EtherCAT werkprincipe
1. Werkingsprincipe:
Er zijn een aantal Ethernet-oplossingen beschikbaar voor real-time functionaliteit: het CSMA / CD-toegangsproces wordt bijvoorbeeld uitgeschakeld via een hogere protocollaag en vervangen door een tijdplak of polling-proces. Andere oplossingen maken gebruik van speciale schakelaars en gebruiken precieze tijdbesturing voor het distribueren van Ethernet-pakketten. Hoewel deze oplossingen sneller en nauwkeuriger pakketten naar de verbonden Ethernet-knooppunten kunnen verzenden, is het gebruik van de bandbreedte erg laag, vooral voor typische automatiseringsapparatuur, omdat zelfs voor zeer kleine gegevensvolumes een compleet Ethernet-frame moet worden verzonden. Bovendien hangt de tijd die nodig is om om te leiden naar de uitvoer- of aandrijfcontroller en invoergegevens te lezen in de eerste plaats af van de wijze van uitvoering. Gewoonlijk moet ook een subbus worden gebruikt, met name in het modulaire I / O-systeem, deze systemen en de BeckhoFF K-bus, via het synchrone subbussysteem om de transmissiesnelheid te versnellen, maar een dergelijke synchronisatie kan niet voorkomen dat vertraging veroorzaakt door de transmissie van de communicatiebus.
Door gebruik te maken van de EtherCAT-technologie, doorliep BeckhoFF deze systeembeperkingen van andere Ethernet-oplossingen: in plaats van het ontvangen van Ethernet-pakketten op elk verbindingspunt als voorheen, decoderen en kopiëren als procesgegevens. Wanneer een frame door elk apparaat (inclusief het onderliggende terminalapparaat) gaat, leest de EtherCAT-slaafcontroller gegevens die belangrijk zijn voor het apparaat. Evenzo kunnen invoergegevens tijdens het passeren in het bericht worden ingevoegd. Wanneer het frame wordt gepasseerd (slechts enkele bits vertraagd), herkent de slave de relevante opdracht en verwerkt deze. Dit proces wordt geïmplementeerd in hardware in de slave-controller en is daarom onafhankelijk van het real-time besturingssysteem of de processorprestaties van de protocolstack-software. De laatste EtherCAT-slave in het segment retourneert het volledig verwerkte bericht zodat het bericht wordt geretourneerd als een reactie van de eerste slaaf op de master.
Vanuit Ethernet-perspectief is het EtherCAT-bussegment eenvoudigweg een groot Ethernet-apparaat dat Ethernet-frames kan ontvangen en verzenden. Het "apparaat" omvat echter geen enkele Ethernet-controller met een stroomafwaartse microprocessor, maar slechts een groot aantal EtherCAT-slaven. Net als elk ander ethernet, kan EtherCAT communicatie tot stand brengen zonder de noodzaak van een switch, waardoor een puur EtherCAT-systeem wordt gecreëerd.
2. Terminals implementeren Ethernet:
Elk apparaat van het systeem garandeert het gebruik van een compleet Ethernet-protocol, zelfs voor elke I / O-terminal, zonder een subbus te gebruiken. Converteer eenvoudig het transmissiemedium van de koppeling van getwist paar (100baseTX) naar E-bus om te voldoen aan de vereisten van het elektronische aansluitblok. Het E-bussignaal (LVDS) in het klemmenblok is niet speciaal, het kan ook voor 10 Gigabit Ethernet worden gebruikt. Aan het einde van het terminalblok worden de fysieke buskenmerken terug geconverteerd naar de 100baseTX-standaard.
Standaard Ethernet-MAC's of goedkope standaard netwerkkaarten (NIC's) zijn voldoende om te gebruiken als hardware in de controller. DMA (Direct Memory Access) wordt gebruikt om gegevens naar de pc over te brengen. Dit betekent dat netwerktoegang geen effect heeft op de CPU-prestaties. Hetzelfde principe wordt gebruikt in de BeckhoFF multipoort-kaart, die tot 4 Ethernet-kanalen bundelt in één PCI-slot.
3. De protocolverwerking wordt volledig uitgevoerd in hardware
3.1 protocol:
Het EtherCAT-protocol is geoptimaliseerd voor procesgegevens en wordt direct overgezet naar Ethernet-frames of gecomprimeerd in UDP / IP-datagrammen. Het UDP-protocol wordt gebruikt wanneer het EtherCAT-segment in andere subnetten door de router wordt geadresseerd. Een Ethernet-frame kan verschillende EtherCAT-berichten bevatten, die elk zijn toegewijd aan een specifiek geheugengebied dat kan worden gebruikt om een logisch procesbeeld van maximaal 4 GB te programmeren. Omdat de dataketen onafhankelijk is van de fysieke volgorde van de EtherCAT-terminals, kunnen de EtherCAT-terminals vrij worden geadresseerd. Slave-stations kunnen uitzenden, multicast en communiceren.
