EtherCAT tööpõhimõte
1. Tööpõhimõte:
Reaalajas funktsionaalsuse tagamiseks on olemas mitmeid Etherneti lahendusi: näiteks CSMA / CD-juurdepääsu protsess on kõrgema taseme protokollikihi abil blokeeritud ja asetatud aja viilu või küsitlusprotsessiga. Muud lahendused kasutavad spetsiaalseid lüliteid ja kasutavad Etherneti pakettide levitamiseks täpset ajakontrolli. Kuigi need lahendused pakuvad ühendatud Etherneti sõlmede pakette kiiremaks ja täpsemaks, on ribalaiuse kasutamine väga madal, seda eriti tüüpiliste automaatika seadmete puhul, sest isegi väga väikeste andmemahtude korral tuleb saata täielik Etherneti kaader. Lisaks sellele sõltub väljundi- või ajami kontrollerile suunamiseks kuluv aeg ja sisendandmete lugemine peamiselt täitmise viisist. Tavaliselt tuleb ka edastuskiiruse kiirendamiseks kasutada sub-bussi, eriti modulaarse sisend- ja väljundsüsteemi abil, ja süsteemide BeckhoFF K-bus kaudu, kuid sellist sünkroniseerimist ei saa vältida. sidebusside edastamise põhjustatud viivitus.
EtherCAT-tehnoloogia abil rikkus BeckhoFF nende teiste Etherneti lahenduste piirangutega: Ethernet-pakettide vastuvõtmise asemel, nagu ka varem, igasugune ühenduspunkt nagu protsesside andmete dekodeerimine ja kopeerimine. Kui raadius läheb läbi iga seadme (kaasa arvatud alumine lõppseade), loeb EtherCAT alluv controller seadme jaoks olulisi andmeid. Samamoodi saab sisendandmeid sisestada sõnumisse, kui see läbib. Kui raamistik on möödas (ainult paar bitti edasi lükkamist), tuvastab alamkogu vastav käsk ja töötleb seda. Seda protsessi rakendatakse slavekontrolleri riistvaras ja seepärast ei sõltu protokolliümbrise tarkvara reaalajas töötava operatsioonisüsteemi või protsessori jõudlus. Segmendi viimane EtherCAT-i alamkoda tagastab täielikult töödeldud sõnumi, nii et sõnum tagastatakse esimesele alamale vastusena kaptenile.
Etherneti vaatenurgast on EtherCATi busside segment lihtsalt suur Ethernet-seade, mis saab vastu võtta ja saata Etherneti kaadreid. Kuid "seade" ei sisalda üht Etherneti kontrollerit allavoolu mikroprotsessoriga, vaid ainult suurt hulka EtherCATi orbiidoreid. Nagu iga teine Ethernet, saab EtherCAT luua side ilma lülitita, seega luuakse puhas EtherCAT-süsteem.
2. Terminalid rakendavad Ethernet:
Iga süsteemi seade tagab täieliku Etherneti protokolli kasutamise isegi iga I / O-liidese jaoks ilma sub-bussita. Lihtsalt teisendage siduri edastusvahendit keerdpaarist (100baseTX) E-bussist, et see vastaks elektroonilise klemmploki nõuetele. E-bussisignaali tüüp (LVDS) terminalblokis pole pühendatud, seda saab kasutada ka 10 Gigabit Etherneti jaoks. Terminalploki lõpus muudetakse füüsilise vooluahela omadused tagasi 100baseTX standardile.
Standardse Etherneti MAC-id või odav standard-võrgukaardid (NIC-d) on piisavad kontrollerina riistvaraks kasutamiseks. DMA-d (Direct Memory Access) kasutatakse andmete edastamiseks arvutisse. See tähendab, et võrguühendus ei mõjuta CPU jõudlust. Sama põhimõtet kasutatakse BeckhoFFi multiportkaardis, mis ühendab ühe PCI pessa kuni 4 Etherneti kanalit.
3. Protokolli töötlemine on täielikult teostatud riistvaraga
3.1 protokoll:
EtherCAT-protokoll on optimeeritud protsessiandmete jaoks ja see edastatakse otse Etherneti kaadritele või surutakse UDP / IP-datagrammidesse. UDP-protokolli kasutatakse juhul, kui ruuter võtab ühendust EtherCAT-i segmendiga teistes alamvõrkudes. Etherneti kaadris võib olla mitu EtherCAT-i sõnumit, millest igaüks on pühendatud konkreetsele mälupiirkonnale, mida saab kasutada kuni 4 GB suuruse loogilise protsessi kujutise programmeerimiseks. Kuna andmeahel ei sõltu EtherCAT-i terminalide füüsilisest järjestusest, saab EtherCAT-i terminale vabalt kasutada. Slavejaamad saavad saata, multimeediumsõnumeid ja suhelda.
