EtherCAT-arbetsprincipen
1. Driftsprincip:
Det finns ett antal Ethernet-lösningar tillgängliga för att tillhandahålla realtidsfunktioner: Till exempel är CSMA / CD-åtkomstprocessen inaktiverad via ett protokolllager på högre nivå och ersatt med en tidsskiva eller en omröstningsprocess. Andra lösningar använder dedikerade växlar och använder exakt tidsstyrning för att distribuera Ethernet-paket. Även om dessa lösningar kan leverera paket till de anslutna Ethernet noderna snabbare och mer exakt, är användningen av bandbredd mycket låg, speciellt för typisk automatiseringsutrustning, för även för mycket små datamängder måste en fullständig Ethernet-ram skickas. Dessutom beror den tid som krävs för att omdirigera till utgångs- eller drivregulatorn och läsinmatningsdata huvudsakligen av utförandemetoden. Vanligtvis måste även en subbus användas, särskilt i det modulära I / O-systemet, dessa system och BeckhoFF K-buss genom det synkrona subbussystemet för att påskynda överföringshastigheten, men sådan synkronisering kommer inte att kunna undvika fördröjning orsakad av kommunikationsbussöverföringen.
Genom att använda EtherCAT-tekniken bröt BeckhoFF igenom dessa systembegränsningar för andra Ethernet-lösningar: I stället för att ta emot Ethernet-paket vid varje anslutningspunkt som tidigare, avkodning och kopiering som processdata. När en ram passerar genom varje enhet (inklusive den underliggande terminalenheten), läser EtherCAT slavekontrollen data som är viktiga för enheten. På samma sätt kan inmatningsdata infogas i meddelandet när det passerar igenom. När ramen ramlas (endast några få bitar försenade), känner slaven igen det aktuella kommandot och bearbetar det. Denna process implementeras i hårdvaran i slavkontrollen och är därför oberoende av operativsystemet i realtid eller processorprestanda för protokollstackprogramvaran. Den sista EtherCAT-slaven i segmentet returnerar det fullständigt behandlade meddelandet så att meddelandet returneras som ett svar från den första slaven till mastern.
Från ett Ethernet-perspektiv är EtherCAT-bussegmentet helt enkelt en stor Ethernet-enhet som kan ta emot och skicka Ethernet-ramar. Emellertid innefattar "enheten" inte en enda Ethernet-kontroller med en downstream-mikroprocessor, men bara ett stort antal EtherCAT-slavar. Liksom alla andra Ethernet-enheter, kan EtherCAT upprätta kommunikation utan att behöva byta, vilket skapar ett rent EtherCAT-system.
2. Terminaler implementerar Ethernet:
Varje enhet i systemet garanterar användningen av ett fullständigt Ethernet-protokoll, även för varje I / O-terminal, utan att använda en subbus. Koppla enkelt överkopplingsmediet från kopplaren från twisted pair (100baseTX) till E-bussen för att uppfylla kraven i det elektroniska terminalblocket. E-busssignaltypen (LVDS) i terminalblocket är inte dedikerad, den kan också användas för 10 Gigabit Ethernet. Vid slutet av terminalblocket konverteras de fysiska bussegenskaperna tillbaka till 100baseTX-standarden.
Standard Ethernet MAC eller billiga standard nätverkskort (NIC) är tillräckliga för användning som maskinvara i kontrollenheten. DMA (Direct Memory Access) används för att överföra data till datorn. Det betyder att nätverksåtkomst inte har någon effekt på CPU-prestanda. Samma princip används i BeckhoFF multiport-kortet, som buntar upp till 4 Ethernet-kanaler i en PCI-kortplats.
