Prinsip Kerja EtherCAT
1. Prinsip operasi:
Terdapat beberapa penyelesaian Ethernet yang tersedia untuk menyediakan fungsi masa nyata: contohnya, proses akses CSMA / CD dilumpuhkan melalui lapisan protokol peringkat lebih tinggi dan digantikan dengan kepingan masa atau proses mengundi. Penyelesaian lain menggunakan suis khusus dan menggunakan kawalan masa yang tepat untuk mengedarkan paket Ethernet. Walaupun penyelesaian ini dapat menyampaikan paket ke nod Ethernet yang disambungkan dengan lebih cepat dan lebih tepat, penggunaan bandwidth sangat rendah, terutama untuk peralatan otomatik yang tipikal, kerana walaupun untuk jumlah data yang sangat kecil, bingkai Ethernet lengkap mesti dihantar. Lebih-lebih lagi, masa yang diperlukan untuk mengarah semula ke output atau pengawal pemacu dan membaca data input bergantung terutamanya pada mod pelaksanaan. Biasanya juga perlu menggunakan sub-bas, terutamanya dalam sistem modular I / O, sistem-sistem ini dan K-bis BeckhoFF, melalui sistem sub-bas sinkron untuk mempercepatkan kelajuan penghantaran, tetapi penyegerakan sedemikian tidak akan dapat dielakkan kelewatan yang disebabkan oleh penghantaran bas komunikasi.
Dengan menggunakan teknologi EtherCAT, BeckhoFF menerusi had sistem penyelesaian lain Ethernet: Daripada menerima paket Ethernet pada setiap titik sambungan seperti sebelum ini, penyahkodan dan penyalinan sebagai data proses. Apabila bingkai melepasi setiap peranti (termasuk peranti terminal yang mendasari), pengawal hamba EtherCAT membaca data yang penting kepada peranti itu. Begitu juga, data input boleh dimasukkan ke dalam mesej semasa ia melewati. Apabila bingkai diluluskan (hanya beberapa bit yang ditangguhkan), hamba mengenali arahan yang relevan dan memprosesnya. Proses ini dilaksanakan dalam perkakasan di pengawal hamba dan oleh itu tidak bergantung pada sistem pengendalian masa nyata atau proses pemprosesan perisian stack protokol. Hamba EtherCAT yang terakhir dalam segmen mengembalikan mesej yang diproses sepenuhnya supaya mesej itu dipulangkan sebagai respons dari hamba pertama kepada tuan.
Dari perspektif Ethernet, segmen bas EtherCAT hanyalah peranti Ethernet yang besar yang boleh menerima dan menghantar bingkai Ethernet. Walau bagaimanapun, "peranti" tidak termasuk pengawal Ethernet tunggal dengan mikropemproses hiliran, tetapi hanya sebilangan besar hamba EtherCAT. Seperti mana-mana Ethernet lain, EtherCAT boleh mewujudkan komunikasi tanpa memerlukan suis, dengan itu mewujudkan sistem EtherCAT tulen.
2. Terminal melaksanakan Ethernet:
Setiap peranti sistem menjamin penggunaan protokol Ethernet lengkap, walaupun untuk setiap terminal I / O, tanpa menggunakan sub-bas. Hanya tukar medium penghantaran coupler dari pasangan berpintal (100baseTX) ke bas E untuk memenuhi keperluan blok terminal elektronik. Jenis isyarat bas E (LVDS) di blok terminal tidak didedikasikan, ia juga boleh digunakan untuk 10 Gigabit Ethernet. Di penghujung blok terminal, ciri-ciri bas fizikal ditukar kepada standard 100baseTX.
Standard Ethernet MACs atau kad rangkaian piawai murah (NICs) cukup untuk digunakan sebagai perkakasan di pengawal. DMA (Direct Memory Access) digunakan untuk memindahkan data ke PC. Ini bermakna bahawa akses rangkaian tidak mempunyai kesan ke atas prestasi CPU. Prinsip yang sama digunakan dalam kad multiport BeckhoFF, yang menampung sehingga 4 saluran Ethernet dalam satu slot PCI.
3. Pemprosesan protokol sepenuhnya dilakukan dalam perkakasan
3.1 protokol:
Protokol EtherCAT dioptimumkan untuk data proses dan ia dipindahkan terus ke bingkai Ethernet atau dimampatkan menjadi datagram UDP / IP. Protokol UDP digunakan apabila segmen EtherCAT di subnet lain ditangani oleh penghala. Bingkai Ethernet mungkin mengandungi beberapa mesej EtherCAT, masing-masing didedikasikan untuk kawasan ingatan tertentu yang boleh digunakan untuk memprogram imej proses logik sehingga saiz 4GB. Oleh kerana rantaian data adalah bebas daripada urutan fizikal terminal EtherCAT, terminal EtherCAT boleh ditangani secara bebas. Stesen hamba boleh menyiarkan, berbilang bahasa dan berkomunikasi.
