EtherCAT

EtherCAT ( Ethernet for Control Automation Technology ) to system magistrali obiektowej oparty na sieci Ethernet , wynaleziony przez firmę Beckhoff Automation. Protokół jest znormalizowany w normie IEC 61158 i nadaje się zarówno do twardych, jak i miękkich wymagań obliczeniowych w czasie rzeczywistym w technologii automatyzacji.

Celem podczas opracowywania EtherCAT było zastosowanie Ethernetu do aplikacji automatyzacji wymagających krótkich czasów aktualizacji danych (zwanych także czasami cyklu; ≤ 100 μs) z niskim jitterem komunikacji (do celów precyzyjnej synchronizacji ; ≤ 1 μs) i zmniejszonymi kosztami sprzętu. Typowe obszary zastosowań EtherCAT to sterowanie maszynami (np. narzędzia półprzewodnikowe, obróbka metali, opakowania, formowanie wtryskowe, systemy montażowe, maszyny drukarskie, robotyka). Zdalnie sterowane obiekty garbowe stosowane w przemyśle kolejowym.

Alternatywnymi technologiami dla sieci w środowisku przemysłowym są EtherNet/IP , Profinet i Profibus .

Cechy

Zasady

Przetwarzanie ramek

Dzięki EtherCAT standardowy pakiet lub ramka Ethernet (zgodnie z IEEE 802.3 ) nie jest już odbierany, interpretowany i kopiowany jako dane procesowe w każdym węźle. Urządzenia podrzędne EtherCAT odczytują adresowane do nich dane, podczas gdy telegram przechodzi przez urządzenie, przetwarzając dane „w locie”. Innymi słowy, dane i komunikaty w czasie rzeczywistym mają wyższy priorytet niż bardziej ogólne, mniej wrażliwe na czas lub dane o dużym obciążeniu.

Podobnie, dane wejściowe są wstawiane podczas przesyłania telegramu. Ramka nie jest w całości odbierana przed przetworzeniem; zamiast tego przetwarzanie rozpoczyna się tak szybko, jak to możliwe. Wysyłanie odbywa się również z minimalnym opóźnieniem małych czasów bitowych. Zazwyczaj całą sieć można zaadresować za pomocą tylko jednej ramki.

Model referencyjny ISO/OSI

warstwa ISO/OSI EtherCAT
Warstwy hosta
7. Zastosowanie HTTP *, FTP *
  • Cykliczna wymiana danych
  • Acykliczny dostęp do danych skrzynki pocztowej
6. Prezentacja — —
5. Sesja — —
4. Transport TCP * —
Warstwy mediów
3. Sieć IP * —
2. Łącze danych
  • Obsługa skrzynki pocztowej/bufora
  • Mapowanie danych procesowych
  • Ekstremalnie szybki Auto-Forwarder
Ethernet MAC
1. Fizyczna 100BASE-TX , 100BASE-FX


*opcjonalnie, pokazany stos TCP/IP nie jest potrzebny w przypadku typowych urządzeń magistrali polowej. Master EtherCAT może uzyskiwać dostęp do wszystkich danych, w tym nazwy i typów danych urządzenia podrzędnego EtherCAT, bez skomplikowanych narzędzi. EtherCAT używa standardowego Ethernetu (IEEE 802.3 - Ethernet MAC i PHY) bez modyfikacji.

Protokół

Protokół EtherCAT jest zoptymalizowany pod kątem danych procesowych i jest przesyłany bezpośrednio w ramach standardowej ramki Ethernet IEEE 802.3 przy użyciu Ethertype 0x88a4. Może składać się z kilku podtelegramów, z których każdy obsługuje określony obszar pamięci obrazów procesów logicznych , które mogą mieć rozmiar do 4 gigabajtów . Sekwencja danych jest niezależna od fizycznej kolejności węzłów w sieci; adresowanie może być w dowolnej kolejności. Rozgłaszanie , multiemisja i komunikacja między urządzeniami podrzędnymi jest możliwa, ale musi być zainicjowana przez urządzenie nadrzędne. Jeśli wymagany jest routing IP , protokół EtherCAT można wstawić do datagramów UDP / IP . Umożliwia to również dowolne sterowanie ze stosem protokołów Ethernet w celu adresowania systemów EtherCAT.

