Delovni princip EtherCAT
1. Načelo delovanja:
Na voljo je več rešitev Ethernet za zagotavljanje funkcionalnosti v realnem času: na primer, postopek dostopa CSMA / CD je onemogočen preko sloja protokola višje stopnje in zamenjan s časovnim rezimom ali postopkom izbiranja. Druge rešitve uporabljajo namenska stikala in natančen časovni nadzor za distribucijo paketov Ethernet. Čeprav lahko te rešitve hitreje in natančneje prenašajo pakete na povezanih vozliščih eternet, je izkoriščenost pasovne širine zelo nizka, zlasti pri običajnih avtomatskih napravah, saj je tudi za zelo majhne količine podatkov treba poslati celoten ethernet okvir. Poleg tega je čas, potreben za preusmeritev na izhodni krmilnik ali krmilnik pogona in branje vhodnih podatkov, odvisen predvsem od načina izvedbe. Običajno je treba tudi za uporabo podskupine, zlasti v modularnem sistemu I / O, teh sistemih in Beckhoff K-busu, preko sinhronega podsbusnega sistema pospešiti hitrost prenosa, vendar se takšna sinhronizacija ne bo mogla izogniti zakasnitev zaradi prenosa komunikacijskega vodila.
Z uporabo tehnologije EtherCAT je BeckhoFF prekinil te sistemske omejitve drugih rešitev Ethernet: namesto da bi prejeli ethernetne pakete na vsaki priključni točki kot prej, dekodira in kopira kot podatke procesa. Ko okvir poteka skozi vsako napravo (vključno z osnovno terminalsko napravo), krmilnik pomožne enote EtherCAT bere podatke, ki so pomembni za napravo. Podobno lahko vnesete podatke v sporočilo, ko gre skozi. Ko je okvir prenesen (le nekaj zaporednih bitov), pomožni program prepozna ustrezni ukaz in ga obdela. Ta proces se izvaja v strojni opremi v krmilniku suženj in je zato neodvisen od operacijskega sistema v realnem času ali zmogljivosti procesorja programske opreme protokola. Zadnja EtherCAT pomožna enota v segmentu vrne v celoti obdelano sporočilo, tako da se sporočilo vrne kot odziv od prve pomožne enote do glavne enote.
Ethernet je segment EtherCAT preprosto velika Ethernet naprava, ki lahko sprejema in pošilja ethernetne okvire. Vendar "naprava" ne vključuje enega samega Ethernet krmilnika z nizvodno mikroprocesorje, temveč le veliko število pomožnih naprav EtherCAT. Tako kot katerikoli drug Ethernet EtherCAT lahko vzpostavlja komunikacijo brez potrebe po stikalu, s čimer se ustvari čist sistem EtherCAT.
2. Terminali izvajajo Ethernet:
Vsaka naprava sistema zagotavlja uporabo celotnega ethernet protokola, tudi za vsak terminal I / O, brez uporabe podskupine. Preprosto pretvorite prenosni medij spenjače iz zavitega para (100baseTX) na vodilo E, da izpolnjujete zahteve elektronskega priključnega bloka. Tip signala vodila E (LVDS) v priključnem bloka ni namenjen, lahko ga uporabljate tudi za 10 Gigabit Ethernet. Na koncu terminalskega bloka se karakteristike fizičnega vodnika pretvorijo nazaj v standard 100baseTX.
Standardni Ethernet MAC ali poceni standardne omrežne kartice (NIC) zadostujejo za uporabo kot strojna oprema v krmilniku. DMA (neposredni dostop do pomnilnika) se uporablja za prenos podatkov v računalnik. To pomeni, da dostop do omrežja nima vpliva na zmogljivost procesorja. Enako načelo se uporablja v večpotni kartici BeckhoFF, ki združuje do 4 Ethernet kanala v eni PCI reži.
3. Obdelava protokola se v celoti izvaja v strojni opremi
3.1 protokol:
Protokol EtherCAT je optimiziran za podatke procesa in se prenese neposredno na okvirje Ethernet ali stisne v datagrame UDP / IP. Protokol UDP se uporablja, če usmerjevalnik naslovi segment EtherCAT v drugih podomrežjih. Okvir Ethernet lahko vsebuje več sporočil EtherCAT, od katerih je vsak namenjen določenemu območju pomnilnika, ki ga lahko uporabite za programiranje logične slike procesa do 4 GB. Ker je podatkovna veriga neodvisna od fizičnega zaporedja terminalov EtherCAT, se terminali EtherCAT lahko prosto naslavljajo. Podrejene postaje lahko oddajajo, multicast in komunicirajo.