Protokol ini juga boleh mengendalikan komunikasi parameter bukan biasanya kitaran. Struktur dan makna parameter ditetapkan oleh profil peranti CANOPEN dan profil peranti ini digunakan untuk pelbagai kelas dan aplikasi peranti. EtherCAT juga menyokong peraturan bergantung yang mematuhi piawaian IEC 61491. Profil ini dinamakan selepas SERCOSTM dan diiktiraf secara universal dalam dunia aplikasi kawalan gerakan.
Sebagai tambahan kepada pertukaran data sesuai dengan prinsip tuan / hamba, EtherCAT juga sangat sesuai untuk komunikasi antara pengawal (master / master). Pembolehubah rangkaian data proses yang boleh diatasi serta pelbagai parameterisasi, diagnostik, pengaturcaraan dan perkhidmatan kawalan jauh boleh memenuhi pelbagai keperluan. Antara muka data untuk komunikasi tuan / hamba dengan tuan / tuan adalah sama.
FMMU: Pemprosesan mesej sepenuhnya dilakukan dalam perkakasan
Prestasi 3.2:
EtherCAT telah mencapai ketinggian baru dalam prestasi rangkaian. Kitaran penyegaran 1000 data I / O diedarkan hanya 30μs, termasuk masa kitaran terminal. Dengan bingkai Ethernet, sehingga 1486 bait data proses boleh ditukar, yang sepadan dengan hampir 12,000 digital I / Os. Penghantaran jumlah data ini hanya 300 μs.
Komunikasi dengan 100 paksi servo hanya memerlukan 100 μs. Pada masa ini, menetapkan nilai dan data kawalan boleh diberikan kepada semua paksi dan kedudukan dan status sebenar mereka boleh dilaporkan. Teknologi jam yang diagihkan memastikan bahawa masa penyegerakan di antara paksi ini menyimpang oleh kurang daripada 1 mikrodetik.
Dengan menggunakan teknologi EtherCAT yang unggul, adalah mungkin untuk melaksanakan kaedah kawalan yang tidak dapat direalisasikan dengan sistem bas lapangan konvensional. Dengan cara ini, gelung kawalan ultrafast juga boleh dibentuk melalui bas. Ciri-ciri yang diperlukan oleh sokongan perkakasan khusus tempatan sebelum ini boleh dipetakan dalam perisian. Sumber jalur lebar yang besar membolehkan data status dihantar secara serentak dengan mana-mana data. Teknologi EtherCAT membolehkan teknologi komunikasi untuk dipadankan dengan PC industri berprestasi tinggi moden. Sistem bas tidak lagi menjadi hambatan konsep kawalan. Pengedaran data I / O yang diagihkan melebihi prestasi yang hanya boleh dicapai oleh antara muka I / O setempat.
Kelebihan prestasi rangkaian ini terbukti dalam pengawal kecil dengan kuasa pengkomputeran yang agak sederhana. Kelajuan berkelajuan tinggi EtherCAT boleh diselesaikan di antara dua pusingan kawalan. Oleh itu, pengawal sentiasa mempunyai data input terkini yang tersedia, dan kelewatan dalam pengalamatan output adalah minimum. Tingkah laku tindak balas pengawal sangat bertambah baik tanpa perlu meningkatkan daya pengkomputerannya sendiri.
Prinsip teknologi EtherCAT adalah berskala, tidak terhad kepada lebar jalur 100M - Ethernet dilanjutkan kepada Gigabit juga mungkin.
3.3 EtherCAT menggantikan PCI:
Dengan mempercepat pengecilan komponen PC, saiz PC perindustrian bergantung terutamanya pada bilangan slot yang diperlukan.
Penggunaan jalur lebar Ethernet berkelajuan tinggi dan jalur lebar data perkakasan komunikasi EtherCAT (EtherCAT Slave Controller) membuka kemungkinan baru untuk aplikasi: antara muka yang biasanya terletak di IPC dipindahkan ke terminal antara muka pintar dalam sistem EtherCAT. Di samping mengedarkan I / O, paksi, dan unit kawalan, sistem kompleks seperti master fieldbus, antara muka bersiri berkelajuan tinggi, gerbang, dan antara muka komunikasi lain boleh ditangani melalui port Ethernet pada PC. Malah peranti Ethernet lain yang tidak terhad kepada variasi protokol boleh dihubungkan melalui terminal suis teragih. Saiz hayat PC perindustrian semakin kecil dan lebih kecil, dan kos semakin rendah dan lebih rendah. Antaramuka Ethernet cukup untuk semua tugas komunikasi.