Protokoll võib samuti käsitleda tavaliselt mitte-tsüklilisi parameetreid. Parameetrite struktuuri ja tähendust määravad CANOPENi seadme profiil ja neid seadmeprofiile kasutatakse mitmesuguste seadmeklasside ja rakenduste jaoks. EtherCAT toetab ka sõltuvaid reegleid, mis vastavad IEC 61491 standardile. Profiil on SERCOSTM-i nime saanud ja see on universaalselt tunnustatud liikumisjuhtimise rakenduste maailmas.
EtherCAT on lisaks andmevahetusele ka master / slave printsiibi kohaselt väga sobiv juhtelementide (master / master) suhtlemiseks. Vabalt adresseeritavad protsessi andmesidevõrgu muutujad, samuti erinevad parameetri seadistused, diagnostika, programmeerimine ja kaugjuhtimisteenused võivad vastata paljudele nõuetele. Andmeliides master / slave suhtlemisel master / master on sama.
FMMU: sõnumite töötlemine toimub täielikult riistvaras
3.2 jõudlus:
EtherCAT jõudis võrgu jõudluse uuele kõrgusele. 1000 jaotatud I / O-andmete värskendamise tsükkel on ainult 30μs, sealhulgas terminali tsükli aeg. Etherneti raami abil saab vahetada kuni 1486 baiti protsessiandmeid, mis vastab peaaegu 12 000 digitaalsele I / O-le. Selle andmeside edastamine on vaid 300 μs.
Suhtlemine 100 servo-teljega võtab ainult 100 μs. Selle aja jooksul saab kõigi telgede jaoks määrata väärtused ja kontrollandmed ning nende tegelikku positsiooni ja seisundit saab teatada. Distributed clock tehnoloogia tagab, et nende telgede sünkroonimisaeg erineb vähem kui 1 mikrosekundist.
Kasutades EtherCAT-tehnoloogia üliefektiivsust, on võimalik rakendada juhtimismeetodit, mida tavapärase välibussisüsteemiga ei saa realiseerida. Sel viisil saab bussi kaudu moodustada ka ülikiire juhtkontuuri. Tarkvara abil on võimalik kaardistada juba varem kohaliku spetsiaalse riistvaratoetusega seotud funktsioone. Suur ribalaiusega ressursid võimaldavad olekuteabe edastamist paralleelselt mis tahes andmetega. EtherCAT tehnoloogia võimaldab kommunikatsioonitehnoloogiat sobitada kaasaegsete suure jõudlusega tööstusarvutitega. Bussisüsteem ei ole enam juhtimiskontseptsiooni kitsaskoht. Jaotatud I / O andmeedastus ületab jõudlust, mida saab saavutada ainult kohaliku I / O-liidese abil.
Selle võrgu jõudluse eeliseks on väikesed kontrollerid, kellel on suhteliselt mõõdukas arvutusvõimsus. EtherCAT'i kiirkiirust saab lõpule viia kahe kontrolltsükliga. Seetõttu on kontrolleril alati kõige uuemad sisendandmed ja väljundi adresseerimise viivitus on minimaalne. Kontrolleri vastuste käitumine on märkimisväärselt paranenud, ilma et oleks vaja suurendada oma arvutusvõimsust.
EtherCAT tehnoloogia põhimõte on skaleeritav, mitte ainult 100M ribalaius - Gigabiti laiendatud Ethernet on samuti võimalik.
3.3 EtherCAT asendab PCI:
PC-komponentide miniaturiseerimise kiirendamisega sõltub tööstuslike arvutite suurus peamiselt vajalike teenindusaegade arvust.
EtherCAT-i kommunikatsioonivahendi (EtherCAT slavekontrolleri) andmeedastuskiiruse kasutamine võimaldab kiiret Ethernet-ribalaiust ja andmeedastuskiirust (EtherCAT Slave Controller), mis võimaldab kasutada uusi võimalusi: liidesed, mis asuvad tavaliselt IPC-s, edastatakse EtherCAT-i arukatele liidesterminalidele. Lisaks jaotatud I / O-telgedele ja juhtimisseadistele saab arvuti kaudu Etherneti pordi kaudu lahendada keerukaid süsteeme, nagu näiteks mobiilsidevõrgu meistrid, kiirjälgimisliidesed, lüüsid ja muud sidepidamisliidesed. Isegi teisi Etherneti seadmeid, mis ei ole piiratud protokollivariantidega, saab ühendada jaotatud kommutaatorite kaudu. Tööstusliku arvutivõrgu suurus muutub väiksemaks ja väiksemaks ning hind muutub väiksemaks ja madalamaks. Etherneti liides on kõigile sidepidamise ülesannetele piisav.
