Nguyên tắc làm việc EtherCAT
1. Nguyên tắc hoạt động:
Có một số giải pháp Ethernet có sẵn để cung cấp chức năng thời gian thực: ví dụ, quá trình truy cập CSMA / CD bị vô hiệu hóa thông qua một lớp giao thức cấp cao hơn và được thay thế bằng một lát thời gian hoặc quá trình bỏ phiếu. Các giải pháp khác sử dụng các công tắc chuyên dụng và sử dụng điều khiển thời gian chính xác để phân phối các gói Ethernet. Mặc dù các giải pháp này có thể cung cấp gói cho các nút Ethernet được kết nối nhanh hơn và chính xác hơn, nhưng việc sử dụng băng thông rất thấp, đặc biệt đối với các thiết bị tự động hóa điển hình, bởi vì ngay cả đối với khối lượng dữ liệu rất nhỏ, phải gửi một khung Ethernet hoàn chỉnh. Hơn nữa, thời gian cần thiết để chuyển hướng đến đầu ra hoặc bộ điều khiển ổ đĩa và đọc dữ liệu đầu vào phụ thuộc chủ yếu vào chế độ thực thi. Thông thường cũng cần phải sử dụng một xe buýt phụ, đặc biệt là trong hệ thống I / O mô-đun, các hệ thống này và BeckhoFF K-bus, thông qua hệ thống phụ xe buýt đồng bộ để tăng tốc độ truyền, nhưng đồng bộ hóa sẽ không thể tránh được sự chậm trễ gây ra bởi việc truyền tải bus truyền thông.
Bằng cách sử dụng công nghệ EtherCAT, BeckhoFF đã vượt qua các giới hạn hệ thống này của các giải pháp Ethernet khác: Thay vì nhận các gói Ethernet tại mỗi điểm kết nối như trước, giải mã và sao chép dưới dạng dữ liệu quá trình. Khi một khung đi qua mỗi thiết bị (bao gồm cả thiết bị đầu cuối bên dưới), bộ điều khiển nô lệ EtherCAT đọc dữ liệu quan trọng đối với thiết bị. Tương tự, dữ liệu đầu vào có thể được chèn vào tin nhắn khi nó đi qua. Khi khung được truyền (chỉ một vài bit bị trễ), slave nhận ra lệnh thích hợp và xử lý nó. Quá trình này được thực hiện trong phần cứng trong bộ điều khiển slave và do đó độc lập với hệ điều hành thời gian thực hoặc hiệu năng xử lý của phần mềm ngăn xếp giao thức. Node EtherCAT cuối cùng trong phân đoạn trả về thông báo được xử lý hoàn toàn sao cho thông báo được trả về như một phản hồi từ nô lệ đầu tiên đến bản gốc.
Từ quan điểm Ethernet, phân đoạn bus EtherCAT chỉ đơn giản là một thiết bị Ethernet lớn có thể nhận và gửi các khung Ethernet. Tuy nhiên, "thiết bị" không bao gồm một bộ điều khiển Ethernet đơn với bộ vi xử lý hạ lưu, nhưng chỉ có một số lượng lớn các nô lệ EtherCAT. Giống như bất kỳ Ethernet nào khác, EtherCAT có thể thiết lập giao tiếp mà không cần chuyển đổi, do đó tạo ra một hệ thống EtherCAT tinh khiết.
2. Thiết bị đầu cuối thực hiện Ethernet:
Mỗi thiết bị của hệ thống đảm bảo việc sử dụng giao thức Ethernet hoàn chỉnh, ngay cả đối với mỗi thiết bị đầu cuối I / O, mà không cần sử dụng một bus phụ. Đơn giản chỉ cần chuyển đổi phương tiện truyền dẫn của bộ ghép từ cặp xoắn (100baseTX) sang E bus để đáp ứng các yêu cầu của khối thiết bị đầu cuối điện tử. Loại tín hiệu bus E (LVDS) trong khối đầu cuối không được dành riêng, nó cũng có thể được sử dụng cho 10 Gigabit Ethernet. Ở cuối khối thiết bị đầu cuối, các đặc tính bus vật lý được chuyển đổi trở lại tiêu chuẩn 100baseTX.
