Principio di funzionamento di EtherCAT
1. Principio di funzionamento:
Sono disponibili numerose soluzioni Ethernet per fornire funzionalità in tempo reale: ad esempio, il processo di accesso CSMA / CD viene disabilitato tramite un livello di protocollo di livello superiore e sostituito con un intervallo di tempo o un processo di polling. Altre soluzioni utilizzano switch dedicati e utilizzano un controllo temporale preciso per distribuire i pacchetti Ethernet. Sebbene queste soluzioni possano distribuire pacchetti ai nodi Ethernet connessi più velocemente e con maggiore precisione, l'utilizzo della larghezza di banda è molto basso, specialmente per le apparecchiature di automazione tipiche, perché anche per volumi di dati molto piccoli, deve essere inviato un frame Ethernet completo. Inoltre, il tempo necessario per reindirizzare l'output o il controller del convertitore e leggere i dati di input dipende principalmente dalla modalità di esecuzione. Di solito, inoltre, è necessario utilizzare un sub-bus, in particolare nel sistema I / O modulare, questi sistemi e BeckhoFF K-bus, attraverso il sistema di sub-bus sincrono per accelerare la velocità di trasmissione, ma tale sincronizzazione non sarà in grado di evitare ritardo causato dalla trasmissione del bus di comunicazione.
Usando la tecnologia EtherCAT, BeckhoFF ha superato queste limitazioni di sistema di altre soluzioni Ethernet: invece di ricevere pacchetti Ethernet in ogni punto di connessione come prima, decodifica e copia come dati di processo. Quando un frame passa attraverso ciascun dispositivo (incluso il dispositivo terminale sottostante), il controller slave EtherCAT legge i dati importanti per il dispositivo. Allo stesso modo, i dati di input possono essere inseriti nel messaggio mentre passa. Quando viene passato il frame (solo alcuni bit ritardati), lo slave riconosce il comando rilevante e lo elabora. Questo processo è implementato nell'hardware nel controller slave ed è quindi indipendente dal sistema operativo in tempo reale o dalle prestazioni del processore del software stack stack. L'ultimo slave EtherCAT nel segmento restituisce il messaggio completamente elaborato in modo che il messaggio venga restituito come risposta dal primo slave al master.
Da una prospettiva Ethernet, il segmento di bus EtherCAT è semplicemente un grande dispositivo Ethernet in grado di ricevere e inviare frame Ethernet. Tuttavia, il "dispositivo" non include un singolo controller Ethernet con un microprocessore a valle, ma solo un gran numero di slave EtherCAT. Come qualsiasi altra Ethernet, EtherCAT può stabilire la comunicazione senza la necessità di un interruttore, creando così un puro sistema EtherCAT.
2. I terminali implementano Ethernet:
Ogni dispositivo del sistema garantisce l'utilizzo di un protocollo Ethernet completo, anche per ogni terminale I / O, senza l'utilizzo di un sub-bus. Basta convertire il mezzo di trasmissione dell'accoppiatore dal doppino (100baseTX) al bus E per soddisfare i requisiti della morsettiera elettronica. Il tipo di segnale bus E (LVDS) nella morsettiera non è dedicato, può essere utilizzato anche per 10 Gigabit Ethernet. Alla fine della morsettiera, le caratteristiche del bus fisico vengono riconvertite allo standard 100baseTX.
MAC standard Ethernet o schede di rete standard (NIC) economiche sono sufficienti per l'utilizzo come hardware nel controller. DMA (Direct Memory Access) viene utilizzato per trasferire dati al PC. Ciò significa che l'accesso alla rete non ha alcun effetto sulle prestazioni della CPU. Lo stesso principio viene utilizzato nella scheda multiporta BeckhoFF, che raggruppa fino a 4 canali Ethernet in uno slot PCI.
3. L'elaborazione del protocollo viene eseguita completamente nell'hardware
Protocollo 3.1:
Il protocollo EtherCAT è ottimizzato per i dati di processo e viene trasferito direttamente su frame Ethernet o compresso in datagrammi UDP / IP. Il protocollo UDP viene utilizzato quando il router EtherCAT in altre sottoreti viene indirizzato dal router. Un frame Ethernet può contenere diversi messaggi EtherCAT, ognuno dei quali è dedicato a un'area di memoria specifica che può essere utilizzata per programmare un'immagine di processo logica con dimensioni fino a 4 GB. Poiché la catena di dati è indipendente dalla sequenza fisica dei terminali EtherCAT, i terminali EtherCAT possono essere indirizzati liberamente. Le stazioni slave possono trasmettere, trasmettere in multicast e comunicare.
