EtherCAT Working Principle
1. Driftsprincip:
Der findes en række Ethernet-løsninger til real-time-funktionalitet: For eksempel er CSMA / CD-adgangsprocessen deaktiveret via et højere niveau af protokollag og erstattet med en tidsskive eller afstemningsproces. Andre løsninger bruger dedikerede kontakter og bruger præcis tidsstyring til at distribuere Ethernet-pakker. Selvom disse løsninger kan levere pakker til de tilsluttede Ethernet-noder hurtigere og mere præcist, er båndbreddeudnyttelsen meget lav, især for typiske automatiseringsudstyr, fordi selv for meget små datavolumener, skal der sendes en komplet Ethernet-ramme. Desuden afhænger den tid, der kræves for at omdirigere til output- eller drevregulatoren og læse inputdata, primært af udførelsesmåden. Normalt også brug for en subbus, især i det modulære I / O-system, disse systemer og BeckhoFF K-bus gennem det synkrone subbus-system for at fremskynde transmissionshastigheden, men sådan synkronisering vil ikke kunne undgå forsinkelse forårsaget af kommunikationsbussen transmission.
Ved at bruge EtherCAT-teknologien har BeckhoFF brudt disse systembegrænsninger af andre Ethernet-løsninger: I stedet for at modtage Ethernet-pakker på hvert forbindelsessted som tidligere, dekodning og kopiering som procesdata. Når en ramme passerer gennem hver enhed (herunder den underliggende terminal enhed), læser EtherCAT slavecontrolleren data, der er vigtige for enheden. På samme måde kan inputdata indsættes i meddelelsen, når den går igennem. Når rammen er passeret (kun et par bits forsinket) genkender slaven den relevante kommando og behandler den. Denne proces implementeres i hardware i slavecontrolleren og er derfor uafhængig af realtidsoperativsystemet eller processorens ydeevne for protokollens stakke software. Den sidste EtherCAT-slave i segmentet returnerer den fuldt behandlede besked, så meddelelsen returneres som et svar fra den første slave til masteren.
Fra et Ethernet-perspektiv er EtherCAT-bussegmentet simpelthen en stor Ethernet-enhed, der kan modtage og sende Ethernet-rammer. Imidlertid omfatter "enheden" ikke en enkelt Ethernet-controller med en downstream-mikroprocessor, men kun et stort antal EtherCAT-slaver. Som ethvert andet Ethernet kan EtherCAT etablere kommunikation uden brug af en switch, hvilket skaber et rent EtherCAT-system.
2. Terminaler implementerer Ethernet:
Hver enhed i systemet garanterer brugen af en komplet Ethernet-protokol, selv for hver I / O-terminal, uden at bruge en subbus. Du skal simpelthen konvertere transmissionsmediet fra kobleren fra twisted pair (100baseTX) til E bus for at opfylde kravene i den elektroniske terminalblok. E-busssignaltypen (LVDS) i terminalblokken er ikke dedikeret, den kan også bruges til 10 Gigabit Ethernet. I slutningen af terminalblokken konverteres fysiske buskarakteristika tilbage til 100baseTX-standarden.
Standard Ethernet MAC'er eller billige standard netværkskort (NIC) er tilstrækkelige til brug som hardware i controlleren. DMA (Direct Memory Access) bruges til at overføre data til pc'en. Dette betyder, at netværksadgang ikke har nogen effekt på CPU-ydeevne. Det samme princip bruges i BeckhoFF multiport-kortet, der binder op til 4 Ethernetkanaler i en PCI-slot.
3. Protokolbehandlingen udføres fuldstændigt i hardware
3.1 protokol:
EtherCAT-protokollen er optimeret til procesdata, og den overføres direkte til Ethernet-rammer eller komprimeres til UDP / IP-datagrammer. UDP-protokollen bruges, når EtherCAT-segmentet i andre undernet er adresseret af routeren. En Ethernet-ramme kan indeholde flere EtherCAT-meddelelser, der hver især er dedikeret til et specifikt hukommelsesområde, som kan bruges til at programmere et logisk procesbillede op til 4 GB i størrelse. Da datakæden er uafhængig af den fysiske sekvens af EtherCAT-terminalerne, kan EtherCAT-terminalerne løses frit. Slave stationer kan sende, multicast og kommunikere.
