EtherCAT-Funktionsprinzip
1. Funktionsprinzip:
Zur Bereitstellung von Echtzeit-Funktionalität stehen eine Reihe von Ethernet-Lösungen zur Verfügung: Beispielsweise wird der CSMA / CD-Zugriffsprozess über eine übergeordnete Protokollschicht deaktiviert und durch einen Zeitscheiben- oder Polling-Prozess ersetzt. Andere Lösungen verwenden dedizierte Switches und verwenden eine genaue Zeitsteuerung zum Verteilen von Ethernet-Paketen. Obwohl diese Lösungen Pakete schneller und genauer an die angeschlossenen Ethernet-Knoten liefern können, ist die Bandbreitenauslastung insbesondere für typische Automatisierungsgeräte sehr gering, da selbst für sehr kleine Datenmengen ein vollständiger Ethernet-Rahmen gesendet werden muss. Darüber hinaus hängt die Zeit, die erforderlich ist, um zu dem Ausgangs- oder Laufwerkscontroller umzuleiten und Eingangsdaten zu lesen, hauptsächlich von dem Ausführungsmodus ab. In der Regel auch einen Sub-Bus, vor allem in der modularen I / O-System, diese Systeme und BeckhoFF K-Bus, über das synchrone Sub-Bus-System zu verwenden, um die Übertragungsgeschwindigkeit zu beschleunigen, aber eine solche Synchronisation wird nicht vermeiden können Verzögerung, die durch die Übertragung des Kommunikationsbusses verursacht wird.
Durch den Einsatz der EtherCAT-Technologie hat BeckhoFF diese Systemgrenzen anderer Ethernet-Lösungen durchbrochen: Statt wie bisher Ethernet-Pakete an jedem Verbindungspunkt zu empfangen, entschlüsseln und kopieren sie als Prozessdaten. Wenn ein Frame jedes Gerät (einschließlich des darunterliegenden Endgeräts) durchläuft, liest der EtherCAT-Slave-Controller Daten, die für das Gerät wichtig sind. In ähnlicher Weise können Eingabedaten in die Nachricht eingefügt werden, wenn sie durchläuft. Wenn der Rahmen übergeben wird (nur ein paar Bits verzögert), erkennt der Slave den entsprechenden Befehl und verarbeitet ihn. Dieser Prozess ist in der Slave-Steuerung hardwaremäßig implementiert und damit unabhängig von der Echtzeit-Betriebssystem- bzw. Prozessorleistung der Protokollstack-Software. Der letzte EtherCAT-Slave im Segment gibt die vollständig verarbeitete Nachricht zurück, so dass die Nachricht als Antwort vom ersten Slave an den Master zurückgegeben wird.
Aus Sicht des Ethernet ist das EtherCAT-Bussegment einfach ein großes Ethernet-Gerät, das Ethernet-Frames empfangen und senden kann. Das "Gerät" enthält jedoch keinen einzelnen Ethernet-Controller mit einem nachgeschalteten Mikroprozessor, sondern nur eine große Anzahl von EtherCAT-Slaves. Wie jedes andere Ethernet kann EtherCAT die Kommunikation ohne die Notwendigkeit eines Schalters herstellen und so ein reines EtherCAT-System schaffen.
2. Terminals implementieren Ethernet:
Jedes Gerät des Systems garantiert die Verwendung eines vollständigen Ethernet-Protokolls, sogar für jedes E / A-Terminal, ohne einen Sub-Bus zu verwenden. Einfach das Übertragungsmedium des Kopplers vom Twisted Pair (100baseTX) zum E-Bus konvertieren, um die Anforderungen des elektronischen Anschlussblocks zu erfüllen. Der E-Bus-Signaltyp (LVDS) im Klemmenblock ist nicht dediziert, er kann auch für 10 Gigabit Ethernet verwendet werden. Am Ende des Klemmenblocks werden die physikalischen Buseigenschaften zurück in den 100baseTX-Standard konvertiert.
