които е посветена на конкретна област на паметта, която може да се използва за програмиране на логически процес с размер до 4 GB. Тъй като веригата за данни е независима от физическата последователност на терминалите EtherCAT, терминалите EtherCAT могат да бъдат адресирани свободно. Подчинените станции могат да излъчват, да изпращат и да комуникират.
Протоколът може също така да се справя нормално с комуникацията с нециклични параметри. Структурата и значението на параметрите се определят от профила на устройството CANOPEN и тези профили на устройства се използват за различни класове устройства и приложения. EtherCAT също така поддържа зависими правила, които отговарят на стандарта IEC 61491. Профилът е кръстен на SERCOSTM и е универсално разпознат в света на приложенията за контрол на движението.
В допълнение към обмена на данни в съответствие с принципа главен / подчинен, EtherCAT е много подходящ и за комуникация между контролери (master / master). Свободно адресируемите променливи на процесори, както и различни параметризационни, диагностични, програмни и дистанционни управления могат да изпълнят множество изисквания. Интерфейсът за данни за главната / подчинената комуникация с капитана / капитана е същият.
FMMU: Обработката на съобщенията се извършва изцяло в хардуера
3.2 изпълнение:
EtherCAT достигна нова височина в работата на мрежата. Цикълът на опресняване на 1000 разпределени входно-изходни данни е само 30μs, включително времето на терминалния цикъл. С Ethernet кадър могат да се обменят до 1486 байта данни от процеса, което съответства на почти 12 000 цифрови входно-изходни модули. Предаването на този обем данни е само 300 μs.
Комуникацията със 100 сервосистема отнема само 100 μs. През това време могат да бъдат предоставени зададени стойности и контролни данни за всички оси и тяхната действителна позиция и състояние могат да бъдат отчетени. Разпределената часовникова технология гарантира, че времето за синхронизиране между тези оси се отклонява с по-малко от 1 микросекунда.
Използвайки превъзходната производителност на технологията EtherCAT, е възможно да се приложи метод за управление, който не може да бъде реализиран с конвенционална система от полеви шини. По този начин може да се създаде ултра бърз контролен контур чрез шината. Функциите, които преди това са изисквали поддръжка на местна хардуерна поддръжка, вече могат да бъдат преобразувани в софтуер. Огромните ресурси за трафик позволяват предаването на данните за състоянието паралелно с всички данни. Технологията EtherCAT позволява комуникационната технология да съвпадне със съвременните високопроизводителни индустриални персонални компютри. Автобусната система вече не е пречка за концепцията за управление. Разпределеният вход / изход на данни превишава ефективността, която може да бъде постигната само чрез локалния I / O интерфейс.
Това предимство на мрежата е очевидно в малките контролери с относително умерена изчислителна мощност. Високоскоростната линия на EtherCAT може да бъде завършена между два контролни цикъла. Следователно контролерът винаги има най-новите налични входни данни, а забавянето на адреса на изхода е минимално. Поведението на администратора е значително подобрено, без да е необходимо да се подобрява неговата компютърна мощ.
Принципът на EtherCAT технологията е мащабируем, без да се ограничава до 100M трафик - Ethernet разширен до Gigabit също е възможен.
3.3 EtherCAT заменя PCI:
С ускоряването на миниатюризирането на компонентите на компютрите, размерът на индустриалните компютри зависи главно от необходимия брой слотове.
Използването на високоскоростен Ethernet трафик и честотната лента на EtherCAT комуникационния хардуер (EtherCAT Slave Controller) отваря нови възможности за приложение: интерфейсите, които обикновено се намират в IPC, се прехвърлят към интелигентните интерфейсни терминали в EtherCAT системата. В допълнение към разпределените входове / изходи, оси и контролни блокове, комплексни системи като masterbus fieldbus, високоскоростни серийни интерфейси, шлюзове и други комуникационни интерфейси могат да бъдат адресирани чрез Ethernet порт на компютъра. Дори и други Ethernet устройства, които не са ограничени до варианти на протокол, могат да бъдат свързани чрез разпределени комутационни терминали. Размерът на индустриалния персонален компютър става все по-малък и по-малък, а разходите се влошават. Един Ethernet интерфейс е достатъчен за всички комуникационни задачи.
Ethernet се използва вместо PCI fieldbus устройства (Profibus, CANopen, DeviceNet, AS-i и др.), За да се интегрират чрез разпределителни главни терминали на разпределени полеви устройства. Без използване на масов шина за съхранение запазва PCI слота в компютъра.
3.4 Топология:
Автобус, дърво или звезда: EtherCAT поддържа почти всяка топология. Следователно, структурата на шината, получена от полевата шина, може да се използва и за Ethernet. Комбинирането на автобусните и разклонителни структури е особено полезно за системното окабеляване. Всички интерфейси са разположени на съединителя и не са необходими допълнителни превключватели. Разбира се, може да се използва и традиционна Ethernet топология, базирана на превключватели.
Използването на различни кабели за предаване увеличава гъвкавостта на кабелите. Гъвкавият и евтин стандартен кабел Ethernet patch може да предава сигнали през Ethernet режим (100baseTX) или чрез E-шина. Оптичните влакна (PFO) могат да се използват за специални приложения. Ethernet честотната лента (напр. Различни оптични кабели и медни кабели) може да се използва заедно с превключватели или медийни преобразуватели. Физическите характеристики на Fast Ethernet могат да направят разстоянието между устройствата да достигне 100 метра, докато E-bus може да гарантира само разстояние от 10 метра. Бързо Ethernet или E-bus могат да се избират според изискванията за разстояние. Системата EtherCAT може да побере до 65 535 устройства, така че цялата мрежа е почти неограничена
4. Свободен избор на топология
Има максимална гъвкавост при окабеляване: дали да се използват превключватели, дали да се използва топология на шината или топология на дърво. Автоматично задаване на адрес; няма нужда да зададете IP адрес.