Protokollen kan også håndtere normalt ikke-cyklisk parameterkommunikation. Parameterens struktur og betydning er indstillet af CANOPEN-enhedsprofilen, og disse enhedsprofiler anvendes til en række forskellige enhedsklasser og applikationer. EtherCAT understøtter også afhængige regler, der overholder IEC 61491-standarden. Profilen er opkaldt efter SERCOSTM og er universelt anerkendt i verden af motion control applikationer.
Ud over dataudveksling i overensstemmelse med master / slave-princippet er EtherCAT også meget velegnet til kommunikation mellem controllere (master / master). Fritt adresserbare procesdatametervariabler samt forskellige parametre-, diagnostik-, programmerings- og fjernbetjeningstjenester kan opfylde mange krav. Datainterface for master / slave kommunikation med master / master er den samme.
FMMU: Meddelelsesbehandling udføres fuldstændigt i hardware
3.2 ydeevne:
EtherCAT har nået en ny højde i netværkets ydeevne. Opdateringscyklusen med 1000 distribuerede I / O-data er kun 30 μs, inklusive terminaltiden. Med en Ethernet-ramme kan op til 1486 bytes procesdata udveksles, hvilket svarer til næsten 12.000 digitale I / O'er. Overførslen af dette datavolumen er kun 300 μs.
Kommunikation med 100 servoakser tager kun 100 μs. I løbet af denne tid kan der indstilles værdier og kontroldata til alle akser, og deres aktuelle position og status kan rapporteres. Distribueret urteknologi sikrer, at synkroniseringstiden mellem disse akser afviger med mindre end 1 mikrosekund.
Udnyttelse af EtherCAT-teknologiens overlegne ydeevne er det muligt at implementere en kontrolmetode, som ikke kan realiseres med et konventionelt feltbus system. På denne måde kan en ultrafast styresling også formes via bussen. Funktioner, der tidligere krævede lokal dedikeret hardware support, kan nu kortlægges i software. Kæmpe båndbredde ressourcer tillader status data at blive transmitteret parallelt med eventuelle data. EtherCAT-teknologien muliggør kommunikationsteknologi til at matche moderne højpresterende industrielle pc'er. Bussystemet er ikke længere flaskehalsen i kontrolkonceptet. Distribueret I / O-dataoverførsel overstiger den ydeevne, der kun kan opnås via den lokale I / O-grænseflade.
Denne netværksydende fordel er tydelig i små controllere med relativt moderat computerkraft. EtherCAT's højhastigheds-loop kan gennemføres mellem to kontrolcykler. Derfor har controlleren altid de nyeste tilgængelige inputdata, og forsinkelsen i outputadressering er minimal. Regulatorens reaktionsadfærd forbedres betydeligt uden at øge sin egen databehandlingskraft.
Princippet om EtherCAT-teknologi er skalerbar, ikke begrænset til 100M båndbredde. Ethernet udvidet til Gigabit er også muligt.
3.3 EtherCAT erstatter PCI:
Med accelerationen af miniaturisering af pc-komponenter afhænger størrelsen af industrielle pc'er primært på det krævede antal slots.
Anvendelsen af højhastigheds Ethernet-båndbredde og EtherCAT-kommunikationshardware (EtherCAT Slave Controller) databåndbredde åbner nye anvendelsesmuligheder: Interfaces, der normalt findes i IPC'en, overføres til de intelligente interface-terminaler i EtherCAT-systemet. Ud over distribuerede I / O, akser og styringsenheder kan komplekse systemer som fieldbusmasters, højhastighedsserieflader, gateways og andre kommunikationsgrænseflader adresseres via en Ethernet-port på pc'en. Selv andre Ethernet-enheder, der ikke er begrænset til protokolvarianter, kan forbindes via distribuerede switchterminaler. Størrelsen på den industrielle pc-vært bliver mindre og mindre, og prisen bliver lavere og lavere. En Ethernet-grænseflade er tilstrækkelig til alle kommunikationsopgaver.