Ethernet digunakan bukannya peranti fieldbus PCI (Profibus, CANOPEN, DeviceNet, AS-i, dll) untuk mengintegrasikan melalui terminal master fieldbus yang diedarkan. Tidak menggunakan master fieldbus menjimatkan slot PCI dalam PC.
3.4 Topologi:
Bas, pokok, atau bintang: EtherCAT menyokong hampir semua topologi. Oleh itu, struktur bas yang diperolehi dari lapangan juga boleh digunakan untuk Ethernet. Menggabungkan struktur bas dan cawangan sangat berguna untuk pemasangan sistem. Semua antara muka terletak pada coupler dan tiada suis tambahan diperlukan. Sudah tentu, topologi Ethernet star berasaskan suis tradisional juga boleh digunakan.
Menggunakan kabel penghantaran yang berbeza memaksimumkan fleksibiliti kabel. Kabel patch Ethernet standard yang fleksibel dan murah boleh menghantar isyarat melalui mod Ethernet (100baseTX) atau melalui bas E. Serat optik (PFO) boleh digunakan untuk aplikasi khas. Jalur lebar Ethernet (contohnya, kabel serat optik yang berbeza dan kabel tembaga) boleh digunakan bersama dengan suis atau penukar media. Ciri-ciri fizikal Fast Ethernet boleh membuat jarak antara peranti mencapai 100 meter, manakala E-bus hanya dapat menjamin jarak 10 meter. Fast Ethernet atau E-bus boleh dipilih mengikut kehendak jarak. Sistem EtherCAT boleh menampung sehingga 65,535 peranti, jadi rangkaian keseluruhan hampir tidak terhad
4. Pilihan topologi percuma
Terdapat fleksibiliti maksimum pada kabel: sama ada menggunakan suis, sama ada menggunakan topologi bas atau topologi pokok. Tugasan alamat automatik; tidak perlu menetapkan alamat IP.
4.1 jam yang diedarkan:
Penyegerakan tepat adalah sangat penting dalam proses pengedaran di mana pelbagai tindakan serentak diperlukan, seperti ketika beberapa paksi servo menjalankan tugas hubungan serentak.
Penentukuran tepat jam yang diedarkan adalah penyelesaian yang paling berkesan untuk penyegerakan. Sebaliknya, jika penyegerakan penuh digunakan, kualiti data penyegerakan akan sangat terjejas apabila ralat komunikasi berlaku. Dalam sistem komunikasi, jam penentukuran langkah demi langkah adalah toleran terhadap kelewatan ralat sehingga tahap tertentu. Di EtherCAT, pertukaran data sepenuhnya berdasarkan peranti perkakasan tulen. Oleh kerana komunikasi menggunakan struktur rangkaian cincin logik, Fast Ethernet duplex lengkap, dan struktur rangkaian cincin yang sebenar, "jam induk" hanya dapat menentukan dan tepat menentukan pampasan operasi bagi setiap "jam hamba" dan sebaliknya. Jam yang diedarkan diselaraskan berdasarkan nilai ini, yang bermaksud ia dapat menyediakan pangkalan jam yang sangat tepat dengan jitter kurang dari 1 mikrosecond dalam rangkaian.
Walau bagaimanapun, jam yang disebarkan prestasi tinggi tidak hanya digunakan untuk penyegerakan, tetapi juga menyediakan maklumat tepat pada masa tempatan semasa pemerolehan data. Disebabkan pengenalan jenis data yang dilanjutkan, nilai diukur boleh diberikan dengan setem masa yang sangat tepat.
4.2 Sambungan panas:
Banyak aplikasi memerlukan perubahan konfigurasi I / O semasa operasi. Sebagai contoh, pusat pemprosesan dengan ciri-ciri berubah, sistem alat yang dilengkapi sensor, peranti penghantaran pintar, penggerak bahan kerja yang fleksibel, dan pencetak yang boleh menutup unit percetakan secara berasingan. Sistem EtherCAT mengambil kira keperluan ini: Fungsi "sambungan panas" boleh menyambung atau memutuskan rangkaian pelbagai bahagian atau "secara dinamik" mengkonfigurasi semula mereka untuk memberikan tindak balas yang fleksibel kepada perubahan konfigurasi.
