EtherCAT Çalışma Prensibi
1. çalışma prensibi:
Gerçek zamanlı işlevsellik sağlamak için çeşitli Ethernet çözümleri mevcuttur: örneğin, CSMA / CD erişim süreci daha üst düzey bir protokol katmanı ile devre dışı bırakılır ve bir zaman dilimi veya yoklama işlemi ile değiştirilir. Diğer çözümler özel anahtarlar kullanır ve Ethernet paketlerini dağıtmak için hassas zaman kontrolünü kullanır. Bu çözümler, bağlı Ethernet düğümlerine paketler daha hızlı ve daha doğru bir şekilde gönderebilmesine rağmen, özellikle tipik otomasyon ekipmanı için bant genişliği kullanımı çok düşüktür, çünkü çok küçük veri hacimlerinde bile tam bir Ethernet çerçevesi gönderilmelidir. Ayrıca, çıkışa veya sürücü denetleyicisine yönlendirmek ve giriş verilerini okumak için gereken süre öncelikle yürütme moduna bağlıdır. Genellikle bir alt-veriyolu, özellikle modüler I / O sisteminde, bu sistemler ve BeckhoFF K-veriyolu, iletim hızını hızlandırmak için senkronize alt-veri yolu sistemi aracılığıyla kullanılmalıdır, ancak böyle bir senkronizasyon önlenemez. iletişim veriyolu aktarımının neden olduğu gecikme.
EtherCAT teknolojisini kullanarak, BeckhoFF diğer Ethernet çözümlerinin bu sistem sınırlamalarını aştı: Her bağlantı noktasında önceden olduğu gibi Ethernet paketlerini almak yerine, işlem verileri olarak kod çözme ve kopyalama. Her aygıttan bir çerçeve geçtiğinde (alttaki terminal aygıtı dahil), EtherCAT bağımlı denetleyici, aygıt için önemli olan verileri okur. Benzer şekilde, giriş verileri mesajın içinden geçerken eklenebilir. Çerçeve geçtiğinde (sadece birkaç bit gecikmeli), köle ilgili komutu tanır ve işler. Bu işlem, bağımlı denetleyicideki donanımda uygulanır ve bu nedenle, protokol yığını yazılımının gerçek zamanlı işletim sisteminden veya işlemci performansından bağımsızdır. Segmentteki son EtherCAT slave, tam olarak işlenmiş mesajı döndürür, böylece mesaj ilk slave'den master'a bir yanıt olarak döndürülür.
Ethernet perspektifinden, EtherCAT veriyolu segmenti, Ethernet çerçevelerini alabilen ve gönderebilen basit bir Ethernet cihazıdır. Bununla birlikte, "cihaz", aşağı akışlı bir mikroişlemciye sahip tek bir Ethernet denetleyicisi içermez, ancak sadece çok sayıda EtherCAT kölesine sahiptir. Diğer herhangi bir Ethernet gibi, EtherCAT de bir anahtara ihtiyaç duymadan haberleşme kurabilir ve böylece bir EtherCAT sistemi oluşturabilir.
2. Terminaller Ethernet kullanır:
Sistemin her bir cihazı, her I / O terminali için bile bir alt-bus kullanmadan komple bir Ethernet protokolünün kullanımını garanti eder. Elektronik terminal bloğunun gereksinimlerini karşılamak için kuplörün aktarım ortamını bükümlü çift (100baseTX) ile E barasına dönüştürün. Terminal bloğundaki E bus sinyal tipi (LVDS) adanmamıştır, 10 Gigabit Ethernet için de kullanılabilir. Terminal bloğunun sonunda, fiziksel veri yolu özellikleri, 100baseTX standardına geri dönüştürülür.
Standart Ethernet MAC'ları veya ucuz standart ağ kartları (NIC'ler) kontrolörde donanım olarak kullanılmak için yeterlidir. Verileri bilgisayara aktarmak için DMA (Doğrudan Bellek Erişimi) kullanılır. Bu, ağ erişiminin CPU performansı üzerinde hiçbir etkisi olmadığı anlamına gelir. Aynı prensip, bir PCI yuvasında 4 adede kadar Ethernet kanalını birleştiren BeckhoFF çoklu kartta da kullanılır.
3. protokol işleme tamamen donanımda gerçekleştirilir
3.1 protokolü:
EtherCAT protokolü işlem verileri için optimize edilmiştir ve doğrudan Ethernet çerçevelerine aktarılır veya UDP / IP datagramlarına sıkıştırılır. UDP protokolü, diğer alt ağlardaki EtherCAT segmenti yönlendirici tarafından adreslendiğinde kullanılır. Bir Ethernet çerçevesi, her biri 4 GB'ye kadar mantıksal bir süreç görüntüsü programlamak için kullanılabilecek belirli bir bellek alanına tahsis edilmiş olan birkaç EtherCAT mesajı içerebilir. Veri zinciri, EtherCAT terminallerinin fiziksel dizisinden bağımsız olduğu için, EtherCAT terminalleri serbestçe adreslenebilir. Köle istasyonları yayın yapabilir, çok noktaya yayın yapabilir ve iletişim kurabilir.
