עקרון העבודה של EtherCAT
1. עקרון הפעולה:
ישנם מספר פתרונות Ethernet הזמינים למתן פונקציונליות בזמן אמת: לדוגמה, תהליך הגישה CSMA / CD מושבת באמצעות שכבת פרוטוקול ברמה גבוהה יותר ומוחלף בפרוסת זמן או בתהליך הסקרים. פתרונות אחרים משתמשים במתגים ייעודיים ומשתמשים בשליטה מדויקת בזמן כדי להפיץ מנות Ethernet. למרות שהפתרונות הללו יכולים לספק מנות לצמתי ה- Ethernet המחוברים מהר יותר ובצורה מדויקת יותר, השימוש ברוחב הפס נמוך מאוד, במיוחד עבור ציוד אוטומציה אופייני, שכן גם עבור אמצעי אחסון נתונים קטנים מאוד, יש לשלוח מסגרת אתרנט מלאה. יתר על כן, הזמן הדרוש כדי לנתב מחדש את הפלט או בקר הכונן ולקרוא נתוני קלט תלוי בעיקר במצב של ביצוע. בדרך כלל גם צריך להשתמש תת אוטובוס, במיוחד במערכת מודולרי I / O, מערכות אלה בקהוף K- האוטובוסים, באמצעות מערכת תת אוטובוס סינכרוני כדי להאיץ את מהירות ההולכה, אבל סינכרון כזה לא יוכל להימנע עיכוב שנגרם על ידי שידור האוטובוס תקשורת.
באמצעות טכנולוגיית EtherCAT, בקהוף פרץ את מגבלות המערכת של פתרונות Ethernet אחרים: במקום לקבל מנות Ethernet בכל נקודת חיבור כמו קודם, פענוח והעתקה כמו נתוני תהליך. כאשר מסגרת עוברת דרך כל התקן (כולל התקן המסוף הבסיסי), בקר העבדים של EtherCAT קורא נתונים שחשובים למכשיר. באופן דומה, נתוני קלט יכול להיות מוכנס לתוך ההודעה כפי שהיא עוברת. כאשר המסגרת מועברת (רק כמה סיביות מתעכבות), העבד מזהה את הפקודה הרלוונטית ומעבד אותה. תהליך זה מיושם בחומרה בבקר העבדים ולכן אינו תלוי במערכת ההפעלה בזמן אמת או בביצועי המעבד של תוכנת מחסנית הפרוטוקולים. עבדת EtherCAT האחרונה בקטע מחזירה את ההודעה המעובדת במלואה, כך שההודעה מוחזרת כתגובה מהעבד הראשון למאסטר.
מנקודת מבט של Ethernet, קטע האוטובוס EtherCAT הוא פשוט מכשיר Ethernet גדול שיכול לקבל ולשלוח מסגרות Ethernet. עם זאת, "התקן" אינו כולל בקר Ethernet יחיד עם מיקרופון במורד הזרם, אך רק מספר גדול של עבדים EtherCAT. כמו כל אתרנט אחר, EtherCAT יכול ליצור תקשורת ללא צורך במתג, ובכך ליצור מערכת EtherCAT טהורה.
.2 מסופים מיישמים את אתרנט:
כל התקן של המערכת מבטיח את השימוש בפרוטוקול Ethernet שלם, גם עבור כל מסוף I / O, ללא שימוש באוטובוס תת. כל שעליך לעשות הוא להמיר את מדיום השידור של מצמד מ זוג מעוות (100baseTX) כדי E האוטובוס כדי לענות על הדרישות של בלוק מסוף אלקטרונית. סוג האות האוטומטי E (LVDS) שבגוש הטרמינל אינו מוקדש, הוא יכול לשמש גם עבור 10 Gigabit Ethernet. בסוף גוש הטרמינל, המאפיינים האוטובוסים הפיזיים מומרים חזרה לתקן 100baseTX.
תקן Ethernet MACs או כרטיסי רשת סטנדרטיים זולים (NIC) מספיקים לשימוש כחומרה בבקר. DMA (גישה ישירה לזיכרון) משמש להעברת נתונים למחשב. פירוש הדבר שלגישה לרשת אין השפעה על ביצועי המעבד. אותו עיקרון משמש בכרטיס BeckhoFF multport, אשר חבילות עד 4 ערוצי Ethernet בחריץ PCI אחד.
