Войти
EtherCAT (Ethernet для технологии автоматизации управления ) основан на Ethernet система fieldbus, изобретенная Beckhoff Automation. Протокол стандартизирован в IEC 61158 и подходит как для жестких, так и для программных вычислений в реальном времени в технологии автоматизации.
Целью разработки EtherCAT было применение Ethernet для приложений автоматизации, требующих короткого времени обновления данных (также называемого временем цикла; ≤ 100 мкс) с низким уровнем связи джиттер (для точного синхронизация целей; ≤ 1 мкс) и снижение затрат на оборудование.
Воспроизведение мультимедиа Обработка кадров При использовании EtherCAT стандартный пакет Ethernet или кадр (согласно IEEE 802.3 ) больше не принимается, не интерпретируется и не копируется как процесс данные на каждом узле. Подчиненные устройства EtherCAT считывают адресованные им данные, пока телеграмма проходит через устройство, обрабатывая данные «на лету». Другими словами, данные и сообщения в реальном времени имеют приоритет над более общими, менее чувствительными ко времени или данными с большой нагрузкой.
Аналогичным образом вводимые данные вставляются во время прохождения телеграммы. Перед обработкой кадр не получен полностью; вместо этого обработка начинается как можно скорее. Отправка также осуществляется с минимальной задержкой в несколько битов. Обычно вся сеть может быть адресована с помощью всего одного кадра.
Эталонная модель ISO / OSI
| Уровень ISO / OSI | EtherCAT | ||
|---|---|---|---|
| Хост. уровни | 7. Приложение | HTTP *, FTP * |
|
| 6. Презентация | — | — | |
| 5. Сессия | — | — | |
| 4. Транспорт | TCP * | — | |
| Медиа. уровни | 3. Сеть | IP * | — |
| 2. Канал передачи данных |
| ||
| Ethernet MAC | |||
| 1. Физический | 100BASE-TX, 100BASE-FX | ||
| * опционально, показанный стек TCP / IP не требуется для типичных устройств fieldbus.. Мастер EtherCAT может получить доступ ко всем данным, включая имя и типы данных ведомого устройства EtherCAT без сложных инструментов.. EtherCAT использует стандартный Ethernet (IEEE 802.3 - Ethernet MAC и PHY) без изменений. | |||
Протокол EtherCAT оптимизирован для данных процесса и передается непосредственно в стандартном фрейме Ethernet IEEE 802.3 с использованием Ethertype 0x88a4. Он может состоять из нескольких субтелеграмм, каждая из которых обслуживает определенную область памяти логических образов процессов, которые могут иметь размер до 4 гигабайт. Последовательность данных не зависит от физического порядка узлов в сети; адресация может быть в любом порядке. Широковещательная передача, многоадресная передача и связь между ведомыми возможны, но должны быть инициированы ведущим устройством. Если требуется IP маршрутизация, протокол EtherCAT может быть вставлен в датаграммы UDP /IP. Это также позволяет любому управлению с помощью стека протоколов Ethernet обращаться к системам EtherCAT.
Короткое время цикла может быть достигнуто, поскольку хост микропроцессоры в подчиненных устройствах не участвуют в обработке пакетов Ethernet для передачи образов процессов. Вся передача данных процесса осуществляется аппаратным обеспечением подчиненного контроллера. В сочетании с функциональным принципом это делает EtherCAT высокопроизводительной системой распределенного ввода / вывода: обмен данными процесса с 1000 распределенными цифровыми вводами / выводами занимает около 30 мкс, что типично для передачи 125 байтов. через Ethernet 100 Мбит / с. Данные для оси 100 серво и от нее могут обновляться с частотой до 10 кГц. Типичная частота обновления сети составляет 1–30 кГц, но EtherCAT можно использовать и с более медленным временем цикла, если нагрузка DMA слишком высока.
Использование полосы пропускания максимально, так как каждый узел и все данные не требуют отдельного кадра. Таким образом, достижимо чрезвычайно короткое время цикла ≤ 100 мкс. Используя полнодуплексные функции 100BASE-TX, можно достичь эффективных скоростей передачи данных более 100 Мбит / с (>90% скорости передачи данных пользователя 2x100 Мбит / с).
