Egwyddor Gwaith EtherCAT
1. Egwyddor gweithredu:
Mae nifer o atebion Ethernet ar gael ar gyfer darparu ymarferoldeb amser real: er enghraifft, mae'r broses fynediad CSMA / CD yn anabl trwy haen protocol lefel uwch ac yn cael ei ddisodli gyda slice amser neu broses bleidleisio. Mae atebion eraill yn defnyddio switshis pwrpasol ac yn defnyddio rheolaeth amser manwl i ddosbarthu pecynnau Ethernet. Er bod yr atebion hyn yn gallu darparu pecynnau i'r nodau Ethernet cysylltiedig yn gyflymach ac yn fwy cywir, mae'r defnydd lled band yn isel iawn, yn enwedig ar gyfer offer awtomeiddio nodweddiadol, oherwydd hyd yn oed ar gyfer cyfrolau data bach iawn, mae'n rhaid anfon ffrâm Ethernet cyflawn. At hynny, mae'r amser sy'n ofynnol i ailgyfeirio i'r rheolwr allbwn neu'r gyriant a darllen data mewnbwn yn dibynnu'n bennaf ar y dull gweithredu. Fel arfer, mae angen i chi ddefnyddio is-fysiau, yn enwedig yn y system I / O modiwlaidd, y systemau hyn a BeckhoFF K-bus, drwy'r system is-fws cydamserol i gyflymu'r cyflymder darlledu, ond ni fydd cydamseru o'r fath yn gallu osgoi oedi a achosir gan drosglwyddiad bws cyfathrebu.
Drwy ddefnyddio technoleg EtherCAT, torrodd BeckhoFF y cyfyngiadau system hyn o atebion Ethernet eraill: Yn hytrach na derbyn pecynnau Ethernet ym mhob pwynt cyswllt fel o'r blaen, dadgodio a chopïo fel data proses. Pan fydd ffrâm yn mynd trwy bob dyfais (gan gynnwys y ddyfais derfynell derfynol), mae rheolwr caethweision EtherCAT yn darllen data sy'n bwysig i'r ddyfais. Yn yr un modd, gellir mewnosod data mewnbwn i'r neges wrth iddi fynd heibio. Pan fydd y ffrâm yn cael ei basio (dim ond ychydig ddarnau o oedi), mae'r gaethweision yn cydnabod y gorchymyn perthnasol a'i brosesu. Gweithredir y broses hon mewn caledwedd yn y rheolwr caethweision ac felly mae'n annibynnol ar y system weithredu amser-real neu berfformiad prosesydd meddalwedd y protocol. Mae'r caethweision EtherCAT olaf yn y segment yn dychwelyd y neges wedi'i phrosesu'n llawn fel bod y neges yn cael ei ddychwelyd fel ymateb gan y caethweision cyntaf i'r meistr.
O safbwynt Ethernet, mae'r segment bws EtherCAT yn syml yn ddyfais Ethernet fawr a all dderbyn ac anfon fframiau Ethernet. Fodd bynnag, nid yw'r "ddyfais" yn cynnwys rheolwr Ethernet sengl gyda microsbrosesydd i lawr yr afon, ond dim ond nifer fawr o gaethweision EtherCAT. Fel unrhyw Ethernet arall, gall EtherCAT sefydlu cyfathrebu heb fod angen switsh, gan greu system EtherCAT pur.
2. Terfynellau gweithredu Ethernet:
Mae pob dyfais o'r system yn gwarantu defnyddio protocol Ethernet cyflawn, hyd yn oed ar gyfer pob terfynfa I / O, heb ddefnyddio is-bws. Yn syml, trosi cyfrwng trosglwyddo'r cwplwr o bâr twisted (100baseTX) i E bws i fodloni gofynion y bloc terfynell electronig. Nid yw'r math o arwydd bws E (LVDS) yn y bloc terfynell yn ymroddedig, gellir ei ddefnyddio hefyd ar gyfer 10 Gigabit Ethernet. Ar ddiwedd y bloc terfynell, caiff nodweddion bws ffisegol eu trawsnewid yn ôl i'r safon 100baseTX.
