EtherCAT Working Principle
1. Principi d'operació:
Hi ha diverses solucions Ethernet disponibles per proporcionar funcionalitat en temps real: per exemple, el procés d'accés a CSMA / CD està desactivat a través d'una capa de protocol de nivell superior i es reemplaça amb una reducció de temps o un procés de sondeig. Altres solucions utilitzen interruptors dedicats i utilitzen control de temps precís per distribuir paquets Ethernet. Tot i que aquestes solucions poden oferir paquets als nodes Ethernet connectats amb més rapidesa i precisió, la utilització d'ample de banda és molt baixa, especialment per a equips d'automatització típics, ja que fins i tot per a volums de dades molt petits, s'ha d'enviar un marc Ethernet complet. A més, el temps necessari per redirigir al controlador de sortida o de la unitat i llegir les dades d'entrada depèn principalment del mode d'execució. Normalment també cal utilitzar un sub-bus, especialment en el sistema d'I / O modular, aquests sistemes i el bus K de BeckhoFF, a través del sistema sub-bus síncron per accelerar la velocitat de transmissió, però aquesta sincronització no podrà evitar retard causat per la transmissió de l'autobús de comunicació.
Mitjançant l'ús de la tecnologia EtherCAT, BeckhoFF va trencar aquestes limitacions del sistema d'altres solucions Ethernet: en lloc de rebre paquets Ethernet en cada punt de connexió com abans, descodificant i copiant dades de processos. Quan un marc passa a través de cada dispositiu (inclòs el dispositiu de terminal subjacent), el controlador esclau EtherCAT llegeix dades que són importants per al dispositiu. De la mateixa manera, les dades d'entrada es poden inserir al missatge a mesura que passa. Quan es passa el marc (només es retarden alguns bits), l'esclau reconeix l'ordre rellevant i el processa. Aquest procés s'implementa en el maquinari del controlador esclau i, per tant, és independent del sistema operatiu en temps real o el rendiment del processador del programari de pila de protocol. L'últim esclau d'EtherCAT del segment retorna el missatge totalment processat de manera que el missatge es retorna com a resposta del primer esclau al màster.
Des d'una perspectiva Ethernet, el segment d'autobús EtherCAT és simplement un gran dispositiu Ethernet que pot rebre i enviar marcs Ethernet. Tanmateix, el "dispositiu" no inclou un controlador Ethernet únic amb un microprocessador aigües avall, sinó només una gran quantitat d'esclaus EtherCAT. Igual que qualsevol altra Ethernet, EtherCAT pot establir la comunicació sense necessitat d'un interruptor, creant així un sistema EtherCAT pur.
2. Terminals implementen Ethernet:
Cada dispositiu del sistema garanteix l'ús d'un protocol Ethernet complet, fins i tot per a cada terminal d'E / S, sense utilitzar un sub-bus. Simplement converteix el mitjà de transmissió de l'acoblador des de parell trenat (100baseTX) fins a bus E per complir els requisits del bloc de terminals electrònics. El tipus de senyal d'autobús E (LVDS) del bloc de terminal no està dedicat, també es pot utilitzar per a 10 Gigabit Ethernet. Al final del bloc de terminal, les característiques del bus físic es converteixen de nou a l'estàndard 100baseTX.
Les Macs Ethernet estàndard o les targetes de xarxa estàndards barates (NICs) són suficients per utilitzar-les com a maquinari del controlador. DMA (accés directe a la memòria) s'utilitza per transferir dades a la PC. Això significa que l'accés a la xarxa no té efectes sobre el rendiment de la CPU. El mateix principi s'utilitza a la targeta multiportadora BeckhoFF, que agrupa fins a 4 canals Ethernet en una ranura PCI.
3. El processament del protocol es realitza completament en maquinari
3.1 protocol:
El protocol EtherCAT està optimitzat per a les dades del procés i es transfereix directament a marcs Ethernet o es comprimeix en datagrames UDP / IP. El protocol UDP s'utilitza quan el segment EtherCAT d'altres subxarxes l'enruta. Un marc Ethernet pot contenir diversos missatges d'EtherCAT, cadascun dels quals està dedicat a una àrea de memòria específica que es pot utilitzar per programar una imatge de procés lògic de fins a 4 GB de mida. Atès que la cadena de dades és independent de la seqüència física dels terminals EtherCAT, els terminals EtherCAT es poden dirigir lliurement. Les estacions esclaves poden emetre, multicast i comunicar-se.