3. עיבוד פרוטוקול מבוצע לחלוטין בחומרה
3.1 פרוטוקול:
פרוטוקול EtherCAT מותאם במיוחד לנתוני התהליך והוא מועבר ישירות למסגרות Ethernet או דחוס לתרשימי UDP / IP. פרוטוקול UDP משמש כאשר הנתב EtherCAT ברשתות משנה אחרות מטופל על ידי הנתב. מסגרת Ethernet עשויה להכיל מספר הודעות EtherCAT, שכל אחת מהן מוקדשת לאזור זיכרון מסוים, שניתן להשתמש בו לתכנות תמונת תהליך לוגית בגודל של עד 4GB. מאחר שרשת הנתונים אינה תלויה ברצף הפיזי של מסופי EtherCAT, ניתן לטפל בחופשיות במסופי EtherCAT. תחנות עבדים יכולות לשדר, לשדר ולתקשר.
פרוטוקול יכול גם להתמודד עם תקשורת פרמטר רגיל לא מחזורית. המבנה והמשמעות של הפרמטרים נקבעים על ידי פרופיל מכשיר CANOPEN ופרופילי התקנים אלה משמשים למגוון של סוגי התקנים ויישומים. EtherCAT תומך גם בכללים התלויים בהתאם לתקן IEC 61491. הפרופיל נקרא על שמו של SERCOSTM והוא מוכר באופן אוניברסלי בעולם של יישומי בקרת תנועה.
בנוסף חילופי נתונים בהתאם לעקרון המאסטר / עבדים, EtherCAT הוא גם מתאים מאוד לתקשורת בין בקרי (הורים / הורים). נתונים ניתנים לעיבוד נתונים ברשת משתנים, כמו גם פרמטרים שונים, אבחון, תכנות ושלט רחוק שירותים יכולים לעמוד בדרישות רבות. ממשק הנתונים של תקשורת האב / העבד עם המאסטר / המאסטר זהה.
FMMU: עיבוד הודעות מבוצע לחלוטין בחומרה
3.2 ביצועי
EtherCAT הגיע לגובה חדש בביצועי הרשת. מחזור הרענון של 1000 נתוני I / O מבוזרים הוא רק 30μs, כולל זמן המחזור המסוף. עם מסגרת Ethernet, עד 1486 בתים של נתוני תהליך ניתן להחליף, אשר מתאים כמעט 12,000 דיגיטלי I / OS. שידור של נפח נתונים זה הוא רק 300 μs.
תקשורת עם 100 צירים servo לוקח רק 100 μs. במהלך הזמן הזה, ניתן להגדיר ערכי נתונים ונתוני בקרה לכל הצירים וניתן לדווח על המיקום והמיקום בפועל שלהם. טכנולוגיית שעון מבוזרת מבטיחה שזמן הסינכרון בין הצירים הללו יחרוג בפחות מ -1 מיקרו שניות.
תוך ניצול הביצועים הטובים של טכנולוגיית EtherCAT, ניתן ליישם שיטת בקרה שלא ניתן לממש אותה באמצעות מערכת אוטובוסים שדה קונבנציונלית. בדרך זו, לולאה שליטה מהירים יכול גם להיווצר באמצעות האוטובוס. תכונות בעבר נדרש המקומי חומרה תמיכה ייעודית עכשיו יכול להיות ממופה בתוכנה. משאבי רוחב פס גדולים מאפשרים לנתוני הסטטוס להיות מועברים במקביל לנתונים. טכנולוגיית EtherCAT מאפשרת טכנולוגיית תקשורת להתאים מחשבים תעשייתיים מודרניים בעלי ביצועים גבוהים. מערכת האוטובוסים כבר לא צוואר הבקבוק של המושג שליטה. העברת נתוני I / O מבוזרת עולה על הביצועים שניתן להשיג רק באמצעות ממשק ה- I / O המקומי.
יתרון זה בביצועים ברשת ניכר בבקרים קטנים עם כוח מיחשוב מתון יחסית. ניתן לבצע את לולאה מהירה של EtherCAT בין שני מחזורי בקרה. לכן, הבקר תמיד יש את הנתונים הזמינים האחרונים קלט, ואת העיכוב בפלט הפניה הוא מינימלי. התנהגות התגובה של הבקר משופרת באופן משמעותי ללא צורך לשפר את כוח המחשוב שלו.
העיקרון של הטכנולוגיה EtherCAT הוא להרחבה, לא מוגבל רוחב פס 100M - Ethernet המורחבת כדי Gigabit הוא גם אפשרי.
3.3 EtherCAT מחליף PCI:
עם האצת המזעור של רכיבי מחשב, גודל המחשבים התעשייתיים תלוי בעיקר במספר הנדרש של משבצות.
