EtherCAT munkamódszer
1. Működési elv:
Számos Ethernet megoldás érhető el valós idejű funkcionalitás biztosítására: például a CSMA / CD hozzáférési folyamat le van tiltva egy magasabb szintű protokollrétegen, és időszelet vagy lekérdezési folyamat helyébe lép. Más megoldások dedikált kapcsolókat használnak, és pontos idővezérlést használnak az Ethernet csomagok terjesztésére. Bár ezek a megoldások gyorsabban és pontosabban képesek szállítani a csomagokat a csatlakoztatott Ethernet csomópontokhoz, a sávszélesség-kihasználtság nagyon alacsony, különösen a tipikus automatizálási eszközök számára, mert még nagyon kis adatmennyiségek esetén is teljes Ethernet-keretet kell küldeni. Ezenkívül a kimenet vagy meghajtóvezérlőre való átirányításhoz szükséges idő és a bemeneti adatok olvasása elsősorban a végrehajtás módjától függ. Rendszerint sub-buszra is szükség van, különösen a moduláris I / O rendszerben, ezeknél a rendszereknél és a BeckhoFF K-busznál a szinkron al-busz rendszeren keresztül, hogy gyorsítsák fel az átviteli sebességet, de az ilyen szinkronizálás nem lesz képes elkerülni a kommunikációs busz továbbításának késleltetése.
Az EtherCAT technológiát alkalmazva a BeckhoFF áttörte a többi Ethernet-megoldás ilyen rendszerkorlátozását: ahelyett, hogy az Ethernet-csomagokat minden egyes csatlakozási pontnál megkapta volna, a dekódolást és a másolást mint folyamatadatot. Amikor egy keret halad át minden eszközön (beleértve az alatta lévő végberendezést is), az EtherCAT slave vezérlő az eszközhöz fontos adatokat olvas. Hasonlóképpen bemeneti adatok is beilleszthetők az üzenetbe, amint áthalad. Ha a keret elmúlik (csak néhány bitet késik), a slave felismeri az adott parancsot és feldolgozza azt. Ezt a folyamatot a slave vezérlő hardvereszközében valósítja meg, és ezért független a protokollkészlet szoftver valós idejű operációs rendszere vagy processzor teljesítményétől. A szegmensben lévő utolsó EtherCAT slave visszaadja a teljesen feldolgozott üzenetet úgy, hogy az üzenet az első slave válaszától a mesterhez jusson.
Ethernet-perspektívából az EtherCAT busz szegmens egyszerűen egy nagy Ethernet eszköz, amely képes fogadni és elküldeni az Ethernet keretet. Azonban az "eszköz" nem tartalmaz egy Ethernet vezérlőt egy downstream mikroprocesszorral, de csak nagy számú EtherCAT rabszolgát. Mint bármely más Ethernet, az EtherCAT kommunikáció nélkül is képes kapcsolatot létesíteni, így tiszta EtherCAT rendszert hoz létre.
2. A terminálok implementálják az Ethernet-t:
A rendszer minden eszköze garantálja a teljes Ethernet protokoll használatát, még az egyes I / O terminálok esetében is, szubbusz használata nélkül. Egyszerűen alakítsa át a csatoló átviteli közegét a csavart érpárból (100baseTX) az E buszba, hogy megfeleljen az elektronikus sorkapocs követelményeinek. A sorkapocsban lévő E busz jeltípus (LVDS) nem szentelt, 10 Gigabit Ethernethez is használható. A sorkapocs végén a fizikai busz jellemzői visszaállnak a 100baseTX szabványba.
A szabványos Ethernet MAC-ek vagy olcsó szabványos hálózati kártyák (NIC-k) elegendőek a vezérlőben hardveres használathoz. A DMA (Közvetlen memória hozzáférés) az adatok számítógépre történő átvitelére szolgál. Ez azt jelenti, hogy a hálózati hozzáférésnek nincs hatása a CPU teljesítményére. Ugyanezt az elvet alkalmazza a BeckhoFF multiport kártyán, amely akár 4 Ethernet csatorna csomagolását egy PCI slotban csomagolja.
