EtherCAT-työskentelyperiaate
1. Toimintaperiaate:
Käytettävissä on useita Ethernet-ratkaisuja reaaliaikaisten toimintojen tarjoamiseen: esimerkiksi CSMA / CD-pääsyprosessi on poistettu käytöstä korkeamman tason protokollakerroksella ja korvattu aikaväli- tai äänestysprosessilla. Muut ratkaisut käyttävät erillisiä kytkimiä ja käyttävät tarkkaa aikavalvontaa Ethernet-pakettien jakelemiseksi. Vaikka nämä ratkaisut voivat toimittaa paketteja liitettyihin Ethernet-solmuihin nopeammin ja tarkemmin, kaistanleveyden hyödyntäminen on erittäin vähäistä, varsinkin tyypillisiä automaatiolaitteita varten, koska jopa hyvin pienille tietomäärille on lähetettävä täydellinen Ethernet-kehys. Lisäksi aika, joka tarvitaan uudelleenohjaukseen lähtö- tai taajuusohjaimelle ja lukematietojen lukeminen riippuu ensisijaisesti suoritustilasta. Yleensä on myös käytettävä sub-väylää, erityisesti modulaarisessa I / O-järjestelmässä, näissä järjestelmissä ja BeckhoFF K -bussissa synkronisen alibussijärjestelmän kautta nopeuden nopeuttamiseksi, mutta tällainen synkronointi ei voi välttää viestintäväylän lähetyksen aiheuttama viive.
Käyttämällä EtherCAT-tekniikkaa BeckhoFF rikkoi näiden järjestelmien rajoituksia muiden Ethernet-ratkaisujen kanssa: sen sijaan, että saisi Ethernet-paketteja jokaisella yhteyspisteellä kuten aiemmin, dekoodataan ja kopioidaan prosessidatana. Kun kehys kulkee jokaisen laitteen läpi (mukaan luettuna perustana oleva päätelaite), EtherCAT-orjaohjain lukee laitteen kannalta tärkeät tiedot. Samoin syöttötieto voidaan lisätä viestiin sen kulkiessa. Kun kehys ohitetaan (vain muutamia bittejä viivästyy), orja tunnistaa asiaankuuluvat komennot ja käsittelee ne. Tämä prosessi toteutetaan orjalaitteiston laitteistossa ja on siksi riippumaton protokollapino-ohjelmiston reaaliaikaisesta käyttöjärjestelmästä tai prosessorin suorituskyvystä. Segmentin viimeinen EtherCAT-orja palauttaa täysin käsitellyn viestin niin, että viesti palautetaan vasteena ensimmäisestä orjasta päällikölle.
Ethernet-näkökulmasta EtherCAT-väyläsegmentti on yksinkertaisesti suuri Ethernet-laite, joka voi vastaanottaa ja lähettää Ethernet-kehyksiä. "Laite" ei kuitenkaan sisällä yhtä Ethernet-ohjainta, jossa on alavirran mikroprosessori, mutta vain suuri määrä EtherCAT-orjia. Kuten missä tahansa muussa Ethernet-verkossa, EtherCAT voi muodostaa tiedonsiirtoa ilman kytkimen tarvetta, jolloin se luo puhtaan EtherCAT-järjestelmän.
2. Terminaalit implementoivat Ethernet:
Jokainen järjestelmän laite takaa täydellisen Ethernet-protokollan käytön myös kunkin I / O-päätteen kanssa ilman alibittiä. Kytke vain kytkimen lähetysväline kierrettyä paria (100baseTX) E-väylään vastaamaan sähköisen liitäntälohkon vaatimuksia. Liitäntälohkon E-väyläsignaalin tyyppiä (LVDS) ei ole omistettu, sitä voidaan käyttää myös 10 Gigabit Ethernet -verkossa. Riviliittimen lopussa fyysiset väyläominaisuudet muunnetaan takaisin 100baseTX-standardiksi.
Standardi Ethernet MAC tai edullinen vakioverkkokortti (NIC) riittää käytettäväksi laitteistona ohjaimessa. DMA (Direct Memory Access) -toimintoa käytetään tietojen siirtämiseen tietokoneelle. Tämä tarkoittaa, että verkkoyhteydellä ei ole vaikutusta suorittimen suorituskykyyn. Samaa periaatetta käytetään BeckhoFF-monikorttikortissa, joka yhdistää jopa 4 Ethernet-kanavaa yhteen PCI-korttipaikkaan.