4.3 Ketersediaan tinggi:
Kelebihan kabel pilihan memenuhi permintaan yang semakin meningkat untuk ketersediaan sistem yang meningkat supaya peralatan dapat diganti tanpa mematikan rangkaian.
EtherCAT juga menyokong stesen induk yang berlebihan dengan siap sedia panas. Oleh sebab pengawal hamba EtherCAT secara automatik mengembalikan bingkai apabila gangguan berlaku, kegagalan peranti tidak akan menyebabkan seluruh rangkaian ditutup. Sebagai contoh, rantai perlindungan kabel boleh dikonfigurasi khas dalam bentuk bar pendek untuk mencegah kerosakan.
4.4 Keselamatan:
Fungsi keselamatan umumnya dilaksanakan secara berasingan daripada rangkaian automasi, melalui perkakasan atau menggunakan sistem bas keselamatan khusus. Terima kasih kepada TwinSAFE (teknologi keselamatan BeckhoFF), kini boleh menggunakan protokol keselamatan EtherCAT untuk komunikasi berkaitan keselamatan dan komunikasi kawalan pada rangkaian yang sama.
Protokol keselamatan didasarkan pada lapisan permohonan EtherCAT dan tidak mempengaruhi lapisan bawah. Protokol keselamatan ini telah disahkan mengikut IEC 61508 untuk mencapai tahap integrasi keselamatan (SIL) 3 dan bahkan dapat mencapai SIL4 selepas mengambil langkah yang relevan. Panjang data boleh berbeza-beza supaya protokol itu sama-sama digunakan untuk keselamatan data I / O dan teknologi pemacu keselamatan. Seperti data EtherCAT yang lain, data yang selamat boleh dihalakan tanpa menggunakan router atau pintu masuk yang selamat.
4.5 Diagnosis:
Keupayaan diagnostik rangkaian sangat penting untuk meningkatkan ketersediaan rangkaian dan mengurangkan masa pentauliahan (dengan itu mengurangkan kos keseluruhan). Kesilapan hanya dapat dihapuskan dengan segera jika ia cepat dan tepat dikesan dan dikenal pasti dengan jelas. Oleh itu, semasa pembangunan EtherCAT, perhatian khusus diberikan kepada ciri-ciri diagnostik biasa.
Semasa operasi ujian, konfigurasi sebenar terminal I / O diperiksa untuk kesinambungan menggunakan konfigurasi yang ditetapkan. Topologi juga sepadan dengan konfigurasi. Kerana pengenalan topologi terbina dalam, I / O boleh disahkan apabila sistem dimulakan atau apabila dipasang secara automatik.
Kesalahan bit semasa penghantaran data dapat dikesan dengan CRC 32-bit yang sah. Sebagai tambahan kepada pengesanan titik dan lokasi, penghantaran lapisan fizikal dan topologi melalui protokol sistem EtherCAT menjadikan pemantauan berkualiti tinggi bagi segmen penghantaran setiap individu menjadi realiti. Dengan secara automatik menganalisis kaunter ralat yang relevan, bahagian rangkaian kritikal boleh terletak tepat. Anda boleh mengesan dan mencari sumber ralat berterusan seperti gangguan EMC, penyambung yang rosak, atau kabel yang rosak, walaupun mereka tidak mempunyai kesan yang berlebihan ke atas keupayaan rangkaian untuk menyembuhkan dirinya sendiri.
4.6 Keterbukaan:
Teknologi EtherCAT bukan sahaja bersesuaian sepenuhnya dengan Ethernet, tetapi juga mempunyai ciri keterbukaan reka bentuk khas: protokol ini boleh wujud bersama dengan protokol Ethernet lain yang menyediakan pelbagai perkhidmatan, dan semua protokol wujud bersama dalam medium fizikal yang sama - biasanya hanya Prestasi rangkaian keseluruhan sedikit kesan. Peranti Ethernet standard boleh disambungkan ke sistem EtherCAT melalui terminal suis, yang tidak menjejaskan masa kitaran. Peranti dengan antaramuka fieldbus tradisional boleh diintegrasikan ke dalam rangkaian melalui sambungan terminal induk fieldbus EtherCAT. Varian protokol UDP membolehkan peranti disepadukan dalam antara muka slot. EtherCAT adalah protokol terbuka sepenuhnya yang telah dikenal pasti sebagai spesifikasi IEC formal (IEC / PAS62407).