Wydajność

Można osiągnąć krótkie czasy cyklu, ponieważ mikroprocesory hosta w urządzeniach podrzędnych nie są zaangażowane w przetwarzanie pakietów Ethernet w celu przesyłania obrazów procesu. Cała komunikacja danych procesowych odbywa się w sterowniku podrzędnym. W połączeniu z zasadą działania czyni to EtherCAT wysokowydajnym rozproszonym systemem I/O: Wymiana danych procesowych z 1000 rozproszonymi cyfrowymi I/O zajmuje około 30 μs, co jest typowe dla przesyłania 125 bajtów przez Ethernet 100 Mbit/s. Dane dla i ze 100 serwo można aktualizować z częstotliwością do 10 kHz. Typowe szybkości aktualizacji sieci wynoszą 1–30 kHz, ale EtherCAT może być również używany z wolniejszymi czasami cyklu, jeśli obciążenie DMA jest zbyt wysokie.

Wykorzystanie przepustowości jest zmaksymalizowane, ponieważ każdy węzeł i każde dane nie wymagają oddzielnej ramki. W ten sposób możliwe jest osiągnięcie bardzo krótkich czasów cyklu ≤ 100 μs. Korzystając z funkcji pełnego dupleksu standardu 100BASE-TX , można osiągnąć efektywną szybkość transmisji danych przekraczającą 100 Mbit/s (> 90% szybkości transmisji danych użytkownika wynoszącej 2x100 Mbit/s).

Zasada technologii EtherCAT jest skalowalna i nie jest ograniczona do 100 Mbit/s. EtherCAT G i 10G to nowe rozszerzenia standardowego EtherCAT wykorzystujące odpowiednio 1 Gb/s i 10 Gb/s w celu znacznie zwiększonej przepustowości, aby sprostać potrzebom IIoT i Przemysłu 4.0

Topologia

Wykorzystując fizyczne warstwy Ethernet z pełnym dupleksem , kontrolery podrzędne EtherCAT automatycznie zamykają otwarty port i zwracają ramkę Ethernet, jeśli nie zostanie wykryte żadne urządzenie podrzędne . Urządzenia Slave mogą mieć jeden, dwa lub więcej portów. Dzięki tym funkcjom EtherCAT umożliwia tworzenie wielu topologii sieci , w tym linii, drzewa, pierścienia, gwiazdy lub dowolnej ich kombinacji. Protokół umożliwia również wiele funkcji komunikacyjnych, takich jak redundancja kabli, Hot Connect segmentów, zmiana urządzeń podczas pracy, a nawet redundancja nadrzędna z funkcją Hot Standby.

W ten sposób połączenie wariantów topologii i różnych architektur sieci, np. podrzędnych lub sąsiednich systemów sterowania ze spójną synchronizacją, stwarza wiele możliwości. Dodatkowe przełączniki nie są wymagane. Fizyka sieci Ethernet dopuszcza długość kabla do 100 m (300 stóp) między dwoma węzłami, więc magistrala E-bus ( LVDS ) jest przeznaczona wyłącznie do użytku jako warstwa fizyczna dla urządzeń modułowych. Dla każdego toru kablowego wariant sygnału można dobrać indywidualnie. W przypadku większych odległości lub całkowitej izolacji galwanicznej między dwoma urządzeniami podrzędnymi stosuje się kable światłowodowe . Światłowód jednomodowy umożliwia mostkowanie odległości do 20 km między dwoma węzłami. Ponieważ w każdym segmencie sieci można podłączyć łącznie 65 535 węzłów, rozszerzenie sieci jest prawie nieograniczone.