Het protocol kan ook normaal niet-cyclische parametercommunicatie aan. De structuur en betekenis van de parameters worden bepaald door het CANOPEN-apparaatprofiel en deze apparaatprofielen worden gebruikt voor een verscheidenheid aan apparaatklassen en toepassingen. EtherCAT ondersteunt ook afhankelijke regels die voldoen aan de IEC 61491-norm. Het profiel is genoemd naar SERCOSTM en wordt universeel erkend in de wereld van motion control-toepassingen.
Naast gegevensuitwisseling in overeenstemming met het master / slave-principe, is EtherCAT ook zeer geschikt voor communicatie tussen controllers (master / master). Vrij adreseerbare variabelen van procesgegevensnetwerk evenals verschillende parametriserings-, diagnostische, programmeer- en afstandsbedieningsdiensten kunnen aan vele vereisten voldoen. De gegevensinterface voor de master / slave-communicatie met de master / master is hetzelfde.
FMMU: Berichtverwerking wordt volledig uitgevoerd in hardware
3.2 prestaties:
EtherCAT heeft een nieuwe hoogte bereikt wat betreft netwerkprestaties. De verversingscyclus van 1000 gedistribueerde I / O-gegevens is slechts 30μs, inclusief de terminale cyclustijd. Met een Ethernet-frame kunnen maximaal 1486 bytes aan procesgegevens worden uitgewisseld, wat overeenkomt met bijna 12.000 digitale I / O's. De overdracht van dit datavolume is slechts 300 μs.
Communicatie met 100 servo-assen kost slechts 100 μs. Gedurende deze tijd kunnen ingestelde waarden en besturingsgegevens aan alle assen worden verstrekt en kunnen hun werkelijke positie en status worden gerapporteerd. Gedistribueerde kloktechnologie zorgt ervoor dat de synchronisatietijd tussen deze assen minder dan 1 microseconde afwijkt.
Gebruik makend van de superieure prestaties van de EtherCAT-technologie, is het mogelijk om een besturingsmethode te implementeren die niet kan worden gerealiseerd met een conventioneel veldbussysteem. Op deze manier kan ook een ultrasnelle regellus worden gevormd via de bus. Functies waarvoor voorheen lokale speciale hardware-ondersteuning was vereist, kunnen nu in de software worden toegewezen. Dankzij de enorme bronnen voor bandbreedte kunnen de statusgegevens parallel met alle gegevens worden verzonden. Met de EtherCAT-technologie kan de communicatietechnologie worden afgestemd op moderne, krachtige industriële pc's. Het bussysteem vormt niet langer de bottleneck van het bedieningsconcept. Gedistribueerde I / O-gegevensoverdracht overschrijdt de prestaties die alleen kunnen worden bereikt door de lokale I / O-interface.
Dit netwerkprestatievoordeel is duidelijk zichtbaar in kleine controllers met relatief matige rekenkracht. De EtherCAT-hogesnelheidslus kan worden voltooid tussen twee besturingscycli. Daarom heeft de controller altijd de nieuwste beschikbare invoergegevens en is de vertraging in uitvoeradressering minimaal. Het reactiegedrag van de controller is aanzienlijk verbeterd zonder dat het zijn eigen rekenkracht behoeft te verbeteren.
Het principe van EtherCAT-technologie is schaalbaar, niet beperkt tot 100 M bandbreedte - Ethernet uitgebreid tot Gigabit is ook mogelijk.
3.3 EtherCAT vervangt PCI:
Met de versnelling van de miniaturisatie van pc-componenten, hangt de grootte van industriële pc's voornamelijk af van het vereiste aantal slots.
Het gebruik van high-speed Ethernet-bandbreedte en de gegevensbandbreedte van de EtherCAT-communicatiehardware (EtherCAT Slave Controller) biedt nieuwe toepassingsmogelijkheden: interfaces die zich meestal in de IPC bevinden, worden overgebracht naar de intelligente interfaceterminals in het EtherCAT-systeem. Naast gedistribueerde I / O, assen en regeleenheden kunnen complexe systemen zoals veldbus-masters, snelle seriële interfaces, gateways en andere communicatie-interfaces worden geadresseerd via een Ethernet-poort op de pc. Zelfs andere Ethernet-apparaten die niet zijn beperkt tot protocolvarianten, kunnen worden aangesloten via gedistribueerde switchterminals. De omvang van de industriële pc-host wordt steeds kleiner en de kosten worden steeds lager. Een Ethernet-interface is voldoende voor alle communicatietaken.
