EtherCAT radni princip
1. Princip rada:
Postoji niz Ethernet rješenja koja su na raspolaganju za pružanje funkcionalnosti u realnom vremenu: na primjer, CSMA / CD pristupni proces je onemogućen preko sloja protokola višeg nivoa i zamjenjen je vremenskim razmakom ili procesom glasanja. Druga rešenja koriste namenske prekidače i koriste preciznu kontrolu vremena za distribuciju Ethernet paketa. Iako ova rješenja mogu brže i tačnije dostaviti pakete povezanim Ethernet čvorovima, korištenje propusnog opsega je vrlo nisko, naročito za tipičnu automatizaciju, jer čak i za vrlo male količine podataka, potrebno je poslati kompletan Ethernet okvir. Štaviše, vreme potrebno za preusmeravanje na izlazni ili upravljački pogon i čitanje ulaznih podataka zavisi prvenstveno od načina izvršenja. Uobičajeno je takođe potrebno koristiti pod-bus, posebno u modularnom I / O sistemu, tim sistemima i BeckhoFF K-busu, preko sinhronog pod-bus sistema za ubrzanje brzine prenosa, ali takva sinhronizacija neće biti u stanju izbjeći kašnjenje izazvano prenosom komunikacionog sabirnice.
Korišćenjem EtherCAT tehnologije, BeckhoFF se probio kroz ova sistemska ograničenja drugih Ethernet rješenja: Umjesto dobijanja Ethernet paketa na svakoj tački povezivanja kao prije, dekodiranje i kopiranje kao podaci procesa. Kad okvir prolazi kroz svaki uređaj (uključujući i osnovni terminalni uređaj), EtherCAT slave kontroler čita podatke koji su važni za uređaj. Slično tome, ulazni podaci mogu biti ubačeni u poruku dok prođe. Kada je okvir prošao (samo nekoliko bita odloženo), robot prepoznaje relevantnu komandu i obrađuje ga. Ovaj proces se implementira u hardveru u slave kontroleru i stoga je nezavisno od realnog vremena operativnog sistema ili performansi procesora softvera stack protokola. Poslednji EtherCAT slave u segmentu vraća potpuno obrađenu poruku tako da se poruka vraća kao odgovor od prvog slave do master-a.
Od Ethernet perspektive, segment EtherCAT sabirnica je jednostavno veliki Ethernet uređaj koji može primati i slati Ethernet ramove. Međutim, "uređaj" ne sadrži jedan Ethernet kontroler sa nizvodnim mikroprocesorom, već samo veliki broj EtherCAT robova. Kao i bilo koji drugi Ethernet, EtherCAT može uspostaviti komunikaciju bez potrebe za prekidačem, čime se stvara čist EtherCAT sistem.
2. Terminali implementiraju Ethernet:
Svaki uređaj sistema garantuje korišćenje kompletnog Ethernet protokola, čak i za svaki I / O terminal, bez korištenja pod-busa. Jednostavno pretvorite medijum prenosa spajalice iz twisted parice (100baseTX) na E magistralu kako biste ispunili zahteve elektronskog priključnog bloka. Tip signala E signala (LVDS) u terminalu nije namenjen, može se koristiti i za 10 Gigabit Ethernet. Na kraju terminalskog bloka, karakteristike fizičkog magistrala konvertovane su u 100baseTX standard.
Standardni Ethernet MAC ili jeftine standardne mrežne kartice (NIC) su dovoljni za upotrebu kao hardver u kontroleru. DMA (Direct Memory Access) se koristi za prenos podataka na računar. To znači da pristup mreži nema uticaja na performanse CPU-a. Isti princip se koristi i na BeckhoFF multiport kartici, koja pakuje do 4 Ethernet kanala u jednom PCI slotu.
3. Obrada protokola se u potpunosti vrši u hardveru
3.1 protokol:
EtherCAT protokol je optimizovan za podatke procesa i prenosi se direktno na Ethernet ramove ili komprimuje u UDP / IP datagramove. UDP protokol se koristi kada se EtherCAT segment u drugim podmrežama obraća ruterom. Eternet okvir može sadržavati nekoliko EtherCAT poruka, od kojih je svaki posvećen specifičnoj memorijskoj oblasti koja se može koristiti za programiranje logičkog procesa slike do 4GB veličine. Pošto je lanac podataka nezavisan od fizičke sekvence EtherCAT terminala, EtherCAT terminali se mogu slobodno adresirati. Stanice slave mogu da emituju, multicast i komuniciraju.