Il protocollo può anche gestire comunicazioni con parametri normalmente non ciclici. La struttura e il significato dei parametri sono impostati dal profilo dispositivo CANOPEN e questi profili dispositivo sono utilizzati per una varietà di classi di dispositivi e applicazioni. EtherCAT supporta anche regole dipendenti conformi allo standard IEC 61491. Il profilo prende il nome da SERCOSTM ed è universalmente riconosciuto nel mondo delle applicazioni di controllo del movimento.
Oltre allo scambio di dati secondo il principio master / slave, EtherCAT è anche molto adatto per la comunicazione tra controllori (master / master). Le variabili di rete dei dati di processo facilmente indirizzabili così come i vari servizi di parametrizzazione, diagnostica, programmazione e controllo remoto possono soddisfare numerosi requisiti. L'interfaccia dati per la comunicazione master / slave con master / master è la stessa.
FMMU: l'elaborazione dei messaggi è completamente eseguita nell'hardware
3.2 prestazioni:
EtherCAT ha raggiunto una nuova altezza nelle prestazioni della rete. Il ciclo di aggiornamento di 1000 dati I / O distribuiti è di soli 30μs, compreso il tempo di ciclo del terminale. Con un frame Ethernet, è possibile scambiare fino a 1486 byte di dati di processo, corrispondenti a quasi 12.000 I / O digitali. La trasmissione di questo volume di dati è di soli 300 μs.
La comunicazione con 100 assi del servo richiede solo 100 μs. Durante questo tempo, è possibile fornire valori di impostazione e dati di controllo su tutti gli assi e riportarne la posizione e lo stato effettivi. La tecnologia clock distribuita garantisce che il tempo di sincronizzazione tra questi assi si scosta di meno di 1 microsecondo.
Utilizzando le prestazioni superiori della tecnologia EtherCAT, è possibile implementare un metodo di controllo che non può essere realizzato con un sistema di bus di campo convenzionale. In questo modo, tramite il bus può anche essere creato un circuito di controllo ultraveloce. Le funzionalità che in precedenza richiedevano il supporto hardware dedicato locale ora possono essere mappate nel software. Enormi risorse di larghezza di banda consentono di trasmettere i dati di stato in parallelo con qualsiasi dato. La tecnologia EtherCAT consente alla tecnologia di comunicazione di abbinare i moderni PC industriali ad alte prestazioni. Il sistema di bus non è più il collo di bottiglia del concetto di controllo. Il trasferimento dei dati I / O distribuiti supera le prestazioni che possono essere raggiunte solo dall'interfaccia I / O locale.
Questo vantaggio prestazionale della rete è evidente nei piccoli controllori con potenza di calcolo relativamente moderata. Il ciclo ad alta velocità di EtherCAT può essere completato tra due cicli di controllo. Pertanto, il controller ha sempre gli ultimi dati di input disponibili e il ritardo nell'indirizzamento dell'output è minimo. Il comportamento di risposta del controller è notevolmente migliorato senza la necessità di migliorare la propria potenza di calcolo.
Il principio della tecnologia EtherCAT è scalabile, non limitato alla larghezza di banda di 100M: è anche possibile l'estensione Ethernet a Gigabit.
3.3 EtherCAT sostituisce PCI:
Con l'accelerazione della miniaturizzazione dei componenti PC, le dimensioni dei PC industriali dipendono principalmente dal numero richiesto di slot.
L'utilizzo della larghezza di banda Ethernet ad alta velocità e della larghezza di banda dei dati dell'hardware di comunicazione EtherCAT (EtherCAT Slave Controller) apre nuove possibilità di applicazione: le interfacce che normalmente si trovano nell'IPC vengono trasferite ai terminali di interfaccia intelligenti nel sistema EtherCAT. Oltre a I / O distribuiti, assi e unità di controllo, sistemi complessi come master di bus di campo, interfacce seriali ad alta velocità, gateway e altre interfacce di comunicazione possono essere indirizzati tramite una porta Ethernet sul PC. Anche altri dispositivi Ethernet che non sono limitati alle varianti di protocollo possono essere collegati tramite terminali switch distribuiti. La dimensione dell'host PC industriale sta diventando sempre più piccola e il costo è sempre più basso. Un'interfaccia Ethernet è sufficiente per tutte le attività di comunicazione.
