EtherCAT radno načelo
1. Načelo rada:
Postoji nekoliko dostupnih Ethernet rješenja za pružanje funkcionalnosti u stvarnom vremenu: primjerice, postupak pristupanja CSMA / CD-u onemogućen je preko višestrukog protokolskog sloja i zamijenjen vremenskom slikom ili postupkom glasanja. Druga rješenja koriste namjenske sklopke i koriste preciznu kontrolu vremena za distribuciju Ethernet paketa. Iako ta rješenja mogu brže i preciznije odašiljati pakete na povezane Ethernet čvorove, širina pojasa je vrlo niska, posebno za tipičnu automatizaciju, jer čak i za vrlo male podatke, potrebno je poslati kompletan Ethernet okvir. Štoviše, vrijeme potrebno za preusmjeravanje na izlaznu ili upravljačku jedinicu i čitanje ulaznih podataka ovisi prije svega o načinu izvršavanja. Obično je također potreban i sub-bus, posebno u modularnom I / O sustavu, te sustave i Beckhoff K-bus, preko sinkronog sub-bus sustava kako bi se ubrzao brzina prijenosa, no takva sinkronizacija neće moći izbjeći kašnjenje uzrokovano prijenosom komunikacijskog sabirnice.
Pomoću EtherCAT tehnologije, BeckhoFF je prekinuo ova ograničenja sustava drugih Ethernet rješenja: umjesto da prima Ethernet pakete na svakoj točki priključivanja kao i prije, dekodiraju i kopiraju kao procesne podatke. Kada okvir prolazi kroz svaki uređaj (uključujući i temeljni terminalni uređaj), EtherCAT slave kontrolor čita podatke koji su važni za uređaj. Slično tome, ulazni podaci mogu se umetnuti u poruku tijekom prolaska. Kad je okvir prošao (samo nekoliko bita odgođeno), rob prepoznaje odgovarajuću naredbu i obrađuje ga. Taj se postupak provodi u hardveru u robnom kontroleru i stoga je neovisan o realnom vremenu operativnog sustava ili procesorskom učinku softvera protokola protokola. Posljednji EtherCAT rob u segmentu vraća potpuno obrađenu poruku tako da se poruka vraća kao odgovor od prvog roba do mastera.
Iz Ethernet perspektive, segment EtherCAT sabirnice je jednostavno veliki Ethernet uređaj koji može primati i slati Ethernet okvire. Međutim, "uređaj" ne uključuje jedan Ethernet kontroler s nizvodnim mikroprocesorom, već samo velik broj EtherCAT robota. Kao i svaki drugi Ethernet, EtherCAT može uspostaviti komunikaciju bez potrebe za prekidačem, čime se stvara čisti EtherCAT sustav.
2. Termini implementiraju Ethernet:
Svaki uređaj sustava jamči korištenje cjelovitog Ethernet protokola, čak i za svaki I / O terminal, bez korištenja subbus-a. Jednostavno pretvorite medij prijenosa spojnika iz upletenog para (100baseTX) u E sabirnicu kako bi zadovoljio zahtjeve elektronskog terminalnog bloka. Tip E bus signala (LVDS) u terminalnom bloku nije posvećen, može se koristiti i za 10 Gigabit Ethernet. Na kraju stezaljke, karakteristike fizičkog sabirnice se vraćaju u 100baseTX standard.
Standardni Ethernet MAC ili jeftine standardne mrežne kartice (NIC) dovoljne su za korištenje kao hardver u kontroleru. DMA (Direct Memory Access) koristi se za prijenos podataka na računalo. To znači da pristup mreži nema utjecaja na performanse procesora. Isti princip koristi se u BeckhoFF multiport kartici, koja snima do 4 Ethernet kanala u jednom PCI utoru.
3. Obrada protokola se u potpunosti izvodi u hardveru
3.1 protokol:
EtherCAT protokol je optimiziran za procesne podatke i prenosi se izravno na Ethernet okvire ili komprimiran u UDP / IP datagramove. UDP protokol se koristi kada Etherner segment u drugim podmrežama rješava usmjerivač. Ethernet okvir može sadržavati nekoliko EtherCAT poruka, od kojih je svaki posvećen određenom memorijskom području koji se može koristiti za programiranje logičke procesne slike veličine do 4 GB. Budući da je lanac podataka neovisan o fizičkom slijedu EtherCAT terminala, EtherCAT terminali mogu se besplatno obraditi. Slave stanice mogu emitirati, multicast i komunicirati.