Protokol može takođe obrađivati normalno ne-ciklično komuniciranje parametara. Strukturu i značenje parametara postavlja profil CANOPEN uređaja i ovi profili uređaja se koriste za različite klase i aplikacije uređaja. EtherCAT takođe podržava zavisna pravila koja su u skladu sa standardom IEC 61491. Profil se naziva po SERCOSTM-u i univerzalno je prepoznatljiv u svetu aplikacija za kontrolu pokreta.
Pored razmenjivanja podataka u skladu sa principom master / slave, EtherCAT je takođe veoma pogodan za komunikaciju između kontrolera (master / master). Freely adresirane varijable mreža procesnih podataka, kao i razne parametriranje, dijagnostike, programiranje i daljinske kontrole mogu zadovoljiti brojne zahtjeve. Interfejs podataka za master / slave komunikaciju sa master / master-om je isti.
FMMU: Obrada poruka se u potpunosti obavlja u hardveru
3.2 performanse:
EtherCAT je dostigao novu visinu u performansama mreže. Cikl osvežavanja od 1000 distribuiranih I / O podataka je samo 30 μs, uključujući i vreme trajanja terminala. Sa eternet okvirom može se razmjenjivati do 1486 bajtova podataka procesa, što odgovara skoro 12.000 digitalnih I / Os. Prenos ovog podatka je samo 300 μs.
Komunikacija sa 100 servo osa traje samo 100 μs. Tokom ovog vremena, postavljene vrednosti i kontrolni podaci mogu biti obezbeđeni za sve ose, a njihova stvarna pozicija i status se mogu prijaviti. Tehnologija distribuiranog sata osigurava da vreme sinhronizacije između ovih ose odstupa za manje od 1 mikrosekunde.
Koristeći superiorne performanse EtherCAT tehnologije, moguće je implementirati kontrolni metod koji se ne može realizovati uz konvencionalni sistem fieldbus-a. Na taj način se preko busa može formirati i ultrabrza kontrolna petlja. Karakteristike koje su prethodno zahtevale lokalnu namensku hardversku podršku sada mogu biti mapirane u softveru. Ogromni resursi propusnog opsega omogućavaju prenos podataka statusa paralelno sa bilo kojim podacima. EtherCAT tehnologija omogućava komunikacionu tehnologiju u skladu sa modernim industrijskim računarima visokih performansi. Autobusni sistem više nije usko grlo kontrolnog koncepta. Distribuirani I / O prenos podataka prevazilazi performanse koje može ostvariti samo lokalni I / O interfejs.
Prednost ove mrežne performanse je evidentna u malim kontrolerima sa relativno umerenom računarskom snagom. EtherCAT-ova brza petlja se može završiti između dva kontrolna ciklusa. Zbog toga, kontrolor uvek ima najnovije raspoložive ulazne podatke, a kašnjenje izlaznog adresiranja je minimalno. Ponašanje ponašanja regulatora je značajno poboljšano bez potrebe za povećanjem sopstvene računarske moći.
Princip EtherCAT tehnologije je skalabilan, ne ograničavajući se na 100M propusni opseg - moguće je i Ethernet proširen na Gigabit.
3.3 EtherCAT zamenjuje PCI:
Sa ubrzavanjem miniaturizacije PC komponenata, veličina industrijskih računara zavisi uglavnom od potrebnog broja slotova.
Korišćenje brzog Ethernet propusnog opsega i širine prenosa podataka EtherCAT komunikacionog hardvera (EtherCAT Slave Controller) otvara nove mogućnosti za primjenu: interfejsi koji se obično nalaze u IPC-u prenose se na inteligentne terminale interfejsa u EtherCAT sistemu. Osim distribuiranih I / O, osi i upravljačkih jedinica, kompleksni sistemi kao što su fieldbus masteri, brzi serijski interfejsi, gateway i drugi komunikacioni interfejsi mogu se rešavati preko Ethernet porta na računaru. Čak i drugi Ethernet uređaji koji nisu ograničeni na varijante protokola mogu se povezati preko distribuiranih prekidača. Veličina industrijskog PC računara postaje sve manja i manja, a trošak postaje niži i niži. Ethernet interfejs je dovoljan za sve zadatke komunikacije.
