اصول کار EtherCAT
1. اصل عملیات:
تعدادی از راه حل های اترنت موجود برای ارائه قابلیت های زمان واقعی وجود دارد: برای مثال، فرایند دسترسی CSMA / CD از طریق یک لایه پروتکل سطح بالا غیرفعال شده و با یک تکه زمان یا فرایند رای گیری جایگزین می شود. راه حل های دیگر استفاده از سوئیچ های اختصاصی و استفاده از کنترل دقیق زمان برای توزیع بسته های اترنت. اگر چه این راه حل ها می توانند بسته ها را به گره های متصل به اترنت سریعتر و دقیق تر حمل کنند، استفاده از پهنای باند بسیار پایین است، به ویژه برای تجهیزات اتوماسیون معمول، زیرا حتی برای حجم های بسیار کوچک داده، باید یک قاب اترنت کامل فرستاده شود. علاوه بر این، زمان لازم برای هدایت به کنترل خروجی یا درایو و خواندن داده های ورودی عمدتا بستگی به حالت اجرای دارد. معمولا برای استفاده از فرکانس های متناوب، به خصوص در سیستم های ورودی / خروجی مدولار، این سیستم ها و BeckhoFF K-bus، از طریق سیستم فرعی همزمان، برای سرعت بخشیدن به سرعت انتقال استفاده می شود، اما چنین هماهنگ سازی نمی تواند اجتناب شود تاخیر ناشی از انتقال اتوبوس ارتباطی.
با استفاده از تکنولوژی EtherCAT، BeckhoFF از طریق این محدودیت های سیستم دیگر راه حل های اترنت شکست خورد: به جای دریافت بسته های اترنت در هر نقطه اتصال به عنوان قبل، رمزگشایی و کپی کردن به عنوان داده پردازش. هنگامی که یک فریم از طریق هر دستگاه (از جمله دستگاه ترمینال زیرین) عبور می کند، کنترل کننده فرعی EtherCAT داده هایی را که برای دستگاه مهم است خواند. به طور مشابه، داده های ورودی را می توان به عنوان پیام از طریق عبور از آن وارد شده است. هنگامی که فریم منتقل می شود (فقط چند بیت به تأخیر می اندازد)، فرعی دستور فرمان را شناسایی و پردازش می کند. این فرایند در سخت افزار در کنترل کننده فرعی اجرا می شود و بنابراین مستقل از عملکرد سیستم عامل واقعی یا عملکرد پردازنده نرم افزار پروتکل پشته است. آخرین برده EtherCAT در بخش، پیام کامل پردازش را به نمایش می گذارد تا پیام به عنوان پاسخ از اولین برده به استاد بازگردد.
از دیدگاه اترنت، بخش اتوبوس EtherCAT به سادگی یک دستگاه اترنت بزرگ است که می تواند فریم های اترنت را دریافت و ارسال کند. با این حال، "دستگاه" شامل یک کنترل کننده اترنت تنها با ریز پردازنده پایین دست نیست، اما تنها تعداد زیادی از بردگان EtherCAT. همانند هر اترنت دیگر، EtherCAT می تواند ارتباط برقرار کند بدون نیاز به یک سوئیچ، بنابراین یک سیستم EtherCAT خالص ایجاد می کند.
2. پایانه های اترنت:
هر دستگاه از سیستم یک پروتکل اترنت کامل، حتی برای هر ترمینال I / O، بدون استفاده از زیر اتوبوس، را تضمین می کند. به سادگی متصل انتقال دهنده جفت کننده را از جفت پیچ خورده (100baseTX) به اتوبوسر E برای پاسخگویی به الزامات بلوک ترمینال الکترونیکی تبدیل کنید. نوع سیگنال (LVDS) در بلوک ترمینال اختصاص داده نشده است، همچنین می تواند برای 10 گیگابیت اترنت استفاده شود. در پایان بلوک ترمینال، ویژگی های اتوبوس فیزیکی به استاندارد 100baseTX تبدیل می شوند.