Als Hardware im Controller reichen Standard-Ethernet-MACs oder kostengünstige Standard-Netzwerkkarten (NICs) aus. DMA (Direct Memory Access) wird verwendet, um Daten an den PC zu übertragen. Dies bedeutet, dass der Netzwerkzugriff keinen Einfluss auf die CPU-Leistung hat. Das gleiche Prinzip wird bei der BeckhoFF-Multiport-Karte verwendet, die bis zu 4 Ethernet-Kanäle in einem PCI-Steckplatz bündelt.
3. Die Protokollverarbeitung wird vollständig in Hardware durchgeführt
3.1 Protokoll:
Das EtherCAT-Protokoll ist für Prozessdaten optimiert und wird direkt an Ethernet-Frames übertragen oder in UDP / IP-Datagramme komprimiert. Das UDP-Protokoll wird verwendet, wenn das EtherCAT-Segment in anderen Subnetzen vom Router adressiert wird. Ein Ethernet-Frame kann mehrere EtherCAT-Nachrichten enthalten, von denen jede einem bestimmten Speicherbereich zugeordnet ist, mit dem ein logisches Prozessabbild mit einer Größe von bis zu 4 GB programmiert werden kann. Da die Datenkette unabhängig von der physikalischen Reihenfolge der EtherCAT-Klemmen ist, können die EtherCAT-Klemmen frei adressiert werden. Slave-Stationen können Broadcast, Multicast und Kommunikation übertragen.
Das Protokoll kann auch normalerweise nicht-zyklische Parameterkommunikation handhaben. Die Struktur und Bedeutung der Parameter wird durch das Geräteprofil CANOPEN festgelegt und diese Geräteprofile werden für eine Vielzahl von Geräteklassen und Anwendungen verwendet. EtherCAT unterstützt auch abhängige Regeln, die dem IEC 61491-Standard entsprechen. Das Profil ist nach SERCOSTM benannt und in der Welt der Motion Control-Anwendungen universell anerkannt.
Neben dem Datenaustausch nach dem Master-Slave-Prinzip eignet sich EtherCAT auch sehr gut für die Kommunikation zwischen Steuerungen (Master / Master). Frei adressierbare Prozessdaten-Netzwerkvariablen sowie diverse Parametrier-, Diagnose-, Programmier- und Fernsteuerungsdienste können zahlreiche Anforderungen erfüllen. Die Datenschnittstelle für die Master / Slave-Kommunikation mit dem Master / Master ist gleich.
FMMU: Die Nachrichtenverarbeitung wird vollständig in Hardware ausgeführt
3.2 leistung:
EtherCAT hat eine neue Höhe der Netzwerkleistung erreicht. Der Auffrischzyklus von 1000 verteilte E / A-Daten beträgt nur 30 μs, einschließlich der Terminalzykluszeit. Mit einem Ethernet-Frame können bis zu 1486 Byte Prozessdaten ausgetauscht werden, was fast 12.000 digitalen I / Os entspricht. Die Übertragung dieses Datenvolumens beträgt nur 300 μs.
Die Kommunikation mit 100 Servoachsen dauert nur 100 μs. Während dieser Zeit können Einstellwerte und Steuerdaten für alle Achsen bereitgestellt werden und ihre aktuelle Position und ihr Status können gemeldet werden. Die Distributed-Clock-Technologie sorgt dafür, dass die Synchronisationszeit zwischen diesen Achsen um weniger als 1 Mikrosekunde abweicht.