Принцип технологии EtherCAT является масштабируемым и не привязан к 100 Мбит / с. В будущем возможно расширение до Gigabit Ethernet, но в настоящее время оно не готовится, так как производительность EtherCAT достаточна для скорости 100 Мбит / с.
Используя полный дуплекс физические уровни Ethernet, подчиненные контроллеры EtherCAT автоматически закрывают открытый порт и возвращают кадр Ethernet, если нет нисходящее устройство обнаружено. Подчиненные устройства могут иметь один, два или более портов. Благодаря этим функциям EtherCAT позволяет использовать множество сетевых топологий , включая линейную, древовидную, кольцевую, звездообразную или любую их комбинацию. Протокол также обеспечивает множество функций связи, таких как резервирование кабеля, горячее соединение сегментов, смена устройств во время работы или даже резервирование главного устройства с горячим резервированием.
Таким образом, комбинация вариантов топологии и различных сетевых архитектур, например подчиненные или соседние системы управления с постоянной синхронизацией предоставляют множество возможностей. Дополнительные переключатели не требуются. Физика Ethernet позволяет использовать кабель длиной до 100 м (300 футов) между двумя узлами, поэтому шина E-bus (LVDS ) предназначена только для использования в качестве физического уровня для модульных устройств. Для каждого кабельного тракта вариант сигнала можно выбрать индивидуально. Для больших расстояний или полной гальванической развязки между двумя ведомыми устройствами используются оптоволоконные кабели. Одномодовое волокно позволяет преодолевать расстояние до 20 км между двумя узлами. Поскольку в каждом сегменте сети может быть подключено в общей сложности 65 535 узлов, расширение сети практически неограничено.
Для синхронизации применяется механизм распределенных часов, что приводит к очень низкому джиттеру, значительно меньше 1 мкс, даже если колебания цикла связи, что эквивалентно IEEE 1588 Протокол точного времени стандарт (PTP). Таким образом, EtherCAT не требует специального оборудования в главном устройстве и может быть реализован программно на любом стандартном MAC-адресе Ethernet, даже без специального сопроцессора связи.
Типичный процесс установления распределенных часов инициируется ведущим устройством путем отправки широковещательной рассылки всем ведомым устройствам на определенный адрес. После получения этого сообщения все ведомые устройства будут зафиксировать значение своих внутренних часов дважды: один раз при получении сообщения и один раз при его возврате (помните, что EtherCAT имеет кольцевую топологию ). Затем мастер может прочитать все зафиксированные значения и рассчитать задержку для каждого ведомого. Этот процесс можно повторять столько раз, сколько требуется для уменьшения дрожания и усреднения значений. Общие задержки рассчитываются для каждого ведомого устройства в зависимости от их положения в кольце ведомых устройств и загружаются в регистр смещения. Наконец, ведущее устройство выполняет широковещательную перезапись системных часов, которая делает первое ведомое устройство эталонными часами и заставляет все другие ведомые устройства соответствующим образом установить свои внутренние часы с теперь известным смещением.
Чтобы синхронизировать часы после инициализации, ведущее или ведомое устройство должно регулярно отправлять широковещательную рассылку снова, чтобы противостоять любым эффектам разницы в скорости между внутренними часами каждого ведомого. Каждое ведомое устройство должно регулировать скорость своих внутренних часов или реализовывать внутренний механизм коррекции всякий раз, когда они должны регулировать.
Системные часы заданы как 64-битный счетчик с базовой единицей 1 нс, начиная с 0:00 1 января 2000 года.
Быстрое и точное обнаружение сбоев - одна из многих диагностических функций EtherCAT.
Битовые ошибки во время передачи надежно обнаруживаются путем анализа контрольной суммы CRC : 32-битный полином CRC имеет минимум расстояние Хэмминга, равное 4. Помимо протокол обнаружения ошибок и локализации, физика передачи и топология системы EtherCAT позволяют осуществлять индивидуальный мониторинг качества каждого отдельного пути передачи. Автоматический анализ соответствующих счетчиков ошибок позволяет точно локализовать критические сегменты сети.
Подробнее читайте в главе «Мониторинг».
Профили устройств описывают параметры приложений и функциональное поведение устройств, включая конечные автоматы для конкретных устройств. Следующие программные интерфейсы предоставляются для существующих профилей устройств. Таким образом, переход на EtherCAT путем настройки прошивки и оборудования значительно упрощается.