Synchronizacja

Do synchronizacji wykorzystywany jest mechanizm zegara rozproszonego, co prowadzi do bardzo niskiego jittera, znacznie poniżej 1 μs, nawet w przypadku jittera cyklu komunikacji, co odpowiada standardowi IEEE 1588 Precision Time Protocol (PTP). Dlatego EtherCAT nie wymaga specjalnego sprzętu w urządzeniu nadrzędnym i może być zaimplementowany programowo na dowolnym standardowym MAC Ethernet, nawet bez dedykowanego koprocesora komunikacyjnego.

Typowy proces ustanawiania zegara rozproszonego jest inicjowany przez urządzenie nadrzędne poprzez wysłanie rozgłoszenia do wszystkich urządzeń podrzędnych pod określony adres. Po odebraniu tej wiadomości wszystkie urządzenia podrzędne zablokują wartość swojego wewnętrznego zegara, raz po odebraniu wiadomości i raz po jej powrocie (pamiętaj, że EtherCAT ma topologię pierścienia ). Urządzenie nadrzędne może następnie odczytać wszystkie zablokowane wartości i obliczyć opóźnienie dla każdego urządzenia podrzędnego. Ten proces można powtarzać tyle razy, ile potrzeba, aby zredukować jitter i uśrednić wartości. Całkowite opóźnienia są obliczane dla każdego urządzenia podrzędnego w zależności od jego pozycji w pierścieniu podrzędnym i zostaną przesłane do rejestru przesunięcia. Na koniec urządzenie nadrzędne wysyła komunikat do odczytu zegara systemowego, który uczyni z pierwszego urządzenia podrzędnego zegar odniesienia i zmusi wszystkie pozostałe urządzenia podrzędne do odpowiedniego ustawienia ich zegara wewnętrznego ze znanym teraz przesunięciem.

Aby zegary były zsynchronizowane po inicjalizacji, urządzenie nadrzędne lub podrzędne musi regularnie ponownie wysyłać rozgłoszenie, aby przeciwdziałać wszelkim efektom różnicy prędkości między wewnętrznymi zegarami każdego urządzenia podrzędnego. Każdy niewolnik powinien dostosować prędkość swojego wewnętrznego zegara lub wdrożyć wewnętrzny mechanizm korekcji, ilekroć musi się dostosować.

Zegar systemowy jest określony jako 64-bitowy licznik z jednostką podstawową 1ns, rozpoczynający się 1 stycznia 2000 r. o godzinie 0:00.

Diagnoza

Szybka, precyzyjna detekcja zakłóceń to jedna z wielu cech diagnostycznych EtherCAT.

Błędy bitowe podczas transmisji są wykrywane niezawodnie przez analizę sumy kontrolnej CRC : 32-bitowy wielomian CRC ma minimalną odległość Hamminga równą 4. Poza protokołem wykrywania błędów i lokalizacji, fizyka transmisji i topologia systemu EtherCAT umożliwiają indywidualne monitorowanie jakości każdej pojedynczej ścieżki transmisji. Zautomatyzowana analiza odpowiednich liczników błędów umożliwia dokładną lokalizację krytycznych segmentów sieci.

Więcej informacji w rozdziale zatytułowanym „Monitorowanie”.

Profile urządzeń

Profile urządzeń opisują parametry aplikacji i zachowanie funkcjonalne urządzeń, w tym automaty stanu specyficzne dla urządzenia. Dostępne są następujące interfejsy oprogramowania dla istniejących profili urządzeń. W ten sposób migracja do EtherCAT poprzez dostosowanie oprogramowania układowego i sprzętu jest znacznie uproszczona.

Protokół aplikacji CAN przez EtherCAT (CoE)

CANopen i profile aplikacji są dostępne dla szerokiej gamy kategorii urządzeń i aplikacji: moduły I/O, napędy (np. profil napędu CiA 402 znormalizowany jako IEC 61800-7-201/301), enkodery (CiA 406), zawory proporcjonalne , sterowniki hydrauliczne (CiA 408), czy profile aplikacji. W tym przypadku EtherCAT zastępuje CAN.