3. Protokoll bearbetningen utförs helt i maskinvara
3.1 protokoll:
EtherCAT-protokollet är optimerat för processdata och överförs direkt till Ethernet-ramar eller komprimeras till UDP / IP-datagram. UDP-protokollet används när EtherCAT-segmentet i andra subnät adresseras av routern. En Ethernet-ram kan innehålla flera EtherCAT-meddelanden, som var och en är avsedd för ett specifikt minnesområde som kan användas för att programmera en logisk processbild upp till 4 GB i storlek. Eftersom datakedjan är oberoende av EtherCAT-terminals fysiska sekvens, kan EtherCAT-terminalerna lösas fritt. Slavstationer kan sända, multicast och kommunicera.
Protokollet kan också hantera normalt icke-cyklisk parameterkommunikation. Parametrarnas struktur och betydelse ställs in av CANOPEN-enhetsprofilen och dessa enhetsprofiler används för en mängd olika enhetsklasser och applikationer. EtherCAT stöder även beroende regler som överensstämmer med IEC 61491-standarden. Profilen är uppkallad efter SERCOSTM och är universellt erkänd i världen av rörelsekontroll applikationer.
Förutom datautbyte i enlighet med master / slaveprincipen är EtherCAT också mycket lämplig för kommunikation mellan styrenheter (master / master). Fritt adresserbara processdata nätverk variabler samt olika parametrar, diagnostik, programmering och fjärrkontroll tjänster kan uppfylla många krav. Datagränssnittet för master / slavkommunikationen med master / master är densamma.
FMMU: Meddelandehantering utförs helt i maskinvara
3.2 prestanda:
EtherCAT har nått en ny höjd i nätverksprestanda. Uppdateringscykeln med 1000 distribuerade I / O-data är bara 30 μs, inklusive terminaltiden. Med en Ethernet-ram kan upp till 1486 byte processdata bytas, vilket motsvarar nästan 12 000 digitala I / O. Överföringen av denna datavolym är endast 300 μs.
Kommunikation med 100 servoaxlar tar bara 100 μs. Under denna tid kan inställda värden och kontrolldata ges till alla axlar och deras faktiska position och status kan rapporteras. Distribuerad klockteknik säkerställer att synkroniseringstiden mellan dessa axlar avviker med mindre än 1 mikrosekund.
Genom att använda den överlägsna prestandan hos EtherCAT-tekniken är det möjligt att genomföra en kontrollmetod som inte kan realiseras med ett konventionellt fältbussystem. På detta sätt kan en ultrasnabb kontrollslinga också formas via bussen. Funktioner som tidigare krävde lokalt dedikerat maskinvaru support kan nu kartläggas i programvara. Stora bandbreddsresurser gör att statusdata kan överföras parallellt med alla data. EtherCAT-tekniken möjliggör kommunikationsteknik som matchar moderna industriella datorer med hög prestanda. Bussystemet är inte längre flaskhalsen i kontrollkonceptet. Distribuerad I / O-dataöverföring överstiger resultatet som endast kan uppnås med den lokala I / O-gränssnittet.
Denna prestanda för nätverksprestanda framgår av små kontroller med relativt måttlig datakraft. EtherCATs höghastighetskrets kan utföras mellan två kontrollcykler. Därför har regulatorn alltid den senaste tillgängliga inmatningsdata, och fördröjningen i utmatningsadressering är minimal. Styrenhetens svarbete förbättras avsevärt utan att behöva förbättra sin egen datakraft.
Principen för EtherCAT-tekniken är skalbar, inte begränsad till 100M bandbredd - Ethernet förlängd till Gigabit är också möjligt.
3.3 EtherCAT ersätter PCI:
Med accelerationen av miniatyrisering av PC-komponenter beror storleken på industriella datorer huvudsakligen på det önskade antalet slitsar.
Användningen av höghastighets Ethernet-bandbredd och EtherCAT-kommunikationshårdvarans databbandbredd (EtherCAT Slave Controller) ger nya möjligheter till applikation: gränssnitt som vanligtvis finns i IPC överförs till de intelligenta gränssnittsterminalerna i EtherCAT-systemet. Förutom distribuerade I / O, axlar och styrenheter kan komplexa system som fältbussmasters, höghastighets seriella gränssnitt, gateways och andra kommunikationsgränssnitt adresseras via en Ethernet-port på datorn. Även andra Ethernet-enheter som inte är begränsade till protokollvarianter kan anslutas via distribuerade växelterminaler. Storleken på den industriella PC-värdn blir mindre och mindre och kostnaden blir lägre och lägre. Ett Ethernet-gränssnitt är tillräckligt för alla kommunikationsuppgifter.