השימוש ברוחב פס Ethernet במהירות גבוהה וברוחב הנתונים של חומרת התקשורת EtherCAT (EtherCAT Slave Controller) פותח אפשרויות חדשות ליישום: ממשקים הממוקמים בדרך כלל ב- IPC מועברים למסופי ממשק חכמים במערכת EtherCAT. בנוסף להפיץ אני / O, גרזנים, יחידות שליטה, מערכות מורכבות כגון מאסטר fieldbus, ממשקי טורי במהירות גבוהה, שערים, ממשקי תקשורת אחרים ניתן לטפל באמצעות יציאת Ethernet במחשב. אפילו התקני Ethernet אחרים שאינם מוגבלים לגרסאות פרוטוקול ניתנים לחיבור באמצעות מסופי מתג מבוזרים. הגודל של המחשב המארח התעשייתי הוא מקבל יותר ויותר קטן, ואת העלות היא להגיע נמוך יותר. ממשק Ethernet מספק את כל משימות התקשורת.
Ethernet משמש במקום התקני FieldBus של PCI (Profibus, CANOPEN, DeviceNet, AS-i וכו ') להשתלב באמצעות מסופי מאסטר fieldbus מופצים. לא באמצעות מאסטר fieldbus חוסך חריצי PCI במחשב.
3.4 טופולוגיה:
אוטובוס, עץ או כוכב: EtherCAT תומך כמעט בכל טופולוגיה. לכן, האוטובוס שדה הנגזרות האוטובוס יכול לשמש גם עבור Ethernet. שילוב של האוטובוסים ואת הסתעפות מבנים מועיל במיוחד עבור מערכת הכבלים. כל הממשקים ממוקמים על המצמד ואין צורך במתגים נוספים. כמובן, ניתן להשתמש בטופולוגיית Ethernet המבוססת על מתג המבוסס על מיתוג מסורתי.
באמצעות כבלי שידור שונים ממקסם את הגמישות של הכבלים. כבל ה- Ethernet הגמיש והזול אינו יכול להעביר אותות דרך מצב אתרנט (100baseTX) או דרך אוטובוס E. סיבים אופטיים (PFO) ניתן להשתמש עבור יישומים מיוחדים. רוחב פס Ethernet (למשל, כבלי סיבים אופטיים שונים כבלי נחושת) ניתן להשתמש בשילוב עם בוררים או ממירים מדיה. המאפיינים הפיזיים של Fast Ethernet יכולים להפוך את המרחק בין מכשירים להגיע 100 מטר, בעוד האוטובוס האלקטרוני יכול רק להבטיח את המרווח של 10 מטרים. ניתן לבחור באפשרות Fast Ethernet או E-Bus בהתאם לדרישות המרחק. מערכת EtherCAT יכול להכיל עד 65,535 מכשירים, ולכן הרשת כולה היא כמעט בלתי מוגבלת
4. בחירה חופשית של טופולוגיה
יש גמישות מרבית על הכבלים: אם להשתמש בבוררים, אם להשתמש בטופולוגיה אוטובוס או טופולוגיה עץ. הקצאת כתובת אוטומטית; אין צורך להגדיר כתובת IP.
4.1 שעון מבוזר:
סינכרון מדויק חשוב במיוחד בתהליך ההפצה שבו נדרשים מגוון רחב של פעולות בו זמנית, כגון כאשר מספר צירים של Servo מבצעים משימות קישור סימולטניות.
כיול מדויק של השעון המופץ הוא הפתרון היעיל ביותר לסינכרון. לעומת זאת, אם נעשה שימוש בסנכרון מלא, איכות נתוני הסנכרון תושפע מאוד כאשר מתרחשות שגיאות תקשורת. במערכת התקשורת, השעון כיול צעד אחר צעד הוא סובלני של עיכוב שגיאה במידה מסוימת. ב- EtherCAT, חילופי נתונים מבוססים לחלוטין על התקני חומרה טהורים. מאחר שהתקשורת משתמשת במבנה רשת צלצול לוגי, Fast Ethernet של דופלקס מלא, ומבנה רשת צלצול בפועל, "שעון האב" יכול לקבוע בפשטות ובדייקנות את פיצוי הפעולה עבור כל "שעון עבדים" ולהיפך. שעון מופץ מותאם על בסיס ערך זה, כלומר, זה יכול לספק בסיס שעון מדויק מאוד עם ריצוד פחות מ 1 microsecond ברשת.
עם זאת, שעונים מבוזרים בעלי ביצועים גבוהים לא משמשים רק לסינכרון, אלא גם מספקים מידע מדויק בזמן המקומי במהלך רכישת נתונים. בשל הקדמה של סוגי נתונים מורחבים חדשים, ערכים מדודים ניתן להקצות עם חותמות זמן מדויק מאוד.
4.2 חיבור חם:
יישומים רבים דורשים לשנות את תצורת הקלט / פלט במהלך הפעולה. לדוגמה, מרכז עיבוד עם מאפיינים משתנים, מערכת כלי חיישן מאובזרת, התקן שידור חכם, מפעיל עבודה גמיש, ומדפסת שיכולה לסגור את יחידת ההדפסה באופן עצמאי. מערכת EtherCAT לוקחת בחשבון את הדרישות הבאות: הפונקציה "חיבור חם" יכולה לחבר או לנתק את החלקים השונים של הרשת או "דינמית" להגדיר אותם מחדש כדי לספק תגובה גמישה לשינוי תצורות.
