Przegląd
EtherCAT to oparty na sieci Ethernet system magistrali obiektowej o otwartej architekturze. CAT w EtherCAT to skrót od Control Automation Technology. Pierwotnie opracowany przez firmę Beckhoff Automation GmbH w Niemczech. EtherCAT ustanawia nowy standard wydajności w czasie rzeczywistym i elastyczności topologicznej, jednocześnie spełniając wymagania lub nawet zmniejszając koszty użytkowania magistrali komunikacyjnej. EtherCAT oferuje również bardzo precyzyjną synchronizację urządzeń, opcjonalną redundancję kabli oraz protokół bezpieczeństwa funkcjonalnego (SIL3).
zasada
Istnieje kilka rozwiązań Ethernet zapewniających funkcjonalność w czasie rzeczywistym: na przykład wyłączenie procesu dostępu CSMA/CD przez wyższą warstwę protokołu i zastąpienie go przedziałem czasowym lub procedurą odpytywania. Inne schematy wykorzystują prywatne przełączniki i dystrybuują pakiety Ethernet z precyzyjną kontrolą czasu. Chociaż rozwiązania te mogą stosunkowo szybko i dokładnie dostarczać pakiety do podłączonych węzłów Ethernet, wykorzystanie przepustowości jest niskie, zwłaszcza w przypadku typowych urządzeń automatyki, ponieważ nawet w przypadku bardzo małych ilości danych musi zostać wysłana pełna ramka Ethernet. Ponadto czas potrzebny na przekierowanie do wyjścia lub sterownika napędu oraz odczyt danych wejściowych zależy w dużej mierze od trybu wykonania. Często konieczne jest zastosowanie subbusu, zwłaszcza w modułowych systemach I/O, które podobnie jak Beckhoff K-bus przyspieszają transmisję poprzez system magistrali synchronicznej, ale taka synchronizacja nie uniknie opóźnień w transmisji magistrali komunikacyjnej.
Dzięki EtherCAT firma Beckhoff była w stanie przezwyciężyć ograniczenia systemowe innych rozwiązań Ethernet: nie było już konieczne odbieranie pakietów Ethernet w każdym punkcie połączenia, dekodowanie ich i kopiowanie do danych procesowych. Gdy ramki przechodzą przez każde urządzenie, w tym podstawowe urządzenie końcowe, EtherCAT odczytuje dane ze sterownika stacji, które są ważne dla tego urządzenia. Podobnie, dane wejściowe mogą być wstawiane do wiadomości podczas jej przesyłania. Po przejściu ramki (z opóźnieniem tylko o kilka bitów) stacja podrzędna rozpoznaje odpowiednie polecenie i przetwarza je. Proces ten jest realizowany sprzętowo w sterowniku podrzędnym i dlatego jest niezależny od systemu działającego w czasie rzeczywistym lub wydajności procesora oprogramowania stosu protokołów. Ostatni slave EtherCAT w segmencie sieci zwraca w pełni przetworzony komunikat, tak że komunikat jest zwracany jako komunikat odpowiedzi od pierwszego slave'a do mastera.
Z perspektywy Ethernetu segment magistrali EtherCAT to po prostu duże urządzenie Ethernet, które odbiera i wysyła ramki Ethernet. Jednak to „urządzenie” nie zawiera ani jednego kontrolera Ethernet z mikroprocesorem w dół, ale tylko dużą liczbę stacji podrzędnych EtherCAT. Podobnie jak w przypadku każdego Ethernetu, EtherCAT nie wymaga przełącznika do nawiązania komunikacji, co daje czysty system EtherCAT.
wydajność
EtherCAT osiąga nowy poziom wydajności sieci. Okres odświeżania 1000 rozproszonych danych we/wy to tylko 30 μs, wliczając czas cyklu terminala. Za pośrednictwem ramki Ethernet można wymienić do 1486 bajtów danych procesowych, co odpowiada prawie 12 000 cyfrowych woluminów wejść/wyjść. Tę ilość danych można przesłać w ciągu zaledwie 300 μs.
Komunikacja ze 100 wałkami serwo to tylko 100μs. W tym czasie wartości ustawień i dane sterujące mogą być dostarczane do wszystkich osi, a ich rzeczywista pozycja i status mogą być raportowane. Technologia zegara rozproszonego zapewnia, że odchylenie czasu synchronizacji pomiędzy tymi osiami jest mniejsze niż 1 mikrosekunda.
Dzięki doskonałej wydajności technologii EtherCAT możemy zrealizować metodę sterowania, której nie można zrealizować za pomocą tradycyjnego systemu magistrali polowej. W ten sposób przez magistralę można również tworzyć pętle sterowania ultraszybkimi prędkościami. Funkcje, które wcześniej wymagały natywnej obsługi dedykowanego sprzętu, można teraz odwzorować w oprogramowaniu. Ogromne zasoby przepustowości umożliwiają przesyłanie danych o stanie równolegle z dowolnymi danymi. Technologia EtherCAT umożliwia dopasowanie technologii komunikacyjnej do nowoczesnych, wysokowydajnych przemysłowych systemów PCS. System magistrali nie jest już wąskim gardłem w sterowaniu pomysłami. Dostarczanie danych w rozproszonych wejściach/wyjściach przewyższa wydajność, którą można osiągnąć jedynie za pomocą lokalnych interfejsów wejść/wyjść.
