yleiskatsaus
EtherCAT on Ethernet-pohjainen kenttäväyläjärjestelmä, jolla on avoin arkkitehtuuri. EtherCATin CAT on lyhenne sanoista Control Automation Technology. Alunperin kehittänyt Beckhoff Automation GmbH Saksassa. EtherCAT asettaa uuden standardin reaaliaikaiselle suorituskyvylle ja topologiselle joustavuudelle samalla kun se noudattaa kenttäväylän käyttökustannuksia tai jopa pienentää sen kustannuksia. EtherCAT sisältää myös erittäin tarkan laitesynkronoinnin, valinnaisen kaapeliredundanssin ja Functional Security Protocol (SIL3) -protokollan.
periaate
On olemassa useita Ethernet-ratkaisuja, jotka tarjoavat reaaliaikaisia toimintoja: esimerkiksi CSMA/CD-käyttöprosessin poistaminen käytöstä korkeamman protokollakerroksen kautta ja sen korvaaminen aikalohkolla tai kyselymenettelyllä. Muut järjestelmät käyttävät yksityisiä kytkimiä ja jakavat Ethernet-paketteja tarkalla aikaohjauksella. Vaikka näillä ratkaisuilla voidaan toimittaa paketteja liitettyihin Ethernet-solmuihin suhteellisen nopeasti ja tarkasti, kaistanleveyden käyttöaste on alhainen varsinkin tyypillisissä automaatiolaitteissa, koska hyvin pienilläkin tietomäärillä on lähetettävä täysi Ethernet-kehys. Lisäksi aika, joka tarvitaan uudelleenohjaukseen lähtö- tai taajuusmuuttajaohjaimeen ja tulotietojen lukemiseen, riippuu suurelta osin suoritustilasta. Usein on tarpeen käyttää aliväylää, erityisesti modulaarisissa I/O-järjestelmissä, jotka, kuten Beckhoff K-väylä, nopeuttavat siirtoa synkronisen väyläjärjestelmän kautta, mutta tällainen synkronointi ei vältä tietoliikenneväylän lähetyksen viiveitä.
EtherCATin avulla Beckhoff pystyi voittamaan nämä muiden Ethernet-ratkaisujen järjestelmärajoitukset: ei enää tarvinnut vastaanottaa Ethernet-paketteja jokaisessa yhteyspisteessä, purkaa niitä ja kopioida niitä prosessitietoihin. Kun kehykset kulkevat kunkin laitteen läpi, mukaan lukien taustalla oleva päätelaite, EtherCAT lukee asemaohjaimesta kyseiselle laitteelle tärkeitä tietoja. Vastaavasti syöttödataa voidaan lisätä viestiin sen kulkiessa. Kun kehys on ohitettu (vain muutaman bitin viive), orja-asema tunnistaa asiaankuuluvan komennon ja käsittelee sen. Tämä prosessi toteutetaan laitteiston kautta orjaohjaimessa ja on siksi riippumaton protokollapinon ohjelmiston reaaliaikaisesta käynnissä olevasta järjestelmästä tai prosessorin suorituskyvystä. Verkkosegmentin viimeinen EtherCAT-orja palauttaa täysin käsitellyn viestin, joten viesti palautetaan vastausviestinä ensimmäiseltä orjalta isännälle.
Ethernetin näkökulmasta EtherCAT-väyläsegmentti on yksinkertaisesti suuri Ethernet-laite, joka vastaanottaa ja lähettää Ethernet-kehyksiä. Tämä "laite" ei kuitenkaan sisällä yhtä Ethernet-ohjainta alavirran mikroprosessorilla, vaan vain suuren määrän EtherCAT-orja-asemia. Kuten mikä tahansa Ethernet, EtherCAT ei vaadi kytkintä yhteyden muodostamiseen, mikä johtaa puhtaaseen EtherCAT-järjestelmään.
esitys
EtherCAT saavuttaa verkon suorituskyvyn uudelle tasolle. 1000 hajautetun I/O-datan päivitysjakso on vain 30 μs, mukaan lukien päätejakson aika. Ethernet-kehyksen kautta voidaan vaihtaa jopa 1486 tavua prosessidataa, mikä vastaa lähes 12 000 digitaalista I/O-volyymiä. Tämä tietomäärä voidaan siirtää vain 300 μs:ssa.
Yhteys 100 servoakselin kanssa on vain 100 μs. Tänä aikana asetusarvot ja ohjaustiedot voidaan toimittaa kaikille akseleille ja niiden todellinen sijainti ja tila voidaan raportoida. Hajautettu kellotekniikka varmistaa, että synkronointiaikapoikkeama näiden akselien välillä on alle 1 mikrosekunti.
EtherCAT-teknologian erinomaisen suorituskyvyn ansiosta voimme toteuttaa ohjausmenetelmän, jota ei voida toteuttaa perinteisellä kenttäväyläjärjestelmällä. Tällä tavoin väylän kautta voidaan muodostaa myös erittäin nopeita ohjaussilmukoita. Toiminnot, jotka aiemmin vaativat omaa laitteistotukea, voidaan nyt kartoittaa ohjelmistossa. Valtavat kaistanleveysresurssit mahdollistavat tilatietojen siirtämisen rinnakkain minkä tahansa datan kanssa. EtherCAT-teknologia mahdollistaa viestintätekniikan yhteensopivan modernin, tehokkaan teollisuus-PCS:n kanssa. Väyläjärjestelmä ei ole enää ideoiden hallinnan pullonkaula. Tietojen toimitus hajautetussa I/O:ssa ylittää suorituskyvyn, joka voidaan saavuttaa vain paikallisilla I/O-liitännöillä.