3. Protokollan käsittely suoritetaan täysin laitteistossa
3.1-protokolla:
EtherCAT-protokolla on optimoitu prosessidatalle ja se siirretään suoraan Ethernet-kehyksille tai pakataan UDP / IP-datagrammeiksi. UDP-protokollaa käytetään, kun reititin käsittelee EtherCAT-segmentin muissa aliverkkoissa. Ethernet-kehys voi sisältää useita EtherCAT-viestejä, joista jokainen on omistettu tiettyyn muistialueeseen, jota voidaan käyttää loogisen prosessikuvan ohjelmoimiseen jopa 4 Gt: n kokoiseksi. Koska dataketju on riippumaton EtherCAT-liittimien fyysisestä sekvenssistä, EtherCAT-päätteet voidaan käsitellä vapaasti. Slave-asemat voivat lähettää, monilähettää ja viestiä.
Protokolla voi myös käsitellä tavallisesti ei-syklistä parametriyhteyttä. Parametrien rakenne ja merkitys on asetettu CANOPEN-laitteen profiililla ja näitä laiteprofiileja käytetään useisiin laiteluokkiin ja sovelluksiin. EtherCAT tukee myös riippuvaisia sääntöjä, jotka ovat IEC 61491 -standardin mukaisia. Profiili on nimetty SERCOSTM: sta ja on maailmanlaajuisesti tunnustettu liikkeentunnistussovellusten maailmassa.
Master / slave-periaatteen mukaisen tiedonsiirron lisäksi EtherCAT sopii hyvin myös ohjainten (päällikön / päällikön) väliseen kommunikointiin. Vapaasti osoitettavat prosessidataverkon muuttujat sekä erilaiset parametrointi-, diagnostiikka-, ohjelmointi- ja kaukosäädinpalvelut voivat täyttää lukuisia vaatimuksia. Pää- / orjayhteyden dataliityntä pää / päällikön kanssa on sama.
FMMU: Viestien käsittely on täysin suoritettu laitteistossa
3.2 suorituskyky:
EtherCAT on saavuttanut uuden korkeuden verkon suorituskyvyssä. 1000 hajautetun I / O-datan päivitysjakso on vain 30 μs, mukaan lukien päätelaitteen kestoaika. Ethernet-kehyksellä voidaan vaihtaa enintään 1486 tavua prosessidataa, mikä vastaa lähes 12 000 digitaalista I / O: ta. Tämän datamäärän lähetys on vain 300 μs.
Viestintä 100 servo-akselilla kestää vain 100 μs. Tänä aikana voidaan asettaa asetetut arvot ja ohjaustiedot kaikille akseleille ja niiden todellinen sijainti ja tila voidaan ilmoittaa. Jaettu kellotekniikka varmistaa, että näiden akseleiden välinen synkronointiaika poikkeaa alle 1 mikrosekunnin.
EtherCAT-tekniikan erinomaisen suorituskyvyn avulla on mahdollista toteuttaa ohjausmenetelmä, jota ei voida toteuttaa tavanomaisella kenttäväyläjärjestelmällä. Tällä tavoin voidaan myös muodostaa erittäin nopea säätöpiiri väylän kautta. Ominaisuuksia, jotka aiemmin edellyttivät paikallista erillistä laitteistotukea, voidaan nyt kartoittaa ohjelmistossa. Huomattavat kaistanleveyden resurssit mahdollistavat tilatietojen lähettämisen rinnakkain minkä tahansa datan kanssa. EtherCAT-tekniikka mahdollistaa viestintätekniikan yhteensopivuuden nykyaikaisten suorituskykyisten teollisuustietokoneiden kanssa. Bussijärjestelmä ei ole enää ohjauskonseptin pullonkaula. Jaettu I / O-tiedonsiirto ylittää suorituskyvyn, joka voidaan saavuttaa vain paikallisella I / O-liitännällä.
Tämä verkon suorituskykyetu näkyy pienissä säätimissä, joilla on suhteellisen kohtalainen laskentateho. EtherCATin nopea silmukka voidaan suorittaa kahden ohjausjakson aikana. Siksi ohjaimella on aina viimeisin käytettävissä oleva syöttötieto, ja lähtölähetyksen viive on vähäinen. Ohjaimen vastaustoiminta paranee merkittävästi ilman, että hänen oman laskentatehonsa on parannettava.
EtherCAT-tekniikan periaate on skaalautuva, rajoittumatta 100M: n kaistaleveyteen - Ethernet on myös mahdollista laajentaa Gigabittiin.
3.3 EtherCAT korvaa PCI: n:
PC-komponenttien pienentämisen kiihdyttämällä teollisuustietokoneiden koko riippuu pääasiassa vaaditusta aikavälin määrästä.