Mae MACs Ethernet Safonol neu gardiau rhwydwaith safonol rhad (NICs) yn ddigonol i'w defnyddio fel caledwedd yn y rheolwr. Defnyddir DMA (Direct Memory Access) i drosglwyddo data i'r PC. Mae hyn yn golygu nad yw mynediad rhwydwaith yn cael unrhyw effaith ar berfformiad CPU. Defnyddir yr un egwyddor yng nghartyn amlport BeckhoFF, sy'n bwndelu hyd at 4 sianel Ethernet mewn un slot PCI.
3. Mae'r prosesu protocol wedi'i berfformio'n llwyr mewn caledwedd
3.1 protocol:
Mae'r protocol EtherCAT wedi'i optimeiddio ar gyfer data proses ac fe'i trosglwyddir yn uniongyrchol i fframiau Ethernet neu ei gywasgu i mewn i datagramau CDU / IP. Defnyddir y protocol CDU pan fydd y llwybrydd yn mynd i'r afael â'r segment EtherCAT mewn is-bethau eraill. Gall ffrâm Ethernet gynnwys nifer o negeseuon EtherCAT, pob un ohonynt yn ymroddedig i faes cof penodol y gellir eu defnyddio i raglen delwedd broses resymegol hyd at 4GB o faint. Gan fod y gadwyn ddata yn annibynnol ar ddilyniant ffisegol y terfynellau EtherCAT, gellir mynd i'r afael â therfynellau EtherCAT yn rhydd. Gall gorsafoedd caethweidio ddarlledu, cyfathrebu a chyfathrebu.
Gall y protocol hefyd gyfathrebu â pharamedr anghyclegol fel rheol. Pennir strwythur ac ystyr y paramedrau gan broffil dyfais CANOPEN a defnyddir y proffiliau dyfeisiau hyn ar gyfer amrywiaeth o ddosbarthiadau a chymwysiadau dyfais. Mae EtherCAT hefyd yn cefnogi rheolau dibynnol sy'n cydymffurfio â safon IEC 61491. Mae'r proffil wedi'i enwi ar ôl SERCOSTM ac fe'i cydnabyddir yn gyffredinol ym myd ceisiadau rheoli cynnig.
Yn ychwanegol at gyfnewid data yn unol â'r egwyddor feistr / caethweision, mae EtherCAT hefyd yn addas iawn ar gyfer cyfathrebu rhwng rheolwyr (meistr / meistr). Gall amrywiadau rhwydwaith data proses annerbyniol yn ogystal â gwahanol wasanaethau paramedr, diagnosteg, rhaglennu a rheoli o bell fodloni nifer o ofynion. Mae'r rhyngwyneb data ar gyfer y meistr / cyfathrebu caethweision gyda'r meistr / meistr yr un peth.
FMMU: Perfformir prosesu negeseuon yn gyfan gwbl mewn caledwedd
3.2 perfformiad:
Mae EtherCAT wedi cyrraedd uchder newydd mewn perfformiad rhwydwaith. Mae'r cylch adnewyddu o 1000 data I / O a ddosberthir yn ddim ond 30μ, gan gynnwys amser cylch y derfynell. Gyda ffrâm Ethernet, gellir cyfnewid hyd at 1486 bytes o ddata proses, sy'n cyfateb i bron i 12,000 o I / Os digidol. Dim ond 300 μs yw trosglwyddiad y gyfrol ddata hon.
Dim ond 100 μs yw cyfathrebu â 100 servo axes. Yn ystod yr amser hwn, gellir gosod gwerthoedd a data rheoli i bob echelin, a gellir adrodd am eu sefyllfa a'u statws gwirioneddol. Mae technoleg cloc wedi'i ddosbarthu yn sicrhau bod yr amser cydamseru rhwng yr echeliniau hyn yn gwyro llai na 1 microsecond.