Ethernet används istället för PCI-fältbussenheter (Profibus, CANOPEN, DeviceNet, AS-i, etc.) för att integrera via distribuerade fältbuss-master terminaler. Om du inte använder en fältbussmastern sparar du PCI-kortplatser i datorn.
3.4 Topologi:
Buss, träd eller stjärna: EtherCAT stöder nästan vilken topologi som helst. Därför kan den fältbuss-härledda bussstrukturen också användas för Ethernet. Att kombinera buss- och förgreningsstrukturerna är särskilt användbart för systemkablage. Alla gränssnitt är placerade på kopplaren och inga ytterligare omkopplare krävs. Naturligtvis kan en traditionell switchbaserad Star Ethernet topologi också användas.
Att använda olika transmissionsledningar maximerar kablarnas flexibilitet. Den flexibla och billiga standard Ethernet-patchkabeln kan sända signaler via Ethernet-läge (100baseTX) eller via E-bussen. Optisk fiber (PFO) kan användas för speciella applikationer. Ethernet bandbredd (t.ex. olika fiberoptiska kablar och kopparkablar) kan användas i kombination med omkopplare eller mediaomvandlare. De fysiska egenskaperna hos Fast Ethernet kan göra att avståndet mellan enheter når 100 meter, medan E-bussen endast kan garantera avståndet på 10 meter. Fast Ethernet eller E-Bus kan väljas enligt distansbehov. EtherCAT-systemet kan rymma upp till 65.535 enheter, så hela nätverket är nästan obegränsat
4. Fri val av topologi
Det finns maximal flexibilitet på kablarna: huruvida man använder växlar, oavsett om man använder en bustopologi eller en trädtopologi. Automatisk adressuppgift; Inget behov av att ange en IP-adress.
4.1 Distribuerad klocka:
Noggrann synkronisering är särskilt viktig i distributionsprocessen, där ett stort antal samtidiga åtgärder krävs, t.ex. när flera servoaxlar utför simultana kopplingsuppgifter.
Noggrann kalibrering av den distribuerade klockan är den mest effektiva lösningen för synkronisering. Omvänt, om full synkronisering används, påverkas kvaliteten på synkroniseringsdata i stor utsträckning när kommunikationsfel uppstår. I kommunikationssystemet är den stegvisa kalibreringsklockan i viss utsträckning tolerant för felfördröjning. I EtherCAT är datautbyte helt baserat på rena maskinvaruenheter. Eftersom kommunikationen utnyttjar en logisk ringnätverksstruktur, full duplex Fast Ethernet och en faktisk ringnätverksstruktur kan "master clock" enkelt och noggrant bestämma driftskompensationen för varje "slavklocka" och vice versa. Den distribuerade klockan justeras baserat på detta värde, vilket innebär att den kan ge en mycket exakt klockbas med mindre än 1 mikrosekund jitter i nätverket.
Emellertid används högprestandade klockor inte bara för synkronisering utan ger också noggrann information om lokal tid vid dataöverföring. På grund av införandet av nya utökade datatyper kan uppmätta värden tilldelas med mycket exakta tidsstämplar.
4.2 Hot anslutning:
Många applikationer kräver att I / O-konfigurationen ändras under drift. Till exempel, ett bearbetningscentrum med förändringsegenskaper, ett sensorutrustat verktygssystem, en intelligent överföringsanordning, ett flexibelt arbetsstyckeväxlare och en skrivare som självständigt kan stänga skrivarenheten. EtherCAT-systemet tar hänsyn till dessa krav: Funktionen "hot connection" kan ansluta eller koppla bort de olika delarna av nätverket eller "dynamiskt" omkonfigurera dem för att ge ett flexibelt svar på ändrade konfigurationer.