Protokol lahko ravna tudi z običajnim ne-cikličnim komunikacijskim parametrom. Strukturo in pomen parametrov določi profil CANOPEN naprave in ti profili naprav se uporabljajo za različne razrede naprav in aplikacij. EtherCAT podpira tudi odvisna pravila, ki so v skladu s standardom IEC 61491. Profil je imenovan po SERCOSTM in je splošno priznan v svetu aplikacij za nadzor gibanja.
Poleg izmenjave podatkov v skladu s principom master / slave je EtherCAT zelo primeren za komunikacijo med krmilniki (master / master). Prosto naslovljive spremenljivke podatkovnih procesnih podatkov in različne parametrizacije, diagnostika, programiranje in storitve daljinskega nadzora lahko zadovoljujejo številne zahteve. Podatkovni vmesnik za komunikacijo master / slave z glavno / glavno enoto je enak.
FMMU: Obdelava sporočil se v celoti izvaja v strojni opremi
3.2 izvedba:
EtherCAT je dosegel novo višino v zmogljivosti omrežja. Cikl za osvežitev 1000 porazdeljenih V / I podatkov je samo 30 μs, vključno s terminskim časom cikla. Z ethernetovim okvirjem lahko zamenjamo do 1486 bajtov podatkov procesa, kar ustreza skoraj 12.000 digitalnim V / I. Prenos tega podatkovnega obsega je samo 300 μs.
Komunikacija s 100 servo osmi traja le 100 μs. V tem času se lahko nastavijo vrednosti in kontrolni podatki za vse osi in se lahko poroča o njihovem dejanskem položaju in statusu. Tehnologija porazdeljene ure zagotavlja, da čas sinhronizacije med temi osmi odstopa za manj kot 1 mikrosekundo.
Z uporabo vrhunske zmogljivosti tehnologije EtherCAT je mogoče izvajati nadzorno metodo, ki je ni mogoče realizirati s konvencionalnim sistemom fieldbus. Na ta način se prek avtobusa oblikuje tudi ultrabrza krmilna zanka. Funkcije, ki so prej potrebovale lokalno namensko strojno podporo, se zdaj lahko mapirajo v programski opremi. Ogromni viri pasovne širine omogočajo, da se podatki o stanju posredujejo vzporedno z vsemi podatki. Tehnologija EtherCAT omogoča komunikacijsko tehnologijo v skladu s sodobnimi visoko zmogljivimi industrijskimi osebnimi računalniki. Avtobusni sistem ni več ozko grlo kontrolnega koncepta. Porazdeljeni V / I prenos podatkov presega zmogljivost, ki jo lahko doseže samo lokalni V / I vmesnik.
Ta prednost prednosti omrežne zmogljivosti je razvidna iz majhnih krmilnikov z razmeroma zmerno računsko močjo. Hitro zanko EtherCAT-a se lahko zaključi med dvema kontrolnima cikloma. Zato ima krmilnik vedno najnovejše razpoložljive vhodne podatke, zakasnitev izhodnega naslova pa je minimalna. Odziv krmilnika je občutno izboljšal brez potrebe po povečanju lastne računalniške moči.
Načelo tehnologije EtherCAT je prilagodljivo, ne omejeno na pasovno širino 100M - možno je tudi ethernet razširiti na Gigabit.
3.3 EtherCAT nadomešča PCI:
S pospeševanjem miniaturizacije komponent PC, velikost industrijskih osebnih računalnikov je odvisna predvsem od potrebnega števila slotov.
