EtherCAT - EtherCAT

EtherCAT (Ethernet для технологий автоматизации управления) является Ethernet -основан fieldbus система, изобретенная Beckhoff Automation. Протокол стандартизирован в IEC 61158 и подходит как для твердых, так и для мягких вычисления в реальном времени требования к технике автоматизации.

При разработке EtherCAT целью было применение Ethernet для приложений автоматизации, требующих короткого времени обновления данных (также называемого временем цикла; ≤ 100 мкс) с низким уровнем связи. дрожь (для точного синхронизация цели; ≤ 1 мкс) и снижение затрат на оборудование.

Возможности EtherCAT

Принцип действия

Обработка кадров

При использовании EtherCAT стандартный пакет Ethernet или Рамка (в соответствии с IEEE 802.3 ) больше не принимается, не интерпретируется и не копируется как данные процесса 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 вводятся данные во время прохождения телеграммы. Перед обработкой кадр не получен полностью; вместо этого обработка начинается как можно скорее. Отправка также выполняется с минимальной задержкой в ​​небольшие битовые времена. Обычно весь сеть можно решить с помощью всего одного кадра.[1]

Эталонная модель ISO / OSI

Уровень ISO / OSIEtherCAT
Хозяин
слои		7. ЗаявлениеHTTP *, FTP *
  • Циклический обмен данными
  • Почтовый ящик ациклический доступ к данным
6. Презентация——
5. Сессия——
4. ТранспортTCP *—
Средства массовой информации
слои		3. СетьIP *—
2. Канал передачи данных
  • Почтовый ящик / Работа с буфером
  • Отображение данных процесса
  • Чрезвычайно быстрый автоперевозчик
Ethernet MAC
1. Физический100BASE-TX, 100BASE-FX
* необязательно, показанный стек TCP / IP не требуется для типичных устройств fieldbus.
Мастер EtherCAT может получить доступ ко всем данным, включая имя и типы данных подчиненного устройства EtherCAT, без сложных инструментов.
EtherCAT использует стандартный Ethernet (IEEE 802.3 - Ethernet MAC и PHY) без изменений.

Протокол

EtherCAT протокол 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 логичный обрабатывать изображения это может быть до 4гигабайты по размеру. Последовательность данных не зависит от физического порядка узлов в сети; адресация может быть в любом порядке. Транслировать, многоадресная передача и связь между ведомыми возможна, но должна быть инициирована ведущим устройством. Если IP маршрутизация требуется, протокол EtherCAT может быть вставлен в UDP /IP дейтаграммы. Это также позволяет любому управлению с помощью стека протоколов Ethernet обращаться к системам EtherCAT.

Спектакль

Может быть достигнуто короткое время цикла, поскольку хост микропроцессоры в подчиненных устройствах не участвуют в обработке пакетов Ethernet для передачи образов процесса. 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 цифровой Ввод / вывод занимает около 30 мкс, что типично для передачи 125 байт более 100 Мбит / с Ethernet. Данные за и от 100 сервопривод ось может быть обновлена ​​до 10 кГц. Типичная частота обновления сети составляет 1–30 кГц, но EtherCAT можно использовать и с более медленным циклом, если нагрузка DMA слишком высока.

Использование полосы пропускания максимизируется, 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 масштабируем и не привязан к 100 Мбит / с. Будущее расширение Гигабит Ethernet возможен, но в настоящее время не готовится, так как производительность EtherCAT достаточна на скорости 100 Мбит / с.

Топология

Использование полногодуплекс Физические уровни Ethernet, подчиненные контроллеры EtherCAT закрывают открытый порт автоматически и вернуть кадр Ethernet, если нет вниз по течению устройство обнаружено. Подчиненные устройства могут иметь один, два или более портов. Благодаря этим функциям EtherCAT позволяет использовать множество сетевые топологии, включая линию, дерево, кольцо, звезду 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. Дополнительный переключатели не требуются. Физические характеристики Ethernet позволяют использовать кабель длиной до 100 м (300 футов) между двумя узлами, поэтому шина E-bus (LVDS ) предназначен только для использования в качестве физического уровня для модульных устройств. Для каждого кабельного тракта вариант сигнала можно выбрать индивидуально. Для больших расстояний или полного гальваническая развязка между двумя рабами, оптоволокно используются 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.