Các Ethernet chuẩn Ethernet hoặc các thẻ mạng tiêu chuẩn không đắt tiền (NIC) đủ để sử dụng làm phần cứng trong bộ điều khiển. DMA (Truy cập bộ nhớ trực tiếp) được sử dụng để truyền dữ liệu đến máy tính. Điều này có nghĩa là truy cập mạng không ảnh hưởng đến hiệu suất của CPU. Nguyên tắc tương tự được sử dụng trong thẻ ghép kênh BeckhoFF, bao gồm tối đa 4 kênh Ethernet trong một khe PCI.
3. Việc xử lý giao thức được thực hiện hoàn toàn trong phần cứng
3.1 giao thức:
Giao thức EtherCAT được tối ưu hóa cho dữ liệu quá trình và nó được truyền trực tiếp tới các khung Ethernet hoặc được nén thành các gói dữ liệu UDP / IP. Giao thức UDP được sử dụng khi phân đoạn EtherCAT trong các mạng con khác được bộ định tuyến giải quyết. Một khung Ethernet có thể chứa một số thông điệp EtherCAT, mỗi thông điệp được dành riêng cho một vùng bộ nhớ cụ thể có thể được sử dụng để lập trình một hình ảnh quy trình logic có kích thước lên đến 4GB. Vì chuỗi dữ liệu độc lập với chuỗi vật lý của các thiết bị đầu cuối EtherCAT, các thiết bị đầu cuối EtherCAT có thể được giải quyết một cách tự do. Các trạm phát có thể phát, phát đa hướng và giao tiếp.
Giao thức cũng có thể xử lý giao tiếp thông số không tuần hoàn thông thường. Cấu trúc và ý nghĩa của các tham số được thiết lập bởi cấu hình thiết bị CANOPEN và các cấu hình thiết bị này được sử dụng cho nhiều loại thiết bị và ứng dụng khác nhau. EtherCAT cũng hỗ trợ các quy tắc phụ thuộc tuân thủ tiêu chuẩn IEC 61491. Hồ sơ được đặt tên theo SERCOSTM và được công nhận rộng rãi trong thế giới của các ứng dụng điều khiển chuyển động.
Ngoài việc trao đổi dữ liệu theo nguyên lý chủ / nô lệ, EtherCAT cũng rất thích hợp cho giao tiếp giữa các bộ điều khiển (master / master). Các biến mạng dữ liệu quy trình tự do địa chỉ cũng như các tham số, chẩn đoán, lập trình và dịch vụ điều khiển từ xa khác nhau có thể đáp ứng nhiều yêu cầu. Giao diện dữ liệu cho giao tiếp master / slave với master / master giống nhau.
FMMU: Xử lý tin nhắn được thực hiện hoàn toàn trong phần cứng
3.2 hiệu suất:
EtherCAT đã đạt đến một chiều cao mới trong hoạt động mạng. Chu trình làm mới của 1000 dữ liệu I / O được phân phối chỉ là 30μ, bao gồm cả thời gian chu kỳ đầu cuối. Với một khung Ethernet, có thể trao đổi tới 1486 byte dữ liệu quy trình, tương ứng với gần 12.000 I / O kỹ thuật số. Việc truyền tải khối lượng dữ liệu này chỉ là 300 μs.
Giao tiếp với 100 trục servo chỉ mất 100 μs. Trong thời gian này, giá trị cài đặt và dữ liệu điều khiển có thể được cung cấp cho tất cả các trục và vị trí và trạng thái thực tế của chúng có thể được báo cáo. Công nghệ đồng hồ phân phối đảm bảo rằng thời gian đồng bộ giữa các trục này lệch đi dưới 1 micro giây.