Ethernet bruges i stedet for PCI fieldbus-enheder (Profibus, CANOPEN, DeviceNet, AS-I osv.) Til at integreres via distribuerede feltbus master terminaler. Brug ikke en fieldbus master til at gemme PCI slots i pc'en.
3.4 Topologi:
Bus, træ eller stjerne: EtherCAT understøtter næsten enhver topologi. Derfor kan den busbusafledte busstruktur også bruges til Ethernet. Kombinationen af bus- og forgreningsstrukturer er særlig nyttig til systemkabling. Alle grænseflader er placeret på kobleren og ingen ekstra switche er påkrævet. Selvfølgelig kan en traditionel switchbaseret stjerne Ethernet topologi også bruges.
Brug af forskellige transmissionsledninger maksimerer kablings fleksibilitet. Det fleksible og billige standard Ethernet-patch-kabel kan sende signaler via Ethernet-tilstand (100baseTX) eller via E-bussen. Optisk fiber (PFO) kan bruges til specielle applikationer. Ethernet båndbredde (f.eks. Forskellige fiberoptiske kabler og kobberkabler) kan bruges i forbindelse med kontakter eller medieomformere. De fysiske egenskaber ved Fast Ethernet kan gøre afstanden mellem enheder på 100 meter, mens E-bussen kun kan garantere afstanden på 10 meter. Fast Ethernet eller E-bus kan vælges efter afstandskrav. EtherCAT-systemet kan rumme op til 65.535 enheder, så hele netværket er næsten ubegrænset
4. Fri valg af topologi
Der er maksimal fleksibilitet på kablet: om man skal bruge switches, hvad enten man skal bruge en topologi eller en topologi. Automatisk adressetildeling; behøver ikke at angive en IP-adresse.
4.1 Distribueret ur:
Nøjagtig synkronisering er særlig vigtig i distributionsprocessen, hvor der kræves en lang række samtidige handlinger, f.eks. Når flere servoakser udfører samtidige koblingsopgaver.
Nøjagtig kalibrering af det distribuerede ur er den mest effektive løsning til synkronisering. Omvendt, hvis fuld synkronisering anvendes, vil kvaliteten af synkroniseringsdataene blive stærkt påvirket, når kommunikationsfejl opstår. I kommunikationssystemet er trin-for-trin kalibreringsklokken i nogen grad tolerant for fejlforsinkelse. I EtherCAT er dataudveksling udelukkende baseret på rene hardwareenheder. Da kommunikationen udnytter en logisk ringnetværksstruktur, fuld duplex Fast Ethernet og en faktisk ringnetværksstruktur, kan "master uret" enkelt og præcist bestemme operationskompensationen for hvert "slave ur" og omvendt. Det distribuerede ur er justeret ud fra denne værdi, hvilket betyder, at det kan give en meget præcis klokkebase med mindre end 1 mikrosekund jitter i netværket.
Imidlertid anvendes højtydende distribuerede ure ikke kun til synkronisering, men giver også nøjagtige oplysninger om lokal tid under dataindsamling. På grund af indførelsen af nye udvidede datatyper kan målte værdier tildeles med meget præcise tidsstempler.
4.2 Hot forbindelse:
Mange applikationer kræver ændring af I / O-konfigurationen under drift. For eksempel et forarbejdningscenter med skiftende egenskaber, et sensorudstyret værktøjssystem, en intelligent transmissionsenhed, en fleksibel arbejdsstykkeaktuator og en printer, som selvstændigt kan lukke printeren. EtherCAT-systemet tager højde for disse krav: Funktionen "hot connection" kan tilslutte eller afbryde de forskellige dele af netværket eller "dynamisk" omkonfigurere dem for at give et fleksibelt svar på skiftende konfigurationer.