Устройства CANopen и профили приложений доступны для широкого выбора категорий устройств и приложений: модули ввода-вывода, приводы (например, профиль привода CiA 402 стандартизированы как IEC 61800-7-201 / 301), энкодеры (CiA 406), пропорциональные клапаны, гидравлические контроллеры (CiA 408) или прикладные профили. В этом случае EtherCAT заменяет CAN.
Интерфейс SERCOS - это мощный интерфейс связи в реальном времени, идеально подходящий для требовательных приложений управления движением. Профиль SERCOS для сервоприводов и коммуникационных технологий стандартизирован в IEC 61800-7. Этот стандарт также содержит отображение профиля сервопривода SERCOS в EtherCAT (IEC 61800-7-304).
Любое устройство Ethernet может быть подключено к сегменту EtherCAT через порты коммутатора. Кадры Ethernet туннелируются через протокол EtherCAT, как это обычно бывает для интернет-протоколов (например, TCP / IP, VPN, PPPoE (DSL) и др.). Сеть EtherCAT полностью прозрачна для устройств Ethernet, и функции EtherCAT в реальном времени не нарушаются.
Параллельно с разработкой EtherCAT был разработан протокол безопасности, не зависящий от промышленной шины. Для EtherCAT это доступно как «Безопасность через EtherCAT» (FSoE = отказоустойчивость через EtherCAT). С помощью FSoE можно реализовать функциональную безопасность с помощью EtherCAT. Протокол, а также реализация сертифицированы TÜV и соответствуют требованиям уровня 3 безопасности в соответствии с IEC 61508. С 2010 года безопасность через EtherCAT является международным стандартом IEC 61784-3-12. EtherCAT обеспечивает одноканальную систему связи для передачи безопасной и небезопасной информации. Транспортная среда рассматривается как черный канал и поэтому не учитывается в соображениях безопасности.
Поскольку EtherCAT использует стандартные кадры Ethernet в соответствии с IEEE 802.3, любой стандартный инструмент Ethernet может использоваться для мониторинга обмена данными EtherCAT. Кроме того, имеется бесплатное программное обеспечение парсера для Wireshark (ранее Ethereal, инструмент мониторинга с открытым исходным кодом) и сетевого монитора Microsoft, с помощью которого записанный трафик данных EtherCAT может быть удобно подготовлен и показан. В продаже имеются решения для мониторинга от Beckhoff (TwinCAT ) и acontis technologies (EC-Engineer ).
С помощью шлюзов можно интегрировать существующие сети, такие как CANopen, DeviceNet или Profibus. среду EtherCAT без проблем. Кроме того, шлюзы обеспечивают возможность перехода от традиционной полевой шины к EtherCAT без отключения, что снижает дополнительные инвестиционные затраты.
Благодаря производительности EtherCAT, связь с внешними ведущими устройствами fieldbus осуществляется так же быстро, как с традиционными картами, подключенными через PCI или другие магистральные шины. Поскольку децентрализованные интерфейсы fieldbus приводят к более коротким расширениям, они могут работать с даже более высокими скоростями передачи, чем это было бы возможно с традиционной архитектурой.
EtherCAT Technology Group (ETG) поощряет и ожидает, что компании, которые разрабатывают продукты EtherCAT, присоединятся к ETG, чтобы они могли получить идентификатор поставщика EtherCAT, получить доступ к полной документации, форуму разработчиков и коду подчиненного стека, которые Beckhoff предоставляет бесплатно членам ETG.
Мастера могут быть реализованы как программное решение на любом MAC Ethernet. Различные производители предоставляют код для разных операционных систем, включая несколько проектов с открытым исходным кодом.
Из-за перемещенного отображения на ведомом оборудовании снижаются требования к производительности ЦП ведущего. Мастер уже содержит данные в виде легко сортируемого образа процесса.
Для работы в сети ведущему устройству EtherCAT требуется циклическая структура данных процесса, а также команды загрузки для каждого ведомого устройства. Эти команды можно экспортировать в файл информации о сети EtherCAT (ENI) с помощью инструмента конфигурации EtherCAT, который использует файлы информации о подчиненном устройстве EtherCAT (ESI) с подключенных устройств. К таким инструментам конфигурации EtherCAT относятся TwinCAT от Beckhoff, EC-Engineer от acontis technologies.