Синхронизация

Для синхронизации применяется механизм распределенных часов, который 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 мастером путем отправки широковещательной рассылки всем подчиненным на определенный адрес. После получения этого сообщения все ведомые устройства будут защелка значение их внутренних часов дважды: один раз при получении сообщения и один раз при его возврате (помните, что EtherCAT имеет кольцевая топология ). Затем ведущее устройство может прочитать все зафиксированные значения и вычислить задержку для каждого ведомого устройства. Этот процесс можно повторять столько раз, сколько требуется для уменьшения дрожь и усредненные значения. 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 сделает первое ведомое устройство эталонными часами и заставит все другие ведомые устройства установить свои внутренние часы соответствующим образом с теперь известным смещением.

Чтобы синхронизировать часы после инициализации, ведущее или ведомое устройство должно регулярно отправлять широковещательную передачу снова, чтобы противодействовать 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 указаны как 64-битный счетчик с базовой единицей 1 нс, начиная с 1 января 2000 года, 0:00.

Диагностика

Быстрое и точное обнаружение сбоев - одна из многих диагностических функций EtherCAT.

Битовые ошибки во время передачи надежно обнаруживаются путем анализа CRC контрольная сумма: 32-битный полином CRC имеет минимум Расстояние Хэмминга из 4. Помимо обнаружение ошибок и протокол локализации, физика передачи и топология системы EtherCAT позволяют индивидуально контролировать качество каждого отдельного пути передачи. Автоматический анализ соответствующих счетчиков ошибок позволяет точно локализовать критические сегменты сети.

Подробнее читайте в главе «Мониторинг».

Профили устройств

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.

Протокол приложения CAN через EtherCAT (CoE)

CANopen устройства и профили приложений доступны для широкого выбора категорий устройств и приложений: модули ввода / вывода, приводы (например, профиль привода CiA 402, стандартизованный как IEC 61800-7-201 / 301), энкодеры (CiA 406), пропорциональные клапаны, гидравлические контроллеры (CiA 408) или прикладные профили. В этом случае EtherCAT заменяет CAN.

Профиль сервопривода через EtherCAT (SoE)

SERCOS interface - 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).

Другие протоколы

Ethernet через EtherCAT (EoE)

Любое устройство Ethernet может быть подключено к сегменту EtherCAT через порты коммутатора. Кадры Ethernet туннель 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.

Функциональная безопасность: безопасность через EtherCAT (FSoE)

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 FSoE, функциональная безопасность с EtherCAT может быть реализовано. Протокол, а также реализация сертифицированы TÜV и соответствовать требованиям уровня 3 полноты 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,[2] и поэтому не учитывается по соображениям безопасности.

Мониторинг

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 бесплатный парсер для Wireshark (ранее Ethereal, инструмент мониторинга с открытым исходным кодом) и Microsoft сетевой монитор, с помощью которого можно удобно подготовить и отобразить записанный трафик данных EtherCAT. В продаже есть решения для мониторинга от Beckhoff (TwinCAT ) и технологии acontis (EC-инженер ).

Шлюзы

Используя шлюзы, существующие сети, такие как CANopen, DeviceNet, или же Profibus, могут быть легко интегрированы в среду EtherCAT. 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 fieldbus мастеров так же быстро, как с традиционными картами, подключенными через PCI или другие магистральные автобусы. 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.

Выполнение

Общий

EtherCAT Technology Group (ETG) поощряет и ожидает, что компании, которые разрабатывают продукты EtherCAT, присоединятся к ETG, чтобы они могли получить EtherCAT Vendor-ID, получить доступ к полной документации, форуму разработчиков и коду подчиненного стека, которые предоставляет Beckhoff. бесплатно для членов ETG.