Profil serwonapędu przez EtherCAT (SoE)

SERCOS to interfejs komunikacji w czasie rzeczywistym, idealny do aplikacji sterowania ruchem. Profil SERCOS dla serwonapędów i technologii komunikacji jest znormalizowany w normie IEC 61800-7. Norma ta zawiera również odwzorowanie profilu serwowzmacniacza SERCOS na EtherCAT (IEC 61800-7-304).

Powiązane protokoły

Ethernet przez EtherCAT (EoE)

Dowolne urządzenie Ethernet można podłączyć w segmencie EtherCAT za pośrednictwem portów przełącznika. Ramki Ethernet są tunelowane przez protokół EtherCAT, jak to jest w przypadku protokołów internetowych (np. TCP/IP , VPN , PPPoE (DSL) itp.). Sieć EtherCAT jest w pełni przezroczysta dla urządzeń Ethernet, a funkcje EtherCAT działające w czasie rzeczywistym nie są zakłócane.

Bezpieczeństwo przez EtherCAT (FSoE)

Równolegle z rozwojem EtherCAT opracowano protokół bezpieczeństwa niezależny od magistrali polowej. W przypadku EtherCAT jest dostępny jako „Safety over EtherCAT” (FSoE = Fail Safe over EtherCAT). Dzięki FSoE można zrealizować bezpieczeństwo funkcjonalne z EtherCAT. Protokół oraz implementacja są certyfikowane przez TÜV i spełniają wymagania Safety Integrity Level 3 zgodnie z IEC 61508 . Od 2010 roku Safety over EtherCAT jest znormalizowany na poziomie międzynarodowym zgodnie z normą IEC 61784-3-12. EtherCAT zapewnia jednokanałowy system komunikacji do przesyłania bezpiecznych i niebezpiecznych informacji. Nośnik transportowy jest traktowany jako czarny kanał i dlatego nie jest brany pod uwagę ze względów bezpieczeństwa.

Plik przez EtherCAT (FoE)

Ten prosty protokół jest podobny do TFTP (Trivial File Transfer Protocol); umożliwia dostęp do plików w urządzeniu i jednolite przesyłanie oprogramowania układowego do urządzeń w sieci EtherCAT. Protokół został celowo określony w oszczędny sposób, aby mógł być obsługiwany przez programy ładujące. Stos TCP/IP nie jest wymagany.

Monitorowanie

Ponieważ EtherCAT wykorzystuje standardowe ramki Ethernet zgodnie z IEEE 802.3, do monitorowania komunikacji EtherCAT można użyć dowolnego standardowego narzędzia Ethernet. Dodatkowo dostępny jest bezpłatny parser dla Wireshark (dawniej Ethereal, narzędzie do monitoringu typu open source) oraz monitor sieci Microsoft , za pomocą którego można wygodnie przygotować i wyświetlić zarejestrowany ruch danych EtherCAT.

Bramy

Używając bramek, istniejące sieci, takie jak CANopen , DeviceNet lub Profibus , można bezproblemowo zintegrować ze środowiskiem EtherCAT. Ponadto bramy zapewniają bezwyłączeniową ścieżkę migracji z tradycyjnej magistrali polowej do EtherCAT, zmniejszając dalsze koszty inwestycyjne.

Dzięki wydajności EtherCAT komunikacja z zewnętrznymi masterami magistrali polowej jest tak szybka, jak w przypadku tradycyjnych kart podłączonych przez PCI lub inne magistrale szkieletowe. Ponieważ zdecentralizowane interfejsy magistrali polowej prowadzą do krótszych rozszerzeń, można je obsługiwać z jeszcze wyższymi szybkościami transmisji niż byłoby to możliwe w przypadku tradycyjnej architektury.