В отличие от стандартного Ethernet, подчиненные устройства обрабатывают кадры EtherCAT на лету. Это требует использования аппаратно интегрированных контроллеров EtherCAT Slave (ESC) в подчиненных устройствах. ESC также доступны как ASIC или на основе FPGA. С начала 2012 года также доступны стандартные микропроцессоры с интерфейсами ведомых устройств EtherCAT.
Для простых устройств дополнительный микроконтроллер не требуется. Однако в более сложных устройствах производительность связи EtherCAT практически не зависит от производительности используемого контроллера. Таким образом, требования к микроконтроллеру определяются локальным приложением, например управление приводом.
Существует выбор плат для разработки как от поставщиков подчиненного контроллера EtherCAT, так и от сторонних поставщиков. Существуют также проекты с открытым исходным кодом для плат разработки ведомых устройств EtherCAT, такие как SOES и ArduCAT.
Типичными областями применения EtherCAT являются средства управления оборудованием (например, полупроводниковые инструменты, обработка металлов давлением, упаковка, литье под давлением, сборочные системы, печатные машины, робототехника). Горки с дистанционным управлением, используемые в железнодорожной отрасли.
Для контроля и регулирования физических процессов требуется высокая целостность данных, безопасность данных и синхронность. EtherCAT был разработан специально для таких приложений и отвечает всем требованиям быстрого управления.
Современные измерительные системы характеризуются многоканальностью, синхронностью и точностью. Благодаря расширенным функциям протокола EtherCAT обеспечивается эффективная синхронная передача данных. Сетевые функции на основе Ethernet позволяют создать измерительную сеть с распределенными измерительными модулями.
Технологическая группа EtherCAT (ETG) была основана в 2003 году и представляет собой организацию пользователей промышленного Ethernet с большинством членов в мире на сегодняшний день. Список членов ETG включает широкий спектр поставщиков промышленных средств управления, производителей оборудования, машиностроителей и технологических организаций со всего мира. ETG предлагает своим членам поддержку по внедрению и обучение, организует тесты на совместимость (часто называемые «Plug Fests») и способствует развитию и распространению технологии при поддержке своих членов и команд, работающих в офисах в Германии, Китае, Японии и Корее. и Северная Америка. Конечные пользователи ETG работают в самых разных отраслях, производители оборудования и поставщики мощных технологий управления объединяют усилия для поддержки и продвижения технологии EtherCAT. Разнообразие отраслей гарантирует оптимальную подготовку EtherCAT для самого широкого спектра приложений. Системные партнеры дают квалифицированные отзывы о простой интеграции аппаратных и программных модулей во всех требуемых классах оборудования. Средство проверки соответствия EtherCAT (CTT), разработанное при содействии компаний-членов ETG, обеспечивает совместимость и соответствие протоколу устройств EtherCAT.
EtherCAT Technology Group является официальным партнером по связям рабочих групп IEC (Международной электротехнической комиссии ) по цифровой связи. Спецификация EtherCAT была опубликована как IEC / PAS 62407 в 2005 году, которая была удалена в конце 2007 года, поскольку EtherCAT был интегрирован в международные стандарты полевых шин IEC 61158 и IEC 61784-2, а также в стандарт профиля привода IEC 61800-7. Эти стандарты IEC были единогласно одобрены в сентябре и октябре 2007 г. и были опубликованы как IS (Международные стандарты) позже в том же году. В МЭК 61800-7 EtherCAT - это стандартизированная технология связи для профилей привода SERCOS и CANopen. EtherCAT также является частью ISO 15745-4, стандарта для описания устройств XML. Кроме того, SEMI добавил EtherCAT в свой портфель стандартов (E54.20) и одобрил технологию для использования в оборудовании для производства полупроводников и плоских дисплеев. В апреле 2010 года была принята версия 2 стандарта IEC 61784-3, который содержит протокол безопасности через EtherCAT. В сентябре 2008 г. профиль установки EtherCAT был представлен в IEC 61784-5.
Форумы EtherCAT, Beckhoff и TwinCAT в LinkedIn