Владелец

Мастера могут быть реализованы в виде программного решения на любом Ethernet MAC. Различные производители предоставляют код для разных операционных систем, включая несколько проектов с открытым исходным кодом.

Из-за перемещенного сопоставления на ведомом оборудовании снижаются требования к производительности ЦП ведущего. Мастер уже содержит данные в виде легко сортируемого образа процесса.

Для управления сетью 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.[3] Такие инструменты конфигурации EtherCAT включают: TwinCAT от Beckhoff, EC-инженер от acontis technologies.

Раб

В отличие от стандартного Ethernet, ведомые 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 ПЛИС. С начала 2012 года стандарт микропроцессоры с ведомыми интерфейсами EtherCAT также доступны.

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.

Примеры применения

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.

Контроль и регулирование

Для контроля и регулирования физических процессов, высокой целостности данных, безопасность данных, и требуется синхронность. EtherCAT был разработан специально для таких приложений и отвечает всем требованиям быстрого управления.

Системы измерения

Современное измерение 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.

EtherCAT Technology Group

EtherCAT Technology Group (ETG) была основана в 2003 году и представляет собой организацию пользователей промышленного Ethernet с большинством членов в мире на сегодняшний день.[4] Список членов ETG включает широкий спектр поставщиков промышленных средств управления, производителей оборудования, машиностроителей и технологических организаций со всего мира. ETG предлагает своим членам поддержку внедрения и обучение, организует тесты на совместимость (часто называемые "Plug Fests")[5]), а также способствует развитию и распространению технологии при поддержке ее членов и команд, работающих в офисах в Германии, Китае, Японии, Корее и Северной Америке. Конечные пользователи ETG охватывают множество отраслей, включая машиностроителей и поставщиков мощных средств управления. Technology объединяет усилия для поддержки и продвижения технологии EtherCAT. Разнообразие отраслей гарантирует оптимальную подготовку EtherCAT для самого широкого спектра приложений.[6] Системные партнеры предоставляют квалифицированные отзывы о простой интеграции аппаратных и программных модулей во всех требуемых классах оборудования. EtherCAT Conformance Test Tool (CTT),[7] разработан при поддержке компаний-членов ETG, обеспечивает совместимость и протокол соответствие устройств EtherCAT.

Международная стандартизация

EtherCAT Technology Group является официальным партнером по связям с IEC (Международная электротехническая комиссия ) рабочие группы по цифровой связи. Спецификация EtherCAT была опубликована как IEC / PAS 62407.[8] в 2005 году, который был удален в конце 2007 года, поскольку EtherCAT был интегрирован в международные стандарты полевых шин IEC 61158[9][10] и IEC 61784-2[11] а также в стандарт профиля привода IEC 61800-7.[12] Эти стандарты МЭК были единогласно утверждены в сентябре и октябре 2007 г. и были опубликованы как IS (Международные стандарты) позже в том же году. В IEC 61800-7 EtherCAT - это стандартизированная технология связи для SERCOS и CANopen приводные профили. EtherCAT также является частью ISO 15745-4,[13] стандарт для XML описание устройства. Более того, ПОЛУ добавил EtherCAT в свой портфель стандартов (E54.20)[14] и одобрили технологию для использования в оборудовании для производства полупроводников и плоских дисплеев. В апреле 2010 г., издание 2 стандарта IEC 61784-3.[15] был принят, который содержит протокол безопасности через EtherCAT. В сентябре 2008 года профиль установки EtherCAT был представлен в IEC 61784-5.[16]