MAC های استاندارد اترنت یا کارت های استاندارد شبکه ارزان قیمت (NICs) برای استفاده به عنوان سخت افزار در کنترل کننده کافی است. DMA (Direct Memory Access) برای انتقال اطلاعات به کامپیوتر استفاده می شود. این به این معنی است که دسترسی به شبکه بر عملکرد پردازنده تأثیری ندارد. همان اصل در کارت Multiport کارت BeckhoFF مورد استفاده قرار گرفته است، که با 4 کانال اترنت در یک اسلات PCI بسته می شود.
3. پردازش پروتکل به طور کامل در سخت افزار انجام می شود
پروتکل 3.1:
پروتکل EtherCAT برای داده های پردازش بهینه شده است و به طور مستقیم به فریم های اترنت انتقال داده می شود و یا به دیتاگرام های UDP / IP فشرده می شود. پروتکل UDP زمانی استفاده می شود که بخش EtherCAT در زیر شبکه های دیگر توسط روتر مورد خطاب قرار می گیرد. یک فریم اترنت ممکن است شامل چندین پیام EtherCAT باشد، که هر کدام به یک حافظه خاص اختصاص داده شده است که می تواند برای برنامه پردازش تصویر منطقی تا حجم 4 گیگابایت استفاده شود. از آنجا که زنجیره داده مستقل از توالی فیزیکی پایانه های EtherCAT است، پایانه های EtherCAT را می توان آزادانه مورد خطاب قرار داد. ایستگاه های فرعی می توانند پخش، چندرسانه ای و ارتباط برقرار کنند.
این پروتکل همچنین می تواند به طور معمول ارتباط غیر پارامتریک پارامتر را مدیریت کند. ساختار و معنای پارامترها توسط مشخصات دستگاه CANOPEN تنظیم می شود و این پروفایل دستگاه برای انواع کلاس ها و برنامه های کاربردی مورد استفاده قرار می گیرد. EtherCAT همچنین از قوانین وابسته که مطابق با استاندارد IEC 61491 هستند پشتیبانی می کند. پروفیل به نام SERCOSTM نامگذاری شده و در جهان از برنامه های کاربردی کنترل حرکت شناخته شده است.
علاوه بر مبادله داده ها با توجه به اصل اصلی / برده، EtherCAT نیز برای ارتباط بین کنترل کننده ها (master / master) بسیار مناسب است. متغیرهای شبکه داده پردازش آزاد و همچنین پارامترهای مختلف، تشخیص، برنامه نویسی و خدمات کنترل از راه دور می توانند نیازهای متعدد را برآورده کنند. رابط داده برای ارتباطات master / slave با master / master همان است.
FMMU: پردازش پیام به طور کامل در سخت افزار انجام می شود
عملکرد 3.2:
EtherCAT در عملکرد شبکه به ارتفاع جدید رسیده است. چرخه تازه سازی 1000 داده I / O توزیع شده فقط 30μs است، از جمله زمان چرخه ترمینال. با یک قاب اترنت، تا 1486 بایت داده پردازش می تواند مبادله شود که مربوط به تقریبا 12،000 دیجیتال I / Os می باشد. انتقال این حجم داده فقط 300 مگا بایت است.
ارتباط با 100 محور سروو تنها 100 مگا بایت است. در طول این زمان، مقادیر و داده های کنترل را می توان به تمامی محور ها ارائه کرد و موقعیت و وضعیت واقعی آنها را می توان گزارش داد. تکنولوژی ساعت توزیع شده تضمین می کند که زمان هماهنگ سازی بین این محورها کمتر از 1 میکرو ثانیه است.
با استفاده از عملکرد برتر تکنولوژی EtherCAT، می توان یک روش کنترل را اجرا کرد که نمی تواند با یک سیستم اتوبوس های معمولی تحقق یابد. به این ترتیب، یک حلقه کنترل فوق سریع نیز می تواند از طریق اتوبوس تشکیل شود. ویژگی هایی که قبلا نیاز به پشتیبانی سخت افزاری اختصاصی محلی داشت، اکنون می تواند در نرم افزار نقشه برداری شود. منابع پهنای باند بسیار وسیع اجازه می دهد که داده های وضعیت به موازات هر داده منتقل شوند. فن آوری EtherCAT فناوری ارتباطات را قادر می سازد تا با سازگار با رایانه های پیشرفته صنعتی پیشرفته سازگار شود. سیستم اتوبوس دیگر تنگنا مفهوم کنترل نیست. انتقال داده های I / O توزیع شده بیش از عملکردی است که تنها می تواند توسط رابط I / O محلی به دست آید.