El protocol també pot gestionar comunicacions de paràmetres no cíclics normalment. L'estructura i el significat dels paràmetres s'estableixen pel perfil del dispositiu CANOPEN i aquests perfils de dispositius s'utilitzen per a una varietat de classes i aplicacions de dispositius. EtherCAT també admet normes dependents que compleixen amb la norma IEC 61491. El perfil porta el nom de SERCOSTM i és reconegut universalment en el món de les aplicacions de control de moviment.
A més de l'intercanvi de dades d'acord amb el principi màster / esclau, EtherCAT també és molt adequat per a la comunicació entre controladors (master / master). Les variables de xarxa de dades de processos directament direccionables, així com diversos serveis de parametrització, diagnòstic, programació i control remot poden satisfer nombrosos requisits. La interfície de dades per a la comunicació master / slave amb el master / master és igual.
FMMU: el processament de missatges es realitza completament en maquinari
3.2 rendiment:
EtherCAT ha aconseguit una nova alçada en el rendiment de la xarxa. El cicle de refresc de 1000 dades d'E / S distribuïdes només és de 30 μs, inclòs el temps de cicle del terminal. Amb un marc Ethernet, es poden canviar dades de fins a 1486 bytes de procés, que corresponen a gairebé 12.000 I / Os digitals. La transmissió d'aquest volum de dades és de només 300 μs.
La comunicació amb 100 eixos servo només pren 100 μs. Durant aquest temps, es poden proporcionar valors establerts i dades de control a tots els eixos i es pot informar la seva posició i estat actual. La tecnologia de rellotge distribuït assegura que el temps de sincronització entre aquests eixos es desvia per menys d'1 microsegon.
Utilitzant el rendiment superior de la tecnologia EtherCAT, és possible implementar un mètode de control que no es pugui realitzar amb un sistema de bus de camp convencional. D'aquesta manera, també es pot formar un bucle de control ultraràpic a través de l'autobús. Les característiques que anteriorment necessitaven suport de maquinari local dedicat ara es poden assignar al programari. Els grans recursos d'ample de banda permeten que les dades d'estat es transmetin en paral·lel amb qualsevol dada. La tecnologia EtherCAT permet que la tecnologia de la comunicació coincideixi amb les PC industrials modernes d'alt rendiment. El sistema d'autobusos ja no és el coll d'ampolla del concepte de control. La transferència de dades d'E / S distribuïda supera el rendiment que només es pot aconseguir mitjançant la interfície d'E / S local.
Aquest avantatge de rendiment de la xarxa s'evidencia en petits controladors amb potència informàtica relativament moderada. El circuit d'alta velocitat d'EtherCAT es pot completar entre dos cicles de control. Per tant, el controlador sempre té les últimes dades d'entrada disponibles, i el retard en l'adreça de sortida és mínim. El comportament de la resposta del controlador es millora significativament sense necessitat de millorar el seu propi poder informàtic.
El principi de la tecnologia EtherCAT és escalable, sense limitar-se a l'ample de banda de 100M. Ethernet estès a Gigabit també és possible.
3.3 EtherCAT substitueix PCI:
Amb l'acceleració de la miniaturització dels components de PC, la mida de les PC industrials depèn principalment del nombre necessari de tragamonedas.
L'ús de l'ample de banda Ethernet d'alta velocitat i l'ample de banda de dades del maquinari de comunicació EtherCAT (EtherCAT Slave Controller) obre noves possibilitats d'aplicació: les interfícies que normalment es troben a l'IPC es transfereixen als terminals d'interfície intel·ligents del sistema EtherCAT. A més de les E / S distribuïdes, els eixos i les unitats de control, sistemes complexos com ara mestres de bus de camp, interfícies de sèrie d'alta velocitat, portals d'enllaç i altres interfícies de comunicació es poden dirigir a través d'un port Ethernet a la PC. Fins i tot altres dispositius Ethernet que no estan restringits a les variants del protocol es poden connectar mitjançant terminals de commutadors distribuïts. La mida de l'ordinador de la PC industrial és cada vegada menor i el cost és més baix i més baix. Una interfície Ethernet és suficient per a totes les tasques de comunicació.