Tämä verkon suorituskyvyn etu on ilmeinen pienissä ohjaimissa, joiden laskentateho on suhteellisen pieni. EtherCATin nopea silmukka, joka voidaan tehdä kahden ohjaussilmukan välillä. Siksi ohjaimella on aina uusin tulodata saatavilla ja lähtöosoitteen viive on minimaalinen. Ohjaimen vastekäyttäytymistä voidaan parantaa merkittävästi lisäämättä sen omaa laskentatehoa.
EtherCATin periaatteet ovat skaalattavissa, eivätkä ne rajoitu 100 megabittiin kaistanleveydellä – on mahdollista skaalata jopa gigabit Ethernetiin.
EtherCAT korvaa PCI:n:
PC-komponenttien miniatyrisoinnin kehityksen kiihtyessä teollisuus-PC:n volyymi riippuu pääasiassa tarvittavien korttipaikkojen määrästä.
Nopean Ethernet-kaistanleveyden ja EtherCAT-viestintälaitteiston (EtherCAT slave controller) datakaistanleveyden käyttö avasi uuden sovellusmahdollisuuden: normaalisti IPC:ssä sijaitsevat rajapinnat siirrettiin EtherCAT-järjestelmien älykkäisiin liitäntäpäätteisiin. Hajautetun I/O:n, akselien ja ohjausyksiköiden lisäksi monimutkaisia järjestelmiä, kuten kenttäväylän isäntäasemia, nopeita sarjaliitäntöjä, yhdyskäytäviä ja muita tiedonsiirtoliitäntöjä, voidaan osoittaa tietokoneen Ethernet-portin kautta. DVS-liittimien kautta voidaan kytkeä myös muita Ethernet-laitteita, joissa ei ole protokollamuunnosrajoituksia. Teollisuuden PC-keskikoneen koko pienenee, kustannukset pienenevät, Ethernet-liitäntä riittää hoitamaan kaikki viestintätehtävät.
Käytä Ethernetiä PCI-kenttäväylälaitteiden (PROFIBUS, CANopen, DeviceNet, AS-i jne.) sijaan integrointiin hajautetun kenttäväyläpäätelaitteen kautta. Kenttäväylämasterin käyttämättä jättäminen säästää PC:ssä PCI-paikat.
Väylän topologia
Väylä, puu tai tähti: EtherCAT tukee melkein kaikkia topologioita. Kenttäväylistä johdettua väylärakennetta voidaan siis käyttää myös Ethernetissä. Väylä- ja haararakenteiden yhdistelmä on erityisen hyödyllinen järjestelmän johdotuksessa. Kaikki liitännät sijaitsevat liittimissä, mikä eliminoi lisäkytkimien tarpeen. Tietysti voit käyttää myös perinteistä kytkinpohjaista tähti Ethernet-topologiaa.
Erilaisten siirtokaapeleiden käyttö voi maksimoida johdotuksen joustavuuden. Joustavat ja edulliset standardi Ethernet-pistokaapelit voivat lähettää signaaleja Ethernet-tilassa (100baseTX) tai E-väylän kautta. Optisia kuituja (Pfos) voidaan käyttää erikoissovelluksiin. Ethernet-kaistanleveyttä (kuten erilaisia optisia ja kuparikaapeleita) voidaan käyttää kytkimien tai mediamuuntimien yhteydessä. Fast Ethernetin fyysisten ominaisuuksien ansiosta laitteet voivat olla 100 metrin päässä toisistaan, kun taas E-busin etäisyys toisistaan on vain 10 metriä. Fast Ethernet tai E-bus voidaan valita etäisyysvaatimusten mukaan. EtherCAT-järjestelmään mahtuu jopa 65535 laitetta, joten verkon kokonaiskoko on lähes rajoittamaton.
Voit valita topologian vapaasti. Johdotus on suurin joustavuus: käytetäänkö kytkintä, käytetäänkö väylän topologiarakennetta tai puutopologiarakennetta, voidaan valita mikä tahansa yhdistelmä. Automaattinen osoitteenvaraus; Sinun ei tarvitse asettaa IP-osoitetta.
avoimuus
EtherCAT ei ole vain täysin yhteensopiva Ethernetin kanssa, vaan sillä on myös ainutlaatuinen avoin suunnitteluominaisuus: se voi toimia rinnakkain muiden Ethernet-protokollien kanssa, jotka tarjoavat erilaisia palveluita, ja ne kaikki toimivat rinnakkain samalla fyysisellä välineellä - yleensä vain pienellä vaikutuksella verkon yleistä suorituskykyä. Standard Ethernet -laitteet voidaan liittää EtherCAT-järjestelmään kytkimen kautta, mikä ei vaikuta sykliaikoihin. Perinteisellä kenttäväyläliitännällä varustetut laitteet voidaan integroida verkkoon EtherCAT-kenttäväyläpääterminaalin kautta. UDP-protokollaversio mahdollistaa laitteiden integroinnin mihin tahansa paikkaliitäntään. EtherCAT on täysin avoin protokolla, joka on tunnustettu viralliseksi IEC-spesifikaatioksi (IEC/PAS62407).