4.1 Разпределен часовник:
Точното синхронизиране е особено важно в процеса на разпространение, където се изискват широк спектър от едновременни действия, например когато няколко сервосистеми извършват едновременни свързващи задачи.
Точното калибриране на разпределения часовник е най-ефективното решение за синхронизация. Обратно, ако се използва пълно синхронизиране, качеството на синхронизиращите данни ще бъде силно засегнато, когато възникнат грешки в комуникацията. В комуникационната система стъпка по стъпка калибриращият часовник е до известна степен толерантен за забавяне на грешката. В EtherCAT обмяната на данни се основава изцяло на чисти хардуерни устройства. Тъй като комуникацията използва логическа структура на структурата на пръстена, Full Duplex Fast Ethernet и структура на действителна пръстенна мрежа, "Master Clock" може просто и точно да определи компенсацията на операцията за всеки "часовник на роб" и обратно. Разпределеният часовник се настройва въз основа на тази стойност, което означава, че може да осигури много точна часовникова база с по-малко от 1 микросекунда трептене в мрежата.
Въпреки това, високопроизводителните разпределени часовници не се използват само за синхронизация, но и предоставят точна информация за местното време по време на събирането на данни. Поради въвеждането на нови разширени типове данни, измерените стойности могат да се задават с много точни времеви марки.
4.2 Гореща връзка:
Много приложения изискват промяна на I / O конфигурацията по време на работа. Например център за обработка с променящи се характеристики, сензорирана инструментална система, интелигентно устройство за предаване, гъвкав задвижващ механизъм за обработка на детайла и принтер, който може самостоятелно да затвори печатащата единица. Системата EtherCAT взема под внимание тези изисквания: Функцията "гореща връзка" може да свързва или изключва различните части на мрежата или да ги преконфигурира "динамично", за да осигури гъвкав отговор на променящите се конфигурации.
4.3 Висока достъпност:
Опционалното съкращаване на кабелите отговаря на нарастващото търсене за повишена наличност на системата, така че да може да се подменя оборудването без да се изключва мрежата.
EtherCAT също така поддържа резервните главни станции с горещ режим на готовност. Тъй като подчиненият EtherCAT контролер автоматично връща рамки при прекъсване, неизправността на устройството няма да доведе до изключване на цялата мрежа. Например, защитната верига на кабела може да бъде специално конфигурирана под формата на къса лента, за да се предотврати счупването.
4.4 безопасност:
Функциите за сигурност обикновено се изпълняват отделно от мрежата за автоматизация, чрез хардуер или с помощта на специална система за сигурност. Благодарение на TwinSAFE (технологията за сигурност на BeckhoFF) вече е възможно да се използва протоколът за сигурност EtherCAT за комуникация, свързана със сигурността, и комуникационна комуникация в същата мрежа.
Протоколът за защита се основава на слоя за прилагане на EtherCAT и не засяга долните пластове. Този протокол за безопасност е сертифициран съгласно IEC 61508 за постигане на ниво на интегриране на безопасността (SIL) 3 и дори може да достигне SIL4 след предприемането на съответните мерки. Дължината на данните може да варира, така че протоколът да е еднакво приложим към данните за входно / изходните данни за безопасност и безопасността. Подобно на други данни от EtherCAT, защитените данни могат да бъдат насочвани без използване на сигурен маршрутизатор или шлюз.
4.5 Диагноза:
Диагностичните възможности на мрежата са много важни за повишаване на достъпността на мрежата и намаляване на времето за пускане в експлоатация (като по този начин се намаляват общите разходи). Грешките могат да бъдат елиминирани незабавно само ако са бързо и точно открити и ясно идентифицирани. Поради това, по време на разработването на EtherCAT, специално внимание беше обърнато на типичните диагностични характеристики.
По време на тестовата операция действителната конфигурация на I / O терминала се проверява за непрекъснатост, като се използва определената конфигурация. Топологията трябва да съответства и на конфигурацията. Поради вградената идентификация на топологията, I / O може да бъде потвърдена, когато системата е стартирана или когато е инсталирана автоматично.
Битовите грешки при предаването на данни могат да бъдат открити с валиден 32-битов CRC. В допълнение към откриването и локализацията на прекъсванията, предаването на физическия слой и топологията през EtherCAT системния протокол прави висококачественото наблюдение на всеки отделен сегмент на предаване в реалност. Чрез автоматично анализиране на съответните броячи на грешки критичната част от мрежата може да бъде точно разположена. Можете да откривате и намирате източници на постоянна грешка, като смущения от EMC, дефектни съединители или повредени кабели, дори да не са имали прекалено голямо влияние върху способността на мрежата да се лекува сама.
4.6 Откритост:
Технологията EtherCAT не само е напълно съвместима с Ethernet, но има и специални характеристики за откритост на дизайна: този протокол може да съществува съвместно с други Ethernet протоколи, които предоставят различни услуги и всички протоколи съществуват съвместно в една и съща физическа среда - обикновено само. малка степен на въздействие. Стандартно Ethernet устройство може да бъде свързано към EtherCAT система чрез клема за превключване, което не влияе на времето на цикъла. Устройствата с традиционен интерфейс на Fieldbus могат да бъдат интегрирани в мрежата чрез свързването на главния терминал на Fieldbus EtherCAT. Протоколът UDP протокол позволява устройството да бъде интегрирано във всеки слот интерфейс. EtherCAT е напълно отворен протокол, който е идентифициран като формална спецификация на IEC (IEC / PAS62407).