Ethernet wordt gebruikt in plaats van PCI-veldbusapparaten (Profibus, CANOPEN, DeviceNet, AS-i, enz.) Om te integreren via gedistribueerde veldbus-master-terminals. Als u geen veldbus-master gebruikt, slaat u PCI-slots op de pc op.
3.4 Topologie:
Bus, boom of ster: EtherCAT ondersteunt bijna elke topologie. Daarom kan de veldbus-afgeleide busstructuur ook voor Ethernet worden gebruikt. Het combineren van de bus- en vertakkingsstructuren is bijzonder nuttig voor systeembekabeling. Alle interfaces bevinden zich op de koppeling en er zijn geen extra schakelaars vereist. Natuurlijk kan ook een traditionele switch-gebaseerde star Ethernet-topologie worden gebruikt.
Het gebruik van verschillende transmissiekabels maximaliseert de flexibiliteit van de bekabeling. De flexibele en goedkope standaard Ethernet-patchkabel kan signalen verzenden via Ethernet-modus (100baseTX) of via de E-bus. Glasvezel (PFO) kan voor speciale toepassingen worden gebruikt. De ethernet-bandbreedte (bijv. Verschillende glasvezelkabels en koperen kabels) kan worden gebruikt in combinatie met schakelaars of mediaconverters. De fysieke eigenschappen van Fast Ethernet kunnen de afstand tussen apparaten op 100 meter brengen, terwijl de E-bus alleen de afstand van 10 meter kan garanderen. Fast Ethernet of E-bus kan worden geselecteerd op basis van afstandsvereisten. Het EtherCAT-systeem biedt plaats aan maximaal 65.535 apparaten, dus het hele netwerk is bijna onbeperkt
4. Vrije keuze van topologie
Er is maximale flexibiliteit bij de bekabeling: ongeacht of schakelaars moeten worden gebruikt, of een bustopologie of een boomtopologie moet worden gebruikt. Automatische adrestoewijzing; geen behoefte om een IP-adres in te stellen.
4.1 Gedistribueerde klok:
Nauwkeurige synchronisatie is met name van belang in het distributieproces, waar een breed scala aan gelijktijdige acties vereist is, zoals wanneer meerdere servo-assen gelijktijdig gekoppelde taken uitvoeren.
Nauwkeurige kalibratie van de gedistribueerde klok is de meest effectieve oplossing voor synchronisatie. Omgekeerd, als volledige synchronisatie wordt gebruikt, zal de kwaliteit van de synchronisatiegegevens sterk worden beïnvloed wanneer communicatiefouten optreden. In het communicatiesysteem is de stapsgewijze kalibratieklok tot op zekere hoogte tolerant ten aanzien van foutvertraging. In EtherCAT is de gegevensuitwisseling volledig gebaseerd op pure hardwareapparaten. Omdat de communicatie gebruik maakt van een logische ringnetwerkstructuur, full-duplex Fast Ethernet en een werkelijke ringnetwerkstructuur, kan de "hoofdklok" de werkingscompensatie voor elke "slaafklok" eenvoudig en nauwkeurig bepalen en vice versa. De gedistribueerde klok wordt aangepast op basis van deze waarde, wat betekent dat het een zeer nauwkeurige klokbasis kan bieden met minder dan 1 microseconde jitter in het netwerk.
Hoogwaardige gedistribueerde klokken worden echter niet alleen gebruikt voor synchronisatie, maar bieden ook nauwkeurige informatie over lokale tijd tijdens gegevensverwerving. Door de introductie van nieuwe uitgebreide datatypes kunnen meetwaarden worden toegewezen met zeer nauwkeurige tijdstempels.
4.2 Hot-verbinding:
Voor veel toepassingen moet de I / O-configuratie tijdens het gebruik worden gewijzigd. Bijvoorbeeld een bewerkingscentrum met veranderende kenmerken, een met sensoren uitgerust gereedschapsysteem, een intelligente transmissie-inrichting, een flexibele werkstukactuator en een printer die de drukeenheid zelfstandig kan sluiten. Het EtherCAT-systeem houdt rekening met deze vereisten: de "hot connection" -functie kan de verschillende delen van het netwerk verbinden of ontkoppelen of "dynamisch" herconfigureren om een flexibel antwoord te bieden op veranderende configuraties.