Realizacja

EtherCAT Technology Group (ETG) zachęca i oczekuje, że firmy opracowujące produkty EtherCAT dołączą do ETG, aby uzyskać identyfikator dostawcy EtherCAT, uzyskać dostęp do pełnej dokumentacji, forum programistów i kodu stosu urządzeń podrzędnych, które zapewnia firma Beckhoff bezpłatnie dla członków ETG.

Gospodarz

Moduły główne można zaimplementować jako rozwiązanie programowe na dowolnym komputerze MAC z obsługą sieci Ethernet. Różni producenci dostarczają kod dla różnych systemów operacyjnych, w tym kilka projektów open source. Ze względu na przeniesione mapowanie na sprzęt podrzędny, wymagania dotyczące wydajności procesora urządzenia nadrzędnego są zmniejszone. Master zawiera już dane jako łatwo posortowany obraz procesu.

Aby działać w sieci, urządzenie nadrzędne EtherCAT wymaga cyklicznej struktury danych procesowych oraz poleceń uruchamiania dla każdego urządzenia podrzędnego. Polecenia te można wyeksportować do pliku informacji o sieci EtherCAT (ENI) za pomocą narzędzia konfiguracyjnego EtherCAT, które wykorzystuje pliki EtherCAT Slave Information (ESI) z podłączonych urządzeń.

Niewolnik

Mikrokontroler EtherCAT

W przeciwieństwie do działania standardowego Ethernetu, urządzenia podrzędne przetwarzają ramki EtherCAT w locie. Wymaga to użycia zintegrowanych sprzętowo kontrolerów podrzędnych EtherCAT (ESC) w urządzeniach podrzędnych. ESC są również dostępne jako układy ASIC lub oparte na układach FPGA . Od początku 2012 roku dostępne są również standardowe mikroprocesory z interfejsami slave EtherCAT.

W przypadku prostych urządzeń nie jest wymagany żaden dodatkowy mikrokontroler. Jednak w bardziej złożonych urządzeniach wydajność komunikacji EtherCAT jest prawie niezależna od wydajności używanego kontrolera. Tak więc wymagania dla mikrokontrolera określa lokalna aplikacja, np. sterowanie napędem.

Istnieje wybór płytek rozwojowych, zarówno od dostawców sterowników podrzędnych EtherCAT, jak i od dostawców zewnętrznych. Istnieją również projekty typu open source dla płyt rozwojowych urządzeń podrzędnych EtherCAT, takich jak SOES i ArduCAT.

Kontrola i regulacja

Do sterowania i regulacji procesów fizycznych wymagana jest wysoka integralność danych, bezpieczeństwo danych i synchronizacja. EtherCAT został zaprojektowany specjalnie do tego rodzaju aplikacji i spełnia wszystkie wymagania dotyczące szybkiej kontroli.

Systemy pomiarowe

Nowoczesne systemy pomiarowe charakteryzują się wielokanałowością, synchronicznością i dokładnością. Dzięki zaawansowanym funkcjom protokołu EtherCAT zapewniona jest wydajna synchroniczna przepustowość danych. Cechy sieciowe oparte o Ethernet umożliwiają stworzenie sieci pomiarowej z rozproszonymi modułami pomiarowymi.

Organizacja

Grupa EtherCAT Technology Group (ETG) została założona w 2003 roku i jest organizacją użytkowników przemysłowego Ethernetu, zrzeszającą obecnie najwięcej członków na świecie. Szeroka gama dostawców przemysłowych układów sterowania, producentów OEM, konstruktorów maszyn i organizacji technologicznych z całego świata stanowi listę członków ETG. ETG oferuje swoim członkom wsparcie wdrożeniowe i szkolenia, organizuje testy interoperacyjności (często nazywane „Plug Fest”) oraz promuje rozwój i dystrybucję technologii, wspieraną przez swoich członków i zespoły pracujące w biurach w Niemczech, Chinach, Japonii, Korei i Ameryce Północnej. Użytkownicy końcowi ETG reprezentują wiele branż, a konstruktorzy maszyn i dostawcy zaawansowanych technologii sterowania łączą siły, aby wspierać i promować technologię EtherCAT. Różnorodność branż gwarantuje optymalne przygotowanie EtherCAT do najszerszego zakresu zastosowań. Partnerzy systemowi udzielają kompetentnych informacji zwrotnych dotyczących prostej integracji modułów sprzętowych i programowych we wszystkich wymaganych klasach sprzętu. Narzędzie do testowania zgodności EtherCAT (CTT), opracowane przy pomocy firm członkowskich ETG, zapewnia interoperacyjność i zgodność protokołów urządzeń EtherCAT.

