EtherCAT Working Principle
1. Driftsprinsipp:
Det finnes en rekke Ethernet-løsninger tilgjengelig for å gi sanntidsfunksjonalitet: For eksempel er CSMA / CD-tilgangsprosessen deaktivert via et høyere nivå protokollag og erstattet med en tidsskisse eller pollingprosess. Andre løsninger bruker dedikerte brytere og bruker presis tidskontroll for å distribuere Ethernet-pakker. Selv om disse løsningene kan levere pakker til de tilkoblede Ethernet nodeene raskere og mer nøyaktig, er båndbreddeutnyttelsen svært lav, spesielt for typisk automatiseringsutstyr, fordi selv for svært små datavoluminer, må en komplett Ethernet-ramme sendes. Videre avhenger tiden som kreves for å omdirigere til utgangs- eller kjørekontrollen og lese inndataene, hovedsakelig av utførelsesmodus. Vanligvis må du også bruke en underbuss, spesielt i det modulære I / O-systemet, disse systemene og BeckhoFF K-bussen, gjennom det synkrone subbussystemet for å øke overføringshastigheten, men slik synkronisering vil ikke kunne unngå forsinkelse forårsaket av kommunikasjonsbussoverføringen.
Ved å bruke EtherCAT-teknologien, brøt BeckhoFF gjennom disse systembegrensningene til andre Ethernet-løsninger: I stedet for å motta Ethernet-pakker på hvert tilkoblingspunkt som tidligere, dekoding og kopiering som prosessdata. Når en ramme passerer gjennom hver enhet (inkludert den underliggende terminalenheten), leser EtherCAT-slavekontrollen data som er viktig for enheten. På samme måte kan inndata bli satt inn i meldingen når den går gjennom. Når rammen er passert (bare noen få biter forsinket), gjenkjenner slaven den aktuelle kommandoen og behandler den. Denne prosessen implementeres i maskinvare i slavekontrolleren og er derfor uavhengig av sanntidsoperativsystemet eller prosessorytelsen til protokollstakkprogramvaren. Den siste EtherCAT-slaven i segmentet returnerer den fullt behandlede meldingen slik at meldingen returneres som et svar fra den første slaven til masteren.
Fra et Ethernet-perspektiv er EtherCAT-buss segmentet ganske enkelt en stor Ethernet-enhet som kan motta og sende Ethernet-rammer. Imidlertid inkluderer "enheten" ikke en enkelt Ethernet-kontroller med en nedstrøms mikroprosessor, men bare et stort antall EtherCAT-slaver. Som ethvert annet Ethernet, kan EtherCAT etablere kommunikasjon uten behov for en bryter, og dermed skape et rent EtherCAT-system.
2. Terminaler implementerer Ethernet:
Hver enhet i systemet garanterer bruk av en komplett Ethernet-protokoll, selv for hver I / O-terminal, uten å bruke en underbuss. Bare konverter transmisjonsmediet til kobleren fra twisted pair (100baseTX) til E-bussen for å tilfredsstille kravene til den elektroniske terminalblokken. E-busssignaltypen (LVDS) i terminalblokken er ikke dedikert, den kan også brukes til 10 Gigabit Ethernet. På slutten av terminalblokken konverteres fysiske bussegenskapene tilbake til 100baseTX-standarden.
Standard Ethernet MAC eller billige standard nettverkskort (NIC) er tilstrekkelig til bruk som maskinvare i kontrolleren. DMA (Direct Memory Access) brukes til å overføre data til PCen. Dette betyr at nettverksadgang ikke har noen effekt på CPU-ytelsen. Det samme prinsippet brukes i BeckhoFF multiport-kortet, som binder opptil 4 Ethernet-kanaler i ett PCI-spor.
3. Protokollbehandlingen utføres fullstendig i maskinvare
3.1 protokoll:
EtherCAT-protokollen er optimalisert for prosessdata og overføres direkte til Ethernet-rammer eller komprimeres til UDP / IP-datagrammer. UDP-protokollen brukes når EtherCAT-segmentet i andre undernett blir adressert av ruteren. En Ethernet-ramme kan inneholde flere EtherCAT-meldinger, som hver er dedikert til et bestemt minneområde som kan brukes til å programmere et logisk prosessbilde på opptil 4 GB i størrelse. Siden datakjeden er uavhengig av den fysiske sekvensen til EtherCAT-terminaler, kan EtherCAT-terminaler løses fritt. Slave stasjoner kan kringkaste, multicast og kommunisere.