3. A protokoll feldolgozása teljes egészében hardveres
3.1 protokoll:
Az EtherCAT protokoll folyamatadatokhoz van optimalizálva, és közvetlenül átmásolódik az Ethernet keretekbe, vagy UDP / IP adatgrammákba tömörítve. Az UDP protokollt akkor használjuk, ha az EtherCAT szegmenset más alhálózatokban a router kezeli. Az Ethernet keret több EtherCAT üzenetet is tartalmazhat, amelyek mindegyike egy adott memóriaterülethez van dedikálva, amely logikai folyamatkép akár 4 GB méretig is használható. Mivel az adatlánc független az EtherCAT terminálok fizikai szekvenciájától, az EtherCAT terminálok szabadon választhatók. A slave állomások sugárzott, multicast és kommunikálhatnak.
A protokoll a nem ciklikus paraméterek kommunikációját is képes kezelni. A paraméterek szerkezetét és jelentését a CANOPEN eszközprofil határozza meg, és ezeket a készülékprofilokat különböző eszközosztályokhoz és alkalmazásokhoz használják. Az EtherCAT támogatja az IEC 61491 szabványnak megfelelő, függő szabályokat is. A profil neve a SERCOSTM nevet kapta, és általánosan elismert a mozgásvezérlő alkalmazások világában.
A master / slave elven működő adatcserén kívül az EtherCAT a vezérlők (master / master) közötti kommunikációra is alkalmas. A szabadon címezhető folyamatadat-hálózati változók, valamint a különböző paraméterezési, diagnosztikai, programozási és távvezérlő szolgáltatások számos követelménynek megfelelnek. A master / slave kommunikáció adatmezője a master / master eszközzel azonos.
FMMU: Az üzenetek feldolgozása teljes mértékben hardveres
3.2 teljesítmény:
Az EtherCAT új magasságot ért el a hálózat teljesítményében. A 1000 elosztott I / O adatfrissítési ciklus csak 30 μs, beleértve a végcél ciklusidejét is. Ethernet keretben akár 1486 bájtnyi folyamatadat is kicserélhető, ami közel 12 000 digitális I / O-hoz tartozik. Az adatmennyiség átvitele mindössze 300 μs.
A 100 szervo tengelyes kommunikáció 100 μs-ot vesz igénybe. Ez alatt az idő alatt beállíthatók az értékek és a vezérlési adatok az összes tengelyre, és tényleges helyzetükről és helyzetükről lehet beszámolni. Az elosztott óra-technológia biztosítja, hogy a szinkronizációs idő e tengelyek között kevesebb, mint 1 mikrosom.
Az EtherCAT technológia kiemelkedő teljesítményének kihasználásával olyan vezérlési módszert valósíthat meg, amelyet nem lehet hagyományos tápbusz-rendszerrel megvalósítani. Ilyen módon a buszon keresztül egy ultragyors vezérlőhurok is kialakítható. Az olyan funkciók, amelyek korábban szükségessé tették a helyi dedikált hardveres támogatást, már szoftverben is leképezhetők. Hatalmas sávszélességű erőforrások lehetővé teszik az állapotadatok továbbítását bármely adat mellett. Az EtherCAT technológia lehetővé teszi, hogy a kommunikációs technológia megfeleljen a korszerű, nagy teljesítményű ipari számítógépeknek. A buszrendszer már nem az ellenőrzési koncepció szűk keresztmetszete. Az elosztott I / O adatátvitel meghaladja azt a teljesítményt, amelyet csak a helyi I / O felület érhet el.
Ez a hálózati teljesítmény előnye a viszonylag mérsékelt számítási teljesítményű kis vezérlők esetében nyilvánvaló. Az EtherCAT nagysebességű hurokja két vezérlési ciklus között elvégezhető. Ezért a vezérlő mindig a legfrissebb rendelkezésre álló bemeneti adatokat tartalmazza, és a kimeneti címzés késleltetése minimális. A szabályozó viselkedési viselkedése jelentősen javul, anélkül, hogy növelni kellene saját számítási teljesítményét.
Az EtherCAT technológia elve nemcsak 100M sávszélességgel skálázható, hanem a Gigabitra kiterjesztett Ethernet is.
3.3 Az EtherCAT helyettesíti a PCI-t:
A PC-komponensek miniatürizálásának felgyorsításával az ipari PC-k mérete elsősorban a szükséges számú nyílástól függ.