PCI-väljundseadmete (Profibus, CANOPEN, DeviceNet, AS-i jne) asemel kasutatakse Ethernet'i, et integreerida jaotatud väljundi põhisterminalide kaudu. Fieldbus Master ei salvesta PCI pesa arvutis.
3.4 Topoloogia:
Buss, puu või täht: EtherCAT toetab peaaegu ühte topoloogiat. Seetõttu saab Ethernet-võrgus kasutada ka väljundibussi tuletatud bussistruktuuri. Bussi- ja hargnemisstruktuuride ühendamine on süsteemi kaabli jaoks eriti kasulik. Kõik liidesed paiknevad ühenduslülitiga ja täiendavaid lülitid pole vaja. Muidugi võib kasutada ka traditsioonilist vahetatud põhinevat star Etherneti topoloogiat.
Erinevate ülekandetablite kasutamine suurendab kaabli paindlikkust. Paindlik ja odav standard Etherneti patch kaabel saab edastada signaale Ethernet-režiimis (100baseTX) või E-bussi kaudu. Optilisi kiude (PFO) saab kasutada spetsiaalsete rakenduste jaoks. Etherneti ribalaiust (nt erinevad kiudoptilised kaablid ja vasktraadid) saab kasutada koos lülitite või meediummuunduritega. Fast Etherneti füüsilised omadused võivad muuta seadmetevahelise kauguse 100 meetrit, samas kui E-bus saab tagada vaid 10 meetri vahemaade. Fast Ethernet või E-bus saab valida vastavalt kaugnõuded. EtherCAT süsteem suudab mahutada kuni 65 535 seadet, nii et kogu võrk on peaaegu piiramatu
4. Vaba topoloogiast valik
Kaablite puhul on maksimaalne paindlikkus: kas kasutada lüliteid, kas kasutada bussitopoloogiat või puu topoloogiat. Automaatne aadresside määramine; ei pea IP-aadressi määrama.
4.1 Jaotatud kell:
Täpne sünkroniseerimine on eriti oluline turustamisprotsessis, kus on vaja mitut samaaegset toimingut, näiteks siis, kui mitmed servoteljed täidavad samaaegseid ühendustegevusi.
Hajutatud kella täpset kalibreerimist on kõige tõhusam lahendus sünkroonimiseks. Vastupidiselt, kui kasutatakse täielikku sünkroniseerimist, mõjutavad oluliselt sünkroonimisteabe kvaliteeti, kui ilmnevad sidevigad. Kommunikatsioonisüsteemis on samm-sammuline kalibreerimiskell veeretähistusest teatud määral talutav. EtherCATis põhineb andmevahetus täielikult puhtast riistvaralisest seadmest. Kuna kommunikatsioonis kasutatakse loogilist helinivõrgu struktuuri, täisdupleksset Fast Ethernetti ja tegelikku heliriba struktuuri, saab "peamine kella" lihtsalt ja täpselt kindlaks määrata iga "alamkelli" operatsioonikompensatsiooni ja vastupidi. Hajutatud kellu korrigeeritakse selle väärtuse alusel, mis tähendab, et see võib pakkuda väga täpset kella baasi, mille võrgus on vähem kui 1 mikrosekundiline värisemine.
Kuid suure jõudlusega jaotatud kellasid ei kasutata mitte ainult sünkroniseerimiseks, vaid ka andmete kogumiseks täpset teavet kohaliku aja kohta. Uute laiendatud andmetüüpide kasutuselevõtu tõttu saab mõõdetud väärtusi määrata väga täpset ajatemplite abil.
4.2 Kuum ühendus:
Paljud rakendused vajavad I / O konfiguratsiooni muutmist töö ajal. Näiteks muutuvate omadustega töötluskeskus, anduriga varustatud töövahend, intelligentne ülekandeseade, painduv tooriku täiturmehhanism ja printer, mis suudab iseseisvalt prindikassetti sulgeda. EtherCAT süsteem võtab arvesse järgmisi nõudeid. Kuumade ühenduste funktsioon võib ühendada või lahti ühendada võrgu mitmesuguseid osi või "dünaamiliselt" ümber seadistada, et paindlikult reageerida muutuvatele konfiguratsioonidele.