Protokollen kan også håndtere normalt ikke-syklisk parameterkommunikasjon. Strukturen og betydningen av parametrene er satt av CANOPEN-enhetsprofilen, og disse enhetsprofiler brukes til en rekke enhetsklasser og applikasjoner. EtherCAT støtter også avhengige regler som overholder IEC 61491-standarden. Profilen er oppkalt etter SERCOSTM og er anerkjent universelt i verden av bevegelsestyringsprogrammer.
I tillegg til datautveksling i henhold til master / slave-prinsippet, er EtherCAT også meget egnet for kommunikasjon mellom kontroller (master / master). Fritt adresserbare prosessdatametallvariabler, samt ulike parametrering, diagnostikk, programmering og fjernkontrolltjenester, kan tilfredsstille mange krav. Datagrensesnittet for master / slave kommunikasjon med master / master er det samme.
FMMU: Meldingsbehandling utføres fullstendig i maskinvare
3,2 ytelse:
EtherCAT har nådd en ny høyde i nettverksytelsen. Oppdateringssyklusen på 1000 distribuerte I / O-data er bare 30μs, inkludert terminaltiden. Med en Ethernet-ramme kan opp til 1486 byte prosessdata byttes, noe som tilsvarer nesten 12.000 digitale I / Os. Overføringen av dette datavolumet er bare 300 μs.
Kommunikasjon med 100 servo akser tar bare 100 μs. I løpet av denne tiden kan settverdier og kontrolldata gis til alle akser, og deres faktiske posisjon og status kan rapporteres. Distribuert klokketeknologi sikrer at synkroniseringstiden mellom disse aksene avviker med mindre enn 1 mikrosekund.
Ved å bruke den overlegne ytelsen til EtherCAT-teknologien, er det mulig å implementere en kontrollmetode som ikke kan realiseres med et konvensjonelt feltbussystem. På denne måten kan en ultrasnikk kontrollsløyfe også dannes via bussen. Funksjoner som tidligere krevde lokal dedikert maskinvarestøtte, kan nå kartlegges i programvare. Stort båndbredderessurser tillater statusdataene å bli overført parallelt med alle data. EtherCAT-teknologien gjør det mulig for kommunikasjonsteknologi å matche moderne høyytelses industrielle PCer. Bussystemet er ikke lenger flaskehalsen til kontrollkonceptet. Distribuert I / O-dataoverføring overstiger ytelsen som bare kan oppnås ved det lokale I / O-grensesnittet.
Denne nettverksytelsesfordelen er tydelig i små kontroller med relativt moderat datakraft. EtherCATs høyhastighetsløkke kan gjennomføres mellom to kontrollsykluser. Derfor har kontrolleren alltid de nyeste tilgjengelige inngangsdataene, og forsinkelsen i utgangsadressering er minimal. Kontrollerens reaksjonsadferd er betydelig forbedret uten at man må forbedre sin egen datakraft.
Prinsippet om EtherCAT-teknologi er skalerbar, ikke begrenset til 100M båndbredde. Ethernet utvidet til Gigabit er også mulig.
3.3 EtherCAT erstatter PCI:
Med akselerasjon av miniatyrisering av PC-komponenter avhenger størrelsen på industrielle PCer hovedsakelig på det nødvendige antall spor.
Bruken av Ethernet-båndbredde med høy hastighet og databåndbredden til EtherCAT-kommunikasjonsmaskinen (EtherCAT Slave Controller) åpner nye muligheter for søknad: Grensesnitt som vanligvis er plassert i IPC overføres til de intelligente grensesnittterminalene i EtherCAT-systemet. I tillegg til distribuerte I / O, akser og kontrollenheter kan komplekse systemer som feltbussmastere, høyhastighets serielle grensesnitt, gateways og andre kommunikasjonsgrensesnitt adresseres via en Ethernet-port på PCen. Selv andre Ethernet-enheter som ikke er begrenset til protokollvarianter, kan kobles via distribuerte bryterterminaler. Størrelsen på den industrielle PC-verten blir mindre og mindre, og kostnaden blir lavere og lavere. Et Ethernet-grensesnitt er tilstrekkelig for alle kommunikasjonsoppgaver.