Protokol ayrıca normal olmayan döngüsel parametre iletişimini de işleyebilir. Parametrelerin yapısı ve anlamı CANOPEN cihaz profili tarafından belirlenir ve bu cihaz profilleri çeşitli cihaz sınıfları ve uygulamaları için kullanılır. EtherCAT ayrıca IEC 61491 standardına uygun bağımlı kuralları da destekler. Profil, SERCOSTM'den sonra adlandırılmıştır ve hareket kontrol uygulamaları dünyasında evrensel olarak tanınır.
Master / slave prensibine göre veri alışverişine ek olarak, EtherCAT ayrıca kontrolörler (master / master) arasındaki iletişim için çok uygundur. Serbestçe adreslenebilir işlem veri ağı değişkenleri ve çeşitli parametrelendirme, teşhis, programlama ve uzaktan kontrol hizmetleri çok sayıda gereksinimi karşılayabilir. Master / master ile master / slave iletişimi için veri arayüzü aynıdır.
FMMU: Mesaj işleme tamamen donanımda gerçekleştiriliyor
3.2 performans:
EtherCAT ağ performansında yeni bir boyuta ulaştı. 1000 adet dağıtılmış I / O verilerinin yenileme döngüsü, terminal döngü süresi de dahil olmak üzere sadece 30μ'dir. Bir Ethernet çerçevesiyle, 1486 bayta kadar işlem verisi değiştirilebilir ve bu da yaklaşık 12.000 dijital I / O'ya karşılık gelir. Bu veri hacminin iletimi sadece 300 μs.
100 servo eksen ile iletişim sadece 100 takess alır. Bu süre boyunca, tüm eksenlere set değerleri ve kontrol verileri sağlanabilir ve bunların gerçek konumu ve durumu raporlanabilir. Dağıtılmış saat teknolojisi, bu eksenler arasındaki senkronizasyon süresinin 1 mikrosaniyeden daha az sapmasını sağlar.
EtherCAT teknolojisinin üstün performansını kullanarak, geleneksel bir alan veri yolu sistemi ile gerçekleştirilemeyen bir kontrol yöntemi uygulamak mümkündür. Bu şekilde, bir ultrafast kontrol döngüsü de veri yolu üzerinden oluşturulabilir. Önceden yerel adanmış donanım desteğine ihtiyaç duyulan özellikler artık yazılımda haritalanabilir. Büyük bant genişliği kaynakları, durum verilerinin herhangi bir veri ile paralel olarak iletilmesini sağlar. EtherCAT teknolojisi, iletişim teknolojisinin modern yüksek performanslı endüstriyel PC'lerle uyumlu olmasını sağlar. Otobüs sistemi artık kontrol konseptinin darboğazı değil. Dağıtılmış G / Ç veri aktarımı, yalnızca yerel G / Ç arabirimi tarafından gerçekleştirilebilen performansı aşıyor.
Bu ağ performans avantajı, nispeten orta düzeyde hesaplama gücüne sahip küçük kontrol cihazlarında belirgindir. EtherCAT'ın yüksek hızlı döngü iki kontrol döngüsü arasında tamamlanabilir. Bu nedenle, kontrolör daima en son mevcut giriş verilerine sahiptir ve çıkış adreslemede gecikme minimumdur. Kontrolörün tepki davranışları, kendi hesaplama gücünü geliştirmeye gerek kalmadan önemli ölçüde geliştirilir.
EtherCAT teknolojisinin prensibi ölçeklenebilir, 100M bant genişliği ile sınırlı değildir - Gigabit'e kadar uzanan Ethernet de mümkündür.
3.3 EtherCAT PCI'nin yerini alır:
PC bileşenlerinin minyatürleştirilmesinin hızlandırılmasıyla, endüstriyel PC'lerin büyüklüğü esas olarak gerekli sayıda yuvaya bağlıdır.