Ethernet se koristi umesto PCI fieldbus uređaja (Profibus, CANOPEN, DeviceNet, AS-i, itd.) Za integrisanje preko distribuiranih masterbaznih terminala fieldbus. Ne koristeći master fieldbus štedi PCI utore na računaru.
3.4 Topologija:
Autobus, drvo ili zvezda: EtherCAT podržava skoro svaku topologiju. Zbog toga se struktura bus-izvedenih busnih busova može koristiti i za Ethernet. Kombinovanje busa i grana struktura je posebno korisno za sistemsko kabliranje. Svi interfejsi se nalaze na spojnici i nisu potrebni dodatni prekidači. Naravno, takođe se može koristiti tradicionalna Ethernet topologija startera.
Korišćenje različitih kablova prenosa povećava fleksibilnost kablova. Fleksibilni i jeftini standardni ethernet patch kabl može prenijeti signale putem Ethernet moda (100baseTX) ili putem E-bus-a. Optičko vlakno (PFO) se može koristiti za posebne primjene. Eternet propusni opseg (npr. Različiti optički kablovi i bakarni kablovi) mogu se koristiti u kombinaciji sa prekidačima ili medijskim pretvaračima. Fizičke karakteristike Fast Ethernet-a mogu napraviti rastojanje između uređaja do 100 metara, dok E-bus može garantovati samo razmak od 10 metara. Fast Ethernet ili E-bus se mogu odabrati prema zahtevima za rastojanje. EtherCAT sistem može da primi do 65.535 uređaja, pa je cela mreža gotovo neograničena
4. Slobodan izbor topologije
Na kablovima je maksimalna fleksibilnost: bilo da koristite prekidače, bilo da koristite topologiju autobusa ili topologiju drveta. Automatsko dodeljivanje adresa; nema potrebe za postavljanjem IP adrese.
4.1 Distributed clock:
Precizna sinhronizacija je naročito važna u procesu distribucije gde je potreban širok spektar simultanih radnji, kao što je kada nekoliko servo osa vrši istovremene zadatke vezivanja.
Precizna kalibracija raspoređenog sata je najefektivno rešenje za sinhronizaciju. Nasuprot tome, ako se koristi puna sinhronizacija, kvalitet podataka o sinhronizaciji će biti značajno pogođeni kada se javljaju greške u komunikaciji. U komunikacionom sistemu, korak po korak korak kalibracije je tolerantan za kašnjenje greške do neke mere. U EtherCAT-u, razmjena podataka je u potpunosti zasnovana na čistim hardverskim uređajima. Pošto komunikacija koristi logičku strukturu mrežnog prstena, full-duplex Fast Ethernet i stvarnu strukturu mrežnog prstena, "glavni sat" može jednostavno i precizno odrediti kompenzaciju rada za svaki "slave sat" i obrnuto. Distribuirani sat se prilagođava na osnovu ove vrednosti, što znači da može obezbediti vrlo preciznu bazu podataka sa manje od 1 mikrosekundnog džitera u mreži.
Međutim, distribuirani satovi visokih performansi se ne koriste samo za sinhronizaciju, već i pružaju tačne informacije o lokalnom vremenu tokom prikupljanja podataka. Zbog uvođenja novih proširenih tipova podataka, izmerene vrijednosti mogu biti dodijeljene vrlo preciznim vremenskim markicama.
4.2 Vruća veza:
Mnoge aplikacije zahtevaju promjenu konfiguracije I / O tokom rada. Na primjer, centar za obradu s promjenama karakteristika, sistem senzora opremljen senzorom, inteligentni uređaj za prenos, fleksibilan aktuator za radne uređaje i štampač koji može samostalno zatvoriti jedinicu za štampanje. EtherCAT sistem uzima u obzir ove uslove: funkcija "vruće veze" može povezati ili odvojiti različite dijelove mreže ili ih "dinamički" rekonfigurirati kako bi pružila fleksibilan odgovor na promjenu konfiguracija.