Uporaba širokopasovne Ethernet pasovne širine in pasovne širine podatkov komunikacijske strojne opreme EtherCAT (EtherCAT Slave Controller) odpira nove možnosti za uporabo: vmesniki, ki se običajno nahajajo v IPC, se prenesejo na inteligentne vmesnike v sistemu EtherCAT. Poleg porazdeljenih V / I, osi in nadzornih enot so lahko kompleksni sistemi, kot so fieldbus masterji, hitri serijski vmesniki, prehodi in drugi komunikacijski vmesniki, povezani z ethernetnim vmesnikom na računalniku. Tudi druge Ethernet naprave, ki niso omejene na različice protokolov, lahko priključite prek porazdeljenih terminalskih terminalov. Velikost gostitelja industrijskega računalnika postaja vse manjša in manjša, stroški pa so nižji in nižji. Ethernet vmesnik zadostuje za vse komunikacijske naloge.
Ethernet se uporablja namesto PCI fieldbus naprav (Profibus, CANOPEN, DeviceNet, AS-i itd.), Da se integrirajo prek porazdeljenih glavnih terminalov fieldbus. Neuporaba glavne enote fieldbus prihrani reže PCI v računalniku.
3.4 Topologija:
Bus, drevo ali zvezda: EtherCAT podpira skoraj vsako topologijo. Zato je mogoče tudi za ethernet uporabiti strukturo vodila iz poljskega busa. Kombinacija avtobusov in razvejane strukture je še posebej koristna za sistemsko kable. Vsi vmesniki so na sprednji strani in nobena dodatna stikala niso potrebna. Seveda je mogoče uporabiti tradicionalno topologijo starterjev Ethernet.
Uporaba različnih prenosnih kablov poveča fleksibilnost kablov. Prožni in poceni standardni ethernetni obližski kabel lahko prenašajo signale preko Ethernet načina (100baseTX) ali preko E-vodila. Optično vlakno (PFO) se lahko uporablja za posebne aplikacije. V povezavi s stikalom ali pretvorniki medija se lahko uporablja pasovna širina Ethernet (npr. Različni kabli iz optičnih vlaken in bakreni kabli). Fizične značilnosti hitrega Etherneta omogočajo, da razdalja med napravami doseže 100 metrov, medtem ko lahko E-bus zagotavlja le razmik 10 metrov. Fast Ethernet ali E-vodilo se lahko izbere glede na zahteve glede razdalje. Sistem EtherCAT lahko sprejme do 65.535 naprav, zato je celotno omrežje skoraj neomejeno
4. Svobodna izbira topologije
Na kablu je največja prilagodljivost: ali naj uporabimo stikala, ali naj uporabimo topologijo vodila ali topologijo drevesa. Samodejno dodeljevanje naslovov; ni potrebe po nastavitvi naslova IP.
4.1 Porazdeljena ura:
Natančna sinhronizacija je še posebej pomembna pri distribucijskem procesu, kjer je potreben širok spekter hkratnih akcij, na primer, če izvajajo več servo osi hkratno povezovanje nalog.
Natančna kalibracija porazdeljene ure je najučinkovitejša rešitev za sinhronizacijo. Nasprotno, če se uporablja popolna sinhronizacija, bo kakovost sinhronizacijskih podatkov močno vplivala, ko pride do napak pri komunikaciji. V komunikacijskem sistemu je urna umeritvena ura do neke mere dopustna za zakasnitev napak. V EtherCAT-u izmenjava podatkov temelji izključno na čistih napravah strojne opreme. Ker komunikacija uporablja logično mrežno strukturo obroča, polno-dupleksni Fast Ethernet in dejansko mrežno strukturo, lahko "glavna ura" preprosto in natančno določi kompenzacijo delovanja za vsako "podrejeno uro" in obratno. Porazdeljena ura se prilagodi glede na to vrednost, kar pomeni, da lahko v omrežju zagotovi zelo natančno bazo podatkov z manj kot 1 mikrosekundo.
Vendar se visoko zmogljive porazdeljene ure ne uporabljajo samo za sinhronizacijo, ampak tudi nudijo točne informacije o lokalnem času med pridobivanjem podatkov. Zaradi uvedbe novih razširjenih podatkovnih tipov se izmerjene vrednosti lahko dodeli z zelo natančnimi časovnimi žigi.
4.2 Vroča povezava:
Mnoge aplikacije zahtevajo spreminjanje konfiguracije V / I med delovanjem. Na primer, predelovalni center s spreminjajočimi značilnostmi, senzorsko opremljen sistem orodij, inteligentna prenosna naprava, prožen obdelovalni element in tiskalnik, ki lahko samostojno zapre tiskalno enoto. Sistem EtherCAT upošteva te zahteve: Funkcija "vroče povezave" lahko poveže ali odklopi različne dele omrežja ali jih "dinamično" preoblikuje, da zagotovi prilagodljiv odziv na spreminjajoče se konfiguracije.