این مزیت عملکرد شبکه در کنترل کننده های کوچک با قدرت محاسباتی نسبتا متوسط دیده می شود. حلقه سرعت بالا EtherCAT را می توان بین دو دوره کنترل کامل کرد. بنابراین، کنترل کننده همیشه دارای آخرین اطلاعات ورودی موجود است و تاخیر در آدرس دهی خروجی حداقل است. رفتار واکنشی کنترل کننده بدون نیاز به تقویت قدرت محاسباتی خود به طور قابل توجهی بهبود یافته است.
اصل تکنولوژی EtherCAT مقیاس پذیر است، و نه محدود به پهنای باند 100M - اترنت به Gigabit گسترش نیز ممکن است.
3.3 EtherCAT PCI را جایگزین:
با سرعت بخشیدن به کوچک سازی اجزای PC، اندازه PC های صنعتی به طور عمده بر تعداد مورد نیاز اسلات بستگی دارد.
استفاده از پهنای باند اترنت با سرعت بالا و پهنای باند داده از سخت افزار ارتباطات EtherCAT (EtherCAT Slave Controller) امکاناتی جدید برای کاربرد را باز می کند: رابط هایی که معمولا در IPC واقع می شوند به ترمینال های رابط هوشمند در سیستم EtherCAT منتقل می شوند. علاوه بر توزیع I / O، محورها و واحد های کنترل، سیستم های پیچیده ای مانند اساتید Fieldbus، رابط های سریال با سرعت بالا، دروازه ها و دیگر رابط های ارتباطی می توانند از طریق یک پورت اترنت در رایانه استفاده شوند. حتی دیگر دستگاه های اترنت که به انواع پروتکل محدود نمی شوند می توانند از طریق ترمینال سوئیچ توزیع متصل شوند. اندازه میزبان PC صنعتی کوچکتر و کوچکتر می شود و هزینه پایین تر و پایین تر می شود. رابط اترنت برای تمام وظایف ارتباطی کافی است.
اترنت به جای دستگاه های Fieldbus PCI (Profibus، CANOPEN، DeviceNet، AS-i، و غیره) برای ادغام از طریق پایانه های اصلی پراکنده فیدر استفاده می شود. استفاده از استاد Fieldbus صرفه جویی در اسلات PCI در PC.
3.4 توپولوژی:
اتوبوس، درخت یا ستاره: EtherCAT از تقریبا هر توپولوژی پشتیبانی می کند. بنابراین، ساختار اتوبوس حاصل از اتوبوس میدان نیز می تواند برای اترنت استفاده شود. ترکیبی از ساختارهای اتوبوس و شاخه مخصوص کابل کشی سیستم است. تمام واسط ها بر روی اتصال دهنده قرار گرفته و هیچ سوئیچ اضافی مورد نیاز نیست. البته، یک توپولوژی اترنت ستاره ای مبتنی بر سوئیچ نیز می تواند مورد استفاده قرار گیرد.