Yüksek hızlı Ethernet bant genişliğinin ve EtherCAT haberleşme donanımının (EtherCAT Slave Controller) veri bant genişliğinin kullanılması, uygulama için yeni olanaklar sunar: genellikle IPC'de bulunan arayüzler, EtherCAT sistemindeki akıllı arayüz terminallerine aktarılır. Dağıtılmış I / O, eksenler ve kontrol ünitelerine ek olarak, fieldbus master'leri, yüksek hızlı seri arayüzler, ağ geçitleri ve diğer iletişim arayüzleri gibi karmaşık sistemler, PC'deki bir Ethernet portu üzerinden adreslenebilir. Protokol varyantları ile sınırlı olmayan diğer Ethernet cihazları da dağıtılmış anahtar terminalleri ile bağlanabilir. Endüstriyel PC sunucusunun büyüklüğü küçülüyor ve küçülüyor. Tüm iletişim görevleri için bir Ethernet arayüzü yeterlidir.
Dağıtılmış fieldbus ana terminalleri ile entegre etmek için PCI fieldbus cihazları (Profibus, CANOPEN, DeviceNet, AS-i, vb.) Yerine Ethernet kullanılır. Fieldbus master kullanmamak PC'ye PCI yuvalarını kaydeder.
3.4 Topoloji:
Otobüs, ağaç veya yıldız: EtherCAT neredeyse tüm topolojileri destekler. Bu nedenle, alan bus-türetilmiş veriyolu yapısı Ethernet için de kullanılabilir. Veriyolu ve dallanma yapılarını birleştirmek, sistem kablolaması için özellikle yararlıdır. Tüm arayüzler kuplör üzerinde bulunur ve ek anahtarlar gerekmez. Elbette geleneksel bir anahtar tabanlı yıldız Ethernet topolojisi de kullanılabilir.
Farklı iletim kabloları kullanmak, kablolamanın esnekliğini en üst düzeye çıkarır. Esnek ve ucuz standart Ethernet bağlantı kablosu sinyalleri Ethernet modu (100baseTX) veya E-Bus üzerinden iletebilir. Özel uygulamalar için optik fiber (PFO) kullanılabilir. Ethernet bant genişliği (örneğin, farklı fiber optik kablolar ve bakır kablolar), anahtarlarla veya medya dönüştürücülerle birlikte kullanılabilir. Hızlı Ethernet'in fiziksel özellikleri, cihazlar arasındaki mesafenin 100 metreye ulaşmasını sağlarken, E-bus sadece 10 metrelik mesafeyi garanti edebilir. Hızlı Ethernet veya E-bus mesafe gereksinimlerine göre seçilebilir. EtherCAT sistemi 65,535'e kadar cihazı barındırabilir, böylece tüm ağ neredeyse sınırsızdır
4. Topoloji özgür seçimi
Kablolamada maksimum esneklik vardır: anahtarlar kullanılıp kullanılmayacağı, bir otobüs topolojisi veya ağaç topolojisi kullanılıp kullanılmayacağı. Otomatik adres atama; IP adresi ayarlamanıza gerek yok.
4.1 Dağıtılmış saat:
Birden fazla servo ekseninin aynı anda bağlantı görevlerini yerine getirmesi gibi, eşzamanlı eylemlerin geniş bir aralıkta gerekli olduğu dağıtım işleminde doğru senkronizasyon özellikle önemlidir.
Dağıtılmış saatin doğru kalibrasyonu, senkronizasyon için en etkili çözümdür. Tersine, tam senkronizasyon kullanılırsa, iletişim hataları meydana geldiğinde senkronizasyon verilerinin kalitesi büyük ölçüde etkilenecektir. İletişim sisteminde, adım adım kalibrasyon saati, bir dereceye kadar hata gecikmesine toleranslıdır. EtherCAT'de, veri değişimi tamamen saf donanım cihazlarına dayanmaktadır. İletişim, bir mantıksal halka ağ yapısı, tam çift yönlü Hızlı Ethernet ve gerçek bir halka ağ yapısı kullandığından, "ana saat", her bir "bağımlı saat" için işlem telafisini basit ve doğru bir şekilde belirleyebilir ve bunun tersi de mümkündür. Dağıtılan saat bu değere göre ayarlanır, yani ağda 1 mikrosaniyeden daha az titreşimle çok doğru bir saat tabanı sağlayabilir.
Ancak, yüksek performanslı dağıtılmış saatler sadece senkronizasyon için değil, aynı zamanda veri toplama sırasında yerel zaman hakkında doğru bilgi sağlar. Yeni genişletilmiş veri tiplerinin kullanılmasından dolayı, ölçülen değerler çok doğru zaman damgalarıyla atanabilir.
4.2 Sıcak bağlantı:
Birçok uygulama işletim sırasında I / O konfigürasyonunu değiştirmeyi gerektirir. Örneğin, değişen özelliklere sahip bir işlem merkezi, bir sensör donanımlı takım sistemi, bir akıllı aktarım cihazı, esnek bir iş parçası aktüatörü ve baskı ünitesini bağımsız olarak kapatabilen bir yazıcı. EtherCAT sistemi bu gereksinimleri göz önünde bulundurur: "Sıcak bağlantı" fonksiyonu ağın çeşitli kısımlarını bağlayabilir veya bağlantısını kesebilir veya değişen konfigürasyonlara esnek bir yanıt vermek için bunları "dinamik olarak" yeniden yapılandırabilir.