4.3 Visoka dostupnost:
Opcionalna redundantnost kablova zadovoljava sve veću potrebu za povećanom raspoloživošću sistema tako da se oprema može zamijeniti bez isključivanja mreže.
EtherCAT takođe podržava redundantne glavne stanice sa vrućim pripravom. S obzirom da EtherCAT slave kontroler automatski vraća okvire kada se susreće prekid, neuspjeh uređaja neće dovesti do isključivanja čitave mreže. Na primer, lanac za zaštitu kablova može se posebno konfigurisati u obliku kratke trake kako bi se sprečilo oštećenje.
4.4 bezbednost:
Sigurnosne funkcije se generalno implementiraju odvojeno od mreže automatizacije, pomoću hardvera ili koristeći namenski sigurnosni sistem sabirnice. Zahvaljujući TwinSAFE tehnologiji (Beckhoff-ova sigurnosna tehnologija), sada je moguće koristiti EtherCAT sigurnosni protokol za komunikaciju vezanu za sigurnost i kontrolu komunikacije na istoj mreži.
Protokol sigurnosti zasnovan je na sloju aplikacija EtherCAT-a i ne utječe na donje slojeve. Ovaj sigurnosni protokol je sertifikovan prema IEC 61508 za postizanje nivoa sigurnosti integracije (SIL) 3 i može čak doći do SIL4 nakon što preduzme odgovarajuće mere. Dužina podataka može se razlikovati tako da je protokol jednako primjenjiv na sigurnosne I / O podatke i tehnologiju sigurnosti pogona. Kao i ostali EtherCAT podaci, sigurni podaci mogu biti usmereni bez korištenja sigurnog rutera ili gateway-a.
4.5 Dijagnoza:
Dijagnostičke mogućnosti mreže su veoma važne za poboljšanje dostupnosti mreže i smanjenje vremena puštanja u rad (time smanjuju ukupne troškove). Greške se mogu brzo eliminisati samo ako se brzo i tačno otkriju i jasno identifikuju. Zbog toga je tokom razvoja EtherCAT-a posebna pažnja posvećena tipičnim dijagnostičkim karakteristikama.
Tokom testiranja, stvarna konfiguracija I / O terminala se provjerava za kontinuitet koristeći određenu konfiguraciju. Topologija mora takođe odgovarati konfiguraciji. Zbog ugrađene identifikacije topologije, I / O se može potvrditi kada se sistem pokrene ili kada se automatski instalira.
Bitne greške tokom prenosa podataka mogu se otkriti sa važećim 32-bitnim CRC-om. Pored otkrivanja i pozicioniranja prekidne tačke, prenos fizičkog sloja i topologije preko EtherCAT sistemskog protokola čini kvalitetan nadzor svakog pojedinačnog segmenta prenosa stvarnosti. Automatskim analizom relevantnih brojača grešaka, kritični deo mreže može se precizno locirati. Možete otkriti i locirati izvore stalne greške, kao što su EMC smetnje, neispravni konektori ili oštećeni kablovi, čak i ako nisu imali preteran utjecaj na sposobnost mreže da se sam ozdravi.
4.6 Otvorenost:
EtherCAT tehnologija nije samo u potpunosti kompatibilna sa Ethernet-om, već ima i posebne karakteristike otvorenog dizajna: ovaj protokol može koegzistirati sa drugim Ethernet protokolima koji pružaju razne usluge, a svi protokoli koegzistiraju u istom fizičkom mediju - obično samo Ukupna performansa mreže mali stepen uticaja. Standardni Ethernet uređaj se može povezati na EtherCAT sistem preko prekidača, što ne utiče na vrijeme ciklusa. Uređaji sa tradicionalnim interfejsom fieldbus mogu se integrirati u mrežu preko povezivanja glavnog terminala EtherCAT fieldbus. Varijabla protokola UDP omogućava uređaju da se integriše u bilo koji slotski interfejs. EtherCAT je potpuno otvoren protokol koji je identifikovan kao formalna IEC specifikacija (IEC / PAS62407).