Protokol također može obraditi normalno ne-cikličku komunikaciju parametara. Struktura i značenje parametara određuje CANOPEN profil uređaja i ti se profili uređaja koriste za različite klase uređaja i aplikacije. EtherCAT također podržava ovisna pravila koja su u skladu s IEC 61491 standardom. Profil je dobio ime po SERCOSTM i univerzalno je prepoznat u svijetu aplikacija za kontrolu gibanja.
Osim razmjene podataka u skladu s načelom master / slave, EtherCAT je također vrlo pogodan za komunikaciju između kontrolera (master / master). Slobodno adresirane varijable mreže procesnih podataka, kao i različite parametrizacijske, dijagnostičke, programske i usluge daljinskog upravljanja mogu zadovoljiti brojne zahtjeve. Sučelje podataka za komunikaciju master / slave s master / master je isto.
FMMU: Obrada poruke se u potpunosti izvodi u hardveru
3.2 izvedba:
EtherCAT je dostigao novu visinu u performansama mreže. Ciklus osvježavanja od 1000 distribuiranih I / O podataka je samo 30 μs, uključujući vrijeme trajanja terminala. Pomoću Ethernet okvira može se razmijeniti do 1486 bajta procesnih podataka, što odgovara gotovo 12.000 digitalnih I / O. Prijenos ove količine podataka je samo 300 μs.
Komunikacija s 100 servo osi traje samo 100 μs. Za to vrijeme postavljene vrijednosti i kontrolni podaci mogu se dati na sve osi i može se izvijestiti o stvarnom položaju i statusu. Distribuirana tehnologija sata osigurava da vrijeme usklađivanja između ovih osi odstupi za manje od 1 mikrosekunde.
Koristeći vrhunske performanse EtherCAT tehnologije, moguće je provesti metodu kontrole koja se ne može ostvariti konvencionalnim sustavom sabirnice polja. Na taj način se preko sabirnice može stvoriti i ultrabrzina upravljačka petlja. Značajke koje su prethodno zahtijevale lokalnu namjensku hardversku podršku sada se mogu mapirati u softveru. Ogromne širine pojasa omogućuju paralelno prenošenje podataka o statusu s bilo kojim podacima. EtherCAT tehnologija omogućuje komunikacijsku tehnologiju da odgovara suvremenim industrijskim računalima visokih performansi. Autobusni sustav više nije usko grlo upravljačkog koncepta. Distribuirani I / O prijenos podataka premašuje performanse koje mogu postići samo lokalni I / O sučelje.
Ova prednost performansa mreže očituje se u malim kontrolerima s relativno umjerenom računalnom snagom. EtherCATov high-speed petlja može se završiti između dva kontrolna ciklusa. Stoga kontroler uvijek ima najnovije dostupne ulazne podatke, a kašnjenje u izlaznom adresiranju je minimalno. Ponašanje regulatora odgovora znatno se poboljšava bez potrebe za povećanjem vlastite računalne snage.
Načelo EtherCAT tehnologije je skalabilno, a ne ograničeno na 100M propusnost - Ethernet je proširen i na Gigabit.
3.3 EtherCAT zamjenjuje PCI:
S ubrzanjem minijaturizacije komponenti računala, veličina industrijskih računala ovisi uglavnom o potrebnom broju utora.
Korištenje širokopojasne Ethernet brzine i propusnost podataka EtherCAT komunikacijskog hardvera (EtherCAT Slave Controller) otvaraju nove mogućnosti primjene: sučelja koja se obično nalaze u IPC-u prenose se na inteligentne terminale sučelja u EtherCAT sustavu. Pored distribuiranih I / O, osi i upravljačkih jedinica, kompleksni sustavi kao što su masteri sabirnice polja, serijski sučelja velikih brzina, pristupnici i druga komunikacijska sučelja mogu se riješiti putem Ethernet priključka na računalu. Čak i drugi Ethernet uređaji koji nisu ograničeni na varijante protokola mogu se povezati preko distribuiranih preklopnih terminala. Veličina industrijskog računala računala je sve manja i manja, a trošak je sve manji i niži. Ethernet sučelje dostatno je za sve komunikacijske zadatke.
