Princípio de funcionamento de EtherCAT
1. princípio de funcionamento:
Há várias soluções Ethernet disponíveis para fornecer funcionalidade em tempo real: por exemplo, o processo de acesso ao CSMA / CD é desativado por meio de uma camada de protocolo de nível superior e substituído por um período de tempo ou processo de pesquisa. Outras soluções usam switches dedicados e usam controle de tempo preciso para distribuir pacotes Ethernet. Embora essas soluções possam entregar pacotes para os nós Ethernet conectados com mais rapidez e precisão, a utilização da largura de banda é muito baixa, especialmente para equipamentos de automação típicos, porque mesmo para volumes de dados muito pequenos, um quadro Ethernet completo deve ser enviado. Além disso, o tempo necessário para redirecionar para a saída ou controlador de unidade e ler os dados de entrada depende principalmente do modo de execução. Geralmente também é necessário usar um sub-bus, especialmente no sistema I / O modular, estes sistemas e o barramento K BeckhoFF, através do sistema sub-bus síncrono para acelerar a velocidade de transmissão, mas tal sincronização não será capaz de evitar atraso causado pela transmissão do barramento de comunicação.
Ao usar a tecnologia EtherCAT, a BeckhoFF ultrapassou essas limitações do sistema de outras soluções Ethernet: em vez de receber pacotes Ethernet em cada ponto de conexão, como antes, decodificando e copiando como dados do processo. Quando um quadro passa por cada dispositivo (incluindo o dispositivo terminal subjacente), o controlador escravo EtherCAT lê os dados importantes para o dispositivo. Da mesma forma, os dados de entrada podem ser inseridos na mensagem conforme ela passa. Quando o quadro é passado (apenas alguns bits atrasados), o escravo reconhece o comando relevante e o processa. Esse processo é implementado em hardware no controlador escravo e, portanto, é independente do sistema operacional em tempo real ou do desempenho do processador do software da pilha de protocolos. O último escravo EtherCAT no segmento retorna a mensagem totalmente processada para que a mensagem seja retornada como uma resposta do primeiro escravo para o mestre.
Do ponto de vista da Ethernet, o segmento de barramento EtherCAT é simplesmente um grande dispositivo Ethernet que pode receber e enviar quadros Ethernet. No entanto, o "dispositivo" não inclui um único controlador Ethernet com um microprocessador a jusante, mas apenas um grande número de escravos EtherCAT. Como qualquer outra Ethernet, o EtherCAT pode estabelecer comunicação sem a necessidade de um switch, criando assim um sistema EtherCAT puro.
2. Terminais implementam Ethernet:
Cada dispositivo do sistema garante o uso de um protocolo Ethernet completo, mesmo para cada terminal de E / S, sem usar um subcanal. Basta converter o meio de transmissão do acoplador de par trançado (100baseTX) para barramento E para atender aos requisitos do bloco de terminais eletrônico. O tipo de sinal de barramento E (LVDS) no bloco de terminais não é dedicado, ele também pode ser usado para 10 Gigabit Ethernet. No final do bloco de terminais, as características do barramento físico são convertidas de volta ao padrão 100baseTX.
MACs Ethernet padrão ou placas de rede padrão (NICs) baratas são suficientes para uso como hardware no controlador. DMA (Direct Memory Access) é usado para transferir dados para o PC. Isso significa que o acesso à rede não afeta o desempenho da CPU. O mesmo princípio é usado na placa multiportas BeckhoFF, que agrupa até 4 canais Ethernet em um slot PCI.
3. O processamento do protocolo é completamente realizado em hardware
3.1 protocolo:
O protocolo EtherCAT é otimizado para dados de processo e é transferido diretamente para quadros Ethernet ou compactado em datagramas UDP / IP. O protocolo UDP é usado quando o segmento EtherCAT em outras sub-redes é endereçado pelo roteador. Um quadro Ethernet pode conter várias mensagens EtherCAT, cada uma delas dedicada a uma área de memória específica que pode ser usada para programar uma imagem de processo lógico de até 4 GB. Como a cadeia de dados é independente da sequência física dos terminais EtherCAT, os terminais EtherCAT podem ser endereçados livremente. Estações escravo podem transmitir, multicast e comunicar.