4.3 Kõrge kättesaadavus:
Valikuline kaabelleviväline koondatavus vastab kasvavale nõudlusele süsteemi suurenenud kättesaadavuse järele, nii et seadmeid saab vahetada ilma võrgu sulgemiseta.
EtherCAT toetab ka üleliigseid magistraadiojaama, millel on kuum ooterežiim. Kuna EtherCAT-i alluvkontroller tagastab automaatselt kaadri katkestamise korral, ei põhjusta seadme tõrge kogu võrgu sulgemist. Näiteks võib kaabli kaitseliin spetsiaalselt konfigureerida lühikese riba kujul, et vältida purunemist.
4.4 ohutus:
Turbefunktsioone rakendatakse üldjuhul eraldi automaatika võrgust, riistvarast või spetsiaalse turbussisüsteemi abil. Tänu TwinSAFE-le (BeckhoFFi turbetehnoloogiale) on nüüd võimalik kasutada turvalisusega seotud kommunikatsiooni EtherCATi turvaprotokolli ja sama võrgu juhtimiskeskust.
Turvaprotokoll põhineb EtherCAT rakenduskihil ja ei mõjuta alumisse kihti. See ohutusprotokoll on sertifitseeritud vastavalt standardile IEC 61508 ohutuse integreerimise taseme saavutamiseks (SIL) 3 ja võib pärast vastavate meetmete võtmist isegi jõuda SIL4-le. Andmete pikkus võib varieeruda nii, et protokoll on võrdselt kohaldatav ka ohutusega seotud andmete / ohutusandmete ja ohutusseadmete tehnoloogia suhtes. Nagu teised EtherCAT andmed, saab turvalisi andmeid suunata turvalise ruuteri või lüüsi kasutamiseta.
4.5 Diagnoos:
Võrgu diagnostikavõimalused on võrgu kättesaadavuse suurendamiseks ja kasutuselevõtu aja vähendamiseks väga olulised (seega üldkulude vähendamine). Vead saab kõrvaldada vaid viivitamatult, kui neid kiiresti ja täpselt tuvastatakse ja selgelt tuvastatakse. Seetõttu tekkis EtherCAT-i arendamisel erilist tähelepanu tüüpilistele diagnostilistele tunnustele.
Katse ajal kontrollitakse I / O terminali tegelikku konfiguratsiooni, kasutades selleks määratud konfiguratsiooni. Topoloogiast peab olema ka konfiguratsioon. Sisseehitatud topoloogia tuvastamise tõttu saab sisend / väljundit kinnitada, kui süsteem käivitatakse või kui see on automaatselt installitud.
Andmeedastuses bitivigu saab tuvastada kehtiva 32-bitise CRC-ga. Lisaks pauspunkti tuvastamisele ja asukohale võimaldab füüsilise kihi ja topoloogia edastamine EtherCAT-i süsteemi protokolliga reaalselt iga üksiku edastussegmendi kõrgekvaliteedilist jälgimist. Analüüsides asjakohaseid vealulugejaid, saab kriitilise võrguosa täpselt aset leida. Saate tuvastada ja leida pideva vea allikad, nagu näiteks EMC-häired, defektsed pistikud või kahjustatud kaablid, isegi kui need ei ole ülemäära mõjutanud võrgu võimet paraneda.
4.6 Avatus:
EtherCAT-tehnoloogia ei ühildu mitte ainult Etherneti-ga, vaid sellel on ka spetsiaalsed disaini avatuse omadused: see protokoll võib eksisteerida koos teiste Etherneti-protokollidega, mis pakuvad erinevaid teenuseid, ja kõik protokollid eksisteerivad samal füüsikalises keskkonnas - tavaliselt on ainult üldine võrgu jõudlus väike mõju. EtherCAT-süsteemi saab ühendada standardse Etherneti seadmega lülitusterminali kaudu, mis ei mõjuta tsükliaega. EtherCAT väljundspetsiifikaardi terminali ühendamisel saab võrku integreerida traditsioonilise väljundi liidesega seadmed. UDP protokolli variant võimaldab seadet integreerida mis tahes teenindusliidesse. EtherCAT on täielikult avatud protokoll, mis on määratletud ametliku IEC spetsifikatsioonina (IEC / PAS62407).