4.3 Hög tillgänglighet:
Den valfria kabelredundansen möter den ökande efterfrågan på ökad systemtillgänglighet, så att utrustningen kan bytas ut utan att stänga av nätverket.
EtherCAT stöder även redundanta mastestationer med varm vänteläge. Eftersom EtherCAT-slavkontrollen automatiskt returnerar ramar när ett avbrott uppstår, kommer ett fel på enheten inte att orsaka att hela nätverket stängs av. Exempelvis kan kabelskyddskedjan konfigureras speciellt i form av en kort stång för att förhindra brott.
4.4 säkerhet:
Säkerhetsfunktioner implementeras generellt separat från automationsnätet, via hårdvara eller med ett dedikerat säkerhetsbussystem. Tack vare TwinSAFE (BeckhoFFs säkerhetsteknik) är det nu möjligt att använda EtherCATs säkerhetsprotokoll för säkerhetsrelaterad kommunikation och d- kommunikation på samma nätverk.
Säkerhetsprotokollet är baserat på applikationsskiktet av EtherCAT och påverkar inte de nedre skikten. Detta säkerhetsprotokoll har certifierats enligt IEC 61508 för att uppnå en säkerhetsintegrationsnivå (SIL) 3 och kan till och med nå SIL4 efter att ha vidtagit relevanta åtgärder. Längden på data kan variera så att protokollet är lika tillämpligt på säkerhet I / O-data och säkerhetsdriftsteknik. Liksom andra EtherCAT-data kan säkra data dirigeras utan att använda en säker router eller gateway.
4,5 Diagnos:
Nätverkets diagnostiska förmåga är väldigt viktigt för att öka tillgängligheten på nätet och minska driftstiden (vilket minskar de totala kostnaderna). Fel kan bara elimineras omedelbart om de identifieras snabbt och korrekt och tydligt identifieras. Under utvecklingen av EtherCAT har därför särskild uppmärksamhet ägnats åt typiska diagnostiska egenskaper.
Under testoperationen kontrolleras den faktiska konfigurationen av I / O-terminalen för kontinuitet med den angivna konfigurationen. Topologin måste också matcha konfigurationen. På grund av den inbyggda topologiska identifieringen kan I / O bekräftas när systemet startas eller när det installeras automatiskt.
Bitfel under dataöverföring kan detekteras med en giltig 32-bitars CRC. Förutom brytpunktsdetektering och -plats gör överföringen av det fysiska lagret och topologin genom EtherCAT-systemprotokollet en högkvalitativ övervakning av varje enskilt transmissionssegment till en verklighet. Genom att automatiskt analysera relevanta felräknare kan den kritiska nätverksdelen vara exakt lokaliserad. Du kan upptäcka och lokalisera källor med konstant fel som EMC-störningar, defekta kontakter eller skadade kablar, även om de inte har haft en stor inverkan på nätets förmåga att läka sig själv.
4.6 Öppenhet:
EtherCAT-tekniken är inte bara fullständigt kompatibel med Ethernet, men har också speciella egenskaper för design öppenhet: Detta protokoll kan sameksistera med andra Ethernet-protokoll som tillhandahåller olika tjänster och alla protokoll existerar i samma fysiska medium - vanligtvis bara Den övergripande nätverksprestandan har en liten grad av påverkan. En standard Ethernet-enhet kan anslutas till ett EtherCAT-system via en omkopplare, vilket inte påverkar cykeltiden. Enheter med ett traditionellt fältbussgränssnitt kan integreras i nätverket via anslutningen av EtherCAT-fältbuss-master-terminalen. UDP-protokollvarianten möjliggör att enheten kan integreras i vilket spårgränssnitt som helst. EtherCAT är ett helt öppet protokoll som har identifierats som en formell IEC-specifikation (IEC / PAS62407).