Ethernet brukes i stedet for PCI-feltbussenheter (Profibus, CANOPEN, DeviceNet, AS-i, etc.) for å integrere via distribuerte feltbussmasterminaler. Ikke bruk en feltbussmester lagrer PCI-spor i PCen.
3.4 Topologi:
Buss, tre eller stjerne: EtherCAT støtter nesten hvilken som helst topologi. Derfor kan bussbuss-avledet bussstruktur også brukes til Ethernet. Kombinasjon av buss- og forgreningsstrukturer er spesielt nyttig for systemkabling. Alle grensesnitt er plassert på kobleren, og det kreves ingen ekstra brytere. Selvfølgelig kan en tradisjonell bryterbasert stjerne Ethernet topologi også brukes.
Ved å bruke forskjellige transmisjonskabler maksimerer kabels fleksibilitet. Den fleksible og rimelige standard Ethernet-patchkabelen kan sende signaler via Ethernet-modus (100baseTX) eller via E-bussen. Optisk fiber (PFO) kan brukes til spesielle applikasjoner. Ethernet båndbredde (f.eks. Forskjellige fiberoptiske kabler og kobberkabler) kan brukes sammen med brytere eller medieomformere. De fysiske egenskapene til Fast Ethernet kan gjøre at avstanden mellom enheter når 100 meter, mens e-bussen kun kan garantere avstanden på 10 meter. Fast Ethernet eller E-bus kan velges i henhold til avstandskrav. EtherCAT-systemet kan ta opptil 65.535 enheter, så hele nettverket er nesten ubegrenset
4. Fri valg av topologi
Det er maksimal fleksibilitet på kabelen: om du vil bruke brytere, enten du skal bruke en bustopologi eller en tretopologi. Automatisk adressetildeling; trenger ikke å angi en IP-adresse.
4.1 Distribuert klokke:
Nøyaktig synkronisering er spesielt viktig i distribusjonsprosessen, der det kreves et bredt spekter av samtidige handlinger, for eksempel når flere servoakser utfører samtidige koblingsoppgaver.
Nøyaktig kalibrering av distribuert klokke er den mest effektive løsningen for synkronisering. Omvendt, hvis full synkronisering brukes, vil kvaliteten på synkroniseringsdataene bli sterkt påvirket når kommunikasjonsfeil oppstår. I kommunikasjonssystemet er trinnvis kalibreringsklokke tolerant for feilforsinkelse til en viss grad. I EtherCAT er datautveksling basert på rene maskinvareenheter. Siden kommunikasjonen utnytter en logisk ringnettverksstruktur, full duplex Fast Ethernet og en faktisk ringnettverksstruktur, kan "master klokken" enkelt og nøyaktig bestemme operasjonskompensasjonen for hver "slave klokke" og omvendt. Den distribuerte klokken justeres basert på denne verdien, noe som betyr at den kan gi en svært nøyaktig klokkebase med mindre enn 1 mikrosekund jitter i nettverket.
Imidlertid brukes høyverdig distribuerte klokker ikke bare for synkronisering, men gir også nøyaktig informasjon om lokal tid under datainnsamling. På grunn av innføring av nye utvidede datatyper, kan målte verdier tildeles med svært nøyaktige tidsstempler.
4.2 Varm tilkobling:
Mange applikasjoner krever endring av I / O-konfigurasjonen under drift. For eksempel, et prosesseringssenter med skiftende egenskaper, et sensorutstyrt redskapssystem, en intelligent overføringsenhet, en fleksibel arbeidsstykkemodulator og en skriver som uavhengig kan lukke skriveren. EtherCAT-systemet tar hensyn til disse kravene: "Hot Connection" -funksjonen kan koble til eller frakoble de ulike delene av nettverket eller "dynamisk" omkonfigurere dem for å gi et fleksibelt svar på endrede konfigurasjoner.