استفاده از کابل های انتقال مختلف، انعطاف پذیری کابل کشی را افزایش می دهد. کابل پچ Ethernet استاندارد قابل انعطاف و ارزان می تواند سیگنال های ارسال شده از طریق حالت اترنت (100baseTX) یا از طریق اتوبوس E را انتقال دهد. فیبر نوری (PFO) را می توان برای برنامه های خاص استفاده کرد. پهنای باند اترنت (به عنوان مثال، کابل های مختلف فیبر نوری و کابل های مس) می تواند در ارتباط با سوئیچ ها یا مبدل های رسانه ای استفاده شود. ویژگی های فیزیکی Fast Ethernet می تواند فاصله بین دستگاه ها را به 100 متر برساند، در حالی که E-bus تنها می تواند فاصله 10 متر را تضمین کند. اترنت سریع یا E-bus را می توان با توجه به نیازهای فاصله انتخاب کرد. سیستم EtherCAT می تواند تا 65،535 دستگاه را جایگزین کند، بنابراین کل شبکه تقریبا نامحدود است
4. انتخاب آزاد توپولوژی
حداکثر انعطاف پذیری در کابل کشی وجود دارد: استفاده از سوئیچ ها، استفاده از توپولوژی اتوبوس یا توپولوژی درخت. انتساب آدرس خودکار بدون نیاز به تنظیم یک آدرس IP
4.1 توزیع ساعت:
هماهنگی دقیق در فرایند توزیع بسیار مهم است که در آن طیف وسیعی از اقدامات همزمان مورد نیاز است، مانند زمانی که چندین محور سروو انجام وظایف همزمان را پیاده سازی کنند.
کالیبراسیون دقیق ساعت توزیع شده موثرترین راه برای همگام سازی است. در عوض، اگر هماهنگ سازی کامل استفاده شود، کیفیت داده های هماهنگ سازی زمانی که خطاهای ارتباطی رخ می دهد، تا حد زیادی تحت تأثیر قرار خواهند گرفت. در سیستم ارتباطی، ساعت کالیبراسیون گام به گام تا حدی تاخیر خطا را تحمل می کند. در EtherCAT، تبادل اطلاعات به طور کامل براساس دستگاههای سخت افزاری خالی است. از آنجا که ارتباط از یک ساختار شبکه حلقه منطقی، Fast Diffuse Ethernet و یک ساختار شبکۀ واقعی استفاده می کند، "ساعت اصلی" می تواند به سادگی و با دقت تعیین جریمه عملیاتی برای هر "ساعت برده" و بالعکس. ساعت توزیع شده بر اساس این مقدار تنظیم می شود، بدین معنا که می تواند پایه بسیار دقیق ساعت را با کمتر از 1 میکروسکونه در شبکه فراهم کند.
با این حال، ساعتهای توزیع شده با عملکرد بالا نه تنها برای هماهنگ سازی استفاده می شوند، بلکه همچنین اطلاعات دقیق بر روی زمان محلی را در هنگام کسب اطلاعات فراهم می کنند. با توجه به معرفی انواع داده های توسعه داده شده، ارزش های اندازه گیری را می توان با تمبر بسیار دقیق تعیین کرد.
4.2 اتصال داغ:
بسیاری از برنامه ها نیاز به تغییر پیکربندی I / O در طول عملیات دارند. برای مثال، یک مرکز پردازش با تغییر ویژگی ها، یک سیستم ابزار مجهز به سنسور، یک دستگاه انتقال هوشمند، یک محرک تهیه انعطاف پذیر و یک چاپگر است که می تواند به طور مستقل دستگاه چاپ را متوقف کند. سیستم EtherCAT این نیازها را در نظر می گیرد: عملکرد "اتصال داغ" می تواند بخش های مختلف شبکه را متصل یا قطع کند یا "پویا" آنها را دوباره تنظیم کند تا پاسخ انعطاف پذیر را به تغییرات تنظیمات ارائه دهد.
4.3 در دسترس بودن بالا:
افزونگی کابل اختیاری با توجه به افزایش تقاضا برای افزایش دسترسی به سیستم، به طوری که تجهیزات را بدون تعطیل کردن شبکه جایگزین می کند.
EtherCAT همچنین ایستگاه های کارشناسی ارشد خالی را با حالت آماده به کار آماده می کند. از آنجایی که کنترل کننده برده EtherCAT به طور خودکار هنگامی که وقفه مواجه می شود، فریم ها را باز می کند، از بین رفتن یک دستگاه، کل شبکه را خاموش نخواهد کرد. به عنوان مثال، زنجیره حفاظت کابل می تواند به طور خاص به شکل یک نوار کوتاه برای جلوگیری از شکستن پیکربندی شده است.