Ethernet viene utilizzata al posto dei dispositivi fieldbus PCI (Profibus, CANOPEN, DeviceNet, AS-i, ecc.) Per l'integrazione tramite terminali master fieldbus distribuiti. Non utilizzare un master del bus di campo salva gli slot PCI nel PC.
3.4 Topologia:
Bus, albero o stella: EtherCAT supporta quasi tutte le topologie. Pertanto, la struttura del bus derivata dal bus di campo può essere utilizzata anche per Ethernet. La combinazione delle strutture di bus e diramazioni è particolarmente utile per il cablaggio del sistema. Tutte le interfacce si trovano sull'accoppiatore e non sono necessari ulteriori interruttori. Naturalmente, è anche possibile utilizzare una topologia Ethernet stella tradizionale basata su switch.
L'utilizzo di diversi cavi di trasmissione ottimizza la flessibilità del cablaggio. Il cavo patch Ethernet standard flessibile ed economico può trasmettere segnali tramite la modalità Ethernet (100baseTX) o tramite il bus E. La fibra ottica (PFO) può essere utilizzata per applicazioni speciali. La larghezza di banda Ethernet (ad esempio, diversi cavi in fibra ottica e cavi in rame) può essere utilizzata in combinazione con switch o convertitori multimediali. Le caratteristiche fisiche di Fast Ethernet possono rendere la distanza tra i dispositivi di 100 metri, mentre l'E-bus può garantire solo una distanza di 10 metri. Fast Ethernet o E-bus possono essere selezionati in base ai requisiti di distanza. Il sistema EtherCAT può contenere fino a 65.535 dispositivi, quindi l'intera rete è quasi illimitata
4. Libera scelta della topologia
Vi è la massima flessibilità nel cablaggio: se utilizzare gli switch, se utilizzare una topologia di bus o una topologia di alberi. Assegnazione automatica degli indirizzi; non è necessario impostare un indirizzo IP.
4.1 Orologio distribuito:
La sincronizzazione accurata è particolarmente importante nel processo di distribuzione in cui è richiesta un'ampia gamma di azioni simultanee, ad esempio quando più assi del servo eseguono attività di collegamento simultanee.
La calibrazione accurata dell'orologio distribuito è la soluzione più efficace per la sincronizzazione. Viceversa, se viene utilizzata la sincronizzazione completa, la qualità dei dati di sincronizzazione sarà notevolmente compromessa quando si verificano errori di comunicazione. Nel sistema di comunicazione, l'orologio di calibrazione passo-passo è tollerante in qualche misura del ritardo di errore. In EtherCAT, lo scambio di dati è interamente basato su dispositivi hardware puri. Poiché la comunicazione utilizza una struttura di rete ad anello logico, Fast Ethernet full-duplex e una struttura di rete ad anello effettiva, il "master clock" può determinare in modo semplice e preciso la compensazione operativa per ciascun "clock slave" e viceversa. L'orologio distribuito viene regolato in base a questo valore, il che significa che può fornire una base di clock molto accurata con meno di 1 microsecondo di jitter nella rete.
Tuttavia, gli orologi distribuiti ad alte prestazioni non vengono utilizzati solo per la sincronizzazione, ma forniscono anche informazioni accurate sull'ora locale durante l'acquisizione dei dati. A causa dell'introduzione di nuovi tipi di dati estesi, i valori misurati possono essere assegnati con timestamp molto accurati.
4.2 Connessione a caldo:
Molte applicazioni richiedono la modifica della configurazione I / O durante il funzionamento. Ad esempio, un centro di elaborazione con caratteristiche mutevoli, un sistema di utensili dotato di sensore, un dispositivo di trasmissione intelligente, un attuatore flessibile del pezzo in lavorazione e una stampante in grado di chiudere in modo indipendente l'unità di stampa. Il sistema EtherCAT tiene conto di questi requisiti: La funzione "hot connection" può connettere o disconnettere le varie parti della rete o riconfigurarle "dinamicamente" per fornire una risposta flessibile alle configurazioni mutevoli.