4.3 Høj tilgængelighed:
Den valgfrie kabelredundans opfylder den stigende efterspørgsel efter øget systemtilgængelighed, så udstyr kan udskiftes uden at slukke for netværket.
EtherCAT understøtter også overflødige hovedstationer med hot standby. Da EtherCAT-slavecontrolleren automatisk returnerer rammer, når der opstår en afbrydelse, vil en enhedssvigt ikke forårsage, at hele netværket lukkes. For eksempel kan kabelbeskyttelseskæden konfigureres specielt i form af en kort stang for at forhindre brud.
4.4 sikkerhed:
Sikkerhedsfunktioner implementeres generelt separat fra automationsnetværket via hardware eller ved hjælp af et dedikeret sikkerhedssystem. Takket være TwinSAFE (BeckhoFFs sikkerhedsteknologi) er det nu muligt at bruge EtherCATs sikkerhedsprotokol til sikkerhedsrelateret kommunikation og d -kommunikation på samme netværk.
Sikkerhedsprotokollen er baseret på applikationslaget af EtherCAT og påvirker ikke de nederste lag. Denne sikkerhedsprotokol er certificeret i henhold til IEC 61508 for at opnå et sikkerhedsintegrationsniveau (SIL) 3 og kan endda nå SIL4 efter at have taget relevante foranstaltninger. Længden af dataene kan variere, så protokollen også gælder for sikkerhed I / O data og sikkerhedstype teknologi. Som andre EtherCAT-data kan sikre data rutes uden at bruge en sikker router eller gateway.
4.5 Diagnose:
Netværksdiagnostikerne er meget vigtige for at øge tilgængeligheden af netværket og reducere idriftsættelsestiden (dermed reducere de samlede omkostninger). Fejl kan kun elimineres omgående, hvis de hurtigt og præcist registreres og klart identificeres. Under udviklingen af EtherCAT blev der derfor lagt særlig vægt på typiske diagnostiske egenskaber.
Under testoperationen kontrolleres den egentlige konfiguration af I / O-terminalen for kontinuitet ved hjælp af den angivne konfiguration. Topologien skal også matche konfigurationen. På grund af den indbyggede topologi identifikation kan I / O bekræftes, når systemet startes, eller når det automatisk installeres.
Bitfejl under dataoverførsel kan registreres med en gyldig 32-bit CRC. Udover breakpoint detektion og placering gør transmissionen af det fysiske lag og topologi gennem EtherCAT systemprotokollen høj kvalitetskontrol af hvert enkelt transmissionssegment til virkelighed. Ved automatisk at analysere de relevante fejltællere kan den kritiske netværksdel være nøjagtigt placeret. Du kan registrere og lokalisere kilder med konstant fejl som EMC-interferens, defekte stik eller beskadigede kabler, selvom de ikke har haft en stor indflydelse på netværks evne til at helbrede sig selv.
4.6 Åbenhed:
EtherCAT-teknologien er ikke kun fuldt kompatibel med Ethernet, men har også specielle åbenhedskarakteristika: denne protokol kan eksistere sammen med andre Ethernet-protokoller, der leverer forskellige tjenester, og alle protokoller eksisterer på samme fysiske medium - normalt kun Den overordnede netværks ydeevne har en lille grad af indvirkning. En standard Ethernet-enhed kan sluttes til et EtherCAT-system via en switch terminal, som ikke påvirker cykeltiden. Enheder med en traditionel fieldbus interface kan integreres i netværket via tilslutning af EtherCAT fieldbus master terminal. UDP-protokollen varianten tillader enheden at blive integreret i enhver slot interface. EtherCAT er en fuldt åben protokol, der er blevet identificeret som en formel IEC-specifikation (IEC / PAS62407).