Ta przewaga wydajności sieci jest widoczna w małych kontrolerach o stosunkowo umiarkowanej mocy obliczeniowej. Szybka pętla EtherCAT, którą można wykonać między dwiema pętlami sterowania. Dzięki temu sterownik ma zawsze dostępne najnowsze dane wejściowe, a opóźnienie adresowania wyjścia jest minimalne. Zachowanie kontrolera w odpowiedzi można znacznie poprawić bez zwiększania jego własnej mocy obliczeniowej.
Zasady EtherCAT są skalowalne i nie są ograniczone do 100 megabitów przepustowości - możliwe jest skalowanie do gigabitowego Ethernetu.
EtherCAT zastępuje PCI:
Wraz z przyspieszeniem rozwoju miniaturyzacji komponentów PC, wielkość komputerów przemysłowych zależy głównie od liczby wymaganych gniazd.
Wykorzystanie przepustowości szerokopasmowej sieci Ethernet i sprzętu komunikacyjnego EtherCAT (kontroler podrzędny EtherCAT) otworzyło nowe możliwości zastosowania: interfejsy normalnie zlokalizowane w IPC zostały przeniesione do inteligentnych terminali interfejsów w systemach EtherCAT. Oprócz rozproszonych wejść/wyjść, osi i jednostek sterujących, przez port Ethernet w komputerze PC można adresować złożone systemy, takie jak nadrzędne stacje sieciowe, szybkie interfejsy szeregowe, bramki i inne interfejsy komunikacyjne. Za pomocą terminali DVS można podłączyć nawet inne urządzenia Ethernet bez ograniczeń dotyczących wariantów protokołów. Wielkość komputerów mainframe w komputerach przemysłowych jest coraz mniejsza, koszty maleją, interfejs Ethernet wystarcza do obsługi wszystkich zadań komunikacyjnych.
Użyj Ethernetu zamiast urządzeń magistrali PCI (PROFIBUS, CANopen, DeviceNet, AS-i, itp.) do integracji poprzez rozproszony terminal Fieldbus Master. Rezygnacja z używania modułu Fieldbus Master oszczędza gniazda PCI w komputerze PC.
Topologia magistrali
Magistrala, drzewo lub gwiazda: EtherCAT obsługuje prawie wszystkie topologie. W ten sposób struktura magistrali wywodząca się z sieci polowych może być również wykorzystana w sieci Ethernet. Kombinacja struktur magistrali i rozgałęzień jest szczególnie przydatna w przypadku okablowania systemowego. Wszystkie interfejsy znajdują się na złączach, co eliminuje potrzebę stosowania dodatkowych przełączników. Oczywiście można również użyć tradycyjnej topologii sieci Ethernet opartej na przełącznikach.
Zastosowanie różnych kabli transmisyjnych może zmaksymalizować elastyczność okablowania. Elastyczne i niedrogie standardowe kable Ethernet z wtyczką mogą przesyłać sygnały w trybie Ethernet (100baseTX) lub przez magistralę E. Światłowody (Pfos) mogą być wykorzystywane do zastosowań specjalnych. Pasmo Ethernet (takie jak różne kable optyczne i miedziane) może być używane w połączeniu z przełącznikami lub konwerterami mediów. Fizyczne cechy Fast Ethernet pozwalają na to, aby urządzenia znajdowały się w odległości 100 metrów od siebie, podczas gdy magistrala E-bus może znajdować się tylko w odległości 10 metrów od siebie. Fast Ethernet lub E-bus można wybrać zgodnie z wymaganiami dotyczącymi odległości. System EtherCAT może pomieścić do 65535 urządzeń, więc całkowity rozmiar sieci jest prawie nieograniczony.
Możesz dowolnie wybrać topologię. Okablowanie ma największą elastyczność: czy użyć przełącznika, czy jest to użycie struktury topologii magistrali, czy struktury topologii drzewa, może to być dowolna kombinacja wyboru. Automatyczne przydzielanie adresu; Nie musisz ustawiać adresu IP.
otwartość
EtherCAT jest nie tylko w pełni kompatybilny z Ethernetem, ale ma również unikalną cechę otwartej konstrukcji: może współistnieć z innymi protokołami Ethernet, które zapewniają różnorodne usługi, a wszystkie z nich współistnieją na tym samym nośniku fizycznym - zwykle z niewielkim wpływem na ogólna wydajność sieci. Standardowe urządzenia Ethernet można podłączyć do systemu EtherCAT za pośrednictwem terminala przełącznika, co nie wpływa na czasy cyklu. Urządzenia wyposażone w tradycyjny interfejs magistrali polowej można zintegrować z siecią poprzez połączenie z głównym terminalem magistrali polowej EtherCAT. Wariant protokołu UDP umożliwia integrację urządzeń z dowolnym interfejsem gniazda. EtherCAT to w pełni otwarty protokół, który został uznany za oficjalną specyfikację IEC (IEC/PAS62407).