A nagy sebességű Ethernet sávszélesség és az EtherCAT kommunikációs hardver (EtherCAT Slave Controller) adatátviteli sávszélessége új alkalmazási lehetőségeket nyit meg: az IPC-ben található interfészek az EtherCAT rendszer intelligens interfész termináljaihoz kerülnek átvitelre. Az elosztott I / O, tengelyek és vezérlőegységek, komplex rendszerek, mint például a terepi busz mesterek, nagysebességű soros interfészek, átjárók és egyéb kommunikációs interfészek, a számítógépen található Ethernet porton keresztül is megoldhatóak. Még más Ethernet eszközök is, amelyek nem korlátozódnak a protokollváltozatokra, elosztott kapcsolókapcsokon keresztül is csatlakoztathatók. Az ipari PC-állomás mérete egyre kisebb és kisebb, és a költségek egyre alacsonyabbak és alacsonyabbak. Egy Ethernet interfész elegendő minden kommunikációs feladathoz.
A PCI terepibusz-eszközök (Profibus, CANOPEN, DeviceNet, AS-i stb.) Helyett Ethernet-et használnak az elosztott terepi busz mester terminálokba való integráláshoz. A terepi busz mester használata nem menti a PCI slotokat a számítógépben.
3.4 Topológia:
Busz, fa vagy csillag: az EtherCAT szinte bármilyen topológiát támogat. Ezért a terepi buszból származó busz struktúrát Etherneten is használhatjuk. A busz és az elágazó szerkezetek kombinálása különösen hasznos a rendszer kábelezéséhez. Minden interfész a csatolón található, és nincs szükség további kapcsolókra. Természetesen a hagyományos switch alapú csillag Ethernet topológiát is lehet használni.
A különböző átviteli kábelek használata révén maximalizálható a kábelezés rugalmassága. A rugalmas és olcsó szabványos Ethernet patch kábelt Ethernet (100baseTX) vagy E buszon keresztül továbbíthatják. Az optikai szál (PFO) speciális alkalmazásokhoz használható. Ethernet sávszélesség (pl. Különböző száloptikás kábelek és rézkábelek) használható kapcsolókkal vagy médiakonverterekkel együtt. A Fast Ethernet fizikai jellemzői révén az eszközök közötti távolság elérheti a 100 métert, míg az E-busz csak 10 méteres távolságot garantál. A Fast Ethernet vagy az E-busz a távolsági követelményeknek megfelelően választható ki. Az EtherCAT rendszer legfeljebb 65.535 eszközt tud befogadni, így az egész hálózat szinte korlátlan
4. Szabad topológia kiválasztása
A kábelezés maximális rugalmassága: kapcsolók használata, akár busz topológia, akár fa topológia használata. Automatikus cím hozzárendelés; nincs szükség IP-cím beállítására.
4.1 Elosztott óra:
A pontos szinkronizálás különösen fontos az elosztási folyamatban, ahol egyidejű műveletek széles skálájára van szükség, például amikor több szervo tengely végez egyidejű összekapcsolási feladatokat.
Az elosztott óra pontos kalibrálása a leghatékonyabb megoldás a szinkronizáláshoz. Ezzel szemben, teljes szinkronizálás esetén a szinkronizációs adatok minősége nagymértékben befolyásolja a kommunikációs hibákat. A kommunikációs rendszerben a lépésenkénti kalibrálási óra bizonyos mértékig toleranciát okoz a hiba késleltetésében. Az EtherCAT-ban az adatcsere teljesen tiszta hardvereszközökön alapul. Mivel a kommunikáció logikai gyűrűs hálózati struktúrát, teljes duplex Fast Ethernett és tényleges gyűrűs hálózati struktúrát használ, a "master clock" egyszerűen és pontosan meghatározza az egyes slave órák működési kompenzációját és fordítva. Az elosztott órát ezen érték alapján állítjuk be, ami azt jelenti, hogy nagyon pontos óralapot tud nyújtani, kevesebb, mint 1 mikrosodperces jittert a hálózatban.
A nagyteljesítményű elosztott órákat azonban nem csak a szinkronizáláshoz használják, hanem az adatgyűjtés során is pontos információkat szolgáltatnak a helyi időről. Új kiterjesztett adattípusok bevezetése miatt a mért értékek nagyon pontos időbélyegekkel rendelhetők.
4.2 Forró csatlakozás:
Számos alkalmazás esetén meg kell változtatni az I / O konfigurációt működés közben. Például egy változó jellemzőkkel rendelkező feldolgozóközpont, egy érzékelővel ellátott szerszámrendszer, egy intelligens átviteli eszköz, egy rugalmas munkadarab-működtető és egy nyomtató, amely önállóan bezárhatja a nyomtatási egységet. Az EtherCAT rendszer figyelembe veszi ezeket a követelményeket: A "hot connection" funkció lehetővé teszi a hálózat különböző részei csatlakoztatását vagy leválasztását, vagy "dinamikus" újrakonfigurálását, hogy a változó konfigurációk rugalmas választ adjanak.