4.3 Yüksek kullanılabilirlik:
İsteğe bağlı kablo yedeklemesi, artan sistem kullanılabilirliği için artan talebi karşılar, böylece ekipman ağ kapatılmadan değiştirilebilir.
EtherCAT ayrıca yedekli ana istasyonları da yedekli olarak destekler. Bir interrupt karşılaşıldığında EtherCAT slave denetleyicisi otomatik olarak kareler döndürdüğünden, bir aygıt arızası tüm ağın kapanmasına neden olmaz. Örneğin, kablo koruma zinciri kırılmayı önlemek için kısa bir çubuk şeklinde özel olarak yapılandırılabilir.
4.4 güvenlik:
Güvenlik işlevleri genellikle otomasyon ağından, donanımdan veya özel bir güvenlik veri yolu sistemi kullanılarak ayrı ayrı uygulanır. TwinSAFE (BeckhoFF'un güvenlik teknolojisi) sayesinde artık güvenlikle ilgili iletişim için EtherCAT güvenlik protokolünü ve aynı ağ üzerinde bir d kontrol iletişimini kullanmak mümkün .
Güvenlik protokolü, EtherCAT uygulama katmanına dayanır ve alt katmanları etkilemez. Bu güvenlik protokolü, bir güvenlik entegrasyon seviyesi (SIL) 3 elde etmek için IEC 61508'e göre onaylanmıştır ve ilgili önlemleri aldıktan sonra SIL4'e bile ulaşabilir. Verilerin uzunluğu, protokolün güvenlik G / Ç verileri ve güvenlik sürücü teknolojisine eşit şekilde uygulanabilmesi için değişebilir. Diğer EtherCAT verileri gibi, güvenli veri güvenli bir yönlendirici veya ağ geçidi kullanmadan yönlendirilebilir.
4.5 Tanı:
Ağın teşhis yetenekleri, ağ kullanılabilirliğini artırmak ve devreye alma süresini azaltmak (böylece genel maliyetleri düşürmek) için çok önemlidir. Hatalar, hızlı ve doğru bir şekilde tespit edilip açık bir şekilde tanımlanmışsa, derhal ortadan kaldırılabilir. Bu nedenle, EtherCAT gelişimi sırasında, tipik teşhis özelliklerine özel önem verilmiştir.
Test işlemi sırasında, I / O terminalinin gerçek konfigürasyonu, belirtilen konfigürasyon kullanılarak süreklilik açısından kontrol edilir. Topoloji ayrıca yapılandırmaya da uymalıdır. Yerleşik topoloji tanımlaması nedeniyle, sistem başlatıldığında veya otomatik olarak kurulduğunda I / O onaylanabilir.
Veri iletimi sırasında bit hataları, geçerli bir 32 bit CRC ile algılanabilir. Kesme noktası tespiti ve konumunun yanı sıra, fiziksel katmanın ve topolojinin EtherCAT sistem protokolü aracılığıyla iletilmesi, her bir iletim parçasının yüksek kalitede izlenmesini gerçeğe dönüştürür. İlgili hata sayaçlarını otomatik olarak analiz ederek, kritik ağ kısmı tam olarak yerleştirilebilir. Ağın kendini iyileştirme yeteneği üzerinde aşırı bir etkisi olmasalar bile EMC paraziti, arızalı konektörler veya hasarlı kablolar gibi sabit hatanın kaynaklarını tespit edebilir ve tespit edebilirsiniz.
4.6 Açıklık:
EtherCAT teknolojisi sadece Ethernet ile tam uyumlu değil, aynı zamanda özel tasarım açıklık özelliklerine de sahiptir: bu protokol çeşitli hizmetler sağlayan diğer Ethernet protokolleri ile bir arada bulunabilir ve tüm protokoller aynı fiziksel ortamda birlikte bulunabilir - genellikle yalnızca genel ağ performansı vardır. küçük bir etki derecesi. Standart bir Ethernet cihazı, döngü süresini etkilemeyen bir anahtar terminali üzerinden bir EtherCAT sistemine bağlanabilir. Geleneksel bir fieldbus arabirimine sahip cihazlar, EtherCAT fieldbus master terminalinin bağlantısı üzerinden ağa entegre edilebilir. UDP protokolü varyantı, cihazın herhangi bir slot arayüzüne entegre edilmesini sağlar. EtherCAT, resmi IEC belirtimi (IEC / PAS62407) olarak tanımlanmış tamamen açık bir protokoldür.