Ethernet se koristi umjesto PCI uređaja sabirnice polja (Profibus, CANOPEN, DeviceNet, AS-i, itd.) Za integraciju preko distribuiranih master terminala sabirnice polja. Ne koristite master master sabirnice sprema PCI utore na računalu.
Topologija:
Autobus, stablo ili zvijezda: EtherCAT podržava gotovo sve topologije. Stoga, sabirna sabirnica izvedena autobusna struktura također se može koristiti za Ethernet. Kombiniranje sabirnih i graničnih konstrukcija osobito je korisno za kabliranje sustava. Sva su sučelja smještena na spojnici i nisu potrebni dodatni prekidači. Naravno, također se može koristiti tradicionalna topologija zvijezde Ethernet-a.
Korištenje različitih prijenosnih kabela povećava fleksibilnost kabliranja. Fleksibilni i jeftin standardni Ethernet kabel za zakrpe može emitirati signale putem Ethernet moda (100baseTX) ili putem E sabirnice. Optička vlakna (PFO) mogu se koristiti za posebne namjene. Ethernet širina pojasa (npr., Različiti svjetlovodni kabeli i bakreni kabeli) mogu se koristiti zajedno s prekidačima ili medijskim pretvaračima. Fizička svojstva brzog Etherneta omogućuju da udaljenost između uređaja dosegne 100 metara, dok E-bus može jamčiti samo razmak od 10 metara. Fast Ethernet ili E-bus mogu se odabrati prema zahtjevima udaljenosti. EtherCAT sustav može ugostiti do 65.535 uređaja, tako da je cijela mreža gotovo neograničena
4. Slobodan izbor topologije
Postoji maksimalna fleksibilnost na kabliranju: hoćete li koristiti prekidače, bilo da koristite topologiju sabirnice ili topologiju stabla. Automatsko dodjeljivanje adresa; nema potrebe za postavljanjem IP adrese.
4.1 Distribuirani sat:
Precizna sinkronizacija je osobito važna u procesu distribucije gdje je potreban širok raspon istovremenih akcija, kao što je kada nekoliko servo sjekira obavlja simultane veze.
Točna kalibracija distribuiranog sata je najučinkovitije rješenje za sinkronizaciju. Isto tako, ako se koristi puna sinkronizacija, kvaliteta podataka sinkronizacije bit će znatno pogođena kada dođe do komunikacijskih pogrešaka. U komunikacijskom sustavu, korak-po-korak kalibracijski sat tolerantan je za odgodu pogreške do neke mjere. U EtherCAT-u, razmjena podataka u potpunosti se temelji na čistim hardverskim uređajima. Budući da komunikacija koristi logičku mrežnu strukturu mreže, full-duplex Fast Ethernet i stvarnu mrežnu strukturu prstena, "glavni sat" može jednostavno i precizno odrediti kompenzaciju rada za svaki "slave sat" i obrnuto. Distribuirani sat se prilagođava na temelju ove vrijednosti, što znači da može pružiti vrlo točnu satnu bazu s manje od 1 mikrosekundnog jittera u mreži.
Međutim, distribuirani satovi visokih performansi ne služe samo za sinkronizaciju, već pružaju i točne informacije o lokalnom vremenu tijekom prikupljanja podataka. Zbog uvođenja novih proširenih vrsta podataka, mjerene vrijednosti mogu se dodijeliti s vrlo točnim vremenskim markama.
4.2 Vruća veza:
Mnoge aplikacije zahtijevaju izmjenu konfiguracije I / O tijekom rada. Na primjer, centar za obradu s promjenljivim karakteristikama, sustav alata opremljen senzorima, inteligentni prijenosni uređaj, fleksibilni pokretač obradaka i pisač koji može samostalno zatvoriti jedinicu za ispis. EtherCAT sustav uzima u obzir ove zahtjeve: Funkcija "vruća veza" može povezati ili odspojiti različite dijelove mreže ili ih "dinamički" preoblikovati kako bi pružila fleksibilan odgovor na promjenu konfiguracija.