4.3 Magas rendelkezésre állás:
Az opcionális kábeles redundancia megfelel a növekvő rendszer iránti igénynek, így a készülékek a hálózat kikapcsolása nélkül cserélhetők.
Az EtherCAT támogatja a redundáns mester állomások meleg készenlétét is. Mivel az EtherCAT slave vezérlő automatikusan visszatér a keretekbe, amikor megszakadt, az eszközhiba nem okozza a teljes hálózat leállítását. Például a kábelvédő lánc különlegesen kialakítható egy rövid sáv formájában, hogy megakadályozza a törést.
4.4 biztonság:
A biztonsági funkciókat általában az automatizálási hálózattól függetlenül, hardveren keresztül vagy külön biztonsági buszrendszer használatával hajtják végre. A TwinSAFE (BeckhoFF biztonsági technológiája) köszönhetően az EtherCAT biztonsági protokollt használhatja a biztonsággal kapcsolatos kommunikációra és a d vezérlő kommunikációra ugyanazon a hálózaton.
A biztonsági protokoll az EtherCAT alkalmazásrétegén alapul, és nem érinti az alsó rétegeket. Ezt a biztonsági protokollt az IEC 61508 szabvány szerint tanúsították a biztonsági integrációs szint (SIL) 3 elérése érdekében, és a megfelelő intézkedések meghozatala után is elérheti a SIL4-et. Az adatok hossza változhat úgy, hogy a protokoll egyformán alkalmazható a biztonsági I / O adatokra és a biztonsági meghajtó technológiájára. Az egyéb EtherCAT adatokhoz hasonlóan a biztonságos adatátvitel biztonságos útválasztó vagy átjáró használata nélkül is elvégezhető.
4.5 Diagnózis:
A hálózat diagnosztikai képességei nagyon fontosak a hálózat rendelkezésre állásának növelése és az üzembe helyezési idő csökkentése érdekében (így csökkentve az általános költségeket). A hibákat csak akkor lehet azonnal kiküszöbölni, ha azokat gyorsan és pontosan észlelik és egyértelműen azonosítják. Ezért az EtherCAT fejlesztése során különös figyelmet fordítottak a tipikus diagnosztikai jellemzőkre.
A teszt üzemmódban az I / O terminál tényleges konfigurációját a megadott konfigurációval ellenőrizzük a folytonosság érdekében. A topológiának meg kell egyeznie a konfigurációval is. A beépített topológia azonosítása miatt a rendszer indításakor vagy automatikusan telepítéskor az I / O megerősíthető.
Az adatátvitel során a bit hibái érvényes 32 bites CRC-vel. A töréspont észlelésén és helyszínén kívül a fizikai réteg és a topológia átadása az EtherCAT rendszer protokollon keresztül minden egyes átviteli szegmens magas színvonalú felügyeletét valósítja meg. A releváns hiba számlálók automatikus elemzésével a kritikus hálózati rész pontosan meghatározható. Az állandó hibaforrások, pl. Az EMC-interferencia, a hibás csatlakozók vagy a sérült kábelek forrásait megtalálhatja és megtalálhatja, még akkor is, ha nem hatottak túlzott mértékben a hálózat gyógyulásának képességére.
4.6 Nyitottság:
Az EtherCAT technológia nemcsak teljes mértékben kompatibilis az Ethernet technológiával, de különleges kialakítású nyitottsági jellemzőkkel rendelkezik: ez a protokoll egymás mellett létezhet más Ethernet protokollokkal, amelyek különböző szolgáltatásokat nyújtanak, és minden protokoll ugyanazon a fizikai közegben létezik - általában csak A teljes hálózati teljesítmény kis hatással. Egy szabványos Ethernet eszköz csatlakoztatható egy EtherCAT rendszerhez egy kapcsoló terminálon keresztül, amely nem befolyásolja a ciklusidőt. A hagyományos terepibusz-interfésszel rendelkező eszközök az EtherCAT terepibusz-master terminál csatlakoztatásával integrálhatók a hálózathoz. Az UDP protokollváltozat lehetővé teszi az eszköz integrálását bármely bővítőhelybe. Az EtherCAT egy teljesen nyitott protokoll, amelyet hivatalos IEC specifikációnak (IEC / PAS62407) azonosítottunk.