4.3 Alta disponibilità:
La ridondanza opzionale del cavo soddisfa la crescente domanda di maggiore disponibilità del sistema, in modo che l'apparecchiatura possa essere sostituita senza spegnere la rete.
EtherCAT supporta anche stazioni master ridondanti con hot standby. Poiché il controller slave EtherCAT restituisce automaticamente i frame quando viene rilevato un interrupt, un errore del dispositivo non causerà l'arresto dell'intera rete. Ad esempio, la catena di protezione del cavo può essere configurata appositamente sotto forma di una barra corta per evitare rotture.
4.4 sicurezza:
Le funzioni di sicurezza sono generalmente implementate separatamente dalla rete di automazione, tramite hardware o utilizzando un sistema di bus di sicurezza dedicato. Grazie a TwinSAFE (la tecnologia di sicurezza di BeckhoFF), è ora possibile utilizzare il protocollo di sicurezza EtherCAT per comunicazioni di sicurezza e comunicazioni di controllo sulla stessa rete.
Il protocollo di sicurezza si basa sul livello dell'applicazione di EtherCAT e non influisce sui livelli inferiori. Questo protocollo di sicurezza è stato certificato secondo IEC 61508 per raggiungere un livello di integrazione di sicurezza (SIL) 3 e può persino raggiungere SIL4 dopo aver preso le misure pertinenti. La lunghezza dei dati può variare in modo che il protocollo sia ugualmente applicabile ai dati I / O di sicurezza e alla tecnologia di azionamento di sicurezza. Come altri dati EtherCAT, i dati protetti possono essere instradati senza utilizzare un router o gateway sicuro.
4.5 Diagnosi:
Le capacità diagnostiche della rete sono molto importanti per migliorare la disponibilità della rete e ridurre i tempi di messa in servizio (riducendo così i costi complessivi). Gli errori possono essere eliminati immediatamente solo se vengono rilevati in modo rapido e accurato e identificati chiaramente. Pertanto, durante lo sviluppo di EtherCAT, è stata prestata particolare attenzione alle caratteristiche diagnostiche tipiche.
Durante l'operazione di test, la configurazione effettiva del terminale I / O viene controllata per continuità utilizzando la configurazione specificata. La topologia deve anche corrispondere alla configurazione. A causa dell'identificazione della topologia integrata, l'I / O può essere confermato all'avvio del sistema o quando viene installato automaticamente.
Gli errori di bit durante la trasmissione dei dati possono essere rilevati con un CRC a 32 bit valido. Oltre alla localizzazione e al rilevamento dei breakpoint, la trasmissione del livello fisico e della topologia attraverso il protocollo del sistema EtherCAT rende il monitoraggio di alta qualità di ogni singolo segmento di trasmissione una realtà. Analizzando automaticamente i contatori degli errori rilevanti, la parte di rete critica può essere localizzata con precisione. È possibile rilevare e individuare fonti di errore costante come interferenze EMC, connettori difettosi o cavi danneggiati, anche se non hanno avuto un impatto eccessivo sulla capacità della rete di auto-guarirsi.
4.6 Apertura:
La tecnologia EtherCAT non solo è pienamente compatibile con Ethernet, ma ha anche speciali caratteristiche di apertura del progetto: questo protocollo può coesistere con altri protocolli Ethernet che forniscono vari servizi e tutti i protocolli coesistono nello stesso supporto fisico - di solito solo Le prestazioni complessive della rete hanno un piccolo grado di impatto. Un dispositivo Ethernet standard può essere collegato a un sistema EtherCAT tramite un terminale di commutazione, che non influisce sul tempo di ciclo. Dispositivi con un'interfaccia fieldbus tradizionale possono essere integrati nella rete tramite il collegamento del terminale master del bus di campo EtherCAT. La variante del protocollo UDP consente al dispositivo di essere integrato in qualsiasi interfaccia slot. EtherCAT è un protocollo completamente aperto che è stato identificato come una specifica IEC formale (IEC / PAS62407).