Mit Hilfe der überlegenen Leistung der EtherCAT-Technologie ist es möglich, eine Steuerungsmethode zu implementieren, die mit einem herkömmlichen Feldbussystem nicht realisierbar ist. Auf diese Weise kann auch eine ultraschnelle Regelschleife über den Bus gebildet werden. Funktionen, für die bisher lokale dedizierte Hardwareunterstützung erforderlich war, können jetzt in Software abgebildet werden. Große Bandbreitenressourcen ermöglichen die Übertragung der Statusdaten parallel zu beliebigen Daten. Die EtherCAT-Technologie ermöglicht die Kommunikationstechnologie zu modernen Hochleistungs-Industrie-PCs. Das Bussystem ist nicht mehr der Engpass des Steuerungskonzepts. Der verteilte E / A-Datentransfer übersteigt die Leistung, die nur durch die lokale E / A-Schnittstelle erreicht werden kann.
Dieser Netzwerkleistungsvorteil zeigt sich bei kleinen Controllern mit relativ moderater Rechenleistung. Der High-Speed-Loop von EtherCAT kann zwischen zwei Regelzyklen durchlaufen werden. Daher hat der Controller immer die neuesten verfügbaren Eingabedaten und die Verzögerung bei der Adressierung der Ausgabe ist minimal. Das Antwortverhalten des Controllers wird deutlich verbessert, ohne dass die eigene Rechenleistung erhöht werden muss.
Das Prinzip der EtherCAT-Technologie ist skalierbar, nicht auf 100M Bandbreite beschränkt - auch Ethernet bis Gigabit ist möglich.
3.3 EtherCAT ersetzt PCI:
Mit der Beschleunigung der Miniaturisierung von PC-Komponenten hängt die Größe von Industrie-PCs hauptsächlich von der erforderlichen Anzahl von Steckplätzen ab.
Die Nutzung von High-Speed-Ethernet-Bandbreite und die Datenbandbreite der EtherCAT-Kommunikationshardware (EtherCAT-Slave-Controller) eröffnen neue Anwendungsmöglichkeiten: Schnittstellen, die sich üblicherweise im IPC befinden, werden an die intelligenten Schnittstellenklemmen im EtherCAT-System übertragen. Zusätzlich zu dezentralen E / A, Achsen und Steuereinheiten können komplexe Systeme wie Feldbus-Master, serielle Hochgeschwindigkeitsschnittstellen, Gateways und andere Kommunikationsschnittstellen über einen Ethernet-Anschluss am PC angesprochen werden. Auch andere Ethernet-Geräte, die nicht auf Protokollvarianten beschränkt sind, können über dezentrale Switch-Terminals angeschlossen werden. Die Größe des Industrie-PC-Hosts wird immer kleiner und die Kosten werden immer geringer. Eine Ethernet-Schnittstelle reicht für alle Kommunikationsaufgaben aus.
Ethernet wird anstelle von PCI-Feldbusgeräten (Profibus, CANOPEN, DeviceNet, AS-i usw.) zur Integration über verteilte Feldbus-Master-Terminals verwendet. Wenn Sie keinen Feldbus-Master verwenden, werden PCI-Steckplätze im PC gespeichert.
3.4 Topologie:
Bus, Baum oder Stern: EtherCAT unterstützt fast jede Topologie. Daher kann die von einem Feldbus abgeleitete Busstruktur auch für Ethernet verwendet werden. Besonders hilfreich für die Systemverkabelung ist die Kombination der Bus- und Verzweigungsstrukturen. Alle Schnittstellen befinden sich am Koppler und es sind keine zusätzlichen Schalter erforderlich. Natürlich kann auch eine herkömmliche Switch-basierte Stern-Ethernet-Topologie verwendet werden.