Normalizacja

Grupa EtherCAT Technology Group (ETG) jest oficjalnym partnerem łącznikowym grup roboczych IEC ( Międzynarodowej Komisji Elektrotechnicznej ) ds. komunikacji cyfrowej. Specyfikacja EtherCAT została opublikowana jako IEC/PAS 62407 w 2005 r., która została usunięta pod koniec 2007 r., ponieważ EtherCAT została zintegrowana z międzynarodowymi standardami magistrali polowych IEC 61158 i IEC 61784-2, a także ze standardem profilu napędu IEC 61800-7. Te normy IEC zostały zatwierdzone jednogłośnie we wrześniu i październiku 2007 r. i zostały opublikowane jako IS (Standardy Międzynarodowe) jeszcze w tym samym roku. W normie IEC 61800-7 EtherCAT to znormalizowana technologia komunikacji dla SERCOS i CANopen (znana również jako CiA 402). EtherCAT jest również częścią ISO 15745-4, standardu opisu urządzeń XML . Ponadto firma SEMI dodała EtherCAT do swojego portfolio standardów (E54.20) i zatwierdziła tę technologię do użytku w sprzęcie do produkcji półprzewodników i płaskich wyświetlaczy. W kwietniu 2010 roku przyjęto wydanie 2 normy IEC 61784-3, która zawiera protokół Safety over EtherCAT. We wrześniu 2008 r. profil instalacyjny EtherCAT został złożony zgodnie z normą IEC 61784-5.

Dalsza lektura

  • Büttner, H.; Janssen, D.; Rostan, M. (2003), „EtherCAT - magistrala Ethernet” (PDF) , PC Control Magazine , 3 : 14–19
  • Janssen, D.; Büttner, H. (2004), „Ethernet w czasie rzeczywistym: rozwiązanie EtherCAT”, Computing & Control Engineering Journal , 15 : 16–21, doi : 10,1049 / cce: 20040104
  • Rostan, M. (2004), Sympozjum techniczne SEMI: Innowacje w produkcji półprzewodników (PDF) , San Francisco, Kalifornia, USA: SEMI
  • Potra, S.; Sebestyen, G. (2006), „EtherCAT Protocol Implementation Issues on an Embedded Linux Platform”, IEEE-TTTC International Conference on Automation, Quality and Testing, Robotics AQTR 2006 , Cluj-Napora, Rumunia: IEEE, s. 420–425
  • Robertz, SG; Nilsson, K.; Henriksson, R.; Blomdell, A. (2007), „Industrial robot motion control with real-time Java and EtherCAT”, 12th IEEE International Conference on Emerging Technologies and Factory Automation , Patras, Grecja: IEEE
  •   Cena, Gianluca; Cibrario Bertolotti, Iwan; Scanzio, Stefano; Valenzano, Adriano; Zunino, Claudio (2010), „O dokładności mechanizmu zegara rozproszonego w EtherCAT”, Factory Communication Systems (WFCS), 2010 8th IEEE International Workshop on , Nancy, Francja: IEEE, s. 43–52, doi : 10.1109/ WFCS.2010.5548638 , S2CID 14517885

Uwagi i odniesienia

Linki zewnętrzne

Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=EtherCAT&oldid=1139873471 ”