O protocolo também pode lidar com comunicação de parâmetro normalmente não-cíclica. A estrutura e o significado dos parâmetros são definidos pelo perfil do dispositivo CANOPEN e esses perfis de dispositivos são usados para uma variedade de classes de dispositivos e aplicativos. O EtherCAT também suporta regras dependentes que atendem ao padrão IEC 61491. O perfil é nomeado após SERCOSTM e é universalmente reconhecido no mundo dos aplicativos de controle de movimento.
Além da troca de dados de acordo com o princípio mestre / escravo, o EtherCAT também é muito adequado para comunicação entre controladores (mestre / mestre). Variáveis de rede de dados de processo livremente endereçáveis, bem como vários serviços de parametrização, diagnósticos, programação e controle remoto podem atender a vários requisitos. A interface de dados para a comunicação mestre / escravo com o mestre / mestre é a mesma.
FMMU: O processamento de mensagens é totalmente executado no hardware
3.2 desempenho:
O EtherCAT atingiu uma nova altura no desempenho da rede. O ciclo de atualização de 1000 dados de E / S distribuídos é de apenas 30μs, incluindo o tempo de ciclo do terminal. Com um quadro Ethernet, podem ser trocados até 1486 bytes de dados de processo, o que corresponde a quase 12.000 E / Ss digitais. A transmissão desse volume de dados é de apenas 300 μs.
A comunicação com 100 servo-eixos leva apenas 100 μs. Durante esse tempo, os valores de ajuste e os dados de controle podem ser fornecidos a todos os eixos, e sua posição e status reais podem ser informados. A tecnologia de relógio distribuído garante que o tempo de sincronização entre esses eixos se desvie em menos de 1 microssegundo.
Utilizando o desempenho superior da tecnologia EtherCAT, é possível implementar um método de controle que não pode ser realizado com um sistema de bus de campo convencional. Desta forma, um loop de controle ultra-rápido também pode ser formado através do barramento. Recursos que anteriormente exigiam suporte de hardware dedicado local agora podem ser mapeados em software. Grandes recursos de largura de banda permitem que os dados de status sejam transmitidos em paralelo com quaisquer dados. A tecnologia EtherCAT permite que a tecnologia de comunicação combine com PCs industriais modernos e de alto desempenho. O sistema de ônibus não é mais o gargalo do conceito de controle. A transferência de dados de E / S distribuída excede o desempenho que só pode ser alcançado pela interface de E / S local.
Essa vantagem de desempenho de rede é evidente em controladores pequenos com capacidade de computação relativamente moderada. O loop de alta velocidade do EtherCAT pode ser concluído entre dois ciclos de controle. Portanto, o controlador sempre tem os dados de entrada disponíveis mais recentes e o atraso no endereçamento de saída é mínimo. O comportamento de resposta do controlador é significativamente melhorado sem a necessidade de melhorar seu próprio poder de computação.
O princípio da tecnologia EtherCAT é escalonável, não limitado a 100M de largura de banda - Ethernet estendida para Gigabit também é possível.
3.3 O EtherCAT substitui o PCI:
Com a aceleração da miniaturização dos componentes do PC, o tamanho dos PCs industriais depende principalmente do número necessário de slots.