4.3 Visoka dostupnost:
Dodatna redundancija kabela zadovoljava sve veću potražnju za povećanom raspoloživost sustava kako bi se oprema mogla zamijeniti bez zatvaranja mreže.
EtherCAT također podržava redundantne glavne postaje s vrućim stanjima pripravnosti. Budući da upravljački program EtherCAT-a automatski vraća okvire kada dođe do prekida, otkazivanje uređaja neće uzrokovati zatvaranje cijele mreže. Na primjer, lanac za zaštitu kabela može se posebno oblikovati u obliku kratke trake kako bi se spriječilo lomljenje.
4.4 sigurnost:
Sigurnosne funkcije uglavnom se provode odvojeno od automatizacijske mreže, preko hardvera ili pomoću namjenskog sigurnosnog sabirničkog sustava. Zahvaljujući TwinSAFE-u (BeckhoFF-ovom sigurnosnom tehnologijom), sada je moguće koristiti EtherCAT sigurnosni protokol za komunikaciju vezanu za sigurnost i d- kontrolnu komunikaciju na istoj mreži.
Sigurnosni se protokol temelji na aplikacijskom sloju EtherCAT-a i ne utječe na niže slojeve. Ovaj sigurnosni protokol je certificiran prema IEC 61508 kako bi se postigla razina integracije sigurnosti (SIL) 3 i čak može postići SIL4 nakon poduzimanja odgovarajućih mjera. Duljina podataka može varirati tako da je protokol jednako primjenjiv na sigurnosne I / O podatke i tehnologiju sigurnosnog pogona. Kao i drugi EtherCAT podaci, sigurni podaci mogu se preusmjeriti bez upotrebe sigurnog usmjerivača ili pristupnika.
4.5 Dijagnoza:
Dijagnostičke mogućnosti mreže su vrlo važne za povećanje dostupnosti mreže i smanjenje vremena puštanja u rad (čime se smanjuju ukupni troškovi). Pogreške se mogu ukloniti odmah ako se brzo i precizno detektiraju i jasno identificiraju. Stoga je tijekom razvoja EtherCAT-a posebna pozornost posvećena tipičnim dijagnostičkim značajkama.
Tijekom ispitivanja, aktualna konfiguracija I / O terminala provjerava se za kontinuitet pomoću navedene konfiguracije. Topologija također mora odgovarati konfiguraciji. Zbog ugrađene identifikacije topologije, I / O se može potvrditi kada se sustav pokrene ili kada se automatski instalira.
Bitne pogreške tijekom prijenosa podataka mogu se otkriti s valjanim 32-bitnim CRC-om. Pored detekcije točaka i položaja, prijenos fizikalnog sloja i topologije putem EtherCAT protokolom sustava čini pravi nadzor svakog pojedinog segmenta prijenosa stvarnosti. Automatskim analizom relevantnih brojača pogrešaka kritički dio mreže može se precizno locirati. Možete otkriti i locirati izvore konstantne pogreške kao što su smetnje u EMC-u, oštećeni priključci ili oštećeni kablovi, čak i ako nisu imali pretjerani utjecaj na sposobnost mreže da se sama izliječi.
4.6 Otvorenost:
EtherCAT tehnologija nije samo potpuno kompatibilna s Ethernet-om, već ima i posebne karakteristike otvaranja dizajna: ovaj protokol može koegzistirati s drugim Ethernet protokolima koji pružaju različite usluge, a svi protokoli postoje u istom fizičkom mediju - obično samo Ukupna mrežna izvedba ima mali stupanj utjecaja. Standardni Ethernet uređaj može se spojiti s EtherCAT sustavom putem sklopke prekidača, što ne utječe na vrijeme ciklusa. Uređaji s tradicionalnim sučeljem sabirnice polja mogu se integrirati u mrežu putem spajanja Master terminal EtherCAT sabirnice polja. Varijanta UDP protokola omogućuje da se uređaj integrira u bilo koje sučelje utora. EtherCAT je potpuno otvoreni protokol koji je identificiran kao formalna IEC specifikacija (IEC / PAS62407).