Ethernet s'utilitza en comptes de dispositius de bus de camp PCI (Profibus, CANOPEN, DeviceNet, AS-i, etc.) per integrar-se mitjançant terminals mestres de bus de camp distribuïts. No utilitzar un mestre de bus de camp estalvia ranures PCI a la PC.
3.4 Topologia:
Autobús, arbre o estrella: EtherCAT admet gairebé qualsevol topologia. Per tant, l'estructura de bus derivada de bus de camp també es pot utilitzar per Ethernet. La combinació de les estructures de bus i de ramificació és particularment útil per al cablejat del sistema. Totes les interfícies es troben a l'acoblador i no es requereix cap interruptor addicional. Per descomptat, també es pot utilitzar una topologia d'Ethernet estrella basada en commutadors tradicionals.
L'ús de cables de transmissió diferents maximitza la flexibilitat del cablejat. El cable de connexió Ethernet estàndard flexible i econòmic pot transmetre senyals a través del mode Ethernet (100baseTX) o a través de l'autobús E. La fibra òptica (PFO) es pot utilitzar per a aplicacions especials. L'amplada de banda Ethernet (per exemple, diferents cables de fibra òptica i cables de coure) es pot utilitzar juntament amb commutadors o convertidors de mitjans. Les característiques físiques de Fast Ethernet poden fer que la distància entre dispositius arribi als 100 metres, mentre que l'E-bus només pot garantir l'espai de 10 metres. Ràpid Ethernet o E-bus es pot seleccionar d'acord amb els requisits de distància. El sistema EtherCAT pot allotjar fins a 65.535 dispositius, de manera que tota la xarxa és gairebé il·limitada
4. Elecció lliure de topologia
Hi ha la màxima flexibilitat en el cablejat: ja sigui per utilitzar interruptors, ja sigui per utilitzar una topologia d'autobús o una topologia d'arbre. Assignació automàtica d'adreces; no hi ha necessitat d'establir una adreça IP.
4.1 Rellotge distribuït:
La sincronització precisa és especialment important en el procés de distribució on es requereixen una àmplia gamma d'accions simultànies, com quan diversos eixos servo realitzen tasques de vinculació simultànies.
La calibració exacta del rellotge distribuït és la solució més efectiva per a la sincronització. A la inversa, si s'utilitza la sincronització completa, la qualitat de les dades de sincronització es veurà molt afectada quan es produeixin errors de comunicació. En el sistema de comunicació, el rellotge de calibratge pas a pas és tolerant amb un retard d'error fins a cert punt. A EtherCAT, l'intercanvi de dades es basa totalment en dispositius de maquinari purs. Atès que la comunicació utilitza una estructura de xarxa de lògica lògica, Fast Ethernet full-duplex i una estructura de xarxa d'anell real, el "rellotge mestre" pot determinar de forma simple i precisa la compensació de l'operació per a cada "rellotge esclau" i viceversa. El rellotge distribuït s'ajusta en funció d'aquest valor, el que significa que pot proporcionar una base de rellotge molt precisa amb menys de 1 microsegundo de la xarxa.
Tanmateix, els rellotges distribuïts d'alt rendiment no només s'utilitzen per a la sincronització, sinó que també proporcionen informació precisa sobre l'hora local durant l'adquisició de dades. A causa de la introducció de nous tipus de dades ampliades, els valors mesurats es poden assignar amb segells de temps molt precisos.
4.2 Connexió ràpida:
Moltes aplicacions necessiten canviar la configuració d'E / S durant l'operació. Per exemple, un centre de processament amb característiques canviants, un sistema d'eines equipat amb sensor, un dispositiu de transmissió intel·ligent, un actuador de treball flexible i una impressora que pot tancar de forma independent la unitat d'impressió. El sistema EtherCAT té en compte aquests requisits: la funció de "connexió calenta" pot connectar o desconnectar diverses parts de la xarxa o "reconfigurar-los dinàmicament" per proporcionar una resposta flexible a les configuracions canviants.