Bằng cách sử dụng hiệu suất vượt trội của công nghệ EtherCAT, có thể thực hiện một phương pháp điều khiển mà không thể thực hiện được với một hệ thống bus trường truyền thống. Bằng cách này, một vòng điều khiển cực nhanh cũng có thể được hình thành thông qua xe buýt. Các tính năng mà trước đây yêu cầu hỗ trợ phần cứng chuyên dụng cục bộ hiện có thể được ánh xạ trong phần mềm. Tài nguyên băng thông lớn cho phép dữ liệu trạng thái được truyền song song với bất kỳ dữ liệu nào. Công nghệ EtherCAT cho phép công nghệ truyền thông phù hợp với các máy tính công nghiệp hiệu suất cao hiện đại. Hệ thống xe buýt không còn là nút cổ chai của khái niệm kiểm soát. Truyền dữ liệu I / O phân tán vượt quá hiệu suất mà chỉ có thể đạt được bằng giao diện I / O cục bộ.
Lợi thế hiệu suất mạng này là hiển nhiên trong các bộ điều khiển nhỏ với công suất tính toán tương đối vừa phải. Vòng lặp tốc độ cao của EtherCAT có thể được hoàn thành giữa hai chu kỳ điều khiển. Do đó, bộ điều khiển luôn có dữ liệu đầu vào có sẵn mới nhất và độ trễ trong địa chỉ đầu ra là tối thiểu. Hành vi phản ứng của bộ điều khiển được cải thiện đáng kể mà không cần tăng cường sức mạnh tính toán của riêng nó.
Nguyên tắc của công nghệ EtherCAT có thể mở rộng, không giới hạn ở băng thông 100M - Ethernet mở rộng tới Gigabit cũng có thể thực hiện được.
3,3 EtherCAT thay thế PCI:
Với khả năng tăng tốc độ thu nhỏ của các thành phần PC, kích thước của các máy tính công nghiệp phụ thuộc chủ yếu vào số lượng khe yêu cầu.
Việc sử dụng băng thông Ethernet tốc độ cao và băng thông dữ liệu của phần cứng giao tiếp EtherCAT (EtherCAT Slave Controller) mở ra các khả năng mới cho ứng dụng: các giao diện thường nằm trong IPC được chuyển tới các đầu cuối giao diện thông minh trong hệ thống EtherCAT. Ngoài các I / O, trục và bộ điều khiển phân tán, các hệ thống phức tạp như các máy chủ fieldbus, giao diện nối tiếp tốc độ cao, cổng và các giao diện truyền thông khác có thể được giải quyết thông qua cổng Ethernet trên PC. Ngay cả các thiết bị Ethernet khác không bị hạn chế đối với các biến thể giao thức có thể được kết nối thông qua các thiết bị đầu cuối chuyển mạch phân tán. Kích thước của máy chủ PC công nghiệp ngày càng nhỏ và chi phí ngày càng thấp. Một giao diện Ethernet là đủ cho tất cả các nhiệm vụ giao tiếp.
Ethernet được sử dụng thay cho các thiết bị PCI fieldbus (Profibus, CANOPEN, DeviceNet, AS-i, vv) để tích hợp thông qua các thiết bị đầu cuối chủ fieldbus phân tán. Không sử dụng một master fieldbus tiết kiệm khe PCI trong PC.
3.4 Cấu trúc liên kết:
Bus, cây hoặc ngôi sao: EtherCAT hỗ trợ hầu như mọi cấu trúc liên kết. Do đó, cấu trúc bus bắt nguồn từ bus cũng có thể được sử dụng cho Ethernet. Kết hợp các cấu trúc bus và phân nhánh đặc biệt hữu ích cho hệ thống cáp. Tất cả các giao diện đều nằm trên bộ ghép và không cần phải có thêm công tắc. Tất nhiên, một cấu trúc liên kết Ethernet dựa trên chuyển mạch truyền thống cũng có thể được sử dụng.