O uso da largura de banda Ethernet de alta velocidade e da largura de banda de dados do hardware de comunicação EtherCAT (EtherCAT Slave Controller) abre novas possibilidades de aplicação: as interfaces normalmente localizadas no IPC são transferidas para os terminais de interface inteligente no sistema EtherCAT. Além de E / S distribuídas, eixos e unidades de controle, sistemas complexos como mestres de fieldbus, interfaces seriais de alta velocidade, gateways e outras interfaces de comunicação podem ser endereçados através de uma porta Ethernet no PC. Mesmo outros dispositivos Ethernet que não estão restritos a variantes de protocolo podem ser conectados através de terminais de comutadores distribuídos. O tamanho do host do PC industrial está ficando menor e menor, e o custo está ficando menor e menor. Uma interface Ethernet é suficiente para todas as tarefas de comunicação.
A Ethernet é usada em vez de dispositivos de fieldbus PCI (Profibus, CANOPEN, DeviceNet, AS-i, etc.) para integração via terminais mestre de fieldbus distribuídos. Não usar um mestre de fieldbus economiza slots PCI no PC.
3.4 Topologia:
Barramento, árvore ou estrela: O EtherCAT suporta praticamente qualquer topologia. Portanto, a estrutura de barramento derivada de bus de campo também pode ser usada para Ethernet. A combinação das estruturas de barramento e ramificação é particularmente útil para o cabeamento do sistema. Todas as interfaces estão localizadas no acoplador e não são necessárias chaves adicionais. Naturalmente, uma topologia Ethernet de estrela baseada em switch tradicional também pode ser usada.
Utilizar cabos de transmissão diferentes maximiza a flexibilidade do cabeamento. O cabo patch Ethernet padrão, flexível e barato, pode transmitir sinais via modo Ethernet (100baseTX) ou via bus E. Fibra óptica (PFO) pode ser usada para aplicações especiais. A largura de banda Ethernet (por exemplo, cabos de fibra ótica e cabos de cobre diferentes) pode ser usada em conjunto com switches ou conversores de mídia. As características físicas da Fast Ethernet podem fazer com que a distância entre os dispositivos atinja 100 metros, enquanto o E-bus só pode garantir o espaçamento de 10 metros. Fast Ethernet ou E-bus podem ser selecionados de acordo com os requisitos de distância. O sistema EtherCAT pode acomodar até 65.535 dispositivos, então a rede inteira é quase ilimitada
4. Livre escolha de topologia
Há flexibilidade máxima no cabeamento: se usar switches, se deve usar uma topologia de barramento ou uma topologia de árvore. Atribuição automática de endereços; não há necessidade de definir um endereço IP.
4.1 Relógio distribuído:
A sincronização precisa é particularmente importante no processo de distribuição, onde uma ampla gama de ações simultâneas é necessária, como quando vários servo-eixos estão executando tarefas de ligação simultâneas.
A calibração precisa do relógio distribuído é a solução mais eficaz para a sincronização. Por outro lado, se a sincronização completa for usada, a qualidade dos dados de sincronização será bastante afetada quando ocorrerem erros de comunicação. No sistema de comunicação, o relógio de calibração passo a passo é tolerante ao atraso do erro até certo ponto. Em EtherCAT, a troca de dados é totalmente baseada em dispositivos de hardware puros. Como a comunicação utiliza uma estrutura de rede em anel lógico, Fast Ethernet full-duplex e uma estrutura de rede em anel real, o "relógio mestre" pode determinar de forma simples e precisa a compensação de operação para cada "relógio escravo" e vice-versa. O relógio distribuído é ajustado com base nesse valor, o que significa que ele pode fornecer uma base de relógio muito precisa com menos de 1 microssegundo de jitter na rede.
No entanto, os relógios distribuídos de alto desempenho não são usados apenas para sincronização, mas também fornecem informações precisas sobre a hora local durante a aquisição de dados. Devido à introdução de novos tipos de dados estendidos, os valores medidos podem ser atribuídos com carimbos de hora muito precisos.
4.2 conexão quente:
Muitos aplicativos exigem a alteração da configuração de E / S durante a operação. Por exemplo, um centro de processamento com características de mudança, um sistema de ferramentas equipado com sensores, um dispositivo de transmissão inteligente, um atuador de peça de trabalho flexível e uma impressora que pode fechar independentemente a unidade de impressão. O sistema EtherCAT leva em consideração esses requisitos: A função "conexão a quente" pode conectar ou desconectar as várias partes da rede ou reconfigurá-las "dinamicamente" para fornecer uma resposta flexível à alteração das configurações.