4.3 Hoge beschikbaarheid:
De optionele kabelredundantie komt tegemoet aan de toenemende vraag naar verhoogde systeembeschikbaarheid zodat apparatuur kan worden vervangen zonder het netwerk uit te schakelen.
EtherCAT ondersteunt ook redundante masterstations met hot-standby. Omdat de EtherCAT-slaafcontroller automatisch frames retourneert wanneer een interrupt wordt aangetroffen, zal een apparaatfout er niet voor zorgen dat het hele netwerk wordt afgesloten. De kabelbeschermingsketen kan bijvoorbeeld speciaal worden geconfigureerd in de vorm van een korte staaf om breuk te voorkomen.
4.4 veiligheid:
Beveiligingsfuncties worden over het algemeen afzonderlijk van het automatiseringsnetwerk, via hardware of met behulp van een speciaal beveiligingsbussysteem geïmplementeerd. Dankzij TwinSAFE (de beveiligingstechnologie van BeckhoFF) is het nu mogelijk om het EtherCAT-beveiligingsprotocol te gebruiken voor beveiligingsgerelateerde communicatie en communicatie op hetzelfde netwerk.
Het beveiligingsprotocol is gebaseerd op de applicatielaag van EtherCAT en heeft geen invloed op de onderste lagen. Dit veiligheidsprotocol is gecertificeerd volgens IEC 61508 om een veiligheidsintegratieniveau (SIL) 3 te bereiken en kan zelfs SIL4 bereiken na het nemen van relevante maatregelen. De lengte van de gegevens kan variëren, zodat het protocol ook van toepassing is op veiligheids-I / O-gegevens en veiligheidstechnologie. Net als andere EtherCAT-gegevens kunnen beveiligde gegevens worden gerouteerd zonder een veilige router of gateway te gebruiken.
4.5 Diagnose:
De diagnostische mogelijkheden van het netwerk zijn erg belangrijk voor het verbeteren van de netwerkbeschikbaarheid en het verkorten van de inbedrijfstellingstijd (waardoor de totale kosten worden verlaagd). Fouten kunnen alleen snel worden geëlimineerd als ze snel en nauwkeurig worden gedetecteerd en duidelijk worden geïdentificeerd. Daarom werd tijdens de ontwikkeling van EtherCAT speciale aandacht besteed aan typische diagnostische functies.
Tijdens de testwerking wordt de eigenlijke configuratie van de I / O-terminal gecontroleerd op continuïteit met behulp van de opgegeven configuratie. De topologie moet ook overeenkomen met de configuratie. Vanwege de ingebouwde topologie-identificatie, kan I / O worden bevestigd wanneer het systeem wordt gestart of wanneer het automatisch wordt geïnstalleerd.
Bitfouten tijdens gegevensoverdracht kunnen worden gedetecteerd met een geldige 32-bits CRC. Naast de detectie en locatie van het breekpunt, maakt de transmissie van de fysieke laag en topologie via het EtherCAT-systeemprotocol hoogwaardige monitoring van elk afzonderlijk transmissiesegment een realiteit. Door automatisch de relevante foutentellers te analyseren, kan het kritieke netwerkdeel precies worden gelokaliseerd. U kunt bronnen van constante fouten detecteren en lokaliseren, zoals EMC-interferentie, defecte connectoren of beschadigde kabels, zelfs als deze geen excessieve invloed hebben gehad op het vermogen van het netwerk om zichzelf te genezen.
4.6 Openheid:
EtherCAT-technologie is niet alleen volledig compatibel met Ethernet, maar heeft ook speciale ontwerpopenheidskenmerken: dit protocol kan naast andere Ethernet-protocollen bestaan die verschillende services bieden, en alle protocollen kunnen naast elkaar bestaan op hetzelfde fysieke medium - meestal alleen De algehele netwerkprestaties een kleine impact. Een standaard Ethernet-apparaat kan via een switch-terminal op een EtherCAT-systeem worden aangesloten, wat de cyclustijd niet beïnvloedt. Apparaten met een traditionele veldbusinterface kunnen in het netwerk worden geïntegreerd via de aansluiting van de EtherCAT-veldbusmaster-terminal. Met de UDP-protocolvariant kan het apparaat in elke slotinterface worden geïntegreerd. EtherCAT is een volledig open protocol dat is geïdentificeerd als een formele IEC-specificatie (IEC / PAS62407).