Sử dụng các loại cáp truyền dẫn khác nhau sẽ tối đa hóa tính linh hoạt của cáp. Cáp Ethernet tiêu chuẩn linh hoạt và không tốn kém có thể truyền tín hiệu qua chế độ Ethernet (100baseTX) hoặc qua bus E. Sợi quang (PFO) có thể được sử dụng cho các ứng dụng đặc biệt. Có thể sử dụng băng thông Ethernet (ví dụ, các cáp quang và cáp đồng khác nhau) cùng với các bộ chuyển mạch hoặc bộ chuyển đổi phương tiện. Các đặc tính vật lý của Fast Ethernet có thể làm cho khoảng cách giữa các thiết bị đạt đến 100 mét, trong khi E-bus chỉ có thể đảm bảo khoảng cách 10 mét. Có thể chọn Fast Ethernet hoặc E-bus theo các yêu cầu về khoảng cách. Hệ thống EtherCAT có thể chứa tới 65.535 thiết bị, vì vậy toàn bộ mạng gần như không giới hạn
4. Tự do lựa chọn cấu trúc liên kết
Có sự linh hoạt tối đa trên cáp: cho dù sử dụng công tắc, có nên sử dụng cấu trúc liên kết bus hay cấu trúc liên kết cây hay không. Phân bổ địa chỉ tự động; không cần thiết lập địa chỉ IP.
4.1 Đồng hồ phân phối:
Đồng bộ hóa chính xác đặc biệt quan trọng trong quá trình phân phối, nơi cần một loạt các hành động đồng thời, chẳng hạn như khi một số trục servo thực hiện các tác vụ liên kết đồng thời.
Hiệu chuẩn chính xác của đồng hồ phân phối là giải pháp hiệu quả nhất để đồng bộ hóa. Ngược lại, nếu sử dụng đồng bộ hóa đầy đủ, chất lượng của dữ liệu đồng bộ hóa sẽ bị ảnh hưởng rất nhiều khi xảy ra lỗi giao tiếp. Trong hệ thống truyền thông, đồng hồ hiệu chỉnh từng bước có thể chịu được sự chậm trễ của lỗi ở một mức độ nào đó. Trong EtherCAT, trao đổi dữ liệu hoàn toàn dựa trên các thiết bị phần cứng thuần túy. Do giao tiếp sử dụng cấu trúc mạng vòng logic, mạng Fast-duplex Fast Ethernet và cấu trúc mạng vòng thực tế, "đồng hồ chính" có thể xác định chính xác bù trừ hoạt động cho từng "đồng hồ nô lệ" và ngược lại. Đồng hồ phân tán được điều chỉnh dựa trên giá trị này, có nghĩa là nó có thể cung cấp một cơ sở đồng hồ rất chính xác với ít hơn 1 micro giây jitter trong mạng.
Tuy nhiên, đồng hồ phân phối hiệu suất cao không chỉ được sử dụng để đồng bộ hóa, mà còn cung cấp thông tin chính xác về thời gian địa phương trong quá trình thu thập dữ liệu. Do sự ra đời của các kiểu dữ liệu mở rộng mới, các giá trị đo được có thể được gán với tem thời gian rất chính xác.
4.2 Kết nối nóng:
Nhiều ứng dụng yêu cầu thay đổi cấu hình I / O trong khi vận hành. Ví dụ, một trung tâm xử lý với các đặc điểm thay đổi, một hệ thống công cụ được trang bị cảm biến, một thiết bị truyền thông minh, bộ truyền động phôi linh hoạt và máy in có thể đóng độc lập thiết bị in. Hệ thống EtherCAT đưa các yêu cầu này vào tài khoản: Chức năng "kết nối nóng" có thể kết nối hoặc ngắt kết nối các phần khác nhau của mạng hoặc "tự động" định cấu hình lại chúng để cung cấp phản hồi linh hoạt cho các cấu hình thay đổi.
4.3 Tính khả dụng cao:
Sự dư thừa cáp tùy chọn đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về tính khả dụng của hệ thống tăng lên để thiết bị có thể được thay thế mà không cần tắt mạng.
EtherCAT cũng hỗ trợ trạm chủ dự phòng với chế độ chờ nóng. Kể từ khi bộ điều khiển nô lệ EtherCAT tự động trả về khung khi gặp phải gián đoạn, lỗi thiết bị sẽ không làm cho toàn bộ mạng bị tắt. Ví dụ, chuỗi bảo vệ cáp có thể được cấu hình đặc biệt dưới dạng một thanh ngắn để ngăn ngừa vỡ.