4.3 זמינות גבוהה:
כבל יתירות אופציונלי עונה על הביקוש הגובר עבור זמינות מערכת מוגברת, כך ציוד יכול להיות מוחלף מבלי לכבות את הרשת.
EtherCAT תומך גם תחנות הורים מיותר עם המתנה חם. מכיוון שבקר העבדים של EtherCAT מחזיר באופן אוטומטי מסגרות כאשר נתקלת בפסיקה, כשל במכשיר לא יגרום לכיבוי הרשת כולה. לדוגמה, שרשרת הגנה כבל יכול להיות מוגדר במיוחד בצורה של סרגל קצר כדי למנוע שבירה.
Aper 49
פונקציות האבטחה מיושמות בדרך כלל בנפרד מאוטומציה, באמצעות חומרה או באמצעות מערכת אוטובוס אבטחה ייעודי. הודות ל- TwinSAFE (טכנולוגיית האבטחה של Beckhoff), ניתן כיום להשתמש בפרוטוקול האבטחה EtherCAT לתקשורת בנושא אבטחה, על תקשורת באותו רשת.
פרוטוקול האבטחה מבוסס על שכבת היישום של EtherCAT ואינו משפיע על השכבות התחתונות. פרוטוקול בטיחות זה הוסמך על-ידי חברת החשמל 61508 כדי להשיג רמת אינטגרציה של בטיחות (SIL) 3 ויכול אפילו להגיע ל- SIL4 לאחר נקיטת אמצעים רלוונטיים. אורך הנתונים יכול להשתנות, כך שהפרוטוקול יחול גם על נתוני הבדיקות I / O ובטיחות הבטיחות. כמו נתוני EtherCAT אחרים, ניתן לנתב נתונים מאובטחים ללא שימוש בנתב מאובטח או בשער.
4.5 אבחון:
יכולות האבחון של הרשת הן חשובות מאוד לשיפור זמינות הרשת ולצמצום זמן ההזמנה (ובכך להפחית את העלות הכוללת). שגיאות ניתן לבטל רק אם הם מזוהים במהירות ובדיוק מזוהה בבירור. לכן, במהלך הפיתוח של EtherCAT, תשומת לב מיוחדת הוקדשה תכונות אבחון טיפוסי.
במהלך פעולת הבדיקה, התצורה בפועל של מסוף I / O נבדקת להמשכיות באמצעות התצורה שצוינה. הטופולוגיה חייבת גם להתאים את התצורה. בגלל זיהוי הטופולוגיה המובנית, ניתן לאשר את קלט / פלט כאשר המערכת מופעלת או כאשר היא מותקנת באופן אוטומטי.
שגיאות סיביות במהלך שידור נתונים יכולות להיות מזוהות עם CRC חוקי של 32 סיביות. בנוסף לאיתור איתור ומיקום, העברת השכבה הפיזית והטופולוגיה באמצעות פרוטוקול מערכת EtherCAT עושה ניטור איכותי של כל קטע שידור אינדיבידואלי. על ידי ניתוח אוטומטי של דלפקי השגיאה הרלוונטיים, חלק הרשת הקריטי יכול להיות ממוקם במדויק. ניתן לאתר ולאתר מקורות של שגיאות קבועות כגון הפרעות EMC, מחברים פגומים או כבלים פגומים, גם אם לא הייתה להם השפעה רבה על יכולת הרשת לרפא את עצמה.
4.6 פתיחות:
טכנולוגיית EtherCAT אינה תואמת באופן מלא ל- Ethernet, אלא יש לה גם מאפיינים מיוחדים של פתיחות עיצוב: פרוטוקול זה יכול להתקיים יחד עם פרוטוקולי Ethernet אחרים המספקים שירותים שונים , וכל הפרוטוקולים מתקיימים יחד באותו אמצעי פיזי - בדרך כלל רק ביצועי הרשת הכוללים מידה מסוימת של השפעה. התקן Ethernet סטנדרטי יכול להיות מחובר למערכת EtherCAT באמצעות מסוף מתג, אשר אינו משפיע על זמן המחזור. התקנים משולבים עם ממשק fieldbus מסורתי יכולים להשתלב ברשת באמצעות חיבור מסוף הראשי של שדה ה- EtherCAT. גרסת פרוטוקול ה- UDP מאפשרת להתקן להשתלב בכל ממשק חריץ. EtherCAT הוא פרוטוקול פתוח לחלוטין שזוהה כמפרט רשמי של חברת החשמל (IEC / PAS62407).