EtherCAT-viestintälaitteiston (EtherCAT Slave Controller) nopean Ethernet-kaistanleveyden ja EtherCAT-tietoliikennelaitteiston (EtherCAT Slave Controller) tiedonsiirtonopeus avaa uusia sovellusmahdollisuuksia: IPC: ssä yleensä sijaitsevat liitännät siirretään EtherCAT-järjestelmän älykkäille liitäntäterminaaleille. Hajautetun I / O: n, akseleiden ja ohjausyksiköiden lisäksi monimutkaisia järjestelmiä, kuten kenttäväyläohjaimia, suurnopeusjohdinliittymiä, yhdyskäytäviä ja muita kommunikaatioliitäntöjä voidaan käsitellä PC: n Ethernet-portin kautta. Myös muut Ethernet-laitteet, jotka eivät ole rajoitettu protokollamuunnelmiin, voidaan liittää jakelupäätteiden kautta. Teollisen PC-isännän koko pienenee ja pienemmät, ja kustannukset ovat pienemmät ja pienemmät. Ethernet-liitäntä on riittävä kaikille viestintätöille.
Etuliitettä käytetään PCI-kenttäväylälaitteiden (Profibus, CANOPEN, DeviceNet, AS-i jne.) Sijaan integroituna hajautettujen kenttäväyläpäätelaitteiden kautta. Kenttäväylä-masterin käyttäminen ei tallenna PCI-paikkoja tietokoneessa.
3.4 Topologia:
Bussi, puu tai tähti: EtherCAT tukee lähes kaikkia topologioita. Siksi kenttäväyläperäistä väylärakennetta voidaan käyttää myös Ethernetissa. Linja- ja haaroitusrakenteiden yhdistäminen on erityisen hyödyllistä järjestelmän kaapeloinnille. Kaikki liitännät sijaitsevat kytkimessä eikä lisäkytkimiä tarvita. Tietysti voidaan käyttää myös perinteistä switch-pohjaista tähtien Ethernet-topologiaa.
Käyttämällä erilaisia siirtokaapeleita maksimoi kaapeloinnin joustavuus. Taipuisa ja edullinen Ethernet-verkkokaapeli voi lähettää signaaleja Ethernet-tilassa (100baseTX) tai E-väylän kautta. Optista kuitua (PFO) voidaan käyttää erityisiin sovelluksiin. Ethernet-kaistanleveyttä (esim. Eri kuituoptisia kaapeleita ja kuparikaapeleita) voidaan käyttää kytkinten tai mediamuuntimien yhteydessä. Fast Ethernetin fyysiset ominaisuudet voivat tehdä laitteiden välisen etäisyyden 100 metriä, kun taas E-väylä voi taata vain 10 metrin etäisyyden. Fast Ethernet tai E-bus voidaan valita etäisyyden vaatimusten mukaan. EtherCAT-järjestelmään mahtuu jopa 65535 laitetta, joten koko verkko on lähes rajoittamaton
4. Vapaa topologian valinta
Kaapelointi on mahdollisimman joustavaa: onko kytkimiä käytettävä, käytetäänkö väylän topologiaa vai puun topologiaa. Automaattinen osoitteiden osoittaminen; IP-osoitetta ei tarvitse määrittää.
4.1 Hajautettu kello:
Tarkka synkronointi on erityisen tärkeää jakeluprosessissa, jossa tarvitaan monenlaisia samanaikaisia toimia, kuten silloin, kun useat servo-akselit suorittavat samanaikaisia kytkentätehtäviä.
Hajautetun kellon tarkka kalibrointi on tehokkain ratkaisu synkronointiin. Toisaalta, jos käytetään täydellistä synkronointia, synkronointitietojen laatu vaikuttaa suuresti viestintävirheiden tapahtuessa. Viestintäjärjestelmässä vaiheittainen kalibrointikello kestää jossain määrin virheviiveitä. EtherCATissa tiedonsiirto perustuu täysin puhtaisiin laitteisiin. Koska tiedonsiirto hyödyntää loogista rengasverkkorakennetta, täysdouble-Fast Ethernetia ja todellista rengasverkkorakennetta, "mestarikello" voi yksinkertaisesti ja tarkasti määrittää kullekin "orjalukellolle" toiminnan kompensoinnin ja päinvastoin. Jaettua kelloa säädetään tämän arvon perusteella, mikä tarkoittaa, että se voi tarjota erittäin tarkan kelloalustan, jossa verkossa on alle 1 mikrosekuntia jitteria.
Kuitenkin tehokkaita hajautettuja kelloja ei käytetä vain synkronointiin, vaan ne myös antavat tarkan tiedon paikallisesta ajasta tiedonkeruun aikana. Uusien laajennettujen tietotyyppien tuomisen ansiosta mitatut arvot voidaan määrittää erittäin tarkoilla aikaleimoilla.
4.2 Kuuma yhteys:
Monet sovellukset vaativat I / O-kokoonpanon muuttamista käytön aikana. Esimerkiksi prosessikeskus, jolla on muuttuvat ominaisuudet, anturilla varustettu työkalu, älykäs siirtolaite, joustava työkappaleen toimilaite ja tulostin, joka voi itsenäisesti sulkea tulostusyksikön. EtherCAT-järjestelmä ottaa nämä vaatimukset huomioon: "Kuuma yhteys" -toiminto voi kytkeä tai katkaista verkon eri osat tai muuttaa niitä "dynaamisesti" joustavalla tavalla muuttuvien kokoonpanojen aikaansaamiseksi.