4.4 an toàn:
Chức năng bảo mật thường được thực hiện riêng biệt với mạng tự động hóa, thông qua phần cứng hoặc sử dụng hệ thống xe buýt bảo mật chuyên dụng. Nhờ có TwinSAFE (công nghệ bảo mật của BeckhoFF), bây giờ có thể sử dụng giao thức bảo mật EtherCAT cho truyền thông liên quan đến an ninh thông tin điều khiển d trên cùng một mạng.
Giao thức bảo mật dựa trên lớp ứng dụng của EtherCAT và không ảnh hưởng đến các lớp thấp hơn. Giao thức an toàn này đã được chứng nhận theo IEC 61508 để đạt được mức độ tích hợp an toàn (SIL) 3 và thậm chí có thể đạt SIL4 sau khi thực hiện các biện pháp có liên quan. Độ dài của dữ liệu có thể thay đổi để giao thức được áp dụng như nhau cho dữ liệu I / O an toàn và công nghệ ổ đĩa an toàn. Giống như các dữ liệu EtherCAT khác, dữ liệu an toàn có thể được định tuyến mà không cần sử dụng một bộ định tuyến hoặc cổng an toàn.
4.5 Chẩn đoán:
Khả năng chẩn đoán của mạng là rất quan trọng để tăng cường tính khả dụng của mạng và giảm thời gian vận hành (do đó làm giảm chi phí tổng thể). Lỗi chỉ có thể được loại bỏ ngay lập tức nếu chúng được phát hiện một cách nhanh chóng và chính xác và được xác định rõ ràng. Vì vậy, trong quá trình phát triển EtherCAT, đặc biệt chú ý đến các tính năng chẩn đoán điển hình.
Trong quá trình thử nghiệm, cấu hình thực tế của thiết bị đầu cuối I / O được kiểm tra tính liên tục bằng cách sử dụng cấu hình được chỉ định. Cấu trúc liên kết cũng phải khớp với cấu hình. Do việc xác định cấu trúc liên kết tích hợp, I / O có thể được xác nhận khi hệ thống được khởi động hoặc khi hệ thống được cài đặt tự động.
Lỗi bit trong quá trình truyền dữ liệu có thể được phát hiện với CRC 32 bit hợp lệ. Ngoài việc phát hiện điểm ngắt và vị trí, việc truyền lớp vật lý và cấu trúc liên kết thông qua giao thức hệ thống EtherCAT làm cho việc giám sát chất lượng cao từng phân đoạn truyền dẫn riêng lẻ trở thành hiện thực. Bằng cách tự động phân tích các bộ đếm lỗi có liên quan, phần mạng quan trọng có thể được định vị chính xác. Bạn có thể phát hiện và định vị các nguồn lỗi không đổi như nhiễu EMC, đầu nối bị lỗi hoặc cáp bị hỏng, ngay cả khi chúng không có tác động quá mức đến khả năng tự chữa lành của mạng.
4.6 Tính mở:
Công nghệ EtherCAT không chỉ tương thích hoàn toàn với Ethernet, mà còn có các đặc tính mở thiết kế đặc biệt: giao thức này có thể cùng tồn tại với các giao thức Ethernet khác cung cấp các dịch vụ khác nhau và tất cả các giao thức cùng tồn tại trong cùng một môi trường vật lý. một mức độ nhỏ của tác động. Một thiết bị Ethernet tiêu chuẩn có thể được kết nối với một hệ thống EtherCAT thông qua một thiết bị đầu cuối chuyển đổi, mà không ảnh hưởng đến thời gian chu kỳ. Các thiết bị có giao diện fieldbus truyền thống có thể được tích hợp vào mạng thông qua kết nối của thiết bị đầu cuối chính fieldbus EtherCAT. Biến thể giao thức UDP cho phép thiết bị được tích hợp trong bất kỳ giao diện khe cắm nào. EtherCAT là một giao thức mở hoàn toàn đã được xác định là một đặc tả IEC chính thức (IEC / PAS62407).