4.3 Høy tilgjengelighet:
Den valgfrie kabelfredundansen møter den økende etterspørselen etter økt systemtilgjengelighet, slik at utstyret kan byttes ut uten å slå av nettverket.
EtherCAT støtter også overflødige hovedstasjoner med varm ventemodus. Siden EtherCAT-slavekontrolleren automatisk returnerer rammer når det oppstår en avbrudd, vil en enhetssvikt ikke føre til at hele nettverket slås av. For eksempel kan kabelbeskyttelseskjeden være spesielt konfigurert i form av en kort stang for å forhindre brudd.
4.4 sikkerhet:
Sikkerhetsfunksjoner implementeres vanligvis separat fra automatiseringsnettverket, gjennom maskinvare eller ved bruk av et dedikert sikkerhetsbussystem. Takket være TwinSAFE (BeckhoFFs sikkerhetsteknologi) er det nå mulig å bruke EtherCAT-sikkerhetsprotokollen for sikkerhetsrelatert kommunikasjon og d -kommunikasjon på samme nettverk.
Sikkerhetsprotokollen er basert på applikasjonslaget til EtherCAT og påvirker ikke de nedre lagene. Denne sikkerhetsprotokollen er sertifisert i henhold til IEC 61508 for å oppnå et sikkerhetsintegrasjonsnivå (SIL) 3 og kan til og med nå SIL4 etter å ha tatt relevante tiltak. Lengden på dataene kan variere, slik at protokollen også gjelder for sikkerhet I / O-data og sikkerhetsdriftsteknologi. Som andre EtherCAT-data kan sikre data bli dirigert uten å bruke en sikker ruter eller gateway.
4.5 Diagnose:
Diagnostiske evner i nettverket er svært viktige for å øke tilgjengeligheten til nettverket og redusere driftstiden (dermed redusere de totale kostnadene). Feil kan bare elimineres omgående hvis de blir raskt og nøyaktig oppdaget og klart identifisert. Under utviklingen av EtherCAT ble derfor særlig oppmerksom på typiske diagnostiske egenskaper.
Under testoperasjonen kontrolleres den faktiske konfigurasjonen av I / O-terminalen for kontinuitet ved bruk av den angitte konfigurasjonen. Topologien må også matche konfigurasjonen. På grunn av den innebygde topologidentifikasjonen kan I / O bekreftes når systemet startes eller når det automatisk installeres.
Bitfeil under dataoverføring kan oppdages med en gyldig 32-biters CRC. I tillegg til brytpunktsdeteksjon og plassering gjør overføringen av det fysiske laget og topologien gjennom EtherCAT-systemprotokollen høy kvalitetskontroll av hvert enkelt transmisjonssegment til en realitet. Ved automatisk å analysere de relevante feiltellerne, kan den kritiske nettverksdelen være nøyaktig lokalisert. Du kan oppdage og lokalisere kilder med konstant feil, for eksempel EMC-interferens, defekte kontakter eller skadede kabler, selv om de ikke har hatt en overdreven innvirkning på nettverks evne til å helbrede seg selv.
4.6 Åpenhet:
EtherCAT-teknologien er ikke bare fullstendig kompatibel med Ethernet, men har også spesielle åpenhetskarakteristikker for design: denne protokollen kan sameksistere med andre Ethernet-protokoller som gir ulike tjenester, og alle protokoller eksisterer på samme fysiske medium - vanligvis bare Den overordnede nettverksytelsen har en liten grad av innvirkning. En standard Ethernet-enhet kan kobles til et EtherCAT-system via en bryterkontakt, som ikke påvirker syklusen. Enheter med et tradisjonelt feltbussgrensesnitt kan integreres i nettverket via tilkoblingen av EtherCAT-feltbuss-masterterminalen. UDP-protokollvarianten gjør at enheten kan integreres i et hvilket som helst sporgrensesnitt. EtherCAT er en fullstendig åpen protokoll som er identifisert som en formell IEC-spesifikasjon (IEC / PAS62407).