4.3 Korkea saatavuus:
Lisävarusteena saatava kaapelisegmentti täyttää lisääntyneen järjestelmän saatavuuden kasvavan kysynnän, jotta laitteita voidaan vaihtaa verkon sulkematta.
EtherCAT tukee myös redundantteja pääasemia kuumalla valmiustilalla. Koska EtherCAT-orjaohjain palauttaa automaattisesti kehyksiä, kun häiriöitä esiintyy, laitteen vika ei aiheuta koko verkon sulkemista. Esimerkiksi kaapelisuojaketju voidaan erikoisesti konfiguroida lyhyen palkin muodossa rikkoutumisen estämiseksi.
4.4 turvallisuus:
Turvatoiminnot toteutetaan yleensä erillään automaatioverkosta, laitteistosta tai käyttämällä erillistä turvaväyläjärjestelmää. TwinSAFE: n (BeckhoFF: n turvatekniikan) ansiosta on nyt mahdollista käyttää EtherCAT-tietoturvaprotokollaa tietoturvaan liittyvässä viestinnässä ja d- ohjausviestinnässä samassa verkossa.
Suojausprotokolla perustuu EtherCAT: n sovelluskerrokseen eikä vaikuta alempiin kerroksiin. Tämä turvallisuusprotokolla on sertifioitu IEC 61508: n mukaisesti turvallisuustason integrointitason (SIL) 3 saavuttamiseksi ja voi jopa saavuttaa SIL4: n sen jälkeen, kun tarvittavat toimenpiteet on toteutettu. Tietojen pituus voi vaihdella niin, että protokollaa voidaan soveltaa myös turvallisuustulo- ja turvaohjaustekniikkaan. Kuten muut EtherCAT-tiedot, turvalliset tiedot voidaan reitittää ilman turvallista reititintä tai yhdyskäytävää.
4.5 Diagnoosi:
Verkon diagnostiikkavalmiudet ovat erittäin tärkeitä verkon saatavuuden tehostamiseksi ja käyttöiän lyhentämiseksi (mikä vähentää kokonaiskustannuksia). Virheet voidaan poistaa välittömästi, jos ne havaitaan nopeasti ja tarkasti ja ne tunnistetaan selkeästi. Siksi EtherCAT: n kehittämisessä kiinnitettiin erityistä huomiota tyypillisiin diagnostisiin piirteisiin.
Testitoiminnon aikana I / O-päätteen todellinen kokoonpano tarkistetaan jatkuvuudelle määritetyn kokoonpanon avulla. Topologian on myös vastattava kokoonpanoa. Sisäänrakennetun topologian tunnistuksen vuoksi I / O voidaan vahvistaa, kun järjestelmä käynnistetään tai kun se asennetaan automaattisesti.
Bittivirheitä tiedonsiirron aikana voidaan havaita kelvollisella 32-bittisellä CRC: llä. Ristipisteen havaitsemisen ja sijainnin lisäksi fyysisen kerroksen ja topologian lähettäminen EtherCAT-järjestelmän protokollan kautta tekee jokaisen yksittäisen lähetyssegmentin korkealaatuisesta seurannasta todellisuuden. Analysoimalla asiaankuuluvat virhelaskurit automaattisesti kriittinen verkko-osa voidaan tarkasti sijoittaa. Voit havaita ja etsiä jatkuvan virheen, kuten EMC-häiriöitä, viallisia liittimiä tai vioittuneita kaapeleita, vaikka ne eivät olisi liioittaneet verkon kykyä parantua.
4.6 Avoimuus:
EtherCAT-tekniikka ei ole täysin yhteensopiva Ethernetin kanssa, mutta sillä on myös erityiset avoimuusominaisuudet: tämä protokolla voi olla samanaikaisesti muiden Ethernet-protokollan kanssa, jotka tarjoavat erilaisia palveluita, ja kaikki protokollat ovat samassa fyysisessä tietovälineessä - yleensä vain Yleinen verkon suorituskyky on pieni vaikutus. Ethernet-laite voidaan kytkeä EtherCAT-järjestelmään kytkinterminaalin kautta, mikä ei vaikuta kiertoaikaa. Laitteet, joilla on perinteinen kenttäväyläliitäntä, voidaan integroida verkkoon EtherCAT-kenttäväyläpäätelaitteen liitännän kautta. UDP-protokollavaihtoehto mahdollistaa laitteen integroinnin mihin tahansa korttipaikkaan. EtherCAT on täysin avoin protokolla, joka on tunnistettu viralliseksi IEC-spesifikaatioksi (IEC / PAS62407).