Примечания

  1. ^ EtherCATGroup (23 февраля 2012 г.), Принцип работы EtherCAT (3D), получено 2019-04-09
  2. ^ Верхаппен, Ян. «Скрытая сеть», 14 февраля 2011 г.
  3. ^ https://www.ethercat.org/en/technology.html
  4. ^ Список членов ETG, https://www.ethercat.org/en/members.php
  5. ^ EtherCAT Plug Fests, https://www.ethercat.org/en/plug_fest.htm
  6. ^ Статьи о приложениях EtherCAT, https://www.ethercat.org/en/downloads.html?tf=Applications
  7. ^ Инструмент проверки соответствия EtherCAT, https://www.ethercat.org/en/ctt.htm
  8. ^ IEC / PAS 62407 (Ed 1.0), Технология автоматизации управления Ethernet в реальном времени (EtherCAT)
  9. ^ МЭК 61158-2 (изд. 4.0), Промышленные сети связи - Спецификации Fieldbus - Часть 2: Спецификация физического уровня и определение услуги
  10. ^ МЭК 61158-3 / 4/5 / 6-12 (Ред. 1.0), Промышленные сети связи - Спецификации Fieldbus - Часть 3-12: Определение услуги уровня звена данных - Часть 4-12: Спецификация протокола уровня звена данных - Часть 5-12: Определение услуги уровня приложения - Часть 6-12: Спецификация протокола уровня приложения - Элементы типа 12 (EtherCAT )
  11. ^ МЭК 61784-2 (ред. 1.0), Промышленные сети связи - Профили - Часть 2: Дополнительные профили полевой шины для сетей реального времени на основе ISO / IEC 8802-3
  12. ^ МЭК 61800-7-301 / 304 (Ред. 1.0), Системы электропривода с регулируемой скоростью - Часть 7-301: Общий интерфейс и использование профилей для систем силового привода - Сопоставление типа профиля 1 с сетевыми технологиями - Часть 7-304: Общий интерфейс и использование профилей для систем силового привода - Сопоставление типа профиля 4 с сетевыми технологиями
  13. ^ ISO 15745-4: 2003 / Amd 2: 2007, Системы промышленной автоматизации и интеграция - Платформа интеграции приложений открытых систем - Часть 4: Справочное описание систем управления на базе Ethernet.
  14. ^ SEMI E54.20-1108 - Стандарт для сетевых коммуникаций датчика / исполнительного механизма для EtherCAT
  15. ^ IEC 61784-3 Промышленные сети связи - Профили - Часть 3: Полевые шины функциональной безопасности
  16. ^ IEC 61784-5 Промышленные сети связи - Профили - Часть 5: Установка полевых шин

Рекомендации

  • Janssen, D .; Бюттнер, Х. (2004 г.), "Ethernet в реальном времени: решение EtherCAT", Журнал вычислительной техники и управления, 15: 16–21, Дои:10.1049 / cce: 20040104
  • Ростан, М. (2004), Технический симпозиум SEMI: инновации в производстве полупроводников (PDF), Сан-Франциско, Калифорния, США: SEMI
  • Potra, S .; Себастьен, Г. (2006), «Проблемы реализации протокола EtherCAT на встроенной платформе Linux», IEEE-TTTC Международная конференция по автоматизации, качеству и тестированию, робототехнике AQTR 2006, Клуж-Напора, Румыния: IEEE, стр. 420–425.
  • Robertz, S. G .; Nilsson, K .; Henriksson, R .; Бломделл, А. (2007), "Управление движением промышленных роботов с помощью Java и EtherCAT в реальном времени", 12-я Международная конференция IEEE по новейшим технологиям и автоматизации производства, Патры, Греция: IEEE
  • Сина, Джанлука; Чибрарио Бертолотти, Иван; Сканцио, Стефано; Валенцано, Адриано; Зунино, Клаудио (2010), «О точности механизма распределенных часов в EtherCAT», Factory Communication Systems (WFCS), 8-й международный семинар IEEE 2010 г., Нанси, Франция: IEEE, стр. 43–52, Дои:10.1109 / WFCS.2010.5548638

внешняя ссылка

Форумы EtherCAT, Beckhoff и TwinCAT в LinkedIn