4.4 ایمنی:
توابع امنیت به طور کلی به طور جداگانه از شبکه اتوماسیون، از طریق سخت افزار و یا با استفاده از یک سیستم اتوبوس اختصاصی اختصاص داده شده است. با تشکر از TwinSAFE (فن آوری امنیتی BeckhoFF)، اکنون می توانید از پروتکل امنیتی EtherCAT برای ارتباطات مرتبط با امنیت و ارتباطات کنترل D در همان شبکه استفاده کنید.
پروتکل امنیتی مبتنی بر لایه کاربردی EtherCAT است و لایه های پایین تر را تحت تاثیر قرار نمی دهد. این پروتکل ایمنی با توجه به IEC 61508 برای رسیدن به سطح یکپارچه ایمنی (SIL) 3 تایید شده است و حتی پس از اقدامات مربوطه می تواند به SIL4 برسد. طول داده ها می توانند متفاوت باشند به طوری که پروتکل به همان اندازه برای داده های I / O ایمنی و فناوری درایو ایمنی قابل استفاده است. مانند دیگر داده های EtherCAT، داده های امن را می توان بدون استفاده از یک روتر یا دروازه امن استفاده کرد.
4.5 تشخیص:
قابلیت تشخیص شبکه برای افزایش دسترسی به شبکه و کاهش زمان راه اندازی (به این ترتیب، کاهش هزینه های کلی) بسیار مهم است. خطاها را فقط می توانید سریعا حذف کنید اگر آنها به سرعت و دقیق تشخیص داده شده و به وضوح شناسایی می شوند. بنابراین، در طول توسعه EtherCAT، توجه ویژه به ویژگی های تشخیصی معمولی صورت گرفت.
در طول عملیات آزمون، پیکربندی واقعی ترمینال I / O برای پیوستگی با استفاده از پیکربندی مشخص شده بررسی می شود. توپولوژی نیز باید با پیکربندی مطابقت داشته باشد. با توجه به شناسایی توپولوژی ساخته شده، I / O را می توان زمانی که سیستم آغاز شده است یا زمانی که آن را به طور خودکار نصب شده است.
خطاهای بیت در هنگام انتقال داده ها می تواند با یک CRC معتبر 32 بیتی شناسایی شود. علاوه بر شناسایی نقطه توقف و مکان، انتقال لایه فیزیکی و توپولوژی از طریق پروتکل سیستم EtherCAT، مانیتورینگ با کیفیت بالا را برای هر بخش انتقال فردی واقعیت می بخشد. با به طور خودکار تجزیه و تحلیل شمارنده خطا مربوطه، بخش مهم شبکه را می توان دقیقا واقع شده است. شما می توانید منابع خطای ثابت مانند تداخل EMC، اتصال دهنده های معیوب یا کابل های آسیب دیده را شناسایی کرده و آنها را پیدا کنید، حتی اگر تا به حال تأثیر بیش از حد روی توانایی شبکه خود را نداشته اید.
4.6 باز بودن:
فن آوری EtherCAT نه تنها به طور کامل با اترنت سازگار است، بلکه ویژگی های خاص طراحی را نیز دارد: این پروتکل می تواند با سایر پروتکل های اترنت که خدمات مختلفی ارائه می دهند ، هماهنگ باشد و تمام پروتکل ها در یک محیط فیزیکی هماهنگ هستند - معمولا تنها عملکرد کلی شبکه یک درجه کوچک از تاثیر. یک دستگاه اترنت استاندارد می تواند به یک سیستم EtherCAT از طریق ترمینال سوئیچ متصل شود، که بر زمان چرخه تاثیر نمی گذارد. دستگاه های با رابط کاربری fieldbus سنتی می توانند از طریق اتصال ترمینال اصلی EtherCAT fieldbus به شبکه متصل شوند. نوع پروتکل UDP اجازه می دهد تا دستگاه در هر رابط حافظه یکپارچه شود. EtherCAT یک پروتکل کاملا باز است که به عنوان یک مشخصه IEC رسمی (IEC / PAS62407) شناخته شده است.