4.3 Alta disponibilitat:
La redundància de cable opcional compleix amb la creixent demanda d'una major disponibilitat del sistema perquè els equips puguin ser reemplaçats sense tancar la xarxa.
EtherCAT també admet estacions mestre redundants amb espera en calent. Atès que el controlador esclau EtherCAT retorna automàticament els marcs quan es produeix una interrupció, una falla del dispositiu no farà que la xarxa sencera es tanqui. Per exemple, la cadena de protecció del cable es pot configurar especialment en forma d'una barra curta per evitar trencaments.
Seguretat 4.4:
Les funcions de seguretat generalment s'apliquen separadament de la xarxa d'automatització, a través del maquinari o mitjançant un sistema dedicat d'autobusos de seguretat. Gràcies a TwinSAFE (tecnologia de seguretat de BeckhoFF), ara és possible utilitzar el protocol de seguretat EtherCAT per a la comunicació relacionada amb la seguretat i una comunicació de control en la mateixa xarxa.
El protocol de seguretat es basa en la capa d'aplicació d'EtherCAT i no afecta les capes inferiors. Aquest protocol de seguretat ha estat certificat segons IEC 61508 per aconseguir un nivell d'integració de seguretat (SIL) 3 i fins i tot pot arribar al SIL4 després d'adoptar mesures rellevants. La durada de les dades pot variar de manera que el protocol sigui igualment aplicable a les dades d'E / S de seguretat i la tecnologia de la unitat de seguretat. Igual que altres dades d'EtherCAT, les dades segures es poden enrutar sense utilitzar un enrutador o passarel·la segura.
4.5 Diagnòstic:
Les capacitats diagnòstiques de la xarxa són molt importants per millorar la disponibilitat de la xarxa i reduir el temps de posada en marxa (reduint així els costos globals). Els errors només es poden eliminar amb rapidesa si es detecten de manera ràpida i precisa i es detecten amb claredat. Per tant, durant el desenvolupament d'EtherCAT, es va prestar especial atenció a les característiques diagnòstiques típiques.
Durant l'operació de prova, es verifica la configuració real del terminal d'E / S per a la continuïtat mitjançant la configuració especificada. La topologia també ha de coincidir amb la configuració. A causa de la identificació de topologia integrada, es pot confirmar E / S quan s'inicia el sistema o quan s'instal·la automàticament.
Es poden detectar errors de bit durant la transmissió de dades amb un CRC de 32 bits. A més de la detecció de punts d'interrupció i la ubicació, la transmissió de la capa física i la topologia a través del protocol del sistema EtherCAT fa que la monitorització d'alta qualitat de cada segment de transmissió individual sigui una realitat. Analitzant automàticament els comptadors d'error rellevants, la part crítica de la xarxa es pot localitzar amb precisió. Podeu detectar i ubicar fonts d'error constant com ara interferències EMC, connectors defectuosos o cables danyats, encara que no hagin tingut un impacte excessiu en la capacitat de la xarxa de curar-se.
4.6 Obertura:
La tecnologia EtherCAT no només és totalment compatible amb Ethernet, però també té característiques especials d'obertura de disseny: aquest protocol pot coexistir amb altres protocols Ethernet que ofereixen diversos serveis, i tots els protocols coincideixen en el mateix mitjà físic, generalment només El rendiment de la xarxa global ha un petit grau d'impacte. Un dispositiu Ethernet estàndard es pot connectar a un sistema EtherCAT mitjançant un terminal de commutació, que no afecta el temps del cicle. Els dispositius amb una interfície de bus de camp tradicional es poden integrar a la xarxa mitjançant la connexió del terminal principal del bus de camp EtherCAT. La variant de protocols UDP permet integrar el dispositiu en qualsevol interfície de tragamonedas. EtherCAT és un protocol totalment obert que s'ha identificat com una especificació formal de l'IEC (IEC / PAS62407).