4.3 Visoka razpoložljivost:
Izbirna kabelska redundancija ustreza vedno večjemu povpraševanju po povečani razpoložljivosti sistema, tako da je mogoče zamenjati opremo, ne da bi zaustavili omrežje.
EtherCAT podpira tudi odvečne glavne postaje z vročo pripravljenostjo. Ker pomožni krmilnik EtherCAT samodejno vrne okvire, ko pride do prekinitve, napaka naprave ne bo povzročila, da se celotno omrežje zaustavi. Na primer, veriga za zaščito kablov je lahko posebej konfigurirana v obliki kratke palice, da se prepreči zlom.
4.4 varnost:
Varnostne funkcije se običajno izvajajo ločeno od omrežja za avtomatizacijo, prek strojne opreme ali z uporabo namenskega varnostnega vodila. Zahvaljujoč tehnologiji TwinSAFE (varnostna tehnologija Beckhoff) je zdaj mogoče uporabiti varnostni protokol EtherCAT za varnostno komunikacijo in nadzorno komunikacijo na istem omrežju.
Varnostni protokol temelji na aplikacijski plasti EtherCAT in ne vpliva na spodnje plasti. Ta varnostni protokol je bil potrjen v skladu s standardom IEC 61508, da bi dosegel stopnjo varnosti integracije (SIL) 3 in po sprejetju ustreznih ukrepov celo dosegel SIL4. Dolžina podatkov se lahko razlikuje tako, da protokol velja enako za varnostne V / I podatke in varnostno tehnologijo pogona. Tako kot drugi podatki EtherCAT-a, so varni podatki lahko usmerjeni brez uporabe varnega usmerjevalnika ali prehoda.
4.5 Diagnoza:
Diagnostične zmogljivosti omrežja so zelo pomembne za izboljšanje razpoložljivosti omrežja in zmanjšanje časa zagona (s tem zmanjšanje skupnih stroškov). Napake je mogoče odpraviti takoj, če so hitro in natančno zaznane ter jasno prepoznane. Zato smo med razvojem EtherCAT-a posebno pozornost namenili tipičnim diagnostičnim funkcijam.
Med testiranjem se dejanska konfiguracija terminala V / I preveri za kontinuiteto z uporabo določene konfiguracije. Topologija mora ustrezati tudi konfiguraciji. Zaradi vgrajene identifikacije topologije lahko I / O potrdimo, ko se sistem zažene ali ko je samodejno nameščen.
Bitne napake med prenosom podatkov se lahko zaznajo z veljavnim 32-bitnim CRC-jem. Poleg zaznavanja in lokacije krajevne točke, prenos fizičnega sloja in topologije prek protokola sistema EtherCAT omogoča kakovostno spremljanje vsakega posameznega oddajnega segmenta v realnosti. S samodejnim analiziranjem ustreznih števcev napak lahko natančno najdete kritični omrežni del. Lahko odkrijete in poiščete vire stalne napake, kot so EMC motnje, okvarjeni konektorji ali poškodovani kabli, čeprav niso imeli preveč vpliva na zmožnost omrežja, da se ozdravi.
4.6 Odprtost:
Tehnologija EtherCAT ni le popolnoma združljiva z ethernetom, temveč ima tudi posebne značilnosti odprtosti za načrtovanje: ta protokol lahko koegzistira z drugimi ethernetskimi protokoli, ki zagotavljajo različne storitve in vsi protokoli soobstajajo v istem fizičnem mediju - ponavadi samo Skupna zmogljivost omrežja je majhna stopnja vpliva. Standardno Ethernet napravo lahko priključite na sistem EtherCAT prek stikala, ki ne vpliva na čas cikla. Naprave s tradicionalnim vmesnikom fieldbus se lahko integrirajo v omrežje prek povezave glavnega terminala fieldbus EtherCAT. Različica protokola UDP omogoča, da se naprava integrira v katerikoli vtični vmesnik. EtherCAT je popolnoma odprt protokol, ki je bil opredeljen kot formalna specifikacija IEC (IEC / PAS62407).