Die Verwendung unterschiedlicher Übertragungskabel maximiert die Flexibilität der Verkabelung. Das flexible und kostengünstige Standard-Ethernet-Patchkabel kann Signale über den Ethernet-Modus (100baseTX) oder über den E-Bus übertragen. Optische Fasern (PFO) können für spezielle Anwendungen verwendet werden. Ethernet-Bandbreite (z. B. verschiedene Glasfaserkabel und Kupferkabel) kann in Verbindung mit Schaltern oder Medienkonvertern verwendet werden. Die physikalischen Eigenschaften von Fast Ethernet können dazu führen, dass die Entfernung zwischen den Geräten 100 Meter beträgt, während der E-Bus nur den Abstand von 10 Metern garantieren kann. Fast Ethernet oder E-Bus kann entsprechend den Entfernungsanforderungen ausgewählt werden. Das EtherCAT-System kann bis zu 65.535 Geräte aufnehmen, sodass das gesamte Netzwerk nahezu unbegrenzt ist
4. Freie Wahl der Topologie
Die Flexibilität bei der Verkabelung ist enorm: Ob Switches, ob eine Bustopologie oder eine Baumtopologie verwendet werden soll. Automatische Adressvergabe; keine Notwendigkeit, eine IP-Adresse festzulegen.
4.1 Verteilte Uhr:
Eine genaue Synchronisation ist besonders wichtig bei dem Verteilungsprozess, bei dem eine große Anzahl von gleichzeitigen Aktionen erforderlich ist, beispielsweise wenn mehrere Servoachsen gleichzeitige Verbindungsaufgaben ausführen.
Eine genaue Kalibrierung der verteilten Uhr ist die effektivste Lösung für die Synchronisation. Wenn die vollständige Synchronisation verwendet wird, wird umgekehrt die Qualität der Synchronisationsdaten stark beeinträchtigt, wenn Kommunikationsfehler auftreten. In dem Kommunikationssystem ist der Schritt-für-Schritt-Kalibrierungstakt tolerant gegenüber einer Fehlerverzögerung in einem gewissen Ausmaß. In EtherCAT basiert der Datenaustausch vollständig auf reinen Hardwaregeräten. Da die Kommunikation eine logische Ringnetzwerkstruktur, Vollduplex-Fast-Ethernet und eine tatsächliche Ringnetzwerkstruktur verwendet, kann der "Haupttakt" einfach und genau die Operationskompensation für jeden "Slave-Takt" und umgekehrt bestimmen. Der verteilte Takt wird basierend auf diesem Wert angepasst, was bedeutet, dass er eine sehr genaue Taktbasis mit weniger als 1 Mikrosekunden Jitter im Netzwerk bereitstellen kann.
Leistungsfähige Distributed-Clocks werden jedoch nicht nur zur Synchronisation verwendet, sondern liefern auch genaue Informationen zur lokalen Zeit während der Datenerfassung. Durch die Einführung neuer erweiterter Datentypen können Messwerte mit sehr genauen Zeitstempeln vergeben werden.
4.2 Heiße Verbindung:
Bei vielen Anwendungen muss die E / A-Konfiguration während des Betriebs geändert werden. Zum Beispiel ein Verarbeitungszentrum mit sich ändernden Eigenschaften, ein mit einem Sensor ausgestattetes Werkzeugsystem, eine intelligente Übertragungseinrichtung, ein flexibler Werkstückbetätiger und ein Drucker, der die Druckeinheit unabhängig schließen kann. Das EtherCAT-System berücksichtigt diese Anforderungen: Die Funktion "Hot Connection" kann die verschiedenen Teile des Netzwerks verbinden oder trennen oder sie "dynamisch" rekonfigurieren, um flexibel auf sich ändernde Konfigurationen reagieren zu können.
4.3 Hohe Verfügbarkeit:
Die optionale Kabelredundanz erfüllt die steigende Nachfrage nach erhöhter Systemverfügbarkeit, so dass Geräte ausgetauscht werden können, ohne dass das Netzwerk heruntergefahren werden muss.
EtherCAT unterstützt auch redundante Master-Stationen mit Hot-Standby. Da der EtherCAT-Slave-Controller beim Auftreten eines Interrupts automatisch Frames zurückgibt, führt ein Gerätefehler nicht dazu, dass das gesamte Netzwerk heruntergefahren wird. Zum Beispiel kann die Kabelschutzkette speziell in Form einer kurzen Stange konfiguriert werden, um einen Bruch zu verhindern.