Gan ddefnyddio perfformiad uwch-dechnoleg EtherCAT, mae'n bosibl gweithredu dull rheoli na ellir ei wireddu gyda system bws maes confensiynol. Yn y modd hwn, gellir ffurfio dolen reolaeth ultrafast drwy'r bws hefyd. Erbyn hyn, mae'n bosib na ellir mapio nodweddion a oedd yn flaenorol yn y gefnogaeth caledwedd neilltuol lleol mewn meddalwedd. Mae adnoddau lled band eang yn caniatáu i'r data statws gael ei drosglwyddo ochr yn ochr ag unrhyw ddata. Mae technoleg EtherCAT yn galluogi technoleg gyfathrebu i gyd-fynd â chyfrifiaduron diwydiannol modern modern. Nid yw'r system bysiau bellach yn darn y cysyniad rheoli. Mae trosglwyddo data I / O wedi'i ddosbarthu'n fwy na'r perfformiad y gellir ei gyflawni gan y rhyngwyneb I / O lleol yn unig.
Mae'r mantais perfformiad rhwydwaith hwn yn amlwg mewn rheolwyr bach â phŵer cyfrifiadurol cymharol gymedrol. Gellir cwblhau dolen gyflym uchel EtherCAT rhwng dau gylch rheoli. Felly, mae'r rheolwr bob amser yn meddu ar y data mewnbwn diweddaraf sydd ar gael, ac mae'r oedi wrth roi sylw i allbwn yn fach iawn. Mae ymddygiad ymateb y rheolydd wedi'i wella'n sylweddol heb yr angen i wella ei bŵer cyfrifiadurol ei hun.
Mae egwyddor technoleg EtherCAT yn raddol, heb fod yn gyfyngedig i lled band 100M - mae Ethernet wedi'i ymestyn i Gigabit hefyd yn bosibl.
3.3 Mae EtherCAT yn disodli PCI:
Gyda chyflymiad miniaturization cydrannau PC, mae maint cyfrifiaduron diwydiannol yn dibynnu'n bennaf ar y nifer gofynnol o slotiau.
Mae defnyddio lled band Ethernet cyflym ac ehangder band data caledwedd cyfathrebu EtherCAT (Rheolwr Caethweision EtherCAT) yn agor posibiliadau newydd ar gyfer y cais: rhyngwynebau sydd fel arfer yn yr IPC yn cael eu trosglwyddo i'r terfynellau rhyngwyneb deallus yn y system EtherCAT. Yn ogystal ag unedau I / O, echeliniau a rheoli dosbarthu, gellir mynd i'r afael â systemau cymhleth megis meistri bws caeau, rhyngwynebau serial cyflym, pyrth a rhyngwynebau cyfathrebu eraill trwy borthladd Ethernet ar y cyfrifiadur. Gellir cysylltu hyd yn oed ddyfeisiadau Ethernet eraill nad ydynt yn gyfyngedig i amrywiadau protocol trwy derfynellau newid dosbarthu. Mae maint y gwesteiwr PC diwydiannol yn mynd yn llai ac yn llai, ac mae'r gost yn mynd yn is ac yn is. Mae rhyngwyneb Ethernet yn ddigonol ar gyfer pob tasg gyfathrebu.
Defnyddir Ethernet yn hytrach na dyfeisiadau bws maes PCI (Profibus, CANOPEN, DeviceNet, AS-i, ac ati) i integreiddio trwy derfynellau meistr maesbus dosbarthu. Nid yw defnyddio meistr bws maes yn arbed slotiau PCI yn y cyfrifiadur.
3.4 Topoleg:
Bws, coeden neu seren: Mae EtherCAT yn cefnogi bron unrhyw topology. Felly, gellir defnyddio strwythur bysiau'r bws caeau ar gyfer Ethernet hefyd. Mae cyfuno'r strwythurau bysiau a changhennau yn arbennig o ddefnyddiol ar gyfer ceblau system. Mae pob rhyngwyneb wedi'i leoli ar y cwplwr ac nid oes angen switshis ychwanegol. Wrth gwrs, gellir defnyddio topoleg Ethernet seren swits traddodiadol hefyd.