4.3 alta disponibilidade:
A redundância de cabo opcional atende à crescente demanda por maior disponibilidade do sistema para que o equipamento possa ser substituído sem desligar a rede.
O EtherCAT também suporta estações mestre redundantes com hot standby. Como o controlador escravo EtherCAT retorna automaticamente os quadros quando uma interrupção é encontrada, uma falha no dispositivo não fará com que toda a rede seja desligada. Por exemplo, a corrente de proteção de cabos pode ser configurada especialmente na forma de uma barra curta para evitar quebras.
4.4 segurança:
As funções de segurança geralmente são implementadas separadamente da rede de automação, através de hardware ou usando um sistema de barramento de segurança dedicado. Graças ao TwinSAFE (tecnologia de segurança da BeckhoFF), agora é possível usar o protocolo de segurança EtherCAT para comunicação relacionada à segurança e comunicação de controle na mesma rede.
O protocolo de segurança é baseado na camada de aplicação do EtherCAT e não afeta as camadas inferiores. Este protocolo de segurança foi certificado de acordo com a IEC 61508 para alcançar um nível de integração de segurança (SIL) 3 e pode até mesmo alcançar o SIL4 após tomar medidas relevantes. O comprimento dos dados pode variar de forma que o protocolo seja igualmente aplicável aos dados de E / S de segurança e à tecnologia de unidades de segurança. Como outros dados EtherCAT, os dados seguros podem ser roteados sem usar um roteador ou gateway seguro.
4.5 Diagnóstico:
Os recursos de diagnóstico da rede são muito importantes para melhorar a disponibilidade da rede e reduzir o tempo de comissionamento (reduzindo assim os custos gerais). Erros só podem ser eliminados imediatamente se forem detectados de forma rápida e precisa e claramente identificados. Portanto, durante o desenvolvimento do EtherCAT, foi dada especial atenção às características típicas de diagnóstico.
Durante a operação de teste, a configuração real do terminal de E / S é verificada quanto à continuidade usando a configuração especificada. A topologia também deve corresponder à configuração. Devido à identificação de topologia integrada, a E / S pode ser confirmada quando o sistema é iniciado ou quando é instalado automaticamente.
Erros de bit durante a transmissão de dados podem ser detectados com um CRC válido de 32 bits. Além da detecção e localização do ponto de interrupção, a transmissão da camada física e da topologia através do protocolo do sistema EtherCAT torna a monitoração de alta qualidade de cada segmento de transmissão individual uma realidade. Ao analisar automaticamente os contadores de erros relevantes, a parte crítica da rede pode ser localizada com precisão. Você pode detectar e localizar fontes de erros constantes, como interferência de EMC, conectores defeituosos ou cabos danificados, mesmo que eles não tenham tido um impacto excessivo na capacidade da rede de se curar.
4.6 Abertura:
A tecnologia EtherCAT não é apenas totalmente compatível com Ethernet, mas também possui características especiais de abertura de projeto: esse protocolo pode coexistir com outros protocolos Ethernet que fornecem vários serviços e todos os protocolos coexistem no mesmo meio físico - geralmente apenas O desempenho geral da rede um pequeno grau de impacto. Um dispositivo Ethernet padrão pode ser conectado a um sistema EtherCAT através de um terminal de chave, o que não afeta o tempo de ciclo. Dispositivos com uma interface fieldbus tradicional podem ser integrados à rede através da conexão do terminal mestre de fieldbus EtherCAT. A variante do protocolo UDP permite que o dispositivo seja integrado em qualquer interface de slot. O EtherCAT é um protocolo totalmente aberto que foi identificado como uma especificação formal IEC (IEC / PAS62407).