4.4 Sicherheit:
Sicherheitsfunktionen werden in der Regel getrennt vom Automatisierungsnetzwerk, über Hardware oder über ein dediziertes Sicherheitsbussystem implementiert. Dank TwinSAFE (BeckhoFFs Sicherheitstechnologie) ist es nun möglich, das Sicherheitsprotokoll EtherCAT für die sicherheitsgerichtete Kommunikation und Steuerkommunikation im selben Netzwerk zu verwenden.
Das Sicherheitsprotokoll basiert auf der Anwendungsschicht von EtherCAT und wirkt sich nicht auf die unteren Schichten aus. Dieses Sicherheitsprotokoll wurde nach IEC 61508 zertifiziert, um ein Sicherheitsintegrationsniveau (SIL) 3 zu erreichen, und kann nach entsprechenden Maßnahmen sogar SIL4 erreichen. Die Länge der Daten kann variieren, so dass das Protokoll gleichermaßen für Sicherheits-E / A-Daten und Sicherheitsantriebstechnologie gilt. Wie bei anderen EtherCAT-Daten können sichere Daten ohne Verwendung eines sicheren Routers oder Gateways weitergeleitet werden.
4.5 Diagnose:
Die Diagnosefähigkeiten des Netzwerks sind sehr wichtig, um die Netzwerkverfügbarkeit zu verbessern und die Inbetriebnahmezeit zu reduzieren (wodurch die Gesamtkosten reduziert werden). Fehler können nur dann zeitnah behoben werden, wenn sie schnell und genau erkannt und eindeutig identifiziert werden. Bei der Entwicklung von EtherCAT wurde daher besonderen Augenmerk auf typische Diagnosefunktionen gelegt.
Während des Testbetriebs wird die tatsächliche Konfiguration der E / A-Klemme unter Verwendung der angegebenen Konfiguration auf Durchgang geprüft. Die Topologie muss auch der Konfiguration entsprechen. Aufgrund der integrierten Topologie-Identifikation kann die E / A beim Systemstart oder bei der automatischen Installation bestätigt werden.
Bitfehler bei der Datenübertragung können mit einem gültigen 32-Bit-CRC erkannt werden. Die Übertragung der physikalischen Schicht und der Topologie über das EtherCAT-Systemprotokoll ermöglicht neben der Erkennung und Lokalisierung von Haltepunkten eine hochwertige Überwachung jedes einzelnen Übertragungssegments. Durch die automatische Analyse der relevanten Fehlerzähler kann der kritische Netzwerkteil genau lokalisiert werden. Sie können Fehlerquellen wie EMV-Störungen, defekte Stecker oder beschädigte Kabel erkennen und lokalisieren, auch wenn sie die Fähigkeit des Netzwerks, sich selbst zu heilen, nicht übermäßig beeinträchtigt haben.
4.6 Offenheit:
Die EtherCAT-Technologie ist nicht nur voll kompatibel mit Ethernet, sondern hat auch spezielle Design-Offenheitseigenschaften: Dieses Protokoll kann neben anderen Ethernet-Protokollen, die verschiedene Dienste bereitstellen, existieren und alle Protokolle koexistieren auf demselben physikalischen Medium - normalerweise nur die gesamte Netzwerkleistung ein kleiner Grad von Auswirkungen. Ein Standard-Ethernet-Gerät kann über eine Switch-Klemme an ein EtherCAT-System angeschlossen werden, ohne die Zykluszeit zu beeinflussen. Geräte mit einer traditionellen Feldbus-Schnittstelle können über den Anschluss des EtherCAT-Feldbus-Master-Terminals in das Netzwerk eingebunden werden. Die UDP-Protokollvariante ermöglicht die Integration des Gerätes in beliebige Slot-Schnittstellen. EtherCAT ist ein vollständig offenes Protokoll, das als formale IEC-Spezifikation (IEC / PAS62407) identifiziert wurde.