Mae defnyddio ceblau trosglwyddo gwahanol yn cynyddu'r hyblygrwydd y ceblau. Gall y cebl parc Ethernet safon hyblyg a rhad drosglwyddo signalau trwy ddull Ethernet (100baseTX) neu drwy'r bws E. Gellir defnyddio ffibr optegol (PFO) ar gyfer ceisiadau arbennig. Gellir defnyddio lled band Ethernet (ee, ceblau ffibr optig gwahanol a cheblau copr) ar y cyd â switsys neu drawsnewidwyr cyfryngau. Gall nodweddion ffisegol Ethernet Cyflym wneud y pellter rhwng dyfeisiau'n cyrraedd 100 metr, tra bod yr E-fws yn gallu gwarantu lle i 10 metr yn unig. Gellir dewis Ethernet Cyflym neu E-fws yn unol â gofynion pellter. Gall y system EtherCAT ddarparu hyd at 65,535 o ddyfeisiau, felly mae'r rhwydwaith cyfan bron yn ddidyn
4. Dewis am ddim o topology
Mae uchafswm hyblygrwydd ar y ceblau: p'un ai i ddefnyddio switshis, boed i ddefnyddio topology bws neu topology coeden. Aseiniad cyfeiriad awtomatig; nid oes angen gosod cyfeiriad IP.
4.1 Cloc wedi'i ddosbarthu:
Mae cydamseru cywir yn arbennig o bwysig yn y broses ddosbarthu lle mae angen ystod eang o gamau ar yr un pryd, megis pan mae sawl servo axes yn perfformio tasgau cyswllt ar yr un pryd.
Mae graddnodi cywir y cloc wedi'i ddosbarthu yw'r ateb mwyaf effeithiol ar gyfer cydamseru. I'r gwrthwyneb, os defnyddir cydamseriad llawn, bydd ansawdd y data cydamseru yn cael ei effeithio'n fawr pan fydd gwallau cyfathrebu yn digwydd. Yn y system gyfathrebu, mae'r cloc graddnodi cam wrth gam yn oddefiol o oedi gwall i ryw raddau. Yn EtherCAT, mae cyfnewid data wedi'i seilio'n gyfan gwbl ar ddyfeisiau caledwedd pur. Gan fod y cyfathrebu'n defnyddio strwythur rhwydwaith rhesymegol, Ethernet Cyflym-duplex llawn, a strwythur gwirioneddol y rhwydwaith cylch, gall y "meistr cloc" benderfynu yn union ac yn gywir ar yr iawndal ar gyfer pob "cloc caethweision" ac i'r gwrthwyneb. Mae'r cloc wedi'i ddosbarthu wedi'i addasu yn seiliedig ar y gwerth hwn, sy'n golygu y gall ddarparu sylfaen cloc gywir iawn gyda chriw llai na 1 microsecond yn y rhwydwaith.
Fodd bynnag, ni ddefnyddir clociau dosbarthu perfformiad uchel yn unig ar gyfer cydamseru, ond hefyd maent yn darparu gwybodaeth gywir am amser lleol yn ystod caffael data. Oherwydd cyflwyno mathau o ddata estynedig newydd, gellir neilltuo gwerthoedd mesur gyda stampiau amser cywir iawn.
4.2 Cysylltiad poeth:
Mae angen i lawer o geisiadau newid y ffurfweddiad I / O wrth weithredu. Er enghraifft, canolfan brosesu gyda nodweddion newidiol, system offer offer synhwyrydd, dyfais trosglwyddo deallus, actuator gweithle hyblyg, ac argraffydd sy'n gallu cau'r uned argraffu yn annibynnol. Mae'r system EtherCAT yn ystyried y gofynion hyn: Gall y swyddogaeth "cysylltiad poeth" gysylltu neu ddatgysylltu gwahanol rannau'r rhwydwaith neu eu "ail-ffurfio" yn ddynamig i ddarparu ymateb hyblyg i gyfluniadau sy'n newid.
4.3 Argaeledd uchel:
Mae'r diswyddiad cebl dewisol yn bodloni'r galw cynyddol am gynyddu'r system sydd ar gael fel bod modd ailosod offer heb orfod cau'r rhwydwaith.
Mae EtherCAT hefyd yn cefnogi meistr gorsafoedd sydd heb eu dileu â phwys wrth gefn. Gan fod rheolwr caethweision EtherCAT yn dychwelyd fframiau yn awtomatig pan fydd ymyrraeth yn digwydd, ni fydd methiant dyfais yn achosi'r rhwydwaith cyfan i gau. Er enghraifft, gellir gosod y gadwyn amddiffyn cebl yn arbennig ar ffurf bar byr i atal torri.
4.4 diogelwch:
Gweithredir swyddogaethau diogelwch yn gyffredinol ar wahân i'r rhwydwaith awtomeiddio, trwy galedwedd neu ddefnyddio system bws diogelwch penodedig. Diolch i TwinSAFE (technoleg diogelwch BeckhoFF), mae bellach yn bosibl defnyddio protocol diogelwch EtherCAT ar gyfer cyfathrebu â chyfathrebu a chyfathrebu rheoli d ar yr un rhwydwaith.
Mae'r protocol diogelwch yn seiliedig ar haen cais EtherCAT ac nid yw'n effeithio ar yr haenau is. Mae'r protocol diogelwch hwn wedi'i ardystio yn ôl IEC 61508 i gyflawni lefel integreiddio diogelwch (SIL) 3 a gall hyd yn oed gyrraedd SIL4 ar ôl cymryd mesurau perthnasol. Gall hyd y data amrywio fel bod y protocol yr un mor berthnasol i dechnoleg diogelwch I / O a thechnoleg gyrru diogelwch. Fel data EtherCAT arall, gellir trefnu data diogel heb ddefnyddio llwybrydd neu borth ddiogel.
4.5 Diagnosis:
Mae galluoedd diagnostig y rhwydwaith yn bwysig iawn i wella argaeledd y rhwydwaith a lleihau amser comisiynu (gan leihau costau cyffredinol). Dim ond os ydynt yn cael eu canfod yn gyflym ac yn gywir ac yn cael eu nodi'n glir y gellir dileu gwallau yn brydlon. Felly, yn ystod datblygiad EtherCAT, rhoddwyd sylw arbennig i nodweddion diagnostig nodweddiadol.
Yn ystod y cyfnod prawf, caiff ffurfweddiad gwirioneddol y terfynell I / O ei wirio ar gyfer parhad gan ddefnyddio'r ffurfweddiad penodedig. Rhaid i'r topology hefyd gydweddu â'r ffurfweddiad. Oherwydd yr adnabyddiaeth topotegol a adeiladwyd, gellir cadarnhau I / O pan ddechreuir y system neu pan gaiff ei osod yn awtomatig.
Gellir canfod camgymeriadau bit yn ystod trosglwyddo data gyda CRC dilys 32-bit. Yn ychwanegol at ddarganfod a lleoliad canolfannau torri, mae trosglwyddo'r haen ffisegol a'r topoleg trwy'r protocol system EtherCAT yn gwneud gwiriad o ansawdd uchel o bob segment trosglwyddo unigol yn realiti. Trwy ddadansoddi'r cownteri gwallau perthnasol yn awtomatig, gellir lleoli'r rhan rhwydwaith beirniadol yn fanwl gywir. Gallwch ganfod a lleoli ffynonellau gwall cyson fel ymyrraeth EMC, cysylltwyr diffygiol, neu geblau wedi'u difrodi, hyd yn oed os nad ydynt wedi cael effaith ormodol ar allu'r rhwydwaith i wella ei hun.
4.6 Agoredrwydd:
Nid yw technoleg EtherCAT nid yn unig yn gwbl gydnaws ag Ethernet, ond mae ganddo hefyd nodweddion agored dylunio arbennig: gall y protocol hwn gyd-fynd â phrotocolau Ethernet eraill sy'n darparu gwahanol wasanaethau, ac mae pob protocol yn cyd-fodoli yn yr un cyfrwng corfforol - fel arfer yn unig Mae perfformiad cyffredinol y rhwydwaith wedi rhywfaint o effaith. Gellir cysylltu dyfais Ethernet safonol i system EtherCAT trwy derfynell newid, nad yw'n effeithio ar amser y cylch. Gellir integreiddio dyfeisiau gyda rhyngwyneb bws maes traddodiadol i'r rhwydwaith trwy gysylltiad terfynell feistr maes EtherCAT. Mae amrywiad protocol y CDU yn caniatáu i'r ddyfais gael ei hintegreiddio mewn unrhyw gydweddiad slot. Mae EtherCAT yn brotocol cwbl agored sydd wedi'i nodi fel manyleb IEC ffurfiol (IEC / PAS62407).